Daftar isi Biosintesis Asam Laktat Sebagai Bahan Baku Plastik Biodegradabel
BIOSINTESIS
(Lucia Indrarti)
ASAM LAKTAT SEBAGAI BAHAN BAKU PLASTIK BIODEGRADABEL
Lucia Indrarti, Elsy Rahimi dan Tati Pusat Penelitian Fisika (P2F) - LfPf Jl. Cisitu 21/154D, KomplekLfPL Bandung ABSTRAK BIOSINTESISASAM LAKTAT SEBAGAI BAHAN BAKU PLASTIK BIODEGRADABEL. Pengembangan bahan plastik biodegradabel menggunakan bahan alam terbarukan (renewable resources) sangat diharapkan. Polylactic acid (PLA) adalah salah satu jenis plastik yang dapat diproduksi dari bahan alami terbarukan seperti pati melalui fermentasi asam laktat dan polimerisasi secara kimia. Lactobacillus plantarum merupakan isolat tunggal hasil isolasi dari silase jagung'dan merupakan bakteri homofermentatifpenghasil asam laktat. Fermentasi tepung jagung oleh bakteri 1. pli:intarurh pada suhu 30°C dengan pH 6-6,5 menghasilkan jenis L( +) asam laktat dengan produksi asam laktat 2,02 mg/mL dengan waktu inkubasi 72 jam. Asam laktat yang dihasilkan akan diproses lebih lanjut melalui polimerisasi secara kimia sebagai bahan baku plastik Polylactic Acid (PLA). Penguasaan teknologi pembuatan PLA sebagai polimer biodegradabel akan memberikan nilai tambah pada pemanfaatan tepungjagung dengan memberikan keuntungan secara ekonomi yang dapat bersaing dengan plastik hidrokarbon yang saat ini banyak dipakai. Kata kunci : Biosintesis, Polylactic acid, Lactobacillus plantarum
ABSTRACT BIOSYNTHESIS
OF LACTIC
ACID AS BIODEGRADABLE
PLASTIC
RAW MATERIALS.
Development of biodegradable plastic materials used renewable resources are expected. Polylactic acid (PLA) is one of the biodegradable plastic which was produced from renewable resources by fermentation of starch and chemical polimerization. One isolate of the bacteria Lactobacillus plantarum was obtained from corn silage isolation and was homofermentative bacteria with lactic acid as the fermentation product. Lactic acid fermentation from corn starch medium was carried out by L. plantarum at room temperature and pH 6-6.5. Analysis of fermentation com starch using HPLC and polarimeter showed that lactic acid fermentation By L. ?lantarum p~oduced L(+) lactic acid : Produ~tivi~ o~L(+)lactic acid W~S2:6.mg/ml b~~ncubation of72 hours. ThiS product will be followed by chemical pohmenzatlOn to get polylachd aCid (PLA). The technology process of PLA as biodegradable plastic will give an added value of com starch and can be competitive economically with the ordinary hydrocarbon plastics. Key words: Bioshyntesis,
Polylactic acid, Lactobacillus plantarum
PENDAHULUAN Dalam perkembangan industri polimer dan tantangan yang harus dihadapi seperti berkurangnya sumber daya alam migas dan semakinketatnyarernturan lingkunganhidupyang diterapkan termasuk program plastik ramah lingkungan atau program EDP (Environmentally Degradable Plastics), maka diperlukan antisipasi yang tepat agar industri polimer dapat memacu pengembangan plastik biodegradabel [1]. Sehubungan dengan hal tersebut perlu dilakukan pengkajian dan penguasaan teknologi
pembuatan material baru yang dapat dan mudah terurai secara alami. Sintesissecarabiologismenggunakanmikro organisme tertentu merupakan salah satu cara untuk memperoleh sumber-sumber bahan baku material yang dapat diperbaharui sebagai produk yang bersahabat dengan lingkungan. Polylactic Acid (PLA) adalah polimer yang dibuat dengan bahan baku renewable resources melalui proses fermentasi pati dengan menggunakan bakteri asam laktatclanpolimerisasi 89
ISSN 1410-8720
Prosiding Simposium Nasional Polimer V
