BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Enzim Enzim adalah katalisator sejati. Molekul ini meningkatkan dengan nyata kecepatan reaksi kimia spesifik yang tanpa enzim akan berlangsung amat lambat. Enzim tidak dapat mengubah titik kesetimbangan reaksi yang dikatalisisnya, enzim juga tidak akan habis dipakai atau diubah secara permanen oleh reaksireaksi ini. Terdapat dua cara umum dalam meningkatkan kecepatan reaksi kimia. Yang satu adalah meningkatkan suhu, yang mempercepat gerak termal molekul, dan karenanya meningkatkan bagian (fraksi) molekul yang memiliki energi dalam, dengan jumlah yang cukup untuk memasuki keadaan transisi. Biasanya, kecepatan reaksi kimia meningkat sampai kira-kira dua kali dengan kenaikan suhu 10 o C. Cara kedua untuk mempercepat reaksi kimia adalah dengan menambahkan katalisator. Katalisator ini mempercepat reaksi kimia dengan menurunkan batas penghalang energi. Molekul ini, ditunjukkan oleh C, bergabung dengan pereaksi A secara sementara, menghasilkan senyawa atau komplek baru CA, yang memiliki energi aktivasi yang lebih rendah dalam keadaan transisi dibandingkan dengan keadaan transisi A pada reaksi yang tidak dikatalisa. (Lehninger, 1982) Fungsi suatu enzim ialah sebagai katalis untuk proses biokimia yang terjadi dalam sel maupun di luar sel. Suatu enzim dapat mempercepat reaksi 10 8 sampai 10 11 kali lebih cepat daripada apabila reaksi tersebut dilakukan tanpa katalis. Jadi enzim dapat berfungsi sebagai katalis yang sangat efisien, di samping itu mempunyai derajat kekhasan yang tinggi. Seperti juga katalis lainnya, maka enzim dapat menurunkan energi aktivasi suatu reaksi kimia. Reaksi kimia ada yang membutuhkan energi (reaksi endergonik) dan ada pula yang menghasilkan energi atau mengeluarkan energi (eksergonik).
Telah dijelaskan bahwa enzim mempunyai kekhasan yaitu hanya bekerja pada satu reaksi saja. Untuk dapat bekerja terhadap suatu zat atau substrat harus ada hubungan atau kontak antara enzim dengan substrat. Suatu enzim mempunyai ukuran yang lebih besar daripada substrat. Oleh karena itu tidak seluruh bagian enzim dapat berhubungan dengan substrat. Hubungan antara substrat dengan enzim hanya terjadi pada bagian atau tempat tertentu saja. Tempat atau bagian enzim yang mengadakan hubungan atau kontak dengan substrat dinamai bagian aktif. Hubungan hanya mungkin terjadi apabila bagian aktif mempunyai ruang yang tepat dapat menampung substrat. Apabila substrat mempunyai bentuk atau konformasi lain, maka tidak dapat ditampung pada bagian aktif suatu enzim. Dalam hal ini enzim itu tidak dapat berfungsi terhadap substrat. Ini adalah penjelasan mengapa tiap enzim mempunyai kekhasan terhadap substrat tertentu. Hubungan atau kontak antara enzim dengan substrat menyebabkan terjadinya kompleks enzim-substrat. Kompleks ini merupakan kompleks yang aktif, yang bersifat sementara dan akan terurai lagi apabila reaksi yang diinginkan telah terjadi. (Poedjiadi, 1994) Enzim adalah biomolekul berupa protein berbentuk bulat (globular), yang terdiri atas satu rantai polipeptida atau lebih dari satu rantai polipeptida (Wirahadikusumah, 1989). Enzim berfungsi sebagai katalis atau senyawa yang dapat mempercepat proses reaksi tanpa habis bereaksi. Dengan adanya enzim, molekul awal yang disebut substrat akan dipercepat perubahannya menjadi molekul lain yang disebut produk (Smith, 1997; Grisham et al., 1999). Keunggulan enzim sebagai biokatalisator antara lain memiliki spesifitas tinggi, mempercepat reaksi kimia tanpa pembentukkan produk samping, produktivitas tinggi dan dapat menghasilkan produk akhir yang tidak terkontaminasi sehingga mengurangi biaya purifikasi dan efek kerusakan lingkungan (Chaplin et al, 1990).
