PROSIDING SEMINAR NASIONAL Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA Tanggal 14 Mei 2011, FMIPA UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA

Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 14 Mei 2011

PROSIDING SEMINAR NASIONAL Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA Tanggal 14 Mei 2011, FMIPA UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA

ISBN: 978-979-99314-5-0

Bidang: o Matematika dan Pendidikan Matematika o Fisika dan Pendidikan Fisika o Kimia dan Pendidikan Kimia o Biologi dan Pendidikan Biologi o Ilmu Pengetahuan Alam

Tema: Pemantapan Keprofesionalan Peneliti, Pendidik, dan Praktisi MIPA Untuk Mendukung Pembangunan Karakter Bangsa

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Yogyakarta Tahun 2011


PROSIDING SEMINAR NASIONAL Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA Tanggal 14 Mei 2011, FMIPA UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA

ISBN: 978-979-99314-5-0 Tim Editor: 1. Kismiantini, M.Si 2. Denny Darmawan, M.Sc 3. Erfan Priyambodo, M.Si 4. Agung Wijaya, M.Pd 5. Sabar Nurohman, M.Pd Tim Reviewer: 1. Dr. Agus Maman Abadi 2. Wipsar Sunu Brams Dwandaru, M.Sc, Ph.D 3. Dr. Endang Wijayanti 4. Dr. Heru Nurcahyo

Tema: Pemantapan Keprofesionalan Peneliti, Pendidik, dan Praktisi MIPA Untuk Mendukung Pembangunan Karakter Bangsa

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Yogyakarta Tahun 2011


Kata Pengantar Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya sehingga Prosiding Seminar Nasional MIPA Universitas Negeri Yogyakarta (UNY) 2011 ini dapat selesai disusun sesuai dengan tenggat waktu yang telah ditentukan oleh panitia. Seluruh makalah yang ada dalam prosiding ini merupakan kumpulan makalah yang telah lolos proses seleksi yang dilakukan tim reviewer dan telah disampaikan dalam kegiatan seminar nasional yang diselenggarakan pada tanggal 14 Mei 2011 di Fakultas MIPA UNY. Seminar Nasional MIPA UNY 2011 diselenggarakan bersamaan dengan peringatan Dies Natalis UNY ke-47 dengan tema “Pemantapan Keprofesionalan Peneliti, Pendidik dan Praktisi MIPA Untuk Mendukung Pembangunan Karakter Bangsa”. Dalam rangka mengangkat tema tersebut, Seminar Nasional MIPA UNY 2011 menampilkan makalah utama “Pendidikan Sains Dan Pengembangan Karakter Bangsa Untuk Merintis Jalan Menuju Hidup Bahagia” yang disampaikan oleh Drs. Amin Genda Padussa dari Jurusan Pendidikan Fisika Universitas Negeri Yogyakarta. Selain makalah utama yang mengangkat tema pengembangan karakter, dalam seminar ini juga disampaikan hasil kajian dan penelitian dalam bidang MIPA dan Pendidikan MIPA yang dilakukan oleh para peneliti di universitas dan lembaga penelitian yang ada di Indonesia. Makalah-makalah yang disampaikan terbagi atas empat bidang utama, yaitu: bidang matematika dan pendidikan matematika, bidang fisika dan pendidikan fisika, bidang kimia dan pendidikan kimia, serta bidang biologi dan pendidikan biologi. Semoga prosiding ini dapat ikut berperan dalam penyebaran hasil kajian dan penelitian di bidang MIPA dan pendidikan MIPA sehingga dapat diakses oleh khalayak yang lebih luas dan bermanfaat bagi pembangunan bangsa.

Yogyakarta, Mei 2011 Tim Editor

iii


Sambutan Ketua Panitia Assalamu’alaikum Wr. Wb. Alhamdulillahi robbil ‘alamin. Segala puji syukur kita panjatkan kehadirat Allah s.w.t., Tuhan yang Maha Esa, atas segala limpahan karunia-Nya kepada kita semua yang berupa kesehatan dan kesempatan untuk saling bertemu, bertukar ilmu, dan berdiskusi dalam kegiatan Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penelitian MIPA Tahun 2011 di FMIPA UNY. Kegiatan seminar tahunan ini merupakan salah satu dari agenda kegiatan Dies Natalis UNY yang ke-47. Panitia seminar mengundang dua pembicara utama, yakni Prof. Kamsul Abraha, Phd dari FMIPA UGM dan Drs. Amin Genda Padusa dari FMIPA UNY. Atas nama panitia, kami menghaturkan terima kasih kepada beliau berdua atas kesediannya menjadi pembicara utama. Seminar nasional kali ini diikuti oleh kalangan dosen, guru, peneliti, praktisi, dan pemerhati MIPA maupun pendidikan MIPA yang berasal dari berbagai provinsi di Indonesia. Di samping makalah utama, terdapat juga makalah-makalah yang disajikan pada sesi paralel yang terbagi menjadi sembilan bidang keahlian, yakni: Kimia, Pendidikan Kimia, Matematika, Pendidikan Matematika, Fisika, Pendidikan Fisika, Biologi, Pendidikan Biologi, dan Pendidikan IPA. Pada kesempatan ini, panitia menyampaikan rasa terima kasih yang tak terkira kepada Rektor Universitas Negeri Yogyakarta, Prof. Dr. Rochmat Wahab atas dukungannya serta Dekan FMIPA UNY, Dr. Ariswan, atas dorongan, dukungan, dan fasilitas yang disediakan. Selain itu, rasa terima kasih kami sampaikan pula kepada segenap sponsor yang ikut menyukseskan dan meramaikan kegiatan ilmiah ini. Tak lupa, sebagai ketua, saya memberikan penghargaan yang tinggi kepada seluruh anggota panitia serta para mahasiswa yang telah bekerja keras secara ikhlas demi kelancaraan pelaksanaan seminiar ini. Atas nama panitia, kami mohon maaf yang sebesar-besarnya bilamana dalam kami melayani masih terdapat hal-hal yang kurang berkenan, baik pada waktu pendaftaran, pelaksanaan, maupun pelayanan pasca seminar. Akhir kata, kami berharap semoga seminar ini memberikan sumbangan yang signifikan bagi kemajuan bangsa Indonesia, terutama dalam memajukan bidang MIPA beserta pendidikan MIPA. Selamat berseminar! Wassalamu’alaikum Wr. Wb. Ketua, Sugiman

