MODEL MATEMATIKA REAKSI SINTESIS DIASILGLISEROL MENGGUNAKAN BIOKATALIS MELALUI MEKANISME ESTERIFIKASI TAK REVERSIBLE

Transkripsi

1 MAKARA, SAINS, VOL. 15, NO. 1, APRIL 2011: MODEL MATEMATIKA REAKSI SINTESIS DIASILGLISEROL MENGGUNAKAN BIOKATALIS MELALUI MEKANISME ESTERIFIKASI TAK REVERSIBLE Heri Hermansyah *), Tania Surya Uami, an Fajar Achmai Priano Deparemen Teknik Kimia, Fakulas Teknik, Universias Inonesia, Depok 16424, Inonesia *) Absrak Diasilgliserol, suau komponen yang erapa alam minyak nabai memiliki fungsi fisiologis yang mengunungkan, eruama sebagai minyak yang memiliki efek aniobesias an ani peningkaan lemak ubuh. Berbagai sui unuk mensinesis iasilgliserol secara efisien elah ilakukan para penelii i Jepang. Eserifikasi asam lemak an gliserol menggunakan biokaalis elah igunakan sebagai proses sinesis yang efisien alam skala inusri. Sebuah moel kineika sinesis iasilgliserol iajukan, namun moel ini sanga spesifik sehingga kurang sesuai unuk iaplikasikan alam konisi yang berbea. Paa sui kali ini iajukan sebuah moel unuk reaksi sinesis iasilgliserol melalui eserifikasi gliserol oleh asam lemak secara berahap engan asumsi an konisi yang lebih umum. Meoe Runge- Kua igunakan paa perhiungan konsenrasi subsra secara numerik. Moel ini berguna alam melakukan preiksi erhaap perilaku subsra paa eserifikasi asam lemak an gliserol yang suli unuk ienukan secara eksperimen, sera sebagai preiksi alam perancangan sisem unuk mensinesis iasilgliserol paa skala berbea. Absrac Mahemaical Moel for Synhesis Reacion of Diacylglycerol by Irreversible Eserificaion Mechanism. Diacylglycerol, a componen of naural oil has beneficial physiological funcion, mainly as oil wih ani-obesiy an ani fa accumulaion effec. Several suies for efficien synhesis of iacylglycerol have been one by researchers in Japan. Eserificaion of fay aci an glycerol using biocaalys has been use as an effecive synhesis process on i was inusrial scale. A kineics moel for iacylglycerol synhesis was propose, however, i was very specific so ha no appropriae o be applie in ifferen coniion. In his suy, a moel for iacylglycerol synhesis by sepwise eserificaion of glycerol by fay aci base on general assumpion an coniion is propose. Runge-Kua meho is use in numerical calculaion of subsrae concenraion. This moel is useful for preicing behaviors of subsrae a eserificaion of fay aci an glycerol which is ifficul o be measure experimenally, also as preicion in sysem esign for iacylglycerol synhesis a ifferen scale. Keywors: iacylglycerol, irreversible eserificaion, Runge-Kua meho, riacylglycerol 1. Penahuluan Konsumsi minyak an lemak ilakukan seiap hari. Pola konsumsi lemak an minyak yang iak seha membua resiko erhaap penyaki yang berkaian engan gaya hiup an obesias meningka [1]. Konsumsi minyak yang iperkaya engan iasilgliserol (DAG) engan kanungan hingga 80% erbuki apa menurunkan resiko erkena penyaki yang isebabkan oleh peningkaan kaar lemak alam arah. Hal ini berkaian engan pola meabolisme DAG, eruama komponen 1,3-DAG, i alam ubuh yang berbea engan pola meabolisme minyak konvensional yang kaya akan riasilgliserol (TAG) [2]. Hal ini menorong ilakukannya peneliian unuk memprouksi DAG secara efisien [3 20]. Unuk mempelajari perilaku ari reaksi sinesis DAG, sebuah moel seerhana melalui rue eserifikasi iajukan. Moel yang iajukan iharapkan apa igunakan unuk mempelajari perilaku reaksi alam konisi operasi yang berbea. 28

