Pokok Bahasan II DASAR-DASAR DAN BIOKIM1A FERMENTASI Deskripsi Singkat Fermentasi berasal dari kata latin yaitu fervere yang berarti mendidih (toboil), hal ini ternyata merupakan aktifitas khamir pada ekstrak buah-buahan atau serealia. Selama fermentasi dihasilkan CO2 sehingga kondisinya menjadi anaerob. Definisi fermentasi ini diperluas yaitu reaksi oksidasi reduksi menggunakan sumber energi dan sumber karbon, nitrogen dan lain-lain untuk membentuk senyawa yang mempunyai nilai ekonomi lebih tinggi serta terakumulasi dalam medium. Adapun tahapan fermentasi adalah jenis mikrobia dan kultur stok, media, preparasi inokulum, fermentasi, kontrol proses dan pengunduhan hasil serta operasi fermentasi. Operasi fermentasi secara komersial dapat digolongkan menjadi tiga golongan yaitu fermentasi non aseptis, semi aseptis dan aseptis. Sebagai contoh fermentasi non aseptis yaitu produksi protein sel tunggal (PST) dari hidrokarbon, fermentasi alkohol tergolong fermentasi semi aseptis dan produksi antibiotik bersifat fermentasi aseptis. Kebanyakan produk berasal dari substrat yang mengandung karbon. Bermacam-macam produk antara yang dihasilkan dari glukosa dan dihasilkan asam piruvat sebagai senyawa kunci, kemudian asam piruvat direduksi menjadi asam laktat, asam butirat, asam propionat butanediol, etil alkohol dan sebagainya. Produk yang dihasilkan tergantung ada dan tidaknya ensim mikrobia. Sebagai contoh bakteri asam laktat tidak rnenghasilkan ensim piruvat dekarboksilase, tetapi mereduksi piruvat menjadi asam laktat, sedang khamir dapat menghasilkan piruvat dekarboksilase untuk mereduksi senyawa CO2 menjadi etanol. Metabolisme glukosa dalam kondisi anaerob oleh mikrobia melalui EmbdenMeyerhaf-Parnas.
Kemudian
pseudomonas
melalui
reaksi
Entner
Doudoroff
mendegradasi menjadi etil alkohol. Leuconostoc mesenteraides melalui fermentasi glukosa menjadi asam laktat. Banyak fermentasi lain yang dilakukan oleh mikrobia sesuai sifat kharakteristik masing-masing. Tujuan Instruksional Khusus Mahasiswa setelah mempelajari dasar-dasar fermentasi dan biokimianya mampu menjelaskan tahapan fermentasi, asam piruvat, suatu kunci utama dalam
fermentasi karbohidrat, mengetahui urutan reaksi Heksosa Di Phosphat (DHP), Heksosa Mono Phosphat (HMP). Embden Meyerhaf-Paruas (EMP), Entner Soudoroff. A. DASAR-DASAR FERMENTASI 1. Dalam fermentasi terdapat hubungan antara pertumbuhan sel, kecepatan pertumbuhan, konsentrasi substrat serta produk akhir. Tipe fermentasi dibedakan atas pertumbuhan mikrobia dan produk : a. Sinonim : produksi protein sel tunggal b. Assosiasi (associated) : fermentasi alkohol asam sitrat, dan asam Iaktat. c. Non assosiasi (non associated) : fermentasi antibiotik. d. Stepwise : fermentasi antibiotic 2. Mikrobia yang berperanan dalam industri adalah bakteri, fungi, khamir, alge, dan protozoa. a. Bakteri contohnya : Zymomonus mobilis, CIostridium acetobutylicum, Acetobacter aceti. b. Fungi contohnya : AspergiIIus oryzae, Penicelium notatum, Rhizopus oligosporus c. Khamir
contohnya
:
Saccharomyces
cerevisiae,
Candida
utilis,
Saccharomyces pombe. d. Virus perlu dipelajari karena penyebab kontaminasi e. Protozoa penting dalam penanganan limbah f.
Alge untuk produksi bahan makanan yaitu agar, protein sel tunggal.
3. Peranan mikrobia dalam metabolisme yaitu : a.
Katabolisme : fermentasi alkohol, aseton, butanol dan asam organic
b.
