Biokimia Pangan Semester II 2010/2011

Produksi pati

• Total dunia ~1,4 milyar ton

• Produksi Indonesia (FAO, 2005):

– Padi → 54 juta ton (3)

– Ketela → 19,5 juta ton (3)

– Jagung → 12 juta ton (8)

– Pisang → 4,5 juta ton (6)

– Ubi jalar → 1,8 juta ton (8)

Pendahuluan

Sifat fisik pati• Hasil fotosintesis • Disintesis dalam plastid (daun) dan

amiloplas (umbi, akar, atau biji)• Bentuk butiran: bulat, polihedral, oval,

dan serat• Kandungan: amilosa dan/atau

amilopektin• Organisasi: amorf dan kristal

Pati

Komposisi butiran patiPati

                                                                          

Amaranth starch(Bar: 1 µm)

Arrowroot starch(Bar: 20 µm)

Buckwheat starch(Bar: 5 µm)

                                        

                                                              

Cassava starch(Bar: 10 µm)

Corn starch(Bar: 10 µm)

Oat starch(Bar: 5 µm)

                                        

                                                              

Potato starch(Bar: 50 µm)

Rice starch(Bar: 2 µm)

Kidney bean starch(Bar: 20 µm)

Gelatinisasi

• Pati menyerap air, mengembang, dan kembali ke ukuran asal pada pengeringan (reversibel)

• Pada suhu tinggi, proses menjadi irreversibel (butiran-butiran pecah membentuk lem pati, dan larutan menjadi kental)

Pati

Struktur kimiaPati

Derajat polimerisasi• Amilosa: α,1-4 glikosidik (DP ~200–

200.000; Mr 30–3.200 kDa)– ketela atau kentang (DP 1.000–6.000)– jagung atau gandum (DP 200–1.200)

• Amilopektin: α,1-4 dan α,1-6 glikosidik– kentang (DP 10.000-100.000)

• Nisbah amilosa : amilopektin = ~1:3– beras ~16–30% amilosa– kentang ~20–21% amilosa

Pati

Ciri fisik pati

Pati JenisDiameter (µm)

Morfologi

Suhu gelatinisa

si (oC)

Suhu lem (oC)

Amilosa (%)

Sifat dimasa

k

Beras Biji 1 – 9Poligon, bulat

68 – 78 81 19Gel, buram

Ketela Akar 4 – 35Oval, terpotong

52 – 73 63 17Jernih, kohesif

Jagung Biji 2 – 30Bundar, poligon

62 – 72 80 25 – 28Gel, buram

SaguBatang

15 – 65Oval, terpotong

69 – 74 74 26Gel, buram

Kentang

Umbi 5 – 100Oval, bulat

58 – 68 64 20 – 21Jernih, kohesif

Gandum Biji 1 – 55 Bundar 52 – 85 77 25 – 28Gel, buram

Pati

Kelompok amilase

• Endoamilase

• Eksoamilase

• Enzim pemutus cabang

• Transferase

Pemrosesan pati

Keluarga α-amilase • EC 3.2.1.1, -1,4-glukan 4-glukanhidrolase• Keluarga 13 dari keluarga glikosil hidrolase• Endoenzim: hidrolisis ikatan -1,4 glikosidik

pada pati, seperti amilosa dan amilopektin• Terdiri dari 3 domain: domain A (domain inti

katalitik struktur tong (/)8 dekat ujung-C), B (domain bersama A untuk mengikat ion kalsium), dan C (domain 8 lembar untai-)

Keluarga α-amilase

Domain A

Domain C

Domain B

Substrat

Ion Ca2+

Residu lestari

Motif I Motif II Motif III

B

CDomain A

Motif IV

Keluarga α-amilase

Contoh 2 4 5 7Amilomaltase1 EALGIRIIGDMPIFVAED LFHLVRIDHFRG VPVLAEDLGVI VVYTGTHDNDT

Amilosukrase2 HEAGISAVVDFIFNHTSN GVDILRMDAVAF VFFKSEAIVHP VNYVRSHDDIG

Siklomalto-dekstrinase3 HDNGIKVIFDAVFNHCGY DIDGWRLDVANE AIIVGEVWHDA FNLIGSHDTER

Isoamilase4 HNAGIKVYMDVVYNHTAE GVDGFRFDLASV LDLFAEPWAIG INFIDVHDGMT

Pullulanase5 HAHGVRVILDGVFNHTGR GVDGWRLDVPNE AYIVGEIWEEA MNLLTSHDTPR

α-Amilase6 HERGMYLMVDVVANHMGY SIDGLRIDTVKH VYCIGEVLDGD GTFVENHDNPR

Sumber enzim: Thermus aquaticus1, Neisseria polysaccharea3, Clostridium thermohydrosulfuricin3,Pseudomonas amyloderamosa4, Bacillus favocaldarius5, dan Bacillus licheniformis6.

Motif lestari Keluarga α-amilase

Produksi bioetanolAplikasi α-amilase

Penggilingan

Tangki bubur

Air

Pencairan

α-Amylase Glukoamilase Ragi Pemisahan alkohol

Sakarifikasi Fermentasi Distilation & dehidrasi

Tangki penyimpan

DDGS

Pemasakan>100° C

5–8 menit

Pencairan kedua95° C

~90 menit

60° C8–10 jam(optional)

JagungBerasKetelaSaguUbi

Talas

Biaya produksi bioetanol

Mill

ing

Mas

h pr

ep.

