SELULOSA DAN PROSES PERUBAHAN SELULOSA MENJADI GLUKOSA DAN ETANOL
A. Sumber Selulosa
1. Eceng Gondok Eceng gondok, suatu gulma yang mudah sekali tumbuh dan berkembang ternyata mempunyai kandungan serat selulosa cukup tinggi, yakni berkisar 60%. Hal ini sangat memungkinkan bahwa eceng gondok berpotensi sebagai bahan dasar pembuatan selulosa yang kedepannya dapat diaplikasikan ke arah yang beragam. 2. Jerami Padi Jerami padi mengandung serat/lignosellulosa yang dapat pecah menjadi gula sederhana yang akhirnya diubah menjadi etanol melalui proses fermentasi. Untuk memecah lignosellulosa menjadi gula sederhana yang siap difermentasi diperlukan metode pretreatment. Pretreatment kimia untuk jerami padi menggunakan bahan kimia yang berbeda seperti asam, alkali dan pengoksidasian pengoksidasian yaitu peroksida dan ozon. ozon. Diantara metode ini, pretreatment asam asam encer menggunakan H2SO4 adalah metode yang paling banyak digunakan. 3. Baatang pisang Batang pisang sebagian berisi air dan serat (selulosa) , disamping mineral, kalium, fosfor, dan lain-lain. Komposisi kimia batang pisang dipengaruhi oleh berbagai faktor yaitu komposisi tanah, frekuensi pemotongan, fase pertumbuhan, pemupukan, iklim setempat dan ketersediaan air. Serat batang pisang mengandung 63% selulosa, 20% hemiselulosa dan 5% lignin 4. Kapas Kapas mempunyai kandungan selulosa 88 – 88 – 96%, 96%, yang bukan selulosa 4 % panjang serat dperkirakan 25 sampai 34 mm. Kapas dapat di olah pada industri tekstil yang menghasilkan benang, kain dan lainya B. Struktur dan Potensi Selulosa 1. Struktur Selulosa
Selulosa adalah polimer glukosa yang berbentuk rantai linier dan dihubungkan oleh ikatan β-1,4 β -1,4 glikosidik. Struktur yang linier 1
menyebabkan selulosa bersifat kristalin dan tidak mudah larut. Selulosa tidak mudah didegradasi secara kimia maupun mekanis. Di alam, biasanya
selulosa
berasosiasi
dengan
polisakarida
lain
seperti
hemiselulosa atau lignin membentuk kerangka utama dinding sel tumbuhan (Holtzapple et.al 2003). Selulosa tidak pernah ditemukan dalam keadaan murni di alam, tetapi selalu berasosiasi dengan polisakarida lain seperti lignin, pectin, hemiselulosa, dan xilan. Kebanyakan selulosa berasosiasi dengan lignin sehingga sering disebut sebagai lignoselulosa.
Gambar 1. Struktur Selulosa, Hemiselulosa dan Lignin pada Dinding Sel Tumbuhan.
Gambar 2. Struktur Selulosa
Unit penyusun (building block) selulosa adalah selobiosa karena unit keterulangan dalam molekul selulosa adalah 2 unit gula (D-glukosa). Selulosa adalah senyawa yang tidak larut di dalam air dan ditemukan pada dinding sel tumbuhan terutama pada tangkai, batang, dahan, dan 2
menyebabkan selulosa bersifat kristalin dan tidak mudah larut. Selulosa tidak mudah didegradasi secara kimia maupun mekanis. Di alam, biasanya
selulosa
berasosiasi
dengan
polisakarida
lain
seperti
hemiselulosa atau lignin membentuk kerangka utama dinding sel tumbuhan (Holtzapple et.al 2003). Selulosa tidak pernah ditemukan dalam keadaan murni di alam, tetapi selalu berasosiasi dengan polisakarida lain seperti lignin, pectin, hemiselulosa, dan xilan. Kebanyakan selulosa berasosiasi dengan lignin sehingga sering disebut sebagai lignoselulosa.
Gambar 1. Struktur Selulosa, Hemiselulosa dan Lignin pada Dinding Sel Tumbuhan.