Anabolisme : fermentasi polisakarida protein, asam nukleat, alkaloid.
4. Peranan ensim dalam fermentasi a. Katalisator ensim dapat mempercepat reaksi kimia 1012 - 1020 kali dibandingkan dengan katalisator anorganik. b. Reaksi dengan menggunakan ensim untuk mendapatkan produk melalui degradasi tahap demi tahap. c. Energi yang dihasilkan oleh ensim ditangkap lalu dilepas, tidak seperti katalisator anorganik. d. Ensim dapat menurunkan energi aktivasi reaksi.
5. Fermentasi oleh mikrobia dapat menggunakan substrat dasar karhohidrat dan senyawa nitrogen organik. Macam-macam fermentasi karbohidrat No. Macam
Glikolisis
Hasil akhir utama
1.1. Oleh khamir
HDP
etanol, CO2
1.2. Oleh bakteri
EDP
etanol, CO2
HDP
asam laktat
HMP
asam laktat, etanol,
1. Fermentasi alkohol
2. Fermentasi asam laktat 2.1. Homofermentasi (Homolaktat) 2.2. Heterofermentasi (Heterolaktat) 3. Fermentasi asam propionat
asam asetat dan CO2 HDP
asam propionat, asam asetat, CO2
4. Fermentasi asam butiran
HDP
asam butirat,asam asetat, H2, CO2, butanol, etanol, Aseton, Isopropanol.
5. Fermentasi asam campur
HDP
etanol, asetat, format, H2, CO2, Iaktat, suksinat.
6. Fermentasi butanediol
HDP
butanediol, etanol, laktat, suksinat, asetat, H2, CO2
Peruraian glukosa menjadi asam piruvat dibedakan menjadi 3 jalur : •
Jalur heksosa difosfat (HDP), yaitu Embden-Meyerhoff-Parnas atau glikolisa.
•
Jalur heksosa monfosfat (HMP), yaitu jalur Warburg Dicken, jalur fosfoketolosa, atau jalur pentosa fosfat.
•
Jalur 2 keto-3 deoksi glukonat-6 fosfat (jalur KDGP), atau jalur Entner Doudoroff
Skema berbagi jalur perubahan pe asam piruvat
6. Tahapan fermentasi a. Pemilihan mikrobia Mikrobia yang dipakai dalam industri akan sangat bermanfaat bila disimpan untuk penggunaan lebih lanjut tanpa mengurangi kemampuan ke ampuan tu tumbuh dan produksinya. Ada dua macam kultur yaitu primary culture dan working culture. b. Media fermentasi Media sangat penting dalam fermentasi karena mikrobia mampu tumbuh pada substrat tersebut. ter Media harus mengandung makronutrien utrien. Media fermentasi dapat digolongkan menjadi dua macam yaitu media sintetik dan kompleks. c. Peparasi inokulum Media untuk penyiapan inokulum in biasanva sanva berbeda dengan media fermentasi. Media untuk inokulurn untuk menghasilkan sel sel mikrobia dalam jumlah besar esar tanpa terjadi te peruhahan sifat genetik sel.. Konsentrasi
penggunaan 0,5 % sampai 5 % volume, kadang 10 % - 20 % inokulum yang terlalu sedikit mengakibatkan waktu fermentasi menjadi lama dan produktivitas menurun. d. Kontrol proses fermentasi dan pengunduhan produk akan dihahas pada bab berikutnya.
B. BIOKIMIA FERMENTASI 1. Pada reaksi-reaksi katabolisme-anabolisme ATP dan nikotin adenin di nucleotide yang tereduksi (NADH) adalah kunci utama dalam fermentasi. 2. Fermentasi terjadi bila produk fermentasi kandungannya lebih rendah dari substrat yang difermentasi. 3. Rumus untuk menyatakan perubahan energi bebas dengan perombakan potensial bila elektron pindah dari sistem ke sistem lain.
∆Fo = - n F Eo ∆F°
= perubahan energi bebas pada keadaan standard (Cal/mole)
N
= jumlah elektron yang dipindahkan
Fo
= Faraday, setara dengan 23,063 Cal/volt
Eo
= potensial
4. Reaksi-reaksi metabolisme ada dua yaitu : a.
Proses disimilasi (katabolisme) dapat menghasilkan hasil antara dan energi oleh mikrobia.
b.