1. Klasifikasi enzim Klasifikasi enzim dapat dibedakan sebagai berikut : a. Berdasarkan tempat bekerjanya enzim dibedakan menjadi dua, yaitu: 1. Endoenzim, disebut juga enzim intraseluler, yaitu enzim yang bekerja di dalam sel 2. Eksoenzim, disebut juga enzim ekstraseluler, yaitu enzim yang bekerja di luar sel b. Berdasarkan cara terbentuknya dibedakan menjadi dua, yaitu: 1. Enzim konstitutif, yaitu enzim yang jumlahnya dipengaruhi kadar substratnya, misalnya enzim amilase. 2. Enzim adaptif, yaitu enzim yang pembentukannya dirangsang oleh adanya substrat, contohnya enzim β-galaktosidase yang dihasilkan oleh bakteri E.coli yang ditumbuhkan di dalam medium yang mengandung laktosa (Lehninger, 1982). 2. Sifat katalitik enzim Sifat-sifat katalitik dari enzim ialah sebagai berikut: a. Enzim mampu meningkatkan laju reaksi pada kondisi biasa (fisiologik) dari tekanan suhu dan ph. b. Enzim mempunyai selektifitas tinggi terhadap substrat (substansi yang mengalami perubahan kimia setelah bercampur dengan enzim) dan jenis reaksi yang dikatalisis. c. Enzim memberikan peningkatan laju reaksi yang tinggi dibanding dengan katalis biasa.
3. Faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim Beberapa faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim adalah sebagai berikut: a. Suhu Enzim dapat mempercepat terjadinya reaksi kimia pada suatu sel hidup. Dalam batas-batas suhu tertentu, kecepatan reaksi yang dikatalisis enzim akan meningkat seiring dengan naiknya suhu. Reaksi yang paling cepat terjadi pada suhu optimum (Rodwell, 1987). Suhu yang terlalu tinggi akan menyebabkan enzim terdenaturasi (Poedjiadi, 1994). Pada suhu 0 C, enzim menjadi tidak aktif dan dapat kembali aktif pada suhu normal (Lay dkk, 1992). b. ph Enzim pada umumnya bersifat amfolitik, yang berarti enzim mempunyai konstanta disosiasi pada gugus asam maupun gugus basanya, terutama gugus terminal karboksil dan gugus terminal amino. Perubahan kereaktifan enzim diperkirakan merupakan akibat dari perubahan ph lingkungan (Winarno, 1989). c. Konsentrasi enzim Semakin tinggi konsentrasi enzim maka kecepatan reaksi akan meningkat hingga batas konsentrasi tertentu. Namun, hasil hidrolisis substrat akan konstan dengan naiknya konsentrasi enzim. Hal ini disebabkan penambahan enzim sudah tidak efektif lagi (Reed, 1975). d. Konsentrasi substrat Kecepatan reaksi enzimatis pada umumnya tergantung pada konsentrasi substrat. Kecepatan reaksi akan meningkat apabila konsentrasi substrat meningkat. Peningkatan kecepatan reaksi ini akan semakin kecil hingga tercapai suatu titik batas yang pada akhirnya penambahan konsentrasi subtrat hanya akan sedikit meningkatkan kecepatan reaksi (Lehninger, 1982).