iv


SAMBUTAN DEKAN PADA SEMINAR NASIONAL FMIPA UNY Pertama- tama marilah kita panjatkan puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan berbagai kenikmatan kepada kita sekalian. Salah satu nikmat yang sekarang kita rasakan adalah nikmat kesehatan sehingga kita dapat menyelenggarakan seminar nasional ini. Selanjutnya perkenankan saya menyampaikan penghargaan dan ucapan terima kasih kepada Ketua Panitia beserta seluruh jajaran kepanitiaan seminar nasional penelitian dan pendidikan MIPA yang telah mempersiapkan terselenggaranya seminar nasional ini. Hal ini sangat penting untuk saya sampaikan mengingat FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta (UNY) sedang bekerja keras untuk menggapai pengakuan publik sebagai fakultas yang berkualitas dalam melaksanakan sistem manajemen mutu menuju world class university (WCU). Kualitas di atas adalah kualitas yang berimbang dalam seluruh bidang Tri Darma Perguruan Tinggi, dengan tetap mengedepankan karakter mulia dalam melaksanakannya. Secara khusus perkenankan pula saya sampaikan terima kasih kepada senior kami Bapak. Drs. H. Amin Genda Padusa Dosen Jurdik. Fisika FMIPA UNY dan Prof. Kamsul Abraha, Ph.D dari Jurusan Fisika FMIPA UGM yang telah berkenan menjadi pembicara kunci pada seminar nasional ini. Seminar nasional dengan tema ”Pemantapan Keprofesionalan Peneliti, Pendidik dan Praktisi MIPA untuk Mendukung Pembangunan Karakter Bangsa” tentu saja akan bermanfaat bagi pengembangan ilmu matematika dan IPA pada masa yang akan datang. Pengembangan tersebut tentu saja baik ditinjau dari sisi materi, penelitian maupun teknologi pembelajarannya dan pembentukan karakter yang mencerminkan sifat- sifat pada ilmu ke-mipa-an itu sendiri. Kita telah paham bahwa pemahaman terhadap ilmu pengetahuan dan teknologi akan dicapai manakala pemahaman terhadap ilmu dasarnya sangat memadai. Dimulai dari persoalan mipa sederhana sampai pada aplikasi bidang Fisika, Kimia, matematika, dan Biologi dalam teknologi yang sesuai dan bahkan pada bidang Ekonomi sekalipun. Oleh karena itu penelitian Bidang MIPA dan teknik pembelajaranya perlu dilakukan terus menerus agar aplikasi pada bidang- bidang di atas dapat dipahami oleh pembelajarnya. Seminar nasional ini harus mampu mendorong para peneliti dan prakstisi pendidikan bidang Matematika dan IPA dapat meramu bidang ini, sehingga mudah dipahami oleh siswa di dalam kelas, mampu melakukan penelitian, dan mengimplementasikan terapannya pada teknologi yang sesuai. Akhirnya saya mengucapkan terima kasih atas partisipasinya dalam seminar yang diselenggarakan oleh FMIPA UNY ini dengan harapan semoga memberikan pencerahan bagi kita khususnya yang selalu telibat dalam penelitian, pembelajaran dan aplikasi bidang MIPA dalam kehidupan kita masing- masing. Dekan Dr. Ariswan NIP 19590914 1988031 003

v


DAFTAR ISI Kata Pengantar

iii

Sambutan Ketua Panitia

iv

Sambutan Dekan

v

Daftar Isi

vi

Makalah Utama

1

Makalah Sidang Paralel Bidang Biologi dan Pendidikan Biologi Tien Aminatun, Edhi Martono, Suratman Worosuprojo, S. Djalal Tandjung, dan Jane Memmott Pola Interaksi Serangga Herbivora-Gulma pada Ekosistem Sawah Surjan Organik dan Konvensional dalam Dua Musim Tanam

B-1

Anang Mustofa, Sodarsono, Budiwati, Ratnawati

B-12

Inventarisasi dan Peta Persebaran Kultivar Pisang di Kecamatan Gebang Kabupaten Purworejo Anjarwati

B-19

Anemia pada Ibu Hamil dan Upaya Pencegahannya Anna Rakhmawati

B-29

Potensi Kapang Termofilik Indigen Indonesia sebagai Penghasil Enzim Ekstraseluler Astuti, Zaenal Bachruddin, Supadmo, Eni Harmayani

B-40

Uji Ketahanan Bakteri Asam Laktat Streptococcus thermophylus AST 6 dari Saluran Pencernaan Ikan Terhadap Suhu dan pH yang Berbeda B-50

Betty Mayawatie Marzuki

Pengaruh Penambahan Ampas Tahu Pada Media Tumbuh Serbuk Gergaji Kayu Albasia Terhadap Pertumbuhan, Produksi dan Kadar Protein Jamur Tiram Putih (Pleurotus ostreatus [Jacq. Ex. Fr.] Kummer) Charis Amarantini

B-57

Identifikasi Unit Karakter untuk Penanda Selektif Anggota Famili Enterobacteriaceae dengan Menggunakan Pendekatan Analisis Sistematik Numerik Edidwiatmaja

