ISSN 1978-9513
VIS VITALIS, Vol. 01 No. 2, tahun 2008
PEMANFAATAN JERAMI PADI DAN ALANG-ALANG DALAM FERMENTASI ETANOL MENGGUNAKAN KAPANG Trichoderma viride DAN KHAMIR Saccharomycess cerevisiae Iris Mustika Sari, Noverita dan Yulneriwarni Fakultas Biologi Universitas Nasional, Jakarta
ABSTRAK Saat ini, etanol banyak digunakan sebagai bahan bakar alternatif, untuk membantu mengatasi krisis energi. Etanol merupakan produk fermentasi dari tumbuhan yang mengandung pati atau lignoselulosa, dengan bantuan aktivitas mikroorganisme. Jerami dan alang-alang sebagai limbah pertanian dan perkebunan yang mengandung polisakarida apakah berpotensi dikembangkan sebagai bahan penghasil etanol ?. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui potensi jerami padi dan alang-alang sebagai substrat dalam produksi alkohol menggunakan kapang Trichoderma viride dan khamir Saccharomycess cerevisiae. Parameter yang diamati adalah kemampuan fermentasi gula oleh kapang T. viride pada substrat jerami padi dan alang-alang, serta kemampuan fermentasi etanol oleh khamir S. cerevisiae dari ekstrak gula alang-alang dan jerami padi selama 0,3,6 dan 9 hari. Berdasarkan hasil analisis, waktu inkubasi pada fermentasi gula hari ke 0, 3, 6 dan 9 berbeda nyata (p < 0.05) terhadap kadar gula yang dihasilkan oleh kapang T. viride. Kadar gula sederhana jerami padi lebih tinggi dibandingkan kadar gula sederhana yang dihasilkan oleh substrat alang-alang. Kadar etanol yang dihasilkan oleh susbstrat jerami padi lebih tinggi dibandingkan dengan substrat alang-alang. Kata Kunci : jerami, alang-alang, fermentasi, etanol, kapang
PENDAHULUAN Etanol merupakan senyawa alkohol yang tidak bersifat racun. Etanol dapat diproduksi dari bahan baku tanaman yang mengandung pati atau dari bahan tanaman yang mengandung lignoselulosa, melalui proses fermentasi dengan bantuan mikroorganisme (Amutha dan Gunasekaran, 2001). Sebagian besar etanol dimanfaatkan sebagai pelarut dalam industri farmasi, pereaksi pada industri kimia dan pengawet contoh-contoh biologik (hewan dan tumbuhan) (Riawan, 1990). Namun pada saat ini, etanol banyak digunakan sebagai bahan bakar alternatif, karena semakin ber-kurangnya cadangan minyak Sari IM, dkk.
bumi dan meningkatnya biaya eksplorasi dan eksploitasi bahan bakar, yang menyebabkan industri petrokimia menghadapi kesulitan untuk pengembangan lebih lanjut (Flickinger dan Tsao, 1978). Produksi etanol banyak dilakukan secara biologi atau melalui teknologi biokonversi yaitu teknologi berupa konversi bahan baku secara enzimatik dan biologik (melalui fermentasi). Bahan baku yang digunakan untuk produksi etanol dapat berupa tebu, gula bit, tapioka, sorgum, meizena, barley, gandum, padi, kentang dan bahan–bahan berlignoselulosa seperti : kayu dan limbah pertanian (Harahap, 2003). Dewasa ini perkembangan dan kemajuan bidang pertanian dan industri di
55
VIS VITALIS, Vol. 01 No. 2, tahun 2008
