I. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Hemiselulosa adalah polisakarida terbanyak setelah selulosa yang ditemukan pada tumbuhan. Hemiselulosa berikatan kuat secara kovalen dan non kovalen dengan lignin dan selulosa. Hemiselulosa banyak ditemukan dalam limbah hasil pertanian. Komponen terbesar hemiselulosa adalah xilan, yang merupakan polimer dari β(1-4)D-xylopiranosa (xilosa) dengan ikatan β-1,4glikosida. Rantai xilan bercabang, kompleks dan strukturnya tidak berbentuk kristal, sehingga mudah dimasuki pelarut. Sebagian besar xilan terdiri atas 2-4 heteroglikan (Pastor et al., 2007; Puspaningsih et al., 2007). Xilan
dapat
dihidrolisis menjadi monomernya
secara
enzimatik.
Komposisi penyusun xilan sangat heterogen dan tergantung pada jenis tumbuhannya. Oleh karena itu enzim yang mampu menghidrolisisnya juga sangat beragam dan kompleks. Enzim yang digunakan untuk menghidrolisis substrat hemiselulosa kaya xilan disebut xilanase. Enzim pendegradasinya dapat dikelompokkan menjadi enzim pendegradasi rantai utama dan enzim pendegradasi rantai cabang. Hidrolisis sempurna xilan memerlukan aktivitas sinergis enzimenzim pendegradasi hemiselulosa (Pastor et al., 2007; Puspaningsih et al., 2007). Kelompok enzim xilanolitik meliputi (1) endo-β-1,4-xylanase (β-1,4-Dxylan xylanohyrolase; EC 3.2.1.8) yang memecah ikatan β-1,4-glikosida menjadi xilooligosakarida, (2) β-xylosidase (β-1,4-D-xyloside xylohidrolase; EC. 3.2.1.37) yang akan merombak xilooligosakarida hasil pemecahan sebelumnya menjadi
xilosa, (3) exo-xilanase mampu memecah rantai xilan pada ujung reduksi menghasilkan xilosa dan xilooligosakarida rantai pendek, serta (4) α-Larabinofuranosidase yang aktif terhadap arabinosa pada rantai cabang dan rantai lurus. Xilanase umumnya mempunyai berat molekul (BM) rendah, 15 – 30 kDa, optimal pada suhu 55°C dan pH 9 (Puspaningsih et al., 2007; Richana, 2002). Variasi struktur xilan pada tumbuhan hardwood (Angiospermae) dan softwood (Gymnospermae) mengakibatkan adanya bermacam-macam tipe enzim yang bertanggungjawab terhadap hidrolisis xilan (Beg et al., 2001). Xilanase merupakan enzim yang mempunyai manfaat cukup luas dalam kehidupan manusia terutama dalam berbagai industri penting. Hal ini dikarenakan kemampuannya dalam memodifikasi dan mengubah bahan-bahan organik dari tumbuhan. Salah satu prospek pemanfaatan xilanase adalah penggunaannya dalam industri pulp (bubur kertas) dan kertas, yaitu pada tahap pemutihan (bleaching) pulp. Dalam proses ini, xilanase yang digunakan mempunyai karakteristik khusus yaitu optimum pada pH tinggi (alkali) dan bebas dari aktivitas selulase. Hal ini dikarenakan pengolahan kayu menjadi pulp dalam industri pulp dan kertas umumnya menggunakan larutan alkali sehingga pH pulp yang dihasilkan masih tinggi. Kelompok endo-β-1,4-xylanase merupakan enzim yang banyak digunakan dalam proses pemutihan pulp (Richana, 2002; Raghukumar et al., 2004). Proses pemutihan pulp lebih mudah dilakukan dengan bantuan xilanase daripada ligninase. Xilan pada dinding sel tumbuhan tidak membentuk suatu struktur yang kompak, sedangkan struktur lignin pada tumbuhan silang menyilang dan lebih kompleks. Hal ini mengakibatkan kerja enzim xilanolitik lebih mudah
2
