BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Limbah Pertanian … · 2019. 2. 6. · penghalang proses...

7

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Potensi Limbah Pertanian Sebagai Pakan Ruminansia

Limbah pertanian baik berupa hasil sisa,hasil sampingan maupun hasil

buangan merupakan sumber bahan pakan alternatif yang sangat potensial. Produk

limbah dari tanaman pertanian mempunyai rasio yang tinggi dari produk utama

sehingga berpotensi menghasilkan bahan pakan dengan jumlah produksi yang

tinggi. Ginting (2004) mengungkapkan dari komoditas padidapat dihasilkan

limbah jerami padi dengan rasio 100% dari produk utama (gabah), dedak padi

10%, sekam 15–17%, dan beras pecah 4–5%, dari komoditas jagung dapat

dihasilkan jerami jagung 300%, dedak jagung 8–10%, dan tongkol jagung 10%,

dari komoditas kedele dihasilkan jerami kedele 100% dan bungkil kedele 70–

75%, dan dari ubi kayu dapat dihasilkan daun ubi 6–8%, dan onggok 55–59%.

Badan Pusat Statistik/BPS melaporkan produksi padi, jagung dan kedele di

Indonesia Tahun 2012 adalah masing-masing sebesar 69.056.126 ton gabah

kering giling (GKG), 19.387.022 ton pipilan jagung kering, dan 843.153 ton

kedele kering (BPS, 2014). Sehingga berdasarkan rasio produksi limbah dengan

produk utama dapat diperkirakan produksi limbah baik jerami maupun limbah

agroindustri dari ketiga komoditas tersebut adalah sebesar 154.668.074 ton yang

mampu mencukupi kebutuhan 43.461.349 ST dalam setahun (1 ST setara dengan

bobot hidup 325 kg dengan kebutuhan pakan 3% bobot hidup berdasarkan

kebutuhan bahan kering/BK) (Anggraeny dan Umiyasih, 2008). Sedangkan di

Bali produksi ketiga komoditas pangan tersebut adalah masing-masing 865.553

8

ton GKG, 61.873 ton jagung kering dan 8.210 ton kedele kering (BPS Bali, 2014)

dengan prediksi produksi limbah ketiga tanaman pangan tersebut sebesar

1.354.891 ton yang berarti dapat mencukupi kebutuhan 380.721 ST selama

setahun (Anggraeny dan Umiyasih, 2008). Disamping ketiga komoditas tersebut,

limbah pertanian yang potensial dimanfaatkan sebagai pakan di Bali adalah jerami

kacang tanah (4,61 ton Bahan Kering (BK)/Ha, jerami singkong (0,9 – 1,0 ton

BK/ha, limbah mete (19,19 ton/ha), limbah kopi (450 kg/ha) dan limbah kakao

(2,8 kg BK tepung kakao/pohon/tahun) (Yasa dan Adijaya, 2012).

Produksi limbah agroindustri dari ketiga komoditas pertanian tersebut

khususnya dedak padi, dedak jagung dan bungkil kedele adalah relatif lebih

sedikit dibandingkan dengan produksi jerami (Ginting, 2004; Marlina dan Askar,

2004) yaitu secara nasional pada Tahun 2012 masing-masing sekitar 6.905.613

ton, 1,938.702 ton dan 632.365 ton (BPS, 2012), sedangkan di Bali produksi

dedak padi dan dedak jagung diprediksi sekitar 86.555 ton dan 6.187 ton (BPS

Bali, 2014). Limbah agroindustri ini merupakan bahan pakan yang umum

dimanfaatkan oleh peternak. Pemanfaatan limbah agroindustri bagi ruminansia,

diarahkan sebagai pakan tambahan/suplemen mengingat kualitas dan kandungan

nutrien yang relatif tinggi (Tabel 2.2) (Marlina dan Askar, 2004; Utomo, 2004).

Jerami padi (Oriza sativa), jerami jagung (Zea mays) dan jerami kedele

(Glisine max) merupakan limbah tanaman pertanian dengan kuantitas produksi

yang tinggi dan berpotensi sebagai sumber pakan alternatif pengganti hijauan

segar. Berdasarkan rasio produk utama dan produk limbah dapat diprediksi

produksi jerami padi, jerami jagung dan jerami kedeledi Indonesia Tahun 2012

9

masing-masing berkisar 69.056.126 ton bahan kering/BK, 58.161.066 ton BK dan

843.153 ton BK. Sedangkan di Bali produksi jerami padi,jerami jagung dan jerami

kedele Tahun 2012 sekitar 865.553 ton BK, 185.619 ton BK dan 8.210 ton BK

(BPS Bali, 2014). Saat ini, tingkat pemanfaatan ketiga jerami tanaman pertanian

tersebut sebagai pakan adalah sekitar 50% untuk jerami padi, 80% untuk jerami

jagung dan sekitar 35% untuk jerami kedele (Yasa dan Adijaya, 2012).

Sebagai bahan pakan, jerami tanaman pertanian baik jerami padi, jerami

jagung, jerami kedele maupun jerami tanaman pertanian lainnya merupakan bahan

pakan kaya serat dengan kualitas nutrien yang relatif lebih rendah daripada limbah

agroindustri (Tabel 2.1 dan 2.2) (Marlina dan Askar, 2004; Toharmat et al., 2006).

Jerami tanaman pertanian umumnya mempunyai sifat bulky (amba) yang tinggi,

densitas rendah serta daya ikat dan daya larut dalam air yang rendah sehingga

akan menurunkan konsumsi dan kecernaan nutrien (Toharmat et al., 2006)

Tabel 2.1

Kandungan Nutrien Beberapa Limbah Pertanian

Jenis Bahan Kandungan Nutrien (%)

1

BK PK LK SK TDN

Jerami Padi 31,87 5,21 1,16 32,412 51,50

Jerami Jagung 21,69 9,66 2,21 39,68 60,24

Jerami Kacang Kedelai 30,39 14,10 3,54 20,97 61,59

Jerami Kacang Tanah 29,08 11,31 3,32 16,62 64,50

Jerami Kacang Hijau 21,93 15,32 3,59 26,90 55,52

Klobot jagung 42,56 3,40 2,55 23,32 66,41

Tongkol Jagung 76,61 5,62 1,58 25,55 53,08

Batang Ubi Kayu3 43,78 6,17 - 37,94 64,76

Kulit kopi 91,77 11,18 2,50 21,74 57,20

Kulit coklat 89,37 14,99 6,25 23,24 55,52 Sumber:

1)Wahyono dan Hardianto (2007),

2)Marlina dan Askar (2004),

3)Anggraeny dan

Umiyasih (2008)

Keterangan: BK=Bahan Kering, PK=Protein Kasar, LK=Lemak Kasar, SK=Serat kasar,

TDN=Total Digestible Nutrien

10

Tabel 2.2

Kandungan Nutrien Beberapa Limbah Agroindustri

Jenis Bahan1

Kandungan Nutrisi (%)

BK PK LK SK TDN

Dedak Padi 86,000 9.900 4,900 19,800 55.521

Sekam Padi2 95.714 3.123 1.740 36.136 -

Jerami Padi 86,000 3,700 1,700 35,900 39,000

Dedak Jagung/Empok 84.980 9.379 5.591 0.577 81.835

Tumpi Jagung 87.385 8.657 0.532 21.297 48.475

Dedak Gandum/Pollard 89.567 16.412 4.007 5.862 74.828

Tumpi Kedele 91.417 21.134 3.029 23.179 69.425

Bungkil Kedele 89.413 52.075 1.011 25.528 40.265

Ampas Tahu 10.788 25.651 5.317 14.527 76.000

Ampas Kecap 85.430 36.381 17.816 17.861 89.553

Ampas Gula Cair 34.314 5.106 6.237 8.014 54.956

Mollases 50.232 8.500 - - 63.000

Bungkil Kelapa 84.767 26.632 10.399 14.711 73.403

Bungkil Kopra 90.557 27.597 11.903 6.853 75.333

Bungkil Kelapa Sawit 92.524 14.112 11.903 10.772 67.435

Limbah Serabut Kelapa2 92.215 4.905 1.276 32.849 -

Onggok/Limbah ubi kayu2 20,580 0,560 - 10,120 -

Kulit Ubi Kayu3 17,450 5,150 1,290 15,200 74,730

Bungkil Kacang Tanah 91.447 36.397 17.242 0.895 71.721

Sumber: 1)

Wahyono dan Hardianto, 2007), 2)

Murni et al.(2008), 3)

Fitrotin et al (2006).

Keterangan: BK=Bahan Kering, PK=Protein Kasar, LK=Lemak kasar, SK=Serat Kasar,

TDN=Total Digestible Nutrien/Total Nutrien Tercerna

Pemanfaatan limbah pertanian khususnya jerami tanaman pertanian

sebagai pakan mempunyai berbagai keterbatasan sebagai akibat tingginya

kandungan serat kasar (Tabel 2.1) yang mengakibatkan nutrien yang terkandung

tidak dapat dimanfaatkan secara optimal oleh ternak (Krause et al., 2003). Mudita

et al. (2009-2013) menunjukkan pemanfaatan ransum berbasis limbah tanpa

aplikasi teknologi pengolahan akanmenurunkan produktivitas sapi bali maupun

kambing. Utomo (2004) juga mengungkapkan pemberian pakan jerami padi tanpa

suplementasi pada Sapi Peranakan Onggole (PO) mengakibatkan tidak terjadinya

kenaikan bobot badan ternak.

11

Pemanfaatan limbah jerami tanaman pertanian sebagai pakan harus

dibarengi dengan pemanfaatan teknologi pengolahan pakan dan/atau pemberian

pakan tambahan termasuk dengan memanfaatkan limbah agroindustri/limbah

industri tanaman pertanian yang mempunyai kandungan nutrien yang lebih baik

dari jerami tanaman pertanian (Tabel 2.2). Hasil penelitian Utomo dan Soejono

(1996) menunjukkan sapi PO yang diberi pakan basal jerami padi secara ad

libitum dengan suplementasi dedak halus sebanyak 25 g per kg bobot badan

metabolit (BB0,75

) menghasilkan pertambahan bobot badan/PBB 0,19 kg/h,

pemberian jerami padi disuplementasi campuran dedak halus dan tepung daun

lamtoro (50:50) sebanyak 25 g/kg BB0,75

menghasilkan pertambahan bobot badan

0,15 kg/h, sedangkan suplementasi dengan campuran dedak halus dan tepung

daun lamtoro (75:25) sebanyak 25g/kg BB0,75

menghasilkan PBB 0,22 kg/h.

Pemanfaatan limbah sebagai pakan ternak kini mulai diarahkan pada

produksi pakan komplit (ransum) dalam upaya memaksimalkan potensi serta

memudahkan manajemen pemberiannya bagi petani peternak. Pemberian pakan

komplit akan menyediakan berbagai nutrien sesuai kebutuhan ternak secara

seimbang dan meningkatkan jumlah ternak yang mampu ditangani oleh seorang

peternak (Nahrowi, 2006). Disamping itu pemanfaatan pakan komplit akan

memungkinkan penambahan produksi/jumlah ternak yang dipelihara tanpa harus

dibatasi oleh luas lahan untuk penanaman hijauan makanan ternak. Wahyono dan

Hardianto (2004) mengungkapkan pemanfaatan pakan komplit khususnya

berbasis limbah pertanian dan agroindustri serta berbagai hasil sampingan lain

dalam usaha peternakan akan meningkatkan pertambahan bobot badan ternak

12

yang cukup tinggi, memperpendek waktu penggemukan ternak, meningkatkan

efisiensi tenaga kerja serta memperpanjang daya simpan bahan pakan.

Namun pemanfaatan bahan pakan asal limbah pertanian sebagai bahan

penyusun pakan komplit disinyalir belum dapat memenuhi kebutuhan optimal

bagi ternak, mengingat bahan pakan asal limbah pertanian umumnya mempunyai

kualitas yang rendah, kandungan serat tinggi, adanya senyawa anti nutrisi (lignin,

silika, kutin, theobromine, tannin, kafein, asam sianida, keratin,dll) serta

kandungan mineral (terutama Ca, P, Mg, Cu, Zn, Co, Mn, Fe dan S) dan vitamin

(Vitamin A dan E) rendah (Partama, 2006ab

; Kaunang, 2004). Pemberian pakan

tersebut (tanpa pengolahan) membawa konsekuensi rendahnya produktivitas

ternak, akibat pakan sulit dimanfaatkan ternak (kecernaan rendah) sehingga tidak

mampu memenuhi kebutuhan optimal bagi ternak.

2.2 Senyawa Lignoselulosa Sebagai Pembatas Utama Pemanfaatan Bahan

Pakan Limbah Pertanian

Pemanfaatan limbah pertanian sebagai pakan mempunyai berbagai

keterbatasan terutama terkait rendahnya kandungan nutrient available dan

kecernaan nutrien yang terutama disebabkan adanya senyawa lignoselulosa yang

tinggi. Lignoselulosa merupakan komponen utama dinding sel tanaman yang

terdiri atas polimer selulosa, hemiselulosa, lignin dan beberapa bahan ekstraktif

lain yang berikatan secara kompak/kuat yang menghambat proses perombakan

nutrien (Gambar 2.1 dan 2.2).

Lignin secara kimia berikatan dengan komponen karbohidrat struktural

(selulosa dan/atau hemiselulosa) (Gambar 2.2) dan secara fisik bertindak sebagai

13

penghalang proses perombakan dinding sel bahan pakan oleh mikroba/enzim.

Semakin tinggi kandungan lignin dari suatu bahan pakan semakin sulit bahan

pakan tersebut terdegradasi/tercerna. Tabel 2.3 menunjukkan kandungan

lignoselulosa beberapa bahan pakan asal limbah pertanian. Pada tabel tersebut

tampak bahwa bahan pakan asal limbah pertanian mengandung lignin yang jauh

lebih tinggi daripada rerumputan/dedaunan, sehingga tingkat kecernaannya juga

lebih rendah (Howard et al., 2003; Toharmat, 2006).

Gambar 2.1. Hubungan antara Lignin, Selulosa dan Hemiselulosa pada Senyawa

Lignoselulosa (Boudet et al., 2003)

Gambar 2.2.Jenis Ikatan Antara Lignin dan Polisakarida.

A= Bensil Ester, B=Bensil Ether, C=Fenil Glikosida (Perez et al., 2002)

14

Tabel 2.3

Kandungan Senyawa Lignoselulosa Beberapa Bahan Pakan

No Bahan Pakan1

Komposisi Lignoselulosa (%)

Selulosa Hemiselulosa Lignin

1 Jerami Padi1;2

32-35 24-25 12-18

2 Sekam Padi3 36 15 19

3 Dedak Padi4 27 37 5

4 Jerami gandum 30 50 15

5 Tongkol jagung 45 35 15

6 Batang Jagung2;3

15-35 15-35 8-19

7 Jerami Sorgum2 33 18 15

8 Serbuk Gergaji Kayu2 55 14 21

9 Kulit Kacang Tanah 25-30 25-30 30-40

10 Biji Kapas 80-95 5-20 0

11 Baggas Tebu1:2

33,4 30 18,9

12 Bagas Molases2;3

33-40 24-30 25-29

13 Rumput-Rumputan 25-40 25-50 10-15

14 Dedaunan 15-20 80-85 0

Sumber: 1)

Howard et al,(2003),2)

Saha (2003), 3)

Chandel et al.(2007), 4)

Baig et al.(2016)

Lignoselulosa merupakan komponen pembangun dinding sel tanaman

yang terbentuk seiring dengan perkembangan dan umur tanaman. Dinding sel

tanaman muda terdiri dari selulosa, hemiselulosa dan pektin. Perkembangan dan

peningkatan umur tanaman akan diikuti dengan terjadi kristalisasi selulosa dan

pengerasan fibril selulosa oleh lignin membentuk suatu senyawa lignoselulosa

yang keras (Howard et al., 2003; Perez et al., 2002).

Susunan dinding sel tanaman terdiri dari lamela tengah (M), dinding

primer (P) serta dinding sekunder (S) yang terbentuk selama pertumbuhan dan

pendewasaan sel yang terdiri dari lamela transisi (S1), dinding sekunder utama

(S2) dan dinding sekunder bagian dalam (S3) (Gambar 2.3). Dinding primer

mempunyai ketebalan 0,1-0,2µm dan mengandung jaringan mikrofibril selulosa

yang mengelilingi dinding sekunder yang relatif lebih tebal (Chahal dan Chahal

15

1998). Selulosa pada setiap lapisan dinding sekunder terbentuk sebagai lembaran

tipis yang tersusun oleh rantai panjang residu ß-D-glukopiranosa yang berikatan

melalui ikatan ß-1,4 glukosida yang disebut serat dasar (elementary fiber).

Sejumlah serat dasar jika terjalin secara lateral akan membentuk mikrofibril.

Mikrofibril mempunyai struktur dan orientasi yang berbeda pada setiap lapisan

dinding sel (Perez et al., 2002). Lapisan dinding sekunder terluar (S1) mempunyai

struktur serat menyilang, lapisan S2 mempunyai mikrofibril yang paralel terhadap

poros lumen dan lapisan S3 mempunyai mikrofibril yang berbentuk heliks.

Mikrofibril dikelilingi oleh hemiselulosa dan lignin. Bagian antara dua dinding sel

disebut lamela tengah (M) dan diisi dengan hemiselulosa dan lignin. Hemiselulosa

dihubungkan oleh ikatan kovalen dengan lignin. Selulosa secara alami terproteksi

dari degradasi dengan adanya hemiselulosa dan lignin.

