Enzim & Aplikasinya di Industri

Departemen Teknologi Industri PertanianFATETA - IPB

2008

m.k DASAR TEKNOLOGI MIKROBIALTIN 232 / 2 (2-0)

Sejarah Penggunaan Enzim

1984 : Enzim pertama yg diproduksi secara industri : takadiastase sbg bahan farmasi untuk mengatasi gangguan pencernaan (USA)

1915 : Tryptic Enzyme digunakan untuk laundry

1969 : 80 % deterjen laundry menggunakan protease - lipase, amilase, pektinase, oksidoreduktase untuk eksperimen industri deterjen

Amilase & amiloglukosidase untuk produksi glukosa dari pati aplikasi di industri yg baru

1965 : Rennin mikrobial untuk produksi keju (pengganti rennin anak sapi)

1970 : Glukosa isomerase untuk produksi fruktosa

Prospek aplikasi enzim meningkat :

- Pengembangan genetika mikrobial yield tinggi

- Optimasi kondisi kultivasi dgn cara : induksi produksi enzim, penggunaan nutrien murah dan penggunaan optimal komponen larutan nutrien

- Ekstraksi enzim dari sel menggunakan metode pemecahan sel yg baru

- Proses purifikasi canggih : e.g. khromatografi , presipitasi

- Pengembangan proses imobilisasi dan daur-ulang penggunaan

- Produksi enzim secara sinambung dgn bioreaktor yg lebih kecil

Sumber Enzim Aplikasi

Jack bean (Canavalia ensiformis)

Urease Diagnostik

Papaya (Carica papaya) Papain Baking, Dairy, penyamakan kulit, pengempuk daging, penjernih bir

Fig (Ficus carica) Ficin Pengempuk daging

Nenas (Ananas comosus) Bromelin Baking (reduksi gluten kompleks)

Horseradish (Armoracia rusticana)

Peroksidase Diagnostik

Almond (Amydalus communis)

Β-glukosidase Penelitian

Gandum (Triticum aestivum) Esterase Sintesis & hidrolisis ester

Barley (Hordeum vulgare) Β-amilase Baking, sirup maltosa

Kacang kedele (Glycine max) Β-amilase Baking, sirup maltosa

SUMBER ENZIM

ENZIM DARI TANAMAN

Sumber Enzim

Sapi, biri-biri, babi Diastase (amilase), pre-gastric esterase, lipase, pepsin, tripsin, fitase, khimosin (rennin), fosfolipase

Telur ayam Lisozim

Urine Urokinase

ENZIM DARI HEWAN

ENZIM DARI MIKROBA

• Perkembangbiakan t <• Rendemen ekonomis• stabil

Important Industrial Enzymes

Invertase

Glukosa oksidase

Katalase

Lipase

Enzyme pH Opt

TempOpt up to

Reactionmicroorganism

Important Industrial Enzymes

Karakteristik Beberapa Enzim Penting

Penting diketahui untuk aplikasinya :

- α-Amilase

-Amiloglukosidase (AMG)

- Protease

- Lipase

α-Amilase (1,4-α-glukan-glukanohidrolase)

Enzim -amilase terdistribusi secara luas di alam, terdapat padahewan, tumbuhan dan berbagai marga protista.

Menghidrolisis pati secara acak melalui bagian dalam (endo-hydrolase)

dgn memutus ikatan -(1,4) glikosidik pada amilosa, amilopektin danGlikogen

Enzim -amilase umumnya diisolasi dari Bacillus amyloliquefaciens, B. licheniformis, Aspergillus oryzae dan A. niger

pH optimum untuk enzim ini sekitar 6 dengan suhu optimum 60oC

Enzim -amilase yang dibuat oleh Novo Industri A/S antara lain adalah Termamyl yang memiliki ketahanan terhadap suhu sekitar 95 – 110oC

dosis enzim yang digunakan sekitar 0,5 – 0,6 kg/ton pati atau 1500 U/kg substrat kering

Ikatan α-1,6-glikosidik

Ikatan α-1,4-glikosidik

Struktur Amilosa

Struktur Amilopektin

Hidrolisis amilosa oleh α-amilase terjadi melalui dua tahap :

1. Tahap pertama adalah degradasi polimer pati menjadi maltosa dan maltotriosa yang terjadi secara acak. Degradasi ini sangat cepat diikuti dengan menurunnya viskositas secara cepat.