2 MAKARA, SAINS, VOL. 15, NO. 1, APRIL 2011: Gliserol k 2 k 1 k 3 1-Monoasilgliserol k 4 k 6 + FA 1,3-Diasilgliserol k 5 [ glycerol] = [ glycerol] 0 [ 1 MAG] [ 2 MAG] [ 1,2 DAG] [ 1,3 - DAG] [ TAG] [ H O] = [ 1 - MAG] + [ 2 - MAG] [ 1,2 - DAG] + 2 [ 1,3 - DAG] [ TAG] (7) (8) 2-Monoasilgliserol 1,2(2,3) -Diasilgliserol Triasilgliserol Gambar 1. Mekanisme Reaksi unuk Moel yang Diusulkan 2. Meoe Peneliian Moel maemaika reaksi sinesis DAG yang iusulkan ibangun engan asumsi, sebagai beriku: 1) Reaksi eserifikasi berlangsung secara berahap, 2) Reaksi eserifikasi ianggap berlangsung searah, 3) Sinesis 1,2- DAG ari 1-monoasilgliserol (1-MAG) iabaikan. Mekanisme reaksi unuk moel yang iusulkan iperlihakan paa Gambar 1. Dari mekanisme ersebu, persamaan reaksi iurunkan unuk 1-MAG, 2-MAG, 1,2-DAG, 1,3-DAG, an TAG seperi iunjukkan oleh persamaan (1) hingga (5). [ 1 - MAG] [ 2 - MAG] [ 1,2 DAG] [ 1,3 DAG] [ TAG] [ FA][ Glycerol] [ FA][ 1 - MAG] = k1 k 3 (1) [ FA][ Glycerol] [ FA][ 2 - MAG] = k2 k 4 (2) = k 4 = k 3 [ FA][ 2 - MAG] k [ FA][ 1,2 - DAG] 6 [ FA][ 1 - MAG] k [ FA][ 1,3 - DAG] 5 [ FA][ 1,3 - DAG] k [ FA][ 1,2 - DAG] k (3) (4) = (5) Seangkan konsenrasi asam lemak (FA), gliserol, an air ihiung engan penerapan konsep neraca massa subsra yang erapa alam sisem yang iperlihakan oleh persamaan (6) hingga (8). [ FA] = [ FA] 0 [ 1 - MAG] [ 2 - MAG] 2 [ 1,2 - DAG] 2 [ 1,3 - DAG] 3 [ TAG] (6) Dari persamaan-persamaan yang elah iperoleh, erapa enam parameer konsana reaksi yang iak ikeahui nilainya. Sebuah se aa igunakan unuk melakukan valiasi unuk menenukan keenam parameer konsana reaksi ersebu. Daa yang igunakan unuk valiasi berasal ari eserifikasi asam lemak bebas yang ilakukan Menenukan konsana baru iak ya Sar Menenukan esimasi nilai konsana-konsana reaksi = 0 Se konsenrasi awal komponen i, C i,0 = + Δ Kalkulasi C i engan penyelesaian persamaan iferensial menggunakan meoe runge kua maks Menghiung kuara kesalahan relaif anara aa eksperimen an aa perhiungan Konvergen? Selesai Gambar 2. Diagram Alir Valiasi Moel

3 30 MAKARA, SAINS, VOL. 15, NO. 1, APRIL 2011: oleh Waanabe engan konisi sebagai beriku [7]: 1) Asam olea igunakan sebagai sumber asam lemak, 2) Konsenrasi awal asam lemak aalah 2,59 M, 3) Konsenrasi awal gliserol 1,29 M, 4) Temperaur reaksi 50 C, 5) Enzim yang igunakan aalah Lypozime RM IM (Rhizomucor miehei 1,3-regioselekif lipase yang iimobilisasi paa resin penukar ion), 6) Konsenrasi resin enzim erimobilisasi 5% (basis kering), 7) Penghilangan air ilakukan engan konisi vakum paa 3 mmhg (0,4 kpa). Valiasi ilakukan melalui pencocokan kurva konsenrasi hasil perhiungan menggunakan moel yang iajukan engan hasil eksperimen.[7] Daa yang igunakan merupakan aa konsenrasi unuk FA, 1-MAG, 2-MAG, 1,2-DAG, 1,3-DAG, an TAG. Penyelesaian persamaan iferensial ilakukan secara numerik menggunakan meoe Runge-Kua ore 4 engan incremen waku paa perhiungan sebesar 0,1 jam. Gambar 2 memperlihakan alur valiasi unuk menenukan nilai esimasi konsana kineika. 