PRODUKSI β -GLUKAN DARI Saccharomyces cerevisiae DENGAN VARIASI SUMBER NITROGEN
WITA NURFAJARWATI
PROGRAM STUDI BIOKIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2006
ABSTRAK WITA NURFAJARWATI. Produksi β-Glukan dari Saccaromyces cerevisiae dengan Variasi Sumber Nitrogen. Dibimbing oleh I MADE ARTIKA, SUKMA NUSWANTARA, dan AHMAD THONTOWI. β-glukan merupakan polisakarida yang banyak terkandung dalam dinding sel khamir S. cerevisiae. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui sumber nitrogen alternatif untuk produksi β-glukan. S. cerevisiae diinokulasikan kedalam media fermentasi yang mengandung sumber nitrogen yang berbeda. Sumber nitrogen yang digunakan yaitu pepton 2%, asam glutamat 0,5%, urea 0,2%, dan diamonium hidrogen fosfat (DAHP) 0,02%. Fermentasi dilakukan pada fermentor air-lift skala 2 liter selama 84 jam dengan kondisi suhu 30°°C, pH 7, dan aerasi 1,5 vvm. Selama fermentasi dilakukan analisis pertumbuhan, ekstraksi β-glukan, analisis kadar glukosa dan kadar protein hidrolisat kultur. Produsi β-glukan seiring dengan laju pertumbuhan yang diikuti dengan penurunan kadar glukosa dan kadar protein hidrolisat kultur. Kadar β-glukan paling tinggi diperoleh pada kultur dengan sumber nitrogen pepton dan terendah pada kultur dengan sumber nitrogen asam glutamat. Hasil ekstraksi β-glukan pada akhir fermentasi yaitu sebesar 933,33 mg/L dan 633,33 mg/L berturut-turut untuk kultur dengan sumber nitrogen pepton dan asam glutamat. Kultur dengan sumber nitrogen urea dan DAHP memberikan hasil akhir yang sama yaitu sebesar 733,33 mg/L. Kadar β-glukan pada media dengan sumber nitrogen urea lebih tinggi dibanding media dengan sumber nitrogen asam glutamat dan DAHP. Dengan demikian, urea dapat dijadikan sumber nitrogen alternatif untuk produksi βglukan. Selain mudah diperoleh, urea juga lebih murah dari asam glutamat dan DAHP.
ABSTRACT WITA NURFAJARWATI. Production of β-Glucan from Saccharomyces cerevisiae with Nitrogen Sources Varia tion. Under the direction of I MADE ARTIKA, SUKMA NUSWANTARA, and AHMAD THONTOWI. β-Glucan is one of the most abundant polysaccharides in yeast Saccharomyces cerevisiae cell wall.The aim of this research is to explore an alternative nitrogen sources for β-Glucan production. S. cerevisiae were grown in fermentation medium with different nitrogen sources. Peptone 2%, glutamic acid 0,5%, urea 0,2%, and diammonium hydrogen phosphate (DAHP) 0,02% were used for nitrogen source in the medium. A 2 litre air-lift fermenter was used in the fermentation process for 84 hours (T = 300C, pH 7, and 1,5 vvm for the aeration). During the fermentation, optical density, extraction of β-glucan, glucose and protein in hydrolisate cultured were determined. β-glucan production level is similar with the growth rate of yeast and followed by decreasing glucose and protein content in hydrolisate cultured. The highest and lowest β-glucan content were obtained from peptone (933,33 mg/L) and glutamic acid (633,33 mg/L) as a nitrogen source in cells cultured after fermentation completed respectively. Yeast cells cultured with urea and DAHP as a nitrogen source give the same content of β-glucan about 733,33 mg/L β-glucan concentration produced in medium with urea was a higher than that produced using glutamic acid and DAHP as a nitrogen source. The result indicated that urea can be used as an alternative nitrogen source for the production of β-glucan. Urea is easily available and cheaper than glutamic acid and DAHP.
PRODUKSI β -GLUKAN DARI Saccharomyces cerevisiae DENGAN VARIASI SUMBER NITROGEN
WITA NURFAJARWATI
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi Biokimia
PROGRAM STUDI BIOKIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2006
Judul Skripsi Nama NIM
: Produksi β -Glukan dari Saccharomyces cerevisiae dengan Variasi Sumber Nitrogen. : Wita Nurfajarwati : G 44101032
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. I Made Artika, M.App.Sc. Ketua
Dr. Sukma Nuswantara, M.Phil. Anggota
Ahmad Thontowi, S.Si. Anggota
Diketahui Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M.S. NIP 131 473 999
Tanggal Lulus :
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bandung pada tanggal 13 Oktober 1984 dari pasangan Tarmawan Atmadiputra dan Dwi Mulyati sebagai anak pertama dari tiga bersaudara. Penulis lulus dari SMUN 1 Indihiang Tasikmalaya pada tahun 2001. Pada tahun yang sama penulis diterima pada program studi Biokimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum Kimia Fisik tahun ajaran 2004/2005 dan asisten praktikum Kimia TPB tahun ajaran 2005/2006. Penulis juga pernah mengikuti Praktik Kerja Lapang (PKL) di Laboratorium Biopolimer, Puslit Bioteknologi LIPI selama periode Juni sampai September 2004, dan menulis laporan ilmiah berjudul Penentuan Konsentrasi Letal Trimethoprim untuk Media Seleksi Agrobacterium Penghasil Beta Glukan.
