MIKROBIOLOGI INDUSTRI

PEMANFAATAN ENZIM PADA PEMBUATAN HIGH

FRUCTOSE CORN SYRUP

Disusun oleh:

Alfonsina A. A. Torintubun 115061100111027

Ayu Indah Wibowo 115061101111011

Dewi Ariesi Rachmadianty 115061105111007

Ridhani Rida Ramadhan 115061100111009

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

2012

A. DEFINISI HIGH FRUCTOSE CORN SYRUP (HFCS)

High Fructose Corn Syrup merupakan pemanis alternatif cairan sukrosa yang

terbuat dari jagung, menggunakan bahan kimia (soda kaustik, asam klorida) dan enzim

(α-amilase dan glukoamilase) untuk menghidrolisis pati jagung pada sirup jagung yang

mengandung sebagian besar glukosa dan enzim ketiga yaitu (Glukosa isomerase) untuk

isomerize glukosa dalam sirup jagung fruktosa untuk menghasilkan produk HFCS yang

diklasifikasikan sesuai dengan konten fruktosa mereka: HFCS-90, HFCS-42, dan HFCS-

55. (Parker et al, 2010)

HFCS telah menjadi pemanis utama dan aditif yang digunakan secara luas dalam

berbagai makanan olahan dan minuman mulai dari minuman ringan dan buah untuk

yogurt dan roti. HFCS memiliki banyak keuntungan dibandingkan dengan sukrosa yang

membuatnya menarik bagi produsen makanan. Ini termasuk manisnya, kelarutan,

keasaman dan murahnya relatif di Amerika Serikat (AS). Penggunaan HFCS dalam

makanan dan industri minuman telah meningkat selama bertahun-tahun di AS.

Peningkatan konsumsi di AS bertepatan dengan peningkatan kejadian obesitas, diabetes,

dan penyakit kardiovaskular lainnya dan sindrom metabolik. (Parker et al, 2010)

HFCS dibuat dengan bahan kimia dan hidrolisis enzimatik pati jagung yang

mengandung amilosa dan amilopektin menjadi sirup jagung mengandung sebagian besar

glukosa diikuti dengan isomerisasi glukosa dalam sirup jagung fruktosa untuk

menghasilkan HFCS. Tiga kategori HFCS pada umumnya: HFCS-90 (fruktosa 90% dan

glukosa 10%) yang digunakan dalam aplikasi khusus tetapi yang lebih penting adalah

dicampur dengan sirup glukosa untuk menghasilkan HFCS-42 (42% fruktosa dan glukosa

58%) dan HFCS-55 (55% fruktosa dan 45% glukosa). (Parker et al, 2010)

Makanan yang dihasilkan dari industri ditemukan mengandung HFCS sangat

banyak. Ini termasuk kue panggang seperti biskuit, roti, kue, dan shortcakes, minuman

ringan, minuman jus, minuman berkarbonasi, selai dan jeli, produk susu, termasuk es

krim, susu rasa, eggnog, yogurt dan makanan penutup beku, kalengan untuk bahan

makanan termasuk saus dan bumbu, sereal dan sereal bar, dan banyak makanan olahan

lainnya. Mayoritas dari makanan olahan di AS mengandung HFCS untuk memenuhi

sebagian fungsionalitas dalam makanan. (Parker et al, 2010)

B. PROSES PEMBUATAN HIGH FRUCTOSE CORN SYRUP (HFCS)

HFCS (High Fructose Corn Syrup) diproduksi dari jagung. Biji-bijian jagung

mengalami beberapa unit proses, dimulai dengan seduhan untuk melunakkan kernel

jagung yang keras diikuti dengan penggilingan basah dan pemisahan fisik menjadi pati

jagung (dari endosperm); jagung hull (dedak) dan protein dan minyak (dari kuman).

Jagung pati terdiri dari molekul glukosa panjang tak terbatas, terdiri dari amilosa dan

amilopektin dan membutuhkan panas, kaustik soda dan / atau asam klorida ditambah

aktivitas tiga enzim yang berbeda untuk memecahnya menjadi gula glukosa sederhana

dan fruktosa yang ada di HFCS. (Parker et al, 2010)

Proses produksi dapat dibagi ke dalam 18 tahap pemisahn di lima operasi tahapan

utama. Tahapan tersebut termasuk produksi dekstrosa, pemurnian utama dan perlakuan

kimia memproduksi bahan baku dekstrosa, isomerisasi bahan baku dekstrosa untuk

memproduksi 42% fruktosa, permunian sekunder 42% fruktosa dan fraksionasi 42%

fruktosa untuk memproduksi 55% fruktosa. Proses utama dari keseluruhan proses

produksi ini adalah tahap isomerisasi enzimatik memanfaatkan glukosa isomerase yang

imobilisasi. Kesuksesan reaksi isomerisasi tergantung dari produksi dan pengiriman

bahan baku dekstrosa kualitas tinggi ke reaktor isomerisasi. (Yadav dan Rajiv, 2005)

1. Produksi Dekstrosa dari Pati

Produksi bahan baku dekstrosa dari pati merupakan proses tahapan yang

panjang melibatkan α-amilase dan glukoamilase tahan panas dalam tahap-tahap

enzimatik yang sukses. Enzim-enzim katalis ini menghidrolisis pati jagung menjadi

monomer dekstrosa. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Dalam tahap yang pertama, penggilingan bubur pati digelatinasi dengan

memasak pada temperatur tinggi. Gelatinasi pati kemudian dilikuifikasi dan

didekstrinasi dengan α-amilase tahan panas dalam dua tahapan reaksi yang kontinu.