dalam merombak xilan, sehingga aktivitas xilanase lebih besar dibandingkan enzim hidrolase lainnya. Hilangnya kandungan xilan, walaupun hanya sedikit, akan membuka ikatan antara lignin dengan selulosa, selain mengakibatkan penurunan kebutuhan energi selama proses pemutihan (Subramaniyan & Prema, 2000; Subramaniyan & Prema, 2002). Penggunaan xilanase dalam proses pemutihan pulp memberikan solusi bagi lingkungan. Bahan baku pembuatan kertas adalah kayu yang masih mengandung berbagai macam senyawa selulosa, hemiselulosa dan lignin. Hemiselulosa (xilan) memperkuat ikatan antara selulosa dengan lignin, sehingga dengan menghidrolisis xilan diharapkan lignin ikut terlepas. Senyawa tersebut dapat mempengaruhi derajat keputihan kertas yang dihasilkan. Selama ini, proses pemutihan pulp dilakukan secara kimia menggunakan senyawa klorin. Klorin merupakan senyawa beracun yang apabila dibuang ke lingkungan dapat menimbulkan masalah pencemaran serius. Teknologi ramah lingkungan yang menggunakan enzim xilanolitik dapat menjadi alternatif bagi industri pulp dan kertas untuk mengurangi pemakaian senyawa klor (Richana et al., 2002; Angayarkanni et al., 2006). Jamur lebih banyak digunakan sebagai penghasil xilanase karena xilanase dari jamur bersifat ekstraseluler dan produknya jauh lebih tinggi bila dibandingkan bakteri. Xilanase alkali Bacillus sp. yang diproduksi pada substrat jerami gandum dan tongkol jagung mencapai aktivitas maksimum sebesar 4 U/mL pada pH 9 (Azeri et al., 2010), sedangkan xilanase Aspergillus niger mampu mencapai aktivitas maksimum 864±10 U/L pada pH 8,5 (Raghukumar et al.,
3
2004). Selain itu, jamur mampu menghasilkan enzim pemecah rantai samping xylan secara lengkap. Xilanase jamur sebagian besar merupakan xilanase yang memiliki aktivitas optimal pada pH asam - netral. Akan tetapi, ada xilanase jamur yang mempunyai aktivitas tinggi pada kondisi alkali, sehingga mudah diaplikasikan pada industri pulp dan kertas. Meskipun sebagian besar jamur menyukai kondisi habitat sedikit asam, jamur yang toleran terhadap kondisi alkali juga dapat ditemukan dalam lingkungan tersebut dengan jumlah yang jauh lebih sedikit. Karakteristik xilanase jamur umumnya berbeda-beda tergantung pada spesies jamur produsennya. (Beg et al., 2001; Subramaniyan & Prema, 2002; Horikoshi, 2004). Oleh karena itu pencarian jamur penghasil xilanase yang memiliki toleransi terhadap pH tinggi terus dilakukan. Berbagai spesies jamur merupakan sumber kompleks enzim xilanase diantaranya adalah Aspergillus niger yang diisolasi dari seresah mangrove (Raghukumar et al., 2004), A. indicus, A. niger yang diisolasi dari tanah hutan dan tanah pertanian (Khan et al., 2003; Pang & Che-Omar, 2005), A. niveus, A. flavus yang diperoleh dari seresah hutan (Angayarkanni et al., 2006), jamur termofilik yang diisolasi dari tanah hasil pengomposan yaitu Chaetomium thermophylum, Humicola insolens, Melanocarpus sp., Malbranchea sp., dan Thermoascus auranticum (Ghatora et al., 2006), Cochliobolus sativus yang diisolasi dari noda penyakit pada daun barley (Bakrie et al., 2008), jamur simbion pada rayap Termitomyces sp. (Faulet et al., 2006), Trichoderma reseei SAF3 yang diperoleh dari tanah (Kar et al., 2006). Selain jamur, kelompok bakteri juga banyak
4