secara kimia [2,5]. Perusahaan besar dunia mulai bergerak untuk memproduksi PLA, seperti Cargill-Dow Chemicals Co sejak tahun 1997 telah memproduksi PLA untuk digunakan sebagai plastik dan tekstil dengan skala 140.000 ton per tabun dengan memanfaatkan tepungjagung., hal ini menunjukkan kebutuhan pasar yang sangat berarti [3]. Asam laktat atau as am a-hidroksi
mendapatkan strain yang unggul dalam menghasilkan asam laktat sebagai produk utamanya.Diharapkan dapat dikembangkan lebih lanjut melalui polimerisasi kimia menjadi polimer PLA
propionat merupakan salah satu asam organik yang dapat dihasilkan melaIui sintesis kimia dan sintesis secara mikrobiologis dengan mikro organisme tertentu melalui proses fermentasi. Penggunaannya amat luas mencakup industri makanan, minuman, fannasi, kosmetik dan kimia. Melaluipolimerisasikimiaasam laktatdapat dihasilkan PLA, yang merupakan plastik biodegradabel yang saat ini banyak digunakan sebagai biomedikal seperti surgical implant, drug delivery system dan artificial scaffold materials [4]. Kendala utama dalam memproduksi senyawa ini adalah harga bahan baku yang mahaI. Mengingatasam laktatmemiliki banyak kegunaan dan permintaan pasaryang meningkat maka dicari altematif lain produksi asam laktat dengan menggunakan bahan baku murah dari bahan alam terbarukan melaIui proses fermentasi. Pati-patian dan lignoselulosa merupakan sumber daya alam terbarukan memiliki potensi cukup besar untuk diolah menjadi plastik ramah lingkunganmelalui proses fermentasi oleh bakteri dan polimerisasi kimia [5]. Diharapkan dapat memberikan keuntungan secara ekonomi yang dapat bersaing dengan plastik hidrokarbon yang saat inibanyak dipakai dan masih tergantung pada petrokimia. Asam laktat memiliki 2 jenis isomer optis aktif, jenis L dan D [2,5,6], keduanya dalam sintesis secara kimia tidak dapat dibuat secara terpisah. Melalui proses fermentasi asam laktat dapat dibuat jenis D atau L secara terpisah tapi tergantung darijenis bakterinya, sehingga pemilihan bakteri sangat penting. Dalam dunia industri senyawa asam L(+) laktat lebih banyak digunakan [4]. Maka pada penelitiim pendahuluan ini perIu dilakukan isolasi bakteri penghasil asam laktat yang potensial untuk
Isolasi dilakukan menggunakan metode tuang melalui pengenceran. Sampel bempa silase jagung diencerkan dengan aquadest steril, selanjutnya suspensi dicampur dengan medium selektif MRS (de Man, Rogosa, Sharpe), lalu dituangkan ke dalam cawan petri. Kemudian kultur cawan diinkubasi pada soou kamar. Koloni yang tumbuh diisolasi kedalam agar miring sehingga diperoleh isolat bakteri murni. Identifikasiisolatmeliputi pewamaan Gram, Uji biokimia,yaitu :hidrolisisgelatin,kasein,indol, H2S, Katalase dan nitrat. Uji fermentasi, yaitu fermentasi glukosa, fruktosa, galaktosa, laktosa, maltosa, sukrosa, manito I, dan ribosa.
90
METODEPERCOBAAN Isolasi dan Identifikasi Bakteri
Pembuatan Inokulum Biakan mumi hasil isolasi diinokulasi sebanyak lose ke dalam medium MRS steril secara aseptis lalu diinkubasi pada suhu kamar selama 24 jam dan dikocok 120 rpm. Ke dalam mediumMRS diinokulasi isolattersebut sebanyak . 1rnL ke dalam tabung reaksi berisi 9 rnL medium MRS bam laIudiinkubasi pada soou kamar selama 24jam dan dikocok 120 rpm. Kultur daIam MRS diinokulasi sebanyak 2 mL ke dalam erlenmeyer 50 mL berisi 18 mL medium MRS bam lalu diinkubasi pada soou kamar selama 24jam dan dikocok 120 rpm. Kultur isolat yang aktif diinokulasi sebanyak 5 mL ke dalam erIenmeyer 125 mL berisi 45 mL medium MRS bam lalu diinkubasi pada suhu kamar selama 24 jam dan dikocok 120 rpm. Setelah inkubasi selama 24 jam dilakukan pengukuran OD (Optical Density) dengan spektrofotometer· pada panjang gelombang 520 nm untuk mengetabui jumlah sel. Kultur yang dihasilkan digunakan sebagai inokulum untuk pembuatan kurva tumbuh isolat tersebut.
