BAB I PENGANTAR A. LATAR BELAKANG Indonesia merupakan negara agraris dengan salah satu produk kegiatan pertaniannya adalah jagung. Jagung sebagai salah satu sumber kebutuhan pokok masyarakat diproduksi dalam jumlah yang cukup besar di Indonesia. Berdasarkan data yang dihimpun dari Badan Pusat Statistik Indonesia pada tahun 2013, Indonesia mampu memproduksi jagung sebanyak 18.511.853 ton/tahun, yang tersebar antara lain di: Tabel 1.1. Daftar Persebaran Produksi Jagung di Indonesia No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
Provinsi Indonesia Aceh Sumatera Utara Sumatera barat Riau Jambi Sumatera Selatan Bengkulu Lampung Bangka Belitung Kepulauan Riau DKI Jakarta Jawa Barat Jawa Tengah DI Yogyakarta Jawa Timur Banten Bali Nusa Tenggara Barat Nusa Tenggara Timur Kalimantan Barat Kalimantan Tengah Kalimantan Selatan Kalimantan Timur Kalimantan Utara Sulawesi Utara Sulawesi Tengah Sulawesi Selatan Sulawesi Tenggara Gorontalo Sulawesi Barat Maluku Maluku Utara Papua Barat
Luas Panen(Ha) 3821504 44099 211750 81665 11748 6504 32558 18257 346315 234 339 0 152923 532061 70772 1199544 3583 18223 110273 270394 42621 2062 20629 1858 445 122237 34174 274046 27133 140423 26781 3203 10395 1250
Produktivitas(Ku/Ha) 48.44 40.33 55.87 67.03 23.88 39.5 51.43 51.48 50.83 33.46 23.3 0 72.06 55.09 40.92 48.03 33.6 31.59 57.47 26.17 37.53 30.15 51.89 26.18 21.87 36.65 40.75 45.62 24.91 47.65 47.92 37.28 28.3 17.1
Produksi(Ton) 18511853 177842 1183011 547417 28052 25690 167457 93988 1760278 783 790 0 1101998 2930911 289580 5760959 12038 57573 633773 707642 159973 6217 107043 4864 973 448002 139266 1250202 67578 669094 128327 11940 29421 2137
Produksi jagung yang sedemikian besar tentunya membawa dampak tersendiri terhadap lingkungan, salah satunya adalah limbah dari sisa hasil panen jagung itu sendiri, seperti daun, batang, dan tongkol jagung. Selama ini limbah tersebut, khususnya tongkol jagung, banyak
dimanfaatkan sebagai bahan baku untuk pakan ternak. Pengolahan tongkol jagung menjadi bahan pakan ternak memiliki nilai ekonomis yang jauh lebih rendah apabila dibandingkan dengan pengolahan tongkol jagung menjadi bahan lain yang memiliki nilai ekonomis yang lebih tinggi. Menurut studi yang telah dilakukan, tongkol jagung dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan asam laktat. Asam laktat merupakan asam organik multifungsi yang dapat diproduksi dalam skala besar. Asam laktat merupakan asam karboksilat dengan rumus molekul C3H6O3 atau CH3-CHOH-COOH. Asam laktat memiliki banyak manfaat, diantaranya sebagai pengatur pH, bahan pengawet dan agent buffer, serta mulai banyak dipergunakan sebagai bahan poly lactic acid (plastik biodegradable) (Rivas. B dkk, 2004). Pada proses produksi asam laktat diperlukan bahan baku berupa glukosa. Salah satu sumber glukosa adalah tongkol jagung (Rivas. B dkk, 2004). Melimpahnya sumber tongkol jagung yang belum termanfaatkan secara maksimal di Indonesia dan harganya yang murah membuat produksi asam laktat dari tongkol jagung layak untuk dikaji lebih lanjut.
