BAB I

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Pada pembuatan kertas, xylanase digunakan untuk menghilangkan hemiselulosa dalam

proses bleaching. Enzim ini sebagai pengganti cara kimia sehingga pencemaran racun limbah

kimia akan dihindari dan lebih murah. Bahan baku kayu pembuat kertas setelah melalui proses

digester dan pencucian, sebenarnya masih dalam keadaan kotor (derajat putihnya rendah).

Untuk menghasilkan kertas yang bermutu tinggi perlu dilakukan proses pemutihan. Proses

pemutihan bertujuan untuk menghilangkan lignin, hemiselulosa penyebab warna coklat dan zat

ekstraktif yang dikandung dari hasil pencucian dan penyaringan. Proses pemutihan biasanya

dilakukan bertahap. Proses bertahap ini terdiri atas tahap khlorinasi, ekstraksi, dan penambahan

khlorin dioksida. Khlorin adalah bahan beracun, sehingga khlorin sisa proses yang dibuang ke

perairan sungai akan membuat polusi yang tinggi. Ternyata polusi terbesar di negara kita adalah

polusi dari pabrik kertas. Penggantian penggunaan khlorin untuk pemutihan kertas telah

memberikan peluang untuk aplikasi bioteknologi. Xylanase merupakan enzim yang pertama kali

dilaporkan untuk pemutihan kertas dan sekarang telah digunakan pada beberapa pabrik kertas.

Jumlah pabrik kertas yang sudah beroperasi di Indonesia saat ini lebih dari 14 perusahaan dan

belum satu pun menggunakan proses enzimatis dalam proses pemutihan. Dengan demikian,

untuk mendukung pelestarian lingkungan maka perlu segera diaplikasikan proses ramah

lingkungan (clean processing) di Indonesia. Untuk proses pembuatan kertas diharapkan

xylanase yang digunakan adalah yang termostabil dan tahan pada pH alkali dan jenis enzimnya

adalah endoxylanase. Namun demikian, kombinasi xilanolitik lain dan hemiselulolitik dengan

endoxylanase telah menunjukkan hasil yang efektif pada perbaikan mutu kertas. Penggunaan

xylanase dan enzim sejenisnya pada proses pemutihan kertas membantu pengurangan jumlah

kappa dan meningkatkan derajat putih kertas. Sejumlah kajian pengaruh xylanase pada

pemutihan kertas yang dilakukan dengan enzim berasal dari Trichoderma sp.dan ternyata

pengurangan penggunaan khlorin mencapai 20-30%.

BAB II

ISI

Dinding sel disusun dari jaringan lignoselulosa yang terbuat dari selulosa dan ikatan

silang glikan yang menempel pada gel matrik dari material pectic dan diperkuat dengan struktur

protein dan komponen aromatic. Selulosa dan hemiselulosa adalah komponen utama dari

dinding sel polisakarida dengan kandungan hemiselulosa hingga 20-35 % dari total biomassa

lignoselulosa. Kebanyakan hemiselulosa pada padi-padian dan kayu keras adalah xylan,

sementara hemiselulosa utama pada kayu lunak adalah galaktoglukomanan. Degradasi dari

hemiselulosa kebanyakan dihasilkan oleh mikroorganisme yang dapat ditemukan bebas di alam

atau sebagai bagian dari sistem pencernaan hewan.

Xylan adalah struktur komponen utama dari dinding sel setelah selulosa yang

merupakan polisakarida terbanyak kedua yang dapat diperbarui di alam. Xylan merupakan

hemiselulosa utama dalam kayu keras dari jenis angiosperma dan komposisinya dalam kayu

lunak pada gymnospermae kurang lebih 15-30 % dan 7-12% dari berat total. Dalam jaringan

kayu, xylan utamanya terletak dalam dinding sel sekunder bersama dengan lignin, membentuk

matriks amorf yang melekat pada mikrofibril selulosa.

