BAB V. ASOSIASI MIKROBIA DENGAN BAHAN PANGAN DAN FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PERTUMBUHAN MIKROBIA Jika mikrobia mengkontaminasi bahan pangan, maka akan terjadi 4 kemungkian pada populasi mikrobia tersebut, dan akan terjadi 3 kemungkian pada bahan pangan tersebut. A. Ditinjau dari aspek mikrobia Dikaji pada populasi mikrobia yang mengkontaminasi bahan pangan, maka kemungkinannya adalah sebagai berikut:
1. Pertumbuhan (growth) 2. Kematian (death)
1 Σ sel
3
3. Dormant (menempel) 4. Stimulasi
4 Waktu
B. Ditinjau dari aspek bahan pangan Dikaji pada bahan pangan yang dikontaminasi bahan pangan, maka kemungkinannya adalah sebagai berikut: 1. Bahan pangan mengalami kerusakan (spoilage) atau kemunduran mutu (food spoilage) 2. Bahan pangan mengalami perubahan bersifat beracun / toksik atau menyebabkan infeksi (food borne disease) 3. Bahan pangan mengalami perubahan bersifat menjadi “lebih baik” atau fermented food
51
C. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Pertumbuhan Mikrobia pada Bahan Pangan Jawaban, mengapa terdapat 4 kemungkian nasib populasi mikrobia karena tergantung pada 4 faktor berikut, yaitu: 1. Faktor Intrisik (Bahan Pangan) 2. Faktor Ekstrinsik (Di luar Bahan Pangan) 3. Faktor Pengolahan 4. Faktor Implisit (Mikrobia) Jika faktor-faktor tersebut mendukung pertumbuhan mikrobia, maka mikrobia akan tumbuh, tetapi jika tidak maka hal sebaliknya akan terjadi. 1. Faktor Intrinsik (Bahan Pangan) Daya tahan mikroba sangat tergantung pada banyak faktor seperti (1) konsentrasi ion hidrogen (pH), (2)kebutuhan air (Aw=water activity), (3) tekanan oksigen, (4) kandungan zat gizi dan (5) senyawa penghambat, (6) Struktur biologis. Semua faktor tersebut merupakan kebutuhan intrnsik yaitu harus berada dalam keadaan seimbang untuk mencapai kondisi optimal bagi mikroba untuk berkembang biak. Parameter tersebut merupakan bagian yang tidak dapat dipisahkan dari jaringan tubuh tanaman dan ternak dan akan menentukan kesanggupan mikroba untuk dapat tahan hidup.
a. pH dari Bahan Pangan Derajat kesaman pangan memiliki pengaruh terhadap pertumbuhan dan viabilitas mikrobia. Setiap mikrobia memiliki pH optimum dan kisaran untuk pertumbuhannya (Tabel 5. 1). Secara umum, kapang dan yeast dapat tumbuh pada pH lebih rendah daripadabakteri. Kisaran pH untuk pertumbuhan kapang 1,5 – 9, yeast 28,5, dan bakteri Gram positif 4-8,5, dan bakteri Gram negatif 4,5-9.
