ENZIM TERIMMOBILISASI DAN PENGGUNAANNYA YANG EFEKTIF DALAM INDUSTRI PANGAN. Nanang Rahmat Wijaya*) dan Zahra Fonna *) ABSTRAKS

Transkripsi

1 Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Vol. 2 No.3, Juni 2004 ISSN X NZIM TRIMMOBILISASI DAN PNGGUNAANNYA YANG FKTIF DALAM INDUSTRI PANGAN Nanang Rahmat Wijaya*) dan Zahra Fonna *) ABSTRAKS Lebih dari 70 % proses industri kimia memerlukan katalis. Salah satu katalis yang sering digunakan adalah enzim. nzim mempunyai keterbatasan sifat yaitu tidak cukup stabil dan juga merupakan molekul yang larut dalam air sehingga sulit untuk memisahkannya dari substrat dan produk jika ingin digunakan kembali. Immobilisasi enzim adalah salah satu cara efektif agar enzim dapat digunakan kembali untuk proses komersial seperti untuk produksi bir (chillproofing beer), polimerisasi glukosa menjadi fruktosa. hidrolisa protein menjadi peptide dan asam amino dan lainlain. nzim terimmobilisasi adalah enzim yang secara fisik ditempatkan di dalam suatu daerah atau ruang sehingga dapat menahan aktivitas katalitiknya serta dapat digunakan secara berulangulang, sehingga penggunaannya dalam industri dapat menurunkan biaya produksi. PNDAHULUAN Klibanov (1983) menyatakan lebih dari 70 % industri proses kimia memerlukan katalis. Katalis yang sering digunakan adalah enzim. nzim merupakan katalis biologis, mengandung protein, dan berperan dalam berbagai reaksi yang terjadi dalam benda hidup. Menurut Dixon dan Webb (1979), kata enzyme diperkenalkan oleh W. Kuhne pada tahun 1887 untuk suatu zat yang bekerja pada suatu substrat. Girinda (1984) menjelaskan secara biokimia enzim dikatakan sebagai suatu kelompok protein yang berperan sangat penting dalam proses aktivitas biologis. Tugasnya adalah sebagai katalisator di dalam sel dan bersifat sangat khas. Kerja enzim pada umumnya mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi. Substrat dan enzim tergabung menjadi kompleks enzim substrat. Dimana substrat terikat pada bagian tertentu dari enzim yang dikenal dengan pusat aktif. (active centre). Kompleks enzimsubstrat ini menunjukkan ikatan kovalen dan sering disebut kompleks Michaelis (Cantrow dan Schepart, 1967). Ikatanikatan substrat dapat menjadi tegang oleh gaya tarik antara substrat dan enzim. Ikatan tegang memiliki energi tinggi dan lebih mudah terpatahkan, oleh karena itu reaksi yang diinginkan berlangsung lebih mudah dan menghasilkan suatu kompleks enzimproduk. Dalam banyak hal, produk dan substrat tidak sama bentuknya, jadi kesesuaian antara produk dan enzim tidak lagi sempurna, sehingga menyebabkan kompleks itu berdisosiasi, dan permukaan enzim siap untuk menerima molekul substrat 49