Jenis mikroorganisme yang sudah umum menghasilkan xylanase ialah jamur dan

bakteri. Contoh beberapa mikroorganisme penghasil xylanase disajikan pada tabel

berikut:

Xilan berinteraksi dengan lignin dan selulosa melalui hubungan kovalen dan non-

kovalen, interaksi ini menjadi penting untuk melindungi kedua mikrofibril selulosa terhadap

biodegradasi dan menjaga integritas struktural dinding sel.

Degradasi Enzimatik dari Xylan

Enzim ini dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama. Kelompok yang

pertama bekerja pada xylose backbone, dan kelompok kedua bekerja memutus rantai samping.

Degradasi dari xylose backbone bergantung pada xylanase yang berikatan dengan rantai

samping yang terputus dalam polimer dan β-xylosidase yang melepaskan unit-unit xylose dari

xylobiose dan xylooligomer. Penghapusan rantai samping xilan dikatalisis oleh α-L-

arabinofuranosidases, α-D-glucuronidases, ester acetyl xylan, ester asam-asam ferulat dan ester

asam p-coumaric.

Figure 1. Struktur xilan dan penyerangan sisi samping oleh enzim xylanolytic

Degradasi xylan terjadi secara luas pada mikroorganisme saprofit termasuk bakteri dan

jamur. Sinergisme antara degradasi xylanase telah seringkali ditemukan terjadi antara xylanase

dan rantai samping enzim yang terputus. Dengan cara ini, degradasi xylan dapat dilanjutkan

meskipun jalur xylanase menuju target yang berada dalam xylan backbone dapat terhambat oleh

substituent rantai samping dan substituent dapat lebih mudah dibebaskan dari fragment xylan

daripada substrat polimer.

Fungsi dan Pengadaan Enzim Xylanase

Xylanase memutus xylan backbone menjadi oligosakarida yang lebih kecil. Xylanase

adalah enzim utama untuk degradasi xylan. Enzim ini hanya membelah pada daerah yang tidak

tersubstitusi sedangkan polimer xylan yang lain memiliki persyaratan untuk pembelahan pada

rantai samping disekitarnya. Xylanase aktif di xylooligomer yang memiliki derajat polimerisasi

lebih besar dari dua, hal ini menunjukan adanya peningkatan afinitas. Xylanase menghidrolisis

sambungan yang ada pada xylan dan bertindak dengan mekanisme penyerangan secara acak

yang menghasilkan campuran xylooligosaccharide dari polimer.

Sebagian besar xylan adalah sebuah polimer yang menembus ke dalam sel, xylanase

harus disekresikan ke lingkungan ekstraseluler untuk dapat memecah dan menghidrolisis xylan.

Umumnya, xylanase diinduksi ke dalam mikroorganisme selama mereka tumbuh dalam substrat

yang mengandung xylan. Dalam jamur Cryptococcus albidus, xylobiose dianggap sebagai

penginduksi alami atau precursor dari senyawa yang menginduksi xylanase. Meskipun

kebanyakan xylanase adalah enzim ekstraseluler, biasanya disekresikan oleh Sec-dependent

pathway, xylanase periplasmik telah dijelaskan dalam beberapa bakteri rumen dan dalam

Cellvibrio mixtus. Xylanase periplasmik ini mungkin termasuk dalam rincian

xylooligosaccharide besar dan dilindungi dari protease ekstraseluler pada suatu tempat. Akhir-

akhir ini, xylanase sitoplasmik yang mungkin dapat mewakili enzim jenis baru yang dilibatkan

dalam degradasi xylan telah dikarakterisasi dari Paenibacillus barcinonensis. Umumnya dengan

tiga xylanase lain yang ditandai dengan Bacillus dan Aeromonas, enzim P.barcinonesis

memiliki sinyal peptide utuk ekspor luar sitoplasma. Keempat enzim tersebut merupakan

kelompok xylanase yang sangat homolog yang berperan dalam hidrolisis oligosaccharide

pendek yang dihasilkan dari hidrolisis xylan ekstraseluler setelah diangkut didalam sel.