Proses
asimilasi
(biosintesa/anabolisme)
atau
reaksi
yang
dapat
mensintesa konstituen-konstituen sel dan produk akhir Iainnya sesuai sifat mikrobia. 5. Reaksi EMP dan Krebs disebut juga reaksi amphibolik. Reaksi amphibolik berfungsi mengarahkan dan mutlak diperlukan dalam biosintesa. Karena reaksi amphibolik menghasilkan energi dan senyawa prekursor untuk biosintesa. 6. Pemecahan (metabolisme) karbohidrat oleh mikrobia. a. Fermentasi alkohol oleh khamir (Saccharomyces)
b. 1. Fermentasi mentasi asam laktat yaitu homolaktat dan heterolaktat • Fermentasi homolaktat mengikuti jalur HDP DP lalu dengan ensirn lak laktat dehidrogenase, asam piruvat dirubah jadi asam laktat. la • Fermentasi heterolaktat mengikuti jalur HMP. MP. Asetilfosfat diubah menjadi asetil KoA. Oleh ensirn asetaldehida dehidrogenasa dan d alkohol. • Dehidrogenase ehidrogenase akan dihasilkan alkohol. Piruvat oleh ensirn Iaktat dihidrogenase drogenase dirubah menjadi asam asa laktat. 2. Fermentasi asarn laktat oleh Bibidobacteriurn bifidum.. Bakteri ini mempunyai ai ensim fruktosa 6-fosfat 6 fosfo ketolase dan xilulosa xilulosa-5-fosfat fosfoketolase yang menghasilkan menghasilkan asetil fosfat. Asetil fosfat akan dirubah menjadi asetat dengan bantuan bant asetat kinasa. c. Fermentasi asam propionat Bakteri asam propionat menghasilkan asam propionat dari karbonat, lalu hasil lainnya ainnya asam asetat dan CO2 Contoh
bakteri
asam asa
propionat:
Propionibacterium,
C Clostridium,
propionicum, ionicum, Peptostreptococcus elsdeni. elsdeni d. Fermentasi asam butirat Bakteri asam butirat utirat antara lain CIostridium, Butyrivibrio, Eub ubacterium, Fusobacterium.. Selain asam butirat dihasilkan pula asetat, aseton. isopropanol, butanol utanol CO2 dan H2. e. Fermentasi asam campur butanediol −
Fermentasi asam campur dilakukan di oleh jenis : Jenis Enterobacterioceae, genus Escherichia, Salmonella dan Shigella. Hasilnya asam m laktat, asetat, suksinat dan formiat, CO2, H2 dan etanol.
−
Pada fermentasi butanediol, asam-asam organik yang dihasilkan sedikit, lebih banyak CO2, etanol dan rnenghasilkan senyawa khusus 2,3 butanediol. Bakteri yang berperanan: Enterobacter, Seratia dan Erwinia
f.
Fermentasi senyawa nitrogen organik, dibagi menjadi 3 macam : 1. Fermentasi asam amino tunggal 2. Fermentasi sepasang amino (reaksi stickland) 3. Fermentasi senyawa nitrogen heterosiklik Bakteri yang berperanan Clostridium. Contoh fermentasi glisin, treonin, glutamat, lisin dan sebagainya. Fermentasi senyawa N-heterosiklik dapat dilakukan oleh jenis bakteri Clostridium acidi-urici dan Cl. Cylindrosporum. Kedua bakteri ini memfermentasi guanin, hipoxantin, urat dan xantin.
Latihan soal. 1. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi fermentasi ! Jelaskan salah satu faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikrobia ! 2. Bedakan antara isolasi metoda crowded plate technique, auxonography dan enrichment culture ! 3. Beri
contoh
lima
macam
senyawa
unsur
yang
tergolong
dalam
makronutrien, mesonutrien dan mikronutrien ! 4. Jelaskan fungsi dan sumber nitrogen organik dan anorganik bagi pertumbuhan mikrobia ! 5. Mengapa dalam suatu fermentasi antibiotik perlu ditambah precursor !