Biosintesis Asam Laktat Sebagai Bahan Baku Plastik Biodegradabel
(Lucia lndrarti)
Pembuatan Kurva Tumbuh L. Plantarum
Produksi Asam Laktat
Inokuhun dengan ODyang sudah diketahui diinokulasikan sebanyak 20 mL ke dalam erlenmeyer 500 mL yang berisi 180 mL medium MRS, kemudian diinkubasi pada suhu 30°C dan dikocok 120rpm. Selama pengocokan dilakukan pengambilan sampel setiap jam, kemudian pada sampel dilakukan pengukuran OD.Pengambilan sampel dilakukan sampai mencapai fasa stasioner. Hasil pengukuran absorbansi dialurkan pada grafik, dimana sumbu x menunjukkan waktu inkubasi sedangkan sumbu y menunjukkan absorbansi. Dari kurva pertumbuhan Lactobacillus plantarum yang diperoleh ditentukan umur inokulum terbaik yang akan digunakanpada tahap optimasi kondisi lingkungan fermentasi tepungjagung.
Medium tepungjagung dengan konsentrasi tepungjagung dan konsentrasi ekstrak ragi hasil optimasi dengan inokulum 10% diinkubasi pada suhu 30°C selama 72 jam dengan kondisi pengocokan pada kecepatan 120 rpm. Asam laktat yang diperoleh dianalisis dengan menggunakan metode HPLC dan metode polarimeter untuk menentukan putaran optis dari asam laktat yang dihasilkan dengan memisahkan terlebih dahulu larutan asam laktat dan biomassa dengan menggunakan alat sentrifugasi dengan kecepatan 15000 rpm, suhu 18°C selama 15 menit
Optimasi Konsentrasi Tepung Jagung Pada optimasi konsentrasi tepungjagung ini, proses fermentasi dilakukan pada variasi konsentrasi medium tepungjagung 5% dan 10%, dengan variabellain dibuat tetap yaitu inkubasi pada suhu 30°C dengan kondisi pengocokan pada kecepatan 120 rpm dan jumlah inokulum sebanyak 10%. Pengambilan sampel dilakukan setiap 3 jam, kemudian ditentukan kadar asam laktat dengan metode titrasi asam basa, kemudian ditentukan konsentrasi tepung jagung yang memberikan hasil produksi asam laktat terbanyak. Optimasi Konsentrasi
Ekstrak Ragi
Pada optimasi konsentrasi ekstrak ragi, proses fermentasi dilakukan pada variasi konsentrasi ekstrak ragi pada medium tepung jagung 0,5 % yaitu 0%; 0,5%; 1%; 1,5% dan 2,0% dengan variabellain dibuat tetap yaitu konsentrasitepungjagung hasil optimasi, inkubasi pada suhu 30°C dengan kondisi pengocokan pada kecepatan 120 rpm dan jumlah inokul um 10%dengan masa inkubasi 156jam. Pengambilan sampel dilakukan setiap 3 jam, kemudian ditentukankadar asam laktat dengan metode titrasi asam basa. Kemudian ditentukan konsentrasi ekstrakragi yang memberikan hasil produksi asam laktat terbanyak.