Gambar 2.3. Konfigurasi Dinding Sel Tanaman (Perez et al., 2002)

Komponen Selulosa

Selulosa adalah komponen utama penyusun dinding sel tanaman yang

merupakan polimer linier D-glukosa yang terikat pada ikatan β-1,4 glikosida

(Gambar 2.4). Kandungan selulosa pada dinding sel tanaman tingkat tinggi sekitar

16

35 – 50% dari berat kering tanaman (Perez et al., 2002). Bangun dasar selulosa

berupa suatu selobiosa yaitu dimer dari glukosa. Rantai panjang selulosa

terhubung secara bersama melalui ikatan hidrogen dan gaya van der waals (Perez

et al. 2002). Selulosa mengandung sekitar 50-90% bagian berkristal dan sisanya

bagian amorf (Perez et al., 2002).

Gambar 2.4. Bangun Dasar Selulosa (Perez et al., 2002)

Ikatan β-1,4 glukosida pada serat selulosa dapat dipecah menjadi monomer

glukosa dengan hidrolisis asam atau enzimatis. Kesempurnaan pemecahan

selulosa pada saluran pencernaan ternak tergantung pada ketersediaan kompleks

enzim selulase. Saluran pencernaan manusia dan ternak non ruminansia tidak

mempunyai enzim yang mampu memecah ikatan ß-1,4 glukosida sehingga tidak

dapat memanfaatkan selulosa.

Ternak ruminansia dengan bantuan enzim yang dihasilkan oleh mikroba

rumen dapat memanfaatkan selulosa sebagai sumber energi. Pencernaan selulosa

oleh mikroba dalam sel merupakan proses yang kompleks yang meliputi

penempelan sel mikroba pada selulosa, hidrolisis selulosa dan fermentasi yang

menghasilkan asam lemak terbang/Vollatile Fatty Acids/VFA (Arora, 1995).

17

Efisiensi pemanfaatan selulosa sebagai sumber energi bagi ruminansia

sangat tergantung pada kemampuan ternak/mikroba rumen ternak untuk memutus

ikatan yang memproteksi selulosa dari serangan enzim selulase. Selulosa dan

hemiselulosa pada lignoselulosa tidak dapat dihidrolisis secara sempurna oleh

enzim selulase dan hemiselulase kecuali lignin yang ada pada bahan pakan limbah

tersebut dilarutkan, dihilangkan atau dikembangkan terlebih dahulu (Murni et al.,

2008; Perez et al., 2002).

Komponen Hemiselulosa

Hemiselulosa merupakan kelompok polisakarida heterogen dengan berat

molekul rendah yang merupakan polimer dari pentosa (xylosa, arabinosa),

heksosa (mannose, glukosa, galaktosa) dan asam-asam gula (Perez al., 2002;

Saha, 2003). Komposisi hemiselulosa adalah 15-30% dari berat kering bahan

lignoselulosa. Hemiselulosa mengikat lembaran serat selulosa membentuk

mikrofibril yang meningkatkan stabilitas dinding sel. Hemiselulosa juga berikatan

silang dengan lignin membentuk jaringan kompleks lignoselulosa

(lignohemiselulosa) dan memberikan struktur yang kuat (Howard et al,2003).

Hemiselulosa relatif lebih mudah dihidrolisis dengan asam menjadi

monomer yang mengandung glukosa, mannosa, galaktosa, xilosa, arabinosa dan

4-0 methyl-glukoronik, D-galacturonic dan D-glukoronik (Gambar 2.5). Gula–

gula tersebut terikat oleh ikatan β-1,4 dan β-1,3 glukosida (Perez et al., 2002).

Berbeda dengan selulosa, hemiselulosa bukan polimer homogenous. Komponen

hemiselulosa dari bahan berkayu yang keras sebagian besar terdiri dari xylan.

18

Sedangkan bahan berkayu yang lunak, komponen hemiselulosanya lebih banyak

mengandung glukomannan (Saha, 2003).

Gambar 2.5. Bangun Molekul Hemiselulosa (Perez et al., 2002)

Pada sebagian besar tanaman, xylan merupakan heteropolisakarida dengan

rantai utama homopolimer adalah unit-unit ikatan 1,4-β-D-xylopyranosa. Xilan

pada kayu keras umumnya terdapat dalam komfigurasi O-asetil-4-O-

methylglucuronoxylan, dalam bentuk arabino-4-O-methylglucuronoxylan pada

kayu lunak, sedangkan xylans pada rumput dan tanaman tahunan biasanya dalam

bentuk arabinoxylans (Collin et al., 2005).

Disamping xylosa, xylan juga mengandung arabinosa, asam glucoronik

atau 4-0-methyl ether, asetat, ferulik dan asam p-coumarin. Sedangkan xylan dari

sumber yang lain, seperti rumput-rumputan, biji-bijian, kayu lunak maupun kayu

keras mempunyai komposisi yang berbeda dengan birch wood (Roth), dimana

xylannya mengandung 89,3% silosa, 1% arabinosa, 1,4% glukosa dan 8,3% asam

anhydrouronic (Saha, 2003). Xylan dari dedak padi mengandung 46% xylosa,

44,9% arabinosa, 1,4% glukosa, dan 8,3% asam anhidrouronik (Shibuya dan

Iwasaki, 1985). Arabinoxylan dari gandum mengandung 65.8% xylosa, 33.5%

arabinose, 0,1 % mannose, 0,1 % galaktose, dan 0,3% glucose (Gruppen et al.,

1992). Xylan serat jagung mengandung 48-54%xylosa, 33-35% arabinosa, 5-11 %

galaktosa, dan 3-6% asam glucuronic (Doner dan Hicks, 1997).

19

Komponen Lignin

Lignin merupakan polimer/makromolekul polifenolik kompleks dengan

struktur aromatik yang terbentuk melalui unit-unit penilpropan yang berhubungan

secara bersama oleh beberapa ikatan berbeda seperti arylglycerol-β-aryl ether (β–

O-4), phenylcoumaran (β -5), non-cyclic benzyl aryl ether (α-O-4), biphenyl (5-

5), diaryl ether (4-O-5), 1,2-diarylpropane (β-1), resinol (β-β), serta ikatan

lainnya (Gambar 2.6) (Perez et al. 2002; Abdelaziz et al., 2016; Datta et al.,

2017). Cater et al. (2014) mengungkapkan lignin adalah polimer yang bersifat

hidrofobik komplek (bersifat tidak larut dalam air) dari senyawa aromatik yang

tersusun oleh unit-unit phenilprofan (syringyl, guaiacyl dan p-hydroxyphenyl)

yang terikat bersama-sama dalam struktur tiga dimensi. Lignin terbentuk melalui

polimerasi tiga dimensi derivat dari sinamil alkohol terutama ρ-kumaril, coniferil

dan sinapil alkohol dengan bobot molekul mencapai 11.000 (Gambar 2.7 – 2.8)

(Perez et al. 2002; Rahikainen et al., 2013).

Gambar 2.6 Berbagai Tife Ikatan dalam Molekul Lignin

(Sumber Datta et al., 2017)

20

Para Kumaril Alkohol Koniferil Alkohol Sinapil Alkohol Model Kerangka C

Gambar 2.7. Senyawa Penyusun Lignin (Perez et al. 2002)

Gambar 2.8. Struktur Bangun Lignin (Adler, 1977)

Lignin terutama terkonsentrasi pada lamela tengah dan lapisan S2 dinding

sel yang terbentuk selama proses lignifikasi jaringan tanaman. Lignin tidak hanya

mengeraskan mikrofibril selulosa, tetapi juga berikatan secara fisik dan kimia

dengan hemiselulosa. Pembentukan lignin terjadi secara intensif setelah proses

penebalan dinding sel terhenti. Pembentukan dimulai dari dinding primer dan

dilanjutkan ke dinding sekunder. Pembatasan fermeabilitas dinding sel tanaman

terjadi akibat adanya efek kimia dan fisik yang dihasilkan oleh lignin. Efek kimia,

yaitu adanya hubungan lignin-karbohidrat serta asetilisasi hemiselulosa. Efek fisik

terjadi akibat lignin membungkus mikrofibril dalam suatu matriks hidrofobik dan

21

terikat secara kovalen dengan hemiselulosa. Hubungan antara lignin-karbohidrat

berperan dalam mencegah hidrolisis polimer selulosa (Rahikainen et al., 2013).

Lignin sulit didegradasi karena strukturnya yang kompleks dan heterogen

yang berikatan dengan selulosa dan hemiselulosa dalam jaringan tanaman yang

memberikan bentuk kokoh serta proteksi terhadap serangga, patogen serta

degradasi mikroba. Adanya ikatan arilalkil dan ikatan eter berperanan penting

dalam mempengaruhi sifat ketahanan lignin terhadap hidrolisis (Adler, 1977;

Rahikainen et al., 2013). Adanya senyawa aromatik seperti biphenil, phenol,

anisols, diaryl-eter pada struktur lignin menambah sifat ketidaklarutan/ketahanan

lignin terhadap proses hidrolisis (Silva et al., 2010).

Kandungan lignin bervariasi pada berbagai biomassa tanaman. Fraksi

lignin tertinggi umumnya terdapat pada tanaman berkayu lunak (softwood) yaitu

25 – 32% dari bahan kering, sedangkan tanaman berkayu keras (hardwood)

mempunyai kadar lignin relatif lebih rendah yaitu 18 - 25% (Mutturi et al., 2014).

Kandungan lignin berbagai biomassa tanaman telah disajikan pada Tabel 2.3.

Di laboratorium, asam tanat/tannic acid sering dijadikan sebagai substrat

sumber lignin akibat kemiripan struktur molekulnya (Pointing, 1999; Wahyudi

dan Bachruddin, 2005; Hagerman, 2010; Kameshwar dan Qin, 2017). Pointing

(1999) mengungkapkan bahwa asam tanat merupakan substrat yang umum

dipakai sebagai sumber lignin seperti dalam metode tannic acid agar (Bavendamn

test) yang diperkenalkan sejak tahun 1928. Hagerman (2010) mengungkapkan

bahwa asam tanat adalah senyawa polifenolik dengan struktur aromatik yang

merupakan ester kompleks molekul glukosa dengan asam galat yang dihubungkan

oleh ikatan ester terdiri atas gugus hidroksil alifatik pada inti glukosa (Gambar

2.9). Asam tanat termasuk kelompok tannin terhidrolisis (

juga banyak dijumpai pada jaringan vaskuler tanaman

senyawa antinutrisi dan

aktivitas mikroba sebagaimana

sebagai akibat adanya kemampuan membentuk struktur kompleks dengan

protein/senyawa mengandung N/nitrogen, selulosa, hemiselulosa, pektin dan

mineral-mineral (Silva

Gambar 2.9. Struktur Bangun

2.3 Peranan Bakteri dalam Perombakan Senyawa Lignoselulosa

2.3.1 Peranan Bakteri

Lignin merupakan

terikat secara kovalen dengan selulosa dan hemiselulosa pada sel tanaman/hijauan

pakan yang mempengaruhi pemanfaaatannya bagi ternak.

untuk menahan degradasi

khas/acak dengan bobot molekul yang tinggi.

alam merupakan hasil aktivitas mikroorganisme, namun hanya sedikit jenis

bakteri yang diketahui mampu mendegradasi molekul lignin (Lofti, 2014).


). Asam tanat termasuk kelompok tannin terhidrolisis (hydrolized tannin

banyak dijumpai pada jaringan vaskuler tanaman serta

senyawa antinutrisi dan resisten terhadap proses degradasi

sebagaimana pula yang ditunjukkan oleh senyawa lignin



mineral (Silva et al., 2010).

Gambar 2.9. Struktur Bangun Asam Tanat (Hagerman, 2010)

Peranan Bakteri dalam Perombakan Senyawa Lignoselulosa

Bakteri dalam Perombakan Lignin

Lignin merupakan polimer aromatik terdiri dari unit fenilprofanoid yang


mempengaruhi pemanfaaatannya bagi ternak. Kemampuan lignin

untuk menahan degradasi dapat dikaitkan dengan struktur polimer

dengan bobot molekul yang tinggi. Degradasi lignin secara komplit di



22


hydrolized tannin) yang

bersifat sebagai

resisten terhadap proses degradasi sebagian besar

pula yang ditunjukkan oleh senyawa lignin



Asam Tanat (Hagerman, 2010)

Peranan Bakteri dalam Perombakan Senyawa Lignoselulosa

polimer aromatik terdiri dari unit fenilprofanoid yang


Kemampuan lignin

uktur polimernya yang

Degradasi lignin secara komplit di



23

Biodegradasi lignin dari komplek lignoselulosa melibatkan proses yang

meliputi proses depolimerisasi dan pemecahan cincin aromatik. Enzim

ekstraseluler akan mengoksidasi lignin melalui 3 tahap yaitu: 1) Oksidasi ikatan

β–O–4 dari komponen arylglycerol; 2) Pemecahan cincin aromatik yang sebagian

besar mengikuti jalur β-ketoadipatik; 3) Pembentukan struktur karbonat siklik dari

gabungan oksidasi β–O–4 dengan pecahan cincin aromatik (Datta et al., 2017).

Gambar 2.10. Struktur 3 Dimensi dari Enzim Pendegradasi Lignin

(Sumber Datta et al., 2017)

Perez et al. (2002) mengungkapkan degradasi lignin secara sempurna

merupakan respon dari aktivitas tiga kelompok utama enzim ekstraseluler yaitu

lignin-peroksidase/Li-P, mangan-peroksidase/Mn-P, dan lakase/Lac. Datta et al.

(2017) mengungkapkan bakteri dan fungi pendegradasi lignin dapat memproduksi

paling tidak 5 enzim ekstraseluler utama yang terdiri atas lignin-peroksidase/LiP,

manganese-dependent peroksidase/MnP, versatile peroksidase/VP, lakase/Lac,

dan dye-decolorizing peroksidase/DyPs (Gambar 2.10). Selain itu enzim-enzim

seperti aril alkohol dehydrogenase, phenol oksidase, cellobiose, aromatic acid

reductase, vanilat hidroksilase, dioksigenase, dan katalase mempunyai peranan

24

penting dalam proses degradasi lignin (Aarti et al., 2015). Enzim ini terutama

dihasilkan oleh fungi, namun beberapa jenis bakteri seperti Streptomyces ssp.,

Thermobifida fusca, Rhodococcus jostii, Bacillus subtilis, B. licheniformis, dan

Pseudomonas flurrescens juga menghasilkan enzim sejenis (Olsson, 2016).

Lignin Peroksidase (EC 1.11.1.14, Li-P, Ligninase) merupakan enzim

glikosilat mengandung hemeprotein dengan grup prostetik FerriProtoporfirin

yang membutuhkan hidrogen peroksida/H2O2 untuk mengkatalisasi oksidasi unit

lignin non fenolik dan mineralisasi komponen aromatik yang keras/kompak.

Oksidasi lignin oleh lignin peroksidase (LiP) terjadi melalui transfer elektron,

pemecahan non katalitik berbagai ikatan/rantai lignin, dan pembukaan cincin

aromatik. Siklus katalitik dari LiP terdiri dari satu reaksi oksidasi dan dua reduksi,

dengan tahap-tahapan sebagai berikut; 1) Oksidasi dua elektron dari native enzim

(enzim asal) ferric lignin Peroksidase [LiP-Fe (III)] oleh H2O2 membentuk

senyawa intermediet I oxo-ferryl [Fe (IV)]; 2) Proses reduksi dari senyawa I oleh

substrat pereduksi aromatik non-fenolik (A) untuk membentuk senyawa II melalui

penambahan 1 elektron; 3) Terakhir, siklus oksidasi berakhir saat senyawa II

dikembalikan ke keadaan ferik awal melalui pengikatan satu/lebih elektron dari

substrat pereduksi A (Gambar 2.11) (Datta et al., 2017).

Gambar 2.11 Siklus Katalisis dari Lignin-Peroksidase (Datta et al., 2017)

25

Perez et al. (2002) mengungkapkan Lignin peroksidase (LiP) memotong

jalur utama perombakan lignin yaitu ikatan Cα-Cβ molekul lignin dan berbagai

reaksi post enzimatic (Gambar 2.12). Data et al. (2017) menambahkan bahwa LiP

mempunyai potensial redoks tinggi (1,2 V pada pH 3) serta mampu mengoksidasi

secara langsung struktur fenolik dan non fenolik dari lignin tanpa perantara.

Gambar 2.12. Pemotongan ikatan Cα-Cβ molekul lignin dan pembentukan senyawa

intermediet (Perez et al., 2002)

Enzim Mangan-Peroksidase/Mn-P (EC. 1.11.1.13, Mn-P) merupakan

hemeperoksidase ekstraseluler yang membutuhkan Mn2+

sebagai substrat

pereduksinya (Steffen, 2003). Mn-P mengoksidasi Mn2+

menjadi Mn3+

dan H2O2

sebagai katalis untuk menghasilkan gugus peroksida. Mn3+

yang dihasilkan dapat

berdifusi ke dalam substrat dan mengaktifkan proses oksidasi yang mengubah

struktur fenolik menjadi radikal fenoksil. Mn3+

yang terbentuk sangat reaktif dan

membentuk kompleks dengan chelating asam organik seperti asam oksalat/malat

(Kishi et al., 1994). Dengan bantuan chelator, ion Mn3+

distabilkan dan dapat

menembus kedalam jaringan substrat. Hal ini didukung aktivitas kation radikal

dari veratril alkohol dan enzim penghasil H2O2. Proses diakhiri bergabungnya O2

26

ke dalam struktur lignin (De Jong et al., 1994). Radikal fenoksil yang dihasilkan

selanjutnya bereaksi dan akhirnya melepaskan CO2 (Suparjo, 2008).