B-63

Keanekaragaman Burung di Desa Purwodadi, Tepus, Gunungkidul, Yogyakarta

vi


Endang Setyaningsih

B-69

Kadar Hemoglobin Tikus Putih (Rattus norvegicus L.) Jantan Strain Wistar yang Terdedah Asap Rokok Filter dan Non Filter Evy Yulianti

B-78

Peran Lain Mitokondria : Mitokondria Sebagai Signaling Organelle B-87

IGP Suryadarma

Belajar Karakter Melalui Interpretasi Fenomena Alam Ir. Daru Retnowati, M.Si

B-97

Diseminasi Informasi Budidaya Baby Corn sebagai Implementasi Ilmu Pertanian untuk Memotivasi Petani dalam Beragribisnis Katemin, M. Martosupono, dan F. S. Rondonuwu Pentingnya Pendidikan Pencegahan Malaria Pada Anak Sekolah di Daerah Pantai di Kabupaten Mimika Papua

B-103

Katemin, M. Martosupono, dan F. S. Rondonuwu

B-107

Pengendalian Malaria dari Masa ke Masa di Papua Shaim Basyari, Zainul Arifin, Tollaal Badru, Nizzar Fachry P, Anita Widyatyastuti Karakteristik Tempat Bertelur Penyu Hijau (Chelonia mydas) Di Taman Wisata Alam Laut Pulau Sangalaki Kalimantan Timur

B-112

Suhardi Djojoatmodjo dan Dhira Satwika Studi Kinetik dan Model Matematis untuk Strain Pembunuh dan Strain Sensitif Saccharomyces cerevisiae yang Berkembang di dalam Kultur Campuran

B-120

Sutiyono dan Marfuah Wardani

B-128

Teknik Budidaya Bambu Mayan (Gigantochloa robusta, Kurz.) B-138

Tri Harjana

Kajian Tentang Potensi Bahan-Bahan Alami untuk Menurunkan Kadar Kolesterol Darah Tri Yahya Budiarso dan Laura Agnest Gultom

B-141

Tingkat Cemaran Coliform, Escherichia coli dan Escherichia coli O157 pada Susu Sapi Mentah dan Lingkungan Peternakan di Wilayah Kabupaten Sleman Daerah Istimewa Yogyakarta Utami Sri Hastuti, Jose Conceicao, Maria Angelina Koban

B-148

Mikoflora Kontaminan pada Kacang Tunggak (Vigna unguiculata) yang dijual di Beberapa Pasar Kota Malang dan Surabaya Ana Ratna Wulan Menggali Potensi Asesmen Kinerja dalam Pembelajaran Biologi untuk Mengembangkan Karakter Siswa vii

B-155


B-164

Baiq Fatmawati, Nuryani Y. Rustaman, I.N.P.Aryantha, Sri Redjeki

Praktikum Berbasis Proyek untuk Meningkatkan Berpikir Kreatif Mahasiswa pada Mata Kuliah Mikrobiologi Endang Setyaningsih

B-177

Pendekatan Model Pembelajaran Biologi Kontemporer dengan Multi Media dan Multi Metode (Sinergi Kebermaknaan Materi dengan Pengalaman dan Rasa Keingintahuan Siswa) Fransisca Sudargo-Tapilouw

B-185

Kemampuan Pedagogi Calon Guru Biologi dalam Melaksanakan Pembelajaran Berbasis Masalah untuk Meningkatkan Kemampuan Berpikir Kritis Hariyatmi

B-194

Penerapan Strategi RGRP pada Sistem Pernapasan Manusia untuk Meningkatkan Hasil Belajar Siswa Ida Ayu Sayogyani Peningkatan Aktivitas Belajar dalam Pembelajaran IPA melalui Pemberian Tugas Kelompok Di SMP Negeri 5 Wates

B-204

Murni Saptasari

B-210

Kegiatan Pembelajaran Taksonomi Tumbuhan Sebagai Mengembangkan Pendidikan Karakter di Perguruan Tinggi

Sarana

untuk B-215

Saiful Ridlo

Pengembangan Tes Pengetahuan Praktikum Biologi Berdasarkan Model Graded Response dan Generalized Partial Credit Slamet Suyanto Hasil Implementasi Pendidikan Karakter di Amerika Serikat: Meta-Analisis Studi

B-224

Suciati Sudarisman

B-236

Analisis Mutu Pembelajaran Biologi Melalui Studi Komparasi Kurikulum di Beberapa Negara (Studi Komparasi Kurikulum Biologi SMA KTSP dan A Level Cambridge Curriculum) Victoria Henuhili, Yuliati, Tutiek Rahayu, Latifah Nurkhasanah

B-242

Pola Pewarisan Penyakit Hipertensi dalam Keluarga sebagai Sumber Belajar Genetika Yuni Wibowo dan Paidi

B-248

Peningkatan Kolegialitas dan Kerjasama Dosen Biologi Umum Melalui Kegiatan Lesson Study Lilih Khotim Perwati, Erry Wiryani, Murningsih

Populasi Plasma Nutfah Zingiberaceae di Kabupaten Sentra Utama Tanaman Obat Jawa Tengah viii

