MAKALAH TEKNOLOGI MIKROBIAL APLIKASI FERMENTASI INDUSTRI

OLEH: SITI RUQAYYAH G1A 006042

PROGRAM STUDI BIOLOGI FAKULTAS MIPA UNIVERSITAS MATARAM 2010

ANALISIS JURNAL Sumber Tahun terbit Halaman : Biodiversitas Vol. 8, No. 4 : Oktober 2007 : 253-256 Sumber Nitrogen Berbeda pada Air-Lift Fermentor I. Pendahuluan

Judul : Produksi -Glukan Saccharomyces cerevisiae dalam Media dengan

Glukan merupakan polisakarida yang hanya mengandung glukosa sebagai komponen strukturalnya, dan berikatan dengan rantai -glikosidik. Sedangkan glukan (dibaca: beta-glukan) adalah polisakarida dari monomer D-glukosa yang dihubungkan dengan ikatan glikosidik. -glukan termasuk dalam kelompok berbagai macam molekul yang nilainya berubah terhadap massa molekuler, kelarutan, viskositas, dan konfigurasi tiga dimensi. Umumnya dijumpai dalam bentuk selulosa pada tanaman, kulit dari biji-bijian padi, dinding sel yeast roti, termasuk sejumlah fungi, jamur, dan bakteri. Beberapa bentuk dari -glukan digunakan dalam produk nutrisi makanan sebagai agen pembentuk jaringan dan suplemen serat terlarut, tetapi penerapannya masih diragukan dalam masakan. Salah satu sumber (1,3) D-glukan paling umum yang diterapkan sebagai suplemen adalah yang berasal dari derivat dinding sel yeast roti (Saccharomyces cerevisiae). Akan tetapi, -(1,3)(1,4) glukan juga dapat diekstraksi dari kulit biji beberapa tanaman biji-bijian seperti oat dan barley, dan kandungan yang sedikit lebih rendah dijumpai pada gandum hitam dan gandum. (1,3) D-glukan yang berasal dari yeast seringkali bersifat tak larut dalam air dan ethanol, tetapi larut dalam alkali. Sebenarnya, bentuk paling aktif dari -glukan ini adalah yang memiliki unit D-glukosa yang berikatan satu sama lain pada posisi (1,3) dengan rantai sisi D-glukosa berikatan pada posisi (1,6), seperti -glukan yang dihasilkan dari S. cerevisiae tersebut.

2

Gambar 1. Struktur kimia (1,3)-glukan dan (1,6)-glukan Para ahli telah menemukan bahwa sisi rantai dari -glukan mempunyai frekuensi, lokasi, dan panjang yang mampu mengenali aktivitas sistem immun dibandingkan bagian backbone-nya. Variabel lainnya adalah kenyataan bahwa beberapa senyawa ini terdapat dalam bentuk single strand chains, sedangkan backbone dari - (1,3) glukan lainnya terdiri atas double atau triple stranded helix chains. Hal ini berarti pemanfaatannya relatif lebih mudah diterapkan karena senyawa -glukan tersebut hanya terdiri atas single strand chains. -glukan masuk dalam kategori generally recognized as safe (GRAS) menurut FDA Amerika karena berdasarkan ketentuan FDA, suatu substansi atau senyawa kimia yang ditambahkan ke dalam makanan harus dinyatakan aman oleh para ahli, dan oleh sebab itu dibebaskan dari syarat toleransi tambahan makanan yang biasa dikeluarkan oleh Federal Food, Drug, and Cosmetic Act (FFDCA). Sedangkan sebagai biological defense modifier (BDM), -glukan diketahui memiliki kemampuan mengaktivasi sistem immunitas. Pada permukaan sel immun bawaan, terdapat sebuah reseptor yang disebut Complement Receptor 3 (CR3 atau CD11b/CD18) yang bertanggung jawab untuk mengikat -glukan, sehingga memungkinkan sel immun mengenalinya sebagai non-self. -glukan membuat sistem immun bekerja lebih baik tanpa menjadi terlalu aktif. Selain itu, untuk meningkatkan aktivitas sistem immun, -glukan juga dilaporkan menurunkan level LDL kolesterol, membantu menyembuhkan luka, mencegah terjadinya infeksi, dan berpotensi sebagai adjuvant dalam perawatan kanker. II. Bahan dan Metode