diketahui mampu menghasilkan enzim xilanolitik, di antaranya adalah aktinomisetes dan Bacillus sp (Richana et al., 2002). Penggunaan enzim xilanolitik dalam proses pemutihan kertas telah dicoba di laboratorium. Enzim digunakan pada awal proses pemutihan (pre-treatment) yang kemudian diikuti dengan serangkaian tahap menggunakan senyawa kimia klorin atau oksigen. Enzim xilanolitik dari A. indicus, A. niveus, A. flavus digunakan terhadap hardwood pulp kraft sebelum proses ekstraksi alkali dan pemberian senyawa klorin. Perlakuan enzimatik terhadap pulp mengakibatkan turunnya bilangan Kappa dan naiknya tingkat kecerahan kertas. Akan tetapi xilanase yang dihasilkan ketiga jamur tersebut masih memiliki pH optimum asam (5,0 – 6,0) (Angayarkanni et al., 2006). Enzim xilanolitik kasar dari A. niger dapat menurunkan bilangan Kappa pada pulp limbah padat industri gula. Xilanase A. niger ini optimum pada pH alkali. Penggunaan senyawa klorin pada proses ini juga mengalami penurunan sebanyak 30% (Raghukumar et al., 2004). Penggunaan xilanase alkali mampu meningkatkan kecerahan pada Decker pulp sebesar 1,6 – 2,04 ISO unit. Xilanase alkali ini dihasilkan oleh Chaetomium thermophilum, Humicola insolens, Melanocarpus sp., Malbranchea sp., dan Thermoascus auranticus (Ghatora et al., 2006). Xilanase alkali mempunyai harapan yang lebih besar untuk diaplikasikan pada industri pulp dan kertas, sehingga dalam penelitian ini lebih difokuskan untuk mendapatkan xilanase alkali. Jamur merupakan kelompok mikrobia heterotrof yang hidup pada habitat dengan kandungan bahan organik tinggi. Bahan organik tumbuhan yang telah mati akan terkumpul di tanah. Hal ini mengakibatkan tanah menjadi gudang propagul
5
jamur xilanolitik karena kandungan hemiselulosa terutama xilan dalam tumbuhan merupakan sumber karbon dan energi bagi pertumbuhan jamur. Proses degradasi xilan terjadi karena jamur mampu menghasilkan xilanase. Tanah hutan, tanah tempat penggergajian kayu, dan tanah tempat pembuangan akhir sampah banyak mengandung bahan organik kompleks dari tumbuhan terutama xilan, selain itu tanah di sekitar pabrik pulp dan kertas juga mengandung limbah pengolahan kayu sehingga dapat digunakan sebagai sumber isolat jamur xilanolitik (Panda et al., 2010). Indonesia memiliki sumber daya alam yang mampu mencukupi kebutuhan industri pulp dan kertas. Kayu hardwood merupakan bahan baku yang digunakan dalam industri pulp dan kertas. Salah satu permasalahan yang dihadapi oleh industri pulp dan kertas adalah masalah pencemaran lingkungan akibat limbah industri. Pemanfaatan teknologi untuk mengurangi dampak limbah industri akibat penggunan bahan kimia harus segera dilakukan agar tercipta industri berwawasan lingkungan. Salah satu cara untuk mengurangi konsumsi bahan kimia adalah menggunakan enzim xilanolitik yang diproduksi dari jamur. Oleh karena itu usaha menemukan enzim xilanolitik dari spesies jamur indigenous unggul yang sesuai dengan struktur xilan tumbuhan yang digunakan dalam industri pulp dan kertas di Indonesia menjadi sangat penting. Mengingat target utama proses pemutihan pulp adalah lepasnya lignin dari selulosa, maka jamur xilanolitik yang juga memiliki aktivitas lignolitik berpeluang lebih besar dimanfaatkan dalam proses pemutihan pulp.