Banyak mikroorganisme pendegradasi xylan menghasilkan beragam xylanase yang

berbeda (Wong and Saddler, 1988). Hal ini telah dibuktikan dengan produksi xylanase dari

Aspergillis, Trichoderma, Streptomyces dan Bacillus. Multiplikasi dari xylan dapat tumbuh dari

pengolahan pasca-translasi produk gen yang sama.

Selulosom disekresi oleh multienzim kompleks dan ditemukan pada bakteri anaerob yang

menengahi keterikatan antara sel-sel dan partikel selulosa untuk meningkatkan efisiensi selulosa

dan degradasi hemiselulosa. Mereka mengandung sejumlah enzim, sebagian besarnya adalah

selulosa. Xylanase juga ditemukan di antara komponen enzim dari kebanyakan selulosa yang

telah dikenal. Degradasi xylan perlu ada dalam pembuatan selulosa untuk hidrolisis enzimatik,

karena selulosa dekat dengan xylan dalam matriks dinding sel tanaman. Dengan analogi,

ketentuan xylanosom telah ditentukan untuk sekumpulan protein ekstraselular yang sebagian

besar komposisinya dari xylanase dalam beberapa bakteri, meskipun demikian ini belum bisa

dikatakan sebagai ciri dari selulosome (Beg et al., 2001; Jiang et al., 2005).

Asal Mula Enzim Dalam Proses Bleaching

Enzim yang biasa digunakan secara komersial dalam pemutihan pulp adalah

hemiselulosa, yang secara selektif mempengaruhi fraksi hemiselulosa yang diperoleh dari pulp

kayu. Sejumlah enzim telah di pelajari tetapi xylanase telah terbukti sebagai enzim yang paling

efektif. Konsep dari pemutihan biologis dengan xylanase muncul dari upaya untuk

menghilangkan hemiselulosa dari pulp secara kimia untuk memproduksi selulosa asetat. Kira-

kira pada waktu yang bersamaan, program penelitian bersama yang di lakukan oleh Finnish

Pulp and Paper Research Institute and Technical Research Centre of Finland yang terfokus pada

proses degradasi lignin secara biokimia. Ditemukan bahwa perlakuan dari pulp secara kimia

dengan xylanase bertujuan untuk mengurangi pemakaian senyawa kimia dalam proses

bleaching, menurunkan pencemaran lingkungan, atau meningkatkan tingkat kecerahan dari

pulp. Sejak saat itu, berbagai mecam kertas yang diterbitkan telah menggambarkan keuntungan

dari perlakuan xylanase dalam bleaching pulp. Keuntungan ini dilihat dari segi lingkungan

(pengurangan klorin, clorin dioksida, hipoklorit), dari segi ekonomi (penurunan kebutuhan

klorin dioksida dan/atau peroksida), pengembangan kualitas pulp (tingkat kecerahan tertinggi)

dan meningkatkan fleksibilitas pabrik. Percobaan dalam pabrik berawal pada tahun 1989 di

Finlandia dan sejak 1991, secara komersial penggunaan xylanase telah menjadi kenyataan.

Seperti yang telah dilaporkan oleh Jurasek dan Paice dari Internasional Symposium on Pollution

Prevention in the Manufacture of Pulp and Paper, 10 pabrik dikatakan menggunakan xylanase

sebagai proses prebleaching secara komersial dan lebih dari 80 uji coba pabrik dilakukan. Pada

1993, proses ini memperoleh penerimaan yang lebih luas, khususnya di Canada dan Eropa.