52
Tabel 5. 1. Derajat keasaman (pH) minimal dan maksimal untuk pertumbuhan beberapa mikrobia pH Minimal
Maksimal
E.coli
4,4
9
Salmonella
4,5
8
Mold
1,5 – 2
11
Yeast
2,5
8 – 8,5
Beberapa contoh pH produk pangan ialah daging ayam 6,2 – 6,4; daging sapi sudah digiling 6,1 – 6,4; udang 6,2 – 6,4; milk 6,8 – 7; wortel 4,9 – 5,2; tomat 4,2 – 4,3; apel 2,9 – 3,3 dan semangka 5,2 – 5,6. b. Kadar Air Sebenarnya di bidang pengawetan bahan pangan parameter yang penting yaitu Aw (aktivitas air) karena Aw mencerminkan jumlah air yang tersedia yang dapat dikonsumsi oleh mikrobia. Air dalam bahan pangan dapat berbentuk terikat dan bebas. Air bebas di dalam pangan itulah yang diperlukan untuk pertumbuhan mikrobia. Air tersebut digunakan untuk: transpor nutrien, dan membuang sisa metabolisme, membawa reaksi enzimatik, mensintesa meterial seluler, mengambil bagian dalam reaksi biokimia, misalnya
hidrolisis polimer menjadi monomer
(protein menjadi asam amino). Sebagian besar jenis makanan segar memiliki Aw sekitar 0.99. Aw minimal kebanyakan bakteri perusak 0,91, yeast 0,88, dan kapang 0,8. Agar air tidak dapat lagi dimanfaatkan oleh mikroba dapat dilakukan berbagai cara yaitu: (a) melarutkan berbagai jenis bahan yang mudah larut atau ion-ion ke dalam suatu bahan, misalnya
53
gula dan garam (b) pembentukan gel yang membutuhkan air dan (c) pembentukan es yang dapat mencegah adanya air bebas yang dapat dimanfaatkan mikroba.
Terikat Air Yang bisa dipakai
Bebas
Aw =
RH % 100
= P/ Po = tekanan uapa air larutan (bahan) / tekanan uapa air murni , pada suhu oC tertentu.
Ka
׀
0
0,5
׀
Aw1
Ka =
Berat Bahan mula − berat kering x 100% (drybasis) Berat Kering
=
Berat Bahan mula − berat kering x 100% (wetbasis) Berat Bahan mula
Hubungan kadar air dan aktivitas air, bukan berupa garis lurus atau linier tetapi sigmoid. Ka ↑ → AW ↑ Ka ↓ → AW ↓
54
c. Potensial Oksidasi reduksi (Redoks) - simbol Eh dng satuan mV Potensial oksidasi reduksi (redoks) dari suatu substrat secara umum dapat didefinisi kemudahan substrat tersebut melepas/menerima elektron. Senyawa yang melepas e berarti substrat disebut teroksidasi, sedangkan substrat menerima e menjadi tereduksi. Pada umumnya mikroba mempunyai kepekaaan yang berbeda- beda terhadap tekanan oksigen dalam udara lingkungan hidupnya atau Oxygen- Reduction Potential (=O-R Potential) dari medium pertumbuhannya. O-R Potential banyak kaitannya dengan kemampuan medium atau substrat untuk dapat menangkap atau melepaskan electron. Besarnya potensial tersebut dipengaruhi oleh: (a) potensial instrinsik dari bahan makanan, (b) kemampuan untuk menahan terjadinya perubahan O-R Potential (c) tekanan oksigen makanan dan (d) tingkat hubungan makanan dengan atmosfer.
Nilai Eh sangat berhubungan dengan ketersediaan oksigen dalam bahan untuk melakukan proses oksidasi. Nilai Eh dapat positif (+ ) dan negatif (-). Nilai negatif, berarti substrat tersebut cocok/cenderung terjadi pertumbuhan mikrobia yang bersifat anaerob, sedangkan nilai positif , berarti lebih cocok/mendukung mikrobia dalam pertumbuhan aerob. Sebagai contoh, produk pangan: Juice (plant) memiliki Eh +300 sampai + 400 mv. Hal ini tidaklah mengejutkan jika pangan tersebut mudak dirusak oleh bakteri dan kapang aerob. Sebaliknya, daging utuh (whole) memiliki Eh – 200 mv, tetapi berubah menjadi + 200 mv jka daging tersebut dilakukan pengilingan. Potong = + 200 mv d. Kandungan Nutrien Mikrobia untuk tumbuh memerlukan nutrient missal air, sumber karbon, energi, vitamin dan faktor pertumbuhan dan mineral. Karena beberapa mikrobia 55
missal bakteri Gram positif kurang mampu menghasilkan vitamin. Oleh sebab itu untuk meumbuhkannya perlu ditambahkan vitamin pada media tersebut. Pada prinsipnya nutrien utama suata bahan pangan akan dapt dijadikan indikasi munculnya mikrobia tertentu terkait dengan enzim mikrobia yang dihasilkannya. Pada nutrien utama protein akan dikontaminasi mikrobia penghasil enzim proteinase, lemak oleh lipase, pati oleh amilase dan seterusnya.