Gambar 2. Struktur Selulosa
Unit penyusun (building block) selulosa adalah selobiosa karena unit keterulangan dalam molekul selulosa adalah 2 unit gula (D-glukosa). Selulosa adalah senyawa yang tidak larut di dalam air dan ditemukan pada dinding sel tumbuhan terutama pada tangkai, batang, dahan, dan 2
semua bagian berkayu dari jaringan tumbuhan. Selulosa merupakan polisakarida struktural yang berfungsi untuk memberikan perlindungan, bentuk, dan penyangga penyangga terhadap sel, dan jaringan (Lehninger 1993) Untuk struktur kimia selulosa terdiri dari unsur C, O, H yang membentuk rumus molekul (C6H10O5)n ,dengan ikatan molekulnya ikatan hidrogen yang sangat erat. Gugus fungsional dari rantai selulosa adalah gugus hidroksil. Gugus – Gugus – OH OH ini dapat berinteraksi satu sama lain dengan gugus – O, O, -N, dan – S, S, membentuk ikatan hidrogen. Ikatan – H juga terjadi antara gugus – OH OH selulosa dengan air. Gugus-OH selulosa menyebabkan permukaan selulosa menjadi hidrofilik. Rantai selulosa memiliki gugus-H di kedua ujungnya. Ujung – C1 C1 memiliki sifat pereduksi. Struktur rantai selulosa distabilkan oleh ole h ikatan hidrogen yang kuat disepanjang rantai. Di dalam selulosa alami dari tanaman, rantai selulosa diikat bersama-sama membentuk mikrofibril yang sangat terkristal (highly crystalline) dimana setiap rantai selulosa diikat bersama-sama dengan ikatan hidrogen. Berdasarkan derajat polimerisasi dan kelarutan dalam senyawa natrium hidroksida (NaOH) 17,5%, selulosa dapat dibedakan atas tiga jenis yaitu : a. Selulosa α ( Alpha Cellulose) Cellulose) adalah selulosa berantai panjang, tidak larut dalam larutan NaOH 17,5% atau larutan basa kuat dengan derajat polimerisasi 600 - 1500. Selulosa α dipakai sebagai penduga dan atau penentu tingkat kemurnian selulosa. Selulosa α merupakan kualitas selulosa yang paling tinggi (murni). Selulosa α > 92% memenuhi syarat untuk digunakan sebagai bahan baku utama pembuatan propelan dan atau bahan peledak, sedangkan selulosa kualitas dibawahnya digunakan sebagai bahan baku pada industri kertas dan industri sandang/kain. Semakin tinggi kadar alfa selulosa, maka semakin baik mutu bahannya. b. Selulosa β ( Betha Cellulose) Cellulose) adalah selulosa berantai pendek, larut dalam larutan NaOH 17,5% atau basa kuat
3
dengan derajat polimerisasi 15 - 90, dapat mengendap bila dinetralkan.
c. Selulosa γ (Gamma cellulose) adalah sama dengan selulosa β, tetapi derajat polimerisasinya kurang dari 15.
2. Potensi Selulosa
Selulase awalnya diteliti beberapa dekade yang lalu untuk keperluan biokonversi biomassa, yang membuka peluang untuk aplikasi industrial dalam berbagai bidang. Beberapa jenis industri yang memanfaatkan enzim selulase di antaranya industri tekstil, makanan, deterjen, dan kertas. Menipisnya cadangan bahan bakar fosil yang dapat ditambang dengan teknologi masa kini mendorong pemanfaatan enzim selulase untuk biokonversi bahan lignoselulosa menjadi sumber energi. a.
Industri tekstil
Selulosa telah menjadi kelompok enzim terbesar ketiga yang dimanfaatkan
dalam
industri
semenjak
dikenal.
