Pokok Bahasan II DASAR-DASAR DAN BIOKIM1A FERMENTASI

Transkripsi

1 Pokok Bahasan II DASAR-DASAR DAN BIOKIM1A FERMENTASI Deskripsi Singkat Fermentasi berasal dari kata latin yaitu fervere yang berarti mendidih (toboil), hal ini ternyata merupakan aktifitas khamir pada ekstrak buah-buahan atau serealia. Selama fermentasi dihasilkan CO 2 sehingga kondisinya menjadi anaerob. Definisi fermentasi ini diperluas yaitu reaksi oksidasi reduksi menggunakan sumber energi dan sumber karbon, nitrogen dan lain-lain untuk membentuk senyawa yang mempunyai nilai ekonomi lebih tinggi serta terakumulasi dalam medium. Adapun tahapan fermentasi adalah jenis mikrobia dan kultur stok, media, preparasi inokulum, fermentasi, kontrol proses dan pengunduhan hasil serta operasi fermentasi. Operasi fermentasi secara komersial dapat digolongkan menjadi tiga golongan yaitu fermentasi non aseptis, semi aseptis dan aseptis. Sebagai contoh fermentasi non aseptis yaitu produksi protein sel tunggal (PST) dari hidrokarbon, fermentasi alkohol tergolong fermentasi semi aseptis dan produksi antibiotik bersifat fermentasi aseptis. Kebanyakan produk berasal dari substrat yang mengandung karbon. Bermacam-macam produk antara yang dihasilkan dari glukosa dan dihasilkan asam piruvat sebagai senyawa kunci, kemudian asam piruvat direduksi menjadi asam laktat, asam butirat, asam propionat butanediol, etil alkohol dan sebagainya. Produk yang dihasilkan tergantung ada dan tidaknya ensim mikrobia. Sebagai contoh bakteri asam laktat tidak rnenghasilkan ensim piruvat dekarboksilase, tetapi mereduksi piruvat menjadi asam laktat, sedang khamir dapat menghasilkan piruvat dekarboksilase untuk mereduksi senyawa CO 2 menjadi etanol. Metabolisme glukosa dalam kondisi anaerob oleh mikrobia melalui Embden- Meyerhaf-Parnas. Kemudian pseudomonas melalui reaksi Entner Doudoroff mendegradasi menjadi etil alkohol. Leuconostoc mesenteraides melalui fermentasi glukosa menjadi asam laktat. Banyak fermentasi lain yang dilakukan oleh mikrobia sesuai sifat kharakteristik masing-masing. Tujuan Instruksional Khusus Mahasiswa setelah mempelajari dasar-dasar fermentasi dan biokimianya mampu menjelaskan tahapan fermentasi, asam piruvat, suatu kunci utama dalam

2 fermentasi karbohidrat, mengetahui urutan reaksi Heksosa Di Phosphat (DHP), Heksosa Mono Phosphat (HMP). Embden Meyerhaf-Paruas (EMP), Entner Soudoroff. A. DASAR-DASAR FERMENTASI 1. Dalam fermentasi terdapat hubungan antara pertumbuhan sel, kecepatan pertumbuhan, konsentrasi substrat serta produk akhir. Tipe fermentasi dibedakan atas pertumbuhan mikrobia dan produk : a. Sinonim : produksi protein sel tunggal b. Assosiasi (associated) : fermentasi alkohol asam sitrat, dan asam Iaktat. c. Non assosiasi (non associated) : fermentasi antibiotik. d. Stepwise : fermentasi antibiotic 2. Mikrobia yang berperanan dalam industri adalah bakteri, fungi, khamir, alge, dan protozoa. a. Bakteri contohnya : Zymomonus mobilis, CIostridium acetobutylicum, Acetobacter aceti. b. Fungi contohnya : AspergiIIus oryzae, Penicelium notatum, Rhizopus oligosporus c. Khamir contohnya : Saccharomyces cerevisiae, Candida utilis, Saccharomyces pombe. d. Virus perlu dipelajari karena penyebab kontaminasi e. Protozoa penting dalam penanganan limbah f. Alge untuk produksi bahan makanan yaitu agar, protein sel tunggal. 3. Peranan mikrobia dalam metabolisme yaitu : a. Katabolisme : fermentasi alkohol, aseton, butanol dan asam organic b. Anabolisme : fermentasi polisakarida protein, asam nukleat, alkaloid. 4. Peranan ensim dalam fermentasi a. Katalisator ensim dapat mempercepat reaksi kimia kali dibandingkan dengan katalisator anorganik. b. Reaksi dengan menggunakan ensim untuk mendapatkan produk melalui degradasi tahap demi tahap. c. Energi yang dihasilkan oleh ensim ditangkap lalu dilepas, tidak seperti katalisator anorganik. d. Ensim dapat menurunkan energi aktivasi reaksi.

3 5. Fermentasi oleh mikrobia dapat menggunakan substrat dasar karhohidrat dan senyawa nitrogen organik. Macam-macam fermentasi karbohidrat No. Macam Glikolisis Hasil akhir utama 1. Fermentasi alkohol 1.1. Oleh khamir HDP etanol, CO Oleh bakteri EDP etanol, CO2 2. Fermentasi asam laktat 2.1. Homofermentasi HDP asam laktat (Homolaktat) 2.2. Heterofermentasi HMP asam laktat, etanol, (Heterolaktat) asam asetat dan CO 2 3. Fermentasi asam propionat HDP asam propionat, asam asetat, CO 2 4. Fermentasi asam butiran HDP asam butirat,asam asetat, H 2, CO 2, butanol, etanol, Aseton, Isopropanol. 5. Fermentasi asam campur HDP etanol, asetat, format, H 2, CO 2, Iaktat, suksinat. 6. Fermentasi butanediol HDP butanediol, etanol, laktat, suksinat, asetat, H 2, CO 2 Peruraian glukosa menjadi asam piruvat dibedakan menjadi 3 jalur : Jalur heksosa difosfat (HDP), yaitu Embden-Meyerhoff-Parnas atau glikolisa. Jalur heksosa monfosfat (HMP), yaitu jalur Warburg Dicken, jalur fosfoketolosa, atau jalur pentosa fosfat. Jalur 2 keto-3 deoksi glukonat-6 fosfat (jalur KDGP), atau jalur Entner Doudoroff

