Pengaruh Hidrolisis Enzim pada Produksi Ethanol dari Limbah Padat Tepung Tapioka (Onggok) Sidha Rahmasari (2307100037) dan Khaula Permana Putri (237100153) Pembimbing: Ir. Mulyanto, MT. Laboratorium Teknologi Biokimia Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS Kata kunci: Fermentasi Batch, Saccharomyces Cerevisae, Onggok, Enzim Abstrak Onggok merupakan limbah padat tepung tapioka. Tujuan penelitian untuk mengetahui dan membandingkan pengaruh penggunaan keempat jenis enzim serta mengetahui dan membandingkan pengaruh variasi konsentrasi masing-masing enzim pada hidrolisis enzim. Onggok sebanyak 150 gram dihidrolisis dengan 500. Onggok ditambahkan dengan berbagai varibel enzim. 0,6 unit/gram dan 24 unit/gram untuk Enzim Αlpha-amilase dan Glukoamilase, serta 10 unit/gram dan 15 unit/gram untuk Enzim Selulase dan Enzim Pektinase. Fermentasi batch di dalam incubator shaker dengan suhu 30oC kecepatan 150 rpm menggunakan yeast Saccharomyces Cerevisae selama 60 jam, Per 15 jam di analisis Jumlah sel, Gula Reduksi, Konsentrasi Etanol, dan pH nya. Analisis Jumlah sel dihitung dengan metode Counting Chamber, Gula Reduksi deengan metode spektrofotometri dengan larutan DNS, etanol dengan metode Gas Chromatografi (GC). Dari hasil penelitian ini diperoleh bahwa pada Hidrolisis Enzim, konsentrasi Glukosa terbesar pada waktu 24 jam adalah Enzim Glukoamilase 0,6 unit/gram sebesar 115,859 g/L, sedangkan untuk yang waktu 2 jam adalah Enzim Pektinase 15 unit/gram sebesar 29,4 g/L. Kurva Pertumbuhan yeast Saccharomyces Cerevisae mencapai titik Logaritmik pada jam ke 22, 24, 24, dan 24 jam untuk substrat enzim α-amilase, glukoamilase, selulase, dan pektinase. Hasil optimum proses fermentasi batch,konsentrasi etanol dicapai pada variabel hidrolisat Enzim Pektinase 15 unit/gram yaitu sebesar 14,98 g/L untuk yang hidrolisis enzim 2 jam, sedangkan yang 24 jam hidrolisat enzim glukoamilase 0,6 unit/gram 18,35 g/L.
1. Pendahuluan Etanol merupakan salah satu bahan bakar alternatif. Bahan baku Etanol dari gula, pati atau selulosa (karbohidrat), dengan bantuan mikroorganisme (Anonim, 2008). Onggok merupakan limbah padat tepung tapioka yang berpotensi untuk menghasilkan etanol dan masih mengandung pati dan serat lainnya. Pati merupakan gabungan dari dua polisakarida dalam karbohidrat, amilosa dan amilopektin, dan komposisi lain yang nonkarbihidrat, seperti lipid, phosphate, dan protein. (Buleon, Colonna, Planchot, & Ball, 1998; Jenkin, Cameron, & Donald, 1993). Proses ini melalui 2 tahap, hidrolisis dan fermentasi. Untuk eksperimen ini menggunakan teknologi hidrolisis enzim, karena enzim lebih spesifik terhadap substrat yang ada dalam onggok dibandingkan dengan hidrolisis asam. (Crueger et al, 1982).
2. Metodologi Alat dan Bahan. Alat-alat yang digunakan adalah sebagai berikut :inkubator shaker, autoclave, mixer (mesin pengaduk), beakerglass, spectrometer dan lain-lain. Bahan yang digunakan: DNS, nutrient agar, asam asetat, natrium asetat, yeast ekstrak, dll. Substrat dan Enzim.Onggok diperoleh dari PT. Sukoharjo Makamur Abadi Polokarto-Sukoharjo Jawa Tengah. Onggok lalu dikeringakan dengan cara menjemur. Enzim yang dipakai ada empat, α-amilase & glukoamilase 0,6 dan 24 u/gr (liquid) ;selulase & pektinase 10 dan 15 u/gr (padatan). Uji Aktivitas Enzim. Komposisi gula pereduksi selama hidrolisis substrat dan dianalisis dengan metode DNS. Sebelumnya membuat Larutan amylum, CMC (carboxymethyl cellulose), dan pectin dengan menggunakan buffer asetat. Alur Penelitian. Melakukan Hidrolisis Enzim Α-amilase 0,6 & 24 u/gr pada pH=5,5 T=100oC; Glukoamilase 0,6 & 24 u/gr pada pH=4,5 T=60oC; Selulase 10 & 15 u/gr pada pH=5,5 T=33oC; Pektinase10 & 15 u/gr pada pH=4,7 T=33oC. Hidrolisat dianalisis konsentrasi glukosa dengan metode DNS. Dilanjutkan fermentasi selama 60 jam lalu dianalis konsetrasi etanol, pH, jumlah mikroorganisme, dan gula reduksi.