Faktor-faktor yang dapat menjelaskan tentang kecepatan perkembangan dapat disimpulakan

sebagai berikut:

Prebleaching menggunakan xylanase termasuk teknologi yang membutuhkan sangat

sedikit atau bahkan tidak membutuhkan investasi modal dalam pengoperasiannya.

Pengubahan pada proses terjadi secara minimal dalam banyak kasus

Xylanase membantu dalam mengurangi polusi yang berasal dari proses bleaching

Penghematan penggunaan bahan kimia dapat digunakan untuk pembayaran proses

Xylanase dapat membantu untuk meningkatkan kapasitas pabrik

Proses ini mudah dikombinasikan dengan berbagai macam rnangkaian bleaching untuk

ECF dan TCF pulp.

Applikasi dari Xylanase

Hemiselulosa mikroba, utamanya xylanase, mempunyai peranan penting dalam industri

berdasarkan potensialnya yang sangat besar dalam memodifikasi dan mengubah lignoselulosa

dan bahan-bahan dalam dinding sel biomassa tumbuhan yang digunakan secara luas dalam

proses industri. Penerapan secara bioteknologi dari xylanase dimulai pada 1980an dalam

persiapan bahan pakan hewan, dan kemudian berkembang dalam bahan pangan, tekstil, dan

industri kertas. Sejak saat itu, penggunaan secara bioteknologi dari enzim ini telah meningkat

secara dramatis, melingkupi sejumlah besar sektor-sektor industri. Saat ini, xylanase bersama

dengan selulosa dan pectinase terhitung sekitar 20% di pasar industri enzim global.

Xylan hadir dalam jumlah besar dalam buangan dari industri-industri pertanian dan

makanan. Xylanase adalah bagian penting yang meningkat berdasarkan pada biokonversi dari

biomassa lignoselulosa, termasuk bahan sampah dari masyarakat, menjadi xylosa dan gula-gula

fermentasi lainnya untuk menghasilkan bahan bakar biologi (etanol).

Penerapan utama dari xylanase di bidang industri adalah pada industri kertas dan pulp

dimana xylanase mempermudah perlakuan awal dari bleaching pulp, menghasilkan keuntungan

yang penting secara ekonomi dan lingkungan dibanding proses secara non enzimatis. Xylanase

tidak menghilangkan lignin berdasarkan sifat pembawa warna tetapi dengan menurunkan

jaringan xylan yang menjebak sisa-sisa lignin. Degradasi xylan dalam kompleks xylan-lignin

atau pengendapan kembali pada bagian permukaan serat setelah proses kraft, memberikan

ekstraksi lignin yang lebih efisien dengan bleaching secara kimia. Analisa secara mikroskopis

dari pulp menampilkan bahwa perlakuan dari xylanase dapat membuka permukaan dari serat-

serat yang ditunjukkan dengan pelepasan material yang kontras dengan permukaan serat yang

halus dari serat yang tidak mengalami pelakuan (Gambar 3).

Proses diatas merupakan flow sheet dari penambahan xylanase dalam proses bleaching.

Pada proses tersebut pH harus dijaga agar etap dalam range dimana enzim tersebut dapat

bekerja secara optimum. Agar pross bleaching terjadi secara sempurna pada pulp, maka

penambahan enzim diletakan pada prosees mixing dimana enzim ditambahkan dengan dicampur

pulp dala mixer.

Gambar 3. SEM analysis of cellulose fibres (A) dan (B) pulp yang tidak mengalami perlakuan xylanase menunjukkan serat dengan permukaan yang halus; (C) dan (D) pulp dengan perlakuan xylanase menunjukkan terbentuknya serpihan dan filamen pada bahan dilepas dari permukaan serat. Courtesy of Dr. T. Vidal (Roncero et al., 2000).