Oksidasi lignin dan senyawa fenolik lain oleh Enzim Mn-P tergantung

pada ion Mn bebas. Substrat pereduksi utama dalam siklus katalitik Mn-P adalah

Mn2+

yang secara efesien mereduksi senyawa I (Mn-P compound I) menjadi

senyawa II (Mn-P compound II), menghasilkan Mn3+

yang selanjutnya

mengoksidasi substrat organik. Mn2+

berikatan dengan chelator asam organik

untuk menstabilkan Mn3+

. Siklus katalitik Mn-P dimulai dengan pengikatan H2O2

atau peroksida organik dengan enzim Ferric alami dan pembentukan kompleks

besi peroksida (Gambar 2.13)(Perez et al., 2002).

Gambar 2.13. Siklus katalitik Mn-P (Sumber: Perez et al., 2002)

Pemecahan ikatan oksigen peroksida membutuhkan Fe4+

-oxo-porphyrin-

radicalcomplex dalam pembentukan Mn-P compound I. Kemudian ikatan

dioksida dipecah dan dikeluarkan satu molekul airnya. Reaksi berlangsung sampai

terbentuknya Mn-P compound II. Ion Mn2+

bekerja sebagai donor 1-elektron

untuk senyawa antara forfirin dan dioksidasi menjadi Mn3+

. Mn3+

merupakan

oksidan kuat yang mengoksidasi senyawa fenolik tetapi tidak dapat memecah unit

non-fenolik lignin (Perez et al., 2002).

Reaksi awal Mn

menjadi radikal fenoksil yang terdapat dalam mesomer yang berbeda (Gambar

2.14). Secara simultan chelat asam organik dioksidasi menjadi feroksil dan radikal

lain menghasilkan superoksida yang

menjadi eter peroksida

membentuk struktur alifatik. Selanjutnya sistem enzim Mn

menjadi CO2 dan radikal alifatik

menghasilkan CO2 dan bahan organik seperti asam format

Gambar 2.14. Skema

Versatil Peroksidase

kemampuan katalitik seperti LiP dan MnP yang mampu mentransformasi senyawa

lignin tanpa perantara eksternal.

molekul hibrida dengan beberapa tempat pengikatan termasuk Mn

mengoksidasi Mn2+

seperti MnP dan LiP. Namun, tidak seperti MnP, VP memiliki

kemampuan ganda mengoksidasi berbagai substrat

atau rendah termasuk Mn

aromatic (Datta et al., 2017)

Reaksi awal Mn3+

dengan cincin fenolik adalah suatu oksidasi 1 elektron


). Secara simultan chelat asam organik dioksidasi menjadi feroksil dan radikal

lain menghasilkan superoksida yang akan bereaksi dengan radikal ber

menjadi eter peroksida, selanjutnya mengalami pembelahan cincin

struktur alifatik. Selanjutnya sistem enzim Mn-P membelah gugus ini

dan radikal alifatik yang kemudian berreaksi dengan dioksida

dan bahan organik seperti asam format (Perez et al

. Skema perombakan struktur aromatik lignin oleh Mn

(Perez et al., 2002)

Versatil Peroksidase/VP (EC 1.11.1.16) merupakan enzim


lignin tanpa perantara eksternal. Enzim VP memiliki karakteristik

molekul hibrida dengan beberapa tempat pengikatan termasuk Mn


mengoksidasi berbagai substrat dengan potensi redoks tinggi

suk Mn2+

, struktur fenolik dan non-fenolik serta

., 2017)

27

dengan cincin fenolik adalah suatu oksidasi 1 elektron


). Secara simultan chelat asam organik dioksidasi menjadi feroksil dan radikal

bereaksi dengan radikal berinti karbon

mengalami pembelahan cincin dan

P membelah gugus ini

reaksi dengan dioksida

et al., 2002).

ktur aromatik lignin oleh Mn-P

/VP (EC 1.11.1.16) merupakan enzim dengan


Enzim VP memiliki karakteristik arsitektur

molekul hibrida dengan beberapa tempat pengikatan termasuk Mn2+

dan mampu


dengan potensi redoks tinggi

k serta alkohol

28

Enzim Laccase/Lac (EC 1.10.3.2, benzenediol:oxygenoxidoreductase)

merupakan enzim pengoksidasi mengandung tembaga yang dapat mereduksi 4

elektron oksigen melalui oksidasi berbagai senyawa organik seperti fenol,

polifenol, anilin dan beberapa senyawa anorganik melalui mekanisme transfer

elektron (Kunamneni et al., 2008). Laccase dapat merombak senyawa fenolik,

mengoksidasi amina aromatik dan senyawa lain melalui reduksi molekul oksigen

menjadi H2O (Aarti et al., 2015). Madhavi dan Lele (2009) mengungkapkan

laccase mereduksi O2 menjadi H2O dalam substrat fenolik melalui reaksi

pembentukan radikal bebas (Gambar 2.15).

Gambar 2.15. Skema Oksidasi Komponen Fenolik dari Lignin oleh Laccase

(Madhavi dan Lele, 2009)

Adanya senyawa perantara (pro-oksidan) seperti 2,2’azino-bis/3-ethyl

benzothiazoline-6-sulphonic acid (ABTS); 3-Hydroxy anthranilic acid/HAA; N-

hydroxybenzotriazol/HBT; violuric acid (VLA); N-hydroxyphtalimide (HPI); N-

hydroxyacetanilide (NHA), Laccase dapat menghasilkan daya oksidasi tinggi

terhadap komponen nonfenolik lignin seperti gugus metil aromatik, benzyl

alkohol, hidrokarbon polisiklik aromatik, veratryl alcohol maupun pewarna tekstil

(Gambar 2.16).

29

Gambar 2.16 Skema Oksidasi Komponen Non-Fenolik dari Lignin oleh Laccase

(Madhavi dan Lele, 2009)

Ishihara (1980) menyatakan Laccase adalah enzim pengoksidasi melalui

proses demitilasi yang mengubah gugus metoksi menjadi methanol. Disamping itu

terdapat kelompok enzim fenol oksidase (laccase dan tirosinase) yang

mengoksidasi gugus δ dan p-fenol serta gugus amina menjadi kuinon dan

memberi perubahan warna terhadap substansi fenolik 1-naftol dan p-kresol. Datta

et al. (2017) mengungkapkan sebagian besar enzim bekerja pada substrat spesifik,

namun aktivitas enzim Laccase berbeda yaitu mempunyai aktivitas pada berbagai

substrat seperti polifenol, diphenol, benzenethiol, serta amina aromatik.

Enzim Dye-Decolorizing Peroksidase/DyP (Reactive-Blue-5:hydrogen-

peroxide oxidoreductase. EC1.11.1.19) merupakan peroksidase berbasis heme

yang dapat memecah lignin yang dimediasi senyawa radikal. DyP adalah enzim

bifungsional yang mempunyai aktivitas oksidatif serta hidrolitik. DyP secara

filogenik berbeda dari peroksidase lain karena memiliki lipatan mirip ferroksin

dan alfha (Gambar 2.10). Namun, mekanisme oksidasinya mirip dengan VP dan

MnP. DyP dikelompokkan menjadi empat jenis: A, B, C, dan D (Tabel 2.4)

30

(Colpa et al., 2014). Semua jenis DyP memiliki aktivitas peroksidase, namun,

mempunyai nilai spesifisitas substrat yang berbeda. Selain mendegradasi lignin,

DyP juga mengoksidasi pewarna, β-karoten, sulfida aromatik (Colpa et al., 2014),

aromatik metoksilat non-fenolik, Mn2, dan pewarna sintetis dengan bilangan

redoks tinggi seperti pewarna antrakuinon dan azo (Datta et al., 2017).

Tabel 2.4 Karakteristik Kelompok Enzim Dye-Decolorizing Peroksidase/DyP

DyP Nama Protein Mikroba Penghasil Struktur Kristal Sumber

A EfeB/YcdB Escherichia coli O157 (2Y4E with PPIX) Liu et al. (2011)

DyPA Rhodococcus jostii RHA1 - Ahmad et al. (2011)

TfuDyP Thermobifida fusca Bloois et al. (2010)

BsDyP (YwbN) Bacillus subtilis Santos et al. (2013)

B DyPB Rhodococcus jostii RHA1 3QNR + 3QNS Roberts et al. (2011)

TyrA Shewanella oneidensis 2IIZ + 2HAG Zubieta et al. (2007)

BtDyP Bacteriodes thetaiotaomicron 2GVK Zubieta et al. (2007)

PpDyP Pseudomonas putida Sezer et al. (2013)

DyPPa Pseudomonas aeruginosa PKE117 Li et al. (2012)

C DyP2 Amycolatopsis sp. 75iv2 4G2C Brown et al. (2012)

AnaPX (AnaDyP) Anabaena sp. PCC 7120 Ogola et al. (2009)

D BadDyP/TcDyP Bjerkandera adusta Dec 1 2D3Q [ Sugano et al. (2007)

AauDyP I (AjP I) Auricularia auricula-judae 4AU9 Lier et al. (2010)

MsP1 dan MsP2 Mycetinis scorodonius Scheibner et al. (2008)

TAP (TalDyP) Termitomyces albuminosus Johjima et al. (2007)

PoDyP Pleurotus ostreatus Faraco et al. (2007)

Sumber: Colpa et al., 2014

Perombakan lignin umumnya dilakukan pada lingkungan aerobik, namun

pada lingkungan anaerobik seperti lingkungan rumen, tanah, tubuh serangga,

maupun aquatik, perombakan lignin juga berlangsung yang menghasilkan asam

organik, alkohol aromatik, amina, CO2 dan CH4 (Kajikawa et al., 2000; Chandra

et al., 2015). Di alam, perombakan lignin merupakan hasil aktivitas sekelompok

mikroorganisme dengan enzim ekstraseluler non-spesifik yang merombak lignin

yang mempunyai struktur acak dengan bobot molekul tinggi.

31

Beberapa kelompok bakteri diketahui mampu merombak senyawa lignin

menjadi komponen penyusunnya serta memproduksi sejumlah/seperangkat enzim

oksidatif yang dapat memodifikasi lignin untuk dipecah melalui proses hidrolisis

atau demetilisasi (Lotfi, 2014). Aarti et al. (2015) mengungkapkan bahwa enzim

memegang peranan penting dalam proses degradasi lignin oleh spesies bakteri.

Mekanisme perombakan lignin oleh bakteri lebih spesifik dibandingkan fungi

karena umumnya setiap 1 spesies bakteri hanya dapat memutus 1 tife ikatan/rantai

dari lignin. Sehingga perombakan senyawa lignin dilakukan oleh berbagai jenis

bakteri/konsorsium bakteri atau kombinasi bakteri dengan fungi. Lang et al.

(2000) mengungkapkan kehadiran bakteri dan yeast pada batang tanaman dapat

menjadi trigger/pemicu pertumbuhan white rot fungi maupun brown rot fungi.

Bakteri Pseudomonas (ordo Pseudomonadales), Cellulomonas (ordo

Actinomycetales), Streptomyces (ordo Actinomycetales), dan genus lain dari ordo

Actinomycetales mampu memproduksi Laccase ekstraseluler dan peroksidase

(Lynd et al., 2002). Yang (2007) menunjukkan bahwa Pseudomanas sp.

merupakan bakteri pendegradasi lignin paling efisien yang tidak hanya mampu

mendegradasi lignin alami tetapi juga mendegradasi cincin aromatik. Bakteri

Aeromonas, Aneurinibacillus, Bacillus, Enterobacter, Actynomycetes,

Flavobacterium, Klebsiella, Pseudomonas, Rhodococcus, maupun Sellulomonas

juga mempunyai kemampuan enzimatis merombak cincin aromatik (aromatic

ring) dan rantai samping lignin (Hernandes et al., 1994; Abdelaziz et al., 2016).

Lotfi (2014) menambahkan bakteri dari genus Alcaligenes, Arthrobacter, dan

Nocardia mampu mendegradasi cincin aromatik penyusun makromolekul lignin.

32

Geib et al. (2008) menyatakan bakteri saluran cerna rayap seperti Rhodococcus

erythropolis, Sphingomonas sp., Microbacterium sp., Brucella melitensis,

Ochrobacterium sp., Burkholderia sp., mampu mendegradasi senyawa aromatik.

Martani et al. (2003) mengungkapkan bakteri dari genus Micrococcus

(isolat SPH-9) dan Bacillus (isolat SPH-10) yang diisolasi dari sampah domestik

mampu mendegradasi lignin (lindi hitam) masing-masing sebesar 75% dan 78%.

Prihantini et al. (2011) mengungkapkan isolat bakteri TLiD dan BOpR mampu

mendegradasi lignin dan organochlorin (lignolitik) jerami padi sampai 100% pada

fermentasi hari ke-7. Sedangkan substrat kraft lignin mampu didegradasi sebesar

37% oleh bakteri Bacillus sp. pada suhu 30oC selama 6 hari (Hanafy et al., 2008).

Lotfi (2014) mengungkapkan Streptomyces viridosporus T7A dan/atau

Aneurinibacillus aneurinilyticus merombak lignin melalui proses depolimerisasi,

Pseudomonas paucimobilis SYK-6 mampu memecah berbagai senyawa dimerik

dari lignin, Azotobacter sp. HM121 mampu memecah lignin melalui proses

mineralisasi dan pelarutan, Bacillus sp. dan Paenibacillus sp. mampu merombak

kraft lignin. Bacillus subtilis, B. atrophaeus, B. licheniformis, B. pumilus,

Streptomyces cyaneus, S. coelicolor, S. griseus, S. ipomea, S. lavendulae, Serratia

marcescens dan Thermus thermophilus mampu memproduksi Laccase untuk

merombak lignin melalui proses demineralisasi dan pelarutan (Data et al., 2017).

Phenol oksidase dari Streptomyces cyaneus mempunyai kontribusi lebih tinggi

dari peroksidase dalam pemecahan lignin (Berrocal et al., 2000). Ruttiman et al.

(1991) mengungkapkan bahwa bakteri pendegradasi lignin juga berperanan dalam

perombakan lebih lanjut senyawa intermediet hasil degradasi jamur.

33

2.3.2 Peranan Bakteri dalam Perombak Selulosa

Degradasi selulosa merupakan proses pemecahan polimer anhidroglukosa

menjadi molekul yang lebih sederhana. Proses ini menghasilkan oligo, tri atau

disakarida seperti selobiosa, selotriosa, monomer glukosa, CO2 dan H2O.

Degradasi selulosa dapat dilakukan secara biologis (aktivitas enzim mikroba),

fisik maupun kemis. Sejumlah mikroba mampu menghidrolisis selulosa sampai

taraf tertentu. Maranatha (2008) menyebutkan mikroba selulolitik dari kelompok

bakteri mempunyai tingkat pertumbuhan cepat dan aktivitas selulolitik tinggi.

Mikroba selulolitik khususnya bakteri banyak ditemukan pada tanah tanah

pertanian, hutan, jaringan hewan, saluran pencernaan herbivora baik rumen,

kolon, sekum maupun hipopotamus (bagian bawah lambung pseudoruminan),

rayap (air liur, sel tubuh, saluran pencernaan maupun sarangnya) serta pada

tumbuhan yang membusuk/mati. Bakteri di alam yang bersifat selulolitik antara

lain; Bacillus subtilis, Bacillus macerans, Bacillus sp., Clostridium (C.

acetobutylicum, C. thermocellum), Acidothermus, Pseudomonas florescens,

Rhodothermus (Howard et al., 2003; Anindyawati, 2010), Erwinia, Acetovibrio,

Mikrobispora, Cellulomonas, Cellovibrio, Streptomyces murinus, Sclerotium

rolfisii (Duff and Murray, 1996), Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus,

Ruminococcus flavefaciens, Butytrivibrio fibrisolvens (Lynd et al., 2002). Lind et

al. (2002) menambahkan pada kondisi aerob, bakteri pendegradasi selulosa

didominasi oleh bakteri dari ordo Actinomycetales (phylum Actinobacteria),

sedangkan pada kondisi anaerob didominasi oleh ordo Clostridiales (phylum

Firmicutes) (Tabel 2.5).

34

Tabel 2.5 Karakteristik Morfologi Bakteri Selulolitik

Kondisi

Lingkungan

Genus Contoh Spesies Gram Bentuk Suhu

Tumbuh

Pergerakan/

Alat gerak

Sistem Selulase

Aerob Cellulomonas C. flavigena,

C. uda

+ Rod/

Batang

Termofil Flagella Nonkompleks,

sel bebas

Cellvibrio C.fulvus, C. gilvus - Curved

rod

Mesofil Flagella Nonkompleks,

sel bebas

Cytophaga C. hutchinsonii - Rod/

Batang

Mesofil Meluncur

/ Gliding

Nonkompleks,

sel bebas

Pseudomonas P. fluorescens _ Rod/

Batang


sel bebas

Streptomyces S. reticuli + Rod

berfilamen Mesofil Non-

Motile

Nonkompleks,

sel bebas

Thermobifida T. fusca + Rod

berfilamen Termofil Non-

motil

Nonkompleks,

sel bebas

Anaerob Butyrivibrio B. fibrisolvens + Curved

rod

Mesofil Flagella Nonkompleks

Bacillus B. pumilis + Rod/

Batang


sel bebas

Clostridium C. thermocellum,

C.cellulolyticum

+ Rod/

batang

Termo-

Mesofil

Flagella Kompleks, ikatan

sel utama

Eubacterium E. cellulosolvens + Rod Mesofil Non-

motile

-

Fibrobacter F. succinogenes - Rod Mesofil Non

Motile

Kompleks, Sel

Terikat

Hallocella H. celluloica - Rod Mesofil Flagella Nonkompleks,

sel bebas

Spirochaeta S. thermophila + Spiral Termofil - Nonkompleks,

sel bebas

Ruminococcus R. albus,

R. flavefaciens

+ Coccus Mesofil Non-

motile

Kompleks, Sel

Terikat

Sumber: Lind et al. (2002)

Perez et al. (2002) mengungkapkan bahwa aktivitas selulolitik bakteri

dilakukan secara ekstraseluler melalui dua sistem, yaitu: 1) Sistem hidrolitik,

melalui produksi enzim hidrolase yang merombak selulosa dan hemiselulosa, dan

2) Sistem oksidatif dan sekresi lignase ekstraseluler melalui depolimerisasi lignin.