2 Nanang R.Wijaya dan Zahra Fona,nzim Terimmobilisasi Dan Penggunaannya Yang fektif Dalam Industri Pangan lain. Ada dua pendapat tentang pembentukan kompleks enzim substrat. Pendapat pertama dikemukakan oleh mil Fischer yang mengajukan teori kunci dan gembok (lock and key theory), maksudnya agar terjadi reaksi maka substrat harus mempunyai bagian yang sangat tepat dengan lokasi aktif enzim. Pendapat kedua yaitu induced fit model, pendapat ini mengemukan bahwa lokasi aktif enzim ternyata mempunyai konfigurasi yang tidak kaku (Styrer, 1975). Penggunaan enzim dalam industri pengolahan bahan pangan mempunyai factor pembatas, yaitu karena sifat enzim yang larut sehingga sangat sulit untuk memisahkan dari substrat dan produk jika ingin digunakan kembali. Untuk mengefisiensikan penggunaan enzim dikembangkan teknik immobilisasi enzim. NZIM TRIMMOBILASI nzim Terimmbolisasi Menurut Chibata (1978) enzim terimmobilisasi adalah enzim yang secara fisik ditempatkan di dalam suatu daerah atau ruang dengan tetap mempertahankan aktivitas katalitiknya sehingga dapat digunakan secara berulangulang. Messing (1975) menyatakan bahwa dengan menggunakan enzim terimmobilisasi akan didapatkan beberapa keuntungan yaitu : 1. nzim dapat digunakan secara berulangulang sehingga dapat mengurangi biaya produksi. 2. Proses dapat dihentikan secara tepat dengan mengeluarkan enzim dalam larutan substrat. 3. Larutan hasil proses tidak terkontaminasi oleh enzim. Adapun masalah yang ditemukan dalam penggunaan enzim terimmbolisasi yaitu berhubungan dengan stabilitas enzim immobil. Metoda pengikatan enzim pada matriks mempengaruhi stabilitas enzim immobil. Oleh karena itu pemilihan metoda pengikatan harus dilakukan secara hatihati. Jika enzim akan digunakan untuk mengkatalisis substrat dengan berat molekul tinggi, tidak dipilih metode penjeratan karena enzim mungkin tidak dapat melakukan kontak dengan substrat. Jika substrat terdapat di dalam medium dengan ph ekstrim, sebaiknya tidak dipilih metode adsorbsi fisik karena enzim dapat dengan mudah terlepas dari matriks. Fenomena Kinetika Reaksi nzimatik pada sistem nzim Terimmobilisasi Perbedaan dasar antara perilaku kinetika enzim bebas dan enzim terimmobilisasi terletak pada fenomena katalis. Yang pertama menyangkut fenomena katalis homogen, sedangkan yang kedua merupakan fenomena katalis heterogen. Akibatnya, dalam suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim bebas digunakan pendekatan umum : Molekul enzim adalah identik dan mempunyai sifat katalitik serta kepekaan yang sama terhadap substrat yang akan diubah. Molekul enzim terbagi secara merata dalam larutan pereaksi. Semua parameter yang berpengaruh terhadap aktivitas enzimatik, seperti konsentrasi substrat, konsentrasi produk, ph 50

3 Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Vol. 2 No.3, Juni 2004 ISSN X dan suhu mempunyai nilai seragam dalam larutan tempat berlangsungnya reaksi. Djumali (1994) menyatakan bila suatu enzim diikat pada suatu penyangga padat dan diimmobilisasi ke bagian dalam suatu polimer atau dialirkan melalui suatu membrane semipermeable, maka perilaku kinetikanya berlainan dengan kinetika enzim bebas. Pada sistem enzim immobile atau heterogen semua molekul tidak identik. Sebagai contoh suatu enzim yang diimmobilisasi pada penyangga dengan ikatan kovalen akan mengalami pengubahan struktur tiga dimensi. Dalam sistim ini kesiapan sisi aktif sangat tergantung pada orientasi molekul enzim terhadap permukaan penyangga. Selain itu, pada sistem enzim immobil molekul enzim tidak selalu terdispersi merata dalam pereaksi. Hal ini dapat dijumpai pada sistem bifasa yang terdiri atas fasa cair dan fasa padat. Fasa cair mengandung substrat dan produk, sedangkan fasa padat mengikat enzim. Pada sistem enzim immobile terdapat perbedaan (gradien) konsentrasi, ph, dan suhu. Gradien ini terjadi karena sifat elektrostatik, hidrofilik atau hidrofobik penyangga dan larutan serta adanya fenomena difusional eksternal atau internal. Ketidaksamarataan (heterogenitas) sistem enzimatik ini dapat terjadi sebagai akibat immobilisasi, fenomena pembagian (partisi) dan fenomena difusional. Sistem Heterogen Berdasarkan Fenomena Pembagian (Partisi) Dalam larutan homogen konsentrasi berbagai zat yang berbeda umumnya bersifat seragam. Sebaliknya, pada larutan heterogen, konsentrasi substrat, produk atau efektor dalam lingkungan mikro yaitu daerah yang berdekatan dengan enzim immobil berbeda dengan konsentrasi komponen pada lingkungan makro (larutan) yang tergantung pada jarak. Lingkungan Mikro LINGKUNGAN MAKRO Gambar 1. Lingkungan mikro dan makro pada sistem enzimatik. Sumber : Djumali (1994) 51