6
1.2. Permasalahan Xilanase merupakan enzim perombak xilan yang dapat diaplikasikan dalam industri pulp dan kertas pada tahap pemutihan pulp. Jamur merupakan organisme yang telah diketahui mampu memproduksi xilanase. Berdasarkan uraian yang telah disampaikan maka masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana potensi keberadaan isolat jamur indigenous dari tanah hutan, penggergajian kayu dan sekitar industri pulp dan kertas dalam menghidrolisis xilan? 2. Bagaimana karakter jamur xilanolitik indigenous unggul secara morfologi dan molekuler? 3. Bagaimana kondisi pH, suhu, jenis substrat, konsentrasi substrat, konsentrasi inokulum, kecepatan agitasi dan waktu inkubasi optimum bagi pertumbuhan jamur indigenous unggul untuk memproduksi xilanase dengan aktivitas tinggi? 4. Bagaimana proses pemurnian dan karakter suhu, pH dan berat molekul xilanase yang dihasilkan oleh jamur indigenous unggul? 5. Bagaimana kemampuan xilanase dalam proses pemutihan pulp?
1.3. Keaslian Penelitian Produksi xilanase oleh jamur telah banyak dilaporkan baik dari spesies jamur produsennya, produksi, karakteristik xilanase maupun aplikasinya dalam kehidupan manusia. Penelitian mengenai penggunaan xilanase dari jamur dalam
7
proses biobleaching pulp juga telah banyak dilakukan. Akan tetapi diketahui bahwa xilanase yang diproduksi oleh jamur memiliki karakteristik optimum pada pH rendah - netral, sedangkan xilanase yang dibutuhkan dalam proses biobleaching harus toleran terhadap pH tinggi dan bebas dari aktivitas selulase (Subramaniyan & Prema, 2000). Berdasarkan Tabel 1, telah diperoleh jamur yang mampu menghasilkan xilanase dari berbagai spesies. Jamur-jamur ini diperoleh dari berbagai sumber. Sebagian besar berasal dari tanah dengan kondisi berbeda. Penelitian ini akan mengungkap keberadaan jamur xilanolitik yang bersifat toleran terhadap kondisi alkali. Xilanase jamur yang diperoleh diharapkan mempunyai aktivitas xilanolitik yang lebih tinggi dibandingkan xilanase yang telah dilaporkan dalam berbegai penelitian. Karakter yang lebih disukai adalah jika xilanase memiliki toleransi terhadap suhu pulp yang masih agak tinggi (±45°C) dan pH alkali, sehingga lebih mudah diaplikasikan dalam proses pemutihan pulp. Kemampuan lignolitik isolat jamur selain kemampuan xilanolitik diharapkan dapat meningkatkan keberhasilan proses pemutihan pulp, karena target utamanya adalah lepasnya atau terdegradasinya lignin dari serat selulosa. Mengingat banyaknya industri pulp dan kertas dan berlimpahnya sumber daya alam hayati di Indonesia, maka pencarian dilakukan menggunakan sampel lokal untuk mendapatkan jamur indigenous penghasil xilanase alkali.
8
Tabel 1. Jamur yang telah dilaporkan mampu menghasilkan xilanase No 1. 2.
3.
4.
5. 6. 7. 8. 9. 10.
11. 12. 13. 14. 15. 16.