e. Aktivator dan inhibitor Beberapa enzim memerlukan aktivator dalam reaksi katalisnya. Aktivator adalah senyawa atau ion yang dapat meningkatkan kecepatan reaksi enzimatis. Komponen kimia yang membentuk enzim disebut juga kofaktor. Kofaktor tersebut dapat berupa ion-ion anorganik seperti Zn, Fe, Ca, Mn, Cu, Mg atau dapat pula sebagai molekul organik kompleks yang disebut koenzim (Martoharsono, 1997). Menurut Wirahadikusumah (1989), inhibitor merupakan suatu zat kimia tertentu yang dapat menghambat aktivitas enzim. Pada umumnya cara kerja inhibitor adalah dengan menyerang sisi aktif enzim sehingga enzim tidak dapat berikatan dengan substrat sehingga fungsi katalitiknya terganggu (Winarno, 1989). 2.2 Enzim Papain Enzim papain dapat diisolasi dari getah tanaman pepaya (Carica Papaya L) yang terdapat pada daun, batang dan buah yang masih muda. Enzim papain mulai dikenal sejak tahun 1750 ketika Griffith Mugles melaporkan bahwa getah yang diperoleh dari papaya merupakan protein yang bersifat mencerna. Wurtz dan Bonchurt pertama kali meneliti segi kimia papain pada tahun 1879 dan melaporkan bahwa papain dalam getah pepaya merupakan suatu enzim proteolitik. Dalam industri makanan dan minuman papain digunakan untuk pelunak daging, stabilizer dalam pembuatan jelly, pengental dalam pembuatan sirup dari sari buah, penggumpal susu dalam pembuatan keju. Dalam bidang kefarmasian papain digunakan sebagai pelancar pencernaan, luka infeksi, mengurangi penggumpalan darah sebelum operasi serta meningkatkan penumbuhan inflamasi akut. Papain juga digunakan dalam proses memperoleh kembali perak dari film yang sudah tidak terpakai. Beragamnya penggunaan papain dalam berbagai sektor industri merupakan pertanda besarnya peluang pasar papain. Kebutuhan akan papain di Indonesia masih di impor. Hal ini menjadi semacam kontroversi sehubungan
dengan ketersediaan pohon pepaya yang melimpah. Sampai saat ini belum ada usaha pengolahan papain sampai pada tahap papain murni atau semi murni. Adapun usaha produksi yang telah dilakukan adalah ekspor enzim papain dalam bentuk papain kasar yaitu getah pepaya segar yang dikeringkan tanpa pemurnian. Untuk dapat memenuhi kebutuhan papain dari dalam Negeri perlu dilakukan kajian mengenai metoda isolasi yang dapat menghasilkan enzim papain secara mudah, cepat dan mempunyai aktivitas tinggi pada skala produksi komersial. Sebelum sampai pada tahap tersebut diperlukan suatu penelitian pendahuluan untuk mendukungnya. Sejalan dengan perkembangan bioteknologi industri telah memacu perkembangan rekayasa enzim dalam pemanfaatan enzim pada skala industri. Penggunaan enzim secara konvensional kurang menguntungkan dan tidak efisien karena setiap pemakaian ataupun analisis harus menggunakan enzim yang baru. (Sebayang, 2006) Enzim papain adalah enzim yang terdapat pada getah pepaya merupakan jenis proteolitik yaitu enzim yang mengkatalisa reaksi pemecahan rantai polipeptida pada protein dengan cara menghidrolisa ikatan peptidanya menjadi senyawa-senyawa yang lebih sederhana seperti dipeptida dan asam amino. Kualitas getah sangat menentukan aktivitas proteolitik dan kualitas tersebut tergantung pada bagian tanaman asal getah tersebut dan berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan bagian tanaman yang mengandung getah dengan kualitas aktivitas proteolitik yang baik ada pada bagian buah, batang dan daun. Komposisi getah pepaya dapat dilihat pada Tabel 2.1 sebagai berikut: Tabel 2.1 Komposisi getah pepaya: Nama % dalam getah BM Papain 10 21.000 Kimopapain 45 36.000 Lisozim 20 25.000 Sumber: Winarno, 1983
Struktur papain dapat dilihat pada Gambar 2.1 sebagai berikut: Gambar 2.1 Struktur papain (Yamamoto, 2002) Enzim papain termasuk enzim protease, mampu menghidrolisis ikatan peptida pada asam amino lisin dan leusin.suhu optimum papain berkisar antara 50 o C - 65 o C, dan ph optimum 5-7 (Kusumadjaja dkk, 2005). Sifat kimia enzim protease tergantung dari jenis gugusan kimia yang terdapat dalam enzim tersebut. Berdasarkan sifat kimia dan lokasi aktif enzim maka enzim protease dibagi menjadi 4 golongan, yaitu (Sani, 2008) : 1. Golongan enzim proteolitik serin artinya mempunyai gugusan serin dalam posisi aktifnya. Enzim yang termasuk golongan ini adalah tripsin elastoal, kemotripsin. 2. Golongan enzim proteolitik sulfihidril artinya mempunyai gugusan sulfihidril pada posisi aktifnya. Enzim yang termasuk golongan ini adalah papain, fisin, bromelin. 3. Golongan enzim proteolitik metal artinya enzim yang keaktifannya tergantung adanya metal dengan hubungan stokiometri. Enzim yang termasuk golongan ini adalah karboksipeptidase dan beberapa amino peptidase.