4 Nanang R.Wijaya dan Zahra Fona,nzim Terimmobilisasi Dan Penggunaannya Yang fektif Dalam Industri Pangan Perbedaan ini diakibatkan oleh adanya pembagian (distribusi) fasa air (substrat) dan fasa membrane (interaksi elektrostatik, hidrofil, hidrofob) dan adanya resistensi diferensial substrat dan produk hasil reaksi kimiawi. Fenomena pembagian ini jelas terlihat dalam perubahan ph optimum enzim. Pembagian proton antar penyangga atom dan larutan menyebabkan perbedaan gradient (ph). Apabila bahan penyangga bemuatan negativ maka akan terdapat akumulasi proton di dekat penyangga tersebut : Dengan demikian aktivitas enzim berlangsung pada ph yang lebih rendah dibandingkan nilai terukur pada larutan. Dengan kata lain, sistem immobilisasi enzim pada bahan penyangga bermuatan negative, nilai ph optimalnya lebih tinggi daripada sistem ph enzim bebas. Nilai ph makro lebih tinggi dibandingkan nilai pada lingkungan mikro. Sebaliknya, bila enzim yang dimmobilisasi pada bahan penyangga bermuatan positif maka akan terjadi fenomena berlawanan, yaitu : H + m > H + M atau ph m < H + m < H + M atau ph m > ph M ph M H + m = konsentrasi ion hydrogen pada lingkungan mikro H + M = konsentrsi ion hydrogen pada lingkungan makro Sistem enzim immobil ini akan menampilkan ph optimal lebih rendah dibandingkan nilai ph pada sistem enzim bebas. + H + m ph m > H + M > ph M A K T I V I T A S Penyangga muatan + nzim Bebas Penyangga muatan ph Gambar 2. Modifikasi ph optimal sistem enzim immobile pada suatu penyangga bermuatan listrik (Monsan, 1982 dalam Djumali, 1984) 52

5 Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Vol. 2 No.3, Juni 2004 ISSN X S Difusi ksternal Difusi Internal Gambar 3. Difusi eksternal dan internal substrat pada sistem immobile (ngaser dan Horvath, 1976 dalam Djumali, 1984). Fenomena Difusional Bila suatu enzim diimmobilisasi dalam suatu membrane, substrat akan berdifusi melalui mekanisme ; pertama, substrat berdifusi secara molekuler dan konvektif dengan larutan yang terdapat pada permukaan luar membrane. Kemudian substrat berdifusi ke dalam membrane untuk bereaksi/bersatu dengan sisi katalitik (difusi molekuler). Gambar 3 memperlihatkan mekanisme Tabel.1. Faktor penentu laju pindah eksternal dan internal zat terlarutpemindahan ksternal Konsentrasi zat terlarut Difusitas molekuler Laju alir Viskositas dan densitas Ukuran penyangga Permeabilitas membran difusi eksternal dan internal. Pada sistem enzim imobil, dimana molekul enzim diikat pada permukaan yang tidak berpori maka fenomena difusi yang berlaku yaitu difusi eksternal. Sedangkan untuk enzim yang diikat oleh bahanbahan berpori berlaku fenomena difusi internal. Konsentrasi zat terlarut Bobot molekul Viskositas cairan Porositas penyangga Pemindahan Internal Pada umumnya kinetika enzimatik dikaji dalam media encer dengan mengikuti model Michaelian. Namun dalam industri, pengembangan proses acapkali dilakukan pada konsentrasi substrat yang sangat tinggi. Pada keadaan ini aktivitas enzimatik dihambat oleh substrat maupun produk, 53