3. Hasil an Pembahasan Dari valiasi yang ilakukan, iperoleh nilai esimasi konsana reaksi moel yang iajukan (k 1 k 6 ) seperi iunjukkan paa Tabel 1 engan kesalahan sebesar 1,257%. Paa moel ini, konsana reaksi unuk reaksi pembenukan 1-MAG jauh lebih besar ari konsana reaksi unuk pembenukan 2-MAG ari reakan yang sama. Hal ini berkaian engan konisi operasi yang igunakan paa eksperimen sebenarnya, imana igunakan biokaalis yang selekif erhaap ikaan sn-1,3 sehingga akan mengakomoir asam lemak bebas unuk berikaan paa ikaan sn-1 paa ranai gliserol [7]. Karena reaksi pembenukan 1-MAG ikaalisasi oleh enzim seangkan reaksi pembenukan 2-MAG iak ikaalisasi oleh enzim, akibanya konsana reaksi yang iperoleh engan perhiungan menggunakan moel unuk pembenukan 1-MAG menjai jauh lebih besar ari konsana reaksi pembenukan 2-MAG. Dengan membaningkan aa yang iperoleh engan hasil peneliian sebelumnya, konsana kineika unuk sinesis 1,3-DAG ari 1-MAG alam moel ini bernilai Tabel 1. Nilai Esimasi Konsana Kineika ari Moel Yang Diusulkan (alam L mol-1 s-1). Konsana Kineika Nilai Esimasi k 1 2,01 x k 2 1,17 x k 3 2,85 x k 4 2,63 x k 5 3,48 x k 6 2,36 x ,85 x 10-4, hampir sama enga nilai yang iperoleh ari lieraur yaiu 2,91 x 10-4, i mana erapa perbeaan mekanisme reaksi engan moel yang iajukan [7]. Moel lieraur hasil peneliian sebelumnya mengikui mekanisme paa Gambar 3. Perbeaan anara moel yang iusulkan engan moel lieraur erliha paa mekanisme reaksi, i mana mekanisme reaksi yang erapa paa lieraur merupakan reaksi eserifikasi reversible [7]. Hal ini iasari oleh perbeaan asumsi erhaap konisi iak erjainya keseimbangan alam sisem. Moel lieraur mengasumsikan iak erjainya keseimbangan reaksi sebagai akiba ari aanya pembuangan air secara simulan ari sisem, sehingga moel ersebu juga menghiung laju pembuangan air seperi yang apa iliha paa Gambar 3 [7-8]. Seangkan paa moel yang iajukan laju pembuangan air iak iperhiungkan. Asumsi ini iasari paa perimbangan bahwa air yang ibuang ari sisem secara koninyu menyebabkan iak aanya reaksi balik yang mengarahkan paa erjainya hirolisis minyak yang erbenuk, aau engan kaa lain, reaksi yang erjai merupakan reaksi irreversible. Paa Gambar 4 iperlihakan hasil pencocokan perhiungan menggunakan moel engan aa eksperimen [7]. Paa gambar ersebu, erliha bahwa prouk yang memiliki laju reaksi yang eramai hanya 1- MAG an 1,3-DAG. Hal ini sesuai jika mengacu paa konsana kineika reaksi yang iperlihakan Tabel 1, karena konsana kineika yang iperoleh ari moel unuk pembenukan 1-MAG jauh lebih besar ari 2- MAG, maka laju sinesis 1-MAG jauh lebih inggi ibaningkan laju sinesis 2-MAG. Meskipun konsana unuk pembenukan 1,2-DAG an 1,3-DAG memiliki nilai yang sebaning, namun karena jumlah 2-MAG alam sisem sanga seiki, maka laju reaksi pembenukan 1,2-DAG menjai sanga kecil ibaningkan laju reaksi pembenukan 1,3-DAG. TAG, sebagai prouk akhir eserifikasi oal juga memiliki laju reaksi pembenukan yang iak signifikan. Aa ua alasan yang menyebabkan hal ini: 1) Pembenukan TAG melalui 1,2-DAG meski memiliki konsana kineika yang besar ibaasi oleh jumlah reakan (1,2-DAG) yang sanga seiki, 2) Pembenukan TAG melalui jalur 1,3-DAG iak ikaalisis oleh enzim sehingga konsana reaksinya menjai kecil, akibanya meski jumlah 1,3-DAG alam sisem sanga banyak, reaksi pembenukan TAG melalui konsumsi 1,3-DAG menjai iak signifikan. Unuk mengeahui kesensiivan parameer kineika yang elah iperoleh ari moel ini, ilakukan analisis sensiivias parameer kineika engan cara mengubah