4. Golongan enzim proteolitik asam artinya enzim yang posisi aktifnya terdapat gugus karboksil. Enzim yang termasuk golongan ini adalah pepsin dan proteakapang. Berdasarkan sifat kimianya, papain digolongkan sebagai protease sulfihidril.papain mengandung 212 asam amino dalam suatu rantai polipeptida dan berikatan silang dengan tiga jembatan disulfida.papain memiliki 6 gugus sulfihidril, tetapi hanya dua gugus sulfihidril yang aktif. Gugus sulfihidril ini mengandung unsur sulfur sekitar 1,2%. Dimana rantai ikatan tersebut tersusun atas arginin, lisin, leusin, dan glisin dangan sistein ke-25 tempat gugus aktif thiol (-SH) essensial, yang membentuk sebuah rantai peptida tunggal dengan bobot molekul 21.000-23.000 g/mol. Berdasarkan klasifikasi The Internasional Union of Biochemistry, papain termasuk enzim hidrolase yang mengkatalisis reaksi hidrolisis suatu substrat dengan pertolongan molekul air.aktivitas katalisis papain dilakukan melalui hidrolisis yang berlansung pada sisi-sisi aktif papain.pemisahan gugus-gugus amida yang terdapat di dalam protein tersebut berlangsung melalui pemutusan ikatan peptida. Aktivitas enzim papain cukup spesifik karena papain hanya dapat mengkatalisis proses hidrolisis dengan baik pada kondisi ph serta suhu dalam kisaran tertentu. Papain mempunyai ph optimum 7,2 pada substrat BAEE (benzoil arginil etil ester), ph 6,5 pada substrat kasein, ph 7,0 pada albumin dan ph 5,0 pada gelatin. Suhu optimal papain sendiri adalah 50-60 o C. Papain relatif tahan terhadap suhu, bila dibandingkan dengan enzim proteolitik lainnya seperti bromelin dan lisin (Silaban dkk, 2012).
2.3 Pepaya Gambar 2.2 dibawah ini merupakan gambar pohon pepaya yang digunakan dalam penelitian. Gambar 2.2 Pohon pepaya (Carica papaya L) 2.3.1 Taksonomi Tanaman Pepaya Kingdom : Plantae (Tumbuhan) Subkingdom : Tracheobionta (Tumbuhan berpembuluh) Super Divisi : Spermatophyta (Menghasilkan biji) Divisi Kelas Sub kelas Ordo Famili Genus : Magnoliophyta (Tumbuhan berbunga) : Magnoliopsida (berkeping dua / dikotil) : Dilleniidae : Violales : Caricaceae : Carica Spesies : Carica papaya L (Muktiani, 2011)
2.3.2 Morfologi Tanaman Pepaya Pepaya merupakan tanaman berbatang tunggal dan tumbuh tegak. Batang tidak berkayu, silindris, berongga, dan berwarna putih kehijauan tanaman ini termasuk perdu. Tinggi tanaman berkisar antara 5-10 meter, dengan perakaran yang kuat. Tanaman pepaya tidak mempunyai percabangan. Daun tersusun spiral menutupi ujung pohon. Daunnya termasuk tunggal, bulat, ujung meruncing, pangkal bertoreh, tepi bergerigi, berdiameter 25-75 cm. Pertulangan daun menjari dan panjang tangkai 25-100 cm. Daun pepaya berwarna hijau. Helaian daun pepaya menyerupai telapak tangan manusia. Apabila daun pepaya tersebut dilipat menjadi dua bagian persis ditengah, akan nampak bahwa daun pepaya tersebut simetri. Bunga pepaya berwarna putih dan berbentuk seperti lilin. Bunga pepaya kelihatan diatas daun. Berdasarkan keberadaan bunganya, pepaya termasuk monodioecious yaitu berumah tunggal. Bunga ini berbentuk bintang, terletak di ketiak daun. Selain itu, ada tanaman yang berumah dua. Bunga jantan mempunyai kelopak kecil, berwarna kuning, mahkota berbentuk terompet. Adapun bunga betina berdiri sendiri, mahkota lepas, kepala putik berjumlah lima, dan berwarna putih kekuningan. 