fermentasi padat

Oleh Amar Ma’ruf

Teknik Kimia UMS

Solid State Fermentation (Fermentasi Padat)

Fermentasi berasal dari bahasa latin yaitu dari kata “fervere” yang berarti mendidih yang menunjukan adanya aktivitas pada ekstrak buah-buahan atau  larutan malt biji-bijian. Kelihatan seperti mendidih karena terbentuknya gelembung-gelembung CO₂ akibat dari proses katabolisme secara anaerobic dari yang ada dalam ekstrak (Retno Wijayanto & Tri Wuri Hadayani, 2008).

Fermentasi digolongkan menjadi 3, yaitu (Retno Wijayanto & Tri Wuri Hadayani, 2008):

·         Fermentasi permukaan

·         Sistem fermentasi cair

·         Sistem fermentasi padat

Penelitian ini menggunakan metode sistem fermentasi padat. Sistem fermentasi padat umumnya diidentikan dengan pertumbuhan mikroorganisme dalam partikel pada substrat dalam berbagai variasi kadar air. Substrat padat bertindak sebagai sumber karbon, nitrogen, mineral, dan faktor-faktor penunjang pertumbuhan, dan memiliki kemampuan untuk menyerap air, untuk pertumbuhan mikroba (M. Saban Tanyildizi dkk,2007).

Mikroorganisme yang tumbuh melalui sistem fermentasi padat berada pada kondisi pertumbuhan di bawah habitat alaminya, mikroorganisme tersebut dapat menghasilkan enzim dan metabolism yang lebih efisien dibandingkan dengan system fermentasi cair. Sistem fermentasi padat memiliki lebih banyak manfaat dibandingkan dengan sistem fermentasi cair, diantaranya tingkat produktivitasnya tinggi, tekniknya sederhana, biaya investasi rendah, kebutuhan energi rendah, jumlah air yang dibuang sedikit, recovery produknya lebih baik, dan busa yang terbentuk sedikit. Sistem fermentasi padat ini dilaporkan lebih cocok digunakan di Negara-negara berkembang. Manfaat lain dari sistem fermentasi padat adalah murah dan substratnya mudah didapat, seperti produk pertanian dan industri  makanan (M. Saban Tanyilzi dkk, 2007).

Enzim yang dihasilkan melalui proses sistem fermentasi padat baik yang belum dimurnikan atau yang dimurnikan secara parsial dapat diaplikasikan di industri seperti pectinase digunakan untuk klarifikasi jus buah, alpha amylase untuk sakarifikasi pati. Murahnya harga residu pertanian dan argo-industri merupakan salah satu sumber yang dapat digunakan sebagai substrat dalam sistem fermentasi padat. Fakta menunjukan bahwa residu ini merupakan salah satu reservoir campuran karbon terbaik yang ada di alam. Dalam sistem fermentasi padat, substrat padat tidak hanya menyediakan nutrient bagi kultur tetapi juga sebagai tempat penyimpanan air untuk sel mikroba  (M. Saban Tanyilzi dkk, 2007).

Komposisi dan konsentrasi dari media dan kondisi fermentasi sangat berpengaruh pada pertumbuhan dan produksi enzim ekstraseluler dari mikroorganisme. Biaya dan ketersediaan substrat merupakan faktor yang penting untuk dipertimbangkan, dan karena itulah pemilihan substrat padat memegang peranan penting dalam menentukan efisiensi pada proses sistem fermentasi padat. Untuk biaya analisa awal, kira-kira 60 dan 50% untuk biaya medium fermentasi dan pengaturan proses down-stream. Sehingga dapat diketahui bahwa sistem fermentasi padat cocok untuk pengembangan fungi dan tidak cocok untuk proses kultur bakteri karena membutuhkan air yang lebih banyak  (M. Saban Tanyilzi dkk, 2007).

Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi proses pertumbuhan fungi dan produksi enzim adalah:

a.       Konsentrasi substrat

Substrat merupakan sumber nutrient utama bagi fungi. Nutrient-nutrien baru dapat dimanfaatkan sesudah fungi mengeksresi enzim-enzim ekstraseluler yang dapat mengurai senyawa-senyawa kompleks dari substrat tersebut menjadi senyawa-senyawa yang lebih sederhana (Indrawati Gandjar, 2006).

b.      Sumber nitrogen

Bahan yang banyak dipakai sebagai sumber nitrogen adalah ammonium nitrat, ammonium sulfat, dan urea. Nitrogen diperlukan dalam proses fermentasi karena dapat mempengaruhi aktivitas dari Aspergillus niger. Pada proses fermentasi untuk menghasilkan enzim selulase, sumber nitrogen yang optimal adalah urea (Narasimha G dkk, 2006), (Vu et al., 2011).

c.       Phospat

Kebutuhan phospat dalam proses pertumbuhan fungi tidak banyak dijelaskan tetapi keseimbangan antara mangan, seng, dan phospat merupakan salah satu faktor penentu dalam beberapa kasus dimana terjadi kontaminasi ion logam tertentu maka adanya phospat dapat memberikan keuntungan (Indrawati Gandjar, 2006).

d.      Magnesium

Magnesium berfungsi sebagai kofaktor dalam mengatur jumlah enzim yang terlibat dalam reaksi. Dalam sel konsentrasi optimal dari penambahan magnesium adalah 0,002-0,0025% (Indrawati Gandjar, 2006).

e.       Aerasi

Dalam media fermentasi padat, aerasi diatur dengan cara memperhatikan pori-pori bahan yang difermentasikan (Indrawati Gandjar, 2006). Aerasi berfungsi untuk mempertahankan kondisi aerobik untuk desorbsi CO₂, mengatur temperatur substrat, dan mengatur kadar air (Prior dkk, 1980). Aerasi yang diberikan juga membantu menghilangkan sebagian panas yang dihasilkan sehingga temperatur dapat dipertahankan pada temperatur optimal untuk produksi enzim (Abdul Aziz Darwis dkk, 1995).

Tingkat aerasi optimal yang diberikan dipengaruhi oleh sifat mikroorganisme yang digunakan. Tingkat O₂ yang dibutuhkan untuk sintesis produk, jumlah panas metabolik yang harus dihilangkan dari bahan, ketebalan lapisan substrat, tingkat CO₂, dan metabolit-metabolit lain yang mudah menguap harus dihilangkan, dan tingkat ruang udara yang tersedia di dalam substrat (Lonsane dkk, 1985).

f.       pH

pH substrat sangat penting untuk pertumbuhan fungi, karena enzim-enzim tertentu hanya akan mengurai suatu substrat sesuai dengan aktivitasnya pada pH tertentu. Umumnya fungi menyukai pH di bawah 7. Jenis-jenis khamir tertentu bahkan tumbuh pada pH yang cukup rendah, yaitu pH 4,5-5,5. Pengaruh pH sangat penting dalam industri agar fungi yang ditumbuhkan menghasilkan produk antibiotik, dan juga mencegah pembusukan bahan pangan (Indrawati Gandjar, 2006). Pada penelitian sebelumnya, produksi enzim tertinggi terjadi pada pH 4 (Vu et al., 2011).

g.      Temperatur inkubasi

Berdasarkan kisaran suhu lingkungan yang baik untuk pertumbuhan, fungi dapat dikelompokkan sebagai fungi psikrofil, mesofil, dan termofil. Pengetahuan tentang kisaran temperature pertumbuhan suatu fungi sangat penting, terutama bila isolat-isolat tertentu akan digunakan di industri. Misalnya, fungi yang termofil atau termotoleran (Candida tropicalis, Paecilomyces variotii, dan Mucor miehei), dapat memberikan produk yang optimal meskipun terjadi peningkatan temperatur, karena metabolisme funginya, sehingga industri tidak memerlukan penambahan alat pendingin (Indrawati Gandjar, 2006). Pada penelitian sebelumnya, produksi enzim selulase tertinggi terjadi pada temperatur 35ºC (Vu et al., 2011).