4 MAKARA, SAINS, VOL. 15, NO. 1, APRIL 2011: nilai salah sau konsana kineika menjai seengah aau ua kali lipanya anpa mengubah nilai konsana lainnya. Dari perubahan nilai parameer kineika ersebu iamai eviasi yang erjai unuk menenukan apakah parameer ersebu memiliki sensiivias yang baik aau iak. Parameer ikaakan memiliki sensiivias yang baik jika perubahan nilainya menghasilkan error yang signifikan (cukup besar). Tabel 2 memperlihakan hasil analisis sensiivias konsana kineika unuk moel yang iajukan. Dapa iliha paa Tabel 2 bahwa parameer ari moel ini yang memiliki sensiivias yang cukup baik aalah k 1, k 3, an k 6. k 1 an k 3 merupakan konsana kineika yang mengakomoir reaksi uama, yaiu reaksi sinesis 1-MAG an 1,3-DAG yang merupakan prouk uama alam reaksi yang ikaalisis oleh enzim 1,3-regioselekif lipase. Konsana reaksi ini memiliki sensiivias yang baik karenaa perubahan yang erjai paanya akan mempengaruhi sebagian besar isribusi konsenrasi subsra yang erapa i alam sisem, seangkan k 6 merupakan konsana unuk reaksi uama pembenukan TAG merupakan konsana penenu pembenukan prouk samping sebagai hasil reaksi lanjuan yang iak memerlukan kaalisasi oleh enzim. Keiga konsana lainnya iak memiliki sensiivias yang baik isebabkan konsana-konsana ersebu merupakan konsana unuk reaksi yang sanga lamba, sehingga perubahan nilainya iak menghasilkan perubahan laju reaksi yang signifikan. Akibanya, eviasi konsenrasi susbra yang erjai juga iak signifikan. Sebuah simulasi ilakukan unuk mengeahui efek konisi reaksi erhaap konsenrasi DAG. Paa sui ini, variasi yang apa ilakukan hanya variasi rasio awal konsenrasi asam lemak : gliserol. Tabel 2. Hasil Analisis Sensiivias Konsanaa Kineika Konsana Konsenrasi Subra (M) k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 Nilai 1,01 x ,01 x ,03 x ,83 x ,17 x ,33 x ,42 x ,85 x ,69 x ,32 x ,63 x ,26 x ,74 x ,48 x ,96 x ,18 x ,36 x ,72 x SSE 2,15 1,92 1,28 1,86 1,50 1,25 1,28 1,40 1,49 Waku Reaksi (jam) Deviasi 71,16% 52,50% 1,84% 1,13% 32,57% 19,75% 0,78% 0,95% 0,52% 1,61% 11,12% 18,35% Gambar 4. Kurva Pencocokann (Fiing) Hasil Perhiungan engan Daa Eksperimen unuk Komponen 1- MAG ( ), 1,3-DAG ( ), an FA ( ), Garis Yang Bersesuaian Merupakan Konsenrasi Subsra Hasil Perhiungan. Konsenrasi 2- MAG, 1,2-DAG, an TAG iak Diserakan Dalam Grafik Karena Terlalu Kecil (Jangkauan Konsenrasi Beruru-Turu M; 0 0, 114 M; sera 0 0,164 M) Gambar 5 menunjukkan hasil simulasi menggunakan moel. Paa gambar erliha konsenrasi 1,3-DAG meningka hingga mencapai konisi erenu kemuian bergerak menjai sasioner. Gambar 3. Mekanisme Reaksi Sinesiss 1,3-Diasilgliserol Peneliian Sebelumnya [7] Paa awal reaksi, 1,3-DAG engan cepa erbenuk karena banyak 1-MAG yang ihasilkan ari reaksi asam