Indonesia, mengakibat-kan meningkatnya limbah pertanian diantaranya jerami padi dan alang-alang. Sebagian besar jerami padi dan alang-alang umumnya dimanfaatkan sebagai pakan ternak, namun bila ditelaah lebih dalam limbah–limbah tersebut masih terdapat karbohidrat yang dapat dimanfaatkan kembali oleh manusia sebagai bahan baku dalam produksi etanol. Bahan baku tersebut dapat digunakan dalam fermentasi untuk meningkatkan nilai ekonomi dan mengatasi pencemaran lingkungan. Jerami padi dan alang-alang merupakan limbah pertanian yang mengandung polisakarida dalam bentuk selulosa, hemiselulosa, pektin dan lignin (Howard dkk., 2003). Komponen polisakarida tersebut dapat diuraikan melalui proses degradasi atau fermentasi dengan menggunakan aktifitas mikroba potensial seperti kapang Trichoderma viride untuk menghasilkan gula dan selanjutnya khamir Saccharomycess cerevisiae untuk produksi etanol. Kemampuan kapang T. viride dalam mendegradasi komponen polisakarida menjadi gula dibantu dengan enzimenzim yang dimilikinya seperti : enzim selulase, dan xilanase. Gula yang dihasilkan oleh kapang T. viride, selanjutnya diolah lebih lanjut untuk menghasilkan etanol dengan menggunakan aktifitas enzim yang dihasilkan oleh khamir S. cerevisiae. Seperti halnya dengan kapang T. viride, khamir S. cerevisiae sangat berperan dalam industri fermentasi. Hal ini disebabkan kemampuannya dalam menghasilkan etanol yang paling komersial saat ini (Narita, 1999). Berdasarkan latar belakang diatas maka penelitian ini bertujuan untuk mengetahui potensi jerami padi dan alangalang sebagai substrat dalam produksi etanol menggunakan kapang T. viride dan khamir S. cerevisiae.
Sari IM, dkk.
Hipotesis yang akan diuji dalam penelitian ini adalah : 1). Terdapat perbedaan kemampuan kapang Trichoderma viride dalam memfermentasikan jerami padi dan alang-alang menjadi gula. 2). Waktu fermentasi khamir Saccharomycess cerevisiae pada substrat gula akan mempengaruhi kadar etanol yang dihasilkan 3). Substrat yang berbeda akan mempengaruhi kadar etanol yang dihasilkan.
METODOLOGI PENELITIAN A. Lokasi dan waktu penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Mikrobiologi dan Genetika Fakultas Biologi dan Laboratorium Kimia Fakultas Biologi, Laboratorium Terpadu Universitas Nasional, Jl. RM. Harsono, Ragunan, Jakarta Selatan. Penelitian dilakukan pada bulan Agustus 2007 sampai Januari 2008.
B. Bahan dan alat 1. Bahan dan alat Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah jerami padi dan alangalang yang diperoleh dari daerah Bogor, kapang Trichoderma viride yang berasal dari Laboraturium Teknologi Pangan FATETA IPB Bogor dan khamir Saccharomyces cerevisae yang diperoleh dari Laboratorium Mikrobiologi dan Genetika Universitas Nasional Jakarta, media PDA, media PDB, Pepton, Pupuk NPK dan ZA, (NH4)2SO4, KH2PO4, Urea, CaCl2, MgSO4, FeSO4,7H2O, ZnCl2,CoCl2, NaOCl 1% dan NaOH 15 %, KI 20%, H2SO4 25%, Na2S2O3 0,1 N, Zn asetat 21,9 gr, CH3COOH 3%, K4FeCN.
56
VIS VITALIS, Vol. 01 No. 2, tahun 2008
Peralatan yang digunakan adalah : Blender, Tabung reaksi, labu ukur 250 ml, Botol fermentasi, gelas Erlenmeyer berukuran 100 ml ,250 ml dan 500 ml, jarum Ose, lampu spirtus, kompor, penangas air, pipet ukur, bulb, oven, mikropipet, bilik hitung, kaca objek, mikroskop, gelas ukur 500ml dan 100 ml, autoklaf dan vortex.