Produk dari reaksi ini hidrolisat dekstrin terlarut dengan D.E (dekstrosa ekuivalen)

10-15, cocok untuk mengikuti tahap sakarifikasi. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Selama reaksi likuifikasi-dekstrinasi, variabel proses utama dari kualitas dan

konsentrasi pati, dosis α-amilase, temperatur, pH, aliran pati, dan waktu yang harus

dipertahankan selama batasan yang sempit untuk memastikan bahwa pati dimasak

dan didekstrinasi seluruhnya. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Untuk mengarah ke konversi murni dan masalah filtrasi, atau produksi

sakarida tidak normal seperti maltulosa yang dapat mengarah ke masalah aroma di

High Fructose Corn Syrup yang sudah selesai. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Level protein total dan terlarut di penggilingan bubur pati seharusnya

dipertahankan di bawah sekitar 0,3% total protein dan 0,03% protein terlarut. Perlu

dilakukan minimalisasi pembentukan warna seperti hasil dari reaksi Maillard antara

asam amino dan gula dalam kondisi dari temperatur dan pH tinggi. Jika penggilingan

bubur pati tinggi protein, sirup yang dihasilkan memiliki potensi yang lebih besar

untuk mengembangkan warna melebihi kapasitas karbon dan sistem pemurnian

pertukaran ion. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Berdasarkan likuifikasi-dekstrinasi, pH dan temperature hidrolisat D.E 10-15

disesuaikan untuk sakarifikasi. Selama sakarifikasi, hidrolisat dihidrolisis lebih jauh

menjadi dekstrosa dengan aksi enzim glukoamilase. Meskipun sakarifikasi dapat

dilakukan seperti reaksi batch, sakarifikasi kontinu dilakukan pada pabrik-pabrik

modern. Dalam reaksi sakarifikasi kontinu, glukoamilase ditambahkan ke hidrolisat

D.E 10-15 mengikuti penyesuaian pH dan temperaturnya. Cairan sakarifikasi

kemudian dipompa melalui sejumlah reaktor besar yang seri. (Yadav dan Rajiv,

2005)

Total waktu untuk sakarifikasi sensitif sekali untuk sejumlah glukoamilase.

Biasanya, waktu reaksi 65-75 jam yang digunakan untuk mendapatkan hidrolisat

yang mengandung 94-96% dekstrosa. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Selama sakarifikasi, variabel penting yang dimonitor adalah permulaan D.E.,

pH, temperatur, substansi kering, dosis glukoamilase, waktu konversi dan adanya pati

yang tidak terkonversi dalam cairan selama reaksi ini. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Variabel-variabel tersebut harus dikontrol dengan batasan yang cukup sempit

untuk memastikan bahwa minimal 94% level dekstrosa dicapai. Level minimum ini

perlu untuk memenuhi spesifikasi untuk karbohidrat disesuaikan dengan batasan yang

cukup sempit karena keperluan evaporasi dan operasi penyelesaian lainnya. (Yadav

dan Rajiv, 2005)

Dalam prakteknya, aliran tidak dapat diatur secara pasti pada setiap waktu

untuk mendapatkan 42% fruktosa, tetapi hal tersebut dapat dengan mudah dicapai

pada dasar rata-ratanya. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Sejumlah strategi proses kontrol yang penting dapat digunakan untuk

mencapai operasi hampir steady state. Hal-hal tersebut termasuk variasi sederhana

dalam kontrol temperatur operasi, konversi level, dan pH bahan baku. Keseragaman

akhir dari kualitas produk dan level fruktosa biasanya dicapai dengan operasi

otomatis back-blending dikontrol dengan polarimeter in-line. (Yadav dan Rajiv,

2005)

Efek temperatur pada produktivitas keseluruhan dapat menjadi dramatis.

Temperatur umpan 60˚C dianggap optimum. Temperatur yang lebih tinggi

menghasilkan laju alir yang lebih cepat tetapi juga menyebabkan laju pembusukan

dipercepat. Temperatur umpan rendah seperti 55˚C dapat digunakan untuk

memperpanjang kehidupan enzim pada pengeluaran dari laju alir yang lebih lambat.

Beberapa resiko dari kontaminasi mikroba ada pada temperatur operasi yang rendah.