Lebih lanjut diungkapkan perombakan selulosa secara enzimatis berlangsung

karena adanya kompleks enzim selulase bersifat spesifik untuk menghidrolisis

ikatan β-1,4-glikosidik, rantai selulosa dan derivatnya. Lyind et al. (2002)

mengungkapkan terdapat tiga (3) tife enzim selulase yang utama yaitu 1) Endo-

35

glukanase/1,4-β-D-glucan-4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4), 2) Eksoglukanase

terdiri atas 1,4-β-D-glucan glucanohydrolase/cellodextrinase (EC 3.2.1.74) dan

1,4-β-D-glucan cellobiohydrolases/cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91), dan 3) β-

glukosidase/ β-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21).

Gambar 2.17. Proses Degradasi Selulosa menjadi Glukosa (Lynd et al., 2002)

Perez et al. (2002) menunjukkan bahwa perombakan selulosa oleh bakteri

selulolitik berlangsung melalui beberapa tahap. Tahap pertama adalah

menguraikan polimer selulosa secara random/acak oleh enzim carboxymethil

celulase/CMC-ase atau endo β-1,4 glukanase dengan cara memecah ikatan β 1-4

yang ada di dalam struktur selulosa kristalin/amorf sehingga terbentuk ujung

rantai yang baru (oligodekstrin). Tahap kedua adalah penguraian selulosa dari

ujung pereduksi dan non-pereduksi oleh eksoglukanase (selodektrinase dan

selobiohydrolase) melalui pemotongan ujung-ujung rantai selulosa sehingga

menghasilkan disakarida dan tetrasakarida (selobiosa). Tahap ketiga (terakhir)

adalah tahap penguraian selobiosa menjadi glukosa oleh enzim β-glukosidase

(Gambar 2.17).

36

Kirk (1983) menggambarkan proses degradasi selulosa secara lebih

mendetail yang melibatkan kompleks enzim selulase yaitu; 1) enzim endo-1.4-β-

glukanase, 2) enzim ekso-1.4-β-glukanase, 3) enzim β-glukosidase, 4) enzim

glukosa oksidase, 5) enzim selubiosa oksidase, dan 6 ) enzim sellubiosa quinon

oksidoreduktase dengan mekanisme kerja seperti ditunjukkan pada Gambar 2.18

Gambar 2.18 Mekanisme Kerja Enzim dalam Perombakan Selulosa

[ ①

endo endo-1.4-β-glukanase, ②

ekso-1.4-β-glukanase, ③β-glukosidase,

④glukosa oksidase,

⑤selubiosa oksidase, dan

⑥sellubiosa quinon

oksidoreduktase] (Kirk, 1983)

Lynd et al. (2002) mengungkapkan beberapa mikroorganisme mampu

menghasilkan multifunction glukanase yang terdiri dari beberapa enzim selulase

dan hemiselulase, sehingga konsep 1 (satu) enzim satu aktivitas tidak berlaku

pada semua kasus. Ditambahkannya bahwa multifunction protein adalah suatu

protein enzim yang terdiri dari satu tife (tife tunggal) dari suatu rantai polipeptida

tetapi mempunyai berbagai aktivitas katalitik/aktivitas enzimatis. Sebagai contoh;

Cel A dari Caldocellum saccharolyticum diidentifikasi menghasilkan 2 jenis

selulase yaitu endo-glukanase dan ekso-glukanase. XyIA dari Neocallimastrix

pantriciarum mempunyai dua kemampuan katalitik yang dominan (Zhou et al.,

37

1994 dalam Howard et al., 2003). Lynd et al. (2002) menambahkan bahwa 1

spesies bakteri dapat memproduksi berbagai jenis enzim, seperti Cellulomonas sp.

paling sedikit memproduksi 6 enzim endoglukanase dan paling sedikit 1 enzim

eksoglukanase. Bakteri thermofilus berfilamen yaitu Thernmobifida fusca juga

menghasilkan 6 selulase yaitu 3 endoglukanase (E1, E2 dan E5), 2 eksoglukanase

(E3 dan E6) dan 1 selulase dengan aktivitas endoglukanase dan eksoglukanase

Leschine (1995) dan Kumar et al. (2008) mengungkapkan bahwa dalam

kondisi anaerob, kompleks enzim selulase (endo-glukanase, ekso-glukanase

maupun glukosidase) serta enzim pendegradasi komponen serat kasar lainnya

diorganisir kedalam multiprotein enzim yang disebut “cellulosome/selulosom”

yang bekerja secara sinergis dalam hidrolisis selulosa kristalin (Gambar 2.19).

Komponen utama dan aksi katalitik dari selulosom Clostridium thermocellum

disajikan pada Tabel 2.6.

Gambar 2.19. Komponen Multi Protein Enzim Selulosom dari Bakteri dan Pola

Perombakan Komponen Selulosa (Kumar et al., 2008)

Kumar et al. (2008) mengemukakan bahwa kompleks enzim selulase

dalam formasi selulosom memungkinkan aktivitas enzim pendegradasi serat

dinding sel akan bekerja terpadu dengan sinergisisme yang optimal di dekat sel

38

bakteri. Formasi selulosom juga akan mempercepat pemanfaatan produk hidrolisis

sehingga keberlangsungan/kontinyuitas perombakan selulosa dan serat dinding sel

lainnya oleh kompleks enzim selulase akan terjaga dan efisien. Formasi selulosom

dari Clostridium thermocellum merupakan salah satu contoh yang mempunyai

efisiensi tinggi dalam mendegradasi selulosa mikrokristalin (Lamed dan Bayer,

1988 dalam Kumar et al., 2008). Struktur selulosom dari C. thermocellum terdiri

dari protein scaffoldin nonkatalitik (CipA) multi-modular, mengandung sembilan

cohesins, empat module-X dan modular pengikat selulosa/cellulose binding

module/CBM. Scaffoldin bergerak ke dinding sel melalui kohesin domain tipe II.

Terdapat 22 module katalitik terdiri atas 9 module dengan aktivitas endoglucanase

(CelA, CelB, CelD, CelE, CelF, CelG, CelH, CelN, CelP), 4 module beraktivitas

exoglucanase (CbhA, CelK, CelO, CelS), 5 menunjukkan aktivitas hemiselulase

(XynA, XynB, XynV, XynY, XynZ), 1 dengan aktivitas chitinase (ManA) dan 1

dengan aktivitas lichenase (LicB). Modula ini memiliki gugus-gugus dockerin

yang dapat berhubungan dengan kohesin protein CipA untuk membentuk selulosa

Tabel 2.6 Komponen Selulosom dari Clostridium termocellum

Komponen Selulosom Deskripsi/Peranan Komponen Selulosom Deskripsi/Peranan

CipA (c) Scafooldin XynA; XynU Xylanase

CelJ Selulase CelD Endoglukanase

CbhA Cellobiohidrolase XynC Xylanase

XynY Xylanase XynD Xylanase

CelH Endoglukanase ManA Mannanase

CelK Cellobiohydrolase CelT Endoglukanase

XynZ Xylanase CelB Endoglukanase

CelE Endoglukanase CelG Endoglukanase

CelS (c) Eksoglukanase CseP (Belum diketahui)

CelF Endoglukanase ChiA Chitinase

CelN Endoglukanase CelA Endoglukanase

CelQ Endoglukanase XynB; XynV Xylanase

CelO Cellobiohydrolase LicB Lichenase

Sumber: Kumar et al., 2008

39

Multi protein enzim selulosom dapat diproduksi oleh 1 mikroba dan/atau

multi kultur mikroorganisme. Leschine (1995) telah menguraikan aktivitas kerja

multi protein enzim selulosom yang dihasilkan oleh berbagai mikroorganisme

yang disajikan pada Gambar 2.20. Mikroba selulolitik menghasilkan enzim yang

mendepolimerisasi selulosa, sehingga menghasilkan selobiose, selodekstrin, dan

beberapa glukosa. Gula-gula ini segera difermentasi oleh bakteri sakariolitik dan

selulolitik lainnya sehingga konsentrasi selobiosa kembali rendah sehingga

mencegah penghambatan kerja sistem kompleks enzim selulase akibat

penumpukan produk hidrolisis selulosa (selobiosa). Enzim nonselulolitik

pendegradasi selobiosa memainkan peran penting pada proses ini dan

menghasilkan CO2, H2, asam organik (asetat, propionat, butirat), dan alkohol.

Sangat sedikit H2 lolos ke atmosfir karena langsung dimanfaatkan methanogen/

homoacetogen. Methanogenes menggunakan H2 untuk mengkonversi CO2

menjadi CH4, dan homoacetogenes menggunakan H2 untuk mengkonversi CO

menjadi asetat. Asetat dan/atau asam organik lain (seperti asam format) akan

digunakan oleh beberapa spesies metanogenik untuk membentuk CH4 dan CO2.

Bakteri sintrofik memegang peranan dalam konversi selulosa menjadi CH4 dan

CO2. Mikroba ini memfermentasi asam lemak seperti propionat, butirat, atau

alkohol membentuk asetat, CO2, dan H2, namun bakteri sintrofik tumbuh sangat

lambat, sehingga fermentasi VFA biasanya merupakan faktor pembatas laju

perombakan selulosa secara anaerob.

40

Gambar 2.20 Perombakan Selulosa Secara Anaerob oleh Konsorsium Mikroba

Lynd et al. (2002) menambahkan bahwa pada kondisi anaerobik obligat

(strictly anaerobic), bakteri selulolitik memproduksi glukosa 1 fosfat (G-1-P)

melalui aktivitas cellobiose phosphorylase (CbP) dan cellodextrin phosphorylase

(CdP) yang dimetabolisme menjadi glukosa 6 fosfat yang merupakan pusat dari

katabolisme gula pada jalur Embden-Meyerhoff. Semua spesies bakteri tersebut

memproduksi asam asetat dan CO2 dalam jumlah substansial, sedangkan secara

individual bervariasi yang sebagian besar merupakan produk turunan dari hasil

oksidasi intraseluler dari piridin nukleotida. Pada Clostridium sp. dan R. albus,

etanol dan H2 adalah produk turunan akhir utama pada lingkungan alami, dan

asetil coenzim A (Acetyl-CoA) adalah kunci asosiasi dengan flux karbon untuk

produksi etanol dan asetat. Bakteri rumen F. succinogenes dan R. favefaciens

memproduksi suksinat dalam jumlah besar yang akan dikonversi oleh bakteri lain

menjadi propionat. Produksi suksinat terjadi melalui fiksasi netto dari CO2 oleh

phosphoenol piruvat/PEP carboxykinase yang merupakan konversi lanjutan dari

oksaloacetat menjadi malat dan suksinat. Laktat diproduksi dalam jumlah besar

41

oleh berbagai spesies sakarolitik anaerobik yang umumnya bukan produk utama

dari selulolitik anaerobik yang mempunyai laju pertumbuhan yang relatif lambat

dalam gula terlarut. Suatu pengecualian ditunjukkan Anaerocellum thermophilum

yang mempunyai pertumbuhan lebih cepat dibandingkan bakteri selulolitik

lainnya, yang memproduksi laktat sebagai produk akhir fermentasi selulosa.

Kemampuan degradasi selulosa berbagai bakteri bervariasi yang

dipengaruhi oleh jenis/spesies, substrat maupun lingkungan. Petre et al. (1999)

mengungkapkan bahwa kemampuan mikroba selulolitik merombak/mendegradasi

selulosa dipengaruhi oleh berbagai faktor yaitu; (1) ukuran dan permeabilitas

enzim selulolitik dan molekul lain yang terlibat dalam kaitannya dengan sifat

ukuran dan permukaan dari fibril/serat sel dan ruang antara mikrofibril dan

molekul selulosa dari daerah/bagian amorf, (2) derajat kristalinitas selulosa, (3)

dimensi/ukuran sel selulosa, (4) konformasi dan kekakuan stereoskopis unit

anhidroglukosa; (5) derajat polimerisasi molekul selulosa; dan (6) sifat komponen

dimana selulosa berikatan. Ditambahkannya bahwa tingkat kristalinitas selulosa

merupakan salah satu parameter utama yang mempengaruhi laju degradasi

enzimatis oleh hidrolisis. Oleh karena itu, tingkat degradasi merupakan fungsi dari

sifat permukaan selulosa yang memungkinkan akses enzim ke molekul polimer.

2.3.3 Peranan Bakteri dalam Perombakan Hemiselulosa

Degradasi hemiselulosa merupakan proses pemecahan polimer hetero

polisakarida menjadi molekul lebih sederhana. Proses ini menghasilkan monomer

yang mengandung glukosa, mannosa, galaktosa, xilosa, arabinosa dan 4-0 methyl-

glukoronik, D-galacturonic dan D-glukoronik (Perez et al., 2002).

42

Beg et al. (2001); Perez et al. (2002); Howard et al. (2003) maupun Saha

(2003) mengungkapkan bahwa mengingat komponen utama dari hemiselulosa

adalah xilan dan mannan, maka enzim yang berperan penting dalam proses

degradasi hemiselulosa adalah kompleks enzim xylanase dan mananase. Lebih

lanjut Saha (2003) mengungkapkan bahwa degradasi secara total dari xilan

membutuhkan kompleks enzim yang bekerja secara sinergis, yaitu enzim endo-

1,4-β-xilanase, exo-xylanase, 1,4-β-xilosidase, dan beberapa enzim penunjang

seperti α-L-arabinofuranosidase, α-glucuronidase. acetylxylan esterase, ferulic

acid esterase, and p-coumaril esterase yang berperanan dalam hidrolisis berbagai

komponen xylan (Gambar 2.21-2.22), sedangkan untuk mendegradasi mannan

secara total membutuhkan adanya kompleks mananase yang terdiri dari; endo-β-

D-mannanase, exo-β-mannosidase, β-D-glucosidase, acetyl mannan esterase, dan

α-galactosidase untuk memutus rantai utama dan rantai samping dari struktur

bangun mannanosa (Gambar 2.23-2.24).

Gambar 2.21. Degradasi Xylan secara Enzimatik (Sumber: Beg et al., 2001)

43

Pada proses perombakan xylan, enzim endo-1,4-β-xylanase bertugas

menghidrolisis secara acak bangun utama ikatan β-1,4-xylosa dari kerangka rantai

silan, enzim ekso-β-xilanase menghidrolisis ujung pereduksi dan non pereduksi

ikatan β-1,4-xylosa menghasilkan silooligomer/silooligosakarida (xylobiosa) yang

selanjutnya akan dihidrolisis menjadi unit silosa tunggal dan/atau

xylooligosakarida rantai pendek oleh β-silosidase. Enzim α-arabinofuranosidase

menghidrolisis ujung nonpereduksi α-arabinofuranosa dari arabinoxylan, Enzim

α-D-glukoronidase menghidrolisis ikatan α-1,2-glikosidik dari asam 4-0-metil-D-

glukoronik rantai samping silan. Acetylxylan esterase menghidrolisis rantai asetil

ester pada acetyl silan, enzim kumaril esterase menghidrolisis gugus kumaril ester

pada xylan, sedangkan enzim feruril esterase menghidrolisis gugus feruloil ester

pada xilan. Olempska-Beer (2004) menambahkan bahwa selanjutnya feruloil

esterase akan menghidrolisis ikatan ester antara substitusi arabinosa dan asam

ferulik. Feruloil esterase melepaskan hemiselulosa dari lignin sehingga lebih

mudah didegradasi hemiselulase lain.

Dekker (1985) mengungkapkan bahwa senyawa kompleks xylan seperti

arabinoglucoronoxylan, arabinoxylan dan glukuronoxylan oleh enzym endo-β-

xylanase dirombak menjadi oligosakarida mengandung xylosa. Selanjutnya oleh

endo-β-xylanase, β-D-xylosidase, α-L-arabinosidase dan α-D-glukuronidase akan

dirombak menjadi xylosa, arabinosa, dan asam glukuronat. Disamping itu enzim

α-L-arabinosidase dan α-D-glukoronidase dapat pula merombak senyawa

kompleks arabinoglucoronoxylan, arabinoxylan dan glukuronoxylan menjadi

arabinosa dan asam glukoronat atau menjadi xylan yang selanjutnya dirombak

44

oleh endo-β-xylanase menjadi oligosakarida mengandung xylosa. Selanjutnya

enzim endo- β-xylanase dan β-D-xylosidse menjadi xylosa (Gambar 2.22).

Gambar 2.22 Skema Biodegradasi Xylan (Sumber: Dekker, 1985)

Perombakan total senyawa mannanosa dari hemiselulosa membutuhkan

kompleks enzim mananase yang terdiri dari; β-D-mannanase (EC 3.2.1.78)

(terdiri dari tyfe endo-β-D-mannanase dan ekso-β-D-mannanase), exo-β-

mannosidase (EC 3.2.1.25), α-galactosidase (EC 3.2.1.22), β-D-glucosidase (EC

3.2.1.21), dan acetyl mannan esterases (EC 3.1.1.6) untuk memutus rantai utama

dan rantai samping dari struktur bangun mannanosa (Dekker, 1985; Hagglund,

2002; Yeoman et al., 2010; Zyl et al., 2010; Shimizu et al., 2015) (Gambar 2.23).

