Indonesian Student Association in Malaysia

Transkripsi

1 Indonesian Student Association in Malaysia Artikel PAKSI JURNAL Produksi glukosa dengan sistem enzim bubur pisang raja sereh amobil pada matriks kalsium alginat Zulfikri a,*, Titania T. Nugroho b, Osman Hassan b a Pusat Pengajian Sains Kimia dan Teknologi Makanan, Fakulti Sains dan Teknologi, Universiti Kebangsaan Malaysia, UKM Bangi, Selangor Darul Ehsan, Malaysia b Laboratorium Biokimia, Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau, Pekanbaru, Riau, Indonesia Abstrak Daging pisang raja sereh masak diamobilkan dengan metode penjeratan enzim di dalam matriks kalsium alginat dan digunakan sebagai biokatalis dalam proses sakarifikasi pati sagu yang berasal dari Selat Panjang, Bengkalis Riau untuk menghasilkan glukosa. Analisa aktivtas sistem enzim amobil ini telah dilakukan untuk mendapatkan parameter enzimatik optimum untuk menghasilkan glukosa. parameter reaksi yang dikaji adalah ph, temperatur, kecepetan agitasi dan konsentrasi substrat. ph dan temperatur optimum ditenetukan secara matrik mulai dari ph 3,2-8,8 dengan rentang 0,8 untuk setiap variasi temperatur mulai 32 0 C C dengan rentang 5 0 C. Kecepatan agitasi dilakukan dengan memvariasikan agitasi pada rpm. parameter tekahir yang ditentukan adalah Km dan Vmax. dari seluruh analisa aktifitas sistem enzim amobil bubur pisang raja sereh diperoleh kondisi optimum ph 4,0 dalam bufer Na-asetat 5M, 40 0 C dan 100 rpm masing-masing untuk temperatur dan kecepatan agitasi. Konstanta michaelis-menten (Km) dan kecepatan maksimum (Vmax) secara beurutan adalah 10,43 ± 4.97 % dan 1.01 ± 0.39 mg glukosa/l.min The Malaysia Indonesian Student Association. All rights reserved. Katakunci: glukosa; pati sagu; enzim amobil; sakarifikasi; kalsium alginat. Pendahuluan Glukosa adalah karbohidrat sedarhana yang sangat banyak dipergunakan dalam industri makanan, kimia dan obat-obatan. glukosa diperoleh melalui serangkaian proses nonenzimatik dan fermentasi enzimatik dari bahan mentah pati seperti pati * Corresponding author. jagung, tapioka, kentang, gandung juga pati sagu (Olsen, H.S., 1995). Proses secara nonenzimatik biasa dengan menggunakan asam keras seperti HCl sebagai katalis. Cara ini adalah cara yang tidak baik dan tidak aman jika glukosa nantinya digunakan untuk industri makanan dan obat-obatan juga akan dihasikan pengotor berupa sanyawa-senyawa garam (Fullbrook, 1984). Proses enzimatik dalam

2 Indonesian Student Association in Malaysia 87 penghasilan glukosa merupakan cara terbaik karena produk yang dinginkan merupakan produk mayoritas berbanding gula-gula lainnya dan produk yang dihasilkan adalah aman dari segi taksikologi. namun cara ini akan menimbukan masalah jika proses dilakukan dalam skala besar (industri) karena harga enzim adalah relatif mahal dan hanya dapat dipakai sekali saja (Olsen, H.S., 1995). Daging pisang mengandung beberapa jenis enzim karbolitik seperti α-amilase, β-amilase, maltase, glucoamilase, dan invertase (Nugroho, et al ; Glass dan Rand 1982). Enzim-enzim ini yang mampu memecah ikatan α-(1,4) glikosidik yang terdapat dalam molekul pati. Dengan memanfaatkan enzim-enzim dalam daging pisang ini dicoba untuk digunakan dalam proses sakarifikasi pati sagu