(Yadav dan Rajiv, 2005)

Salah satu dari variabel operasi yang paling penting adalah isokolom pH

internal. Operasi pH biasanya berhubungan dengan pH dari aktivitas maksimum,

sekitar pH 8 dan pH dari stabilitas maksimum, pH 7-7,5. Hal tersebut rumit dengan

fakta bahwa bahan baku dekstrosa tidak stabil untuk pH pada temperatur sekitar

60˚C.Beberapa dekomposisi untuk memproduksi asam dengan produk hasil dalam

penurunan pH di isokolom selama operasi. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Karena sulit mengontrol pH secara langsung dalam kolom, penentuan pH

dibuat ke bahan baku untuk menyesuaikan pH konstan dalam efluen kolom. (Yadav

dan Rajiv, 2005)

Stabilitas operasional dari sistem isomerase imobilisasi dapat

dikarakteristikkan dengan paruh hidup, atau rentang waktu selama aktivitas enzim

yang direduksi dengan satu-setengah. Khususnya, isokolom tunggal dioperasikan

untuk periode paling tidak dua setengah kehidupan, setelah itu enzim dibuang dan

diganti dengan yang segar. Operasi kehidupan kolom ditentukan oleh pertimbangan

seperti jumlah isokolom di baterai, tingkat kerusakan rata-rata individu kolom, varian

diijinkan maksirmun dalam individu isokolom aliran, aliran total minimum, dan total

kapasitas produksi yang diperlukan. Enzim paruh hidup 70-120 hari umumnya

menghasilkan pengganti kolom dari 1,5-2 kali per tahun. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Biaya enzim isomerisasi merupakan bagian signifikan dari total biaya operasi.

Enzim dibeli secara komersial otau diproduksi oleh pengguna. Dalam kasus yang

pertama, enzim yang paling diberikan pada jaminan kinerja dengan aktivitas kondisi

minimal. Kualitas isomerase imobilisasi telah meningkat sehubungan dengan

aktivitas awal lebih panjang setengah-hidup dan aktivitas awal lebih tinggi dengan

jaringan produktivitas yang lebih tinggi. Secara umum, biaya isomerisasi telah

menurun secara signifikan dari biaya asli yaitu dari 50 sampai 70 sen per cwt. HFCS

basis kering. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Ekonomi proses keseluruhan ditingkatkan oleh setiap persen peningkatan

produktivitas enzim. (Yadav dan Rajiv, 2005)

2. Pemurnian Sekunder dari Bahan Baku Isomerisasi

Berdasarkan isomerisasi, proses produksi melibatkan pemurnian sekunder

dari produk HFCS 42%. Beberapa warna tambahan diambil selama perlakuan kimia

dan isomerisasi saat bahan baku tersebut berada pada pH dan temperatur yang lebih

tinggi untuk jangka waktu tertentu. Produk ini juga berisi beberapa tambahan abu dari

bahan kimia yang ditambahkan untuk isomerisasi. Warna dan abu ini dihilangkan

dengan karbon sekunder dan sistem pertukaran ion. 42% HFCS murni kemudian

diuapkan menjadi 71 % padatan untuk pengiriman. (Yadav dan Rajiv, 2005)

3. Produksi Produk Frukstosa yang Diperkaya

Produk HFCS dari reaksi isomerisasi biasanya mengandung 42% fruktosa,

dekstrosa yang tidak terkonversi 52%, dan sekitar 6% dari oligosakarida. Untuk

alasan yang dibahas sebelumnya, produk ini merupakan praktek tingkat maksimum

fruktosa yang dicapai. Untuk mendapatkan produk dengan kadar fruktosa yang tinggi,

perlu untuk selektif mengonsentrasikan fruktosa tersebut. Banyak teknik pemisahan

umum tidak berlaku untuk tujuan ini, karena mereka tidak mudah membedakan antara

dua isomer dengan ukuran molekul yang sama. Namun, fruktosa secara istimewa

membentuk kompleks dengan kation yang berbeda seperti kalsium. Perbedaan ini

telah dimanfaatkan untuk mengembangkan proses komersial dengan mengambil

keuntungan dari sifat fruktosa ini dan menggabungkannya dengan teknologi

pemisahan lebih maju seperti pertukaran ion. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Pada dasarnya ada dua perbedaan proses komersial yang tersedia saat ini

untuk pemurnian fruktosa skala besar. Dalam kedua kasus, resin dalam bentuk

kationik digunakan dalam sistem bed. Salah satu proses menggunakan resin

anorganik mengarah ke penyerapan molekul selektif fruktosa. (Yadav dan Rajiv,

2005)

Fraksinasi kromotografi menggunakan resin organik adalah dasar untuk

proses kedua pemisahan komersial. Ketika larutan dekstrosa dan fruktosa seperti

HFCS 42% diumpankan ke kolom fraksionasi, fruktosa secara selektif dipegang oleh

resin ke tingkat yang lebih besar dari dekstrosa. Air deionisasi dan deoksigenasi

digunakan sebagai eluen. Biasanya, pemisahan dicapai dalam kolom dikemas dengan

bed cross-linked polystyrene sulfonat resin penukar kation menggunakan kalsium

sebagai bentuk garam yang lebih disukai. Fruktosa yang diperkaya mengandung

sekitar 90% fruktosa disebut sebagai very enriched fructose corn syrup (VEFCS).