h.      Waktu fermentasi

Pada awal fermentasi aktivitas enzim masih sangat rendah. Aktivitas enzim akan meningkat sejalan dengan bertambahnya waktu fermentasi dan menurun pada hari ke-10. Hal ini mengikuti pola pertumbuhan mikroorganisme yang mengalami beberapa fase pertumbuhan yaitu fase adaptasi, fase eksponensial, fase stasioner, dan fase kematian (Abdul Aziz Darwis dkk, 1995).

Organisme pembentuk spora biasanya memproduksi enzim pada fase pasca eksponensial. Jadi dapat diduga bahwa pada saat aktivitas enzim yang dihasilkan tinggi, maka fungi telah berada pada fase tersebut (Suhartono, 1989). Pada penelitian sebelumnya aktivitas enzim yang optimal adalah pada waktu fermentasi selama 3 hari (Vu et al., 2011).

i.        Moisture Content

Moisture content merupakan faktor penting dalam proses sistem fermentasi padat karena variable ini dapat berpengaruh pada pertumbuhan mikroorganisme, biosintesis, dan sekresi enzim. Moisture content yang rendah menyebabkan berkurangnya kelarutan nutrient di dalam substrat, derajat pertumbuhan rendah, dan tegangan air tinggi. Sedangkan level moisture content  yang lebih tinggi dapat menyebabkan berkurangnya yield enzim yang dihasilkan karena dapat mereduksi porositas (jarak interpartikel) pada matriks padatan, sehingga manghalangi transfer oksigen (Md. Zahangir Alam dkk, 2005). Pada penelitian sebelumnya, moisture content yang optimal untuk pertumbuhan Aspergillus niger adalah 40% (Vu et al., 2011). 

bagas (bagasse)/ ampas tebu

Oleh Amar Ma’ruf

Teknik Kimia UMS

Bagasse (Ampas Tebu)

Bagasse (ampas tebu) merupakan limbah berserat yang diperoleh dari hasil samping proses penggilingan tanaman tebu (Saccharum oficinarum). Ampas ini sebagian besar mengandung bahan-bahan lignoselulosa. Bagasse mengandung air 48-52%, gula rata-rata 3,3%, dan serat rata-rata 47,7%. Serat bagasse sebagian besar terdiri dari selulosa, hemiselulosa dan lignin dan tidak dapat larut dalam air. Menurut  Lavarack et al. (2002) bagasse merupakan hasil samping proses pembuatan gula tebu (sugarcane) mengandung residu berupa serat, minimal 50% serat bagasse diperlukan sebagai bahan bakar boiler, sedangkan 50% sisanya hanya ditimbun sebagai buangan yang memiliki nilai ekonomi rendah. Penimbunan bagasse dalam kurun waktu tertentu akan menimbulkan permasalahan bagi pabrik. Mengingat bahan ini berpotensi mudah terbakar mengotori lingkungan sekitar, dan menyita lahan yang cukup luas untuk penyimpanannya. Potensi bagasse di Indonesia sangat melimpah khususnya di luar pulau jawa. Menurut Pusat Penelitian Perkebunan Gula Indonesia (P3GI) tahun 2008, komposisi rata-rata hasil samping industri gula di Indonesia terdiri dari limbah cair 52,9%, blotong 3,5%, ampas tebu (bagasse) 32,0%, tetes tebu (molasses) 4,5%, dan gula 7,05% serta abu 0,1%.

