Seminar Nasional Teknik (SENATEK) 2014
SKRINING PARAMETER PROSES PEMBUATAN NATA DE LERI DARI AIR LIMBAH CUCIAN BERAS MENGGUNAKAN PLACKET-BURMAN SCREENING METHOD Alwani Hamad*, Giswantara, Endar Puspawiningtyas Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Purwokerto Jl. Raya Dukuhwaluh PO BOX 202, Dukuhwaluh 53183 Telp. (0281) 636751 ext 130, Fax (0281) 637239 *Email:
[email protected]
Abstrak Air leri adalah air limbah dari hasil pencucian beras sebelum proses pemasakan. Air ini berwarna putih dan masih mengandung karbohidrat yang memenuhi syarat pertumbuhan bakteri Acetobacter xylinum untuk membentuk nata. Nata adalah selulosa yang biasa digunakan sebagai makanan sehat kaya serat. Air cucian beras yang merupakan limbah ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber substrat penghasil nata yang diisebut nata de leri, akan tetapi dalam proses fermentasinya variable yang paling berpengaruh perlu diketahui agar proses produksinya optimal.Tujuan dari penelitian ini adalan skrining parameter proses pembuatan nata de leri menggunakan Placket Burman Screening Method. Metode yang yang digunakan yaitu menggunakan model factorial placket Burman dengan menggunakan delapan parameter yang akan dikaji yaitu, rasio air dan beras, sumber kabon, nitrogen, phosphate dan vitamin, lama fementasi, jumlah starter dan pH dengan respon yield nata yang dihasilkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa jumlah sumber karbon, lama fermentasi dan jumlah starter adalah variable yang paling berpengaruh terhadap fermentasi nata de leri. Penambahan level dari parameter tersebut akan meningkatkan yield nata yang dihasilkan. Kata Kunci : nata de leri, Acetobacter xylinum, air cucian beras 1. PENDAHULUAN Beras merupakan salah satu makanan pokok masyarakat Indonesia. Konsumsi beras tertinggi adalah beras putih. Beras ini diolah menjadi nasi yang merupakan ikon makanan di Indonesia. Beras yang mengalami pengolahan lebih lanjut, akan melalui proses pencucian. Proses pencucian ini menghasilkan limbah berupa air cucian beras. Air cucian beras ini mengandung karbohidrat jenis pati sebanyak 76% pada beras pecah kulit. Kandungan karbohidrat ini memenuhi syarat pertumbuhan bakteri Acetobacter xylinum dalam pembuatan nata. Bakteri akan mensintesa selulosa dari karbohidrat yang terkandung dalam air cucian beras (Chysti & Kartika, 2012) Nata sendiri adalah makanan yang berasal dari negara Filipina untuk menyebut suatu pertumbuhan yang menyerupai gel yang terapung pada permukaan medium yang mengandung gula dan asam yang dihasilkan oleh mikroorganisme Acetobacter xylinum. Kata nata mungkin berasal dari bahasa Spanyol nadar yang berarti berenang. Rupanya istilah tersebut diturunkan dari kata latin yaitu natare yang berarti terapung (Collado, 1986). Sebenarnya, nata adalah lapisan polisakarida ekstraseluler (selulosa) yang dibentuk oleh mikroba pembentuk kapsul. Nata berbentuk padat, berwarna putih, transparan, bertekstur kenyal, menyerupai gel dan terapung pada bagian permukaan cairan (Iguchi, Yamanaka, & Budhiono, 2000). Mikroba pembentuk nata memerlukan sumber nutrisi C, H, dan N serta mineral dan dilakukan dalam proses yang terkontrol. Air cucian hanya mengandung sebagian sumber nutrisi yang dibutuhkan sehingga kekurangan nutrisi yang diperlukan harus ditambahkan. Sebagai sumber gula dapat ditambahkan sukrosa, glukosa, fruktosa, dan tetes molases. Sebagai sumber nitrogen dapat ditambahkan urea atau ammonium sulfat serta ekstrak yeast (Budhiono, Rosidi, Taher, & Iguchi, 1999; Edria, Wibowo, & Elvita, 2008). Selain nutrisi, terdapat faktor lain yang mempengaruhi pembuatan nata, yaitu pH, keberadaan oksigen, dan kebersihan alat fermentasi. Tingkat keasaman harus disesuaikan dengan kondisi pertumbuhan bakteri Acetobacter. Pengaturan tingkat keasaman media menggunakan asam asetat glasial atau cuka biang. Bakteri Acetobacter xylinum bersifat aerob sehingga selama fermentasi diperlukan keberadaan oksigen. Kebersihan alat fermentasi menjadi faktor penting yang perlu 49