Pr oteolitik Salmonella, Psedomonas ( protease) (Ikan, daging)
•
Protein →
•
Lipida →
Lipolitik Lipase
Candida lipolitica, Pseudomonas
(mentega, keju) •
Karbohidrat →
Amilolitik Aspergillus, Sacharomyces Amilase
(ketela, nasi) e. Konstituen Antimikrobia Bahan pangan mempunyai anti mikrobia sehingga mikrobia mod sulit menyerang bahan pangan. Senyawa-senyawa penghambat baik yang sejak awal sudah ada didalam bahan makanan ditambah atau terbentuk selama proses pengolahan dapat menghambat atau mencegah pertumbuhan mikroba. Misal putih telur mengandung lizosim, fresh milk mengandung lactenin, cengkeh mengandung minyak eugenol, sayur-sayuran atau buah-buahan dilapisi tanin, sedangkan pada buah cranberries terdapat asam benzoat. f. Struktur biologis bahan pangan Zat penutup alami pada beberapa bahan pangan memberikan perlindungan secara baik terhadap kerusakan oleh mikrobia. Bahan itu seperti cangkang pada telur, kulit jangat pada hasil hewani, dan kulit pada kacang tanah. Contoh lainnya,
56
tempurung pada kelapa dan kemiri, pada buah apel dan semanggka dilapisi zat lilin, dan labu (waluh) dilapisi kulit yang keras.
2. Faktor Ekstrinsik (Lingkungan di luar bahan pangan) Faktor ekstrinsik adalah faktor-faktor yang ada kaitannya dengan kemampuan mikroba untuk dapat tetap hidup. Diantaranya adalah suhu, kelengasan udara (RH%), konsentrasi gas dalam lingkungan hidupnya dan radiasi. a. Suhu penyimpanan Mikroba memiliki kemampuan tumbuh dan berkembang biak dalam lingkungan dengan kisaran suhu yang sangat luas. Mereka dapat dikelompokkan berdasarkan pada pertumbuhan optimalnya. 1) Mikroba psyhrophiles atau psychrotrophis. Mikroba ini dapat tumbuh dengan baik pada kisaran suhu antara 70 C sampai 100C. mereka dapat tumbuh lambat pada suhu lemari es. Mikroba mesophiles tumbuh dengan baik pada kisaran suhu 250 dan 400. Suhu pertumbuhan optimalnya antara 350 sampai 370C. banyak mikroba yang terdapat
pada makanan termasuk dalam
kategori mesophiles. 2) Mikroba thermophiles tumbuh baik pada suhu 450 atau lebih tinggi dengan suhu pertumbuhan optimal antara 550 dan 650 C. Mikroba tersebut biasanya merupakan penyebab kerusakan dan pembusukan makanan dalam kaleng, yang mengakibatkan terjadinya flat sour yaitu isi kaleng menjadi asam tanpa terbentuknya gas. Jenis mikrobia atas dasar kebutuhan dengan “suhu” dapat dikelompokkan menjadi Psikrofil, Mesofil, dan Termofil:
57
a. Mesofil min 5oC
opt 30oC
max 50oC
b. Psikrofil min 0oC
opt 15oC
max 35oC
c. termofil min 4oC
opt 60oC
max 80oC
Mesofil Termofil
Kecepatan pertumbuhan
Psikrofil
0
40
80
suhu
Mikrobia ekstimtermofil dapat tumbuh pada suhu paling rendah 34oC dan beberapa mikrobia ada yang mampu tumbuh di atas 90oC. Mikrobia yang dapat tumbuh di bawah suhu 20oC namun tumbuh dengan baik/optimum antara 20-300C disebut dengan mikrobia psikrofilik atau dimasukkan psikrotrof, sedangkan pada kelompok mesofil tumbuh optimum antara 30-40oC sedangkan yang termofil suhu optimum 55-65oC. b. Kelembaban relatif (RH%) Kelengasan relatif (RH) berpengaruh terhadap lingkungan atau atmosfer tempat makanan berada. Bila RH terlalu tinggi makanan akan menyerap lebih banyak air sehingga akan menimbulkan lingkungan yang lebih baik bagi pertumbuhan mikroba. Bila kondisi yang tepat dimana RH dan suhu yang diperlukan dapat dipenuhi maka timbullah kemungkinan untuk memperpanjang masa simpan makanan.RH mempengaruhi besarnya aw (aktivitas air) dikalikan 100.
