< PreviousBioteknologi Industri Pangan 399Tabel 9.6 Produksi Enzim oleh Kapang (Anonim 2006) Enzim Jenis Kapang Inducer Produk (satuan unit international) Selulase Trichoderma viride Selulosa Selobiosa Selobiosa diplamitat 22,5 0,2 4,8 Dextranase Penicellium funiculosum Dekstran Isomaltosa Isomaltosa dipalmiat 1080 2 1098 Invertase Aureobasidium pullulans Sukrosa Sukrosa monopalmiat 1,3 108 2. Enzim mikrobia dan kegunaannya a. Amilase Strain Bacillus dan Aspergillus menghasilkan beberapa ensim yaitu α-amilase mengkatalisa hidrolisis ikatan α-1,49 glukosidik, berfungsi memecah pati menjadi dextrin dan maltosa amiloglikosidase yang langsung menghasilkan glukosa dari pati. maltase menghidrolisa maltosa menjadi glukosa. Amilase yang dihasilkan oleh Aspergillus niger dan A. oryzae digunakan untuk hidrolisa pati menjadi gula b. Protease Protease dihasilkan oleh Bacillus subtilis dan Bacillus licheniformis atau A. niger, A. oryzae. Protease alkalin bersifat toleransi terhadap pH basa dan aktif dengan adanya sodium perborat atau sodium alkylbenzen sulfo-nat. Prolease alkalin dihasil-kan oleh Bacillus dan Streptomyces 99..33.. FFeerrmmeennttaassii MMeettaabboolliitt SSeekkuunnddeerr Mikroba mampu mensintesis senyawa metabolit sekunder pada fase pertumbuhan stasioner. Senyawa metabolit sekunder tersebut digunakan sebagai nutrisi darurat untuk mempertahankan hidupnya. Metabolit sekunder dapat tergolong sebagai antibiotik biopestisida, mikotoksin, pigmen, alkaloid dan enzim. Antibiotik yang dihasilkan oleh kapang meliputi sikloheksimida, amphosetrim, pimarcin, griscoful-vin, penisilin, cephalosporin, asam fusidat dan lain sebagainya. Bioteknologi Industri Pangan 400Bakteri juga mampu menghasilkan sikloeksimida, streptomisin, am-phosetrim, pimaricin, streptomisin, tetrasiklin, khloramfenikol, novobiosin, erithromisin, polimisin dan nisin. Spesies Actinomycetes dapat menghasilkan 50-100 antibiotik setiap tahunnya dan Streptomycesgriseus menghasilkan 40 macam antibiotik yang berbeda. Biopestisida merupakan senyawa yang dihasilkan oleh mikroba yang bersifat insektisidal (mematikan insekta) sebagai contoh Bacillus thuringiensis bersifat patogen terhadap larva lepidoptera, Bacillus popilliae bersifat patogen terhadap larva lebah. Senyawa lain yang bersifat sidal (menghambat organisme lain) adalah golongan alkaloid yang dapat diproduksi oleh mikroba dan bersifat herbisidal (mematikan herb/gulma tananam) contohnya Cloviceps purpurea dan C. pospali mampu membunuh rumput Pospalum. Beberapa contoh antibiotik lain yang dihasilkan selama fermentasi metabolit skunder adalah penisilin dan biopestisida seperti yang dijelaskan sebagai berikut. A. Penisilin Pada abad 19 telah ditemukan mikroba yang dapat menghambat pertumbuhan mikroba lain, karena menghasilkan senyawa toksin. Mikroba tersebut adalah kapang Penicillium sp sehingga senyawa toksin yang dihasilkan disebut penisilin dan berperanan sebagai antibiotik. Terdapat banyak antibiotik lain yang diproduksi oleh mikroba selain kapang seperti bakteri yang juga dapat digunakan dalam bidang pengobatan sebagai senyawa antikapang dan antibakteri yang dihasilkan oleh mikrobia (Tabel 9.7). Alexander Flemming secara kebetulan menemukan Penicellium notatum tumbuh pada kultur Staphylococcus yang