Fraksi VEFCS ini dapat dicampur kembali dengan bahan umpan 42 HFCS untuk

memperoleh produk yang memiliki kandungan fruktosa antara 42% dan 90%. Yang

paling khas dari produk ini adalah 55% sirup jagung diperkaya fruktosa, yang disebut

55 EFCS. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Perlakuan terhadap aliran hasil yang dimurnikan lainnya dalam proses

fraksinasi adalah suatu pertimbangan penting. Secara umum, aliran hasil yang

dimurnikan kaya dekstrosa didaur ulang untuk umpan dekstrosa dari sistem isokolom

untuk konversi lebih lanjut menjadi 42 HFCS. Aliran hasil yang dimurnikan

mengandung dekstrosa dengan tingkat fruktosa tinggi daripada tingkat umpan yang

umumnya didaur ulang melalui fraksionator untuk mempertahankan tingkat tinggi

padatan dan mengurangi penggunaan air. Aliran hasil yang dimurnikan kaya

oligosakarida didaur ulang kembali ke sistem sakarifikasi. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Karena air digunakan sebagai media elusi, hal tersebut memiliki dampak yang

besar pada beban penguapan keseluruhan pada sistem. Konsentrasi padatan sangat

rendah yang berkontribusi pada risiko masalah mikrobiologi dalam sistem. Dengan

demikian, parameter desain yang paling penting mendikte ekonomi keseluruhan

proses adalah memaksimalkan hasil padatan pada kemurnian yang diterima sekaligus

mengurangi efek dilusi dari eluen untuk minimumnya. Efisiensi penggunaan umpan

dan air harus dimaksimalkan untuk hasil yang optimal. Hasil ini penting untuk

mengurangi biaya reisomerization dari setiap kilogram padatan serta untuk alasan

yang jelas lainnya. (Yadav dan Rajiv, 2005)

Prosedur yang tersedia untuk mencapai tujuan-tujuan ini meliputi teknik daur

ulang, pemerataan yang lebih tinggi dari fase resin dengan redistribusi yang tepat

dalam kolom dikemas, dan penambahan multiple entry / exit point dalam kolom.

Pendekatan-pendekatan untuk meningkatkan kemurnian dan hasilnya kadang-kadang

disebut sebagai pakan pengayaan. Sebuah kecil jelas peningkatan kemurnian umpan

ke kolom, yaitu, tingkat fruktosa tinggi, menghasilkan keuntungan yang jauh lebih

besar dalam produksi melalui peningkatan yield pada kemurnian produk yang

diberikan. Dalam prakteknya, ini diterjemahkan menjadi maksimalisasi rasio volume

gula makan per volume resin per siklus, minimalisasi rasio volume air yang

diperlukan per volume resin per siklus, dan penyediaan untuk distribusi fluida hati

untuk kolom. (Yadav dan Rajiv, 2005)

C. ENZIM YANG DIGUNAKAN

Kata enzim diperkenalkan oleh Kuhne pada tahun 1878 untuk suatu zat yang

bekerja pada suatu substrat. Kata enzim berasal dari bahasa Yunani yang berarti di

dalams sel. Kuhne menjelaskan bahwa enzim bukan suatu sel tetapi terdapat di dalam sel.

Definisi yang dikemukakan adalah enzim merupakan protein yang mempunyai daya

katalitik karena aktivitas spesifiknya (Dixon, 1979). Enzim secara biokimi merupakan

suatu kelompok protein yang berperan sangat penting dalam proses aktivitas biologis.

Tugasnya sebagai katalisator di dalam sel dan bersifat khas. Kerja enzim umumnya

mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi (Lehninger, 1993).

Pada proses pembuatan High Fructose Corn Syrup (HFCS) memanfaatkan enzim

berikut:

1. Enzim α-amilase

Pati dapat dipecah menjadi unit-unit yang lebih kecil yaitu dengan memotong

ikatan-ikatan glikosidiknya. Salah satu enzim yang dapat memotong ikatan tersebut

adalah enzim α-amilase. Enzim α-amilase (α-1,4 glukanhidrolase atau EC 3.2.1.1)

terdapat pada tanaman, jaringan mamalia, jaringan mikroba. α-amilase murni dapat

diperoleh dari berbagai sumber, misalnya dari malt (barley), air berbagai sumber,

misalnya dari malt (barley), air liur manusia dan pankreas. Dapat juga diisolasi dari

Aspergillus oryzae dan Bacillus subtilis dan Bacillus licheniformis (Sudiro, 1994).

α-amilase adalah endo enzim yang kerjanya memutus ikatan α-1,4 secara acak

di bagian dalam molekul baik pada amilosa maupun pada amilopektin. Sifat dan

mekanisme kerja enzim α-amilase tergantung pada sumbernya. Umumnya α-amilase

memotong ikatan di bagian tengah rantai sehingga menurunkan kemampuan pati

mengikat zat warna iodium. Hidrolisis dengan α-amilase menyebabkan amilosa

terurai menjadi saltosa dan maltotriosa. Pada tahap selanjutnya maltotriosa terurai

kembali menjadi maltosa dan glukosa (Sudiro, 1994).

Cara kerja enzim α-amilase terjadi melalui dua tahap, yaitu : pertama,

degradasi amilosa menjadi maltosa dan maltotriosa yang terjadi secara acak.

Degradasi ini terjadi sangat cepat dan diikuti dengan menurunnya viskositas yang

cepat pula. Kedua, relatif sangat lambat yaitu pembentukan glukosa dan maltosa

sebagai hasil akhir dan caranya tidak acak. Keduanya merupakan kerja enzim α -

amilase pada molekul amilosa saja (Sudiro, 1994).