6 Nanang R.Wijaya dan Zahra Fona,nzim Terimmobilisasi Dan Penggunaannya Yang fektif Dalam Industri Pangan sehingga limitasi difusional tidak saja disebabkan oleh substrat tetapi juga oleh produk. MTODA IMMOBILISASI Ada beberapa pendapat mengenai penggolongan metoda immobilisasi enzim. Chibata (1978) menggolongkan metoda immobilisasi enzim seperti terdapat pada gambar 4. Sedangkan posisi enzim dalam berbagai metoda immobilisasi terdapat dalam gambar 5. Metoda Immobilisasi nzim CarrierBinding Crosslinking ntraping Adsorbsi Fisik Ikatan Ion Ikatan Kovalen Jenis Mikrokapsul Jenis Kisi Gambar 4. Klasifikasi metoda immobilisasi enzim (Chibata, 1978 dalam Irvan, 1995) Menurut Kennedy (1985), metoda carrierbinding ada empat jenis yaitu ikatan ion, ikatan kovalen dan adsorbsi fisik juga termasuk pelekatan dan ikatan logam. a. Metoda carrierbinding b. Metoda crosslinking c. Metoda entrapping jenis kisi c. Metoda entrapping jenis mikrokapsul Gambar 5. Posisi enzim dalam berbagai metoda immobilisasi (Chibata, 1978 dalam Irvan, 1995). 54

7 Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Vol. 2 No.3, Juni 2004 ISSN X Carrierbinding Menurut Kennedy (1985) metoda carrierbinding merupakan metoda yang paling lama dan biasa digunakan untuk mengimmobilisasi enzim. Pada metoda ini enzim diikatkan pada suatu matriks yang tidak larut di dalam air. Sebagai matriks dapat digunakan bahan organic Alumina harus diperhatikan ukuran partikelnya, luas permukaan, perbandingan gugus hidrofilik dan hidrofobik serta komposisi matriks tersebut. Messing (1975) berpendapat bahwa pertimbangan yang terpenting adalah luas permukaan dan diameter pori, karena kedua hal tersebut Amberlite CG50 Kollagen Bentonite DAselulosa Kalsium fosfat gel DAsephadex Karbon Gelas CMselulosa Silika gel atau bahan anorgnik. Matrik yang dipilih mempengaruhi muatan enzim. Beberapa bahan untuk adsorbsi enzim terdapat pada table 2. Tabel 2. Beberapa bahan untuk adsorbsi enzim Sumber : Wang et all (1979) CMSephadex Metoda carrierbinding dapat dilakukan dengan cara adsorbsi fisik, ikatan ion, ikatan kovalen dan penglekatan atau pengikatan logam. Adsorbsi fisik merupakan cara yang paling mudah dilakukan karena berdasarkan pada adsorbsi molekul enzim ke permukaan matriks. Cara ikatan ion didasarkan pada terbentuknya ikatan ion antara molekul enzim dengan bahan pengadsorbsi yang mengandung resin penukar ion. Cara ikatan kovalen didasarkan pada terbentuknya ikatan kovalen antara enzim dengan matriks yang tidak larut dalam air. Penglekatan atau ikatan logam merupakan teknik yang relative baru. Metoda ini menggunakan senyawa logam transisi untuk mengaktifkan permukaan bahan pengadsorbsi sehingga daoat berpasangan dengan enzim (Kennedy, 1985) Crosslinking Metoda crosslinking atau ikatan silang didasarkan atas pembentukan ikatan kimia, seperti pada metoda ikatan kovalen, tetapi tidak menggunakan matriks yang tidak larut. Immobilisasi enzim terjadi melalui ikatan silang intermolekul antara molekul enzim melalui komponen bi atau multifungsional. nzim yang diimmobilisasi dengan metoda ini sering bersifat gel. Pereaksi yang digunakan harus memiliki dua gugus fungsional yang sama (pereaksi homobifungsional) atau dua atau lebih gugus fungsional yang berbeda. (pereaksi hetero bi atau heteromultifungsional) (kennedy), 1985). Pereaksi yang sering digunakan adalah glutaraldehid, pereaksi ini termasuk jenis homobifungsional. ntraping 55