Besarnya jumlah baggase yang belum dimanfaatkan mendorong para peneliti untuk mengembangkan potensi bagasse agar memiliki nilai ekonomi. Berikut kandungan lignoselulosa pada bagasse (Howard, et al. 2003):

Tabel 1. kandungan lignoselulosa pada bagasse

Nama Bahan	Jumlah (%)
Selulosa Hemiselulosa Lignin	33.4 30 18.9

       (sumber: Howard et al. 2003)

Selulosa merupakan polimer linier dari D-glukosa yang terikat pada ikatan 1,4 glikosidik dan sangat erat berasosiasi dengan hemiselulosa dan lignin. Hemiselulosa merupakan salah satu penyusun dinding sel tumbuhan yang  terdiri dari kumpulan beberapa unit gula atau heteropolisakarida dan dikelompokkan berdasarkan residu gula utama sebagai penyusunnya seperti xilan, mannan, galactan dan glucan (Fengel dan Wegener, 1995). Menurut Perez dkk, (2002), hemiselulosa mempunyai berat molekul rendah dibandingkan dengan selulosa dan terdiri dari D-xilosa, D-mannosa, D-galaktosa, D-glukosa, L-arabinosa, 4-0-metil glukoronat, D-galakturonat dan asam D-glukoronat. Lignin merupakan polimer aromatic yang berasosiasi dengan polisakarida pada dinding sel sekunder tanaman. Pada umumnya, lignin mengandung tiga jenis alkohol aromatik yaitu coniferyl, sinapyl dan p-coumaryl (Howard dkk, 2003).

enzim selulase

Oleh Amar Ma’ruf

Teknik Kimia UMS

Selulase merupakan salah satu enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme. Enzim selulase memegang peranan penting dalam proses biokonversi limbah-limbah organik berselulosa menjadi glukosa, protein sel tunggal, makanan ternak, etanol dan lain-lain (Chalal, 1983). Selulase adalah enzim yang dapat menghidrolisis ikatan β(1-4) pada selulosa. Hidrolisis enzimatik yang sempurna memerlukan aksi sinergis dari tiga tipe enzim ini, yaitu (Ikram dkk, 2005):

·         Endo-1.4- β-D-glucanase (endoselulase, carboxymethylcellulase atau CMCase) yang mengurai polimer selulosa secara random pada ikatan internal α-1,4-glikosida untuk menghasilkan oligodekstrin dengan panjang rantai yang bervariasi.

·         Exo-1,4-β-D-glucanase (cellobiohydrolase), yang mengurai selulosa dari ujung pereduksi dan non-pereduksi untuk menghasilkan selulosa dan atau glukosa.

·         Β-glucosidase (cellobiase), yang mengurai selobiosa untuk menghasilkan glukosa.

Seperti yang diuraikan di atas, selulosa dapat dihidrolisis menjadi glukosa dengan menggunakan asam atau enzim. Hidrolisis menggunakan asam biasanya dilakukan pada temperatur tinggi. Proses ini relative mahal karena membutuhkan energi yang cukup tinggi. Baru pada tahun 1980-an mulai dikembangkan hidrolisis selulosa dengan menggunakan enzim selulase (Gokhan Coral dkk, 2002).

Enzim selulase dapat diperoleh dari berbagai sumber seperti tanaman, insekta, dan mikroorganisme. Mikroorganisme penghasil selulase secara ekstraseluler tersebar pada jamur dan bakteri (Amstrup, 1979). Selulase diproduksi oleh fungi, bakteri, tumbuhan, dan ruminansia. Produksi komersial selulase pada umumnya menggunakan fungi atau bakteri yang telah diisolasi. Meskipun banyak mikroorganisme yang dapat mendegradasi selulosa, namun hanya beberapa mikroorganisme yang dapat memproduksi selulase dalam jumlah yang signifikan yang mampu menghidrolisa Kristal selulosa secara invitro. Fungi adalah mikroorganisme utama yang dapat memproduksi selulase, meskipun beberapa bakteri dan actinomycetes telah dilaporkan juga menghasilkan aktivitas selulase. Fungi berfilamen seperti Tricoderma dan Aspergillus adalah penghasil selulase dan crude enzyme secara komersial. Fungi-fungi tersebut sangat efisien dalam memproduksi selulase (Ikram dkk, 2005).