terliquifikasi untuk menghasilkan glukosa dengan cara mengamobilkan bubur pisang raja sereh dalam matrik kalsium alginat. Studi ini bertujuan medapatkan suatu metoda baru dalam produksi glukosa dengan memafaatkan produk-produk lokal seperti pisang dan pati sagu sehingga diharapkan mampu menekan biaya produksi dan dapat meningkatkan kesejahteraan petani pisang dan sagu.. Pisang yang digunakan dalam kajian ini adalah pisang raja sereh. Penentuan parameterparameter proses enzimatik dalam skala laboratorium adalah penting sebelum digunakan dalam skala besar (industri). Pembuatan sistem enzim amobli bubur pisang raja sereh Proses pembuatan enzim bubur pisang amobil mengikut metode Glass dan Rand (1982). 37,5 gram daging pisang raja sereh masak dipotong kecil-kecil kemudian dimasukan kedalam 125 ml larutan bufer alginat. Campuran ini di kocok semalam (12 jam) pada 37 0 C kemudian didinginkan pada suhu 4 o C selama 30 menit sebelum dibelender selama 10 detik sebanyak 6 kali dengan pendinginan selama 10 menit diantara pemblenderan, hasil akhir proses pembelnderan ini adalah homogenat alginat-pisang raja sereh. kemudian homogenat ini di masukan kedalam buret dan diteteskan ke dalam larutan 10% CaCl 2 dalam bufer tris-cl ph 7,5 sehingga terbentuk butiran-butiran enzim kalsium alginate. Butiran enzim yang terbentuk kemudian didialisis dalam bufer tris-cl 0,05M ph 7,5 selama 72 jam dengan pengantian bufer setiap 12 jam. Proses liquifikasi pati sagu Proses liquifikasi mengikut metode Reichelt (1983). pati sagu 40%, b/v dilarutkan dalam bufer suksinat 0,05M ph 6,4 dan ditambahkan enzim α- amilase Bacillus licheniformis unit/kg pati sagu dan 75 ppm CaCl 2. Campuran ini diinkubasi selama 30 menit pada temperatur 90 0 C kemudian turun suhu kepada 85 0 C dan tambahkan kembali enzim α-amilase unit/kg pati sagu dan dinkubasi selama 90 menit. Kemudian larutan ini di panaskan hingga mendidih selama 10 menit dan didinginkan pada suhu kamar. Untuk menghilangkan warna larutan pati sagu terliquifikasi ini ditambahkan 25% arang aktif, diaduk dan sentrifuga pada 3000 rpm selama 15 menit. Supernatan diambil sebagai substrat proses sakarifikasi. Proses sakarifikasi Penentuan kondisi optimal proses sakarifikasi pati sagu terliquifikasi dilakukan dengan sistem batch dengan memvariasikan temperatur (32 0 C 70 0 C) ph (3,2 8,8) dengan bufer yang sesuai (Na- Asetat, Na-fosfat atau Tris-Cl), kecepatan agitasi dan konsentrasi substrat. kepekatan substrat yang digunakan untuk proses sakarifikasi pati sagu terliquifikasi adalah 2% (b/v) dengan 2,2 gram butiran enzim amobil /10 ml substrat dan diinkubasi selama 5 jam pada temperatur dan agitasi yang diinginkan. Glukosa yang dihasilkan dianalisis dengan metode enzimatik trinder GOD-PAP ( frederick et al., 1990). Semua proses inkubasi dan pengukuran dilakukan sebanyak 3 kali pengulangan dan pemberian kontrol untuk setiap perlakuan. ph dan temperatur optimum ditentukan secara bersamaan dengan memvariasikan ph pada setiap temperatur yang diuji. ph yang diuji adalah ph 3.2 s/d 8.8 dengan rentang dan temperatur 32 0 C s/d 70 0 C dengan rentang 5 0 C. ph 3,2 s/d 5,6 menggunakan bufer Na-Asetat 0,05M, ph 6,4 s/d 8,0 menggunakan bufer tris-cl dan Na-fosfat 5M dan ph 8,8 menggunakan bufer Tris-Cl.

