Analisis kemometrik berdasarkan spektra fourier transform infrared (FTIR) untuk klasifikasi dan prediksi kadar kafein pada berbagai jenis teh (Camellia sinensis)

INDONESIA:

Daun teh (Camellia sinensis) berdasarkan teknik pengolahannya dibedakan menjadi teh hijau, teh putih, teh oolong, dan teh hitam. Perbedaan teknik pengolahan tersebut memengaruhi kandungan senyawa kimia, termasuk kafein. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis kadar kafein pada daun teh segar, teh hijau, teh hitam, dan teh putih menggunakan pendekatan kemometrik berbasis Fourier Transform Infrared. Sampel teh diperoleh dari Wonosari, Lawang dan diekstraksi menggunakan metode penyeduhan dengan air panas serta ekstraksi cair-cair menggunakan pelarut kloroform. Ekstrak yang diperoleh dianalisis menggunakan spektrofotometer UV-Vis untuk menentukan kadar kafein dan spektrofotometer FTIR untuk memperoleh data spektra IR yang selanjutnya dianalisis menggunakan PCA dan PLSR.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa kadar kafein berdasarkan variasi jenis teh dari terendah hingga tertinggi berturut-turut adalah daun teh segar, teh hijau, teh hitam, dan teh putih dengan nilai sebesar 30,3447% ± 1,1746; 30,5282% ± 1,0156; 33,0029% ± 0,5803; dan 53,7473% ± 0,4020. Analisis PCA berhasil mengelompokkan variasi jenis teh berdasarkan profil spektra IR dengan total variasi data sebesar 90,1%, yang terdiri atas PC1 sebesar 67,8% dan PC2 sebesar 22,3%. Kelompok teh hitam dan teh putih terpisah jelas dari kelompok lainnya, sedangkan daun teh segar dan teh hijau berada pada kelompok yang berdekatan sehingga menunjukkan kemiripan karakteristik kimia. Analisis PLSR menghasilkan model prediksi kadar kafein yang baik pada region bilangan gelombang 1700–1650 cm-1. Validasi internal model menghasilkan nilai MSE 7,304; RMSE 2,703; MAE 2,121; MAPE 6,073%; dan R2 0,924, sedangkan validasi eksternal menghasilkan nilai MSE 12,3777; RMSE 3,5182; MAE 3,4474; dan MAPE 10,5047%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa metode ATR-FTIR yang dikombinasikan dengan kemometrik berpotensi sebagai metode skrining awal kadar kafein yang cepat, non-destruktif, dan ramah lingkungan dalam penentuan kadar kafein serta pengendalian mutu teh.

ENGLISH:

Tea leaves (Camellia sinensis) are classified into green tea, white tea, oolong tea, and black tea based on their processing techniques. These differences in processing techniques affect the composition of chemical compounds, including caffeine. This study aimed to analyze the caffeine content of fresh tea leaves, green tea, black tea, and white tea using a chemometric approach based on Fourier Transform Infrared. Tea samples were obtained from Wonosari, Lawang and were extracted using a hot-water infusion method followed by liquid–liquid extraction with chloroform as the solvent. The resulting extracts were analyzed using a UV–Vis spectrophotometer to determine caffeine content and an FTIR spectrophotometer to obtain infrared spectral data, which were subsequently analyzed using PCA and PLSR.
The results showed that the caffeine content, based on tea type, increased in the following order: fresh tea leaves, green tea, black tea, and white tea, with values of 30.3447% ± 1.1746, 30.5282% ± 1.0156, 33.0029% ± 0.5803, and 53.7473% ± 0.4020, respectively. PCA successfully grouped the different tea types based on their infrared spectral profiles, explaining 90.1% of the total data variation, with 67.8% attributed to PC1 and 22.3% to PC2. The black tea and white tea groups were clearly separated from the other groups, whereas fresh tea leaves and green tea were located in adjacent groups, indicating similar chemical characteristics. PLSR analysis produced a good prediction model for caffeine content in the wavenumber region of 1700–1650 cm-1. Internal validation of the model resulted in MSE, RMSE, MAE, MAPE, and R2 values of 7.304, 2.703, 2.121, 6.073%, and 0.924, respectively, whereas external validation resulted in MSE, RMSE, MAE, and MAPE values of 12.3777, 3.5182, 3.4474, and 10.5047%, respectively. The results indicate that the ATR-FTIR method combined with chemometric analysis has the potential to serve as a rapid, non-destructive, and environmentally friendly preliminary screening method for caffeine determination and tea quality control.