2. Tahap kedua relatif lebih lambat dengan pembentukan glukosa dan maltosa sebagai hasil akhir.

Hidrolisis amilopektin oleh α-amilase menghasilkan glukosa, maltosa dan berbagai jenis α-limit dekstrin, yaitu oligosakarida yang terdiri dari empat atau lebih residu glukosa yang mengandung ikatanα-1,6- glikosidik.

amilopektin

amilosa

Amiloglukosidase (AMG) (glukoamilase, gamma-amilase)

Eksoenzim yang memecah ikatan -(1,4) dengan melepaskan unit- unit glukosa dari ujung non-pereduksi molekul amilosa dan amilopektin.

Enzim ini juga dapat memotong ikatan α-1,6-glikosidik akan tetapi Kerjanya relatif lambat perlu penggabungan dgn debrancing enzyme untuk mempercepat hidrolisis pada ikatan α-1,6-glikosidik. Salah satunya adalah penggunaan pullulanase yang dapat bekerja cepat memotong ikatan α-1,6-glikosidik pada amilopektin menjadi maltosa dan maltotriosa Dextrozyme

amilopektin

amilosa

Amiloglukosidase diproduksi dalam jumlah besar dari kapang dan khamir hanya Aspergillus dan Rhizopus yang digunakan secara komersial

Suhu optimum untuk enzim amiloglukosidase berkisar 40-60oC dengan pH optimum sekitar 3-8

Digunakan dengan dosis berkisar 0,65 – 0,80 liter enzim per ton pati dengan dosis sebesar 200 U/kg pati

Amiloglukosidase yang berasal dari Novo tersedia dalam bentuk cair

Protease

Aplikasi terutama pada industri deterjen dan keju (rennin)

Penggunaan lain : industri farmasi, industri kulit, pembuatan protein hidrolisat, industri makanan, industri film dan penanganan limbah

Mikroba penghasil protease :

Protease alkali : - Stabil terhadap suhu tinggi, pH 9-11, chelating agent - Bacillus licheniformis, B. amyloliquefaciens, B.megaterium, B.pumilus - Streptococcus griceus, S. fradiae, S.rectus - Aspergillus niger, A. sojae, A.oryzae, A. flavus - Tepung protease dpt menyebabkan alergi, shg dibuat partikel (+ polietilen glikol)

Protease Netral : - Relatif tidak stabil thd pH, suhu & dpt diinaktivasi oleh protease alkali - Aplikasi : industri kulit & industri makanan (crackers, roti dll)

Protease Asam-Aktif pada suasana asam, contoh : rennin & pepsin (pH opt 2-3)-Aplikasi : - kebanyakan untuk bidang kedokteran - Protease dari Aspergillus untuk memecah gluten pada pemanggangan

Rennin-Kultur starter mengubah laktosa pada susu menjadi asam laktat yg menurunkan pH sd titik isoelektrik kasein susu , sehingga menggumpal - Mikroba penghasil : S. lactis, S. cremoris, S. thermophilus,

Lactobacillus bulgaricus, L. helveticus

Lipase (Gliserol ester hydrolase) Memutus lemak menjadi di atau monogliserida dan asam lemak

Mikroba penghasil : Kapang : Aspergillus, Mucor, Rhizopus, Khamir : Candida

pH optimum netral atau agak asam, suhu optimum 30 – 45 0C

Aplikasi : - farmasi : enzim pencernaan (suplemen lipase pankreas) - Industri susu (pematangan keju)

