3
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Tongkol Jagung Jagung adalah salah satu tanaman sektor pertanian yang cukup banyak dikonsumsi oleh berbagai masyarakat di dunia dan merupakan salah satu produk pertanian yang banyak dihasilkan di Indonesia. Tanaman jagung di Indonesia merupakan tanaman pangan yang penting setelah tanaman padi. Jagung berasal dari daerah tropis, tetapi karena banyak tipe-tipe jagung dengan variasi sifat-sifat yang dipunyainya dan sifat adaptasi yang tinggi maka jagung dapat menyebar luas dan dapat hidup baik di berbagai iklim. Pada tahun 2004 produksi jagung nasional mencapai 11.225.243 ton dan meningkat menjadi 12.523l.894 ton pada tahun 2005 (Anonim 2005). Produksi jagung tahun 2008 sebesar 16.32 juta ton pipilan kering. Dibandingkan produksi tahun 2007 terjadi kenaikan sebesar 3.04 juta ton (22.85%). Kenaikan produksi terjadi karena peningkatan luas panen seluas 372.99 ribu hektar (10.27%) dan produktivitas sebesar 4.18 kuintal/hektar (11.42%). Pemanfaatan jagung saat ini sangat beraneka ragam mulai dari bahan pangan hingga bioenergi (Anonim 2008). Buah jagung terdiri atas beberapa bagian yaitu kelobot (kulit), biji dan tongkol. Buah jagung terdiri atas 30% limbah yang berupa tongkol jagung sedangkan sisanya adalah kulit dan biji.
Tongkol jagung adalah tempat
pembentukan lembaga dan gudang penyimpanan makanan untuk pertumbuhan biji serta merupakan modifikasi dari cabang dan mulai berkembang pada ruas-ruas batang (Koswara 1991). Tongkol jagung merupakan bagian dari buah jagung yang telah diambil bijinya sehingga merupakan limbah padat karena tongkol jagung tidak dapat dikonsumsi. Menurut Maynard dan Loosli (1993) komposisi kimia tongkol jagung terdiri atas 35.5% serat, 2.5% protein, 0.12% kalsium, 0.04% fosfor dan zat-zat lainnya sebesar 38.16%. Tongkol jagung mengandung lignoselulosa yang terdiri atas lignin (16%), selulosa (40%), dan hemiselulosa (36%). Komponen penyusun hemiselulosa terbesar adalah xilan yang memiliki ikatan rantai β-1,4-xilosida, dan biasanya tersusun atas 150-200 monomer xilosa (Kulkarni et al. 1999). Rantai
4
xilan dapat terdiri atas dua atau lebih jenis monomer penyusun (heteropolimer), seperti 4-0-metilglukoronoxilosa, dan dapat pula terdiri atas satu jenis monomer, seperti xilan yang merupakan polimer xilosa. Xilan dari serealia banyak mengandung L-arabinosa dan arabinoxilan, sedangkan xilan dari tanaman keras mengandung glukuronoxilan yang dapat menghasilkan asam d-glukoronik (Kulkarni et al. 1999). Limbah tanaman pangan seperti tongkol jagung, bagas tebu, jerami padi, dedak gandum, dan biji kapas mengandung xilan sebesar 16-40% (Jaeggle 1975). Tongkol jagung memiliki kandungan xilan yang lebih tinggi dibanding sekam, bekatul, ampas pati garut, dan onggok (Richana et al. 2004).