B-256

Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 14 Mei 2011

STUDI KINETIK DAN MODEL MATEMATIS UNTUK STRAIN PEMBUNUH DAN STRAIN SENSITIF Saccharomyces cerevisiae YANG BERKEMBANG DI DALAM KULTUR CAMPURAN Suhardi Djojoatmodjo* dan Dhira Satwika Program Studi Biologi, Fakultas Bioteknologi Universitas Kristen Duta Wacana, Jalan dr. Wahidin Sudirohusodo 5-19 Yogyakarta. 55224. Abstrak Penelitian ini menyajikan studi kinetik dari dua khamir yang tumbuh didalam kultur murni dan campuran. Strain yang digunakan untuk membuat anggur dalam penelitian ini yaitu S. cerevisiae K1 yang memiliki karakter pembunuh K2 dan S.cerevisiae 522D yang sensitif terhadap pembunuh toksin K2. Pada awalnya pertumbuhan kinetik kedua strain dianalisis di dalam kultur murni. Dalam hal ini, profil produksi biomasa menunjukkan bahwa tingkat pertumbuhan strain K1 biomasa sedikit superior daripada strain 522D. Selama fermentasi vialibilitas kedua populasi tersebut lebih tinggi dari 90. Fermentasi di dalam kultur campuran dengan persentase awal strain pembunuh sebesar 5% dan 10%. Hasil yang lebih penting menunjukkan bahwa penurunan persentase vialibilitas total khamir ketika konsentrasi awal khamir pembunuh meningkat naik. Akan tetapi, profil kinetik dari biomasa khamir pembunuh dan khamir sensitif sangat mirip untuk kedua fermentasi. Model matematik diusulkan untuk simulasi pertumbuhan mikrobia dari strain pembunuh dan strain sensitif yang berkembang di dalam kultur murni dan kultur campuran. Model matematis ini terdiri atas tiga reaksi utama, yaitu evolusi dari toksin pembunuh di dalam medium kultur, duplikasi dan tingkat kematian untuk setiap populasi mikrobia. Hasil dari simulasi ini berkesesuaian dengan data percobaan di laboratorium. Kata-kata kunci: Studi kinetik, model matematis, S. cerevisiae

PENDAHULUAN Suatu fenomena awal yang dikaji oleh Bevan dan Makover pada tahun 1963 terhadap strains of Saccharomyces cerevisiae [1] yaitu : Ada beberapa strains khamir disebut pembunuh secrete di dalam medium pertumbuhan, dan toksin-toksin alami proteinaceous atau faktor pembunuh yang mematikan strain-strain khamir lainnya yang disebut sensitif. Genus lainnya yang aktif sebagai pembunuh yaitu : Pichia, Candida, Hansenula, Kluyveromyces, Debaryomyces dan Cryptococcus [2, 3, 4]. Akan tetapi sifat pembunuh ini paling banyak dijumpai pada strain S. cerevisiae. Sistem pembunuh pada S. cerevisiae dikontrol oleh dua plasmid double-stranded (dbRNA) yang memuat genome L dan M. Kedua plasmid ini secara cytoplasma diwarisi dan encapsulated dalam virus seperti partikel-partikel (VLPs). Secara umum, pembunuh protein dapat diklasifikasikan dalam 11 tipe. Klasifikasi ini didasarkan pada ukuran molekul M db-ARN, dalam spektrum aktifitas toksin pada khamir sensitif, sebaik yang dilakukan terhadap interaksi yang diamati dengan strain-strain pembunuh lainnya. Lima tipe toksin yang telah dibedakan di dalam strain-strain S. cerevisiae, yaitu : K1, K2, K3, KT28 dan K3GR1 [5]. Proses perilaku pembunuh protein pada khamir sensitif telah dikaji secara luas untuk sistem pembunuh K1. Akan tetapi, Hutchins dan Bussey telah melaporkan bahwa toksin K2 mewakili mekanisme yang serupa [6]. Proses perilaku toksin pembunuh telah dikaji melalui sekuen dari dua reaksi. Pertama, toksin diserap oleh glucan dari dinding sel. Kemudian, toksin dibatasi sel kedua yang peka terhadap rangsangan yang ditempatkan pada membran sel, dan hasilnya adalah pelepasan ion-ion K+, ATP dan metabolit-metabolit lainnya, dan gradien pH membran selular dihilangkan. Kejadian ini dimaksudkan untuk mengarahkan matinya sel-sel khamir sensitif. Pengaruh toksik dari pembunuh protein pada sel-sel sensitif bergantung pada besar dan jumlah protein dan sel-sel sensitif yang terlibat dalam reaksi, dan juga pada sensitifitas strain. Palfree dan Bussey melaporkan bahwa diperlukan 6000 molekul toksin K1 untuk membunuh sel sensitif of S. cerevisiae S6, sementara itu terhadap kondisi yang sama untuk hasil yang sama pada S. cerevisiae S14, diperlukan 28 000 B-120

Suhardi Djojoatmodjo/Studi Kinetik dan Model….