Aktivitas optimal dari enzim dipengaruhi oleh berbagai faktor. Faktor-faktor

penting yang berpengaruh di antaranya adalah pH dan suhu. Kisaran pH optimum

untuk enzim α-amilase berkisar antara 4,5 – 6,5 dan dengan kisaran suhu optimum 40

– 60 ̊C. Enzim yang dihasilkan oleh kapang Aspergillus oryzae mempunyai aktivitas

optimum pada pH 5,5 dan suhu 37 – 40 ̊C(Sudiro, 1994)

2. Enzim glukoamilase

Glukoamilase (GA), enzim yang dapat menghidrolisis pati menjadi glukosa,

merupakan enzim yang sangat penting diindustri pengolahan pati, terutama produksi

kristal glukosa dan high fructose syrup (HFS). GA adalah enzim ekstraseluler

komersial yang diperoleh dari beberapa kapang Aspergillus atau Rhizopus. Walaupun

menunjukkan aktivitas transglukosidase, GA yang berasal dari Aspergillus bersifat

lebih termostabil daripada GA yang berasal dari Rhizopus. Hal ini menyebabkan GA

yang berasal dari Aspergillus dapat bekerja pada suhu yang cukup tinggi sehingga

reaksi hidrolisis dapat berjalan dengan cepat. Menurut Balasubramaniem et al,

dengan perbaikan galur secara tradisional dan optimasi proses fermentasi, Aspergillus

niger dapat memproduksi glukoamilase dalam jumlah yang cukup tinggi (lebih dari

20 g GA/L). pH optimum dari glukoamilase pada Aspergillus niger yaitu 4,5 dan

suhu optimumnya yaitu 65̊C. Enzim ini stabil pada pH 3 sampai 7 dan pada

temperatur 50̊C. (Mahyudin, 2011)

Kualitas dan kuantitas GA yang dihasilkan oleh kapang-kapang dipengaruhi

oleh metode pembiakan. Alazard dan Raimbault, 1981 telah membandingkan

aktivitas produksi GA oleh A. niger dengan metode fermentasi padat (solid-state

fermentation-SSF) tiga kali lebih tinggi dibanding fermentasi terbenam (sub-merged

fermentation-SmF). (Mahyudin, 2011)

Jenis substrat padat pada SSF adalah bahan alam makromolekul

lignosellulosa, lignin, sellulosa, pektin, pati, atau campurannya Dikarenakan bahan ini

merupakan produk pertanian atau limbah agroindustri maka harganya relatif murah.

Disamping itu pati lebih mudah diuraikan dan dikonsumsi oleh bermacam-macam

mikroorganisme. Pati yang paling sering dipakai pada SSF adalah pati singkong (pati

tapioka), beras, dan dedak gandum. (Mahyudin, 2011)

Fermentasi media padat adalah fermentasi yang substratnya tidak larut dan

tidak mengandung air bebas tetapi cukup mengandung air untuk keperluan mikroba.

Disini media berfungsi sebagai sumber karbon, nitrogen maupun sunber energi.

(Taufik, 1992)

Fermentasi media padat memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan

fermentasi media cair antara lain (1) menggunakan media alami yang sifatnya

tunggal, (2) kontrol terhadap kontaminasi lebih mudah, (3) persiapan inokulum lebih

sederhana, (4) kondisi inkubasi hampir menyerupai yang alami, (5) dapat

menghasilkan produk dengan kepekatan yang lebih tinggi dan (6) aerasi optimum dari

sistem lebih mudah karena banyak ruangan yang terdapat antara partikel dari media.

(Taufik, 1992)

Fermentasi media padat di dalam produksi enzim pada umumnya memberikan

hasil yang lebih baik karena jumlah substrat yang tersediapun lebih banyak (20 - 50

% padatan). Selain lebih banyak enzim yang dihasilkan biasanya beragam. Cara

fermentasi padat disukai untuk menghasilkan berbagai enzim ekstraseluler. (Taufik,

1992)

Fermentasi submerged adalah budidaya mikroorganisme dalam kaldu nutrisi

cair. Enzim industri dapat diproduksi dengan menggunakan proses ini. Ini melibatkan

pertumbuha mikroorganisme terpilih (bakteri dan jamur) di pembuluh tertutup berisi

kaldu yang kaya nutrisi (medium fermentasi) dan oksigen dengan konsentrasi tinggi.

Sebagai mikroorganisme memecah nutrisi, mereka melepaskan enzim yang

diinginkan ke dalam larutan. Karena perkembangan teknologi skala besar fermentasi,

jumlah produksi enzim mikroba untuk proporsi yang signifikan dari bioteknologi

industri adalah total output. Fermentasi berlangsung di fermentor dengan volume

hingga 1.000 meter kubik. Nutrisi media fermentasi steril berdasarkan bahan baku

terbarukan seperti jagung, gula dan kedelai. Enzim industri disekresikan oleh

mikroorganisme ke dalam medium fermentasi untuk memecah karbon dan sumber

nitrogen. Proses fermentasi fedbatch dan sinambung yang umum digunakan

(Arunsasi, 2009).