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia serta keluasan ilmu-Nya penulis dapat menyelesaikan penulisan laporan penelitian yang dilaksanakan di Laboratorium Biopolimer dan Laboratorium Fermentasi Pusat Penelitian Bioteknologi LIPI, dari bulan Februari sampai September 2005. Penelitian ini berjudul Produksi â-Glukan dari Saccharomyces cerevisiae dengan Variasi Sumber Nitrogen. Penulis mengucapkan terima kasih dengan segenap hati yang tulus kepada Dr. I Made Artika, M.App.Sc., Dr. Sukma Nuswantara, M.Phil., Ahmad Thontowi, S.Si dan Dra. Kusmiati, MSi yang telah memberikan bantuan, bimbingan, dan saran selama penelitian hingga penulisan karya ilmiah ini. Tak lupa penulis ucapkan terima kasih yang sangat dalam kepada Ayah, Ibu, Ago, Ayu, dan Mas Rafi serta seluruh keluarga besar atas do’a, cinta, dan dukungannya. Terima kasih juga untuk Atick, Yenti, Goza, Dini, dan Iip atas bantuan dan kerjasamanya selama penelitian, serta kepada teman-teman Biokimia 38 atas semangat dan kebersamaannya. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat untuk kepentingan di bidang ilmu penget ahuan.
Bogor, Februari 2006
Wita Nurfajarwati
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR GAMBAR .......................................................................................
ix
DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................
ix
PENDAHULUAN ...........................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA â-Glukan................................................................................................. S. cerevisiae ............................................................................................ Fermentasi.............................................................................................. Sumber Nitrogen.................................................................................... Fermentor ...............................................................................................
1 2 2 2 3
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat....................................................................................... Metode ....................................................................................................
3 3
HASIL DAN PEMBAHASAN Morfologi Sel.......................................................................................... Proses Fermentasi................................................................................... Pertumbuhan S.cerevisiae....................................................................... Produksi â-glukan................................................................................... Analisis Kimia ........................................................................................
4 5 6 6 7
SIMPULAN DAN SARAN.............................................................................
8
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................
8
LAMPIRAN.....................................................................................................
10
DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Struktur primer makromolekul â-glukan ....................................................
2
2 Hasil pengamatan morfologi sel S.cerevisiae RN4 dengan perbesaran 1000x...........................................................................................................
4
3 Proses fermentasi pada fermentor air-lift skala 2 L....................................
5
4 Hasil pengukuran parameter fermentasi S. cerevisiae RN4 pada media dengan sumber N berbeda ...............................................................
5
5 Pola pertumbuhan S. cerevisiae RN4 pada media dengan sumber N berbeda ....................................................................................................
6
6 Kadar â-glukan hasil ekstraksi kultur S. cerevisiae RN4 pada media dengan sumber N berbeda ................................................................
7
7 Kadar glukosa kultur selama fermentasi S. cerevisiae RN4 pada media dengan sumber N berbeda ................................................................
7
8 Kadar protein kultur selama fermentasi S. cerevisiae RN4 pada media dengan sumber N berbeda ...............................................................