B. TINJAUAN PUSTAKA Buah jagung terdiri dari tongkol jagung dan biji jagung. Sebanyak 50% dari berat jagung kotor merupakan berat dari tongkol jagungnya. Tongkol jagung yang merupakan salah satu limbah utama dari hasil pertanian jagung selama ini banyak dimanfaatkan sebagai salah satu sumber makanan bagi ternak. Miura S. et al. (2004) menyebutkan bahwa tongkol jagung atau corn cob terdiri atas beberapa komponen, antara lain: Tabel 1.2. Komposisi Penyusun Tongkol Jagung No. Fraction Proportion (%) 1 Dietary fiber 86 Soluble dietary fiber Strach 9 Others 17 Insoluble dietary fiber (cellulose, hemicellulose,lignin) 60 2 Protein 5 3 Ash 2 4 Crude lipid 1 5 Water 6 Total 100
Komposisi tongkol jagung yang kaya akan cellulose dan hemicellulose membuat tongkol jagung menjadi sumber kaya glukosa yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan karbon dalam fermentasi untuk produksi ethanol. Tidak hanya sebagai bahan untuk memproduksi ethanol, tongkol jagung juga dapat digunakan sebagai bahan untuk memproduksi asam laktat yang
diperoleh melalui proses sakarifikasi dan fermentasi. (S. Miura et al., 2003; J. M Dominguez et al., 2003; C. Ruengruglikit et al, 2002) Asam laktat merupakan asam karboksilat dengan rumus molekul C3H6O3 (CH3CHOH-COOH). Asam laktat memiliki tiga karbon asam organik, satu atom karbon merupakan bagian dari asam atau grup karboksil, atom karbon lain merupakan bagian dari grup methyl atau hidrokarbon, dan atom karbon yang di pusat memiliki sebuah gugus alkohol. (Ojamo, H. 2013). Asam laktat di alam berada dalam dua bentuk optikal isomer yaitu D(-)lactic acid dan L(+) lactic acid. D(-) lactic acid merupakan isomer yang bisa meracuni manusia sedangkan L(+) lactic acid adalah isomer yang dipilih untuk makanan dan industri farmasi, karena tubuh manusia hanya menghasilkan enzim L-lactate dehydrogenase.
Gambar 1.1. Struktur dari L(+) lactic acid dan D(-) lactic acid
Sekitar 70% dari total asam laktat yang diperdagangkan digunakan dalam makanan dan pengolahan makanan sebagai pengatur pH, bahan pengawet dan agent buffer. Selain digunakan sebagai bahan pengawet makanan, asam laktat juga merupakan bahan baku (feedstock) industri polimer biodegradable, oxygenated chemicals, serta digunakan pula dalam kontrol sistem release pada pestisida dan obat-obatan. Salah satu terapan yang paling menjanjikan dari asam laktat adalah sebagai bahan baku pembuatan PLA (poly lactic acid) yang bersifat biodegradable dan biocompatible sebagai alternatif pengganti plastik non-biodegradable yang dihasilkan dari minyak bumi, batu bara atau gas alam (Jin Bo et al., 2005; S. Cristina et al.., 2011). Adapun sifat fisis dari asam laktat adalah sebagai berikut :
Tabel 1.3. Sifat Fisis Asam Laktat No.
Sifat-sifat
Nilai
1.
Berat Molekul
90.08 g/mol
2.
Titik Didih
(119-125) 0C
3.
Massa Jenis
(1.2-1.25) g/cm3
4.
Warna
Tidak berwarna hingga kuning cerah
5.
Fase pada suhu ruang dan atmosferis
Cair
6.
PKa
3.86
7.