5 32 MAKARA, SAINS, VOL. 15, NO. 1, APRIL 2011: Konsenrasi DAG (M) Gambar 5. Simulasi Efek Rasio Awal Asam Lemak an Gliserol Terhaap Konsenrasi DAG paa Perbaningan 1 : 1 ( ), 2 : 1 ( ), 3 : 1 ( ), an 3 : 2 (Δ) lemak engan gliserol. Reaksi ini berlangsung engan cepa ianai engan kenaikan konsenrasi DAG yang inggi, ikarenakan enzim memiliki akivias yang inggi. Konisi sasioner mungkin erjai akiba salah sau reakan elah habis bereaksi. Meskipun paa asarnya reaksi eserifikasi merupakan reaksi yang bersifa reversible, namun asumsi reaksi berlangsung ak reversible apa ierima engan alasan paa eksperimen yang ilakukan igunakan sisem unuk mengeluarkan air yang erbenuk secara simulan, sehingga keseimbangan iak ercapai an reaksi kebalikan iak erjai. Oleh karena iu, apa isimpulkan bahwa konisi sasioner erjai akiba habisnya salah sau aau keua reakan. Paa rasio asam lemak an gliserol 2 : 1, konisi sasioner iak erliha. Hal ini mungkin isebabkan karena rasio konsenrasi awal reakan sesuai engan rasio soikiomeris anara keua reakan unuk menghasilkan DAG, yaiu 2 mol asam lemak unuk 1 mol gliserol. Dengan emikian, meski konsenrasi DAG yang ihasilkan bukan yang eringgi, namun rasio ini merupakan rasio yang paling efisien. 4. Simpulan Moel maemaika unuk sinesis DAG melalui mekansime eserifikasi yang iseerhanakan elah ikembangkan engan baik. Parameer yang ihasilkan memiliki sensiivias yang cukup baik. Moel ini apa menggambarkan perilaku reaksi sebagai pengaruh ari rasio awal reakan engan baik. Dafar Acuan Waku reaksi (jam) [1] B.D. Flickinger, N. Masuo, Lipis 38 (2003) 129. [2] H. Kono, T. Hase, T. Murase, I. Tokimisu, Lipis 38 (2001) 25. [3] T. Yamane, S.T. Kang, K Kawahara, Y. Koizumi. J. Am. Oil Chem. Soc. 71 (1994) 339. [4] J.F. Plou, M. Baraniarn, V.M. Calvo, A. Balleseros, E. Paser, Enzyme Microb Technol 18 (1996) 66. [5] M. Berger, K. Laumen, M. Schneier, J Am Oil Chem Soc 69 (1992) 955. [6] R. Rosu, M. Yasui, Y. Iwasaki, T. Yamane, J. Am. Oil Chem. Soc 76 (1999) 839. [7] T. Waanabe, M. Shimizu, M. Sugiura, M. Sao, J. Kohori, N. Yamaa, K. Nakanishi, J. Am. Oil Chem. Soc. 80 (2003) [8] T. Waanabe, M. Sugiura, M. Sao, N. Yamaa, K. Nakanishi, Process Biochemisry 40 (2004) 637. [9] H. Hermansyah, A. Wijanarko, Dianursani, M. Gozan, P.P.D.K. Wulan, R. Arbiani, R.W. Soemanojo, T.S. Uami, Yuliusman, M. Kubo, N. Shibasaki-Kiakawa, T. Yonemoo, Jurnal Makara Seri Teknologi 11 (2007) 30. [10] H. Hermansyah, A. Wijanarko, M. Kubo, N. Shibasaki-Kiakawa, T. Yonemoo, Bioprocess an Biosysem Engineering, 33/7 (2010) 787. [11] H. Hermansyah, M. Kubo, N. Shibasaki-Kiakawa, T. Yonemoo, Biochemical Engineering Journal 31 (2006) 125. [12] H. Hermansyah, A. Wijanarko, M. Gozan, R. Arbiani, T.S. Uami, M. Kubo, N. Shibasaki- Kiakawa, T. Yonemoo, Jurnal Teknologi XXI (2007) 151. [13] H. Hermansyah, M. Gozan, A. Wijanarko, P.P.D.K. Wulan, M. Kubo, N. Shibasaki-Kiakawa, T. Yonemoo, Proceeing The 2n Biannual Meeing on Bioprocess Engineering, Yogyakara, Inonesia, 2006, p [14] H. Hermansyah, A.P. Fajar, Prosiing Seminar Nasional Teknik Kimia USU 2009, Mean, Inonesia, [15] H. Hermansyah, S. Karoharjono, R. Arbiani, A. Wijanarko, A. Buiman, D. Novia, M. Firaus, Prosiing Seminar Teknik Kimia Unpar 2010, Banung, Inonesia, [16] K.C. Maki, M.H. Davison, R. Tsushimas, N. Masuo, I. Tokimisu, D.M. Umporowicz, M.R. Dicklin, G.S. Foser, K.A. Ingram, B.D. Anerson, S.D. Fros, M. Bell, Am. J. Clin. Nur. 76 (2002) [17] Y. Nakajima, J. Fukasawa, A. Shimaa, Physicochemical Properies of Diacylglyerol, AOCS Press, U.S.A., 2004, p [18] H. Taguchi, H. Waanabe, K. Onizawa, J. Am. Coll Nur. 79 (2000) 789. [19] Y. Ohno, J. Oleo Sci. Jpn. 51 (2002) 275. [20] Y. Ohno, J. Cookery Sci. Jpn. 36 (2002) 397.