Xylanase membuat proses bleaching secara kimia dapat menghemat klorin hingga 20-

25% dan mengurangi sekitar 15-20% pembentukan bahan pengotor senyawa klorin organik dari

degradasi lignin. Reduksi pada sejumlah agen bleacing secara kimia diperlukan untuk

memperoleh kecerahan kertas yang berasal dari penggantian unsur klorin dengan klorin

dioksida yang lebih tidak beracun dalam bentuk elemental chlorine free (ECF) atau dengan

mengganti secara total senyawa klorin dengan agen bleaching alternatif seperti hidrogen

peroksida dan ozon dalam bentuk total chlorine free (TCF). Berikut ini adalah table-tabel yang

menerangkan tentang perbandingan bleaching yang menggunakan klorin dengan proses

bleaching dengan menggunakan enzim :

Biaya yang dikeluarkan ketika menggunakan enzim akan lebih sedikit, sehingga pabrik

dapat melakukan penghematan bahan baku klorin sebagai pemutih dan dapat mengurangi

pencemaran lingkungan akibat limbah dari proses bleaching menggunakan klorin.

Perlakuan enzim menghasilkan pulp bersih dengan tingakat pengotor yang lebih sedikit

dan derajat kecerahann meningkat setelah melalui proses bleaching dalam mesin pulp. Pengaruh

penambahan enzim xylanase diterangkan pada table dibawah ini :

Efisiensi bleaching dari xylanase jamur dan bakteri yang berbeda telah dianalisis.

Meskipun banyak enzim-enzim yang diuji efisien sebagai bahan untuk membantu proses

bleaching, perbedaan yang khusus dapat muncul berdasarkan family dan sifat dari masing-

masing enzim . Respon dari enzim yang membantu proses bleaching dapat juga dipengaruhi

oleh urutan bleaching, jenis kayu, dan metode pulping. Saat ini, banyak xylanase mikroba

tersedia di pasaran dan telah berhasil digunakan dalam pabrik pulp.

Dalam hubungannya dengan proses bleaching, perlakuan xylanase dapat memperbaiki

sifat dari pulp. Dalam beberapa kasus, perlakuan pulp secara enzimatis membutuhkan

pengadukan yang lebih besar, sementara kekuatan dari kertas tidak terpengaruh atau hanya

sedikit berubah. Pengurangan kandungan xylan oleh perlakuan enzim telah dilaporkan dapat

mengubah umur dan kecerahan pulp dan kertas, yang dapat ditunjukkan dengan peningkatan

stabilitas dan mengurangi kecenderungan menguningnya pulp dan kertas setelah perlakuan dari

enzim.

Penerapan xylanase dalam industri pulp dan kertas tidak hanya terbatas pada bleaching.

Keberhasilan yang didapatkan dari proses ini telah membangkitkan evaluasi penggunaan

xylanase pada berbagai tahap dalam manufaktur pulp dan kertas. Penerapan xylanase dalam

mechanical pulping, pengeringan pulp atau penghilangan tinta dari kertas daur ulang saat ini

sedang dievaluasi, dan hasil yang diperoleh mendorong sebuah perkembangan penggunaan

xylanase dalam industri dan meningkatkan kebutuhan xylanase dalam pasar enzim dunia.

Cara Kerja Xylanase Pada Pulp

Cara dimana xylanase melakukan prebleaching mempengaruhi proses bleaching berikutnya

belum begitu diketahui. Salah satu penjelasan yang mungkin, bahwa pemecahan rantai xylan

oleh xylanase muncul untuk memutus ikatan lignin-karbohidrat, mengembangkan kemampuan

bleaching secara kimia pada pulp, dan mempermudah penghapusan lignin terlarut dalam proses

bleaching. Paice et al [40] telah menunjukan bahwa ada sebuah penurunan yang signifikan pada

xylan, dan hanya sejumlah kecil xylan yang hilang selama xylanase melakukan prableaching .