Penentuan Kadar Asam Laktat I Metode Titrasi
dengan
Penentuan kadar asam laktat dilakukan berdasarkan metode titrasi (7) dengan menggunakan NaOH 0,1 N 1 mL sampel diencerkan dengan akuadest hingga mencapai volume 20 mL. Ditambahkan 5 tetes phenolphtalein ke dalam sampel yang diencerkan. Larutan ini selanjutnya dititrasi dengan larutan NaOH 0,1 N. Kadarasam laktatdihitungdengan rumus : Kad~r asam laktat (~) = mL NaOH x Normalitas NaOH x 9 mL sampel HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil isolasi bakteri dari silase jagung diperoleh l(satu) isolat. Berdasarkan hasil pengamatan, isolat yang diperoleh bersifat gram positif, motil, berbentuk batang dan tidak menghasilkanendospora. Dalam reaksifermentasi glukosa tidak menghasilkan gas, tetapi menghasilkan asam. Reaksi katalase negatif, ini menunjukkan bahwa bakteri tersebut termasuk bakteri anaerob fakultatif. Mengacu pada hasil reaksi kimia yang diamati, isolat bakteri yang diperoleh adalah dari marga (genus) Lactobacillus, jenis plantarum, merupakan bakteri homofermentatif dengan asam laktat sebagai produk utama sebagai hasil fermentasinya. 91
/SSN 1410-8720
Prosiding Simposium Nasional Polimer V
Dari hasil pengamatan 1. plantarum yang ditumbuhkan pada suhu kamar (30°C) dalam agar miring medium MRS Difco tumbuh lebih baik dibandingkan MRS merk Oxoid, hal ini disebabkan kandungan Medium MRS Difco yang berbeda komposisinya dengan MRS Oxoid. Dilihat dari komposisinya kandungan medium MRS Difco memungkinkan 1. plantarum dapat tumbuh pada suhu ruang dibandingkan dalam medium MRS Oxoid, walaupun diketahui pada umumnya Lactobacillus hidup pada suhu 37°C Dari hasil pengamatan waktu pef¥nbuhan Lactobacillus plantarum dalam MRS Difeo dapat dilihat pada Gambar 1. Waktu'inkubasi 8 jam merupakan masa inkubasi yangbaik dari 1. plantarum sebagai inokulum untuk produksi asam laktatselanjutnya Umur inokulum yang baik untuk produksi asam laktat adalah inokulum yang mengandungjurnlah bakteri yang langsung dapat memfermentasi substrat menjadi asam laktat.
Karena itu untuk proses selanjutnya digunakan tepung jagung 5% dengan variasi konsentrasi ekstrak ragi. Berdasarkan data pengamatan tepungjagung 5% dengan penambahan variasi konsentrasi ekstrak ragi 0,5%, 1%, 1,5% dan 2% juga tidak menunjukkan kenaikan kadar asam laktat bahkan lebih kecil, yaitu masing-masing 2,43mg/mL, 2,77mg/mL, 2,86mg/mL dan 2.954 mg/mL data dapat dilihat pada Gambar 3. Berarti ekstrakragi sebagai sumbernitrogen tidak meningkatkan aktivitas pertumbuhan bakteri dalam menguraikan substrat menjadi asam laktat. Maka untuk selanjutnya produksi asam laktat hanya menggunakan substrat jagung 5% dengan suhu 30°C. 12
i
10
0.
8
.§.
~
___ jagung
E
-a- jagung 10%
. ~
4
-g
2
5%
'"
6
12
18
24
30
39
81
132
waktu (jam)
Gambar 2. Grafik rata-rata asam laktat hasil ___
A
o
2
4
6
8 Waktu
BiofTBssa
pel
fermentasi lactobacillus plantarum konsentrasi jagung pada suhu 30°C.
areo
As. Laktal pd Dico
-M--
Si)lTBssa
pd Oxod
_if_
AS.lakiat
pel
pada
Oxoid
3.5
10 12 14 23 (jam)
'[
3
:L.5 Gambar 1. Kurva pertumbuhan dan kadar asam laktat lactobacillus plantarum pada suhu 30°C dalam medium MRS merk difco dan merk Oxoid.
.•
~
2
.!!
~ 1.5 ~ 1
_
Ekstrak Ragi 0.5%
-.-
Ekstrak Ragi 1%
--tt-
Ekstrak Ragi 1.5%
___
Ekstrak Ragi 2%
.•
~ 0.5 ><
o 4
Asam laktat yang terbentuk dalam proses fermentasijagung akan menurunkan pertumbuhan bakteri. Dari data yang didapatkan kadar asam laktat seiring waktu cenderung mengalami peningkatan dengan produksi asam laktat. Berdasarkan data pengamatan variasi konsentrasi tepungjagung (5% dan 10%) pada suhu ruang dengan inokulum bakteri berumur 8 jam menunjukkan tidak adanya perbedaan kadar asam laktat yang dihasilkan antara tepung jagung 5% dan 10%. Kadar asam laktat yang dihasilkan masing-masing 6,774mg/mL dan 7,258mg/mL dapat dilihat pada Gambar 2. 92
12
16
20
24
28
36
85 156
waktu Uam)
Gambar 3. Grafik rata-rata kadar asam laktat hasil fermentasi lactobacillus plantarum pada kombinasi medium jagung 5% dengan beberapa konsentrasi ekstrak ragi pada suhu 30°C.
