PROSES FERMETASI FED BATCH Lactobacillus acidophilus UNTUK PRODUKSI PROBIOTIK

Transkripsi

1 PROSES FERMETASI FED BATCH Lactobacillus acidophilus UNTUK PRODUKSI PROBIOTIK Unung Leoanggraini Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung Jl Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga Kotak Pos 1234, Bandung Telp ununglz@yahoo.com Abstrak Lactobacillus acidophilus termasuk salah satu mikroba probiotik yang dapat dihasilkan melalui proses fermentasi dengan sel tersuspensi. Pada proses fermentasi batch, konsentrasi substrat semakin berkurang sehingga laju pertumbuhan semakin menurun sampai mencapai fasa kematian. Salah satu alternatif untuk mengatasi hal ini adalah dengan melakukan proses fermentasi secara fed batch, sehingga dapat memperpanjang fasa eksponensial dan menghasilkan perolehan konsentrasi biomassa yang tinggi. Pada penelitian ini proses fermentasi menggunakan kaldu MRS dan laju aerasi 0,79 L/menit.Volume substrat yang digunakan pada proses batch adalah 700 ml, sedangkan pada proses fed batch volume substrat awal sebesar 500 ml dengan konsentrasi glukosa 20 g/l dan penambahan substrat sebanyak 200 ml, konsentrasi glukosa 20 g/l dengan laju alir substrat umpan 5 ml/jam dan 30 ml/jam. Hasil optimum diperoleh pada proses fermentasi fed batch dengan laju pengumpanan substrat sebesar 5 ml/jam yang menghasilkan perolehan konsentrasi biomassa sebesar 13,429 g/l, sedangkan pada proses fermentasi fed batch dengan laju pengumpanan substrat 30 ml/jam dan pada proses batch menghasilkan perolehan konsentrasi biomassa sebesar 3,762 g/l dan 6,256 g/l. Kata Kunci : fermentasi, fed batch, Lactobacillus acidophilus, probiotik PENDAHULUAN Probiotik memiliki peranan dalam menjaga keseimbangan mikroflora normal dalam saluran pencernaan manusia, meningkatkan sistem imun, membantu proses penyerapan mineral, dan meningkatkan pemanfaatan nutrisi. Selain itu probiotik juga dikenal sebagai salah satu makanan fungsional yang berguna untuk pencegahan berbagai macam penyakit berbahaya seperti kanker, infeksi/gangguan saluran cerna, dan infeksi hati, serta berpotensi menurunkan kadar kolesterol darah dan menurunkan tekanan darah. (Parvez et. all, 2006). Bakteri Laktobacillus sp merupakan strain mikroba yang pertama dikembangkan sebagai mikroba probiotik. (Holzapfel and Schillinger, 2002). Salah satu strain bakteri probiotik ini adalah Lactobacillus acidophilus. Lactobacillus acidophilus termasuk bakteri asam laktat (Lactic Acid 678 Bacteria/LAB) yang mampu mengkonversi gula termasuk laktosa dan karbohidrat lain menjadi asam laktat. Bakteri ini termasuk bakteri gram positif, berbentuk batang, bersifat mikroaerofilik yaitu bakteri yang memerlukan oksigen dalam jumlah sedikit untuk pertumbuhannya. Pertumbuhan Lactobacillus acidophilus berlangsung optimum pada temperatur 37 o C dan ph 5,5-6,2, namun masih dapat tumbuh pada ph kurang dari 5. Kecepatan pertumbuhan bakteri ini akan berkurang pada kondisi ph netral atau basa. (Charteris, 2001; Kandler,1986) Proses fermentasi untuk produksi probiotik ditujukan untuk menghasilkan biomassa sebagai produk akhir. Beberapa parameter yang dapat mempengaruhi pertumbuhan mikroba selama proses fermentasi berlangsung antara lain adalah konsentrasi substrat, ketersediaan nutrien, air,