Important Applications of α-Amylase

Suspensi pati

GelatinasiPati(95-105 0C)

α-Amilase bakteri(pH 6.0-6.6, 105oC, 5 mnt atau 95oC 1-2 jam

Maltodekstrin

Sakarifikasi

Glukoamilase atauGlukoamilase+ PululanasepH 4.0-4.5, 60oC, 48-72 jam

Sirup Glukosaα-Amilase kapang+ glukoamilasepH 5.0, 55oC, 42 jam

Sakarifikasi

Sakarifikasi

Sirup Glukosa

Amilase kapang atauβ-amilasepH 5.5, 55oC, 42 jam

Sirup Maltosa

Kolom Penukar Ion

Isomerisasi Glukosa isomerasepH 7.5-8.5, 60-65oC, 2-4 jam

Sirup FruktosaSirup FruktosaBerkadar tinggiPemurnian

Produksi Sirup Glukosa

Pati Sagu

Suspensi Pati Sagu 30%

Likuifikasi (90oC)Waktu Likuifikasi 210 mnt

-amilase 1,75 U/g pati

Sakarifikasi (60oC, pH 4,5)

Waktu Sakarifikasi 48 jam

AMG0,3 U/g pati

Hasil proses likuifikasi

CaCO3 Pencampuran akuades

Gelatinisasi

Pengaturan pH 6.2NaOH

Dekolorisasi1 jam 80 oC

Penyaringan

Hasil Proses Sakarifikasi

Sirup Glukosa

Arang Aktif 2 % bk pati

Gambar 1. Proses Hidrolisis Pati Sagu

Rendemen sirup glukosa = 63,27%.

Nilai ekuivalen dekstrosa = 98,9 %

Application Enzymes used Uses

Baking industryalpha-amylase catalyzes the release of sugar monomers from starch

Fungal alpha-amylase enzymes are normally inactivated at about 50 degrees Celsius, but are destroyed during the baking process.

Catalyze breakdown of starch in the flour to sugar. Yeast action on sugar produces carbon dioxide. Used in production of white bread, buns, and rolls.

ProteasesBiscuit manufacturers use

them to lower the protein level of flour.

Baby foods

Tripsin To predigest baby foods.

Brewing industry                           Germina-ting barley used for malt.

Enzymes from barley are released during the mashing stage of beer production.

They degrade starch and proteins to produce simple sugar, amino acids and peptides that are used by yeast for fermentation.

Industrially produced barley enzymes

Widely used in the brewing process to substitute for the natural enzymes found in barley.

Amylase, glucanases, proteases

Split polysaccharides and proteins in the malt.

Betaglucanases and arabinoxylanases

Improve the wort and beer filtration characteristics.

Amyloglucosidase and pullulanases

Low-calorie beer and adjustment of fermentability.

ProteasesRemove cloudiness produced during storage of beers.

Acetolactatedecarboxylase (ALDC)

Avoid the formation of diacetyl

Fruit juices

Cellulases, pectinases Clarify fruit juices

Dairy industry

          

                  Roque-fort cheese

Rennin, derived from the stomachs of young ruminant animals (like calves and lambs).

Manufacture of cheese, used to hydrolyze protein.

Microbially produced enzymeNow finding increasing use in the dairy industry.

Lipases

Is implemented during the production of Roquefort cheese to enhance the ripening of the blue-mould cheese.

LactasesBreak down lactose to glucose and galactose.

Meat tenderi-zers

Papain To soften meat for cooking.

Starch industry Amylases, amyloglucosideases and glucoamylases

Converts starch into glucose and various syrups.

Glucose isomerase

Converts glucose into fructose in production of high fructose syrups from starchy materials. These syrups have enhanced sweetening properties and lower calorific values than sucrose for the same level of sweetness.

Paper industry

                        

A paper mill in South Carolina.