molekul toksin yang sama [7]. Fenomena ``pembunuh '' ini penting pada beberapa industri yang memproses fermentasi alkohol yang sering menggunakan media tidak steril yang mana strainstrain wild khamir ini kemungkinan ikut bereaksi di dalamnya. Beberapa strain yang memiliki sifat pembunuh ini mempengaruhi proses fermentasi (perubahan keseimbangan populasi) dan dalam beberapa kasus menyebabkan perubahan-perubahan pada hasil akhir [8]. Meskipun ada hal penting yang dapat diambil dari fenomena pembunuh ini dalam proses komersial, namun kebanyakan dipublikasikannya sebagai aspek hasil kerja genetik dan biokimia untuk mengekspresikan toksin pembunuh. Sangat sedikit artikel-artikel yang memperkarakan fenomena ini selama melibatkan kultur campuran antara strain pembunuh dan sensitif. Oleh karena belum pernah diperoleh model matematik sebarang untuk simulasi pertumbuhan dua strain khamir (pembunuh dan ensitif berkaitan dengan pemodelan kultur campuran khamir dan terlebih khususnya pengaruh pembunuh, maka penelitian ini memfokuskan pada pengembangan model matematik termasud di atas. Untuk keperluan kajian ini dipilih strain-strain komersial yang biasa digunakan untuk pembuatan anggur. Hessian diestimasi oleh resolusi dari persamaan-persamaan sensitifitas. Lebih daripada itu, analisis komponen utama diterapkan pada setiap iterasi dari metode Gauss Newton untuk memeriksa konsistensi permasalahan.estimasi tries to give the best values of the constants involved in those non linear functions. Penelusuran langsung dapat dieliminasi jika kontribusi parameter evolusi terhadap turunnya fungsi tujuan tidak cukup sensitif. Dengan fakta ini, maka diagnosis kelayakan hukum kinetik dapat dilakukan secara otomatis, sedangkan pgrogam yang digunakan adalah FORTRAN 77. PEMBAHASAN Kinetika Fermentasi. Kultur murni, sebelum mengkaji dinamika pertumbuhan khamir pembunuh dan khamir sensitif pada kultur campuran, maka kinetiknya dianalisis dalam kultur murni. Kapasitas melakukan fermentasi telah dibandingkan terhadap biomasa dan profil viabilitas dari fermentasi. Hasil yang diperoleh untuk dua fermentasi ditunjukkan dalam Gambar 1. Tingkat produksi biomasa serupa pada awal fermentasi, akan tetapi setelah 13 jam inkubasi, tampak bahwa konsentrasi strain seluler K1 lebih tinggi. Perbedaan ini meningkat pada akhir fermentasi. Konsentrasi khamir akhir adalah 145 juta sel/ml untuk strain pembunuh dan 110 juta sel/ml untuk strain sensitif. Proporsi viabilitas khamirs selama fermentasi lebih tinggi dari 90% untuk kedua kultur. Gambar. 1. Populasi dan viabilitas dari S. cerevisiae 522D dan K1 selama fermentasi dalam kultur murni

Kultur campuran. Dua kultur campuran direalisasikan pada kondisi percobaan yang sama seperti halnya kultur murni. The awal Persentase awal pada khamir pembunuh sebesar 5% dan 10% terhadap populasi total.

B-121


Gambar 2 menunjukkan evolusi dari persentase viabilitas khamir, populasi total dan persentase khamir sensitif selama kedua fermentasi. Profil viabilitas kultur campuran adalah turun pada viabilitas populasi setelah 7 jam pertama. Penurunan ini memberikan makna yang lebih penting ketika kultur campuran diinokulasi dengan 10 % strain pembunuh. Viabilitas turun se-besar 62 % untuk persentase awal pada strain pembunuh 10 % dan 80 % untuk persentase awal pada strain pembunuh 5 %. Sebaliknya, dua strain ini pada these two in kultur murni menunjukkan bahwa viabilitasnya lebih tinggi daripada 90 %. Hasil-hasil ini mensahkan untuk memisalkan bahwa pada kultur campuran, reduksi keseluruhan daripada viabilitas populasi dihasilkan dari kematian. Kematian ini didorong oleh toksin yang dihasilkan strain pembunuh [14]. Untuk kultur campuran, profil biomasa total (khamir pembunuh dan khamir sensitif ) sangat mirip untuk kedua fermentasi. Gambar 2 juga menunjukkan evolusi dari persentase viabilitas khamir sensitif selama fermentasi. Hal ini penting untuk diingat bahwa metode pengukuran persentase khamir pembunuh hanya memberikan hasil viabilitas sel. Pada proporsi khamir pembunuh sebesar 5 %, maka pengaruhnya sangat kecil pada pertumbuhan populasi sensitif.

Gambar 2. Populasi total, viabilitas dan proporsi relative S. cerevisiae 522D dan K1 selama fermentasi pada kultur campuran Terhadap kondisi ini, strain pembunuh berkembang tetapi proporsinya pada medium adalah dan proporsinya tidak lebih dari 8 % pada akhir fermentasi. Akan tetapi untuk 10 % proporsi awal pada strain pembunuh, maka persentase dari populasi sensitif turun drastis turun sampai sebesar 43 % pada akhir fermentasi. Hasil-hasil ini mengkonfirmasi bahwa penyemaian pembunuh populasi dalam kultur campuran mengakibatkan kematian of the populasi sensitif. Meskipun demikian, penipisan pada glukose setelah 25 jam tidak memenuhi untuk mencapai perpindahan total dari populasi sensitif. Dengan mengetahui proporsi setiap strain pada viabilitas populasi, maka profil-profil viabilitas populasi untuk setiap strain dihitung dengan menggunakan relasi berikut: Viabilitas khamir sensitif, dinotasikan dengan relasi : Xvs = (Xt)(Viabilitas)(Ratio strain Sensitif) ... (1), di mana Xt = populasi total. Viabilitas khamir pembunuh dinotasikan dengan relasi : (Xvk) = (Xt)(Viabilitas Rasio strain pembunuh) ... (2); hanya saja kemiripan morfologi kedua strain tidak memungkinkan melakukan estimasi terhadap konsentrasi dari setiap sel mati. Dalam hal ini hanya dimungkinkan mengestimasi konsentrasi kematian khamir total yaitu sebagai berikut : khamir mati total dinotasikan dengan (Xmt) = (Xt)(1-Viabilitas) ... (3). Model Kinetik. Rumus matematika untuk reaksi yang berbeda secara biologis bertujuan untuk simulasi pertumbuhan strain sensitif dan strain pembunuh pada kultur campuran. Meskipun pertumbuhan mikrobia merupakan fenomena yang sangat komplek, maka dalam hal ini pertumbuhan itu sendiri secara keseluruhan dapat diperhatikan sebagai hasil dari tiga reaksi yaitu : akumulasi toksin pembunuh dalam medium, pertumbuhan strain dan kematian strain. Selanjutnya tiga reaksi ini dianalisis sebagai berikut: (a) Evolusi konsentrasi toksin pembunuh. Toksin yang dihasilkan oleh strain pembunuh ditetapkan oleh populasi sensitif. Selama fermentasi diperoleh bahwa : evolusi toksin pembunuh merupakan selisih antara tingkat produksi dengan tingkat konsumsi atau dT/dt = rTP + rTC ... (4). Tingkat produksi toksin (rTP) berdasarkan viabilitas populasi pembunuh disajikan sebagai persamaa Luedeking dan Piret yaitu rTP = αrgk + βXvk ... (5), di mana rgk = tingkat pertumbuhan strain pembunuh, Xvk = konsentrasi viabilitas khamir pembunuh dan α, β = konstanta. Tingkat konsumsi protein pembunuh (rTC) tidak dimunculkan dalam medium. Penetapan molekul toksin pada diding pertama memerlukan kontak fisik antara reseptor dan toksin, dan hanya viabilitas sel (Xvs) yang dapat menentukan protein. Alasan ini dapat diterjemahkan ke dalam reaksi di dalam bentuk sebagai berikut: Xv + T → Xm, di B-122