Enzim endo β-D-mananase menghidrolisis secara acak bagian tengah ikatan β-1,4

dari mannan, galaktomannan dan/atau glukomannan. Enzim β-mannosidase

ARABINOGLUCORONOXYLANS

ARABINOXYLANS

GLUCORONOXYLANS

XYLOSE – OLIGOSACCHARIDES

OF MIXED CONSTITUTION

XYLOSE

ARABINOSE

GLUCORONIC ACID

XYLAN

OF LOW DS

ARABINOSE

GLUCORONIC ACID

XYLOSE – OLIGOSACCHARIDES

SOME OF MIXED CONSTITUTION

XYLOSE

α-L-arabinosidase

α-D-glucoronidase endo-β-xylanase

endo-β-xylanase endo-β-xylanase

β-D-xylosidase

α-L-arabinosidase

α-D-glucoronidase

endo-β-xylanase

β-D-xylosidase

45

(dikenal dengan β-1,4-D-mannoside mannohydrolase) mengkatalisis hidrolisis

unit mannose dari rantai samping ikatan mannosida nonpereduksi. Hagglund

(2002) menambahkan bahwa beberapa enzim β-mannosida mempunyai aktivitas

aktif baik pada rantai glukosida maupun mannosida serta mampu mendegradasi

manno-oligosakarida rantai panjang. Enzim α-galactosidase berperanan

memutuskan ikatan α-1,6 non pereduksi unit residu galaktosa. Enzim β-D-

glucosidase berperanan sebagai katalis pada hidrolisis terminal non pereduksi dari

residu glukosa dari oligosakarida, sedangkan enzim acetyl mannan esterases

berperanan dalam degradasi acetil heteromannan. Zyl et al. (2010) menambahkan

enzim ini mengkatalisis hidrolisis gugus acetil dari berbagai substrat.

Gambar 2.23 Degradasi Mannan Secara Enzimatik (Sumber: Zyl et al., 2010)

Dekker (1985) menunjukkan alur degradasi senyawa kompleks mannan

secara enzimatis yang dimulai dengan adanya aktivitas enzim α-D-galaktosidase

dan/atau endo β-mannanase yang merombak senyawa kompleks glukomannan

46

atau galaktoglukomannan, dimana enzim α-D-galaktosidase akan memecah

glukomannan atau galaktoglukomannan menjadi galaktosa dan glukomanan, yang

kemudian dilanjutkan oleh enzim endo-β-mannanase yang merombak

glukomannan menjadi mannosa oligosakarida yang selanjutnya akan dipecah

kembali menjadi mannosa dan glukosa oleh kerja enzim endo-β-mannanase, β-D-

glucosidase dan β-D-mannosidase. Disamping itu glukomannan dan/atau

galaktoglukomannan akan dirombak menjadi mannosa-oligosakarida oleh enzim

endo-β-mannanase yang selanjutnya diuraikan menjadi komponen penyusunnya

yaitu mannosa, glukosa dan galaktosa oleh aktivitas enzim endo-β-mannanase, β-

D-glukosidase, α-D-mannosidase dan β-D-mannosidase (Gambar 2.24).

Gambar 2.24. Skema Biodegradasi Mannanosa (Sumber: Dekker, 1985)

Berbagai mikroorganisme mampu menghasilkan enzim pendegradasi

hemiselulosa (hemiselulase), antara lain Trichoderma, Aspergillus, Bacillus sp,

Aeromonascaviae, Neurospora sitophila, Cryptococcus, Chaetomium, Humicola,

endo-β-mannanase

GALACTOGLUCOMANNANS

GLUCOMANNANS

endo-β-mannanase

MANNOSE OLIGOSACCHARIDES

OF MIXED CONSTITUTION

MANNOSE

GLUCOSE

GALACTOSE

GALACTOSE GLUCOMANNAN

α-d-galactosidase

endo-β-mannanase

β-D-glucosidase

β-D-mannosidase

MANNOSE

GLUCOSE

MANNOSE OLIGOSACCHARIDES

OF MIXED CONSTITUTION endo-β-mannanase

β-D-glucosidase

α-D-mannosidase

β-D-mannosidase

47

Talaromyces, Clostridium sp, dll (Chandel et al., 2007). Howard et al. (2003)

menunjukkan bakteri dengan aktivitas hemiselulase tinggi yaitu; Clostridium

stercoratium, Thermoanaerobacter ethanolicus, Pyrococcus furiosus, Bacillus

pumilus, B. subtilis, B. polymyxa, E. coli, Fibrobacter succinogenes (Tabel 2.7).

Tabel 2.7 Isolat Bakteri dan Aktivitas Enzim Hemiselulase yang Dihasilkan

Organisme 1 Enzym Substrat

Aktivitas Enzim

(μmol/menit/mg)

Suhu Optimum

(oC)

pH

optimum

Clostridium

stercorarium

Feruloyl esterase Ethyl Ferulate 88 65 8

Clostridium

stercorarium

α-L-arabino

furanosidase

alkyl-α-arabino

furanoside / /

883 NA NA

Thermoanaero-

bacter ethanolicus

β-1,4-xylosidase o-nitrophenyl-β-D-

xylopyranosida

1073 93 6

Thermoanaero-

bacter

saccharolyticum

α-Glucuronidase 4-O-methyl-

glucuronosyl-

xylotriose

9,6 50 6

Pyrococcus

furiosus

Exo-β-1,4-

mannosidase

p-nitrophenyl-β-D-

galactosida

31,1 105 7,4

Bacillus pumilis Endo 1,4-β–

Xylanase

β -1,4-D-Xylan 1780 40 6,5

Bacillus polymyxa β-Glucosidase 4-nitrophenyl-β-D-

glucopyranosida

2417 NA NA

Escherichia coli α-Galactosidase raffinose 27350 60 6,8

Fibrobacter

succinogenes

Acetyl xylan

esterase

Acetyl xylan 2933 NA NA

Bacillus subtilis

endo-β-1,4-

mannanase

kompleks mannans 514 NA NA

Bacillus subtilis mannan endo-1,4-

β-mannosidase

kompleks mannans 514 50 – 60 5 – 7

Bacillus subtilis Endo-α-1,5-

arabinanase

1,5-α-L-arabinan 429 60 6 – 8

Bacillus subtilis Endo-

galactanase

arabinogalactan 1790 48 6

Bacillus subtilis2 xylanase Birchwood and oat

spelt xylan

36633,4 60 5,8

Bacillus sp. SN52 xylanase Beechwood xylan 4511,9 55 7,5

Bacillus brevis

ATCC 82462

xylanase Jerami gandum 4380 55 7,0

Paenibacillus

macerans IIPSP32

xylanase Beechwood xylan 4170±23,5 60 4,5

Paenibacillus sp.

NF12

xylanase oatspelt xylan 3081,05±4,12 60 6,0

Bacillus

licheniformis3

β-mannanase glucomannan 251,41 NA NA

Sumber: 1Howard et al. (2003),2Kalim et al. (2015); 3Ge et al. (2016),

Keterangan: NA=Non-Analysis/Tidak dianalisis

48

Lee et al. (1985) mengungkapkan dari 20 strain Clostridium sp. diketahui

C.acetobutylicum NRRL B527 dan ATCC 824 menghasilkan xilanase terbanyak.

Strain NRRL B527 menghasilkan xilanase pada pH 5,2, sedangkan ATCC 824

menghasilkan xilanase, xilopiranosidase, dan arabinofuranosidase pada kondisi

anaerob. Marques et al. (1998) melaporkan Bacillus sp. menghasilkan xylanase

tahan panas dan alkali. Ellis dan Magnuson (2012) melaporkan Anoxybacillus

flavithermus TWXYL3 menghasilkan xylanase tahan panas dan alkali.

Mikroorganisme pendegradasi hemiselulosa secara anaerobik telah banyak

diisolasi dari berbagai sumber/lingkungan anaerobik dan beraktivitas melalui 3

tahapan utama, yaitu; 1) hidrolisis polimer hemiselulosa oleh kompleks enzim

hemiselulase menjadi senyawa sederhana/monomer, 2) fermentasi senyawa

monomer menjadi asam-asam organik, H2 dan CO2, dan 3) konversi lanjutan dari

asam-asam organik, hidrogen dan CO2 menjadi methan (Gambar 2.25).

Gambar 2.25. Degradasi Hemiselulosa oleh Mikroorganisme Anaerobik

(Sumber; Candra et al., 2015)

Hemiselulosa

Monomer (xylosa, mannosa, dll)

Hidrolisis

VFA rantai pendek (suksinat, laktat, alkohol)

H2 dan CO2 Asam Format

Asam Asetat

Acetogenesis

Acidogenesis

CH4 dan CO2

Methanogenesis

49

Schyns (1997) mengungkapkan bahwa hidrolisis xilan oleh mikroba

anaerob pada rumen dan/atau saluran pencernaan hewan lainnya memegang

peranan penting dalam metabolisme nutrien mahluk hidup. Ruminococcus,

Butyrivibrio, Bacteriodes, Prevotella dan Fibrobacter sp. adalah bakteri rumen

yang mempunyai aktivitas xylanolitik dan berbagai enzim xylanolitik dari

mikroba tersebut telah berhasil diisolasi. Lebih lanjut diungkapkan bahwa

Fibrobacter succinogenes diketahui juga menghasilkan enzim xylanase yaitu

acetyl xylan esterase, gluccurosidase, arabinofuranosidase, dan ferulic acid

esterase. Produk fermentasi utama dari F. succinogenes adalah suksinat, asetat,

format dan CO2. Zorec et al. (2014) mengungkapkan bakteri rumen Prevotella

bryantii dan Pseudobutyrivibrio xylanivorans menghasilkan xylanase dengan

efisiensi tinggi serta potensial sebagai probiotik pakan atau fermentor biogas.

Kalim et al. (2015) mengungkapkan bahwa mikroba dan/atau enzim xylanase

yang dihasilkan mempunyai peranan penting dalam dunia industri baik sebagai

penghasil bioetanol, pakan ternak, suplemen makanan xylo-oligosakarida/XOS,

produksi kertas, industri kue, produksi xylitol, minuman segar/bir.

2.4 Cairan Rumen dan Rayap Sebagai Sumber Bakteri Lignoselulolitik

2.4.1 Cairan Rumen Sebagai Sumber Bakteri Lignoselulolitik

Cairan rumen merupakan limbah rumah potong hewan yang mengandung

berbagai mikroba seperti dari bakteri, protozoa dan fungi (Arora, 1995) dan

menghasilkan berbagai enzim pendegradasi serat (Hungate, 1966). Kamra (2005)

mengungkapkan mikroba rumen ruminansia di daerah tropis yang mengkonsumsi

pakan kaya serat terdiri dari bakteri (1010

–1011

sel/ml, terdiri dari 50 genus),

50

protozoa bersilia (104–10

6/ml, terdiri dari 25 genus), dan fungi anaerob (10

3-10

5

zoospore/ml, terdiri dari 5 genus).

Perez et al. (2002) mengungkapkan dalam rumen terdapat berbagai bakteri

pendegradasi lignoselulosa. Bakteri Pseudomonas, Flavobacterium dan Bacillus

mempunyai kemampuan mendegradasi senyawa lignin secara anaerobic. Akin

dan Benner (1988) mengungkapkan bakteri rumen mempunyai aktivitas cukup

tinggi dalam merombak lignin menjadi gas terutama gas methan. Bakteri

pendegradasi selulosa merupakan kelompok bakteri dengan jumlah dan komposisi

terbanyak dalam rumen. Bakteri selulolitik dalam rumen antara lain Fibrobacter

succinogenes, Ruminococcus flavafaciens, Ruminococcus albus, Clostridium

lochheadii, Eubacterium cellulosolvens dan Butyrifibrio fibrisolvens, sedangkan

bakteri yang berfungsi sebagai pendegradasi hemiselulosa dalam rumen antara

lain Butirifibrio fibrisolvens, Bacteroides ruminocola, dan Ruminococcus

amylolytica (Weimer et al., 1999). Selain kelompok bakteri pendegradasi

lignoselulosa, dalam rumen terdapat pula bakteri pendegradasi gula antara lain

Triponema bryantii, Lactobacillus ruminus serta bakteri pendegradasi protein

antara lain Clostridium sporogenus, Bacillus licheniformis. Hasil penelitian

Suardana et al. (2007) menunjukkan dari cairan rumen sapi bali dapat diisolasi

bakteri asam laktat (BAL) dengan kemampuan antimikroba yang cukup luas baik

untuk bakteri gram positif maupun gram negatif, yaitu isolat SR21 (Lactococcus

lactis spp lactis 1) dan isolat SR54 (Lactobacillus brevis 1). Chiquette (2009)

mengungkapkan dalam saluran pencernaan ruminansia terdapat berbagai bakteri

probiotik dan penghasil asam laktat dari golongan Lactobacillus sp. (L.

51

acidophillus, L. casei, L. crispatus, L. gallinarum, dll) dan Bifidobacterium sp. (B.

adolescentis, B. breve, B. lactis, dll), bakteri asam laktat lain (Enterococcus

faecalis, Lactococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides) dan bakteri non laktat

(Bacillus cereus, Propionibacterium freudenreichii).

Pada umumnya kelompok bakteri lignoselulolitik akan dominan pada

rumen bila ternak mengkonsumsi hijauan/pakan kaya serat. Tiga spesies bakteri

selulolitik yaitu Ruminococcus flavifaciens, Fibrobacter succinogenes dan

Ruminococcus albus bersifat kompetitif dalam rumen. Dalam kondisi jumlah

substrat cukup tersedia, ketiga spesies tersebut terdapat dalam jumlah hampir

seimbang tetapi bila jumlah substrat terbatas populasi Ruminococcus flavifaciens

akan lebih tinggi dibandingkan Fibrobacter succinogenes dan Ruminococcus

albus (Chen dan Weimer, 2001). Namun hasil penelitian Berra-Maillet et al.

(2004) menunjukkan bahwa populasi Fibrobacter succinogenes adalah paling

besar di dalam rumen sapi dan domba.

Adanya berbagai mikroba khususnya bakteri lignoselulolitik dan

diantaranya tergolong bakteri penghasil asam laktat yang mempunyai sifat anti

mikroba yang cukup luas dengan berbagai enzim pendegradasi dinding sel

merupakan faktor utama yang menyebabkan limbah isi rumen sangat potensial

dimanfaatkan sebagai fermentor/inokulan maupun feed suplemen berprobiotik.

(Dewi et al., 2013; Mudita et al., 2009;2010; 2012; 2013; Putri et al., 2009).

Penelitian Mudita et al. (2009; 2013); Putri et al. (2009) dan Wibawa et al.

(2009; 2010; 2011) menunjukkan limbah isi rumen kaya bakteri pendegradasi

serat dan dapat diproduksi menjadi bioinokulan/feed suplemen ransum berbasis

52

limbah pertanian. Penelitian Mudita et al. (2009) menunjukkan penggunaan 5-20

% cairan rumen mampu menghasilkan inokulan dengan populasi total bakteri

9,51–9,73 x 109CFU dan bakteri selulolitik 7,67 – 8,07 x 10

9CFU. Putri et al

(2009) mengungkapkan limbah rumen sapi bali dapat dimanfaatkan sebagai

sumber inokulan dalam proses fermentasi ransum berbasis limbah

nonkonvensional karena mengandung berbagai mikroba dan enzim pendegradasi

serat kasar. Dewi et al. (2013) juga mengungkapkan pemanfaatan 20 - 80%

limbah isi rumen menghasilkan feed suplemen dengan kandungan total bakteri

2,98 – 3,33 x 108 CFU dan bakteri selulolitik 2,5 – 2,87 x 10

8 CFU.

Pemanfaatan limbah padat/cair dari rumen yang kaya berbagai mikroba

sebagai inokulan dan/atau suplemen akan meningkatkan kualitas pakan/ransum

kaya serat, menurunkan kandungan serat kasar termasuk senyawa lignoselulosa

pakan, mengurangi kandungan senyawa antinutrisi, meningkatkan kecernaan

nutrien ransum/pakan serta mampu menghasilkan produktivitas ternak lebih tinggi

dengan emisi polutan lebih rendah (Ginting, 2004; Kaiser, 1984; Dewi et al.,

2013; Mudita et al., 2009; 2010; 2013; Putri et al., 2009; Wibawa et al., 2011).

2.4.2 Rayap Sebagai Sumber Bakteri Lignoselulolitik

Rayap (Termites) merupakan serangga pemakan/dekomposer kayu yang

sangat potensial dimanfaat sebagai sumber isolat/inokulan. Rayap dapat mencerna

lignoselulosa dengan menggunakan enzim selulase yang dihasilkan oleh rayap itu

sendiri dan simbion (Watanabe et al., 1998; Ohkuma, 2003). Watanabe et al.

(1998) mengungkapkan sel tubuh, air liur, saluran pencernaan serta sarang rayap

mengandung berbagai enzim pendegradasi serat. Purwadaria et al. (2003a,b

dan

53

2004) menyatakan saluran pencernaan rayap mengandung mikroba (bakteri,

protozoa maupun fungi), menghasilkan kompleks enzim selulase yaitu endo-β-D-

1.4-glukanase/CMC-ase, aviselase, eksoglukanase dan β-D-14-glukosidase, dan

hemiselulase (endo-1,4-β-xilanase dan enzim β-D-1,4-mannanase). Kamsani et al.

(2015) mengungkapkan bahwa beberapa isolat bakteri seperti Bacillus sp. B1,

Bacillus sp. B2 dan Brevibacillus sp. Br3 menghasilkan enzim lignoselulase

terdiri atas endoglukanase, eksoglukanase, β-glukosidase, xylanase, Lignin-

peroksidase, Mangan-peroksidase dan Lakase dengan aktivitas enzim tinggi.