Untuk memperoleh -glukan dalam jumlah yang banyak, produksi senyawa ini dapat ditempuh dengan fermentasi dari mikroorganisme yang telah diketahui merupakan penghasil -glukan tersebut, relatif jika dibandingkan dengan

3

mengisolasinya dari bagian tanaman misalnya. Fermentasi yang dilakukan dengan yeast S. cerevisiae memiliki keuntungan karena secara umum yeast tersebut telah banyak dimanfaatkan dalam berbagai proses fermentasi pangan dan bersifat non pathogenik dan non toksik sehingga aman untuk dikonsumsi. Karena yeast diklasifikasikan sebagai anaerob fakultatif, maka fermentasinya dapat berlangsung baik secara aerob maupun anaerob. Fermentasi -glukan dilakukan menggunakan fermentor jenis air lift. Fermentor ini merupakan pengembangan teknik untuk mendukung metode fermentasi submerged (bawah permukaan), yang didasarkan pada prinsip pompa air-lift yang mensirkulasikan medium kultur dalam sistem tertutup. Tabung tempat dimana medium kultur disirkulasikan terletak di bagian luar dari unit utama. Fermentor ini memiliki kelebihan karena konstruksinya sederhana, memiliki fasilitas sterilisasi yang baik, serta lebih efisien untuk penggunaan skala kecil.

Gambar 2. Air-lift Fermentor modern yang digunakan dalam fermentasi produksi -glukan (Sumber: PNNL, 2009) Fermentasi dilakukan dengan menggunakan media yeast peptone glucose (YPG) cair dan padat. Media YPG cair merupakan media sterilisasi pra-reduksi (PRAS) yang digunakan untuk memelihara dan menumbuhkan bakteri anaerobik. Persiapan media cair dan padat dilakukan karena setelah preparasi fermentor yang menggunakan media cair submerged, akan dilanjutkan dengan inokulasi S. cerevisiae pada media padat. Proses fermentasi menggunakan komposisi sumber nitrogen (N) berbeda yang penting dalam pertumbuhan yeast uji. Variabel sumber N yang dipakai adalah pepton 2%, asam glutamat 0,5%, diamonium hidrogen fosfat (DAHP) 0,02%, dan urea 0,2%. Perbedaan komposisi dari masing-masing sumber

4

N tersebut merupakan hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, dimana komposisi tersebut optimum digunakan dalam produksi -glukan dari S. cerevisiae. Industri menggunakan sumber nitrogen anorganik dan organik untuk memenuhi kebutuhan mikroorganisme. Biasanya nitrogen anorganik disuplai dari gas ammonia, garam ammonium, atau nitrat. Tujuan pemakaian ammonia biasanya adalah untuk kontrol pH dan sumber nitrogen untuk memproduksi serum albumin yang menggunakan S. cerevisiae. Sedangkan garam ammonium seperti ammonium sulfat akan menciptakan kondisi asam. Fermentasi yang berlangsung pada fermentor air-lift diatur dengan kondisi pH normal 7 yang optimum bagi pertumbuhan yeast. Yeast memiliki kisaran pH 4-5 dan tumbuh optimum pada pH 2,5-8. Fermentasi memakan waktu 84 jam atau 2,5 hari dengan metode submerged kultur terendam. Metode ini menggunakan substrat cair dengan pertumbuhan mikroorganismenya pada seluruh substrat, tidak hanya pada bagian permukaan saja. Hal ini tentu saja berkaitan dengan sifat S. cerevisiae yang anaerob fakultatif tersebut. Parameter yang diamati dari hasil fermentasi yang berlangsung adalah pertumbuhan S. cerevisiae dengan memanfaatkan sumber karbon dan nitrogen yang tersedia. Selain itu jumlah ekstrak -glukan yang dihasilkan juga merupakan parameter utama yang harus dicatat sebagai inti dari penelitian ini dilakukan. Analisis kadar glukosa menggunakan metode fenol-sulfat. Prinsip metode ini adalah pembuatan larutan standar glukosa yang diencerkan menjadi deret standar dengan selisih konsentrasi tertentu diikuti dengan penambahan larutan fenol dan asam sulfat pekat. Sedangkan analisis kadar protein dilakukan menurut metode Lowry, dimana metode ini mempunyai sensitivitas tinggi antara 10-200 g/mg protein. Prinsipnya adalah pembuatan larutan deret standar Bovine Serum Albumin (BSA) dengan penambahan NaOH, larutan D (campuran Na2CO3 5%, CuSO4.5H2O 1%, dan Na-K tartrat 2%), dan larutan folin C. Kedua analisis kadar ini selanjutnya akan diukur absorbansinya menggunakan spektrofotometer.

