1
I. PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang 1.1.1. Perumusan Masalah Pemanfaatan enzim sebagai biokatalis pada berbagai bidang industri di negara maju sudah banyak digunakan, sedangkan di Indonesia penggunaan enzim relatif masih jarang. Salah satu hal yang menyebabkan enzim belum banyak digunakan pada bidang industri karena enzim termasuk senyawa organik yang tidak stabil dan biaya produksinya cukup tinggi. Enzim yang diproduksi oleh mikrobia merupakan solusi untuk menggantikan penggunaan bahan kimia di bidang industri karena ramah lingkungan serta mempunyai potensi aplikasi bioteknologi yang sangat luas (Ayyachamy dan Vatsala, 2007). Saat ini terjadi peningkatan kecenderungan dalam penggunaan enzim untuk mengkatalis proses biotransformasi dalam beberapa proses industri, antara lain pemanfaatan xilanase yang dihasilkan oleh mikrobia. Hal ini seiring dengan peningkatan pengetahuan masyarakat untuk menjaga sumber daya alam dan lingkungan. Beberapa aplikasi yang memanfaatkan xilanase yaitu proses biopulping kayu dan pemutihan pulp, pengolahan air limbah, perlakuan pakan ternak untuk meningkatkan kecernaan, penjernihan pada pemrosesan pangan, dan perlakuan hijauan untuk mengubah senyawa lignoselulosa menjadi sumber energi pakan ternak (Kuhar et al., 2007; Bajaj et al., 2011). Menurut Rajoka et al. (1997) xilanase mempunyai potensi aplikasi dalam bio-pulping, peningkatan nilai cerna nutrien pakan berserat untuk ternak, industri etanol dan metan, serta dalam
2
industri makanan. Aplikasi lain xilanase yaitu sebagai komponen ransum ayam (Sunna dan Antranikian, 1997). Xilanase digunakan sebagai aditif dalam pakan ternak untuk meningkatkan kecernaan pakan dan mengurangi masalah kesehatan yang disebabkan oleh serat tanaman yang tidak tercerna (Sharma et al., 2009). Pemanfaatan enzim dalam pakan ayam secara komersial dimulai sejak tahun 1980. Suplementasi xilanase dalam pakan ternak monogastrik
mampu
meningkatkan pemanfaatan biji-bijian selain jagung yaitu barley (Hordeum vulgare L.) dan gandum (Triticum spp.) yang mempunyai faktor antinutrisi seperti -glukan dan pentosa dalam jumlah banyak (Francesch dan Perez-Vendrell, 1997). Pada umumnya, bahan pakan ternak yang berasal dari limbah pertanian mengandung serat kasar tinggi (selulosa dan hemiselulosa yang terdapat dalam dinding sel tanaman). Jika kadar serat dalam pakan tinggi dapat menurunkan kinerja ayam, hal ini menurut Anjum dan Chaudhry (2010) karena ayam pedaging tidak mempunyai enzim pemecah komponen serat dalam pakan terutama yang berasal dari biji-bijian, struktur fraksi serat tersebut menghambat kerja enzim endogen atau menghambat pengikatan dengan nutrien lain sehingga menurunkan kinerja ayam. Selanjutnya dinyatakan kandungan biji-bijian yang tinggi dalam pakan ayam pedaging menyebabkan penurunan pertumbuhan, konversi pakan, kualitas karkas, dan kerja organ pencernaan kurang efisien. Oleh karena itu penambahan xilanase diharapkan mampu meningkatkan kecernaan nutrien dan memperbaiki produktivitas ternak khususnya unggas.