Dalam proses fed batch, nutrisi steril ditambahkan ke fermentor selama

pertumbuhan biomassa. Dalam proses yang berkesinambungan, nutrisi cair steril

dimasukkan ke fermentor pada laju aliran yang sama dengan kaldu fermentasi

meninggalkan sistem. Ini akan mencapai produksi mapan. Parameter seperti

temperatur, pH konsumsi, oksigen dan pembentukan karbon dioksida diukur dan

dikendalikan untuk mengoptimalkan proses fermentasi. Pertama, dalam pemanenan

enzim dari medium fermentasi seseorang harus menghapus produk larut, sel mikroba

misalnya. Hal ini biasanya dilakukan dengan sentrifugasi. Seperti kebanyakan enzim

industri yang ekstraseluler (disekresikan oleh sel-sel ke dalam lingkungan eksternal),

mereka tetap dalam kaldu fermentasi setelah biomassa telah dihilangkan. Biomassa

dapat didaur ulang sebagai pupuk, tapi pertama-tama harus diperlakukan dengan

kapur untuk menonaktifkan mikroorganisme dan menstabilkan selama penyimpanan.

Enzim-enzim dalam kaldu yang tersisa kemudian dipekatkan melalui penguapan

filtrasi, membran atau kristalisasi tergantung pada aplikasi mereka dimaksudkan. Jika

persiapan enzim murni diperlukan, mereka biasanya terisolasi oleh gel atau

pertukaran ion kromatografi. Aplikasi tertentu memerlukan produk enzim yang solid,

sehingga enzim bubuk mentah dibuat menjadi butiran untuk membuat mereka lebih

nyaman untuk digunakan. Kadang-kadang formulasi cair lebih disukai karena mereka

lebih mudah untuk menangani dan dosis bersama dengan bahan cair lainnya. Enzim

yang digunakan dalam konversi pati untuk mengubah glukosa menjadi fruktosa

adalah immobilised, biasanya pada permukaan butiran inert diadakan di kolom reaksi

atau menara. Hal ini dilakukan untuk memperpanjang hidup mereka sebagai enzim ini

biasanya bekerja selama lebih dari satu tahun (Arunsasi, 2009).

3. Enzim glukosa isomerase

Pemanfaatan enzim glukosa isomerase untuk menghasilkan sirup fruktosa

dilakukan dengan mengekstrak sel-sel mikroba karena enzim ini bersifat intraseluler.

Pemanfaatan enzim ini juga dikembangkan dengan cara pengikatan enzim atau sel

pada matriks yang tidak larut dalam air dan dikenal dengan enzim atau sel tak bebas.

Penggunaan enzim atau sel tak bebas ini memberikan lebih banyak keuntungan di

antaranya adalah dapat dipakai berulang-ulang dan secara terus menerus dengan

aktivitas katalitik yang tetap, mengurangi  biaya produksi dan melindungi enzim dari

kondisi lingkungan ekstrim yang dapat merusak atau menginaktifkan enzim , dapat

ditambahkan atau dihilangkan dengan mudah dari campuran reaksi , dan menghasilan

produk yang lebih banyak (Sudiro, 1994)

Enzim glukosa isomerase akan mengubah glukosa menjadi fruktosa melalui

proses isomerisasi. Isomerisasi dengan enzim ini dapat menghasilkan 42%  fruktosa

dan bila telah mengalami pemakatan akan diperoleh fruktosa dengan kadar 55%.

Fruktosa yang dihasilan dari proses ini dikenal dengan nama High Fructose Syrup

(HFS) , yaitu cairan hasil isomerasi yang masih mengandung glukosa selain fruktosa.

Hasil karakterisasi glukosa isomerase menunjukkan bahwa pH dan suhu optimum

enzim adalah pH 7,5 dan 70 derajat celcius dengan waktu reaksi isomerisasi yang

paling baik selama 30 menit. (Sudiro, 1994)

Glukosa isomerase yang digunakan umumnya berbentuk imobil.

Keuntungannya adalah lebih mudah dipisahkan dari sirup hasil isomerase dan dapat

digunakan kembali dalam proses batch maupun sinambung, mudah dikontrol, tidak

ada enzim yang tersisa dalam produk akhir, meningkatkan stabilitas enzim terhadap

panas, dan tidak memerlukan pemurnian enzim (Sudiro, 1994).

Secara konvensional, reaksi enzimatis berlangsung pada reaksi secara batch

dengan menginkubasi campuran substrat dan enzim yang terlarut. Teknik tersebut

memiliki kelemahan yaitu kesulitan untuk merecovery enzim aktif dari campuran

enzim tersebut untuk digunakan kembali.Hal ini karena enzim terlarut dalam larutan

sehingga sulit dipisahkan kembali. Selain karakterisasi enzim yang sangat

dipengaruhi oleh pH dan suhu pemanasan, sehingga enzim bebas mudah terdenaturasi

dan mengalami inaktifasi. Hal ini sangat tidak ekonomis, karena enzim aktif hilang

begitu saja hanya dalam satu reaksi batch (Wibisono, 2010).

Untuk mengeliminasi kelemahan-kelemahan tersebut maka dilakukan

imobilisasi enzim bebas yang telah didapatkan. Dengan begitu enzim akan lebih stabil

pada pengaruh suhu dan pH lingkungan, dan tentunya dapat digunakan lagi setelah

mengkatalis suatu reaksi sintesis tertentu (Wibisono, 2010).