Selulase
merupakan enzim yang paling sukses digunakan dalam pemrosesan tekstil basah, terutama bagian proses akhir tekstil berbasis selulosa, dengan tujuan meningkatkan kualitas. Stonewashing jeans secara tradisional melibatkan pelepasan lapisan pati dengan bantuan amilase dan perlakuan abrasi dengan batu apung dalam mesin pencuci besar. Selulase umumnya digunakan untuk biostoning bahan jeans dan biopolishing kapas dan fabrik selulosa lainnya. Selama proses biostoning , selulase bekerja pada fabrik kapas dan 4
memutuskan ujung fiber kecil pada permukaan tenunan, sehingga memudahkan pelepasan pewarna untuk menciptakan efek kabur atau luntur. Penggantian batu apung dengan selulase akan mengurangi kerusakan fiber, meningkatkan produktivitas mesin, dan lebih sedikit kerja intensif. Selulase juga meningkatkan kelembutan dan sifat penyerapan air dari fiber, mengurangi kecenderungan pembentukan gumpalan, dan menghasilkan struktur permukaan yang lebih bersih dengan sedikit bulu halus. Penyiapan selulase yang kaya dengan endoglukanase paling cocok untuk biopolishing peningkatan tampilan, sentuhan, dan warna fabrik tanpa perlunya pelapisan dengan senyawa kimia lain. Aksi dari selulase dalam menghilangkan fiber kecil, bulu halus
permukaan,
menghasilkan
tampilan
yang
licin
dan
mengkilap, serta meningkatkan kecerahan warna, hidrofilisitas dan absorbansi kelembapan, dan proses yang lebih ramah lingkungan (Kuhad dkk , 2011).
b.
Industri deterjen
Dibandingkan dengan enzim hidrolase lainnya di dalam deterjen, selulase tergolong unik. Jika enzim hidrolase lain seperti amilase dan lipase umumnya menyerang substrat yang terdapat pada kotoran atau noda, enzim selulase menghidrolisis selulosa pada kapas atau paduannya untuk memberi keuntungan dalam pencucian dan perawatan bahan. Aplikasi komersial enzim selulase dalam deterjen bermula pada tahun 1987, ketika produk deterjen Kao, Attack ® menggunakan selulase alkalin dari Bacillus sp. Sejak 1991, sejumlah deterjen Eropa dan Amerika Utara juga melibatkan selulase. Selulase di dalam deterjen dapat membantu menjaga bahan kapas dan paduannya terlihat baru lebih lama dengan menghilangkan bulu halus yang terbentuk selama pemakaian. Dengan melepaskan fibril pada permukaan bahan, kotoran juga akan terlepas, sehingga selulase di sisi lain dapat memberikan efek pembersihan. Gambar 5
menunjukkan perbedaan hasil pencucian dengan deterjen tanpa selulase dan mengandung selulase (Flickinger dkk, 1999).
c.
Industri makanan dan minuman
Selulase juga memiliki potensi yang besar dalam aplikasi bioteknologi makanan. Produksi jus buah dan sayur memerlukan pengembangan metode ekstraksi, klarifikasi,
dan stabilisasi.
Selulase memiliki aplikasi penting bersama-sama dengan xilanase dan pektinase yang digunakan dalam ekstraksi dan klarifikasi jus buah dan sayuran untuk meningkatkan perolehan jus. Penggunaan enzim tersebut meningkatkan stabilitas dan tekstur cairan dan mengurangi viskositas sari buah tropis seperti mangga, pepaya, prem, dan pir. Tekstur, rasa, dan aroma dari buah dan sayur dapat ditingkatkan dengan mengurangi rasa pahit berlebih dengan infusi enzim pektinase dan β-glukosidase.
Gambar 1.1. Perbedaan hasil cucian dengan deterjen tanpa selulase dan
ada selulase (sumber: Flickinger dkk, 1999)
Dalam produksi wine, enzim seperti pektinase, glukanase, dan hemiselulase berperan penting dengan meningkatkan ekstraksi warna, klarifikasi lapuk, filtrasi, dan terakhir stabilitas dan kualitas 6
wine. Pembuatan bir berdasarkan pada aktivitas enzim selama fermentasi. Endoglukanase dan eksoglukanase dari selulase Trichoderma berperan dalam reduksi maksimum dari derajat polimerisasi dan viskositas (Sukumaran dkk, 2005).
d.
Industri kertas dan pulp
Aplikasi selulase dalam industri pulp dan kertas telah meningkat selama
dekade
terakhir.
Proses pulping mekanik
dengan
menggunakan selulase dapat menghemat energi 20-40% selama refining dan meningkatkan kekuatan lembaran. Endoglukanase juga dapat mengurangi viskositas pulp dengan menurunkan derajat hidrolisis. Selulase
sendiri
atau
campurannya
dengan
xilanase
dapat
digunakan untuk proses deinking berbagai jenis limbah kertas. Aplikasi yang ada sekarang kebanyakan menggunakan selulase dan hemiselulase untuk melepaskan tinta dari permukaan fiber dengan hidrolisis parsial molekul karbohidrat. Keuntungan penggunaan enzim untuk proses deinking adalah mengurangi penggunaan alkali, meningkatkan kecerahan fiber, mempertahankan kekuatan kertas, dan mengurangi partikel-partikel halus dalam pulp. Akan tetapi penggunaan enzim untuk proses deinking tidak boleh berlebihan karena dapat mengurangi ikatan antarfiber (Kuhad dkk , 2011). e.