C. Cara kerja 1. Persiapan kultur Kultur yang digunakan adalah T. viride dan S. cerevisiae yang berasal dari biakan murni, kemudian diremajakan dengan menginokulasikan ke dalam masing-masing 5 tabung PDA miring yang telah disterilkan. Kemudian dari 5 tabung PDA miring dibagi menjadi : 2 tabung untuk stok dan 3 tabung dijadikan sebagai kultur kerja. 2. Persiapan substrat fermentasi gula Substrat fermentasi yang digunakan yaitu jerami padi dan alang-alang, yang sebelumnya dilakukan delignifikasi terlebih dahulu menggunakan NaOCl 1 % selama 5 jam pada suhu 28oC. Selanjutnya dilakukan pencucian dan penyaringan, kemudian substrat jerami padi dan alangalang dikeringkan pada suhu 50oC selama 48 jam. Setelah itu dilakukan perendaman dalam NaOH 15 % selama 24 jam pada suhu 28oC dan disaring, sehingga dihasilkan ampas dari jerami padi dan alang-alang. Ampas tersebut dicuci dan dikeringkan pada suhu 50oC selama 48 jam, sehingga dihasilkan substrat alangalang dan jerami padi. Selanjutnya sebanyak 250 gr substrat alang-alang dan jerami padi tersebut ditambahkan 500 ml buffer sitrat pH 4,8 dan 500 ml nutrien, dimasukkan ke dalam wadah tertutup sebanyak 24 buah. Selanjutnya disterilisasi pada suhu 121oC selama 20 menit. Sari IM, dkk.
a. Fermentasi gula T. viride sebanyak satu ose digoreskan pada agar PDA miring dan diinkubasi dalam suhu kamar selama 7 hari. Spora biakan jamur T. viride yang sudah berumur 7 hari sebanyak satu agar miring disuspensikan dalam 10 ml akuades steril. Suspensi konidiospora seba-nyak 10% (v/v) diinokulasi ke dalam substrat fermentasi yang sudah disediakan. Kemudian diinkubasi pada suhu kamar selama 6 hari. Sebelum dilakukan ekstraksi, ditambahkan Tween 80 sebanyak 0,1%. Ekstraksi cairan fermentasi dilakukan dengan jalan memisahkan filtrat dari biomassa menggunakan penyaring dan sentrifus. Filtrat yang dihasilkan kemudian disterilisasi, dipucatkan menggunakan arang aktif 2%, disaring dan dipekatkan hingga diperoleh konsentrasi gula yang diinginkan. b. Fermentasi etanol Substrat fermentasi yaitu sirup gula dari jerami padi ataupun alang-alang sebanyak 100 ml dimasukkan dalam botol fermentasi, kemudian ditambahkan pupuk NPK dan ZA masing-masing sebanyak 0,04 g dan 0,15 g, pH cairan substrat diatur 4,8 menggunakan NaOH dan HCl kemudian dipasteurisasi pada suhu 85oC selama 5 menit setelah itu didinginkan hingga 30oC. Sebanyak 10% volume subs-trat stater khamir Saccharomyces serevisiae yang sudah disiapkan, dimasukkan ke dalam media fermentasi berupa substrat gula dari jerami padi dan alang-alang dalam kondisi anaerob. Fermentasi dilakukan pada suhu kamar selama 0, 3, 6 dan 9 hari. Hasil fermentasi kemudian dianalisa.
57
VIS VITALIS, Vol. 01 No. 2, tahun 2008
D. Rancangan penelitian dan analisis data Rancangan penelitian dalam penelitian ini terbagi atas dua, yaitu pada tahap fermentasi gula oleh T. viride menggunakan Rancangan Acak Lengkap dengan jenis substrat fermentasi sebagai perlakuan yakni jerami pada dan alangalang. Atas petimbangan kebutuhan jumlah sampel dalam fermentasi berikutnya (fermentasi etanol), maka ulangan dilakukan sebanyak 12 kali, sehingga jumlah unit percobaan adalah sebanyak 24 unit. Selanjutnya pada fermentasi etanol diguna-kan Rancangan Acak Lengkap Faktorial dengan substrat berupa gula jerami padi dan gula alang-alang sebagai faktor pertama dan waktu inkubasi (lama fermentasi etanol oleh S. cerevisiae) sebagai faktor kedua yakni hari ke 0, 3, 6 dan 9. Setiap perlakuan dibuat 3 kali ulangan, sehingga jumlah percobaan adalah sebanyak 24 unit. Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah kadar gula dan kadar etanol.