menyebabkan terbentuknya daerah (zone) jernih/bening di sekitar Penicellium, karena kedua mikroba tersebut saling bersifat antagonis. Kemudian setelah suatu senyawa diisolasi dari zona bening tersebut, ditemukan sejenis antibiotik yang selanjutnya dikenal sebagai penisilin. Pada tahun 1940 Florey menemukan P. chrysogenium sebagai penghasil penisilin yang mempunyai daya hambat lebih efektif dan tidak toksis terhadap jaringan manusia. Industri penisilin terus mengembangkan cara isolasinya dengan meneliti strain baru dari alam, melakukan seleksi, meningkatkan sifat kultur melalui mutasi, dan optimalisasi media serta kondisi produksi. Gambar 10 menjelaskan contoh tahap isolasi dan karakterisasi P. chrysogenum dari buah melon. Produksi Penisilin dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: 1. kultur tenggelam, dan 2. kultur permukaan Dalam produksi penisilin diperlukan starter Penicellium yaitu dengan meumbuhkan Penicellium notatum Bioteknologi Industri Pangan 401atau P. chrysogenium untuk membentuk spora, selanjutnya spora tersebut sebagai inokulum/starter. Beberapa faktor yang perlu diperhatikan selama fermentasi penisilin adalah: 1. Bahan dasar terdiri atas: a. Sumber karbon (6 %), laktosa, pati jagung dan dextrin jagung. b. Sumber nitrogen: sodium nitrat, ammonium sulfat, ammonium asetat, ammonium laktat, corn steep liquor. c. Sumber mineral: magnesium sulfat (MgSO4 7H2O) d. Prekursor/inducer yaitu senyawa yang mampu menginduksi pembentukan penisilin oleh Penicillum seperti asam fenilasetat. Gambar 9.10 Pengembangan Strain Penghasil Penisilin (Anonim 2006) Isolasi dari melonIsolat P. ChrysogenumMutasiMutanProduksiPenisilinPengujian dengan Staphylococcus aureus (1 unit/ml) Isolasi PenisilinPurifikasiKristalisasi(1 unit = 0,5988 µgr / sodium benzyl penisilin) Bioteknologi Industri Pangan 4022. Kondisi fermentasi Suhu 240C, pH : 5-7,5, aerasi 400 cu/menit, antifolam tributyl citrat, 3 % oktadekanol. B. Biopestisida Kebanyakan antibiotik dengan konsentrasi antara 55-200 ppm mempunyai sifat insektisidal. Novobioci dan cycloheximide (actidione) merupakan insektisida yang mempunyai spektrum lebih luas terhadap insekta. Di Jepang telah banyak dilakukan seleksi dan Tabel 9.7 Jenis Mikroba, Insektisida yang Dihasilkan dan Toksisitasnya terhadap Manusia (Anonim, 2006) Jenis mikrobia Streptomyces factum Streptomyces mabaraence Metarrhizium anisapliae Aspergillus ochraccus Aspergillus versicolor Pactomycin Piericidins A dan B Dextrixin A dan B Aspachchracin Versimide Tinggi Tinggi Tinggi Rendah - Di Jepang, kapang tingkat tinggi digunakan untuk pengendalian lalat, yaitu asam tricklomat yang dihasilkan oleh Tricholoma muscarium dan asam dibotenat dari Amania muscaria. Contoh mikroba lain seperti bakteri yang berperan sebagai pengendali hama antara lain : 1. Bacillus thuringensis: sporanya bersifat patogen terhadap larva Lipidoptera 2. Bacillus popilliae: sporanya bersifat patogen terhadap lebah (Popillia japanica). Kapang dapat menginfeksi integumen hospes. Spesies fungi yang paling baik adalah Beauveria bassiana untuk mematikan penyakit pada ulat sutera (Bombyx mori). Bioteknologi Industri Pangan 403Gambar 9.11 Diagram Alir Produksi Penisilin Secara Komersial (Anonim 2005) 99..44.. TTeekknnoollooggii FFeerrmmeennttaassii