2.2. Streptomyces sp. Streptomyces sp. merupakan bakteri Gram positif yang berasal dari tanah dan diketahui dapat mensekresikan protein dalam jumlah yang besar. Bakteri ini membentuk filamen bercabang sebagai jaringan yang disebut miselium. Komposisi basa berkisar pada 63-78% GC. Diameter filamen berukuran 0.5-1.0 µm dan pada fase vegetatif seringkali tidak berdinding melintang. Pertumbuhan dari Streptomyces sp. berlangsung pada ujung filamen diikuti dengan percabangan (Sunatmo 2009). Sebagian besar sekresi proteinnya merupakan enzim yang dapat menghidrolisis material organik kompleks untuk bertahan hidup (Hayakawa 2003). Genus Streptomyces termasuk ke dalam kelas Actinomycetes membentuk spora yang menunjukkan sebuah perkembangan daur hidup kompleks dengan cabang miselium vegetatif yang menyatu pada substrat dengan bentuk miselium aerial yang memiliki hifa berdiameter lebih besar. Actinomycetes banyak ditemukan dalam tanah terutama pada topsoil dan jumlahnya semakin berkurang dengan semakin dalamnya tanah. Genus Streptomyces tersebar di berbagai habitat seperti tanah, laut, dan sungai (Lo et al. 2002). Actinomycetes hidup pada lingkungan dengan pH cukup tinggi (6.5-8.0) dengan kondisi tanah setengah kering sampai kering. Pertumbuhan optimum Actinomycetes tercapai pada kondisi pH netral dengan suhu 25-350C, tetapi ada juga yang dapat tumbuh pada kisaran suhu 45-550C. Actinomycetes umumnya
5
tergolong bakteri aerob yang bersifat saprofit, dorman dalam bentuk spora yang akan berkembang menjadi miselium apabila nutrisi, suhu, kelembaban dan kondisi lainnya sesuai dengan syarat tumbuhnya (Alexander 1961 ; Miyado 2003). Streptomyces sp. memproduksi sejumlah metabolit sekunder dan protein ekstraseluler, termasuk enzim hidrolase yang dapat mendegradasi polisakarida seperti xilan, selulase dan kitin (Tsujibo et al. 2002). Genus Streptomyces umumnya tumbuh subur, membentuk banyak sekali hifa bercabang, miselium substrat jarang yang bersekat, miselium aerial cepat matang membentuk spora dari pucuk belahannya dan membentuk rantai spora panjang yang menggulung (Miyado 2003). Streptomyces sp. sudah dikenal luas karena kemampuannya untuk mensintesis senyawa-senyawa yang dapat diproduksi dalam skala industri seperti antibiotik dan enzim. Streptomyces sp berperan penting dalam proses daur ulang senyawa organik di alam dan diketahui dapat menghasilkan berbagai macam enzim seperti selulase, xilanase, kitinase, amilase dan protease (Hayakawa 2003). Streptomyces costaricanus 45I-3 merupakan isolat yang berasal dari Kalimantan dan memiliki beberapa karakter yang menarik. Ekstrak kasar enzim xilanase yang dihasilkan oleh Streptomyces costaricanus 45I-3 memiliki aktifitas yang cukup tinggi pada kondisi optimumnya yaitu pH 5.0 dan suhu 50 0C serta tahan pada penyimpanan di refrigerator selama satu bulan. Pemurnian xilanase menggunakan pengendapan dengan polimer anion Eudagrit S100 2% dan kromatografi kolom menggunakan Sephadex G100 menghasilkan aktifitas optimum pada pH dan suhu yang sama dan meningkat 25.84 kali dibandingkan dengan enzim ekstrak kasarnya. Protein hasil pemurnian memiliki dua pita dengan berat molekul 39.2 kDa dan 43.2 kDa dengan nilai Km dan Vmax berturut-turut sebesar 9057.971 IU/mg dan 7.429 mg/ml serta diduga memiliki aktifitas endoxilanase, arabinofuranosidase dan β-xilosidase (Meryandini et al. 2007). Pengukuran menggunakan HPLC terhadap produk hasil hidrolisis menunjukkan bahwa produk dominan enzim xilanase dari Streptomyces costaricanus 45I-3 adalah xilosa (Hendarwin 2005).
6
2.3. Enzim Xilanase Enzim adalah molekul biopolimer yang tersusun dari serangkaian asam amino dalam komposisi dan susunan rantai yang teratur dan tetap. Enzim memegang peranan penting dalam berbagai reaksi di dalam sel. Enzim bekerja dengan urut-urutan tertentu, mengkatalisis ratusan reaksi bertahap yang menguraikan molekul nutrien, reaksi yang menyimpan dan mengubah energi kimiawi dan membuat makromolekul sel dari prekusor sederhana (Lehninger 1982). Penggunaan mikroorganisme untuk produksi enzim mempunyai beberapa kelebihan, diantaranya mudah diproduksi dalam skala besar, waktu produksi relatif pendek serta dapat diproduksi secara berkesinambungan dengan biaya yang relatif rendah. Mikroorganisme relatif lebih mudah ditumbuhkan pada lingkungan yang dapat dikontrol dan memungkinkan galur terpilih dapat hidup pada kondisi mendekati ideal dan termonitor sehingga menghasilkan produk dengan produktivitas yang tinggi dan konsisten (Irawadi 1990). Xilanase merupakan enzim ekstraseluler yang dapat menghidrolisis xilan menjadi xilooligosakarida dan xilosa. Xilanase dihasilkan oleh berbagai mikroba seperti cendawan dan bakteri (Beg et al. 2001). Salah satu bakteri penghasil xilanase yang potensial yaitu Streptomyces (Ruiz-Arribas et al. 1995). Aplikasi xilanase untuk industri diantaranya pada industri pangan, pakan, dan pemutih bubur kertas/pulp. Penggantian penggunaan klor dengan enzim xilanase untuk pemutihan pulp telah memberikan peluang untuk aplikasi bioteknologi (Bourbonnais et al. 1997 ; Beg et al. 2001). Enzim yang digunakan untuk menghidrolisis substrat hemiselulosa kaya xilan disebut kompleks enzim xilanase (xilanolitik). Hidrolisis sempurna xilan memerlukan aktivitas sinergis kelompok enzim hemiselulosa di antaranya adalah enzim endo-β-xilanase, exo-xilanase, β-xilosidase, α-L-arabinofuranosidase. Enzim ini mengkatalisa proses hidrolisis ikatan 1,4 β -D-xilosidik pada xilan untuk memproduksi D-xilosa. Xilanase dapat diklasifikasikan berdasarkan substrat yang dihidrolisis, yaitu β-xilosidase, eksoxilanase, dan endoxilanase. β-xilosidase, yaitu xilanase yang mampu menghidrolisis xilooligosakarida rantai pendek menjadi xilosa.