Breznak (2000) mengungkapkan rayap tingkat rendah lebih banyak

bersimbiosis dengan protozoa sedangkan rayap tingkat tinggi lebih banyak

bersimbiosis dengan bakteri. Kato et al. (1998) dan Geib et al. (2008)

menunjukkan bakteri Rhodococcus erythropolis, Sphingomonas sp., Brucella

melitensis, Ochrobacterium sp., Burkholderia sp., dan Microbacterium sp. yang

diisolasi dari saluran pencernaan rayap mempunyai kemampuan mendegradasi

senyawa aromatik dari lignin. Kato et al. (1998) juga menunjukkan bahwa bakteri

asal rayap menghasilkan lignase yang mampu mendegradasi senyawa aromatik

dari lignin. Tokuda et al. (2004) mengungkapkan pada rayap tingkat rendah

(Mastotermitidae, Kalotermitidae, Rhinotermitidae dan Termopsidae), aktivitas

endoglukanase tertinggi ditemukan pada kelenjar saliva (45-86%), sedangkan

pada rayap tingkat tinggi (Macrotermitinae, Termitinae dan Nasutitermityinae ),

aktivitas endoglukanase tertinggi ditemukan di usus tengah (96-99%). Borji et al.

(2003) mengungkapkan bahwa beberapa isolat seperti Bacillus sp., Enterobacter

sp., dan Ochrabacterium sp. mempunyai kemampuan mendegradasi lignin dan

54

polisakarida dari jerami gandum. Enterobacter mempunyai kemampuan degradasi

dan tumbuh lebih cepat dari kedua isolat lainnya. Konig (2005) juga

mengungkapkan bahwa beberapa Bacillus dan Paenibacillus sp. berhasil diisolasi

dari saluran cerna rayap yang mempunyai peranan penting dalam perombakan

polisakarida dan senyawa aromatik. Spesies dari genus Bacillus merupakan

populasi terbanyak dengan jumlah populasi lebih dari 107 sel/ml isi saluran cerna.

Bakteri pendegradasi selulosa (selulolitik) seperti Bacillus cereus Razmin

A, Enterobacter aerogenes Razmin B, Enterobacter cloaceae Razmin C,

Chryseobacterium kwangyangense Strain Cb, Acinetobacter telah berhasil

diisolasi dari rayap Coptotermen curnignathus (Razmin et al., 2009). Sedangkan

Sukartiningrum (2012) berhasil mengisolasi bakteri xilanolitik dari rayap tanah

yaitu Bacillus anthraccis, Bacillus thuringiensis, Bacillus mycoides, Bacillus

acidicola, Bacillus halmapalus, Bacillus acidiceler,Escherichia coli, E.

fergusonii. E. albertii, Shigella dysenteriae, Citrobacter youngae, Salmonella

enterica subsp. indica, dan Enterobacter asburiae.

Kamsani et al. (2015) melaporkan bakteri Bacillus sp B1, Bacillus sp. B2,

dan Brevibacillus sp. Br3 yang diisolasi dari saluran cerna rayap Bulbitermes sp.

masing-masing mampu menghasilkan aktivitas enzim endoglukanase (138,77;

10,02; 3,46 U/g), eksoglukanase (10,17; 32,16; 14,19 U/g), β-glukosidase (2,38;

1,81; 5,45 U/g), xylanase (72,33; 66,33; 104,96 U/g), lignin peroksidase (577,03;

500,99; 648,60 U/g), manganeseperoksidase (47,73; 41,48; 36,93 U/g) dan lakase

(45,14; 71,18; 43,4 U/g) pada fermentasi substrat serbuk gergaji kayu selama 14

hari. Pada penelitian tersebut juga ditunjukkan kombinasi antara dua isolat, 3

55

isolat atau 4 isolat (dengan isolat jamur Aspergillus sp. A1) menghasilkan aktivitas

enzim lebih tinggi daripada penggunaan isolat tunggal (Gambar 2.26).

Gambar 2.26 Grafik Aktivitas Enzim (a) Endoglukanase, (b) Eksoglukanase, (C) β-

Glukosidase dari Isolat Tunggal atau Kombinasi Isolat antara Aspergillus fumigatus

(SK1 sebagai kontrol), A1 (Aspergillus sp. A1), B1 (Bacillus sp. B1), B2 (Bacillus sp.

B2), Br3 (Brevibacillus sp. Br3) [Sumber: Kamsani et al., 2015]

Purwadaria et al. (2003) menunjukkan ekstrak rayap segar mempunyai

aktivitas enzim pada dedak padi sebesar 25,30 µmol/g BK rayap, 8,32 µmol/g BK

rayap pada pollard, 0,56 µmol/g BK rayap pada tepung kedele dan 0,17 µmol/g

BK rayap pada tepung jagung. Purwadaria et al. (2004) mengungkapkan bahwa

bakteri yang diisolasi dari rayap G. montanus dan Termitidae yaitu Bacillus

larvae, B. pumilus, B. mycoides, Enterobacter sp., dan 1 isolat belum

teridentifikasi mampu menghasilkan diameter zone bening yang tinggi (1,7 – 4,0

cm) dengan nisbah daerah bening 3,6 – 10,0 kali.

56

Prabowo et al. (2007) menunjukkan ekstrak rayap mempunyai aktivitas

enzim CMC-ase yang sangat tinggi yaitu 0,6961-0,7638 U/mg atau 7,11-33,95

kali lebih besar dibandingkan dengan cairan rumen kerbau, bahkan 19,39-35,69

kali lebih besar daripada aktivitas enzim cairan rumen sapi, namun kombinasi

mikrobia dari ekstrak rayap dengan cairan rumen sapi atau ekstrak rayap dengan

cairan rumen kerbau menghasilkan aktivitas enzim CMC-ase yang sama bahkan

lebih besar dengan ekstrak rayap (tunggal) yaitu 0,1249; 0,1105 U/mg Vs 0,1197

U/mg. Hal ini disinyalir sebagai akibat mikobia selulolitik cairan rumen sapi dan

kerbau mempunyai aktivitas enzim ekso-glukanase dan β-glukosidase yang lebih

tinggi daripada mikrobia ekstrak rayap. Lebih lanjut diungkapkan peningkatan

aktivitas enzim ekso-glukanase dan β-glukosidase pada sistem kompleks enzim

selulase, akan meningkatkan aktivitas enzim CMC-ase, sebagai akibat produk

hasil degradasi enzim sebelumnya dapat segera dirubah oleh enzim selanjutnya.

2.5 Pemanfaatan Bakteri dalam Menunjang Produktivitas Sapi Bali

2.5.1 Peranan Bakteri Lignoselulolitik dalam Fermentasi Pakan Sapi

Fermentasi pakan merupakan teknologi pengolahan pakansecara biologis

yang mengakibatkan terjadinya perubahan kimia pada substrat sebagai hasil kerja

mikroorganismedan/atau produk mikroorganisme(enzim) dengan menghasilkan

produk tertentu (Tamada et al., 1999). Fermentasi pakan kaya serat seperti limbah

pertanian bertujuan merubah struktur fisik bahan pakan, pengawetan, mengurangi

kandungan anti nutrisidan mengurangi kehilangan nutrien-nutrien available bahan

pakan (Murni et al., 2008). Wahyono dan Hardianto (2004) menyatakan

fermentasi pakan adalah salah satu upaya meringankan kerja mikroba rumen

57

karena serat pakan mendapat aktivitas enzimatik dari mikroorganisme diluar

rumen sebelum pakan dikonsumsi ternak.Aplikasi teknologi fermentasi terbukti

aman dan tidak menimbulkan efek negatif baik bagi ternak, peternak/masyarakat

serta lingkungan (Tamada et al., 1999) serta mampu menghasilkan pakan yang

lebih palatable dibandingkan dengan teknologi amoniasi (Partama et al., 2006).

Fermentasi bahan pakan kaya serat seperti limbah tanaman pertanian

dilaksanakan oleh aktivitas kompleks enzim lignoselulolitik yang dihasilkan

bakteri dan/atau jamur pendegradasi serat kasar khususnya senyawa lignoselulosa

(lignoselulolitik) dengan mendegradasi setiap komponen lignoselulosa baik lignin,

selulosa maupun hemiselulosa menjadi gula sederhana, CO2 dan energi/panas

(Bansal et al., 2012; Howard et al., 2003). Pemanfaatan mikroba lignoselulolitik

sebagai bioinokulan dalam pembuatan silase (fermentasi bahan pakan kaya serat)

akan mempercepat dan memperbaiki proses fermentasi (penurunan pH,

peningkatan rasio laktat:asetat, menurunkan amonia), menurunkan kandungan

serat pakan, mengurangi senyawa antinutrisi dan meningkatkan kecernaan nutrien

(Ginting, 2004; Mudita et al., 2009; 2013; Wibawa et al., 2009; 2010; 2011).

Forano dan Flint (2000) mengungkapkan pemanfaatan/penambahan

bakteri dalam proses ensilase bertujuan meningkatkan degradasi komponen

dinding sel tanaman/bahan pakan, meningkatkan ketersediaan asam amino atau

menurunkan kehilangan amonia, meningkatkan ketersediaan nutrien lainnya

seperti fosfor, menurunkan kehilangan energi dalam bentuk metan atau

meningkatkan proporsi VFA, mencegah berbagai gangguan pencernaan seperti

asidosis, bloat maupun gangguan pencernaan lainnya, menurunkan atau

58

menghilangkan kandungan racun (detoksifikasi) bahan pakan/tanaman, mencegah

berbagai penyakit/pathogen bagi ternak atau manusia.

Berbagai jenis bakteri pendegradasi serat mempunyai peranan penting

dalam proses ensilase. Scheirlinck et al. (1989 dan 1990) mengungkapkan

penambahan Lactobacillus plantarum pada produksi silase bahan pakan dengan

kandungan karbohidrat mudah larut yang rendah merupakan hal yang sangat

penting. Hal ini mengingat Lactobacillus plantarum mampu menghasilkan enzim

alpha amylase, cellualase dan xylanase sehingga produksi asam laktat dapat

meningkat. Bakteri lignoselulolitik lainnya baik isolat murni mupun kultur

campuran/konsorsium dan dengan kompleks enzim yang diproduksinya terbukti

mampu menjadi inokulan dalam proses ensilase (fermentasi) pakan kaya serat

kasar termasuk limbah pertanian (Bansal et al., 2012: Imansyah, 2007: Mudita et

al., 2008; 2009; 2010; 2012; 2013; Wahyudi dan Bachruddin, 2005).

Imansyah (2007) mengungkapkan aktivitas mikroorganisme selama proses

fermentasi akan mengubah sifat bahan pakan dan menghasilkan produk/substrat

yang bermanfaat. Substrat yang mengalami fermentasi akan memiliki nilai

gizi/kualitas nutrien yang lebih tinggi daripada bahan asalnya. Hal ini dikarenakan

sifat katabolik dan anabolik mikroorganisme yang mampu memecah komponen

yang lebih kompleks menjadi senyawa sederhana yang mudah tercernadan

membentuk nutrien available yang bermanfaat bagi ternak. Selain berperanan

untuk mendegradasi senyawa kompleks, mikroorganisme juga mensintesis

vitamin-vitamin serta nutrien/unsur-unsur lain yang bermanfaat bagi pertumbuhan

ternak. Proses fermentasi akan merombak struktur/komposisi kimia jaringan

59

dinding sel dan pemutusan ikatan lignoselulosa, sehingga kecernaan bahan pakan

kaya serat akan mengalami peningkatan (Mudita et al., 2008; 2009;2012; 2013)

Proses fermentasi (ensilase) meliputi 2 fase yaitu fase aerobik dan fase

anaerobik. Fase aerobik terjadi dengan adanya oksigen, yang dimanfaatkan oleh

tanaman/bahan pakan dalam kondisi kandungan air yang tinggi untuk proses

respirasi. Enzim tanaman/pakan dan mikroba memanfaatkan oksigen dan

mengoksidasi karbohidrat mudah larut (water soluble carbohydrate/WSC)

menjadi CO2 dan energi/panas. Fase anaerobik dimulai setelah oksigen habis

untuk respirasi serta bakteri anaerobik berkembang pesat dan memulai proses

fermentasi dengan memanfaatkan WSC untuk menghasilkan asam laktat yang

akan menurunkan pH, sehingga membatasi pemecahan protein dan menghambat

pertumbuhan mikroba pembusuk seperti Enterobacteria dan Clostridia (Gambar

2.27 dan 2.28) Produksi asam laktat yang berlanjut akan menurunkan pH yang

dapat menghambat pertumbuhan semua mikroba.

Gambar 2.27. Perubahan selama proses ensilase (Sumber: Van Soest, 1994)

Terdapat tiga hal pokok yang harus diperhatikan dalam fermentasi bahan

pakan yaitu mempercepat penghilangan udara, menghasilkan asam laktat untuk

menurunkan pH, mencegah masuknya oksigen/O2 kedalam silo dan menghambat

60

pertumbuhan mikroba pembusuk selama penyimpanan (Gambar 2.27). Mikroba

(bakteri maupun mikroba lainnya) dalam proses fermentasi berperanan memacu

terciptanya kondisi asam dan anaerob dalam waktu singkat. Sehingga secara tidak

langsung akan menghambat pertumbuhan mikroba pembusuk (Van Soest, 1994).

Gambar 2.28. Proses dan Faktor yang Mempengaruhi Proses Fermentasi

(Sumber: Murni et al., 2008)

Penghilangan oksigen sangat penting karena sel tumbuhan tidak langsung

mati pada saat pemanenan, namun sel tersebut terus bernapas/berespirasi. Apabila

oksigen masih terdapat pada silo, maka gula (plant sugars) akan teroksidasi.

Oksidasi gula tanaman akan menurunkan nilai energi dari hijauan dan secara tidak

langsung akan meningkatkan komponen serat yang memliki kecernaan rendah

bagi ternak. Respirasi tanaman juga mengakibatkan peningkatan kehilangan

bahan kering, mengganggu proses ensilase, menurunkan nilai nutrisi dan

kestabilan silase (Murni et al., 2008).

Mikroba khususnya bakteri lignoselulolitikn dalam mendukung proses

fermentasi membutuhkan adanya substrat mudah terfermentasi dalam bentuk

water soluble carbohydrate/WSC (karbohidrat mudah larut) yang cukup, buffering

61

capasity yang rendah dan kandungan bahan kering diatas 20% (McDonald et al.,

2002). Komponen gula mudah larut pada hijauan/pakan yang difermentasi

berguna sebagai substrat primer (primary substrate) bagi bakteri penghasil asam

laktat yang akan menurunkan pH atau derajat keasaman (acidity) pada silase

sehingga silase menjadi stabil dan awet dalam waktu lama. Apabila kandungan

gula substrat rendah, maka proses fermentasi tidak berjalan dengan baik sebagai

akibat pertumbuhan dan aktivitas bakteri asam laktat yang rendah sehingga pH

silase tinggi (pH >4,8). Lana dan Saransi (2004) mengklasifikasikan silase pakan

hijauan dinilai berkualitas (skor tinggi; 60) apabila silase menghasilkan pH<4,1,

namun apabila pH >4,8 silase akan diberi skor 0 (silase berkualitas rendah).

Kadar air bahan juga merupakan faktor yang sangat berpengaruh pada

proses fermentasi. Kandungan air yang optimal pada bahan segar berkisar antara

60-70% atau 65% (Murni et al., 2008). Kadar air tersebut sangat mendukung

pertumbuhan dan aktivitas bakteri dalam proses fermentasi dan penghilangan

oksigen pada silo. Kandungan air yang terlalu tinggi akan memacu pertumbuhan

bakteri penghasil asam butirat dan amoniak yang menyebabkan produksi dan

konsentrasi asam butirat (butiryc acid) serta amonia yang tinggi, sehingga silase

akan memiliki keasaman rendah (pH tinggi) dan menyebabkan munculnya bau

menyengat pada silase sehingga tidak mau dikonsumsi oleh ternak.

Keberadaan bakteri pendegradasi serat pakan termasuk bakteri asam laktat

(BAL) akan mendukung terjaganya temperatur optimal selama proses fermentasi.

Keberadaan bakteri serta didukung adanya komponen gula mudah larut/WSC

akan mempercepat hilang/habisnya oksigen dalam silo. Hal ini mengingat reaksi

62

gula dengan oksigen akan menghasilkan CO2, H2O, dan panas. Panas dalam silo

harus dijaga dalam kondisi optimum (40–60oC) sehingga dapat mendukung proses

fermentasi dan aktivitas bakteri asam laktat secara optimal (Murni et al., 2008).

Aktivitas bakteri pendegradasi serat pakan dengan kompleks enzim

lignoselulasenya akan mendegradasi lignoselulosa bahan/pakan menjadi gula

sederhana sehingga menghasilkan silase dengan kualitas yang baik, yaitu silase

yang memiliki aroma harum/manis dengan sedikit asam, wangi dan merangsang

untuk mencicipi dan dengan warna seperti bahan segarnya (Lana, 1992; Murni et

al., 2008) serta kaya nutrient available (Kaiser, 1984).