Enzim terimobilisasi didefinisikan sebagai enzim yang secara spesifik

ditempatkan dalam suatu ruang tertentu dengan tetap memiliki aktivitas katalitiknya

dan dapat digunakan secara berulang atau secara terus-menerus

Imobilisasi enzim adalah usaha untuk memisahkan antara enzim dengan

produk selama reaksi dengan menggunakan sistem dua fase, satu fase mengandung

enzim dan fase lainnya mengandung produk, sehingga tidak terjadi saling

kontaminasi antara enzim dan produk (Wibisono, 2010).

Imobilisasi merupakan suatu modifikasi untuk meniru keadaan asalnya di

alam yang diyakini berada dalam keadaan terikat pada membran atau partikelpartikel

dalam sel. Tujuan utama mengimobilisasi enzim adalah untuk mempekerjakan enzim

yang dapat memberikan proses katalitik yang berkesinambungan (Wibisono, 2010).

Metode Imobilisasi Enzim

Metode imobilisasi enzim ada tiga macam, yaitu :

1. Metode carrier binding

Metode ini didasarkan atas pengikatan enzim langsung pada zat pembawa yang

tidak larut dalam air.

Gambar 5. Metode carrier binding

Metode ini carrier binding dapat dibedakan menjadi tiga yaitu :

a. Metode adsorpsi fisik

Berdasarkan pada adsorpsi fisika dari protein enzim pada permukaan

pembawa yang tidak larut dalam air. Metode ini memiliki keburukan dimana

enzim yang diserap dapat bocor dari pembawa selama pemanfaatan karena

gaya ikat antara protein enzim dan pembawah lemah.

b. Metode pengikatan ionik

Berdasarkan pada pengikatan ionik dari protein enzim pada pembawa yang

tidak larut dalam air yang mengandung residu penukar ion. Kebocoran enzim

dari pembawa dapat terjadi dalam larutan substrat dengan kekuatan ionik yang

tinggi atau pada variasi pH.

c. Metode pengikatan kovalen

Berdasarkan pada pengikatan enzim dan pembawa yang tidak larut dalam air

dengan ikatan kovalen. Dalam metode ini diperlukan kondisi reaksi yang sulit

dan biasanya tidak dalam keadaan kamar. Dan dalam beberapa keadaan,ikatan

kovalen mengubah bentuk konformasi dan pusat aktif enzim yang

mengakibatkan kehilangan aktivitas atau perubahan spesifitas aktivitas.

2. Metode Ikat Silang

Metode ikatan silang berdasarkan pembentukan ikatan kimia, seperti

dalam metode ikat kovalen, namun pembawa yang tidak larut dalam air tidak

digunakan dalam metode ini. Imobilisasi enzim dilakukan dengan pembentukan

ikatan silang intermolekular diantara molekul enzim dengan penambahan reagen

bi- atau multifungsional.

Gambar 6. Metode ikat silang

3. Metode penjebakan

Metode penjebakan ini berdasarkan pada pengikatan enzim pada kisi-kisi matrik

polimer atau menutupi enzim dengan membran semipermiabel dan dibagi menjadi

tipe kisi dan tipe mikrokapsul.

a. Tipe kisi ( lattice type )

Metode penjebakan tipe kisi meliputi penjebakan enzim dalam bidang batas

(interstitial spaces) dari suatu ikat silang polimer yang tidak larut dalam air

sebagai contoh diantara gel matrik.

Gambar 7. Metode penjebakan tipe kisi

b. Tipe mikrokapsul

Tipe penjebakan mikrokapsul meliputi pelingkupan enzim dengan membran

polimer semipermiabel. Enzim mikrokapsul secara umum mempunyai

diameter 1-100 μm.

Gambar 8. Metode penjebakan tipe mikrokapsul (Wibisono, 2010).

DAFTAR PUSTAKA

Lehninger AL. 1993. Dasar-Dasar Biokimia Jilid 1. Jakarta: Erlangga. Terjemah dari : The

Foundation of Biochemistry.

Parker, Kay, Michelle Salas dan Veronica C. Nwosu. 2010. High Fructose Corn Syrup:

Production, Uses and Public Health Concerns. USA: Department of Biology, College of

Science and Technology, North Carolina Central University.

Sudiro, Ahmad. 1994. Pemanfaatan Onggok Untuk Produksi Enzym Glukosa Isomerase dari

Streptomycess olivaceus. Bogor : IPB.

Taufik, Erwina. 1992. Fermentasi Media Padat Kulit Buah Coklat oleh Aspergillus sp Untuk

Produksi Pektinase. Bogor: Institut Teknologi Bandung.

Wibisono, Eko. 2010. Imobilisasi Crude Enzim Papain yang Diisolasi dari Getah Buah Pepaya

(Carica papaya L) dengan Menggunakan Kappa Karagenan dan Kitosan Serta Pengujian

Aktivitas Dan Stabilitasnya. Medan: Universitas Sumatera Utara

Yadav, P.R. dan Rajiv Tyagi. 2005. Industrial Biotechnology. New Delhi: Dicovery Publishing

House.