58
Komposisi Udara Adanya gas seperti karbon dioksida dapat berfungsi sebagai bahan pengawet
makanan.
Bila
gas
karbon
dioksida
dalam
atmosfer
ruang
penyimpananmencapai konsentrasi 10 persen (juga dikenal sebagai CAS = Control Atmosphere Storage) maka kerusakan beberapa jenis buah-buahan dan sayuran dapat dihambat. N2
78%
O2
21%
CO 2
ͯ 0,03%
Others
Komposisi udara sangat mempengaruhi/ mendukung pertumbuhan mikrobia (aerob)
.... 100 %
Tabel 5.2. Efek penyimpanan pada kondisi vakum, nitrogen, dan karbon dioksida terhadap sosis. 0 Hari
Vakum 98
CO 2 140 hari
N 2 140 hari
9
2,4
4,8
5,4
5,6
5,9
Lactobacillus viridescens 88
Lactobacillus viridescens 88
hari Log APC/g pH
1,7 5,9
Mikrobia dominan (%)
Bacillus 34 Lactobacillus Corynebacterium viridescens 38 34 Flavobacterium 8 Brochothrix 8
c. Radiasi Radiasi pengion dapat merusak mikroba. Oleh karena itu radiasi elektromagnetik biasa digunakan untuk membunuh mikroba dalam suatu proses yang 59
disebut sterilisasi dingin (Cold Sterilization), karena pada proses tersebut suhu tidak mengalami kenaikan. 3. Faktor Pengolahan (∆ Intrinsik, ∆ Ekstrinsik) Adanya faktor pengolahan mengakibatkan terjadinya perubahan kondisi intrinsik bahan pangan. Pengolahan ini dapat bersifat fisika maupun kimiawi. Contoh : pengolahan fisikawi: •
Pengecilan ukuran Akan terjadi kerusakan struktur biologis perlindungan bahan makanan akibatnya kontaminasi akan lebih berpeluang mungkin terjadi karena luas permukaan bahan akan menjadi lebih besar mudah kontak dengan udara.