2 oksigen terlarut, serta temperatur, ph, dan cahaya. (fardiaz,1989). Proses fermentasi untuk produksi probiotik biasanya dilakukan secara batch konvensional dengan sel tersuspensi. Kemampuan mikroorganisme untuk tumbuh dan bertahan sangat bergantung pada kemampuan mikroba untuk beradaptasi terhadap kondisi lingkungan yang berubahubah selama proses fermentasi berlangsung (Lacroix, 2007). Pada proses fermentasi batch, laju pertumbuhan bakteri dipengaruhi oleh kondisi medium pertumbuhan. Selama proses fermentasi batch, mikroorganisme mengkonsumsi substrat untuk dikonversi menjadi biomassa atau produk metabolit, sehingga konsentrasi substrat semakin lama semakin menurun, sehingga laju pertumbuhan mikroba juga akan menurun hingga mencapai fase kematian mikroba. Fermentasi batch memberikan jumlah konsentrasi asam laktat, biomassa dan produktifitas yang rendah. Hal ini disebabkan karena adanya tekanan osmosis yang tinggi dari sel, konsentrasi substrat yang kritis, berkurangnya aktifitas air bergabung dengan plasmolisis menyebabkan penurunan laju fermentasi dan pemanfaatan gula (Ding, 2006). Selain itu dalam proses batch, kandungan oksigen terlarut dan konsentrasi substrat semakin lama akan semakin menurun sehingga pertumbuhan bakteri kurang optimal. Ketika kandungan oksigen terlarut semakin berkurang dan proses fermentasi cenderung menuju pada kondisi anaerob, maka proses metabolisme yang dilakukan oleh mikroba cenderung menghasilkan produk utama asam laktat, sehingga konsentrasi sel yang dihasilkan lebih sedikit dibandingkan pada proses fermentasi aerob. (Zannini 2005; Fu and Mathews, 1999). Pengaruh laju aerasi pada proses fermentasi batch laktobacillus acidophilus untuk menghasilkan probiotik ditunjukkan pada gambar 1. Laju aerasi optimum pada proses fermentasi tersebut dicapai pada laju aerasi 0,79 L/menit dengan perolehan biomassa 3,421 g/l. (Leoanggraini, 2010) 679 Gambar 1. Pengaruh laju aerasi terhadap konsentrasi bimassa sel Lactobacillus acidophilus pada proses fermentasi batch. Penggunaan konsentrasi substrat yang tinggi di awal proses fermentasi dapat menyebabkan reaksi katalitik enzim berkurang karena konsentrasi substrat yang berlebih. Fenomena ini disebut dengan inhibisi substrat. Inhibisi substrat karena penggunaan konsentrasi substrat yang tinggi dapat menyebabkan penurunan produktivitas bakteri untuk menghasilkan asam laktat ataupun pertumbuhan bakteri itu sendiri. Operasi batch menghasilkan massa sel dan produk yang rendah karena konsentrasi substrat yang tinggi di awal proses menyebabkan terjadinya inhibisi substrat dan juga inhibisi produk. (Ding, S 2006). Salah satu alternatif yang dapat dilakukan untuk mengatasi permasalahan di atas adalah dengan melakukan proses fermentasi secara fed-batch dan dengan menambahkan suplai oksigen selama proses berlangsung. Proses fermentasi fed-batch dilakukan dengan mengumpankan substrat secara terus menerus pada proses batch yang telah berlangsung tanpa penghilangan kaldu fermentasi (Ding, 2006). Produk diambil pada saat proses fermentasi selesai. Penambahan substrat ini akan memperpanjang kurva pertumbuhan dari bakteri sehingga didapatkan fasa log yang lebih panjang. Pada fermentasi fed-batch, perubahan konsentrasi nutrien akan berpengaruh pada produktivitas bakteri dan jumlah biomassa dari produk yang