Biofuel
Penggunaan selulase untuk menghasilkan biofuel merupakan bidang yang paling populer dikembangkan saat ini terkait aplikasi selulase. Bahan lignoselulosa (selulosa, hemiselulosa, dan lignin) sangat berlimpah sehingga berpotensi besar menjadi sumber bioenergi yang murah. Mikroorganisme dengan sistem selulase yang berpotensi untuk mengubah biomassa menjadi alkohol secara langsung telah ditemukan. Akan tetapi, proses produksi komersial masih memerlukan biaya tinggi sehingga tidak dapat berkompetisi dengan produk dari bahan baku lain. Beberapa faktor dalam proses mengurangi produktivitas biofuel di antaranya inhibisi produk terhadap enzim selulase, deaktivasi termal, ikatan nonspesifik pada 7
lignin, dan adsorpsi irreversibel enzim pada substrat yang heterogen (Kuhad dkk, 2011). Untuk itu, pengembangan lebih lanjut terkait teknologi pengubahan biomassa lignoselulosa menjadi biofuel perlu dilakukan. Saat ini, proses yang mungkin dilakukan adalah produksi bioetanol dari bahan lignoselulosa secara multitahap. Pre-treatment terhadap bahan baku perlu dilakukan untuk mengurangi/menghilangkan kandungan
lignin
dan
hemiselulosa.
Selanjutnya
selulosa
dihidrolisis menjadi glukosa dan gula lainnya dengan selulase. Kemudian proses produksi bioetanol dilakukan dengan fermentasi menggunakan glukosa dan gula hasil hidrolisis tersebut. Untuk menekan biaya produksi enzim selulase, dapat dilakukan on-site production, karena penggunaan enzim murni sangat tidak ekonomis (Sukumaran, 2005). Pengembangan lainnya yang dapat dilakukan adalah penggunaan ulang enzim selulase, pencegahan adsorpsi enzim pada bahan lignin, dan peningkatan produktivitas enzim dari mikroorganisme, baik dengan pengaturan kondisi maupun rekayasa genetik. Selain aplikasi-aplikasi yang telah disebutkan, enzim selulase juga banyak digunakan di berbagai industri lainnya, seperti pertanian, ekstraksi karotenoid, ekstraksi minyak zaitun, pengolahan limbah, hingga bidang medikal. C. Biokonversi Selulosa menjadi Glukosa dan Etanol 1. Biokonversi Selulosa menjadi Glukosa
Enzim selulase atau enzim yang dikenal dengan nama sistematik β-1,4 glukan-4-glukano hidrolase adalah enzim yang dapat menghidrolisis selulosa dengan memutus ikatan glikosidik β1,4 dalam selulosa, selodektrin, selobiosa, dan turunan selulosa lainnya menjadi gula sederhana atau glukosa. Sistem pemecahan selulosa menjadi glukosa terdiri atas tiga jenis enzim selulase yaitu endo-β-1,4-glukanase, ekso-β-1,4-glukanase, dan β-glukosidase. (Silva et al . 2005). Proses pemecahan selulosa oleh enzim selulase ditunjukkan pada
8
Gambar Skema Tahap-Tahap Pemecahan Selulosa (Sumber : Nugraha 2006)
Selulase merupakan kumpulan dari beberapa enzim yang bekerja bersama untuk hidrolisis selulosa. Sedikitnya ada tiga enzim yang terlibat dalam degradasi atau hidrolisis selulosa, yaitu endo-β-glukanase, ekso-βglukanase, dan β-glukosidase. pertama, enzim endoglukonase menyerang daerah amorf dari selulosa secara acak dan membentuk makin banyak ujung-ujung nonpereduksi yang memudahkan kerja eksoglukonase. Enzim eksoglukonase selanjutnya menghidrolisis daerah kristal dari selulosa dengan membebaskan dua unit glukosa. Kerja sama kedua enzim ini menghasilkan unit-unit sakarida yang 9
lebih kecil yang selanjutnya dihidrolisis oleh β-glukosidae menghasilkan glukosa ( Nugraha 2006).