Penurunan panjang rantai dari xylan atau penghapusannya menghasilkan peningkatan secara

acak dari lignin untuk menyebar dari matrik hemiselulosa-lignin. Pernyataan lain yang mungkin

adalah dengan melibatkan peran xylan. Dari sini dapat diketahui bahwa bagian-bagian dari

xylan awalnya larut pada pemasakan cairan dalam proses kraft yang dapat diserap kembali atau

diendapkan kembali dalam serat-serat pulp. Pengendapan kembali xylan secara fisika dapat

melindungi sisa-sisa lignin dari bleaching secara kimia. Hidrolisis xylanase adalah bagian dari

pengendapan kembali xylan memungkinkan akses yang baik dari bleaching secara kimia untuk

sisa lignin dan ekstraksi yang lebih mudah dari serat pulp. Meskipun demikian, teori ini masih

belum pastti. Pederson et al. [42] menemukan bahwa xylanase khusus menyerang bagian kecil

dari xylan dalam serat pulp dan menunjukan bahwa penghapusan pengendapan kembali xylan

dengan dimetilsulphoksida (DMSO) tidak meningkatkan kemampuan bleaching dari pulp.

Produksi Xylane Untuk Bleaching

Terdapat beberapa kriteria penting untuk pemilihan mikroorganisme yang menghasilkan

xylanase. Dalam penambahan untuk memberikan biobleaching yang diinginkan, persiapan

enzim yang dihasilkan harus diproduksi dalam kuantitas yang cukup dan teknologi xylanase

harus cocok dengan teknologi pada pabrik pulp. Hal yang juga perlu ada adalah persiapan enzim

seharusnya terbebas dari aktivitas selulosa. Aktivitas selulosa akan mengakibatkan terjadinya

keterlibatan ekonomi yang serius dalam tujuan menghilangkan selulosa, penurunan kualitas

pulp, dan peningkatan biaya perlakuan terhadap limbah.

Produksi tinggi telah dicapai dengan screening secara menyeluruh, teknik genetik, dan

program optimasi pertumbuhan. Untuk menghasilkan xylanase, organisme yang terpilih

ditumbuhkan selama beberapa hari dalam wadah tertutup yang mengandung nutrisi dan oksigen

dengan kondisi pH, suhu, dan pengadukan yang spesifik. Selama jangka waktu tersebut,

mikroorganisme akan mensekresikan enzim ke media pertumbuhan. Mikroorganisme tersebut

kemudian dipindahkan, meninggalkan cairan yang kaya xylanase. Cairan ini kemudian

dipekatkan, diuji untuk menentukan aktivitasnya, dan dikemas untuk dikirim ke pabrik pulp.

Dengan penambahan pengawet bakteri, xylanase dapat tetap stabil selama beberapa bulan.

Temperatur yang terlalu tinggi atau pembekuan dapat menyebabkan hilangnya aktivitas enzim

sehingga kondisi in harus dihindari. Penyimpanan xylanase tidak menimbulkan korosi atau

reaksi dan tidak membutuhkan bahan-bahan yang resisten untuk penanganannya.

Adapun Faktor-faktor yang mempengaruhi proses bleaching . antara lain :

1. Konsentrasi

Reaksi lebih dapat ditingkatkan dengan meningkatkan konsentrasi bahan bleaching atau

dengan konsentrasi pulp yang akan diputihkan

2. Waktu Reaksi

Pada umumnya perlakuan bahan kimia pemutih terhadap pulp akan menjadi lebih reaktif

dengan memperpanjang waktu reaksi. Namun waktu reaksi yang terlalu lama juga akan

merusak rantai selulosa dan hemiselulosa.

3. Suhu

Peningkatan suhu menyebabkan terjadinya peningkatan pada reaksi bleaching. Penentuan

suhu bervariasi tergantung pada jenis bahan kimia pemutih yang digunakan. Suhu bleaching

biasanya berkisar antara 20-110 C

4. pH

pH mempunyai pengaruh yang sangat vital terhadap semua proses bleaching. Nilai pH

tergantung pada bahan bleaching yang digunakan.