mana Xm : konsentrasi khamir mati. Oleh karena itu dapat dimisalkan bahwa tingkat ketakmunculan toksin merupakan proporsional dari viabilitas sel dan konsentrasi toksin yang dinyatakan sebagai rTC = - WTXvs ... (6), di mana Xvs = konsentrasi pada viabilitas khamir sensitif, W = tingkat konstanta orde pertama. Selanjutnya evolusi konsentrasi pada protein pembunuh dalam medium kultur dapat diperoleh dari persamaan (5) dan (6) yaitu : dT/dt = αrgk + βXvk WTXvs ... (7). (b) Kematian Mikrobia. Untuk populasi sensitif dalam kultur murni (lihat Gab. 1) mempunyai persentase rendah, di sini jelas bahwa kematian mikrobia tersebut tidak dihubungkan terhadap toksin karena tidak tersaji dalam medium kultur. Kemungkinannya di sini khamir telah melakukan secara total pada siklus vitalnya terhadap (kelahiran, pertumbuhan, ... akhirnya mati). Kemudian untuk menjelaskan keberadaan khamir mati ini pada kultur murni, maka perlu diperkenalkan onsep kematian alami, untuk itu Suskovic [16] menyatakan bahwa kematian mikrobia selama fermentasi semata-mata bergantung pada konsentrasi total dalam viabilitas sel dan dinyatakan sebagai rmn = µdXv ... (8), di mana µd = tingkat spesifik kematian alami, dan Xv = konsentrasi viabilitas biomasa. Konsep berikut ini mengenai tingkat akumulasi khamir mati sensitif dalam kultur campuran yang menghasilkan dua fenomena yaitu : (evolusi teast mati) = (tingkat kematian alami) + (kematian disebabkan toksin pembunuh) atau rms = rmn + rmp ... (9). Kematian yang disebabkan oleh toksin pembunuh. Kemunculan khamir mati sensitif dipengaruhi oleh rangsangan toksin pembunuh yang merupakan gabungan kuantitas tertentu dari molekul protein pada dinding seluler [7, 17, 18]. Tingkat kematian khamir sensitif yang disebabkan oleh protein pembunuh dimisalkan proporsional terhadap tingkat konsumsi toksin, dan dinyatakan sebagai rmp ∝ (rTC) ... (10). Dengan memperkenalkan rTC, Persamaan (6) dan rmp maka diperoleh rmp = KXvsT ... (11). Dengan demikian tingkat akumulasi total populasi khamir mati dapat dirumuskan sebagai rms = µdXvs + KXvsT ... (12), dan populasi pembunuh semata-mata diberikan oleh tingkat kematian alami yaitu rmk = µdkXvk ... (13). Dan evolusi khamir mati total pada fermentor diberikan sebagai jumlah tingkat kematian untuk strain pembunuh dan strain sensitif atau [dXmt] / dt = µdsXvs + KXvsT + µdkXvk ... (14). (c) Evolusi konsentrasi viabilitas biomasa. Evolusi konsentrasi dari viabilitas khamir dalam medium kultur dapat dinyatakan sebagai selisih antara pertumbuhan dan tingkat matinya, yaitu : (evolusi viabilitas khamir) = (tingkat pertumbuhan) – (tingkat kematian) atau [dXv] / dt = rg – rm ... (15). Tentu saja, pertumbuhan S. cerevisiae mengikuti profil sigmodial dan terdapat batas maksium konsentrasi biomasa yang dapat dicapai. Untuk tujuan menjelaskan pertumbuhan kinetik digunakan persamaan logistik [19] yaitu : rg = µmaks Xv [1 - AI] ... (16), di mana A = konstanta dan I = kosentrasi penghambat intrinsik. Untuk kultur murni, persamaan logistik menetapkan bahwa tingkak produksi dari penghambat intrinsik merupakan proporsional langsung terhadap pertumbuhan mikrobia. Penghambatan ini secara lengkap beda dari fenomena pembunuh atau (Penghambat tingkat produksi) ∝ (Tingkat pertumbuhan) dinotasikan sebagai rI = a [µmaks Xv [1 - AI]] ... (17). Untuk kultur campuran dari S. cerevisiae 522D (sensitif) dan K1 (pembunuh), kedua strain ini milik spesies sama, dan keduanya dapat dimisalkan dipengaruhi oleh penghambat intrinsik yang sama. Dalam hal ini, persamaan logistik memperhatikan tingkat produksi dari penghambat intrinsik (I) menjadi proporsional terhadap tingkat pertumbuhan pada populasi total (strain sensitif dengan pembunuh) yaitu : rI = a(rgs + rgs), oleh karena itu dI/dt = a{µmaksXvs[1 – AsI] + µmaksXvk[1 – AkI]} ... (18). Pada akhirnya ekspresi matematika yang ditetapkan untuk menjelaskan viabilitas akumulasi khamir untuk setiap strain dalam kultur campuran adalah sebagai berikut: (i) untuk strain pembunuh yaitu [dXvk]/dt = µmaksXvk[1 – AkI] - µdkXvk ... (19); (ii) untuk strain sensitif yaitu [dXvs]/dt = µmaksXvs[1 – AsI] – (µdsXvs + KXvsT) ... (20);