Berbagai hasil penelitian telah menunjukkan peranan penting bakteri

lignoselulolitik (isolat murni maupun konsorsium/inokulan) beserta produknya

(enzim) dalam proses fermentasi bahan pakan kaya serat termasuk limbah

pertanian (Bansel et al., 2012; Mudita et al., 2008; 2009; 2013; Sasongko dan

Sugoro, 2004; Wibawa et al., 2009, 2010; 2011). Hasil penelitian Sasongko dan

Sugoro (2004) menunjukkan fermentasi jerami padi dengan isolat bakteri anaerob

dari cairan rumen kerbau mampu meningkatkan kecernaan bahan kering jerami

padi secara in-vitro. Hasil penelitian Wahyudi (2012) menunjukkan penambahan

isolat bakteri dan jamur pendegradasi lignoselulosa yang diisolasi dari saluran

pencernaan kerbau, kuda dan feses gajah mampu meningkatkan kecernaan serat

kasar, neutral detergent fiber/NDF, dan acid detergent fiber/ADF jerami padi.

Lebih lanjut diungkapkan penambahan isolat tunggal bakteri Enterococcus

casseliflavus menghasilkan peningkatan kecernaan serat kasar, NDF dan ADF

paling optimal yaitu sebesar 20,08%, 14,04% dan 7,78%.

63

Ekawati (2007) menunjukkan pemanfaatan isolat bakteri selulolitik

dengan kode S2, S6 dan S7 yang diisolasi dari tumpukan kompos mampu

berperanan dalam dekomposisi komponen lignoselulosa jerami padi melalui

penyusutan berat total substrat jerami sebesar 2,23-2,45% per hari, penurunan

kadar selulosa masing-masing sebesar 30,19%; 30,62%; 28,68% dan penurunan

kadar lignin masing-masing sebesar 5,59%; 6,00% dan 5,29%. Sedangkan

fermentasi jerami padi menggunakan inokulan Probion (produk Balitnak, Ciawi,

yang diproduksi dari isi rumen dan kompos) mampu meningkatkan kecernaan in-

vitro serat deterjen netral dari 39,80 % menjadi 58,97%, serta meningkatkan

konsentrasi asam asetat dan asam propionat masing-masing dari 595 μM dan 76,8

μM menjadi 842,7 μM dan 136,0 μM (Haryanto et al., 2004).

Hasil penelitian Mudita et al. (2009) menunjukkan pemanfaatan inokulan

konsorsium mikroba yang diproduksi dari 5 - 20% cairan rumen sapi bali mampu

menghasilkan silase ransum limbah nonkonvensional dengan kualitas yang cukup

baik. Pemanfaatan inokulan yang diproduksi dari cairan rumen sapi bali mampu

meningkatkan produksi N-NH3 (26,98-39,09%), VFA total (41,28-100,63%),

asam asetat (20,56-57,47%), asam propionat (136,33-200,53%), kecernaan bahan

kering (Kc.BK) dan bahan organik (Kc.BO) masing-masing 5,98–25,54% and

21,35–27,93%, menurunkan (P<0,05) kandungan serat kasar ransum (31,80-

40,56%), menurunkan pH substrat ransum sebesar 28,87-30,98% dan menurunkan

produksi emisi methan berdasarkan VFA total (25,46-39,20%) ransum berbasis

limbah nonkonvensional. Lebih lanjut diungkapkan inokulan yang diproduksi dari

cairan rumen sapi bali mengandung total fungi 3,25–3,57 x 103 sel/ml, total

64

bakteri 9,51–9,73 x 109 sel/ml, bakteri selulolitik 7,67–8,07 x 10

9 sel/ml, bakteri

amilolitik 5,73–6,87 x 108 sel/ml, dan bakteri proteolitik 4,83-5,03 sel/ml.

Suryahadi et al (1996) mengungkapkan bahwa kultur campuran dari cairan rumen

sapi mempunyai kemampuan degradasi selulosa sebesar 16,3%/hari, sedangkan

kultur murni yaitu Ruminococcus albus mempunyai kemampuan degradasi

selulosa sebesar 12,7%/hari.

Penelitian Mudita et al. (2012) juga menunjukkan hasil yang sejalan.

Fermentasi ransum limbah pertanian menggunakan inokulan yang diproduksi

memanfaatkan cairan isi rumen dan rayap menghasilkan silase ransum dengan

kualitas yang baik, meningkatkan kandungan protein kasar/PK ransum sebesar

10,5–17,18%, menurunkan serat kasar/SK sebesar 18,78–20,09%, meningkatkan

produksi NNH3, VFA total, asam asetat dan asam propionat masing-masing

41,83–43,78%;21,67–29,96%; 27,84–33,49%; 53,72–71,59%, menurunkan

produksi asam butirat 30,48-43,56%, serta meningkatkan Kc.BK dan Kc.BO

secara in-vitro masing-masing sebesar 22,73-30,60% dan 20,54-26,31%.

Dikemukakan pula bahwa inokulan tersebut mengandung total bakteri 11,96–

14,23x109 koloni/ml, bakteri selulolitik 6,33–8,00x10

9 koloni/ml dan bakteri

xylanolitik 4,87–6,91x109 koloni/ml.

Pemanfaatan enzim pendegradasi serat dalam proses fermenetasi bahan

pakan kaya serat seperti limbah pertanian juga menunjukkan hasil yang sangat

positif (Bansal et al., 2012; Wibawa et al., 2010). Bansal et al. (2012)

menunjukkan kompleks enzim xylanase-selulase yang dihasilkan oleh bakteri

Bacillus subtillis NS7 mampu mendegradasi serat lignoselulosa limbah pertanian

65

seperti jerami gandum, bagas (jerami) tebu, serabut kelapa dan serbuk gergaji

kayu menjadi gula reduksi baik silosa maupun glukosa. Lebih lanjut diungkapkan

jerami gandum menghasilkan gula reduksi tertinggi yaitu 345 mg/g, diikuti oleh

serabut kelapa 325 mg/g, bagas tebu 310 mg/g, dan serbuk gergaji kayu 270 mg/g.

Bahkan Bansal et al. (2012) mengungkapkan kompleks enzim xylanase-selulase

dari Basillus subtillis NS7 mempunyai efisiensi proses sakarifikasi yang lebih

tinggi dibandingkan dengan yang dilaporkan oleh peneliti lainnya.

Hasil penelitian Wibawa et al. (2010) menunjukkan suplementasi 0,25 –

0,50% enzim optyzim kompleks (mengandung selulase,hemiselulase, amylase,

protease, dan pektinase) pada proses fermentasi ransum berbasis limbah

nonkonvensional menggunakan 1,5% cairan rumen sapi bali mampu

meningkatkan kandungan energi dan protein kasar serta menurunkan kandungan

serat kasar silase ransum. Sedangkan hasil penelitian Lamid et al. (2010)

menunjukkan penambahan 5 % enzim lignoselulolitik dan 5% bakteri

lignoselulolitik dapat meningkatkan kualitas khususnya kandungan nutrien

ransum dan mampu meningkatkan produktivitas ternak domba.

2.5.2 Peranan Bakteri Lignoselulolitik dalam Proses Fermentasi Rumen dan

Produktivitas Ternak

Bioproses dalam rumen memegang peranan yang sangat penting dalam

metabolisme nutrien ternak ruminansia terutama yang diberi pakan kaya serat

seperti limbah pertanian. Fermentasi dalam rumen menyumbangkan kecernaan

bahan kering dan bahan organik sebesar 40 – 75% dari total kecernaan nutrien

pakan/ransum, menyediakan 20-80% asam amino, serta berbagai nutrien essensial

66

lainnya bagi proses metabolisme ternak ruminansia (Leng, 1997; Preston, 1995;

Owen dan Goetsch, 1988). Produk fermentasi rumen merupakan sumber nutrien

baik bagi mikroba rumen itu sendiri maupun induk semang (Kamra, 2005).

Fermentasi dalam rumen merupakan serangkaian proses degradasi bahan

pakan khususnya fraksi karbohidrat dan komponen nitrogen/protein pakan,

produksi VFA dan ATP yang berlangsung secara bersamaan serta proses sintesis

sel protein mikroba dari prekursor nitrogen (terutama NH3), kerangka karbon dan

sulfur (Bergen, 1977). Produk akhir fermentasi dalam rumen adalah VFA dan

biomassa mikroba yang menjadi sumber nutrien penting ruminansia. Ternak

ruminansia menggunakan VFA sebagai sumber energi, dan sel-sel mikroba rumen

sebagai sumber protein (asam amino) dan vitamin B kompleks (Chiba, 2014).

Fraksi karbohidrat merupakan komponen terbesar (60–85%) dari pakan

ruminansia termasuk ternak yang diberi pakan berbasis limbah pertanian akan

difermentasi oleh mikroba rumen menjadi senyawa lebih sederhana (Leng, 1997;

Preston, 1995; Sutardi, 1980). Tingkat degradasi dan produk yang dihasilkan

dipengaruhi jenis mikroba dan kualitas enzim yang dihasilkan (Perez et al., 2002).

Secara umum, fraksi karbohidrat baik berupa soluble carbohydrate/isi sel

(gula-gula sederhana dan pati) maupun insoluble carbohydrate/dinding sel/NDF

(selulosa, hemiselulosa yang juga berikatan dengan lignin) mengalami proses

fermentasi dalam 2 tahap. Tahap pertama adalah hidrolisis ekstraseluler

karbohidrat kompleks menjadi oligosakarida rantai pendek terutama disakarida

dan gula-gula sederhana. Tahap kedua adalah pemecahan oligosakarida dan gula-

gula sederhana menjadi asam lemak terbang/volatile fatty acid/VFA terdiri dari

67

asetat, propionat, butirat, valerat dan asam-asam lemak rantai cabang seperti asam

iso butirat, 2-metil butirat dan iso valerat, dimana sebagian besar akan langsung

diserap melalui dinding rumen untuk dimetabolisme dalam tubuh ternak (Gambar

2.29) (Preston dan Leng, 1986).

Gambar 2.29. Fermentasi Karbohidrat dalam Rumen

(Sumber: Preston dan Leng, 1986)

VFA merupakan sumber energi baik untuk mikroba rumen maupun ternak

ruminansia itu sendiri, yang jumlahnya bervariasi (80 – 160 mM) tergantung jenis

dan komposisi pakan serta waktu setelah pemberian pakan (Sutardi, 1979;

Bergman, 1990). Beberapa saat setelah pemberian pakan, produksi VFA akan

meningkat, dan setelah itu terjadi penurunan. Penurunan VFA dalam rumen dapat

mencapai konsentrasi terendahnya yaitu 30 mM dan peningkatannya dapat

mencapai konsentrasi 200 mM (France dan Djikstra, 2005). Konsentrasi VFA

maksimal umumnya terjadi setelah 2 – 4 jam pemberian pakan (Bergman, 1990)

terutama saat ternak diberi pakan hijauan segar atau pakan kaya biji-bijian.

68

Pemberian pakan kering/hay dapat memperlambat laju fermentasi dan konsentrasi

VFA umumnya <100 mM (Bergman, 1990). Lebih lanjut Bergman (1990)

mengungkapkan produksi VFA sangat dipengaruhi kemampuan mikroba rumen

dalam mendegradasi pakan.

Proporsi VFA parsial (terutama asetat, propionat, butirat) dalam rumen

memegang peranan penting dalam penyediaan energi bagi ternak ruminansia. Hal

ini mengingat fermentasi karbohidrat menghasilkan glukosa dalam jumlah yang

kecil yang dapat diabsorbsi, sehingga glukoneogenesis merupakan aktivitas

lanjutan dan metabolisme utama untuk penyediaan energi ruminansia. Propionat

merupakan satu-satunya VFA yang berkontribusi nyata sebagai prekursor utama

pembentukan glukosa (glukogenik). VFA dengan rantai karbon lebih besar seperti

valerat dan heptanoat juga dapat diproduksi menjadi glukosa tetapi jumlahnya

sangat kecil sehingga peranannya kurang signifikan (Bergman, 1990).

Orskov dan Ryle (1990) mengungkapkan bahwa sekitar 80% VFA yang

terbentuk selama proses fermentasi akan diserap melalui vili-vili yang terdapat

pada permukaan dinding rumen yang akan dimanfaatkan untuk memenuhi

kebutuhan energi bagi transfortasi aktif elektrolit-elektrolit, energi hidup

pokok,maupun “turn over” jaringan epitel rumen. Sisanya akan diserap melalui

omasum dan abomasum (Preston dan Leng, 1987).

Komponen protein pakan di dalam rumen mengalami proses hidrolisis

oleh enzim proteolitik (protease) yang dihasilkan mikroba proteolitik rumen

menjadi oligopeptida dan peptida-peptida sederhana selanjutnya dihidrolisis oleh

enzim peptidase membentuk asam amino. Sebagian asam amino diserap melalui

69

dinding rumen dan sebagian lagi dideaminasi menjadi asam alfa keto yang

menghasilkan amonia, VFA (khususnya VFA dengan rantai bercabang seperti

isobutirat, isovalerat dan 2 methyl butirat serta CO2 (Gambar 2.30) (Baldwin dan

Allison, 1983; Bergman, 1990).

Gambar 2.30 Skema Degradasi Protein Pakan pada Ternak Ruminansia

(Sumber: Chiba, 2014)

Proses perombakan komponen karbohidrat dan protein pakan merupakan

aktivitas utama yang mempengaruhi fermentasi dalam rumen, produk fermentasi

rumen dan penyediaan nutrien untuk ternak (Gabler dan Heinrichs, 2003).

Fermentasi karbohidrat dalam rumen akan menghasilkan monomer-monomer

sakarida/gula-gula sederhana dan VFA yang sebagian besar akan dimanfaatkan

dalam proses sintesis komponen isi sel dan dinding sel mikroba, serta

menghasilkan energi dalam bentuk Adenosin Tri Phosphate/ATP yang akan

dimanfaatkan oleh mikroba rumen sebagai sumber energi untuk proses sintesis

protein mikroba maupun aktivitas mikroba lainnya. Sedangkan hasil perombakan

komponen protein pakan dalam rumen baik dalam bentuk amonia dan asam amino

(dalam jumlah kecil) sebagian besar dimanfaatkan dalam sintesis protein dan

70

asam nukleat komponen tubuh mikroba rumen (Firkins et al., 2006; Leng, 1997).

McDonald et al. (2002) mengungkapkan konsentrasi N-NH3 yang optimal untuk

sintesis protein mikroba rumen berkisar 6 - 21 mMol atau 50 – 80 mg N/l (Leng,

1997) dan pemanfaatan N-NH3 untuk sintesis protein mikroba dipengaruhi pula

oleh ketersediaan/degradasi karbohidrat dalam rumen dalam bentuk gula-gula

sederhana (monomer sakarida), VFA dan energi dalam bentuk ATP. Namun saat

pemberian pakan kaya serat konsentrasi N-NH3 yang dibutuhkan lebih tinggi

yaitu 150-200 mg N/l (Leng, 1997). Sehingga optimalisasi bioproses dalam rumen

penting untuk meningkatkan suplai nutrien bagi ternak (Tebot et al., 2002).

Kualitas dan kuantitas produk fermentasi rumen baik VFA, amonia,

maupun protein mikroba dipengaruhi oleh jenis, kuantitas dan kualitas ransum,

waktu setelah pemberian pakan, lingkungan rumen serta jenis, populasi dan

aktivitas mikroba rumen (France dan Dijkstra, 2005; Sutardi, 1979). Mikroba

rumen khususnya bakteri pendegradasi serat berperanan penting dalam penentuan

kualitas dan kuantitas produk fermentasi rumen khususnya saat pemberian pakan

berserat (Hu dan Yu, 2005; 2006; Hyeon et al., 2013).

Secara umum, mikroba rumen terdiri atas 30 spesies bakteri (1010

-1011

/ml

cairan rumen), 40 spesies protozoa (105-10

7/ml) dan 5 spesies fungi (10

5/ml)

(Kamra, 1997). Chiba (2014) mengelompokan bakteri berdasarkan fungsinya

yaitu terkait substrat yang didegradasi (Tabel 2.8). Sedangkan Hespell (1981

dalam Chiba, 2014) menggolongkan bakteri berdasarkan karakteristik dan produk

yang dihasilkan seperti pada Tabel 2.9.

71

Tabel 2.8

Penggolongan Bakteri Berdasarkan Fungsi

No. Fungsi Keterangan

1 Cellulolytic Mencerna selulosa

2 Hemicellulolytic Mencerna hemiselulosa

3 Amylolytic Mencerna pati

4 Proteolytic Mencerna protein

5 Sugar utilizing Menggunakan mono dan disakarida

6 Acid utilizing Menggunakan asam laktat,, suksinat, malat

7 Ammonia producers Memproduksi amonia

8 Vitamin synthesizers Mensintesa vitamin

9 Methane producers Memproduksi methan

Sumber: Chiba (2014)

Tabel 2.9

Karakteristik Bakteri Rumen Berdasarkan Fungsi dan Produk yang Dihasilkan

Spesies Fungsi 1)

Produk 2)

Fibrobacter (Bacteroides) succinogenes C,A F,A,S

Ruminococcus albus C,X F,A,E,H,C

Ruminococcus flavefaciens C,X F,A,S,H

Butyrivibrio fibrisolvens C,X,PR F,A,L,B,E,H,C

Clostridium lochheadii C,PR F,A,B,E,H,C

Streptococcus bovis A,S,SS,PR L,A,F

Ruminobacter (Bacteroides) amylophilus A,P,PR F,A,S

Prevotella (Bacteroides) ruminocola A,X,P,PR F,A,P,S

Succinimonas amylolytica A,D A,S

Selenomonas ruminantium A,SS,GU,LU,PR A,L,P,H,C

Lachnospira multiparus P,PR,A F,A,E,L,H,C

Succinivibrio dextrinosolvens P,D F,A,L,S

Methanobrevibacter ruminantium M,HU M

Methanosarcina barkeri M,HU M,C

Treponema bryantii P,SS F,A,L,S,E

Megasphaera elsdenii SS,LU A,P,B,V,CP,H,C

Lactobacillus sp. SS L

Anaerovibrio lipolytica L,GU A,P,S

Eubacterium ruminantium SS F,A,B,C

Oxalobacter formigenes O F,C

Wolinella succinogenes HU S,C Keterangan:

1) C=cellulolitik; X=xylanolitik; A=amilolitik; D=dextrinolitik; P=pectinolitik; PR=proteolitik;

L=lipolitik; M=methanogenik; GU=glycerol-utilizing; LU=lactate-utilizing; SS= major soluble sugar

fermenter, HU= hydrogen utilizer; O=oxalate-degrading

2) F=format; A=acetat; E=ethanol; P=propionat; L=laktat; B= butirat; S=succinat; V = valerat; CP =

caproat; H=hidrogen; C=carbon dioxida; M = methan

Keberadaan bakteri dalam rumen, baik jenis, jumlah serta kemampuan

aktivitasnya sangat dipengaruhi oleh jenis dan kualitas pakan yang diberikan, feed

72

intake, substrat yang tersedia untuk fermentasi, ekosistem rumen khususnya

terkait interaksi antar mikroba dan adanya perlakuan khusus. Substrat dalam

pakan serta perlakuan tertentu akan mempengaruhi tipe bakteri yang tumbuh di

dalam rumen. Martin (1994) mengungkapkan pertumbuhan bakteri dalam rumen

dipengaruhi oleh ketersediaan unsur Carbon (C), sumber energi, dan kemampuan

bakteri dalam memfermentasi pakan. Perlakuan seperti defaunasi, suplementasi

dan transfer gen/mikroba tertentu secara langsung akan mempengaruhi jenis dan

populasi mikroba (Brooker, 1995; Gregg et al., 1995; Selinger et al., 1995).