ARABIC:

تُصنَّف أوراق الشاي (Camellia sinensis) وفقًا لطرق معالجتها إلى الشاي الأخضر، والشاي الأبيض، وشاي الأولونغ، والشاي الأسود. وتؤثر اختلافات طرق المعالجة هذه في محتوى المركبات الكيميائية، بما في ذلك الكافيين. هدفت هذه الدراسة إلى تحليل محتوى الكافيين في أوراق الشاي الطازجة والشاي الأخضر والشاي الأسود والشاي الأبيض باستخدام المقاربة الكيميائية القياسية (الكيمومتريكس) المعتمدة على تقنية مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR). تم الحصول على عينات الشاي من منطقة وونوساري، لاوانغ، واستُخلصت باستخدام طريقة النقع بالماء الساخن متبوعة بالاستخلاص سائل-سائل باستعمال مذيب الكلوروفورم. وحُلِّلت المستخلصات الناتجة باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-Vis) لتحديد محتوى الكافيين، ومطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) للحصول على بيانات الأطياف تحت الحمراء، والتي خضعت لاحقًا للتحليل باستخدام طريقتي تحليل المكونات الرئيسية (PCA) والانحدار الجزئي للمربعات الصغرى (PLSR).

أظهرت النتائج أن محتوى الكافيين في أنواع الشاي المختلفة، من الأدنى إلى الأعلى، كان على التوالي: أوراق الشاي الطازجة، والشاي الأخضر، والشاي الأسود، والشاي الأبيض، بقيم بلغت ٣٠٫٣٤٤٧٪ ± ١٫١٧٤٦، و٣٠٫٥٢٨٢٪ ± ١٫٠١٥٦، و٣٣٫٠٠٢٩٪ ± ٠٫٥٨٠٣، و٥٣٫٧٤٧٣٪ ± ٠٫٤٠٢٠. كما نجح تحليل المكونات الرئيسية (PCA) في تصنيف أنواع الشاي المختلفة اعتمادًا على خصائص الأطياف تحت الحمراء، حيث بلغ إجمالي التباين المفسَّر للبيانات ٩٠٫١٪، توزّع إلى ٦٧٫٨٪ للمكوّن الرئيسي الأول (PC1) و٢٢٫٣٪ للمكوّن الرئيسي الثاني (PC2). وقد انفصلت مجموعتا الشاي الأسود والشاي الأبيض بوضوح عن المجموعات الأخرى، في حين تقاربت أوراق الشاي الطازجة والشاي الأخضر ضمن مجموعة واحدة، مما يدل على تشابه خصائصهما الكيميائية. وأنتج تحليل الانحدار الجزئي للمربعات الصغرى (PLSR) نموذجًا جيدًا للتنبؤ بمحتوى الكافيين في نطاق الأعداد الموجية ١٧٠٠–١٦٥٠ سم⁻¹. وأظهرت عملية التحقق الداخلي للنموذج قيمًا بلغت: MSE = ٧٫٣٠٤، وRMSE = ٢٫٧٠٣، وMAE = ٢٫١٢١، وMAPE = ٦٫٠٧٣٪، وR² = ٠٫٩٢٤، في حين أسفر التحقق الخارجي عن قيم MSE = ١٢٫٣٧٧٧، وRMSE = ٣٫٥١٨٢، وMAE = ٣٫٤٤٧٤، وMAPE = ١٠٫٥٠٤٧٪. وتشير نتائج هذه الدراسة إلى أن تقنية ATR-FTIR المقترنة بالتحليل الكيمومتري تمتلك إمكانات واعدة بوصفها طريقة فحص أولي سريعة وغير إتلافية وصديقة للبيئة لتحديد محتوى الكافيين والمساهمة في مراقبة جودة الشاي.