B-123


Gambar 3 meringkaskan perbedaan reaksi yang melibatkan tujuan mekanisme simulasi pertumbuhan pada kultur campuran dari khamir sensitif dan khamir pembunuh. Model simulasi dan validasi. Identifikasi parameter-parameter yang terlibat dalam ekspresi matematis yang berbeda memerlukan penyesesuaian sistem persamaan dari data percobaan yang tersedia. available experimental data, sehingga dilakukan modifikasi persamaan seperti rgk dan rgs pada persamaan (7) dan (18) yang tidak memuat koefisien taknol. Oleh karena itu sistem persamaan ditransformasikan secara matematik sebagai berikut:

Gambar 3. Ilustrasi diagram perbedaan reaksi antara khamir sensitif dan khamir pembunuh pada kultur campuran. [d(I/a)]/dt = [µmaksXvs(I - A*s (I/a))] + [µmaksXvk(I - A*k (I/a))] ... (21). Selanjutnya [d(T/α)]/dt = [µmaksXvk[I – AkI] + (β/α)Xvk] – WXvs(T/α) ... (22). Dan dapat diuraikan lagi sebagai [dXvs]/dt = µmaksXvs[1 – A*s (I/a)] – (µdsXvs + K*Xvs(T/α)) ... (23); kemudian [dXvk]/dt = µmaksXvk [1 – A*k(I/a)] - µdkXvk ... (24); akhirnya diperoleh [dXmt]/dt = µdsXvs + K*Xvs(T/α) + µdkXvk ... (25), di mana K* = Kα, A*s = Asa dan A*k = Aka. Sistem persamaan ini, persamaan (21) sampai dengan persamaan (25), dan data percobaan yang diperoleh dari empat fermentasi (dua kultur campuran dan dua kultur murni) diakses dengan software identifikasi parameter dalam FORTRAN [13]. Tabel 1 menyajikan nilai numerik dari parameterTabel 1. parameter yng muncul dalam persamaan (21) sampai A*k = 0,647 ml/sel µmaks = 0,259/jam -10 dengan persamaan (25). Nilai yang berkaitan dengan µmaks = 0,279/jam β/α = 2,6 × 10 /jam * K = 5,272 ml/sel.jam tingkat pertumbuhan spesifik untuk strain pembunuh µds = 0,015/jam W = 5,525 ml/sel.jam lebih tinggi daripada strain sensitif (µmaks = 0, µdk = 0,011/jam 279/jam dan µmaks = 0, 259/jam. Perbedaan ini hasil * A s = 0,768 ml/sel pengamatan pada profil pertumbuhan dalam kultur murni. Nilai-nilai dari dua parameter yang ditranslasikan pada tingkat kematian alami (µdk = 0,011/jam dan µds = 0,015/jam) untuk kedua strain adalah sama. Dilain fihak dapat diamati bahwa rasio b/a menuju 0 yang berarti bahwa nilai a lebih besar daripada nilai b. Pengamatan ini menyarankan bahwa produksi berkaitan dengan pertumbuhan mikrobia. Peningkatan aktivitas pembunuh pada medium kultur berkaitan dengan perkembangan seluler telah dikaji oleh Ramon [14]. Parameter K* menunjukkan tingkat kematian yang disebabkan oleh toksin pembunuh dan W merupakan simbol konsumsi protein pembunuh oleh viabilitas populasi sensitif. Nilai numerik yang diperoleh untuk dua parameter tidak sama dengan 0 (K* = 5,272 ml/sel.jam dan W = 5,525 ml/sel.jam), hasil menunjukkan pentingnya kedua reaksi pada mekanisme yang dilakukan. Dengan menyimak kembali niai-nilai parameter yang teridentifikasi dalam persamaan (21) sampai dengan persamaan (25) dimungkinkan untuk melakukan simulasi pertumbuhan mikrobia dan perilaku khamir mati.

B-124


Gambar 4. Perbandingan antara nilai percobaan dengan yang dihitung dengan model pertumbuhan strain sensitif pada kultur murni

Gambar 5. Perbandingan antara nilai percobaan dengan yang dihitung dengan model pertumbuhan strain pembunuh pada kultur murni

Gambar 6. Perbandingan antara nilai percobaan dengan yang dihitung melalui model pertumbuhan strain sensitif dan pembunuh pada kultur campuran untuk konsentrasi awal khamir pembunuh 5%

Gambar. 7. Perbandingan antara nilai percobaan dengan yang dihitung melalui model pertumbuhan strain sensitif dan pembunuh pada kultur campuran untuk konsentrasi awal khamir pembunuh 10%