7
Aktivitas enzim akan menurun dengan meningkatnya rantai xilooligosakarida (Reilly 1991; Dekker 1983). Mekanisme kerja enzim xilanase dalam menghidrolisis substrat dapat dilihat pada Gambar 1. Rantai Utama Ikatan β-1,4-xilosida
Rantai Samping α-D-glukoronidase
Eksoxilanase
Endo-1,4-β xilanase α-arabinofuranosidase Gambar 1. Struktur xilan dan enzim yang terlibat dalam hidrolisis (Beg et al. 2001) Eksoxilanase mampu memutus rantai polimer xilosa (xilan) pada ujung reduksi, sehingga menghasilkan xilosa sebagai produk utama dan sejumlah oligosakarida rantai pendek. Endoxilanase mampu memutus ikatan β-1,4 pada bagian dalam rantai xilan secara teratur. Ikatan yang diputus ditentukan berdasarkan panjang rantai substrat, derajat percabangan, ada atau tidaknya gugus substitusi, dan pola pemutusan dari enzim hidrolase tersebut. Hemiselulosa xilan merupakan polimer xilosa yang berikatan β-1,4 dengan jumlah monomer 150-200 unit (Sunna dan Antraniklan 1997). Rantai xilan bercabang dan strukturnya tidak berbentuk kristal sehingga lebih mudah dimasuki pelarut dibandingkan dengan
8
selulosa. Sebagian besar xilan terdiri atas ikatan 2-4 heteroglikan. Heteroglikan yang umum dijumpai adalah arabino-D-xilan, L-arabino-D-glukurono-D-xilan, 40-metil-D-glukorono-D-xilan, L-arabino-D-xilan, D-gluko-D-mannan, D-galaktoD-gluko-D-mannan, dan L-arabino-D-galaktan (Beg et al. 2001).
2.4. Xilooligosakarida Sebagai Prebiotik Prebiotik didefinisikan sebagai komponen yang tidak dapat dicerna yang meng-hasilkan pengaruh menguntungkan terhadap inang dengan cara menstimulir secara selektif pertumbuhan satu atau lebih mikroba pada saluran pencernaan sehingga dapat meningkatkan kesehatan inang. Suatu komponen pangan dapat diklasifikasikan sebagai prebiotik bila memenuhi beberapa persyaratan yaitu tidak terhidrolisis atau terserap pada saluran pencernaan bagian atas, secara selektif dapat menstimulir pertumbuhan bakteri yang menguntungkan pada kolon, dapat menekan pertumbuhan bakteri patogen sehingga secara sistemik dapat meningkatkan kesehatan (Gibson dan Roberford 1995). Prebiotik pada umumnya merupakan karbohidrat dengan bobot molekul rendah yang tidak dapat diserap dan dicerna serta umumnya berbentuk oligosakarida dan serat pangan (Silalahi dan Hutagalung 2002). Prebiotik dapat diperoleh dengan beberapa cara, yaitu ekstraksi langsung polisakarida alami dari tumbuhan, hidrolisis polisakarida alami, atau secara enzimatis dengan enzim hidrolase atau glikosil transferase yang mengkatalisis reaksi transglikosilasi hingga terbentuk oligosakarida sintetik dari mono serta disakarida (Grizard dan Barthomeuf 1999). Oligosakarida adalah karbohidrat berbobot molekul rendah, terdiri atas tiga sampai 10 gugus gula sederhana (monosakarida). Oligosakarida adalah sejenis karbohirat rantai pendek, yang berfungsi sebagai prebiotik atau zat makanan yang tidak dicerna di dalam tubuh yang bermanfaat untuk menstimulasi pertumbuhan bakteri non-patogen di dalam usus sehingga meningkatkan ketahanan sistem pencernaan. Sifat oligosakarida yang tidak dicerna ataupun diserap oleh saluran pencernaan akan mencapai usus besar dalam keadaan utuh dan digunakan sebagai makanan oleh bakteri non-patogen di dalam usus besar yaitu Bifidobacteria dan Lactobacilli (Muchtadi 2009).