3 diinginkan. Penggunaan konsentrasi glukosa yang memadai pada awal proses dan penambahan substrat umpan selama proses fermentasi berlangsung dapat menghindari pengaruh penghambatan substrat terhadap produksi asam laktat dan pertumbuhan mikroba, sehingga akan memberikan effisiensi proses yang sangat tinggi (Ding, 2006). Pengumpanan substrat ini diharapkan akan memperpanjang fasa eksponensial bakteri probiotik karena dengan adanya penambahan substrat maka nutrisi yang telah berkurang pada awal proses akan tergantikan kembali. Pada Kondisi proses ini diharapkan dapat menghasilkan konsentrat sel probiotik dengan konsentrasi yang tinggi. Penelitian ini dimaksudkan untuk mengkaji pengaruh laju pengumpanan substrat pada proses fermentasi Lactobacillus acidophilus secara fed batch mikroaerofilik terhadap perolehan konsentrasi biomassa yang dihasilkan. METODOLOGI Penelitian ini menggunakan mikroorganisma Lactobacillus acidophilus yang diperoleh dari Laboratorium Farmasi ITB, sedangkan media produksi yang digunakan adalah media sintetis berupa kaldu MRS. Media yang digunakan untuk peremajaan kultur induk dan kultur kerja adalah MRS-agar, sedangkan untuk pembuatan inokulum digunakan media kaldu MRS dan diinkubasi pada temperatur 37 o C. Skema peralatan yang digunakan dalam proses fermentasi ditunjukkan pada gambar 2. Volume kerja yang digunakan pada proses fermentasi ini adalah 700 ml untuk proses batch, sedangkan pada proses fed batch volume kerja awal adalah 500 ml dan selanjutnya dilakukan pengumpanan substrat dengan volume umpan total sebanyak 200 ml. Substrat umpan yang digunakan berupa glukosa dengan konsentrasi 20 g/l dalam media kaldu MRS. Laju pengumpanan substrat yang digunakan adalah 5 ml/jam dan 30 ml/jam. Proses pengumpanan substrat dilakukan pada saat akhir fasa eksponensial, ketika pertumbuhan mikroorganisme memasuki fase pertumbuhan diperlambat. Gambar 2. Skema proses fermentasi Lactobacillus acidophilus dalam fermentor fed batch Keterangan gambar: 1. Labu erlenmeyer 1 liter 2. Aerator 3. Tabung sterilisasi gas 4. Leher angsa 5. Valve pengambilan sampel 6. Tabung pengumpan substrat 7. Shaker 8. Termometer 9. Lampu pijar 10. Temperature regulator 11. Sumber listrik 12. Inkubator Proses fermentasi menggunakan volume inokulum sebesar 10% dari volume kerja, laju aerasi sebesar 0,79 L/menit untuk proses batch dan fed batch, serta temperature dijaga konstan pada 37 o C. Analisis konsentrasi produk biomassa dilakukan dengan metoda spektrofotometri menggunakan alat spektrofotometer Genesys 20. Pengukuran absorbansi sampel menggunakan metoda ini diukur pada nilai panjang gelombang yang menghasilkan nilai absorbansi maksimum yaitu pada 450 nm. 680

4 HASIL DAN PEMBAHASAN Pada proses fermentasi, mikroba akan mengkonversi substrat untuk menghasilkan biomassa dan produk metabolit. Hasil proses fermentasi batch Lactobacillus acidophilus dengan laju aerasi sebesar 0,79 L/menit yang telah dilakukan ditunjukkan pada gambar 3. Gambar 3. Proses fermentasi batch Lactobacillus acidophilus dengan laju aerasi sebesar 0,79 L/menit. Gambar 3 tersebut menunjukkan bahwa akhir fasa logaritmik diperoleh setelah waktu fermentasi selama 200 jam, dan setelah itu mikroba mulai memasuki fasa pertumbuhan diperlambat. Hal ini dapat dilihat dari peningkatan