Fermentasi berasal dari bahasa latin yaitu fervere yang berarti mendidih (to boil) sebagai suatu kenyataan yang menunjukkan adanya aktifitas khamir pada ekstrak buah-buahan atau serealia, karena selama fermentasi dihasilkan CO2 sehingga kondisinya menjadi anaerob. Proses fermentasi sering didefinisikan sebagai proses pemecahan karbohidrat dan asam amino secara anaerobik, yaitu tanpa memerlukan oksigen. Karbohidrat merupakan substrat utama yang dipecah dalam proses fermentasi. Bentuk polisakarida terlebih dahulu dipecah menjadi gula sederhana sebelum difermentasi, misalnya hidrolisis pati menjadi unit-unit glukosa. Selanjutnya glukosa dipecah menjadi senyawa-senyawa lain tergantung dari jenis fermentasinya. Tahapan fermentasi meliputi pemilihan jenis mikroba dan kultur stok, menentukan media, persiapan/preparasi inokulum, proses fermentasi, mengendalikan/ mengontrol proses dan pengunduhan hasil serta pemurnian hasil fermentasi (jika diperlukan). Operasi fermentasi secara komersial dapat digolongkan menjadi tiga golongan yaitu fermentasi nonaseptis, semi aseptis dan aseptis. Fermentasi non aseptis biasanya terjadi secara spontan di alam. Contoh fermentasi non aseptis adalah produksi protein sel tunggal (PST) dari hidrokarbon. Fermentasi semi aseptis memerlukan kondisi (lingkungan dan media) yang agak spesifik dan sedikit terkontrol, contohnya fermentasi alkohol. Sedangkan fermentasi aseptis adalah fermentasi yang harus dilakukan secara penuh karena adanya kontaminasi mikroba lain dapat mengakibatkan kegagalan proses (fatal), contohnya fermentasi produksi antibiotik. Bioteknologi Industri Pangan 404Fermentasi merupakan proses yang relatif murah dan pada hakekatnya telah lama dilakukan oleh nenek moyang kita secara tradisional dengan produk-produknya yang sudah biasa dimakan orang sampai sekarang seperti tempe, oncom, tape, dan lain sebagainya. Proses fermentasi dengan teknologi yang sesuai dapat menghasilkan produk yang mengandung protein lebih tinggi. Protein yang berasal dari mikroba sebagai sumber pangan manusia mulai dikembangkan pada awal tahun 1900. Protein mikroba ini kemudian dikenal dengan sebutan Single Cell Protein (SCP) atau Protein Sel Tunggal (PST). Menurut Tannembaum (1971), protein sel tunggal adalah istilah yang digunakan untuk protein kasar atau murni yang berasal dari mikroorganisme, seperti bakteri, khamir, kapang, ganggang dan protozoa. Ada dua istilah yang sering digunakan untuk produk protein dari mikroba yaitu Protein Sel Tunggal (PST) dan Microbial Biomass Product (MBP) atau Produk Biomassa Mikrobial (PBM). Bila mikroba yang digunakan tetap berada dan bercampur dengan masa substratnya maka seluruhnya dinamakan PBM. Bila mikrobanya dipisahkan dari substratnya maka hasil panennya dinamakan PST. Kebanyakan produk berasal dari substrat yang mengandung karbon. Bermacam-macam produk antara yang dihasilkan dari glukosa dan selanjutnya diubah menjadi asam piruvat. Dari asam piruvat akan direduksi menjadi asam laktat, asam butirat, asam propional, butanediol, etil alkohol dan sebagainya. Produk yang dihasilkan tergantung pada ada dan tidaknya enzim mikroba. Sebagai contoh bakteri asam laktat tidak menghasilkan enzim piruvat dekarboksilase, tetapi mereduksi piruvat menjadi asam laktat, sedangkan khamir