Pemberian pakan kaya serat seperti limbah pertanian dapat meningkatkan

populasi mikroba fibrolitik (pendegradasi serat) yaitu populasi bakteri mencapai

1010

-1011

sel/ml cairan rumen yang terdiri lebih dari 50 genus; protozoa 104-10

6

sel/ml cairan rumen terdiri dari 25 genus; fungi 103-10

5 zoospora/ml cairan rumen

terdiri dari 5 genus; dan bacteriophage 108-10

9/ml cairan rumen (Kamra, 2005).

Bakteri pendegradasi lignoselulosa juga tumbuh dengan baik saat pemberian

pakan kaya serat (Akin dan Benner, 1988; Perez et al., 2002). Namun Brooker

(1995) mengungkapkan bahwa ruminansia di daerah tropis dan subtropis yang

mengkonsumsi pakan kaya serat mempunyai kondisi kritis dan produktivitas

rendah. Hal itu disebabkan oleh jumlah, jenis, populasi dan aktivitas mikroba

rumen yang rendah serta ketersediaan nutrien available yang mendukung

pertumbuhan dan aktivitas mikroba rumen juga rendah. Pada kondisi tersebut

manipulasi fungsi rumen baik modifikasi ekologi rumen maupun lingkungan

rumen penting dilakukan (Brooker, 1995; Orskov, 1995).

73

Cater et al. (2014) dan Orskov (1995) mengungkapkan tingkat degradasi

komponen serat kasar khususnya senyawa lignoselulosa dari pakan limbah

pertanian dalam rumen sangat ditentukan oleh jenis, populasi dan aktivitas enzim

dari kelompok bakteri lignoselulolitik yang ada dalam rumen, serta kondisi

lingkungan rumen termasuk didalamnya pasokan nutrient available. Hyeon et al.,

(2013) mengungkapkan keberadaan bakteri anaerob seperti Clostridium

stercorarium, Butyrivibrio fibrisolvens, Acetivibrio cellulolyticus, Bacteroides

cellulosolvens, Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefaciens, Cellulomonas

fimi, dan Pyrococcus furiosus yang menghasilkan kompleks enzim selulolitik dan

hemiselulolitik berperanan penting dalam degradasi komponen serat kasar pakan

khususnya komponen selulosa dan hemiselulosa dalam rumen. Vicuna (1988) dan

Pothiraj et al. (2006) menyatakan keberadaan bakteri lignolitik dalam rumen

seperti Streptomycetes, Nocardia, Cellulomonas, Pseudemonas, Clostridium

thermocellum maupun Ruminococcus juga penting untuk membantu pemecahan

ikatan lignin dengan selulosa serta mendegradasi lignin menjadi komponen yang

lebih sederhana. Keberadaan bakteri lignoselulolitik (bakteri pendegradasi lignin,

selulosa maupun hemiselulosa) menentukan tingkat degradasi komponen

lignoselulosa serta kuantitas dan kualitas produk fermentasi rumen yang

dihasilkan (Hu dan Yu, 2005; Ward et al., 2008).

Chandra et al. (2015) mengungkapkan bahwa dalam proses perombakan

senyawa kompleks, sinergisitas aktivitas berbagai mikroba (bakteri) sangat

menentukan kuantitas dan kualitas produk fermentasi yang dihasilkan. Aktivitas

sinergis antara bakteri lignoselulolitik dan non sakarolitik akan meningkatkan

74

efektivitas fermentasi. Bakteri lignolitik dengan enzim ligninase (Li-P, Mn-P,

Lac, VF, DyP) akan mendegradasi lignin menjadi asam-asam organik, asam-asam

aromatik dan aldehida, amina, quinon, metan/CH4, karbondioksida/CO2, dan H20

(Glazer dan Nikaido, 2007; Chandra et al., 2015). Bakteri selulolitik dengan

enzim selulase (carboxymethilcelulase/CMC-ase/endo β-1,4 glukanase,

eksoglukanasedanβ-glukosidase/glukohydrolase) menghidrolisis komponen

selulosa pakan membentuk senyawa-senyawa sakarida/glukosa yang selanjutnya

segera dirombak menjadi VFA. Bakteri hemiselulolitik dengan enzim

hemiselulasenya (kompleks enzim xylanase maupun mannanase) akan merombak

senyawa hemiselulosa membentuk xylosa, mannosa, galaktosa, glukosa dan/atau

arabinosa. Sedangkan bakteri non-sakarolitik (acetogenes, metanogenes) akan

memfermentasi senyawa-senyawa sederhana (gula-gula/sakarida) menjadi asam-

asam organik (VFA), CO2, CH4 dan energi/panas

Tinggi rendahnya kemampuan pembentuk VFA dari perombakan senyawa

lignoselulosa oleh bakteri lignoselulolitik sangat ditentukan oleh jumlah populasi

dan aktivitas enzim spesies bakteri yang bersangkutan. Hungate (1966) dan

Brooker (1995) mengungkapkan pada dasarnya bakteri pendegradasi serat pada

ternak yang diberi pakan kualitas rendah pasti ada dalam rumen, namun

pertumbuhan dan aktivitasnya rendah sebagai akibat rendahnya pasokan nutrien

dan kondisi lingkungan rumen yang kurang kondusif. Aldrich et al. (1983) dan

Gregg et al. (1995) juga mengungkapkan rendahnya kemampuan degradasi serat

pakan diakibatkan oleh potensi genetik mikroba rumen itu sendiri khususnya

kemampuan mendegradasi serat lignoselulosa juga rendah. Lebih lanjut

75

diungkapkan bahwa manipulasi ekologi rumen khususnya melalui modifikasi

genetik mikroba rumen dan/atau penambahan spesies mikroba spesifik yang

mempunyai kemampuan unggul mendegradasi serat penting untuk dilakukan.

Hasil penelitian Brooker (1995) menunjukkan aplikasi teknik modifikasi

genetik mikroba rumen menggunakan plasmid endogen pJDB216 pada

Selenomonas ruminantum atau pBS42 dari Bacillus subtilis pada Butyrivibrio

fibrisolvens menunjukkan terjadinya peningkatan kemampuan degradasi substrat

dari mikroba inang, peningkatan produksi VFA dan peningkatan produktivitas

ternak. Russel dan Wilson (1988) juga mengungkapkan manipulasi genetik

bakteri dominan dalam rumen melalui penyisipan gen ke kromosom inang seperti

ekspresi gen endoglukanase dari Ruminococcus flavefaciens di Streptococcus

bovis atau xilanase dari jamur rumen Neocallimastix patriciarum di Butyrivibrio

fibrisolvens mampu meningkatkan degradasi serat, produksi VFA dan

produktivitas ternak. Namun Furano dan Flint (2000) mengingatkan manipulasi

genetik mikroba rumen harus dilakukan secara hati-hati dan terkontrol mengingat

penyisipan gen ke kromosom inang berpotensi menimbulkan berbagai hal negatif

bagi konsumen/manusia yang mengkonsumsi daging/produk yang dihasilkan dari

ternak tersebut. Disamping itu aplikasi teknologi tersebut membutuhkan biaya

yang relatif tinggi dan tingkat kestabilan dari rekombinan terkadang bervariasi.

Kegiatan manipulasi ekologi rumen khususnya peningkatan populasi

mikroba rumen yang menguntungkan dengan mengikuti pola alamiah merupakan

cara yang lebih bijak dan aman untuk dikembangkan (Brooker, 1995; Orskov,

1995; Tamada et al., 1999; Wina, 2005). Penambahan mikroba unggul (probiotik)

76

secara langsung baik secara oral, melalui pakan, maupun air minum terbukti

cukup efektif meningkatkan degradasi serat pakan, produksi metabolit rumen dan

produktivitas ternak (Brooker, 1995; Wina, 2005). Pemberian silase pakan juga

berpotensi sebagai sumber probiotik dan prebiotik yang dapat mengoptimalkan

pertumbuhan dan keseimbangan mikroflora rumen (Aldrich et al., 1983; Mudita et

al., 2009-2013; Tamada et al., 1999; Wibawa et al., 2009-2011).

Seo et al. (2010) dan Khan et al (2016) mengungkapkan pemanfaatan

mikroba baik secara individual maupun konsorsium (inokulan) pada ternak

ruminansia akan menjadi direct fed microbials/DFM (pakan protein sel tunggal)

atau probiotik yang mempunyai peranan ganda yaitu optimalisasi ekosistem dan

fermentasi rumen serta meningkatkan kesehatan tubuh ternak, metabolisme tubuh,

deposisi nutrien maupun produktivitas ternak secara keseluruhan (Gambar 2.31).

Khan et al. (2016) mengungkapkan istilah probiotik (dipopulerkan Fullner, 1989)

maupun DFM (diberikan oleh Dinas Makanan dan Obat-obatan dari Amerika)

merujuk pada organisme hidup yang dipakai sebagai pakan suplemen dan

memberikan pengaruh menguntungkan terhadap hewan inang melalui

peningkatan keseimbangan mikroba dalam usus/intestinum.

Khan et al. (2016) mengelompokkan mikroba yang umum dipakai sebagai

pakan protein sel tunggal/direct fed microbials/DFM bagi ruminansia menjadi 4

kelompok, yaitu: 1)Bakteri rumen, terdiri atas; a) bakteri penghasil asam laktat

yaitu: Selenomonas ruminantium, Megasphaera elsdenii dan Propionicbacterium

freudenreichi, b) bakteri pengguna dan pereduksi asam laktat, yaitu: Prevotella

bryantii, c) bakteri pendegradasi serat (fibrolitik), yaitu: Ruminococcus albus dan

77

R. flavefaciens, 2) Bakteri penghasil asam laktat, terdiri atas: Enterococcus spp.,

Streptococcus spp., Lactobacillus spp., dan Pediococcus spp., 3) Bakteri Lain,

terdiri atas Bifidobacterium spp., dan Bacillus spp., 4) Kultur Yeast/Fungi, terdiri

atas Saccharomyces cerevisiae, S. boulardii, Aspergillus oryzae, dan A. niger.

Gambar 2.31 Peranan Protein Sel Tunggal (Direct Fed Microbial) pada Ruminansia

(Sumber Khan et al,. 2016)

Seo et al. (2010) menguraikan mekanisme kerja dari direct fed microbial

(DFM) pada ternak ruminansia baik dalam rumen maupun pasca rumen. Dalam

rumen, DFM bakteri penghasil asam laktat beraktivitas melalui mekanisme

menjaga kestabilan suplai asam laktat, mengadaptasikan mikroflora rumen dengan

akumulasi asam laktat, menstimulasi bakteri pengguna asam laktat, menjaga

kestabilan pH rumen. DFM bakteri pengguna asam laktat beraktivitas dalam

rumen melalui mekanisme yaitu mengkonversi asam laktat menjadi VFA (oleh

Megasphaera elsdenii), memproduksi propionat dari asam laktat (oleh

78

Propionicbacterium spp.), meningkatkan efisiensi pakan, menurunkan produksi

methan, meningkatkan pH rumen. DFM fungi berperanan dengan mekanisme

kerja yaitu mereduksi oksigen yang terdapat dalam rumen, mencegah efek negatif

keberadaan dari asam laktat, menyediakan faktor pertumbuhan seperti asam-asam

organik maupun vitamin B, meningkatkan populasi dan aktivitas mikroba rumen,

meningkatkan produksi metabolit rumen seperti VFA maupun protein mikroba,

meningkatkan degradasi pakan dalam rumen.Sedangkan mekanisme kerja DFM

pasca rumen antara lain memproduksi senyawa antibacterial seperti asam,

bacteriosin, hidrogen peroksida maupun antibiotika, menurunkan pH saluran

cerna khususnnya usus sehingga menghambat pertumbuhan patogen, menjaga

keseimbangan mikroba dalam saluran cerna, berkompetisi dengan mikroba

patogen dalam kolonisasi jaringan mukosa maupun komponen nutrien pakan,

memproduksi dan menstimulasi enzim, serta menstimulasi respon imun inang.

Brooker (1995) mengungkapkan bahwa transfer bakteri Selenomonas

ruminantium subsp. lactilytica pada domba secara langsung dapat meningkatkan

produksi VFA parsial (Asetat, Propionat dan Butirat) dari domba yang diberi

pakan gandum. Lebih lanjut diungkapkan transfer bakteri tersebut juga mampu

berperanan untuk mencegah terjadinya acidosis melalui pencegahan penurunan

pH rumen yang tinggi serta mencegah terjadinya keracunan tannin.

Hasil penelitian Krause et al. (2001) menunjukkan penambahan (dosing)

mikroba rumen yang sudah terseleksi “Ruminococcus spp.” Pada domba dapat

meningkatkan populasi mikroba Ruminococcus spp dalam rumen selama dosing,

serta meningkatkan kecernaan serat pakan dan produksi metabolit rumen.

79

Pemberian Bioplus (produk campuran mikroorganisme dalam bentuk kering

produksi Balitnak, Ciawi) sebanyak 150 g/ekor(hanya 1 kali pemberian) pada

domba lokal yang diberi pakan rumput dan konsentrat mampu meningkatkan

kecernaan serat dari 104 g/h menjadi 117 g/h, kecernaan energi dari 1513 kkal/kg

pakan menjadi 1566 kkal/kg, serta meningkatkan konsentrasi VFA dari 38,52 mM

menajdi 44,61 mM (Prihardono, 2001). Hasil yang sejalan diperoleh Ngadiyono et

al. (2001) yang menunjukkan pemberian bioplus sebanyak 500g/ekor dalam 1 kali

pemberian pada sapi madura mampu meningkatkan konsumsi ransum dari 101

g/kg0,75

menjadi 109 g/kg0,75

, kecernaan bahan kering dari 65,04% menjadi

68,12%, dan pertambahan bobot badan ternak dari 0,55 kg menjadi 0,61 kg/e/h.

Wahyudi (2012) menunjukkan bahwa penambahan isolat bakteri dan

jamur pendegradasi lignoselulosa yang diisolasi dari saluran pencernaan kerbau,

kuda dan feses gajah mampu meningkatkan kecernaan serat kasar, neutral

detergent fiber/NDF, dan acid detergent fiber/ADF jerami padi. Lebih lanjut

diungkapkan penambahan isolat tunggal bakteri Enterococcus casseliflavus

menghasilkan peningkatan kecernaan serat kasar, NDF dan ADF paling optimal

yaitu sebesar 20,08%, 14,04% dan 7,78%. Lamid et al. (2010) menunjukkan

bahwa penambahan 5 % enzim lignoselulolitik dan 5% bakteri lignoselulolitik

dapat menghasilkan ransum berkualitas dan mampu meningkatkan produktivitas

ternak domba. Mudita et al. (2009; 2012) juga menunjukkan pemanfaatan

inokulan kultur mikroba mampu meningkatkan kecernaan nutrien, produksi

metabolit rumen, produktivitas ternak serta kesehatan lingkungan peternakan.

80

Pemanfaatan inokulan cairan rumen secara langsung sebagai inokulan

dalam produksi silase ransum limbah nonkonvensional (Mudita dan Wibawa,

2008; Wibawa et al., 2009-2011; Putri et al., 2009) mampu menghasilkan silase

berkualitas baik, meningkatkan kandungan bahan organik dan protein ransum,

menurunkan serat kasar, meningkatkan produksi VFA total, dan Asam propinat

silase ransum. Pemanfaatannya bagi ternak sapi dan/atau kambing PE mampu

menghasilkan produktivitas ternak yang baik, meningkatkan metabolit rumen,

profil kimia darah, serta menurunkan emisi polutan yang dihasilkan. Inokulan

bali-bio dan bali tani yang diproduksi menggunakan cairan rumen sapi bali (bali-

bio) dan ditambah rayap (bali tani) juga mampu meningkatkan produktivitas sapi

bali/kambing PE yang lebih baik dan dengan emisi polutan yang lebih rendah.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Limbah Pertanian … · 2019. 2. 6. · penghalang proses...

Documents

Transcript of BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Potensi Limbah Pertanian … · 2019. 2. 6. · penghalang proses...