8
DAFTAR LAMPIRAN Halaman
1 Diagram alir penelitian ..............................................................................
11
2 Kurva pertumbuhan S. cerevisiae ..............................................................
11
3 Kurva standar protein ................................................................................
12
4 Kurva standar glukosa ...............................................................................
13
5 Hasil analisis media dengan sumber N pepton 2% ...................................
14
6 Hasil analisis media dengan sumber N asam glutamat 0,5% ....................
15
7 Hasil analisis media dengan sumber N urea 0,2% ....................................
16
8 Hasil analisis media dengan sumber N DAHP 0,02% ..............................
17
9 Bobot â-glukan hasil ekstraksi ..................................................................
17
PENDAHULUAN â-Glukan adalah polisakarida yang terdiri atas monomer glukosa yang dihubungkan oleh ikatan β-1,3 dan β -1,6 glukosida. Senyawa ini terbukti secara ilmiah sebagai biological defense modifier (BDM) dan termasuk kategori GRAS (Generally Recognized As Safe) menurut FDA, serta tidak memiliki toksisitas atau efek samping (Ber 1997). βglukan memiliki berbagai aktifitas biologis sebagai antitumor , antioksidan, antikolesterol, antipenuaandini, dan peningkat sistem imun (Kulickle et al. 1996; Lee et al. 2001). Selain itu, senyawa ini dapat juga dimanfaatkan sebagai zat aditif dalam industri makanan. Berbagai manfaat inilah yang mendorong adanya pene litian dan pengembangan aplikasi β-glukan serta peningkatan produksinya. â-Glukan dapat diproduksi oleh beberapa galur bakteri yang juga dapat diekstraksi dari sumber lain seperti khamir, tanaman gandum, dan jamur tertentu setelah proses fermentasi. Saccharomyces cerevisiae termasuk khamir uniseluler yang tersebar luas di alam dan merupakan galur potensial penghasil â-glukan karena sebagian besar dinding selnya tersusun atas â- glukan (Lee et al. 2001). Mikroba ini bersifat nonpatogenik dan nontoksik sehingga sejak dahulu banyak digunakan dalam berbagai proses fermentasi seperti pada pembuatan roti, asam laktat, dan alkohol (Lee 1992). Proses fermentasi memerlukan adanya kondisi yang aseptis serta media yang dapat menunjang pertumbuhan mikroba untuk menghasilkan produk. Fermentor merupakan bejana fermentasi aseptis yang dirancang untuk memberikan kondisi terbaik bagi pertumbuhan mikroba sehingga diperoleh produk yang diinginkan (Rachman 1989). Jenis fermentor juga dapat mempengaruhi produk fermentasi. Fermentor air -lift merupakan jenis fermentor yang banyak digunakan karena bersifat sederhana, memiliki transfer panas yang baik, dan memiliki efisisensi absorpsi gas yang tinggi (Bains 1998; Lee 1992). Berdasarkan penelitian Lee (2003), penggunaan fermentor buble-column (tanpa pengocokan mekanis seperti halnya fermentor air -lift) memberikan hasil produksi curdlan dengan laju produksi lebih rendah, tetapi produknya memiliki kualitas biopolimer dan karakteristik yang lebih baik dibanding menggunakan fermentor tangki diaduk. Hal lain yang mempengaruhi proses fermentasi yaitu media. Komponen media
harus memenuhi kebutuhan elemen dasar untuk pembentukan produk fermentasi dan penyedia energi untuk pertumbuhan sel (Smith 1990). Sumber nitrogen disamping sumber karbon merupakan komponen terpenting dalam media fermentasi (substrat) yang dibutuhkan untuk sintesis protein. Selain itu sumber nitrogen yang digunakan akan mempengaruhi proses fermentasi yang secara tidak langsung akan berpengaruh terhadap produk fermentasi (Rachman 1989). Formulasi media merupakan tahap yang penting dalam industri fermentasi. Sehingga, biaya pembuatan media merupakan faktor kritis bagi aspek ekonomi suatu proses fermentasi. Dalam industri fermentasi diperlukan substrat yang murah, mudah tersedia, dan efisien penggunaannya. Pepton merupakan sumber nitrogen yang sering digunakan dalam proses fermentasi termasuk pada produksi β-glukan. Namun, harganya yang relatif mahal untuk produksi skala idustri, maka diperlukan alternatif sumber nitrogen yang el bih murah dan lebih mudah tersedia. Produksi β-glukan pada penelitian ini menggunakan sumber nitrogen yang berbeda. Sumber nitrogen yang digunakan yaitu pepton, asam glutamat, urea dan diamonium hidrogen fosfat (DAHP). Hal ini bertujuan untuk mencari sumber nitrogen alternatif untuk memproduksi β-glukan. Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat menambah pengetahuan tentang sumber nitrogen selain pepton yang dapat digunakan untuk memproduksi β-glukan.
TINJAUAN PUSTAKA β -Glukan â-Glukan merupakan homopolimer glukosa yang diikat melalui ikatan â-(1,3) dan â-(1,6)-glukosida (Ha et al. 2002) dan banyak ditemukan dalam dinding sel beberapa bakteri, tumbuhan, dan khamir (Hunter et al. 2002). Senyawa ini juga merupakan simpanan polisakarida pada alga coklat, euglenoid, krisofita, dan beberapa jamur (Stasinopoules et al. 1999). â-Glukan terdiri atas polimer linear dengan konfigurasi â-D, memiliki derajat polimerisasi rata-rata 1500, panjang rata-rata 1500 residu yang dihubungkan melalui percabangan dengan â-(1,6)-glukan dan kitin (Zlatkoviæ et al 2003; Shahinian et al. 1998), serta memiliki massa molekul sebesar 240.000