Menurut
Enari
(1983)
serta
Prescott
and
Dunns
(1981)
mengelompokkan enzim utama selulase berdasarkan spesifikasi substrat masing-masing enzim yaitu : 1. Endo-β-1,4-glukanase (β-1,4-D-glukan-4-glukanohidrolase, EC 3.2.1.4) menghidrolisis ikatan glikosidik β-1,4 secara acak. Enzim ini dapat bereaksi dengan selulosa kristal tetapi kurang aktif. Enzim ini secara umum dikenal sebagai CMC-ase atau selulase Cx. 2. β-1,4-D-glukan selobiohidrolase (EC.3.2.1.91) atau secara umum dikenal dengan selulase C1, memutus ujung rantai selulosa non pereduksi dan membebaskan selobiosa. 3. β-1,4-D-glukan glukohidrolase (EC.3.2.1.74) memutus ujung rantai selulosa non pereduksi dan membebaskan glukosa. Enzim ini menghidrolisis selulosa yang telah dilunakkan dengan asam fosfat, selo-oligosakarida dan CMC. 4. β-1,4-glikosidase (β-1,4-D-glukosida glukohidrolase, EC 3.2.1.21) menghidrolisis selobiosa dan rantai pendek selo-oligosakarida yang menghasilkan glukosa. Enzim ini tidak dapat memecah selulosa dan selodekstrin.
10
2. Biokonversi Glukosa menjadi Etanol (Etil alkohol)
Proses masuknya glukosa dan fruktosa pada jalur glikolisis menjadi piruvat (gambar 1)
11
Gambar Fermentasi alkohol
Fermentasi alkohol merupakan suatu proses glukosa yang di oksidasi kemudian menghasilkan etanol dan CO 2 . masuknya glukosa dan fruktosa kedalam jalur glisikolisis yang mengalami
proses
10 tahap
(gambar 1) sampai terbentuknya 2 piruvat yaitu reaksi perubahan piruvat menjadi asetaldehid yang direduksi
oleh NADH dengan enzim alkohol
dehidrogenase yang dapat menghasilkan etanol (etil alkohol) dengan demikian etanol dan CO2 merupakan hasil akhir fermentasi alkohol dan jumlah energi yang di hasilkan sama dengan glikoliis anaerob yaitu 2 ATP.
D. Enzim yang Terlibat pada Proses Biokonversi
Enzim adalah katalis sangat spesifik yang membantu terjadinya reaksi-reaksi kimia dalam sistem biologis. Selulase adalah enzim yang dapatmengkatalis terjadinya reaksi hidrolisis selulosa menjadi glukosa. Selulase mikroorganisme..
adalah
enzim
Mikroorganisme
yang
diproduksi
selulolitik
mampu
oleh
banyak
menghasilkan
selulase kompleks, yaitu suatu campuran beberapa jenis selulase yang berbeda. Selulase kompleks mampu menghidrolisis kristal selulosa menjadi gula-gula terlarut secara efisien (Gong dan Tsao, 1979). Hidrolisis enzimatik yang sempurna memerlukan aksi sinergis dari tiga tipe enzim ini, yaitu : a. Endo-1.4-β-D-glucanase (endoselulase, carboxymethylcellulase atau CMCase). Enzim ini berfungsi memotong secara acak ikatan selulosa 12
menjadi selooligosakarida. Enzim ini aktif menyerang pada bagian selulosa yang tersubstitusi seperti CMC. b. Exo-1,4-β-D-glucanase (cellobiohydrolase), yang mengurai selulosa dari ujung pereduksi dan non-pereduksi untuk menghasilkan selulosa dan atau glukosa. c. β-glucosidase
(cellobiase),
yang
mengurai
selobiosa
untuk
menghasilkan glukosa. Selulosa mempunyai dua bagian konversi, yang pertama adalah konversi selulosa menjadi glukosa kemudian baru menjadi etanol. Pertama Tahapan-tahapan hidrolisis selulosa oleh enzim selulase menjadi glukosa adalah sebagai berikut.