Nama spesies
Asal isolat
Aspergillus niveus RS2 A. niger
Aktivitas pH xilanase optimum di 18,2U/mL 9
Jerami padi India Tanah sekitar pohon mangrove di India A. niger Tanah sekitar pohon mangrove di India Penicillium Mutan dari oxalicum SAUE- Penicillium 3.510 oxalicum SA-8 ITCC6024 P. oxalicum Tanah mangrove di India Chaetomium TD globosum Cg2 A. niveus Serasah hutan di India A. indicus Serasah hutan di India A. flavus Serasah hutan di India A. japonicus Tanah di daerah Caatinga, Brasil
393 U/mg 8,5 protein 2.457 U/mg protein 475,2±6,0 U/mL
3,5
Raghukumar et al. (2004)
9
Dwivedi et al. (2008)
3,89 U/mL 0,26 U/mL 182,24 U/mL 205,87 U/mL 171,17 U/mL 177,9 U/mL
8
Muthezilan et al. (2007) Ahammed et al. (2008) Angayarkanni et al. (2006) Angayarkanni et al. (2006) Angayarkanni et al. (2006) Simoes & TaukTornisielo (2005) Lemos et al. (2000) Oliviera et al. (2006) Cavazzoni et al. (1989) Bakir et al. (2001) Gupta et al. (2009) Chidi et al. (2008)
A. awamori Koleksi kultur 30 U/mL NRRL 3112 NRRL,Peoria,USA P. janthinellum TD 55,3 U/mL Schizophyllum Koleksi kultur 455 U/mg radiatum CMI, Inggris protein Rhizopus oryzae Koleksi kultur 210 U/mL ATCC 9363 ATCC Fusarium solani Daerah perakaran 78,32 F7 di Faizabad, India U/mL A. terreus UL Tanah di daerah 35 U/mL 4209 George, Afrika Selatan
Keterangan : TD = tidak disebutkan
9
Peneliti (Tahun) Sudan & Bajaj (2007) Raghukumar et al. (2004)
5,5 5 5 6 5
TD
4,9 5 5,5 6
Penelitian ini diawali dengan isolasi jamur xilanolitik dari sampel tanah lokal yang telah dikumpulkan. Sampel tanah diperoleh dari tanah sekitar pabrik pulp, penggergajian kayu, tempat pembuangan akhir dan hutan. Isolat jamur yang diperoleh diseleksi kemampuan xilanolitiknya dan diidentifikasi jenisnya. Produksi xilanase oleh isolat jamur indigenous unggul dioptimalisasi untuk menghasilkan xilanase dengan aktivitas spesifik tinggi. Aktivitas lignolitik ditentukan terhadap isolat jamur indigenous unggul. Selanjutnya, xilanase dimurnikan dan dikarakterisasi sifat-sifatnya. Pemanfaatan pada proses awal pemutihan pulp dilakukan dengan membandingkan ekstrak kasar enzim dengan xilanase hasil pemurnian. Pemanfaatan enzim xilanolitik ini diharapkan dapat membantu mengurangi konsumsi bahan kimia selama proses pemutihan, sehingga mampu mengatasi salah satu permasalahan yang dihadapi oleh industri pulp dan kertas yaitu masalah pencemaran lingkungan akibat limbah industri.
1.4. Tujuan Penelitian mengenai kajian enzim xilanolitik dari jamur tanah dan aplikasinya sebagai agen pemutih pulp bertujuan untuk : 1. Memperoleh isolat jamur indigenous yang berpotensi tinggi dalam menghidrolisis xilan dari tanah hutan, tanah penggergajian kayu, tanah sekitar pabrik pulp dan kertas dan tanah pembuangan akhir sampah. 2. Mengidentifikasi jamur xilanolitik unggul terseleksi secara morfologis dan molekular.
10
3. Melakukan optimasi kondisi pH, suhu, jenis substrat, konsentrasi substrat, konsentrasi inokulum, kecepatan agitasi dan waktu inkubasi optimum bagi pertumbuhan jamur indigenous unggul untuk memproduksi xilanase yang memiliki aktivitas tinggi. 4. Pemurnian dan mempelajari karakter pH, suhu dan berat molekul xilanase. 5. Mengembangkan kemampuan xilanase dalam proses pemutihan pulp berdasarkan nilai bilangan Kappa, viskositas dan derajat putih.
1.5. Manfaat Penelitian Manfaat penelitian mengenai kajian enzim xilanolitik dari jamur tanah ini adalah : 1. Pengembangan aplikasi xilanase jamur indigenous sebagai agen pemutih pulp di industri pulp dan kertas dapat mendukung program pemerintah yaitu industri yang berwawasan lingkungan. 2. Pengembangan jamur xilanolitik indigenous unggul dalam biokonversi berbagai
substrat
hasil
samping
industri
menghasilkan produk lain yang menguntungkan.
11
maupun pertanian
untuk