Gambar 4 sampai dengan Gambar 7 membandingkan model prediksi dengan data percobaan. Dapat dilihat bahwa model matematik yang dikembangkan di sini mampu menghasilkan kembali data percobaan. Akan tetapi untuk kultur campuran, model tersebut tidak memenuhi untuk fase adaptasi pada pengamatan 7 jam pertama fermentasi. Selama fase ini, pengaruh toksin belum efektif dan strain sensitif berproduksi kembali tanpa adanya hambatan yang muncul. KESIMPULAN Proporsi 10% dari strain pembunuh pada awal kultur campuran dilakukan (25°C dan pH awal 4,5) cukup untuk menumbuhkan strain khamir yang sensitif. Akan tetapi, dengan konsentrasi awal strain pembunuh 5%, pertumbuhan khamir sensitif hanya sedikit berproses. Dalam hal ini, khamir pembunuh tidak dapat muncul untuk menghalangi khamir sensitif. Hasil ini juga telah disampaikan oleh Tredoux [20]. Para peneliti lain juga telah mengamati bahwa konsentrasi awal 2,5% strain pembunuh S. erevisiae terhadap kondisi micro-vinification tidak berpengaruh terhadap pengembangan khamir sensitif dari spesies yang sama. Sedangkan untuk model matematikanya, dua pengamatan dapat dilakukan yaitu: Pertama, untuk strain sensitif dan strain pembunuh dalam kultur murni maka model tersebut sangat cocok dengan data percobaan yang ada. Kedua, untuk strain sensitif dan strain pembunuh dalam kultur campuran, teramati bahwa adanya kesesuaian yang layak antara model dan pertumbuhan serta profil tingkat kematian, kecuali untuk tujuh jam pertama inkubasi. Meskipun demikian, adanya sedikit divergensi ini menyatakan bahwa aplikasi persamaan logistik untuk kultur campuran layak diakses untuk simulasi interaksi pembunuh, hal mana apa yang muncul ini belum dilakukan sebelumnya. Model yang ditawarkan untuk kultur campuran ini dapat diperluas untuk sistem mikrobia lainnya yang memperkarakan interaksiinteraksi tipe amensalism. B-125


DAFTAR PUSTAKA [1] Bevan, E.A.; Makover, M.: The physiological basis of the killer character in yeasts. Genetics today, XIth Int. Congr. Genet., Geerts, S. G. Editor, Pergamon Press. Oxford. 1 (1963) 202-203. [2] Philliskirk, G.; Young, T.W.: The occurrence of killer character in yeast of various genera. Ant. van Leeuwenhoek. 41 (1975) 147-151. [3] Rosini, G.: The occurrence of killer characters in yeasts. Can. J. Microbiol. 29 (1983) 14621464. [4] Stumm, C.; Hermans, J.M.; Middeelbeek, E.J.; Croes, A.F.; De Vries, G.J.M.L.: Killersensitive relationship in yeast from natural habitats. Ant. van Leeuwanhoek. 43 (1977) 125128 [5] van Vuuren, H.J.J.; et Wingfield, B.D.: Killer yeast-cause of stuck fermentations in a wine cellar. S. Afr. J. Enol. Vitic. 7 (1986) 113-118 [6] Hutchins, K.; Bussey, H.: Cell wall receptor for yeats killer toxin: involvement of (1-6)-b-Dglucan. J. Bacteriol. 154 (1983) 161-169 [7] Palfree, R.G.E.; Bussey, H.: Yeast killer toxin: purification and characterization of the protein toxin from Saccharomyces cerevisiae. Eur. J. Biochem. 93 (1979) 487-493 [8] van Vuuren, H.J.J.; Jacobs, C.J.: Killer yeast in the wine industry: A review. Am. J. Enol. Vitic. 43 (1992) 119-128 [9] Strehaiano, P.: PheÂnomeÁnes d'inhibition et fermentation alcoolique. Ph. D. thesis (1984) l'Institut National Polytechnique de Toulouse, France [10] MacDonald, V.J.: Direct microscopic technique to detect viable cells in pasteurized orange drink. Food Sci. 28 (1963) 135-139 [11] Woods, D.R.; Bevan, E.A.: Studies on the nature of the killer factor produced by Saccharomyces cerevisiae. J. Gen. Microbiol. 51 (1968) 115-126 [12] Miller, G.L.: Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar. Anal. Chem. 31 (1959) 426-428 [13] Carrillo-Leroux, G.A.: StrateÂgie d'identification de modeÁles alge Âbro-diffeÂrentiels. Application aux systeÁmes reÂactionnels complexes. Ph. thesis (1995) l'Institut National Polytechnique de Toulouse, France [14] Ramon-Portugal, F.; DeÂlia-Dupuy, M.L.; Schneider, G.; Strehaiano, P.: Yeast killer activity: a quantitative study. Biotechnol. Techniques. 8 (1994) 797-804 [15] Luedeking, R.; Piret, E.L.: J. Biochem. Microb. Technol. Eng. 1 (1959) 393-402 [16] Suskovic, J.; Beluhan, S.; Beluhan, D.; Kurtanjek, Z.: Mathematical model and estimation of kinetic parameters for production of lactic acid by Lactobacillus delbrueckii. Chem. Biochem. Eng. 6 (1992) 127-132 [17] Sawant, A.D.; Abdelal, A.T.; Ahearn, D.G.: Anti-Candida albicans activity of Pichia anomala as determined by a growth rate reduction assay. Appl. Environ. Microbiol. 54 (1988) 1099±1103 B-126


[18] Sugisaki, Y.; Gunge, N.; Sakaguchi, K.; Yamasaki, M.; Tamura, G.: Kluyveromyces lactis killer toxin inhibits adenylate cyclase of sensitive yeast cells. Nature. 304 (1983) 464-466 [19] Bailey, J.E.; Ollis, D.F.: Biochemical Engineering Fundamentals. 2nd edition. McGraw-Hill New York 1986 [20] Tredoux, H.G.; Tracey, R.P.; Tromp, A.: Killer factor in wine yeast and its effect on fermentation. S. Afr. J. Enol. Vitic. 7 (1986) 105-112

B-127

PROSIDING SEMINAR NASIONAL Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA Tanggal 14 Mei 2011, FMIPA UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA

Recommend Documents