EC No. 3.2.1.4
Nama Endo-β-glukanase
Reaksi Endohidrolisis ikatan 1,4-β-Dglukosidik, membentuk glukosa dan selo-oligosakarida. Eksohidrolisis ikatan 1,4-β-Dglukosidik membentuk selobiosa dari selulosa atau 1,4-βglukooligosakarida. Hidrolisis residu β-D-glukosa terminal dalam β-glukan.
3.2.1.91 Ekso- β-glukanase
3.2.1.21 β-glukosidase
Kedua tahapan-tahapan fermentasi glukosa menjadi etanol dengan bantuan mikroorganisme :
Enzim yang
Reaksi
digunakan Gikolisis (10 tahap)
Hexokinase
Glukosa menjadi glukosa 6-phospat
Fosfoglukoisomerase
Glukosa 6-phospat menjadi fruktosa 6-phospat
Fosfofruktokinase
fruktosa 6-phospat menjadi fruktosa 1,6
Aldolase
biphospat fruktosa 1,6 biphospat menjadi gliseraldehid 3-
Triosafosfat isomerase
phospat gliseraldehid 3-phospat menjadi gliseraldehid 3-
Gliseraldehid 3-P
phospat(2) 13
dehidrogenase
gliseraldehid 3-phospat(2) menjadi 1,3 biphospoglycerat
Fosfogliserat kinase
1,3 biphospoglycerat(2) menjadi 3 phospogliserat(2)
Fosfogliserat mutase
3-phospogliserat(2) menjadi 2-phospogliserat(2)
Enolase
2-phospogliserat(2) menjadi phospoenol pyruvat(2)
Piruvat kinase
phospoenol pyruvat(2) menjadi pyruvat(2) Fermentasi laktat
Laktat dehidrogenase
Pyruvate menjadi laktat Fermentasi alkohol
Piruvat dekarboksilase
Piruvat menjadi asetadehid
Alkohol dehidrogenase
Asetaldehid menjadi etanol
E. Sumber Enzim untuk Biokonversi
Enzim
selulase
adalah
semua enzim yang
memutuskan
ikatan glikosidik β-1,4 di dalam selulosa, sedodekstrin, selobiosa dan turunan selulosa lainnya. Sedikitnya ada tiga enzim yang terlibat dalam hidrolisis glukosa, yaitu endo-β-glukanase, ekso-β-glukanase dan β-glukosidase. Enzim selulase dapat diisolasi dari mikroorganisme. Mikroorganisme penghasil enzim selulase secara ekstraseluler tersebar pada jamur dan bakteri, tetapi yang umum dipakai adalah jamur Aspergillus niger .
Tabel. Mikroorganisme penghasil selulase Mikroorganisme Kelompok Genus Spesies Aspergillus A. niger A. nidulans A. oryzae (rekombinan) Fusarium F. solani F. oxysporum Humicola H. insolens Fungi H. grisea Melanocarpus M. albomyces Penicillium P. brasilianum P. occitanis P. decumbans Trichoderma T. reesei T. longibrachiatum 14
T. harzianum Acidothermus A. cellulolyticus Bacillus Bacillus sp. Bacillus subtilis Bacteria Clostridium C. acetobutylicum C. thremocellum Pseudomonas P. cellulosa Rhodothermas R. marinus Cellulomonas C. fimi C. bioazotea C. uda Streptomyces S. drozdowiczii Actinomycetes S. sp S. lividans Thermomonospora T. fusca T. curvata
Tidak semua mikroorganisme yang dapat mengutilisasi selulosa sebagai sumber energi menghasilkan kompleks enzim selulase yang lengkap. Hanya beberapa strain yang dapat menghasilkan kompleks enzim selulase yang terdiri dari tiga komponen utama yaitu endo-β-glukanase, ekso-βglukanase, dan β-glukosidase. T. reesei merupakan salah satunya dengan kemampuan menghasilkan enzim selulase dalam jumlah besar. Mikroba yang 15
digunakan secara komersial untuk produksi enzim selulase umumnya terbatas pada T. reesei, H. insolens, A. niger, Thermomonospora fusca , dan Bacillus sp. (Sukumaran dkk, 2005). 1. Tr ichoder ma reesei
Gambar . Tr i choder ma r eesei Trichoderma reesei menghasilkan enzim selulase dalam jumlah
besar. Berdasarkan jurnal “Pemanfaatan Enzim Selulase dari Trichoderma Reseei dan Aspergillus Niger sebagai Katalisator Hidrolisis Enzimatik Jerami Padi
dengan Pretreatment
Microwave”.