III.

Hasil dan Pembahasan

5

S. cerevisiae RN4 dikulturkan pada media mengandung glukosa dan sumber nitrogen (sumber N) yang berbeda. Hal ini dilakukan untuk mencari sumber N alternatif yang dapat digunakan untuk produksi -glukan. Proses fermentasi berlangsung dalam sistem tertutup selama 84 jam. Berdasarkan penelitian pendahuluan yang telah dilakukan, pertumbuhan S. cerevisiae RN4 telah memasuki fase stasioner pada waktu fermentasi memasuki jam ke-14. Semakin lama waktu fermentasi, laju pertumbuhan spesifik mikroba semakin menurun. Penurunan populasi mikroba disebabkan berkurangnya nutrisi penting dalam media, hal ini terjadi karena mikroba memanfaatkan senyawa yang terkandung dalam media untuk kebutuhan metabolismenya. Dari segi pertumbuhannya, meskipun S. cerevisiae RN4 ditumbuhkan dalam media yang mengandung sumber karbon glukosa dengan sumber nitrogen yang berbeda-beda, tetapi pola pertumbuhan yang diperlihatkan adalah sama. Penggunaan media kultur inokulum yang sama dengan media fermentasi dapat mempersingkat fase adaptasi, sehingga pada tahap awal fermentasi, pertumbuhan S. cerevisiae langsung memasuki fase eksponensial. Setelah 22 jam waktu fermentasi, pertumbuhan mulai memasuki fase stasioner. Pada fermentasi di atas jam ke-48, kurva pertumbuhan cenderung meningkat. Keadaan ini dapat dijelaskan karena pada akhir fermentasi, kultur sudah banyak berkurang dan sel-sel yang mati cenderung mengendap sehingga aerasi sedikit terganggu.

6

Gambar 3. Hasil pengukuran parameter fermentasi S. cerevisiae RN4 dalam fermentor air-lift skala 2 L, selama 84 jam dengan sumber N pepton 2% (A); asam glutamat 0,5% (B); urea 0,2% (C); dan DAHP 0,02% (D), pada kondisi suhu 30C, pH 7, dan aerasi 1,5 vvm. () pertumbuhan pada OD550 nm, () kadar glukosa, () kadar protein, () kadar -glukan Kadar -glukan pada kultur cenderung meningkat pada awal fermentasi dan relatif tetap pada akhir waktu fermentasi. Kadar -glukan paling tinggi diperoleh pada kultur dengan sumber N pepton dan terendah pada kultur dengan sumber N asam glutamat. Berdasarkan hasil tersebut, pepton merupakan sumber N yang bagus untuk produksi -glukan, namun sebagai alternatif sumber N untuk produksi glukan, urea merupakan pilihan yang lebih baik dibandingkan DAHP. Berdasarkan hasil ekstraksi sampel media dengan sumber N urea sepanjang waktu pengambilan sampel menghasilkan kadar -glukan yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan sampel media dengan sumber N asam glutamat dan DAHP. Glukosa sebagai sumber karbon utama akan diserap sehingga menyebabkan penurunan kadar glukosa dalam kultur selama fermentasi (Gambar 3, simbol ). Penurunan kadar glukosa terlarut dalam kultur S. cerevisiae mengindikasikan