3 88 Indonesian Student Association in Malaysia Tabel 1. Aktifitas sistem enzim amobil bubur pisang raja sereh pada berbagai ph dan temperatur. ph/bufer 32 0 C 37 0 C 40 0 C 45 0 C 50 0 C 55 0 C 60 0 C 65 0 C 70 0 C 3.2A A A A F F F F T T T T T 6 4 Ket : A Bufer na-asetat 0,05M ; F, bufer Na-fosfat 0,05M; T, bufer Tris-Cl 0,05M Agitasi ditentukan setelah penentuan ph dan temperatur optimum, yaitu dengan memvariasikan kecepatan mulai 0 rpm hingga 125 rpm. Dengan menggunakan parameter ph, temperatur dan agitasi nilai Konstanta Michelis-menten (Km) dan aktifitas maksimum (Vmax) ditentukkan dengan memvariasikan konsentrasikan substrat 0.5 % hingga 8% dengan berat enzim amobil 2,2 g/10 ml substrat. Hasil dan pembahasan ph dan Temperatur optimum Proses sakarifikasi pati sagu menggunakan sistem enzim amobil bubur pisang raja sereh secara batch memperlihatkan aktifitas penghasilan glukosa dengan aktifitas maksimum pada kondisi ph 4,0 dalam bufer Na-Asetat dan 40 0 C yaitu sebesar 1,37 mg/l.min. aktifitas pada tiap-tiap variasi ph dan temperatur terlihat dalam tabel 1. Gambar 1, 2 dan 3 memperlihatkan aktifitas sistem enzim amobil bubur pisang raja sereh pada bufer Na-asetat 0,05M, Na-fosfat 0,05M dan Tris-Cl 0,05M secara berurutan. Membandingkan antara aktifitas tertinggi tiap jenis bufer didapatkan bahwa aktifitas pada ph. 6.4F 6.8F 7.2F ph 8.0F Temperatur Gambar 1. Aktifitas sistem enzim amobil bubur pisang raja sereh dalam bufer Na-Asetat 0,05M. 3.2A 4.0A ph 4.8A A temperatur Gambar 2. Aktifitas sistem enzim amobil bubur pisang raja sereh dalam bufer Na-Fosfat 0,05 M ,0; 40 0 C, berbeda secara nyata dengan aktifitas tertinggi dengan jenis bufer lainya (P > 0,05 ) kecuali

4 Indonesian Student Association in Malaysia 89 dengan ph 6,4 Na-fosfat 0,05M ; 70 0 C. Namun penggunaan bufer Na-fosfat menyebabkan proses leaching terhadap butiran-butiran enzim amobil (Matiason, 1983) sehingga kondisi ph 4,0 bufer Na- Asetat 0,05 dan 40 0 C dipilih sebagai ph dan temperatur optimum. 6.4T 6.8T 7.2T ph 8.0T 8.8T Temperatur Gambar 5 memperlihatkan grafik hubungan konsentrasi substrat dan akvitas pembentukan glukosa. Terlihat bahwa pada konsentrasi substrat di atas 2%, aktifitas penbentukan glukosa memperlihatkan keadaan asimtotis dengan kata lain bahwa tidak ada kesan kenaikan yang siknifikan terhadap penghasilan produk. Sedangkan gambar 6 merupakan garfik Lineweaver-Burk yang mempelihatkan hubungan reciprocal aktifitas terhadap reciprocal konsentrasi substrat. Grafik tersebut memberikan garis regresi yang memiliki pesamaan y = x dengan persamaan ini dapat ditentukan bahwa Km adalah 14,47 ± 4.97 % dengan Vm sebesar ± mg glukosa/l.min Gambar 3. Aktifitas sistem enzim amobil bubur pisang raja sereh dalam bufer Tris-Cl 0,05M. Agitasi optimum Pengaruh agitasi terhadap aktifitas sistem enzim amobil untuk pembentukan glukosa terlihat pada gambar 4. terlihat bahwa aktifitas tertinggi di peroleh pada kadar agitasi 100 rpm Konsentrasi substrat (% ) Gambar 5. Aktifitas sistem enzim amobil bubur pisang raja sereh pada berbagai konsentrasi substrat Agitasi (rpm ) Gambar 4. Kesan agitasi terhadap aktifitas sistem enzim amobil bubur pisang raja sereh. Km dan Vm Pembahasan Homogenat bubur pisang raja serah berhasil dijerat di dalam matriks kalsium algniat sehingga membentuk butiran-butiran enzim amobil yang memiliki diameter ± 3.2mm, sehingga ianya dapat diberi nama Sistem Enzim Bubur Pisang Raja Sereh Amobil pada Matriks Kalsium Alginat. Daging pisang mengandung senyawa fenolik yang dapat bertindak sebagai inhibitor dalam reaksi enzimatik dan juga gula yang jika tidak dihilangkan terlebih dahulu akan memyulitkan dalam analisa hasil sakarifikasi pati sagu terliquifikasi. (Baijal et al.,1972).