9
Prebiotik yang banyak dikenal dan digunakan adalah oligosakarida kedelai (yang terdiri atas rafinosa dan stakiosa), fruktooligosakarida (disebut juga oligofruktosa), Inulin, Laktulosa dan Laktosukrosa. Inulin dan oligofruktosa memiliki
fungsi
(menyeimbangkan
penting
sebagai
mikroflora
kolon)
penyeimbang dan
fungsi
modulasi
gastrointestinal
hormonal.
Dengan
mengkonsumsi oligosakarida (prebiotik) diharapkan akan terjadi fermentasi di dalam usus besar oleh probiotik sehingga terbentuk asam lemak rantai pendek (Gibson dan Roberford 1995).
2.5. Kromatografi Filtrasi Gel Pemurnian enzim secara umum dilakukan melalui kromatografi kolom dan elektroforesis. Kromatografi kolom menggunakan prinsip sistem pengaliran suatu fluida melalui kolom yang mengandung matriks bahan pengisi dan substansi yang ingin dipisahkan menjadi beberapa komponen dengan adanya perbedaan daya ikat terhadap bahan pengisi. Berbagai teknik kromatografi kolom untuk pemurnian enzim antara lain kromatografi filtrasi gel, kromatografi pertukaran ion, kromatografi interaksi hidrofobik dan kromatografi afinitas. Pemurnian enzim dengan kromatografi kolom merupakan cara yang paling efektif dibandingkan dengan semua cara pemisahan yang lain (Suhartono 1989). Analisis karbohidrat dengan kromatografi dilakukan terutama untuk mengetahui jenis gula sederhana yang menyusun suatu karbohidrat. Polisakarida harus dihidrolisis terlebih dahulu menjadi gula sederhana yang dapat dikerjakan dengan asam atau enzim (Adnan 1997). Kromatografi filtrasi gel merupakan metode pemisahan yang penting dalam pemurnian enzim. Beberapa istilah lain juga digunakan untuk filtrasi gel yaitu size exclusion chromatography, molecular sieving dan gel permeation chromatography (Bollag et al. 1996). Kromatografi filtrasi gel dalam pemurnian enzim menggunakan prinsip perbedaan berat molekul atau ukuran antara protein enzim target dengan gel penyaring dalam kolom. Gel merupakan struktur jaringan tiga dimensi yang terbentuk karena adanya ikatan silang yang terjadi dalam proses polimerisasi. Gel tersebut secara selektif dapat mengeksklusikan molekul-molekul yang besar dari lubang-lubang
10
yang dimilikinya. Jadi molekul yang lebih besar dari ukuran pori akan mengalami eksklusi sedangkan yang lebih kecil akan masuk melalui pori di dalam struktur gel tersebut (Adnan 1997). Gel penyaring berupa dekstran yang akan memisahkan protein berdasarkan berat molekulnya (Suhartono 1989). Beberapa matriks yang digunakan dalam filtrasi gel adalah dekstran, akrilamid, agarosa dan polistiren. Beberapa istilah juga digunakan untuk gel dari polimer yang berbeda, misalnya sephadex (gel dekstran), superose (gel agarosa), bio-gel (gel akrilamida), superdex (gel agarosa/dekstran), sephacryl (dekstran/bis-akrilamida) (Hedlund 2004). Gel dekstran biasanya disebut juga dengan istilah sephadex yang bersifat tahan terhadap garam atau basa pada konsentrasi tinggi, akan tetapi rusak oleh asam di bawah pH 2.0 dan merupakan oksidator kuat (Suhartono 1989). Dekstran merupakan polimer gula yang larut dalam air yang telah mengalami reaksi cross linking dengan bantuan epikhlorhidrin. Hasil yang didapat adalah dekstran yang tidak larut di dalam air, akan tetapi masih dapat menyerap molekul-molekul air di dalam molekulnya sendiri. Daya serap ini bergantung pada jumlah cross linkage atau ikatan silang yang terjadi. Filtrasi gel merupakan teknik pemurnian yang efektif dalam pemisahan enzim dari pelarut penggumpal, larutan garam dan buffer yang tidak dikehendaki (Ersson et al. 1998). Gel sephadex terdiri atas partikel kecil dari senyawa yang tidak larut, bersifat hidrofilik, dibuat dengan ikatan silang polisakarida dekstran sehingga terbentuk jala tiga dimensi dari rantai polisakarida tersebut. Molekul ini bersifat sangat
polar
karena
kandungan
gugus
hidroksilnya
menggelembung cukup besar bila direndam dalam air.
yang
tinggi
dan
Keuntungan dalam
penggunaan sephadex adalah penggunaannya yang dapat berulang kali. Setelah digunakan, kolom dapat dicuci menggunakan air dan disimpan dalam ruang dingin (Nur et al. 1992).