7

terjadinya penyerapan glukosa oleh mikroba tersebut untuk kepentingan metabolisme dan pembentukan makromolekul (-glukan), sehingga hasilnya meningkat. Sedangkan penyerapan sel terhadap sumber nitrogen dalam media fermentasi menyebabkan kandungan protein di dalam media semakin berkurang dengan lamanya waktu fermentasi (Gambar 3, simbol ). Penurunan kandungan protein dalam kultur S. cerevisiae menunjukkan bahwa sumber N media yang dimanfaatkan oleh mikroba lebih besar yang dibentuk. Protein yang terbentuk dapat merupakan enzim yang berperan dalam pembentukan -glukan. Komposisi pepton yang kompleks menyebabkan kadar protein dalam media dengan sumber N pepton memiliki kadar protein yang lebih tinggi dibandingkan dengan kadar protein pada media lain. IV. Kesimpulan 1. Pertumbuhan tertinggi S. cerevisiae RN4 adalah pada media fermentasi yang mengandung sumber nitrogen pepton. 2. Kadar -glukan pada akhir fermentasi pada sumber N pepton sebesar 933.33 g/L, pada sumber N asam glutamat sebesar 633.33 g/L, dan pada sumber N urea dan DAHP masing-masing sebesar 733.33 g/L. 3. Urea dapat dijadikan sumber N alternatif pengganti pepton untuk memproduksi -glukan.

8

DAFTAR PUSTAKA Chihara, G. 1992. "Recent progress in immunopharmacology and therapeutic effects of polysaccharides". Developments in biological standardization (Switzerland: Karger) 77: 191197. Fardiaz, S. 1988. Fisiologi Fermentasi. IPB: Lembaga Sumberdaya Informasi. Finn, R.H. 1954. Agitation-aeration in the laboratory and in industry. Bacterial. Rev., 18, 254-274. Miura, N.N., N. Ohno, J. Aketagawa, H. Tamura, S. Tanaka, and T. Yadomae. 1996. "Blood clearance of (1-->3)-beta-D-glucan in MRL lpr/lpr mice". FEMS immunology and medical microbiology (England: Blackwell Publishing) 13 (1): 5157. Ooi, V.E., F. Liu. 2000. "Immunomodulation and anti-cancer activity of polysaccharide-protein complexes". Curr. Med. Chem. 7 (7): 71529. Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). 2009. Physical Sciences Laboratory (PSL). http://www.pnl.gov/biobased/psl.stm (diakses pada 27 Desember 2009). Scholler, H. and M. Seidel. 1940. Methods of and apparatus for fermenting solutions. U. S. Patent 2, 188, 192. Stanbury, P.F., A. Whitaker, dan S.J. Hall. 1984. Principle of Fermentation Technology, Second Edition. Butterworth-Heinemann. Teas, J. 1983. "The dietary intake of Laminarin, a brown seaweed, and breast cancer prevention". Nutrition and cancer (Lawrence Erlbaum Associates) 4 (3): 217222. Vetvicka, V., B.P. Thornton, G.D. Ross. 1996. "Soluble beta-glucan polysaccharide binding to the lectin site of neutrophil or natural killer cell complement receptor type 3 (CD11b/CD18) generates a primed state of the receptor capable of mediating cytotoxicity of iC3b-opsonized target cells". The Journal of clinical investigation (United States: American Society for Clinical Investigation) 98 (1): 5061.

9