pengertian enzim

Oleh Amar Ma’ruf

Teknik Kimia UMS

Enzim

Penggunaan mikroorganisme terutama ragi sudah berlangsung selama ribuan tahun untuk membuat bir, membuat anggur, dan produk fermentasi lainnya. Namun, baru pada tahun 1878, oleh Kuhne, ragi yang berperan pada proses fermentasi disebut sebagai enzim. Enzim berasal dari bahasa Yunani yang berarti di dalam ragi. Kurang dari dua dasawarsa berikutnya, sifat enzim yang tidak hidup dibuktikan dengan menggunakan ekstrsk ragi bebas sel, ternyata ekstrak tersebut mampu mengkatalisis perubahan glukosa menjadi etanol (Fowler M. W, 1988). Dewasa ini enzim dikenal sebagai biokatalisator yang mempercepat jalannya reaksi tanpa ikut bereaksi.

Enzim digunakan dalam sebagian besar sektor industri, seperti industri makanan, industri detergen, industri farmasi, dan industri tekstil. Hingga saat ini, lebih dari 2000 enzim telah diisolasi, tetapi hanya 14 enzim yang diproduksi secara komersial. Kebanyakan dari enzim ini adalah hidrolase seperti amylase, protease, pektinase dan selulase. Enzim penting lainnya adalah glukosa isomerase dan glukosa oksidase. Penggunaan enzim dalam industri dikarenakan enzim memiliki beberapa kelebihan, antara lain (Fowler M. W, 1988):

·         Kemampuan katalitik tinggi, mencapai 10⁹-10¹² kali laju reaksi non-aktivitas enzim.

·         Spesifikasi substrat yang tinggi.

·         Reaksi dapat dilakukan pada kondisi yang lunak, yaitu pada tekanan dan temperature rendah.

Enzim dapat diperoleh dari tiga sumber enzim, yaitu dari hewan, tumbuhan dan sel mikroba. Dahulu hewan dan tumbuhan merupakan sumber enzim tradisional, namun dengan berkembangnya ilmu bioteknologi, masa depan terletak pada sistem mikrobial. Sebagian besar sumber enzim dalam skala industri adalah mikroorganisme. 

Tabel 1. Beberapa enzim yang dihasilkan mikroba dan aplikasinya (Fowler M. W, 1988):

Enzim	Sumber	Aplikasi
Amylase Penicillinase Invertase Selulase Pektinase Protease	Bacillus subtilis Aspergillus oryzae Penicillium roqueforti Aspergillus niger Bacillus subtilis Aspergillus oryzae Sacharomyces cerevisiae Aspergillus niger Tricoderma sp. Aspergillus niger Clostridium sp.	Tekstil, pelarutan pati, produksi glukosa Degradasi penisilin Industri permen Pengurang viskositas, membantu sistem  pencernaan Klarifikasi wine dan jus buah Pelunak, membantu   sistem pencernaan

Kebanyakan enzim mikroba yang diproduksi secara komersial adalah ekstraseluler, dimana enzim diproduksi didalam sel kemudian dikeluarkan atau berdifusi keluar sehingga memungkinkan untuk direcovery. Seleksi organisme produser adalah kunci dalam pengembangan proses sistem mikrobial. Dalam memilih mikroorganisme, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan:

·         Sumber organisme stabil.

·         Mudah tumbuh dan berkembang sehingga biaya produksi rendah.

·         Produktivitas enzim tinggi.

·         Tidak mengeluarkan racun.

Dari semua hal tersebut, yang penting adalah stabilitas strain dan produktivitas yang tinggi (Fowler M. W, 1988).