Analisis data dilakukan dengan menggunakan program SPSS (Statistical Product and Service Solution) 11.5 for windows. Apabila terdapat perbedaan yang nyata pada taraf pengujian 5 % (p< 0,05) dilakukan analisis lanjutan dengan LSD ( Least Significant Difference).
HASIL DAN PEMBAHASAN A. Kemampuan fermentasi gula oleh kapang T. viride pada jerami padi dan alang-alang Berdasarkan pada data kadar glukosa dari penelitian pendahuluan, bahwa hari terbaik dalam fermentasi gula yaitu hari ke-6. Oleh karena dilakukan penelitian lanjutan dengan fermentasi gula pada jerami padi dan alang-alang selama 6 hari. Sehingga diperoleh kadar gula ratarata dari masing-masing substrat yang ditunjukan pada gambar 1.
12,1 Rata-rata Kadar Gula (%)
12 11,9 11,8 11,7
12
11,6
Jerami padi
11,5
Alang-alang
11,4 11,3
11,39
11,2 11,1 11 Jerami padi
Alang-alang Substrat
Gambar 1. Nilai rata-rata gula (%) jerami padi dan alang-alang dari fermentasi yang dihasilkan kapang T. viride.
Sari IM, dkk.
58
VIS VITALIS, Vol. 01 No. 2, tahun 2008
Kadar gula rata-rata yang dihasilkan kapang T. viride pada substrat jerami padi sebesar 12 % lebih besar dibandingkan kadar gula yang dihasilkan dengan meng-gunakan substrat alang-alang sebe-sar 11,39%. Hal ini disebabkan oleh perbedaan komposisi dari penyusun dinding sel yang dimiliki oleh masingmasing substrat; diantaranya : selulosa, hemiselulosa dan lignin. Menurut Jackson (1977) dan Komaryati (1995) jerami padi memiliki kandungan selulosa sebesar 33 %, yang lebih tinggi dibandingkan selulosa alang-alang, yakni sebesar 25,10 %, sedangkan hemiselulosa pada jerami padi sebesar 26 % dan alang-alang sebesar 26,86 %, selain itu jerami padi memiliki kandungan lignin yang lebih rendah yaitu 7 % dibandingkan dengan kandungan lingin alang-alang yaitu 33,4 %. Kadar gula sederhana yang dihasilkan pada substrat jerami padi dan alangalang, juga dipengaruhi oleh jumlah kapang T. viride yang tumbuh dalam substrat. Kadar gula sederhana yang dihasilkan dari degradasi lignoselulosa pada substrat, akan berbanding lurus dengan jumlah kapang. Jumlah spora kapang pada hari ke-6 pada substrat jerami padi adalah sebanyak 13,09 x 107 sedangkan pada substrat alang-alang adalah sebanyak 10,43 x 107 (tabel lampiran 4). Pertumbuhan kapang dalam substrat jerami padi atau alang-alang, tergantung pada suplai zat gizi, antara lain gula sebagai sumber karbon dan energi. Untuk memenuhi kebutuhan sumber karbon tersebut kapang akan mensintesis enzim yang dapat mendegradasi sumber karbohidrat (lignoselulosa) yang terdapat dalam substrat. Menurut Moore (2003) dan Yudhabuntara (2003) kapang memanfaatkan karbohidrat yang terdapat dalam bahan makanan sebagai sumber energi. Kapang dapat mendegradasi karbohidrat berupa selulosa dan hemiselulosa menggunakan enzim yang dihasilkannya. Sari IM, dkk.