4 Skema berbagi jalur perubahan asam piruvat 6. Tahapan fermentasi a. Pemilihan mikrobia Mikrobia yang dipakai dalam industri akan sangat bermanfaat bila disimpan untuk penggunaann 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. c. Peparasi inokulum Media untuk penyiapan inokulum biasanva berbeda dengan media fermentasi. Media untuk inokulurn untuk menghasilkan sel mikrobia dalam jumlah besar tanpa terjadi peruhahan sifat genetik sel. Konsentrasi

5 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 akan dihahas pada bab berikutnya. B. BIOKIMIA FERMENTASI 1. Pada reaksi-reaksi katabolisme-anabolisme ATP dan nikotin adenin di nucleotide yang tereduksi (NADH) adalah kunci utama dalam fermentasi. 2. Fermentasi terjadi bila produk fermentasi kandungannya lebih rendah dari substrat yang difermentasi. 3. Rumus untuk menyatakan perubahan energi bebas dengan perombakan potensial bila elektron pindah dari sistem ke sistem lain. F o = - n F E o F = perubahan energi bebas pada keadaan standard (Cal/mole) N = jumlah elektron yang dipindahkan F o E o = Faraday, setara dengan 23,063 Cal/volt = potensial 4. Reaksi-reaksi metabolisme ada dua yaitu : a. Proses disimilasi (katabolisme) dapat menghasilkan hasil antara dan energi oleh mikrobia. b. Proses asimilasi (biosintesa/anabolisme) atau reaksi yang dapat mensintesa konstituen-konstituen sel dan produk akhir Iainnya sesuai sifat mikrobia. 5. Reaksi EMP dan Krebs disebut juga reaksi amphibolik. Reaksi amphibolik berfungsi mengarahkan dan mutlak diperlukan dalam biosintesa. Karena reaksi amphibolik menghasilkan energi dan senyawa prekursor untuk biosintesa. 6. Pemecahan (metabolisme) karbohidrat oleh mikrobia. a. Fermentasi alkohol oleh khamir (Saccharomyces)

6 b. 1. Fermentasi asam laktat yaitu homolaktat dan heterolaktat Fermentasi homolaktat mengikuti jalur HDP lalu dengan ensirn laktat dehidrogenase, asam piruvat dirubah jadi asam laktat. Fermentasi heterolaktat mengikuti jalur HMP. Asetilfosfat diubah menjadi asetil KoA. Oleh ensirn asetaldehida dehidrogenasa dan alkohol. Dehidrogenasee akan dihasilkan alkohol. Piruvat oleh ensirn Iaktat dihidrogenase dirubah menjadi asam laktat. 2. Fermentasi asarn laktat oleh Bibidobacteriurn bifidum. Bakteri ini mempunyai ensim fruktosa 6-fosfat fosfo ketolase dan xilulosa-5-fosfat fosfoketolase yang menghasilkan asetil fosfat. Asetil fosfat akan dirubah menjadi asetat dengan bantuan asetat kinasa. c. Fermentasi asam propionat Bakteri asam propionat menghasilkan asam propionat dari karbonat, lalu hasil lainnya asam asetat dan CO 2 Contoh bakteri asam propionat: Propionibacterium, Clostridium, propionicum, Peptostreptococcus elsdeni. d. Fermentasi asam butirat Bakteri asam butirat antara lain CIostridium, Butyrivibrio, Eubacterium, Fusobacterium. Selain asam butirat dihasilkan pula asetat, aseton. isopropanol, butanol CO 2 dan H 2. e. Fermentasi asam campur butanediol Fermentasi asam campur dilakukan oleh jenis : Jenis Enterobacterioceae, genus Escherichia, Salmonella dan Shigella. Hasilnya asam laktat, asetat, suksinat dan formiat, CO 2, H 2 dan etanol.

7 Pada fermentasi butanediol, asam-asam organik yang dihasilkan sedikit, lebih banyak CO 2, etanol dan rnenghasilkan senyawa khusus 2,3 butanediol. Bakteri yang berperanan: Enterobacter, Seratia dan Erwinia f. Fermentasi senyawa nitrogen organik, dibagi menjadi 3 macam : 1. Fermentasi asam amino tunggal 2. Fermentasi sepasang amino (reaksi stickland) 3. Fermentasi senyawa nitrogen heterosiklik Bakteri yang berperanan Clostridium. Contoh fermentasi glisin, treonin, glutamat, lisin dan sebagainya. Fermentasi senyawa N-heterosiklik dapat dilakukan oleh jenis bakteri Clostridium acidi-urici dan Cl. Cylindrosporum. Kedua bakteri ini memfermentasi guanin, hipoxantin, urat dan xantin. Latihan soal. 1. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi fermentasi! Jelaskan salah satu faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikrobia! 2. Bedakan antara isolasi metoda crowded plate technique, auxonography dan enrichment culture! 3. Beri contoh lima macam senyawa unsur yang tergolong dalam makronutrien, mesonutrien dan mikronutrien! 4. Jelaskan fungsi dan sumber nitrogen organik dan anorganik bagi pertumbuhan mikrobia! 5. Mengapa dalam suatu fermentasi antibiotik perlu ditambah precursor!