Korosifitas
Sangat korosif
Pada proses pembuatan asam laktat melalui proses fermentasi, industri banyak menggunakan Ca(OH)2 sebagai bahan untuk menjaga stabilitas pH dalam fermentor sebagai akibat dari pembentukan asam laktat. Proses stabilisasi pH ini terjadi dengan mengubah bentuk asam laktat menjadi kalsium laktat. Proses ini diperlukan untuk menjaga agar bakteri dapat tetap bertahan hidup selama proses fermentasi berlangsung. Mekanisme reaksinya adalah sebagai berikut: C6H12O6 Glukosa
+
Ca (OH)2 Calcium hydroxide
fermentation
(2CH3CHOHCOO- ) Ca2+ + 2H2O Calcium lactate
Selanjutnya, penggunaan asam sulfat (H2SO4) juga dilakukan sebagai bahan penghidrolisis kalsium laktat sehingga nantinya diperoleh produk utama yakni asam laktat itu sendiri. Mekanisme reaksinya adalah sebagai berikut: 2(CH3CHOHCOO-) Ca2++ H2SO4 Calcium lactate Sulphuric acid
2 CH3CHOHCOOH + Ca SO4 Asam laktat Calcium sulphate
Beberapa sifat fisis bakteri yang dapat digunakan dalam proses fermentasi asam laktat dapat dilihat pada tabel di bawah ini:
Tabel 1.4. Sifat Fisis Lactobacillus Acidophilus No. 1.
Sifat-sifat Suhu Pertumbuhan
Nilai 20 0C< T <48 0C sangat baik pada 37 0C
2.
Kondisi lingkungan
3.
Kadar garam lingkungan
Asam 2%-4%
Tabel 1.5. Sifat Fisis Lactobacillus Casei No. 1.
Sifat-sifat Suhu Pertumbuhan
Nilai 20 0C< T <48 0C sangat baik pada 37 0C
2.
Ukuran
(0.7-1.1) x (2.0-4.0) mm
3.
Kondisi lingkungan
pH 5.5-5.8
Tabel 1.6. Sifat Fisis Enterococcus Faecalis No.
Sifat-sifat
Nilai
1
Suhu pertumbuhan
10-40 oC
2
Ukuran
0.5-1 μm
3
Lingkungan hidup
Sampai pH 9.6
Asam laktat (L-(+)- Lactic Acid) dapat diproduksi dengan fermentasi bakteri. Terdapat dua metode dalam proses fermentasi asam laktat, yaitu proses fermentasi konvensional dan SFF (Simultaneous Saccarification and Fermentation) (Rivas. B dkk, 2004). 1. Proses fermentasi konvensional Proses produksi asam laktat dari tongkol jagung merupakan proses fermentasi bakteria. Secara umum proses fermentasi glukosa menjadi asam laktat dapat dilihat dari diagram berikut
(http://www.lactic-acid.com/production_process.html, 2013)
Gambar 1.2. Diagram Proses Produksi Asam Laktat Tongkol jagung yang sudah dihaluskan (grinded) dihidrolisis menggunakan enzim sehingga menghasilkan glukosa, selanjutnya glukosa akan diproses menjadi asam laktat melalui fermentasi bakteria. Mekanisme reaksi pembentukan asam laktat digambarkan dengan persamaan reaksi berikut (a) Fermentation and neutralization C6H12O6 Glukosa
+
Ca (OH)2 Calcium hydroxide
(2CH3CHOHCOO- ) Ca2+ + 2H2O Calcium lactate
(b) Hydrolysis by H2SO4 2(CH3CHOHCOO-) Ca2++ H2SO4 Calcium lactate
Sulphuric acid
2 CH3CHOHCOOH + Ca SO4 Asam laktat
Calcium sulphate
(http://www.ejbiotechnology.info, 2013) Proses fermentasi asam laktat dari glukosa diperlukan Bakteri Asam Lakstat (BAL). Bakteri asam laktat bervariasi jenisnya. Setiap jenis BAL memerlukan kondisi operasi yang spesifik. Table berikut ini menunjukkan beberapa BAL dan kondisi operasinya
Tabel 1.7. Jenis Bakteri Asam Laktat dan Kondisi Operasinya Jenis Bakteri Asam Laktat (BAL)
Kondisi Operasi
Yield (basis karbon)
Enterococcus Faecalis
pH 7.0 suhu 30oC
80-90%
pH 5.0-6.5 suhu 30-50oC
90%
pH 4-5 suhu 30oC
80%
pH 4.5 Suhu 35oC
90%
Lactobacillus Casei Laclobacillus Paracasei Lactobacillus Acidophilus
Proses fermentasi secara konvensional ini sudah establish dan telah banyak digunakan dalam dunia industri asam laktat. Kelebihan metode ini adalah proses yang bertahap antara hidrolisis dan fermentasi menyebabkan pengontrolan dapat dengan mudah dilakukan. Kekurangan metode ini adalah membutuhakan vessel yang cukup banyak untuk proses hidrolisis dan fermentasi.