3. Hasil dan Pembahasan A. Hasil Aktivitas Enzim Aktivitas masing-masing enzim α-amilase, glukoamilase, selulase, dan pektinase adalah 200,14 unit/ml; 560,75 unit/ml; 2,12 unit/ml; dan 3,3 unit/ml. B. Hidrolisis Onggok Tabel 1 Komposisi Onggok No
Zat
1 2
Karbohidrat (selain poin 2 dan 3) Serat (selulosa, hemiselulosa, dan lignin) Pati Protein Lemak Air Abu
3 4 5 6 7
Kandungan (% berat) 40,26 33,1 7,17 0,93 0,19 17,84 0,51
Gambar 1 Konsentrasi Glukosa Enzim alpha -amilase dan Glukoamilase Konsentrasi enzim α-amilase sebesar 24 u/gr dan enzim glukoamilase sebesar 0,6 u/gr dari berat onggok mampu menghasilkan konsentrasi glukosa terbesar yaitu 101,82 g/L dan 115, 86 g/L. Konsentrasi glukosa pada enzim glukomylase lebih tinggi dari α-amilase. Enzim glukoamilase menghidrolisis pemutusan ikatan glikosidik α-1,4 dan α-1,6 dari bagian ujung gula nonpereduksi, sedangkan α-amilase hanya mengkatalisis pemutusan ikatan glikosidik α-1,4 dari pati, glikogen, dan polisakarida lain (Fogarty, 1983). Sehingga lebih banyak pemutusan cabang, lebih
besar dalam mendegradasi, dan glukosa yang dihasilkan juga lebih besar.
Gambar 2 Konsentrasi Glukosa Enzim Selulase dan Pektinase Konsentrasi glukosa terbesar yaitu 28,5 g/L dan 29,4 g/L yaitu pada enzim pektinase 10 & 15 u/gr. Enzim Pektinase memecah polisakarida kompleks yaitu pektin itu sendiri. Pektin adalah jenis polimer heterosakarida, bentuk matriks pektin di mana mikrofibril selulose juga terkandung di dalamnya. . (Wilkie, 1985). Sehingga semakin banyak cabang yang diputus semakin besar yang didegradasi, semakin besar pula konsentrasi glukosa .
B. Fermentasi Batch Etanol Yeast yang digunakan dalam proses fermentasi adalah kultur murni Saccharomyces cerevisiae. Sebelum fermentasi dilakukan proses starter yang berfungsi untuk mengurangi lag phase pertumbuhan bakteri dan diharapkan cepat mencapai log phase ketika mulai proses fermentasi. (Alexander & Jeffries,1990).