8 Nanang R.Wijaya dan Zahra Fona,nzim Terimmobilisasi Dan Penggunaannya Yang fektif Dalam Industri Pangan Metoda ini didasarkan pada lokalisasi enzim di dalam kisi dari matriks polimer atau ditempatkan di dalam membrane semipermeabel. Jika enzim ditempatkan di dalam kisi maka disebut jenis kisi, sedangkan jika ditempatkan di dalam membrane semipermiabel disebut mikrokapsul (Chibata, 1978). Kennedy (1985) menggolongkan metoda entrapment ke dalam tiga jenis yaitu gel entrapment, fibre entrapment dan microencapsulation, tergantung pada matriks yang digunakan. Contoh bahan yang digunakan dalam metoda entrapment terdapat pada Tabel 3. Tabel 3. Beberapa contoh bahan untuk membentuk enzim terimmobilisasi dengan metoda entrapment. Gel ntrapment Fibre ntrapment Microencapsulation Poliakrilamida Polivinil alcohol Nitroselulosa Akrilamida Selulosa asetat Poliurea 2hidroksietilmetakrilat Selulosa til selulosa Karagen tilen glikol Sumber : Irfan (1995) Pengikatan enzim/sel dengan cara ikatan kovalen pada umumnya dapat meningkatkan stabilitas enzim immobile. Akan tetapi teknik pengikatan harus dilakukan secara hatihati dengan syaratsyarat sebagai berikut : 1. metoda pengikatan tidak boleh mengikutsertakan sisi aktif enzim. 2. Metoda pengikatan harus menghasilkan ikatan yang stabil pada kondisi dimana enzim akan digunakan. Pembentukan isothiosianat S CH2NH2 + ClCCl CH2NCS pembawa amin thiofosgen isothiosianat NH2Nprotein S CH2NHCNHprotein thiourea Beberapa contoh metoda pengikatan enzim yang sering digunakan dapat memecahkan masalahmasalah tersebut di atas. Metoda yang sering digunakan adalah sebagai berikut : A. Menggunakan matriks yang mengandung komponen pembawa gugus amin 56

9 Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Vol. 2 No.3, Juni 2004 ISSN X B. Menggunakan matriks yang mengandung komponen pembawa gugus hidroksil Reaksi dengan sianogen bromide ProteinNH2 H2COH + CNBr H2CO H2COCONH C=NH2 protein HCOH HCO HCOH PNGGUNAAN TRIMMOBILISASI NZIM Konversi glukosa menjadi fruktosa Konversi glukosa menjadi fruktosa dapat dilakukan dengan menggunakan enzim glucose isomerase terimmobilisasi atau sel terimmobilisasi yang mengandung glucose isomerase.. Konversi glukosa menjadi fruktosa telah dilakukan secara industri menggunakan enzim glucose isomerase terimmobilisasi, dimana enzim tersebut terikat pada matriks tidak larut air yaitu DAcellulose. nzim ini terdapat di dalam sel, sehingga sukar dan mahal untuk diisolasi, oleh karena itu penggunaan kembali enzim tersebut berulangulang dengan cara immobilisasi akan mengurangi biaya produksi. Hidrolisa protein menjadi peptida dan asam amino Protein dan hidrolisat protein banyak digunakan dalam industri pangan, misalnya dalam industri minuman dan makanan bayi sebagai sumber Lasam amino. Hidrolisat protein pada umumnya bertujuan untuk meningkatkan kelarutannya., mempengaruhi rasa, atau memperbaiki daya cernanya. Penggunaan enzim protease dan peptidase terimmobilisasi sangat efesien untuk menghidrolisa protein. Sedangkan penggunaan enzim bebas sangat terbatas karena kedua enzim tersebut mahal harganya. Heinicke dan Gortner (1957) di dalam Irvan (1995) menyatakan enzim proteolitik dari tanaman sebagian besar digunakan untuk produksi bir (chillproofing beer). nzim proteolitik jika ditambahkan ke dalam bir akan menghidrolisa kompleks proteintanin tertentu. Jika kompleks protein tannin ini dibiarkan tetap ada di dalam bir maka menyebabkan bir menjadi keruh bila didinginkan karena kompleks ini bersifat tidak larut. nzim yang dibutuhkan secara ideal adalah enzim yang dapat menghidrolisa protein ini menjadi polipeptida tetapi tidak menyebabkan terbentuk peptide dan asam amino. Polipeptida dibutuhkan untuk pembentukan flavor dan busa sehingga 57