Selulosa didegradasi dengan enzim selulase menghasilkan glukosa, sedangkan hemiselulosa didegradasi dengan enzim xilanase menghasilkan gula pentosa (xilosa, arabinosa), gula heksosa (mannosa, glukosa, galaktosa) dan asam gula (Saha, 2003). Berdasarkan hasil analisis sidik ragam terlihat bahwa kadar gula jerami padi yang dihasilkan dari fermentasi gula dengan menggunakan kapang T. viride berbeda nyata (p < 0.05) dengan alangalang (Tabel lampiran 5). Hal ini menunjukkan bahwa jerami padi mempunyai potensi lebih baik sebagai substrat dalam fermentasi gula oleh kapang T. viride, dibandingkan dengan menggunakan alang-alang sebagai substrat. B. Kemampuan
fermentasi etanol oleh khamir S. cerevisiae dari ekstrak gula alang-alang dan jerami padi
Kadar etanol jerami padi yang dihasilkan selama fermentasi oleh khamir S. cerevisiae pada hari ke 0, 3, 6 dan 9 adalah sebesar 0 %; 0,77%; 0,64 %; 0,37 %, sedangkan pada alang-alang adalah sebesar 0 %; 0,73 %; 0,64 %; 0,55% (Gambar 2). Pada grafik terlihat bahwa kadar etanol tertinggi terjadi pada hari ke-3 sebesar 0,77% pada substrat jerami padi dan 0,73 % pada substrat alang-alang. Hal ini terjadi karena pada hari tersebut, khamir mengalami peningkatan jumlah sel sebesar 16,10x107 pada substrat jerami padi dan 17,46x107 pada alang-alang. Peningkatan jumlah sel khamir diikuti pening-katan enzim yang dihasilkan untuk merombak gula menjadi etanol (Mulyono, 1991). Katabolisme glukosa menjadi etanol oleh khamir, merupakan suatu upaya untuk mendapatkan energi yang diperlu-kan dalam pertumbuhan. Adams (1985) menyatakan bahwa jumlah etanol yang dihasilkan tergantung pada banyaknya gula yang tersedia di dalam substrat. 59
VIS VITALIS, Vol. 01 No. 2, tahun 2008
0,9 0,8
0,773 0,73
Kadar Alkohol (%)
0,7
0,643 0,64
0,6
0,55 0,5
Jerami padi
0,4
0,373
Alang-alang
0,3 0,2 0,1 0
0 0
3
6
9
Waktu Inkubasi (hari)
Gambar 2. Nilai rata-rata kadar etanol (%) jerami padi dan alang-alang selama fermentasi.
Penurunan kadar etanol terjadi pada hari ke 6 dan ke 9 dari subtrat jerami padi dan alang-alang. Hal ini terjadi karena etanol dikonversi oleh khamir menjadi suatu senyawa seperti ester, sehingga mengakibatkan penurunan kadar etanol dalam substrat jerami padi dan alang-alang. Kadar etanol yang diperoleh cendrung bernilai rendah. Hal ini terjadi karena khamir tidak dapat memfermentasi gula xilosa dan arabinosa menjadi etanol (Saha, 2003). Sehingga tidak semua gula yang terdapat pada jerami padi dikonversi oleh khamir menjadi etanol. Musapahaji (2007) menyata-kan gula-gula yang dapat didegra-dasi oleh khamir berupa glukosa, fruktosa dan sukrosa. Selain itu, sebagian gula juga digunakan sebagai nutrien untuk pertumbuhan khamir. Menurut Berry (1983) dalam Deker (1989) menyatakan bahwa hampir 40% bahan kering dari khamir dapat menyimpan cadangan karbohidrat di dalam sel. Cadangan gula tersebut digunakan oleh khamir untuk melakukan budding, sehingga khamir meng-alami peningkatan sel. Hasil analisis sidik ragam menunjukkan bahwa etanol yang dihasilkan khamir pada substrat jerami padi dalam Sari IM, dkk.