3
Pati, protein dan lipida dapat didegradasi di dalam saluran pencernaan unggas dan babi, sementara non starch polysaccharides (NSP / polisakarida bukan pati) tidak dapat dicerna karena tidak terdapat aktivitas enzim yang mampu mencerna serat di dalam saluran cerna unggas dan babi (Paloheimo et al., 2010). Selanjutnya menurut Paloheimo et al. (2010) penggunaan xilanase sebagai enzim pemecah NSP di dalam pakan unggas sebesar 50% dari penggunaan enzim lain sebagai aditif pakan, jumlah penggunaan xilanase ini di dalam pakan ayam lebih besar dari pada selulase. Selanjutnya dijelaskan bahwa xilanase dan selulase sudah digunakan sebagai aditif pakan selama 20 tahun dan mampu memperbaiki konversi pakan dan pertambahan bobot badan ternak monogastrik (unggas dan babi). Hidrolisis xilan yang terdapat dalam pakan diperlukan untuk menurunkan viskositas sehingga penambahan xilanase dalam pakan sangat efektif Gandum merupakan bahan pakan yang banyak digunakan dalam pakan ayam pedaging di Eropa karena banyak tersedia, mempunyai rasio harga:kualitas yang bagus dan tidak terdapat pigmen. Oleh karena itu gandum sering digunakan di dalam pakan ayam pedaging sampai 55% yang menyumbang 60-65% energi dan 35-40% protein dalam pakan (Gutierrez del Alamo et al., 2009). Pemanfaatan gandum sebagai bahan pakan dapat menurunkan kecernaan nutrien dan kinerja ayam. Menurut Smits dan Annison (1997) gandum, barley dan rye (Secale cereale) mengandung serat yang mudah larut dan membentuk gel yaitu arabinoxilan dan -glukan yang dapat menurunkan kecernaan pakan ayam pedaging. Gandum mengandung NSP yang dapat menurunkan kualitas nutrien pakan. Arabinoxilan adalah NSP yang paling banyak di dalam gandum
4
(Paloheimo et al., 2010) yang dapat meningkatkan viskositas pakan di dalam usus halus sehingga mempengaruhi kecernaan dan absorpsi nutrien pakan serta menurunkan efisiensi pakan dan pertumbuhan ayam (Gao et al., 2008). Polisakarida struktural merupakan penyusun dinding sel dan sumber senyawa organik terbesar di alam. Hemiselulosa merupakan polisakarida struktural pada tanaman dan menempati urutan terbanyak kedua setelah selulosa (Gupta dan Kar 2009). Dua macam hemiselulosa terpenting yaitu xilan dan glukomanan (Gupta et al, 2000). Diyatakan oleh Bajaj et al. (2011) bahwa hemiselulosa merupakan sumber karbon yang cukup melimpah dan xilan merupakan komponen terbanyak dari hemiselulosa, maka xilanase yang diproduksi oleh mikrobia menjadi hal yang penting dalam industri dan lingkungan. Selanjutnya dinyatakan bahwa xilanase adalah enzim glikosidase (O-glikosida hidrolase, EC 3.2.1.X) yang mengkatalis endohidrolisis ikatan 1,4-βD-xilosidik dari xilan. Proses daur ulang polisakarida sebesar 1.011 ton per tahun merupakan proses biologi terpenting yang berhubungan dengan siklus karbon (Taylor et al., 2006). Degradasi hemiselulosa merupakan salah satu tahap penting dalam proses daur ulang senyawa karbon di alam, maka banyak peneliti melakukan penelitian tentang senyawa karbon tersebut untuk tujuan menghasilkan sumber energi yang terbarukan (Dodd et al., 2009). Endo-1,4--D-xilanase dan -xilosidase merupakan enzim terpenting pada proses hidrolisis xilan. Xilanase banyak terdapat di alam dan beberapa jenis mikrobia yaitu bakteri, jamur dan kapang diketahui mampu menghasilkan enzim pemecah xilan (Takahashi et al., 2013).