5 90 Indonesian Student Association in Malaysia 1/[V] y = x R 2 = /[S] Gambar 6. Grafik Lineweaver-Burk sistem enzim amobil Dari ketiga jenis bufer yang digunakan, bufer Na-asetat memperlihatkan aktifitas terbaik dibandingkan dengan dua bufer lainya yaitu Nafosfat dan Tris-Cl. hampir pada seluruh variasi ph dan temperatur sistem enzim bubur pisang raja sereh memperlihatkan aktifitas. dengan aktifitas tertinggi diperoleh pada keadaan ph 4,0 ; 40 0 C sebesar 1.37 mg/l.min. sedangkan jika menggunakan bufer Nafosfat aktifitas tertinggi diberikan oleh ph 6,4 ; 70 0 C, yaitu sebesar 1.05 mg/l.min. Pada keadan basa dengan menggunakan bufer Tris-Cl, sistem ini tidak mempelihatkan aktifitas sebaik penggunaan bufer Na-asetat dan Na-fosfat. kemungkinan ini disebabkan oleh sifat Tris-Cl yang menyebabkan substrat dan enzim tidak dapat melakukan intereaksi secara sempurna. Analisis ANAVA dan Duncan test mendapatkan bahwa aktifitas tertinggi menggunakan Na-asetat dan Na-fosfat tidak memperlihatkan perbedaan yang nyata. tetapi jika ditinjau dari tujuan pengamobilan enzim agar dapat digunakan berulang-ulang kali, maka penggunaan bufer Na-fosfat menjejaskan hal ini kerena dari pengamatan yang dilakukan banyak butiran enzim bubur pisang raja sereh yang digunakan menjadi hancur dan enzim-enzim yang terjerat dalam matriks kalsium alginat keluar (leaching). Proses leaching dikarenakan penarikan ion Ca ++ oleh ion fosfat sehingga membentuk Ca 3 (PO 4 ) 2 akibatnya ion Ca ++ yang digunakan untuk membentuk matriks kalsium alginat berkurang (Mattiason, 1983). Selain itu pemakaian temperatur tinggi dapat meningkatkan kos produksi jika dalam skala industri/besar dibandingkan penggunaan temperatur rendah. Mulai dari proses liquifikasi dan dilanjutkan dengan proses sakarifikasi pati sagu dengan sistem enzim bubur pisang raja sereh amobil selama 24 jam mampu membentuk glukosa sebesar % berbanding berat pati awal. Jika melihat data aktifitas sistem enzim amobil pada tabel 1, gambar 1, 2 dan gambar 3, terlihat jelas bahwa tidak ada konsisten aktiitas terhadap ph dan temperatur yang selalunya memberikan grafik seperti lonceng dengan titik optimum ditengah-tengah.. Namun norma ini tidak berlaku terhadap sistem enzim amobil bubur pisang raja sereh hal ini disebabkan bahwa di dalam daging pisang raja sereh itu memiliki lebih dari satu jenis enzim yang biasanya adalah jenis enzim-enzim karbolitik yang memiliki aktifitas terhadap ikatan karbon. Pada kondisi yang sama enzim-enzim akan memperlihatkan aktifitas yang berbeda. bahkan dapat saja substrat atau produk satu enzim merupakan inhibotor bagi enzim lain (Kitagawa, et al.,1975). Hal ini akan membuat kita sulit memperkirakan secara normal keadaan optimunya, oleh itu dilakukan penentuan ph dan temperatur optimum secara matriks. Norma bahwa enzim memilki aktiftas terhadap ph dan temperatur seperti lonceng hanya berlaku untuk enzim yang murni yang mengandung satu jenis enzim saja. (Royer, 1982). Begitu juga untuk nilai Km dan Vmax, nilai ini hanya dapat ditentukan jika reaksi enzimatik itu hanya melibatkan satu jenis enzim saja, sedangkan untuk sistem enzim amobil ini terlihat bahwa grafik yang didapatkan mememilki R 2 sebesar 0,8388. nilai ini tidak cukup baik untuk suatu hubungan dua faktor yang semesti