TANYA JAWAB:

1. Sharfina Widyaningrum

Pertanyaan :

a. Alat apa yang digunakan untuk filtrasi secara vakum?

b. Apa fungsi dari immobilized enzym? Bagaimana cara membuat immobilized enzym

sampai membentuk kapsul?

Jawaban :

a. Rotary Vacuum Filter adalah sebuah filter yang bekerja secara berkelanjutan dimana

bagian yang solid dari sebuah campuran dipisahkan oleh filter yang hanya dapat

dilalui oleh liquid atau gas, dalam hal ini keadaan vakum diperlukan untuk

mengakumulasi zat padat di permukaan.

Prinsipnya tekanan di luar drum adalah tekanan atmosferik tetapi di dalam drum

mendekati vakum. Drum dimasukkan ke dalam cairan yang mengandung suspensi

padatan, lalu diputar dengan kecepatan rendah. Cairan tertarik melewati

filter cloth karena tekanan vakum, sedangkan padatan tertinggal di permukaan luar

drum membentuk cake.

b.

2. Inggit Kresna Maharsih

Pertanyaan : Kenapa harga fruktosa lebih mahal daripada harga glukosa padahal

pembuatan glukosa lebih mudah dibanding dengan pembuatan HFCS?

Jawaban :

3. Nanang

Pertanyaan : Bagaimana penjelasan dari flowchart produksi High Fructose Corn

Syrup?

Jawaban : Bahan baku yang berupa pati jagung dimasukkan ke tangki di mana

dalam tangki tersebut terjadi proses likuifikasi menggunakan enzim α-amilase dengan 2

tahapan yaitu pada suhu 104-107̊C dan 94-97̊C. Dari proses ini akan didapatkan

hidrolisat dekstrin dengan nilai D.E (dekstrosa ekuivalen) 10-15. Selanjutnya hidrolisat

dekstrin ini masuk ke tangki ke-2 yaitu untuk dilakukan proses sakarifikasi yaitu

mengubah hidrolisat dekstrin menjadi glukosa yang dibantu oleh enzim glukoamilase

pada temperature 60-62̊C. Glukosa yang dihasilkan kemudian dimurnikan yaitu melalui

tahap filtrasi, pemurnian dengan karbon, pertukaran ion, dan evaporasi. Pemurnian

tersebut bertujuan untuk menghilangkan protein, zat warna dan padatan-padatan lain

yang terlarut dalam sirup. Setelah glukosa dimurnikan, lalu masuk ke tangki isomerisasi

di mana pada tangki ini dilakukan penambahan enzim glukosa isomerase yang berfungsi

untuk mengubah glukosa menjadi fruktosa. Fruktosa yang dihasilkan kemudian

dimurnikan melalui tahap pemurnian dengan karbon, pertukaran ion dan evaporasi yang

memiliki tujuan sama seperti pemurnian untuk glukosa. Dari hasil pemurnian tersebut

akan didapatkan High Fructose Corn Syrup yang tinggi kadar fruktosanya.

4. Lilis Triyowati Andriani

Pertanyaan : Kenapa medianya tetap padat saat dimasukkan enzim di proses

sakarifikasi padahal suhu pada proses sebelumnya yaitu likuifikasi cukup tinggi?

Jawaban : Pada proses likuifikasi pati dimasak pada suhu tinggi sampai suhu 107 ̊C

sehingga akan didapatkan pati jagung yang lebih encer dari awal masuk. Kemudian

cairan hasil likuifikasi yaitu hidrolisat dekstrin masuk ke proses sakarifikasi pada suhu

yang lebih rendah sehingga cairannya menjadi agak lebih kental dari hasil likuifikasi.

5. Rizka Dwi Oktaria

Pertanyaan : Apa perbedaan dari fermentasi padat dan fermentasi terbenam? Kenapa

fermentasi padat lebih baik?

Jawaban :

Fermentasi media padat merupakan proses fermentasi yang berlangsung dalam

substrat yang tidak larut, namun mengandung air yang cukup sekalipun tidak mengalir

bebas. Solid State Fermentation mempunyai kandungan nutrisi per volum jauh lebih

pekat sehingga hasil per volum dapat lebih besar.

Submerged Fermentation adalah fermentasi yang melibatkan air sebagai fase

kontinyu dari sistem pertumbuhan sel bersangkutan atau substrat, baik sumber karbon

maupun mineral terlarut atau tersuspensi sebagai partikel-partikel dalam fase cair.

Fermentasi padat lebih baik dari fermentasi submerged karena

6. Sisca Ameliawati

Pertanyaan : Bagaimana cara mendapatkan HFCS-42, HFCS-55 dan HFCS-90?

Jawaban : Untuk mendapatkan HFCS-42 dari proses normal produksi HFCS yaitu

sampai tahap evaporasi saja. Dan untuk mendapatkan HFCS-55 atau HFCS-90 perlu

dilakukan pemurnian lebih lanjut yaitu dengan dilakukannya tahap fraksionasi di mana

proses ini lebih dimurnikan lagi kandungan fruktosa dalam sirup sehingga akan

didapatkan kadar fruktosa dalam sirup yang lebih tinggi.