konsentrasi biomassa di dalam media fermentasi yang cenderung menurun hingga memasuki fasa stasioner setelah proses fermentasi selama 220 jam. Pada proses fermentasi batch kandungan substrat dalam media akan semakin berkurang selama proses fermentasi berlangsung. Kondisi ini tidak mendukung laju pertumbuhan mikroba karena kebutuhan biomassa sel akan substrat dan nutrisi terus meningkat sedangkan konsentrasi substrat dan nutrisi tersebut terus menurun. Akumulasi biomassa sel yang tidak sebanding dengan ketersediaan substrat ini akan menyebabkan laju pertumbuhan bakteri menurun. Selain itu, kondisi lingkungan pertumbuhan mikroba yang telah jenuh dengan produk metabolit yang dihasilkan oleh mikroba tersebut turut menyebabkan laju 681 pertumbuhan mengalami penurunan. (Dings, 2006) Untuk mengatasi hal ini dilakukan proses fermentasi secara fed batch, dengan pengumpanan substrat setelah proses pertumbuhan memasuki akhir fasa eksponensial. Pengumpanan substrat dilakukan setelah proses fermentasi berlangsung selama 190 jam dan tidak dilakukan pada titik akhir fasa eksponensial. Hal ini dilakukan karena pada waktu tersebut kondisi mikroba masih aktif, sehingga perubahan kondisi lingkungan pertumbuhan mikroba akibat pengumpanan substrat tidak akan mempengaruhi aktivitas mikroba. Pengumpanan substrat pada proses fermentasi fed batch ini diharapkan dapat mengantikan substrat yang telah dimanfaatkan oleh mikroba, dan konsentrasi substrat di dalam media dapat dipertahankan pada kondisi optimum pertumbuhannya, sehingga dapat memperpanjang fase logaritmik dan perolehan biomassa yang dihasilkan dapat meningkat. Perubahan konsentrasi biomasa setiap saat pada proses fermentasi batch dan fed batch yang telah dilakukan ditunjukkan pada gambar 4 dan gambar 5. Gambar tersebut menunjukkan bahwa pengumpanan substrat pada laju 5 ml/jam dapat meningkatkan laju pertumbuhan biomassa dan perolehan biomassa pada akhir proses fermentasi mencapai 13,429 g/l. Perolehan biomassa dengan laju pengumpanan substrat tersebut lebih tinggi dibandingkan dengan laju pengumpanan substrat sebesar 30 ml/jam, yang menghasilkan perolehan biomassa pada akhir proses fermentasi sebesar 3,762 g/l. Penambahan konsentrasi substrat pada proses fermentasi fed-batch akan berpengaruh pada produktivitas bakteri dan jumlah biomassa dari produk yang diinginkan. (Ding, 2006). Penambahan substrat pada suatu batas konsentrasi tertentu, dapat meningkatkan produktivitas bakteri dan jumlah biomassa dari produk yang diinginkan, namun demikian peningkatan konsentrasi substrat setelah batas tersebut akan mengakibatkan terjadinya proses inhibisi substrat. Hal ini

5 dapat dilihat pada gambar 4 dan gambar 5 bahwa pengumpanan substrat dengan laju alir 30 ml/jam telah mengakibatkan proses inhibisi substrat sehingga konsentrasi biomassa yang dihasilkan mengalami penurunan. Pada proses fed batch dengan laju alir pengumpanan substrat 30 ml/jam, konsentrasi biomassa mengalami pernurunan sesaat setelah dilakukan proses pengumpanan substrat. Konsentrasi perolehan biomassa pada akhir proses fermentasi untuk proses fed bacth ini lebih rendah dibandingkan dengan proses batch yaitu 6,256 g/l. substrat) menghasilkan kecenderungan yang relatif sama, seperti ditunjukkan pada gambar 6. Awal fasa eksponensial pada proses batch