2.3.3 Kandungan Gizi dan Manfaat Bagian Tanaman Pepaya 1. Kandungan Gizi Batang, daun dan buah pepaya muda mengandung getah berwarna putih. Getah tersebut merupakan sumber enzim papain, yaitu suatu enzim proteolitik (pemecah protein). Getah ini dapat digunakan sebagai pengempuk daging (meat tenderizer), yaitu untuk memecah serat-serat daging yang alot menjadi empuk. Selain itu, papain juga digunakan pada industri minuman (sebagai penjernih bir dan anggur), industri farmasi, industri kosmetik, industri tekstil dan kulit (sebagai penyamak), serta sebagai pembersih limbah. Komposisi gizi buah pepaya masak, pepaya muda dan daun pepaya per 100 gram dapat dilihat dalam tabel 2.2 dibawah ini :
Tabel 2.2 Komposisi Gizi Buah Pepaya Masak, Pepaya Muda dan Daun Pepaya Per 100 Gram Zat Gizi Buah Pepaya Buah Pepaya Masak Muda Daun Pepaya Energi (kkal) 46 26 79 Protein (g) 0,5 2,1 8,0 Lemak (g) 0 0,1 2,0 Karbohidrat (g) 12,2 4,9 11,9 Kalsium (mg) 23 50 353 Fosfor (mg) 12 16 63 Besi (mg) 17 0,4 0,8 Vitamin A (SI) 365 50 18.250 Vitamin B1 (mg) 0,04 0,02 0,15 Vitamin C (mg) 78 19 140 Air (g) 86,7 92,3 75,4 Sumber: Direktorat Gizi, Depkes RI (1992) 2. Manfaat Bagian Tanaman Pepaya a) Getah Getah dapat digunakan sebagai obat luka bakar maupun gatal-gatal di kulit (sebagai obat luar). Oleskan getah dari buah pepaya yang masih muda pada kulityang mengalami luka bakar atau gatal-gatal. Namun, sebaiknya sebelum diolesi luka tersebut dibersihkan terlebih dahulu agar tidak terjadi infeksi. Getah dapat digunakan sebagai pelunak daging. Caranya dengan menggosok-gosokkan daun pepaya pada permukaan daging. Penggosokan daun pada daging tersebut bertujuan untuk mengeluarkan getah (lateks) yang terdapat pada daun agar keluar, kemudian masuk dalam daging. Kulit yang berjerawat dapat disembuhkan menggunakan getah tanaman pepaya muda. Caranya dengan mengoleskan getah tersebut pada kulit yang berjerawat.
b) Buah Pepaya Mentah Buah pepaya mentah dapat digunakan untuk memperlancar ASI, mengatasi sembelit, gangguan haid, maupun gangguan lambung. Caranya dengan memanfaatkan buah pepaya sebagai bahan dasar sayuran. Buah pepaya mentah juga dapat digunakan untuk menyembuhkan rematik. Caranya dengan menggunakan buah pepaya muda, dan 2 butir telur ayam kampung. Setelah itu, buah pepaya dipotong penampangnya kemudian telur dimasukkan dalam pepaya melalui lubang yang telah dibuat, lalu ditutup kembali rapat-rapat. Setelah itu, pepaya dibakar hingga telur yang ada di dalamnya masak. Kemudian telur yang sudah masak tersebut dimakan pagi dan sore. (Muktiani, 2011) 2.4 Metode Imobilisasi Metode untuk imobilisasi enzim dapat dibagi atas 3 kategori dasar, yaitu: 1. Metode Carrier-binding Metode ini dibagi menjadi tiga berdasarkan cara pengikatan enzimnya, yaitu adsorpsi fisika, pengikatan ionik, dan pengikatan kovalen. a. Metode Adsorpsi Fisika Metode ini berdasarkan pada adsorpsi fisika dari protein enzim pada permukaan pembawa yang tidak larut dalam air. Kelemahan dari metode ini dimana enzim yang diserap dapat bocor selama pemakaian karena gaya ikat antara protein enzim dan pembawa lemah. b. Metode Pengikatan Ionik Metode pengikatan ionik berdazsarkan pengikatan ionik dari protein enzim pada pembawa yang tidak lazrut dalam air yang mengandung residu penukar ion. Kelemahan metode ini dimana kebocoran dapat terjadi dimana dalam larutan substrat dengan kekuatan ionik yang tinggi atau pada variasi ph.