Gambar 3 Pengaruh Konsentrasi Gula Reduksi (g/L) terhadap Jumlah Mikroorganisme (sel/ml) Semakin besar jumlah sel maka akan semakin kecil konsentrasi gula reduksi yang tersisa. Tabel 2 Konsentrasi Gula Reduksi dan Konsentrasi Etanol pada Fermentasi 60 Jam Varibel
α -amilase 0,6 unit/gram α -amilase 24 unit/gram Glukoamilase 0,6 unit/gram Glukoamilase 24 unit/gram Selulase 10 unit/gram Selulase 15 unit/gram Pektinase 10 unit/gram Pektinase 15 unit/gram
Konsentrasi Gula Reduksi (g/L) 28,8
Konsentrasi Etanol (g/L) 12,25
82,79
12,01
3,34
18,35
44,74
17,75
11,8
9,55
11,25
11,25
5,4
14,53
5,14
14,98
Gambar 4 Pengaruh Konsentrasi Gula Reduksi (g/L) terhadap Konsentrasi Etanol (g/L) Semakin lama konsentrasi etanol mengalami peningkatan sedangkan jumlah gula residu semakin berkurang dari gula awalnya, ini menandakan adanya konsumsi gula oleh bakteri. Menurut Mc Gill (1965), bakteri lebih menyukai glukosa daripada fruktosa. Sehingga bakteri ini akan memakai glukosa sebagai substrat untuk fermentasi pertama kali. Reaksi pada Fermentasi :
Yield merupakan konsentrasi etanol yang dihasilkan dibandingkan dengan konsentrasi gula reduksi yang terkonsumsi, semakin tinggi gula reduksi yang terkonsumsi diiringi kenaikan yield. Yield terbesar pada hidrolisat enzim pektinase 10 u/gr yaitu 99,96 % dari yield etanol teoritis. Penelitian sebelumnya (Teerapatr Srinorakutara , 2004), Produksi etanol maksimum (komibisa empat enzim α-amilase, glukoamilase, selulase,dan pektinase) menggunakan Saccharomyces cerevisiae dari proses hidrolisis gula dengan enzim pada gula reduksi awal 8,92% berat per volume adalah 3,62% pada proses fermentasi selama 24 jam sesuai dengan 91% dari yield teoritis.
Gambar 4 Pengaruh pH terhadap Konsentrasi Etanol (g/L) Jika penurunan pH mengakibatkan kondisi substrat yang lebih optimum, maka yeast tersebut akan tumbuh baik. Namun jika penurunan pH mengakibatkan kondisi jauh dari kondisi optimum substrat maka pertumbuhan yeast mengalami penurunan. Kondisi keasaman yang tinggi menyebabkan koagulasi dan lisis pada membrane sel yeast sehingga mengakibatkan kematian sel (Widyariset,2000).
4. Kesimpulan dan Saran Kesimpulan 1.
2.
Semakin lama waktu hidrolisis enzim, semakin besar konsentrasi glukosa. Sehingga semakin banyak pati dan serat atau polisakarida lain yang terurai menjadi glukosa. Konsentrasi Glukosa Terbesar untuk Hidrolisi Enzim selama 24 jam pada Enzim Glukoamilase 0,6 unit/gram, sebesar 115,86 g/L, dalam hal ini pati (amilosa dan amilopektin) dalam onggok mampu memecah menjadi glukosa paling besar. Konsentrasi Glukosa Terbesar untuk Hidrolisi Enzim selama 2 jam pada Enzim Pektinase 15 unit/gram, sebesar 29,4 g/L, dalam hal ini serat lain dalam onggok (selulosa dan pektin) mampu memecah menjadi glukosa paling besar. Semakin besar konsentrasi glukosa makin besar kadar etanol yang dihasilkan sampai pada batas titik kritis kandungan glukosanya. Konsentrasi etanol tertinggi (untuk waktu hidrolisis 24 jam) pada variabel Enzim Glukoamilase 0,6 unit/gram sebesar 18,35 g/L.
Konsentrasi etanol tertinggi (untuk waktu hidrolisis 2 jam) pada variabel Enzim Pektinase 15 unit/gram sebesar 14,98 g/L.
Saran 1. Melakukan generalisasi jenis enzim untuk mengetahui pengaruh hidrolisis enzim yang lebih spesifik, dan lebih memvariasikan variabel dari 1 jenis enzim. 2. Ketika melakukan analisis hasil dari eksperimen, untuk satu jenis perlakuan yang akan dibandingan, lebih baik dilakukan oleh orang yang sama. 3. Langkah ke depan lebih mempersiapkan bahan yang memang sulit didapat, alat yang akan dipakai, dan bagaimana upaya untuk melakukan suatu analisis baih bahan baku mapun hasil eksperimen.
Daftar Pustaka Alexander, M.A. & T.W. Jeffries. 1990. “Respiratory efficiency and metabolize partitioning as regulatory phenomena in yeasts”. Enzyme Micobe. Technol. 12: 2-29. Anonim. 2008. http://id.wikipedia.org/wiki/bioetanol Fogarty W.M. dan Kelly C.T., 1979, “Starch Degrading Enzyme of Microbial “. Crueger, W. and Crueger. 1982. Biotechnology; A Text Book on Industrial. Translae by T. DBook. Science Tech Inc. Toronto Wilkie, K.C.B.1985. “New Perspectives on Non-Cellulosic Cell Wall Polysaccharides of Land Plants”.