dengan volume 700 ml sedikit lebih lambat yaitu setelah proses fermentasi berlangsung selama 176 jam dibandingkan dengan proses pada volume 500 ml yaitu setelah fermentasi berlangsung selama 138 jam. Pada proses fermentasi ini laju aerasi dipertahankan konstan yaitu pada laju 0,79 L/menit, sehingga proses fermentasi dengan volume kerja yang lebih kecil menghasilkan proses aerasi yang berlangsung lebih optimal, dan konsentrasi oksigen terlarut di dalam media fermentasi lebih besar. Kondisi ini sangat mendukung pertumbuhan biomassa pada proses fermentasi yang dilakukan mengingat mikroba Lactobacillus acidophilus termasuk mikroba mikroaerofilik. (Charteris, 2001; Kandler,1986) Gambar 4. Perubahan konsentrasi biomassa Lactobacillus acidophilus pada proses fermentasi batch dan fed batch Gambar 6. Pertumbuhan biomassa Lactobacillus acidophilus pada proses fermentasi batch 700 ml dan 500 ml Gambar 5. Perubahan konsentrasi biomassa Lactobacillus acidophilus pada proses fermentasi batch dan fed batch setelah pengumpanan substrat. Pertumbuhan biomassa pada proses fermentasi batch dengan volume kerja 700 ml dan 500 ml (sebelum proses pengumpanan 682 KESIMPULAN Proses fermentasi fed batch Lactobacillus acidophilus dapat meningkatkan konsentrasi perolehan biomassa. Hasil optimum diperoleh pada proses fermentasi fed batch dengan laju alir pengumpanan substrat sebesar 5 ml/jam yang menghasilkan perolehan konsentrasi biomassa sebesar 13,429 g/l, sedangkan pada proses fermentasi fed batch dengan laju

6 pengumpanan substrat 30 ml/jam dan pada proses batch menghasilkan perolehan konsentrasi biomassa sebesar 3,762 g/l dan 6,256 g/l. DAFTAR PUSTAKA 1. Charteris, William P., et al. (2001). Quality Control Lactobacillus acidophilus For Use With API 50 CH and API ZYM Systems at 37 0 C. J. Basic microbiol, 41(5): Ding, S. and Tianwei Tan. (2006). L- Lactic Acid Production by Lactobacillus casei Fermentation Using Different Fed - Batch Feeding Strategies. Process Biochemistry, 41: Fardiaz, Srikandi Mikrobiologi Pangan (Edisi ke-1). Bogor : Pusat AntarUniversitas Pangan dan Gizi IPB 4. Fu, W. and A.P. Mathews. (1999). Lactic Acid Production From Lactose by Lactobacillus plantarum: Kinetic Model and Effects of ph, Substrate, and Oxygen. Biochemical Engineering Journal, 3: Holzapfel, Wilhelm H., and Ulrich Schillinger. (2002). Introduction to preand Probiotics. Food Research International, 35: Kandler, O., Weiss N., & Sneath P.H.A. Eds.. (1986). Bergey s Manual of Systematic Bacteriology Vol.2 : regular, Nonsporing Gra m-positive Rods. USA : Williams & Wilkins 7. Lacroix, Christophe and Selcuk Yildirim. (2007). Fermentation technologies for the production of probiotics with high viability and functionality. Current Opinion in Biotechnology, 18: Leoanggraini, Unung. & Bintang, I.M. (2011). Fermentasi Mikroaerofilik Lactobacillus acidophilus untuk produksi probiotik. Prosiding: Industrial ResearchWorkshop and National Seminar. POLBAN 9. Parvez, S., K.A. Malik, S. Ah Kang, and H.-Y. Kim., (2006). Probiotics and their fermented food products are beneficial for health, Journal of Applied Microbiology, 100: Zannini, Emanuele., et. all. (2005). Effect Of Process Parameters on the Production of Lactic Acid Bacteria in Batch Fermentation. Annals of Microbiology, 55 (4):