2. Metode SSF (Simultaneous Saccarification and Fermentation) Pembuatan asam laktat melalui proses SSF adalah salah satu metode pembuatan asam laktat yang digolongkan pada direct lactic acid production. Pada proses ini, tahap sakarifikasi untuk memperoleh glukosa dari hasil hidrolisis bahan baku seperti tepung, jagung, tongkol jagung, dll, digabungkan menjadi 1 proses dengan tahap fermentasi. Sebagai konsekuensi atas penggabungan kedua tahap tersebut, diperlukan pemilihan bakteri atau jamur yang dapat memberikan yield yang besar. Di mana akan lebih menguntungkan apabila bakteri atau jamur yang digunakan selain berperan dalam proses fermentasi, juga mampu menghasilkan enzim amilolitik seperti glucoamylase enzyme yang berperan dalam proses hidrolisis glukosa dari substrat. Namun dalam prosesnya, bakteri atau jamur amilolitik maupun non-amilolitik, tetap memerlukan tambahan suplai enzim untuk mempercepat proses sakarifikasi. Penambahan enzim dilakukan bersamaan dengan penambahan baketri atau jamur pada substrat yang akan diolah. Beberapa bakteri dan jamur yang dapat dipergunakan pada proses ini antara lain (Jhon et al., 2009) :
Tabel 1.8. Daftar Penelitian Metode SFF untuk Produksi Asam Laktat No. Bahan Baku
Jenis Bakteri/Jamur
Yield
Jurnal
1.
Cellulose
L. Bulgaricus NRRL B-548
>80 g/L
Venkatesh, 1997
2.
Corncob
Rhizopus sp. MK-96-1196
90 g/l
Miura et al., 2004
3.
Wood
Rhizopus oryzae NRRL
>0.85 g/g substrate
395
Woiciechowski et al., 1999
4.
Waste Paper
Rhizopus oryzae
>0.8 g/g substrate
Park et al., 1998
5.
Cellulose
Lactobacillus coryniformis
0.89 g/g cellulose
Yanez et al., 2003;
ssp. torquens ATCC 25600 6.
Pretreated
Lactobacillus delbrueckii
2005 48–62 g/l
Moldes et al., 2000
Wood 7.
Corn Starch
L. amylovorus NRRL B-
0.935 g/g substrate
Nagarjun et al., 2005
4542 8.
Potato Starch
Rhizopus
oryzae,
arrhizus
R.
0.87-0.97 g/g
Huang et al., 2005
substrate
Jika dibandingkan dengan proses fermentasi konvensional. Proses SFF ini termasuk proses yang masih baru, dan masih dalam tahap research skala laboratorium. Kelebihan proses SFF ini adalah dapat menghemat kebutuhan vessel untuk proses produksi sehingga dapat lebih ekonomis, dan waktu produksi yang relatif singkat karena proses hidrolisis dan fermentasi yang dilakukan secara simultan. Kekurangan proses ini adalah sulitnya menentukan selektivitas proses, antara proses hidrolisis dan proses fermentasi sehingga dapat mempengaruhi kinetika reaksi dan yield produk yang dihasilkan. Sehingga, dalam perancangan pabrik asam laktat dari tongkol jagung ini, kami memilih untuk mempergunakan proses fermentasi secara konvensional yang sudah lama diterapkan dalam pembuatan asam laktat dengan mempergunakan Lactobacillus Casei sebagai bakteri untuk proses fermentasinya.