10 Nanang R.Wijaya dan Zahra Fona,nzim Terimmobilisasi Dan Penggunaannya Yang fektif Dalam Industri Pangan penampakan bir akan lebih menarik. Industri cat menggunakan enzim proteolitik untuk memperbaiki stabilitas emulsi protein dalam latex paints. Hidrolisa pati menjadi glukosa Hidrolisa pati terutama jagung menjadi glukosa merupakan aplikasi enzim iimobil yang terbesar dalam industri. Penggunaan glukoamilase immobile dapat menghasilkan hidrolisis pati menjadi sirup glukosa dengan 95 D. Dalam industri ini biasanya digunakan keramik SiO berpori sebagai matriks (ukuran mesh) di dalam kolom plug flow dengan suhu operasi 60 o C pada ph 4,5. Nilai t 1/2 dari proses ini dapat ditingkatkan jika digunakan suhu operasi yang lebih rendah. Aplikasi lain enzim immobile dalam industri pangan mencakup invertase immobile untuk inverse sukrosa, tripsin immobile untuk stabilisasi susu, dan protease, karbohidrase dan lipase immobile untuk pembuatan makanan sintetik dari sumber protein yang murah. PNUTUP Penggunaan enzim dalam industri pangan diperkirakan dimasa mendatang akan terus meningkat. Hal ini mengingat semakin meningkatnya tuntutan konsumen terhadap mudtu dan penampakan produk pangan, dan juga semakin ketatnya persaingan antar industri pangan tersebut dalam memenuhi selera konsumennya. Dilain pihak, penggunaan enzim bebas sendiri mempunyai keterbatasan bila enzim tersebut akan digunakan kembali. Untuk mengatasi hal tersebut, pemakaian enzim terimmobilisasi dalam industri pangan merupakan suatu cara yang efisien terutama bila enzim yang digunakan sulit dan mahal untuk diperoleh. DAFTAR PUSTAKA Djumali, 1994, Teknologi Bioproses, Penebar Swadaya,, Jakarta. Girinda, Aisyah, 1984, Biokimia II, Jurusan FKH, FMIPA, IPB. Klibanov, A.M, 1983, Immobilized nzymes and Cell as Practical Catalysis, Science, 219 : Messing, R.A, 1975, Introduction and General History of Immobilized nzymes, Academic Press. New York. Irvan, 1995, Immobilisasi nzim sebagai Terobosan Baru Penggunaan nzim dalam Industri Pengolahan Hasil Pertanian, Fakultas Pertanian Unsyiah. Dixon, M. dan Webb,., 1979, nzymes, Academic Press, New York. Paolo Manitto, 1980, Biosynthesis of natural Products. llis Horwood Limited, ngland. Bennet, T.P dan. Reiden, 1966, Modern Tropica in Biochemistry, Macmilan Pub. Co. Inc, New York. 58

11 59 Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Vol. 2 No.3, Juni 2004 ISSN X