Hasil fermentasi kemudian dianalisis menggunakan HP LC yang dapat dilihat pada Gambar 4 dan hanya menghasilkan asam laktat 2,02 mg/mL, hal ini kemungkinan disebabkan aktivitas bakteri menurun pada suhu ruang untuk menghasilkan asam laktat,sedangkan diketahui
Biosintesis Asam Laktat Sebagai Bahan Baku Plastik Biodegradabel
(Lucia lndrarti) I
(mil,
-2"
o
Gambar 4. Grafik HPLC asam laktat hasil fennentasi pada medium jagung.
II)
C) :!!!
o
>
o
2
4 (rrIrl]
lime
Gambar 4. Grafik HPLC asam laktat hasil fennentasi pad a media MRS.
pada umumnya Lactobacillus hidup pada suhu 37 DC.Sedangkan hasil analisis kadar asam laktat pada medium MRS Difco menggunakan HPLC dapat dilihat pada Gambar 5. Homofennentatif strain pada umumnya menghasilkan asam laktat L(+)(4), hal ini sesuai dengan analisis HP LC yang menunjukkan asam laktat yang dihasilkan fennentasi Lactobacillus plantarum pada medium tepungjagung adalah homolactic (asam laktat mumi)/homofennentatif yaitu asam laktat sebagai produk utama atau satu-satunya produk dari fennentasi tersebut dan diperkuat dengan hasil uji polaritas yang menunjukkan asam laktat yang dihasilkan Lactobacillus plantarum adalah jenis L(+) dengan nilai (+) 1,20• Dalam teknologi sintesis PLA, L-asam laktat banyak digunakan, karena diharapkan dapat memberikan PLA bentuk kristal, khususnya polimer dengan tingkat kemurnian optis yang tinggi, kristalinitasnya akan tinggi (2,4)
Diharapkan L( +) asam laktat yang dihasilkan dari penelitian pendahuluan ini dapat dilanjutkan melalui polimerisasi kimia menjadi Polylactic Acid (PLA). KESIMPULAN 1. Lactobacillus plantarum merupakan isolat tunggal yang terdapat dalam silasejagung, dan merupakan bakteri homofennentatip. 2. Asam laktat yang dihasilkan pada fennentasi tepungjagung dengan menggunakan bakteri L. plantarum adalahjenis L(+) asam laktat. DAFTAR PUSTAKA [1]. SARBINI, A., Business Development of Plastic Industries in Indonesia, Specially plastic packaging industries, Internationally Meeting On Recycling and Environmentally degradable Plastic From Renewable
93
Prosiding Simposium
[2].
[3].
[4].
[5]. [6]. [7].
94
Nasional Polimer V
Resources and International Exhibition on Plastic Industries and Technologies (2001) OZEKI, EIICHI, Characteristics of Poly(L-Lactide) as biodegradable Plastics, Shimadzu Review, 53 (1) (1996) VINK, ERWIN T.H., Building a Sustainable Business System for the Production of Poly lactide (PLA) Polymer, ]SI International Conference on Bio-based Polymers, November12-14, Saitama, Japan (2003) TRIANTO,A., GHOFAR,A., YUWONO, S.D., TAKATA,K. and KOKUGAN,T., Study L-Lactic Acid Fermentation by Streptoccus bovis in conventional and membran bioreactors (2004) http://www.kycorn.org/newcornusus/ plaplant.html .2002. http://www.hniri.go.jp/chap2/chap2 e.html.2002. SUTANTO, M., ProduksiAsam Laktat dan Senyawa Antibiotika di Dalam Susu Fermentasi oleh Lactobacillus Beijerinck 1901, S-1 Thesis, Departemen Biologi ITB (1996)
ISSN 1410-8720