5
Menurut Kulkarni et al. (1999) sebagian besar bakteri dan jamur mensekresikan xilanase ekstraselular yang akan memecah xilan menjadi xilosa sehingga organisme tersebut dapat menggunakan xilan untuk pertumbuhannya. Sintesis xilanase pada mikrobia diatur oleh sistem induksi dan represi. Menurut Rajoka et al. (1997) sintesis -xilosidase dan xilanase pada Cellulomonas biazotea (C. biazotea) bervariasi pada mekanisme induksi dan represi gen yang mengubah laju sintesis enzim pada kultur yang diinduksi. Selanjutnya dinyatakan bahwa beberapa upaya untuk meningkatkan produksi enzim dilakukan melalui program mutasi dan seleksi, seperti telah berhasil dilakukan pada Trichoderma reesei, hiperxilanolitik Aspergillus sp. dan Fusarium oxysporum. Menurut Prescott et al. (1999) terdapat empat macam model aksi mutagen yaitu analog basa, kesalahan pasangan spesifik, interkalasi dan replikasi by pass. Mutasi dengan kesalahan pasangan spesifik terjadi karena mutagen mengubah struktur basa sehingga menyebabkan perubahan karakteristik pasangan basa, contoh mutagen yang menyebabkan kesalahan pasangan spesifik adalah metil nitrosoguanidin, EMS (EMS) dan hidroksilamin. Menurut Lee et al. (1996) agensia interkalasi DNA seperti etidium bromida (EtBr), akriflavin dan akridin oranye merupakan senyawa yang mengandung kompleks cincin hidrofobik yang dapat menyisip di antara pasangan basa pada double helix. Pada beberapa proses aplikasi enzim yang telah dimurnikan dan diimobilisasi dalam kondisi kering sangat diperlukan untuk menjaga kestabilan enzim. Menurut Steen (2001) selama proses penyimpanan, enzim cair kurang stabil dibandingkan dalam bentuk kering. Hal ini karena dalam bentuk cair
6
aktivitas air cukup tinggi menyebabkan enzim tetap aktif, sementara dalam bentuk kering aktivitas air rendah sehingga enzim relatif tidak aktif. Enzim yang diliofilisasi lebih stabil sehingga meningkatkan ketahanannya terhadap panas dan memungkinkan aplikasinya sebagai komponen pakan ternak (Bedford et al., 2001). Selanjutnya dinyatakan kebanyakan enzim menjadi tidak aktif karena kondisi panas selama pemrosesan, sehingga perlu proses stabilisasi enzim dengan menggunakan pengemban atau pelindung yang terbuat dari komponen hidrofobik untuk melindungi enzim dari panas. Pemanfaatan enzim dalam bioproses secara industri mempunyai beberapa keuntungan. Pertama, enzim sebagai biokatalisator mengkatalis terjadinya reaksi dengan cepat. Keuntungan lain, enzim hanya bekerja pada substrat yang spesifik. Penggunaan enzim juga ramah lingkungan karena tidak menyebabkan pencemaran lingkungan, hal ini tidak akan dijumpai jika digunakan bahan kimia selama proses di industri. Keuntungan penambahan enzim pada ayam pedaging yaitu meningkatkan kecernaan dan mengurangi jumlah ekskreta (Anjum dan Chaudhry, 2010), sehingga enzim bukan hanya meningkatkan kinerja ayam tetapi juga membantu mengurangi polusi lingkungan dengan menurunkan jumlah ekskreta dan kandungan air (Choct, 2006). Oleh karena beberapa keuntungan aplikasi xilanase tersebut maka peneliti melakukan
penelitian
ini
untuk
meningkatkan
produksi
xilanase
serta
mengaplikasikannya dalam pakan ayam pedaging. Pada penelitian ini dianalisis 1,4-endoxilanase yang merupakan enzim utama pada degradasi xilan, meskipun sebenarnya xilanase merupakan enzim kompleks yang terdiri dari -1,4-
7
endoxilanase dan -xilosidase, serta enzim pendegradasi rantai samping xilan yaitu -L-arabinofuranosidase, -glukuronidase, asetil xilan esterase dan asam fenol esterase. Berdasarkan perumusan masalah tersebut maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan yaitu: 1. a. Apakah mutagenesis menggunakan EtBr dan EMS mampu menghasilkan mutan yang memproduksi xilanase lebih tinggi dari tetuanya ? b. Apakah kondisi pertumbuhan pH dan suhu medium mempengaruhi produksi xilanase mikrobia ? 2. a. Pada kadar amonium sulfat berapakah diperoleh aktivitas xilanase tertinggi pada proses purifikasi enzim secara parsial ? b. Apakah jenis carrier mempengaruhi aktivitas xilanase ? 3. Apakah penambahan xilanase dalam pakan mempengaruhi kinerja ayam pedaging ?