•
Pengeringan Jagung, padi, kelapa dikeringkan menyebabkan molekul H 2 O menguap naik → AW turun
•
Pengentalan → pembuatan sirup → AW ↓ → penggaraman
•
Pengemasan (lingkungan) RH « atau RH» RH dipertahankan
Pengemasan/perlindungan 1. Plastik 2. Alumunium foil 3. Kaleng dsb. •
Pemanasan - Pasteurisasi
60
- Sterilisasi Faktor pengolahan bisa merubah faktor intrinsik bahan pangan maupun ekstrinsik. 4. Faktor Implisit Faktor bawaan/sifat genetik dari suatu mikrobia kecepatan pertumbuhan. Pada umumnya laju pertumbuhan : Bakteri > yeast > jamur Kondisi persyaratan untuk pertumbuhan mikrobia ialah (a) inokulum sel yang hidup atau jumlah sel awal, (b) tersedianya sumber energi, (c) tersedianya nutrien, (d) tidak adanya inhibitor, (e) kondisi fisikokimia yang cocok. Jika persyaratan untuk pertumbuhan terpenuhi, maka dalam interval waktu tertentu (dt), akan terjadi kenaikan biomassa sel (dX) yang jumlahnya proposional dengan jumlah biomassa yang ada, sehingga dapat dinyatakan: dX = µ X dt atau dX/dt = µ X dimana:
µ = konstan laju pertumbuhan atau kecepatan pertumbuhan spesifik X = Jumlah sel/ ml atau biomassa / ml t = waktu yang diperlukan untuk pertumbuhan
Koefisien diferensial (dX/dt) merupakan laju pertumbuhan populasi sel. Parameter µ mewakili laju pertumbuhan per unit biomassa atau (1/X) (dX/dt), yang disebut sebagai laju pertumbuhan spesifik, yang memiliki dimensai resiprok dari waktu (1/t). Analogi dengan bunga investasi, maka µ sebesar 0,1 h-1 ekivalen dengan laju bunga sebesar 10% per jam. Antagonistik Dua atau lebih mikrobia di dalam pangan dapat mempengaruhi secara berkebalikan dalam pertumbuhan satu dengan lainnya, atau satu mikrobia 61
dapat bercampur dengan pertumbuhan satu atau lebih tipe mikrobia dan kadang-kadang satu mikrobia dapat membunuh mikrobia lainnya.
Bakteri laktat
Susu
Susu (laktosa)
Hidrogen peroksida Asam laktat
Jamur, bakteri lain
Contoh : Penicillium
Bahan pangan
Bahan pangan penicilin
Mikroba lain
a. Simbiotik Mikrobia yang satu selama pertumbuhannya di dalam bahan pangan membantu pertumbuhan mikrobia lainnya.Satu tipe mikrobia dapat mengasilkan menghasilkan metabolit yang diperlukan oleh tipe mikrobia kedua yang mana metabolit tersebut tidak dapat dihasilkannya. Selanjutnya, spesies mikrobia kedua mengasilkan nutrien yang bermanfaat menstimulasi pertumbuhan mikrobia tipe pertama. Interaksi demikian ditunjukkan pada beberapa pangan fermentasi, misalnya yogurt. Streptococcus thermophilus menghidrolissi protein susu oleh proteinase ekstraseluler dan menghasilkan asam-asam amino, yang mana nutrien ini diperlukan untuk pertumbuhan Lactobacillus brueckii subsp. bulgaricus. Berikutnya, Lactobacillus menghasilkan asam format, yang dapat menstimulasi laju pertumbuhan spesies Streptococcus lebih cepat.
62
b. Sinergetik Mikrobia dalam suatu bahan bahan pangan dapat saling mendukung pembentukan suatu metabolit. Meskipun laju pembentukannya lambat, masingmasing spesies dapat menghasilkan metabolit secara individual. Ketika mikrobia tersebut ditumbuhkan bersama, maka laju pertumbuhan dan pembentukan byproduct dapat meningkat. Contoh, Streptococcus thermophilus dan Lactobacillus brueckii subsp. bulgaricus, ketika ditumbuhan dalam media susu secara terpisah, dapat menghasilakan 8-10 ppm asetaldehida, yakni metabolit penguat flavor yang diinginkan pada yogurt. Tetapi, dapat mencapai 30 ppm asetaldehida ketika ditumbuhkan bersama-sama. Pada produksi pangan fermentasi, dua strain atau spesies dapat digunakan untuk menginduksi pertumbuhan sinergistik. F ( Waktu, Jarak) Pangan Konsu
1. Kerusakan 2. Beracun
Merugikan konsumen
Mikrobia
Pengolahan pangan : 1. Meningkatkan penerimaan konsumen 2. Meningkatkan nilai ekonomi bahan pangan 3. Meningkatkan umur simpan 4. Diversifikasi pangan
Pengolahan Pangan 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Pemanasan ———→ pengalengan (sterilisasi) Pendinginan Pembekuan Pengentalan Penambahan Bahan Pengawet Irradiasi Non thermal : tekanan tinggi, medan magnet, medan listrik
63
64