dapat menghasilkan piruvat dekarboksilase untuk mereduksi senyawa CO2 menjadi etanol. Metabolisme glukosa dalam kondisi anaerob melalui jalur Embden-Meyerhaf-Parnas (EMP). Kemudian melalui reaksi Entner Doudoroff didegradasi menjadi etil alkohol, seperti yang dilakukan oleh Pseudomonas. Piruvat dapat diubah menjadi asam laktat, seperti yang dilakukan oleh Leuconostoc mesenteraides. Beberapa jenis fermentasi yang dilakukan oleh mikroba mempunyai sifat karakteristik tersendiri antara lain: 1. Tipe fermentasi yang dibedakan atas pertumbuhan mikroba dan produk. a. Sinonim : produksi protein sel tunggal b. Assosiasi (associated) : fermentasi alkohol asam sitrat, dan asam laktat. c. Nonassosiasi (non associated): fermentasi antibiotik. d. Stepwise: fermentasi antibiotik Bioteknologi Industri Pangan 4052. Jenis mikroba yang berperanan dalam industri adalah bakteri, fungi, khamir, alge dan protozoa a. Bakteri contohnya: Zymomonus mobilis, Clostridium acetobutylicum, Acetobacter aceti. b. Fungi contohnya: Aspergillus oryzae, Penicellium notatum, Rhizopus oligosporus c. Khamir contohnya : Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, Saccharomyces pombe. d. Virus perlu dipelajari karena penyebab kontaminasi e. Protozoa penting dalam penangan limbah f. Alge untuk produksi bahan makanan yaitu agar, protein sel tunggal. 3. Peranan mikroba dalam metabolismenya. a. Katabolisme : fermentasi alkohol, aseton, butanol dan asam organik b. Anabolisme : fermentasi polisakarida protein, asam nukleat, alkaloid. 4. Enzim yang berperan dalam fermentasi. a. Katalisator enzim dapat mempercepat reaksi kimia 1012–1020 kali dibandingkan dengan katalisator anorganik. b. Reaksi dengan menggunakan enzim untuk mendapatkan produk melalui degradasi tahap demi tahap. c. Energi yang dihasilkan oleh enzim ditangkap lalu dilepas, tidak seperti katalisator anorganik. d. Enzim dapat menurunkan energi aktivasi reaksi. 5. Substrat dasar yang digunakan dapat dari karbohidrat dan senyawa nitrogen organik. Tabel 9.8 Macam-Macam Fermentasi Karbohidrat (Anonim 2006) No. Macam GlikolisisHasil akhir utama 1 2 3 4 5 6 Fermentasi alkohol - oleh khamir - oleh bakteri Fermentasi asam laktat - homofermentasi (homolaktat) - heterofermentasi (heterolaktat) Fermentasi asam propionat Fermentasi asam butiran Fermentasi asam campur Fermentasi butanediol HDP EDP HDP HMP HDP HDP HDP HDP etanol, CO2 etanol, CO2 asam laktat, etanol asam asetat dan CO2 asam propionat, asam asetat, CO2 Isopropanol. etanol, asetat, format, H2,CO2, laktat, suksinat. butanediol, etanol, laktat, suksinat, asetat, H2, CO2. Bioteknologi Industri Pangan 406Peruraian glukosa menjadi asam piruvat dibedakan menjadi 3 jalur : 1. Jalur heksosa difosfat (HDP), yaitu Embden-Meyerhoff-Parras atau glikolisa. 2. Jalur heksosa monfosfat (HMP), yaitu jalur Warburg Dicken, jalur fosfoketolosa, atau jalur pentosa fosfat. 