Jamur
Trichoderma
reseei
mempunyai kemampuan menghasilkan endo-ß-1,4-glukanase dan ekso-ß-1,4gluknase yang tinggi sedangkan jenis kapang Aspergillus niger dapat menghasilkan ß-glukosidase yang tinggi. Menurut Hairong Xiong(2004), enzim selulase komersial yang diproduksi dari
Trichoderma reesei
merupakan campuran dari enzim-enzim: minimal 4 endo-1,4- β -xylanase, minimal 5 endo-1-4-D- β -glucanase, dua exocellobiohydrolase, dua glucan 1,4- β -glucosidase dan exo-1,4- β -glucosidase, serta beberapa enzim β mannanase,
β -mannosidase,
acetylxylanesterase,
dan
α- Larabinofranosidase,α-galactosidase,
laccase.
Kemampuan
Trichoderma
reseei
memproduksi enzim dipengaruhi oleh kondisi pertumbuhannya, seperti: pH, suhu, pengadukan, dan aerasi. Trichoderma reesei yang dikenal juga sebagai Hypocrea jecorina merupakan fungi mesofilik dengan kemampuan tinggi menghasilkan enzim selulase secara efisien. Strain industrial dari Trichoderma reesei mampu mencapai produksi protein ekstraselular hingga 100 g/L (Xiong, 2004). Keunggulan lain dari T. reesei adalah mudah dan murah dikultivasi, tergolong mikroorganisme yang aman karena tidak bersifat patogen dan tidak menghasilkan mycotoksin atau antibiotik dalam kondisi produksi enzim. Selulase yang dihasilkan juga resisten terhadap inhibitor kimia dan stabil di 16
dalam reaktor tangki berpengaduk pada pH 4,8, 50 oC selama 48 jam atau lebih. Komposisi
enzim
selulase
atau
enzim
yang
dihasilkan
oleh
Trichoderma reesei sangat berpengaruh terhadap laju degradasi selulosa; sedangkan komposisinya dipengaruhi oleh kondisi seperti pH, pengadukan, dan aerasi. Pada pH mendekati 4,
Trichoderma reesei
cenderung
memproduksi selulase dan pada pH 7 cenderung memproduksi xylanase. Pengadukan optimum untuk pertumbuhan Trichoderma reesei adalah 200 rpm dan aerasi yang baik didapat pada kisaran 0,5-1 vvm (volume udara per volume medium per menit) (Hairong, 2004).
2. Asper gil l us ni ger
Gambar.
Mikrograf
dari A.
niger yang
ditumbuhkan
pada
medium Sabouraud agar dengan perbesaran 100x
Aspergillus niger (A.niger) merupakan salah satu jamur yang lazim digunakan untuk menghidrolisis selulosa. Mikroorganisme ini menghasilkan β-glukosidase tinggi akan tetapi endo-β-1,4-glukanase dan ekso-β-1,4 glukanasenya rendah (Juhasz, et al., 2003). Aspergillus niger memiliki bulu dasar berwarna putih atau kuning dengan lapisan konidiospora tebal berwarna coklat gelap sampai hitam. Kepala konidia berwarna hitam, bulat, cenderung memisah menjadi bagian-bagian yang lebih longgar dengan bertambahnya umur. Aspergillus niger dapat tumbuh dengan cepat, diantaranya digunakan secara komersial dalam produksi asam sitrat, asam glukonat dan pembuatan berapa enzim seperti amilase, pektinase, amiloglukosidase dan sellulase. 17
Aspergillus niger dapat tumbuh pada suhu 35ºC-37ºC (optimum), 6ºC-8ºC (minimum), 45ºC-47ºC (maksimum) dan memerlukan oksigen yang cukup (aerobik). Suhu optimum untuk aktivitas enzim selulase yang diisolasi secara parsial dengan etanol adalah 45°C dan pH optimum pada 4,2 dan menghasilkan aktivitas spesifik sebesar 2,082 U/mg protein.