Ferm

enta

tion

Distilla

tion

Stor

age

Sepa

ratio

n

Evap

orat

ion

DDGS

dryi

ng0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

% o

f to

tal p

rocess e

nerg

y

Keperluan energi utama:• Pemasakan (mash prep.)• Distilasi• Pengeringan

Solusi ► Konversi butiran pati pada suhu rendah

Aplikasi α-amilase

Pelarutan pati mentahAplikasi α-amilase

SEM of Starch Treated with α-Amylase of Bacillus sp. ALSHL3

18/04/23 Seminar Nasional Bioteknologi Enzim, Universitas Atmajaya

Rice

Corn

Cassava

Scanning Electron Microscopy

Incubation: 48 hours, 37 oC

5 µm

5 µm 5 µm

5 µm 10 µm

10 µm

10 µm

10 µm

1 µm

1 µm

Corn Cassava Sago Potato Rice

18/04/23

SEM

Amonium sulphate fraction ofB. aquimaris MKSC 6.2

Recombinant Baqα-amylase

A, B = maize; C,D = cassava

Pemakaian α-amilaseAplikasi α-amilase

Penggilingan Tangki bubur

Tangki penyimpan

an

DDGS

Ragirekombinan

Air

Pemisahan alkohol

Fermentasi Distilation & dehidrasi

JagungBerasKetelaSaguUbi

Talas

Hidrolisis pati

Bubur pati(35% berat; pH 6.5; 40 ppm Ca2+)

Gelatin pati (<1 DE)

Pencairan pati(>1 DE; 0.3% Glu; 2% Mal; 97.7% oligosac)

Sirop glukosa(99 DE; 97% Glu;

2% mal; 1% oligosac)

Sirop maltosa(44 DE; 4% Glu; 56% mal;

28% maltotri; 12% oligosac)

α-amylase 105oC, 5 min

95oC, 120 min

Glucoamilase + pullulanase

pH 4.5; 60oC, 72 h

α-Amylase fungi

pH 5.5; 50 ppm Ca2+; 55oC, 48 h

Gelatinisasi

Pencairan

Sakarifikasi

Aplikasi α-amilase

Lactic acid bacteria (LAB)

Lactobacillus brevis Lactobacillus casei Oenococcus oenei

• Variasi bentuk dan ukuran

Brevibacterium linensLactobacillus bulgaricusBrevibacterium pentasoceus

www.bioweb.usu.edu/microscopy/research.htm

Di Supermarket

Lactic acid bacteria

• Menghasilkan asam laktat dari glukosa• Anaerobik fakultatif : hidup pada kadar oksigen

rendah, tetapi dapat hidup tanpa oksigen

Eksoopolisakarida (EPS)

• Polimer gula ‘sticky’ yang terikat pada bagian luar sel atau yang dilepas keluar oleh bakteri dan juga ragi, jamur, mikroalga.

• Penempelan bakteri pada permukaan (gigi), dengan sesama bakteri (biofilms), atau pada tanaman (Rhizobium sp.)

Homopolisakarida

• Homo: mengandung satu jenis residu monosakarida glukose atau fruktosa (atau galaktosa)

• Dihasilkan oleh Streptococcus mutans, Leuconostoc mesenteroides, or Lactobacillus reuteri

• Mikroflora usus, mikroflora daging yang difermentasi, kol yang difermentasi

Homopolisakarida

• Bread improver, pengental

• Matriks untuk pemurnian protein

• Efek negatif: karang gigi. HPS membantu bakteri menempel di permukaan gigi

Dextran -(16)

Reuteran -(14)/-(16)

-glucans dari LAB

Mutan -(13)

Alternan -(13)/-(16)

Leuconostoc mesenteroides B-512F Streptococcus mutans

Leuconostoc mesenteroides B-1355Lactobacillus reuteri 121

Fruktan dari LAB• Levan

- Residu fruktosa yang terikat melalui ikatan , 2-6 dan cabang yang terikat melalui , 2-1 - Ujung residu glukosa- Dihasilkan oleh Bacillus subtilus

• Inulin-Residu fruktosa yang terikat melalui ikatan , 2-1 dan carang yang terikat melalui ikatan , 2-6 - Ujung residu glukosa- Dihasilkan oleh Streptococcus sp.danLactobacillus reuteri 121

Sintesis HoPS

• Oleh satu enzim: - sucrase yang merubah sukrosa menjadi polimer •- energi yang terdapat pada ikatan fruktosa-glukosa menggerakkan reaksi

Sucrase Lactobacillus reuteri 121

Reuteran -(14)/-(16)

Levan -(26)

L. reuteri 121 + 5% sucrose

Van Geel-Schutten et al. 1999, Appl. Environ. Microbiol. 65:3008-3014

13 Streptococcus GTF enzymes

7 Leuconostoc GTF enzymes

Glucansucrases

• 140-200 kDa• Enzim ekstraselular • Struktur umum:

Monchois et al. 1999, FEMS Microbiol. Rev. 23:131-151

Signal sequence

Ujung N

Daerah katalitikUjung C dengan tingkat Variasi tinggi

Topologi

MacGregor et al. 1996, FEBS Lett. 378:263-266

-amilase

* Van Geel-Schutten et al. (1998) Appl. Microbiol. Biotechnol.

Strain number

Identification

LB DSM LB 121 * LB BIO LB ML1 LB 180 * LB 33 * LB Kg3 LB Kg15 LN 86 * LB 181 * LB 182 * LB WCFS1

L. reuteri DSM 20016 L. reuteri L. reuteri L. reuteri L. reuteri L. parabuchneri L. fermentum L. sakei Ln. citreum ND, Heteropolysaccharide prod. ND, Heteropolysaccharide prod. L. plantarum WCFS1

Glucansucrases tersebar pada lactobacilli

DSM121

BIOML1

18033

Kg3Kg15

86181

182WCFS

121

190 kDa

Produksi glucan

Pengendapan EtOH

5% sukrose + enzim GTF

Endapan dan freeze-dried glucan