memiliki R 2 diatas 0,900. kemungkinan ini juga disebatkan oleh bermacammacan enzim dalam sistem enzim amobil ini. Hal ini telah dilaporkan Glass dan Rand (1982) bahwa dalam pisang chiquita brand (Musa cavendishii, cv Valery) terdapat berbagai macam enzim seperti α-amilase, β- amilase, maltase, glucoamilase, dan invertase. Hal ini diperkuat oleh hasil peneltian Nugroho (2002) yang melaporan bahwa daging pisang barangan mengandung enzim invertase, maltase, glucoamilase dan α-amilase Pengukuran glukosa yang terbentuk selama proses sakarifikasi dditentukan dengan metode enzimatik yang menggunakan enzim glukosa oksidase Enzim ini mengkatalis reaksi β-d-glukosa menjadi asam glukonat. (Frederick et al., 1990 ; sigma, 1999). dengan melihat prinsip kerja enzim glukosa oksidase dan prioduk-produk yang dihasilkan selama proses sakarifiksi dapat disimpulkan bahwa

6 Indonesian Student Association in Malaysia 91 selain α-amilase, β-amilase juga terdapat dalam sistem enzim bubur pisang raja sereh amobil. Kesimpulan Sistem enzim bubur pisang raja sereh amobil dalam matriks kalsium alginat memiliki aktifitas menghasilkan glukosa dari pati sagu terliquifikasi. aktifatas tertinggi didapatkan pada keaadan ph 4,0 bufer Na-asetat, 40 0 C, dan agitasi 100 rpm. Konstanta Michelis-Menten (Km) dan Aktifitas maksimum adalah 14,47 ± 4.97 % dan ± mg glukosa/l.min secara berurutan. Penghargaan Hasil penelitian dalam tulisan ini didanai oleh Proyek Penelitian Riset Unggulan Terpadu VII (RUT VII) dengan No kontrak 73/SP/RUT/1999 dan 37/SPK/RUT/BPPT/IV/2000 dari Menteri Riset dan Teknologi Republik Indonesia kepada Dr. Titania T. Nurgoho. Rujukan Baijal, M ; Singh, S.; Shukla, R. N.; Sanwal, G.G Enzymes of the banana plant optimum condition for extraction. Phytochemistry 11; Frederick, K.R, Tung, J., Emerick, R. S., Masiarz, F. R., Chamberkin, S.H., Vasavada, A., Rosenberg, S., Charkraborty, S., Schopter, L. & Massey, V Glucose oxidase from Aspergillus niger. The Journal of Biological Chemistry, 265; 7 pp Fullbrook, P. D The enzyme production of glucose syrups. Dalam Glucose Syrups : Science and Technology, edited S. Z. Dziedzic & M. W. Kearsley. Elsevier Applied Science, London. pp Glass, R. W dan Rand, A.G Alginate Immobilization of Banana pulp Enzymes For Starch Hydrolysis and Sucrose Interconversion. J. Food Science Kitagawa, H., Amemura, A., Harada, T Studies on the inhibition and molecular properties of crystalline pheseudomonas isoamylase. Agric. Biol. Chem. 39 ; 1-36 Mattiason, B Immobilization Methods Dalam Immolized cell and Organells. Mattiason, B. Edited Nugroho, T. T., Jose, C., Soemitro, S., Dahliaty, A dan Zulfikri An immobilized system of Musa paradissiaca cv. Barangan for production of high conversion syrups from potato and sago starch. Prosiding Seminar UKM-UNRI ke-2 8-9hb Oktober Faculti Sains dan Teknologi. UKM. Malaysia. Olsen, H.S. 1991, Enzymatic production of glucose syrups Dalam Starch Hydrolysis Products and Their Derivatives. Handbook. Edited Kearsley, M.W. Blackie Academic. London Reichelt, Starch Dalam Technology Industry Enzyme. Mac Mill Publiser Ltd. London Royer, G. p Fundamental of Enzymology. John Wiley and Son. New York. Sigma, Biochemical and Reagents For Life Science Research. Sigma-aldrich, Pte St. Louis.