c. Metode Pengikatan Kovalen Pada metode ini diperlukan kondisi reaksi yang sulit dan biasanya dilakukan tidak dalam keadaan kamar. Dalam beberapa kasus, ditemukan bahwa ikatan kovalen mengubah bentuk konformasi dan pusat aktif enzim yang mengakibatkan kehilangan aktivitas atau perubahan spesifitas aktivitas. 2. Metode Ikat Silang Metode ini berdasarkan pembentukan ikatan kimia seperti dalam metode ikat kovalen,namun pembawa yang tidak larut dalam metode ini.imobilisasi enzim dilakukan dengan pembentukan ikat silang intermolekuler diantara molekul enzim dengan penambahan reagent bi-atau multifungsional. 3. Metode Penjebakan Metode penjebakan berdasarkan pengikatan enzim dalam kisi matriks polimer atau melingkupi enzim dalam membran semipermiabel dan dibagi menjadi tipe kisi dan mikrokapsul. a. Tipe kisi (lattice type) Metode penjebakan tipe kisi meliputi penjebakan enzim dalam bidang batas (intersititial space) dari suatu ikat silang yang tidak larut dalam air misalnya gel matriks. b. Mikrokapsul Penjebakan dengan cara mikrokapsul melibatkan perlingkupan enzim dengan membran polimer semipermiabel. Prosedur untuk mikroenkapsulasi enzim dapat dibagi kedalam tiga kategori, yaitu : 1. Polimerisasi interfasial 2. Pengeringan cair (liquid drying) 3. Pemisahan fase (phase separation) (Chibata, 1978 dalam Huda, 2014)
Karagenan merupakan kelompok polisakarida galaktosa yang diekstraksi dari rumput laut. Sebagian besar karagenan mengandung natrium, magnesium, dan kalsium yang dapat terikat pada gugus ester sulfat dari galaktosa dan kopolimer 3,6-anhydro-galaktosa (Usov, 1998 dalam Diharmi, 2011). Karagenan kompleks, bersifat larut dalam air, berantai linier dan sulfat galaktan. Senyawa ini terdiri atas sejumlah unit-unit galaktosa dan 3,6-anhidrogalaktosa yang berikatan dengan gugus sulfat atau tidak dengan ikatan α 1,3-D-galaktosa dan ß 1,4-3,6- anhidrogalaktosa. Berdasarkan subtituen sulfatnya pada setiap monomer maka karagenan dapat dibedakan dalam beberapa tipe yaitu kappa, iota, lamda, mu, nu dan xi- karagenan. Secara alami, jenis iota dan kappa dibentuk secara enzimatis dari prekursornya oleh sulfohydrolase. Sedangkan secara komersial, jenis ini diproduksi menggunakan perlakuan alkali atau ekstraksi dengan alkali. Saat ini jenis kappa-karagenan dihasilkan dari rumput laut tropis Kappaphycus alvarezii, yang di dunia perdagangan dikenal sebagai Eucheuma cottonii. Eucheuma denticulatum (dengan nama dagang Eucheuma spinosum) adalah spesies utama menghasilkan iota-karagenan. Karagenan lamda diproduksi dari spesies Gigartina dan Condrus (Van de Velde et al. 2002 dalam Diharmi, 2011). Karagenan memiliki kemampuan untuk membentuk gel secara thermoreversible atau larutan kental jika ditambahkan ke dalam larutan garam sehingga banyak dimanfaatkan sebagai pembentuk gel, pengental, dan bahan penstabil di berbagai industri seperti pangan, farmasi, kosmetik, percetakan, dan tekstil. Struktur Kappa Karagenan dapat dilihat pada Gambar 2.3 dibawah ini. (Van de Velde et al., 2002; Compo et al., 2009 dalam Diharmi, 2011). Gambar 2.3 Struktur Kappa Karagenan