3. Jalur 2 keto-3 deoksi glukonat-6 fosfat (jalur KDGP), atau jalur Entner Doudoroff. Gambar 9.12 Jalur Perubahan Asam Piruvat (Anonim 2006) 6. Tahapan fermentasi a. Pemilihan mikroba Mikroba yang dipakai dalam industri akan sangat bermanfaat bila disimpan untuk penggunaan lebih lanjut tanpa mengurangi kemampuan tumbuh dan produksinya. Ada dua macam kultur yaitu primary culture dan working culture. b. Media fermentasi Media sangat penting dalam fermentasi karena mikrobia mampu tumbuh pada substrat tersebut. Media harus mengandung makronutrien Media fermentasi dapat digolongkan menjadi dua macam yaitu media sintetik dan kompleks. Bioteknologi Industri Pangan 407c. Preparasi inokulum Media untuk penyiapan inokulum biasanya berbeda dengan media fermentasi. Media untuk inokulum untuk menghasilkan sel mikrobia dalam jumlah besar tanpa terjadi perubahan sifat genetik sel. Konsentrasi penggunaan 0,5 % sampai 5 % volume, kadang 10 % - 20 % inokulum yang terlalu sedikit mengakibatkan waktu fermentasi menjadi lama dan produktivitas menurun. d. Kontrol proses fermentasi dan pengunduhan produk. Gambar 9.13 Contoh Aplikasi Teknologi Fermentasi (Anonim, 2005) 99..55.. GGeenneettiiccaallllyy MMooddiiffiieedd OOrrggaanniissmm ((GGMMOO)) ddaallaamm PPaannggaann Deskripsi singkat Bioteknologi adalah penggunaan tanaman, hewan, ataupun mikroba, baik secara keseluruhan maupun sebagian, untuk membuat atau memodifikasi suatu produk mahluk hidup ataupun merubah spesies mahluk hidup yang sudah ada. Rekayasa genetika merupakan suatu proses bioteknologi modern dimana sifat-sifat dari suatu mahluk hidup dirubah dengan cara memindahkan gen-gen dari satu spesies mahluk hidup ke spesies yang lain, ataupun memodifikasi gen-gen dalam satu spesies. Bioteknologi Industri Pangan 408 Gambar 9.14 Aplikasi Bioteknologi pada Tanaman Pisang (Jennifer, 2006) GMO (Genetically Modified Organism) adalah organisme (dalam hal ini lebih ditekankan kepada tanaman dan hewan) yang telah mengalami modifikasi genome (rangkaian gen dalam kromosom) sebagai akibat ditransformasikannya satu atau lebih gen asing yang berasal dari organisme lain (dari species yang sama sampai divisio yang berbeda). Gen yang ditransformasikan diharapkan dapat mengeluarkan atau mengekspresikan suatu produk yang bermanfaat bagi manusia. Secara sederhana GMO adalah organisme (dalam hal ini tanaman atau hewan) yang dapat menghasilkan suatu zat yang asalnya zat tersebut tidak bisa atau tidak biasa dia buat dalam jumlah yang meningkat. Rekayasa GMO sudah dimulai sejak tahun 1970-an, diawali dengan aplikasinya pada tanaman sehingga sampai kini tidak kurang dari 30 juta ladang tanaman yang ditanami GMO. Jenis-Jenis GMO Tanaman Berbagai jenis GMO tanaman yang dikelompokkan atas karakteristik khasnya antara lain sebagai berikut: 1. Toleran terhadap tekanan biotik dan abiotik Contoh yang termasuk kategori tahan faktor biotik misalnya padi yang tahan terhadap virus RYMV dengan teknik imunisasi genetik untuk jenis padi yang tumbuh di daerah sahara. Lainnya adalah tanaman papaya yang tahan virus ring spot, tanaman kentang yang tahan hama blight. Di lain pihak contoh-contoh yang tahan faktor abiotik misalnya tanaman yang tahan aluminium pada jenis tanah asam, tahan kekeringan, tahan panas, tahan dingin dan yang tahan garam. 2. Tanaman yang tahan Serangga dan herbisida. Tanaman yang tahan serangga yang sudah banyak dikenal adalah yang mengandung gen dari bakteri Bacillus thuringiensis (gen Bt) yang dapat memproduksi protein yang dapat membunuh insek. Adapun tanaman yang tahan terhadap herbisida dibuat mengandung gen yang dapat menghasilkan inhibitor bagi enzim target dari suatu herbisida. Next >