3. Pleurotu s fl ori da, P. ostr eatus and P. sajar -caju
F. Informasi Enzim cellulase pada database GenBank, PDB, dan CAZy
Enzim selulase adalah enzim yang dapat menghidrolisis selulosa dengan memutus ikatan glikosidik β-1,4 dalam selulosa, selodektrin, selobiosa, dan turunan selulosa lainnya menjadi gula sederhana atau glukosa. Sistem pemecahan selulosa menjadi glukosa terdiri atas tiga jenis enzim selulase yaitu endo-β-1,4glukanase, ekso-β-1,4-glukanase, dan β-glukosidase (Silva et al . 2005). Pada makalah ini, kami membatasi pada enzim β-glukosidase saja. Informasi enzim βglukosidase tersebut pada database GenBank, PDB, dan CAZy. Langkah-langkah dalam pencarian informasi enzim inulase pada dta base GenBank : 18
a. Membuat kata k unci “genbank” di situs google. Kemudian, klik “GenBank Home- National Center for Biotechnology Information” atau klik website www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/
b. Kemudian, setelah memasuki website “www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/”, pada isian “nucleotide” pilih “protein”.
19
c. Pada isian “ search” ketik kata “3.2.1.21 beta glucosidase aspergillus niger ”. Lalu, baru klik “ search”, pada website tersebut akan muncul 24 jenis penghasil enzim 3.2.1.21 beta glucosidase aspergillus niger.
20
d. Lalu, pada website akan tampil informasi-informasi mengenai enzim 3.2.1.21.beta glucosidase yang dihasilkan oleh Aspergillus niger . Beberapa informasi penting di dapatkan adalah bahwa Aspergillus niger ini tergolong ke dalam jenis fungi atau jamur. Dan juga kita dapatkan informasi bahwa residu asam amino yang terdapat pada enzim beta glukosidase yang dihasilkan oleh Aspergillus niger adalah sebanyak 841 aa protein. Untuk melihat residu asam amino yang terdapat dalam jamur Aspergillus niger dapat dilihat dibagian bawah situs atau bisa juga dengan mengklik “FASTA” maka akan terlihat residu asam aminonya.
21
22
e. Apabila kita mengklik “5061” maka akan terhubung dengan link dimana kita bisa melihat struktur enzim tersebut.
f. Untuk melihat informasi yang lebih pada jamur Aspergillus niger , kita klik angka 3.2.1.21. Kemudian, akan muncul tampilan seperti gambar dibawah ini. Dimana jika ingin mendapatkan informasi tambahan dari enzim dapat mengklik BRENDA / EC2PDB / ExplorEnz , dll sesuai yang ada pada bagian “Cross-references”.
23
g. Untuk informasi enzim lebih selanjutnya,klik EC2PDB
24
Informasi yang bisa didapatkan dari tampilan gambar tersebut adalah : 1. Enzim beta glucosidase termasuk : Enzim hidrolase EC 3.-.-.Glicosylases EC 3.2.-.Glicosidase EC 3.2.1.Beta-glukosidase EC 3.2.1.21 2. Kerja enzim glukosidase adalah menghidrolisi dari ujung non pereduksi βD-glucosyl dengan menghasilkan β-D-glucoseinulin 3. Nama lain enzim beta glukosidase : gentiobiase; cellobiase; emulsin; elaterase; aryl-β-glucosidase; β-D-glucosidase; β-glucoside glucohydrolase; arbutinase; amygdalinase; p-nitrophenyl β-glucosidase; primeverosidase; amygdalase; linamarase; salicilinase; β-1,6-glucosidase 4. Nama sistematiknya : β-D-glucoside glucohydrolase 5. Nama trivial : β-glucosidase
Informasi enzim EC 3.2.1.21beta glukonase melalui CAZy (informasi semua koleksi enzim yang subtratnya karbohidrat )
a. Membuka website http://www.cazy.org/. Kemudian pilih Enzyme Classes, pilih Glycoside Hydrolase. Enzim beta gluconase termasuk enzim untuk menghidrolisis karbohidrat (hidrolase) yang tergolong ke dalam “Glycosidase” terdapat pada jenis E.C. 3.2. 25
26
b. pilihlah
kode enzim EC.3.2.1.21,maka akan diperoleh database dari enzim
tersebut.
http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/EC3/cont3a.html
27
28
Informasi enzim melalui PDB:
29
30
31
E. Mekanisme Kerja Enzim
a.
32