fermentasi tidak berbeda nyata (p > 0.05) dengan etanol yang dihasilkan pada substrat alang-alang. Hal ini berarti, jerami padi memiliki potensi yang sama baiknya dengan alang-alang sebagai substrat dalam fermentasi etanol. Sedangkan waktu inkubasi mem-berikan pengaruh yang berbeda nyata (p < 0.05) terhadap kadar etanol yang dihasilkan oleh khamir (tabel lampiran 12). Hasil lanjut dengan uji LSD waktu inkubasi pada hari ke 3 berbeda nyata (p < 0.05) dengan hari ke 6 dan 9, sehingga hari ke 3 merupakan hari yang terbaik untuk produksi etanol
KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan 1. Etanol dapat dihasilkan dari jerami padi dan alang-alang melalui proses fermentasi secara bertahap (tahap 1 fermentasi gula dengan menggunakan kapang T. viride dan tahap 2 fermentasi etanol dengan menggunakan khamir S. cerevisiae). 2. Lama inkubasi terbaik untuk fermentasi gula sederhana oleh T. viride pada 60
VIS VITALIS, Vol. 01 No. 2, tahun 2008
penelitian ini adalah pada hari ke 6. Sedangkan lama inkubasi terbaik untuk fermentasi etanol oleh S. cerevisiae adalah pada hari ke 3. 3. Kadar gula sederhana yang dihasilkan secara fermentasi oleh kapang T. viride lebih tinggi pada substrat jerami padi yaitu sebesar 12% dibandingkan dari alang-alang yaitu sebesar 11,39 %. 4. Jerami padi dan alang-alang memiliki potensi yang sama sebagai substrat dalam fermentasi etanol. Kadar etanol tertinggi yang dihasilkan secara fermentasi oleh khamir S. cerevisiae pada jerami padi adalah sebesar 0,77% dan alang-alang sebesar 0,73%.
Deker M. Fermentation Process Development of Industrial Organism. Cetus Corporation Emeryville. New York.1995.
B. Saran
Howard RL, Abotsi E, Jansen van Rensburg EL and Howard S.: Lignocellulose biotechnology: issues of bioconversion and enzyme production. African Journal of Biotechnology Vol. 2 (12), pp. 602-619, 2003 Http://www.academicjournals.org/AJB
Untuk meningkatkan efisien-si konversi jerami padi dan alang-alang menjadi etanol, perlu dilakukan penelitian untuk hidrolisis substrat secara enzimatik menggunakan enzim selulase dan xilanase yang dihasilkan oleh kapang T. viride, supaya gula sederhana yang dihasilkan lebih terakumulasi. Dengan semakin tinggi kadar gula yang dapat difermentasi oleh S. cerevisiae maka akan semakin tinggi juga kadar etanol yang dihasilkan.
DAFTAR PUSTAKA Adams MR. The Small Scale Production of Vinegar From Bananas. Tropical Products Institut. London.1985. Amutha R, Gunasekaran P. Production of Ethanol from Liquefield Cassava Starch Using Co – Immobilized Cells of Zymomonas mobilis and Sacharomyces diastaticus. Department of Microbial Technology, School of Biological Sciences, Madurai Kamaraj University, Madurai 625 021, India. 2001.
Sari IM, dkk.
Flickinger, Tsao MC dan GT Tsao. Fermentation Substrate From Cellulosic Material. In Annual Reports on Fermentation Process volume 2. Acedemic Press : New York. 1978. Harahap H. Produksi Etanol. Karya Ilmiah. Fakultas Teknik Sumate-ra Utara. 2003. http://library.usu.ac.id/download/ft/tkimiahamidah.pdf.
Jackson JMG. The Alkali Treament of Straws Animal Feed Science Tecnology 2:105-130.1977. Komaryati. Pemanfaatan Alang-Alang (Imperata cylindrical Beauv) Sebagai Penghasil Gas Bio. Puslitbang Bioteknologi. Bogor. 1995 Moore E. Fundamentals of Fungi. PrenticeHall Inc. New York University. 1972. Mulyono M. Hidrokarbon di dalam Lingkungan Perairan. Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Minyak dan Gas Bumi. Lemigas. Jakarta. 1991 Musapahaji M. Mengganti BBM dengan Bioetanol. Suara Merdeka . Jakarta. 2007 Narita V. Saccharomyces cerevisiae Super jamur yang memiliki sejarah luar biasa. 61
VIS VITALIS, Vol. 01 No. 2, tahun 2008
Pusat Peng-kajian dan Penerapan Teknologi Farmasi dan Medica. Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT).2005. Riawan S, Kimia Organik. Penerbit Binarupa Aksara. Jakarta. 1990.
Sari IM, dkk.
Saha BC. Hemicellulose Bioconver-sion. LJ Ind Microbiol Biotechnol . 2003. 30 : 279-291. Yudhabuntara. Pegendalian mikroorganisme dalam bahan makan-an asal hewan. Bina Produksi Peternakan. Departemen Pertani-an. Cisarua. Bogor. 2003
62