1.1.2. Keaslian Penelitian Penelitian ini belum pernah dilakukan dan merupakan penelitian lanjutan dari penelitian sebelumnya yakni telah diperoleh satu isolat penghasil xilanase yang diisolasi dari ketam (Hanim, 2002). Untuk meningkatkan produksi xilanase dari bakteri tersebut dilakukan melalui mutasi menggunakan etidium bromida (EtBr) dan etil metansulfonat (EMS) sehingga diperoleh isolat dengan aktivitas xilanase lebih tinggi. Peningkatan produksi xilanase oleh mutan diteliti untuk
8
mengetahui hubungan antara substrat dan produksi xilanase. Produksi xilanase oleh mikrobia juga dipengaruhi oleh kondisi optimum pertumbuhannya, sehingga perlu dilakukan optimasi kondisi pertumbuhan mikrobia untuk menghasilkan enzim tertinggi. Selain itu juga akan diteliti jenis carrier yang sesuai untuk xilanase sehingga enzim dapat disimpan dan stabil dalam waktu lama. Seperti diketahui bahwa aplikasi enzim dalam bentuk cair jarang dilakukan karena dalam kondisi cair maka enzim tidak tahan lama dan mudah menjadi inaktif. Hal ini tentu saja akan merugikan ditinjau dari segi ekonomis dan industri, di samping itu aplikasi enzim dalam bentuk butiran dalam pakan ternak lebih mudah dilakukan. 1.1.3. Manfaat yang Diharapkan Beberapa tahun terakhir industri enzim berkembang pesat dengan meningkatnya permintaan enzim untuk keperluan industri makanan maupun pakan. Untuk memenuhi permintaan enzim dilakukan berbagai usaha untuk meningkatkan produksinya, salah satunya yaitu melalui mutasi mikrobia penghasil enzim tersebut. Peningkatan aktivitas enzim dari isolat mutan mempunyai dampak ekonomis yang baik, karena dihasilkan aktivitas enzim lebih tinggi dibandingkan tetuanya, sehingga biaya produksi enzim menjadi lebih rendah dan harga enzim dapat terjangkau oleh peternak. Selanjutnya produksi enzim ini akan berdampak positif untuk mendorong swasembada pangan dalam negeri, karena peternak akan lebih bergairah dengan usaha yang memberikan keuntungan lebih. Keuntungan lain pemanfaatan enzim dalam industri peternakan yaitu: 1) meningkatkan kualitas nutrien pakan yang berasal dari limbah pertanian untuk meningkatkan produktivitas
9
ternak, 2) mengurangi dampak pencemaran lingkungan oleh limbah. Xilanase adalah salah satu enzim yang banyak digunakan dalam pakan ternak untuk meningkatkan kualitas nutrien pakan yang umumnya berasal dari limbah pertanian yang mempunyai serat kasar tinggi. Hal ini akan meningkatkan produktivitas ternak terutama pada unggas yang tidak mampu mencerna serat karena tidak mempunyai aktivitas selulase maupun xilanase di dalam saluran pencernaannya. 1. 2. Tujuan Penelitian Penelitian ini dilaksanakan untuk mencapai tujuan yaitu : 1. a. Memperoleh mutan bakteri xilanolitik yang mempunyai produksi xilanase lebih tinggi b. Mengetahui kondisi pertumbuhan optimum bagi mutan bakteri xilanolitik untuk menghasilkan aktivitas xilanase maksimum. 2. a. Mengetahui kadar amonium sulfat yang optimum untuk purifikasi parsial xilanase b. Memperoleh carrier enzim yang sesuai dengan sifat xilanase 3. Mengetahui pengaruh penambahan xilanase terhadap kinerja produksi ayam pedaging.