Amylases, Xylanases, Cellulases and ligninases

Degrade starch to lower viscosity, aiding sizing and coating paper. Xylanases reduce bleach required for decolorising; cellulases smooth fibers, enhance water drainage, and promote ink removal; lipases reduce pitch and lignin-degrading enzymes remove lignin to soften paper.

Biofuel industry

CellulasesUsed to break down cellulose into sugars that can be fermented (see cellulosic ethanol).

Ligninases Use of lignin waste

Biological detergent

                 

           Laundry soap

Primarily proteases, produced in an extracellular form from bacteria

Used for presoak conditions and direct liquid applications helping with removal of protein stains from clothes.

AmylasesDetergents for machine dish washing to remove resistant starch residues.

LipasesUsed to assist in the removal of fatty and oily stains.

Cellulases Used in biological fabric conditioners.

Contact lens cleaners

ProteasesTo remove proteins on contact lens to

prevent infections.

Rubber industry CatalaseTo generate oxygen from peroxide to

convert latex into foam rubber.

Photographic industry

Protease (ficin)Dissolve gelatin off scrap film,

allowing recovery of its silver content.

Molecular biology

Part of the

DNA double helix.

Restriction enzymes, DNA ligase and polymerases

Used to manipulate DNA in genetic engineering, important in pharmacology, agriculture and medicine. Essential for restriction digestion and the polymerase chain reaction. Molecular biology is also important in forensic science.

Keuntungan Imobilisasi :

1. Dapat digunakan berulang2. Penghentian proses cepat (diambil dengan filtrasi, laju alir

<<)3. Kestabilan lebih baik dengan adanya ikatan pada

imobilisasi.4. Hasil tidak terkontaminasi enzim untuk pangan dan

farmasi5. Dapat digunakan untuk tujuan analisis6. Dapat digunakan untuk proses kontinyu7. Pengontrolan lebih baik

DEFINISI ENZIM IMOBIL (Chibata, 1978)Enzim yang secara fisik ditempatkan di dalam suatu daerah/ruang tertentu, sehingga dapat menahan aktivitas katalitiknya serta dapat digunakan secara berulang-ulang dan kontinyu. Pengikatan enzim pada carrier atau enzim lain, tidak boleh menngubah struktur 3 dimensi pada sisi aktif molekul Gugus fungsi pada molekul enzim yg cocok untuk imobilisasi : gugus karboksil, amino, fenil, hidroksil, sulfuhidril atau imidazol

METODE IMOBILISASI ENZIM

“Carrier –binding” “Cross-linking” “entrapping”

Adsorpsi Fisik

Ikatan Kovalen

Ikatan Ionik

Jenis Mikrokapsul

Jenis Kisi

Glucose Isomerase Catalysts

Aplikasi Enzim Imobil di Industri

1. Produksi Fruktosa dari Glukosa (HFS)Glukosa Fruktosa

Glukoisomerase imobil (DEAE-Selulosa)

Glukoisomerase : Intraseluler Mahal

2. Produksi L-asam amino (e.g L-Methionin) bentuk yg dpt diserap tubuh Hasil reaksi kimia = campuran asam amino : asetil D&L asam

amino (rasemat) + aminoasilase imobil (DEAE-Sephadex) terjadi deasilasi hanya yg bentuk L

3. Produksi Antibiotika APA (6-amino penicillanic acid) Benzil Penisilin + penisilin amidase imobil (selulosa asetat) APA APA + gugus metil α-metil benzil penisilin (=Ampisilin, antibiotika spektrum luas)

Sistem Monitoring GlukosaKolom kapiler

Glu.oksidaseimobil

Elektroda O2

Recording elektrometer

Contoh (lar glukosa)

GlukosaO2

Glukosidase Glukonolakton + H2O2

O2 diukur dengan elektroda

Faktor Pembatas Aplikasi Enzim Imobil

1.Faktor Ekonomi carrier mahal2.Efisiensi rendah3. Kestabilan operasi rendah4.Peralatan kompleks (sistem kultivasi sinambung)