Prosiding Seminar Nasional Teknik 2014 ISBN: 978 602 14355 0 2 diperhatikan. Wadah yang tidak bersih akan menjadi sumber kontaminasi sehingga mengganggu proses fermentasi (Budhiono et al., 1999; Iguchi et al., 2000). Dalam pembuatan nata banyak sekali sumber reference yang mempunyai resep yang bervariasi. Dalam resep pembuatan nata de leri dalam 1 liter air cucian beras membutuhkan 1 sendok urea dan 1 sendok gula yang difermentasikan selama 8 12 hari (Chysti,2012). Selain komposisi yang beragam dalam pembuatan media, informasi yang diberikan tidak juga tidak disertai dengan detail kondisi operasinya. Hasil penelitian sebelumnya dalam pembuatan nata yang menggunakan air kelapa sebagai substrat, variabel yang sangat berpengaruh dalam fermentasinya adalah kadar gula, lama fermentasi dan tingkat keasaman media (hamad, et al 2012). Variabel ini tentunya akan beda apabila apabila medium fermentasinya adalah limbah cucian beras, maka perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui variabel operasi yang paling berpengaruh agar produksi nata de leri yang diperoleh opti mal. Begitu juga beberapa peneliti telah melakukan optimasi fermentasi nata de coco maupun nata de leri. Akan tetapi semua penelitian dengan menggunakan satu variabel yang dikaji (Edria et al., 2008; Effendi, 2009; Nurmiati, 2010). Meskipun satu variabel yang dikaji untuk menentukan kondisi optimum bisa dilakukan, akan tetapi interaksi antar variabel yang lain menjadi terkunci dan tidak teramati (Lotfy, Ghanem, & Elhelow, 2007). Design penelitian dengan statistik telah lama dilakukan dan dapat diaplikasikan untuk banyak variabel dalam mengoptimasi suatu proses seperti skrining eksperimen. Metode Placket-Burman dapat digunakan untuk menyeleksi medium dan variavel kondisi yang paling cocok dalam proses fermentasi. Setelah disaring medium yang cocok, kemudian variabel yang paling berpengaruh dapat dilakukan optimasi (Haaland, 1989; Lotfy et al., 2007). Pada penelitian ini akan menyeleksi medium dan kondisi operasi fermentasi dengan metode statistik menggunakan Placket-Burman Method. Ada 7(tujuh) variabel yang akan diseleksi dalam penelitian ini yaitu rasio beras dan air, sumber carbon,nitrogen dan vitamin, lama fermentasi, pH dan volume stater. Diharapkan dalam penelitian ini didapatkan luaran berupa variabel mana sangat berpengaruh dalam fermentasi nata de leri sehingga akan mempersempit langkah optimasi dari banyak parameter. 2. BAHAN DAN METODE PENELITIAN Bahan yang digunakan adalah air cucian beras sebanyak 500 ml yang dimasukkan ke dalam wadah loyang plastik berdimensi 24 x 19 x 3 cm sebagai tempat fermentasi. Sumber carbon yang menggunakan yaitu gula (sukrosa). Sebagai sumber nitrogen menggunakan urea, sumber vitamin menggunakkan biotin dan sumber fosfat menggunakan KH 2PO4. Sedangkan untuk mengatur pH dengan variasi 3; 4,5 dan 6 digunakan asam asetat glacial (asam cuka). Starter nata yang digunakan yaitu Acetobacter xylinum dengan umur 10 hari. Level tiap parameter dapat dilihat dala Tabel 1. Alat alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah panci, send ok sayur, timbangan, kompor, pH meter, penyaring plastik, baskom plastik, loyang aluminium, kertas koran, gelas ukur, oven, karet gelang. Tabel 1. Level Tiap Variabel yang Akan Dikaji (dalam 500 ml air cucian beras) Level -1 0 1 1 Rasio beras : air ratio R 1:01 1:02 1:03 2 Sumber karbon (gula) g C 5 17.5 30 3 Sumber Nitrogen (urea) g N 0 3 6 4 Sumber Phosphat (KH2PO4) g P 0 3 6 5 pH (jumlah cuka yang ditambah) ml PH 10 30 60 6 Lama fermentasi hari LF 8 12 16 7 Jumlah starter ml JS 10 60 110 8 sumber vitamin (biotin) tetes V 0 3 6 Metode penelitian dilakukan dengan dua replikasi perlakuan. Pembentukan lembaran nata dengan proses fermentasi diawali penyaringan air cucian beras dari berbagai rasio agar semua kotoran tidak terikut. Untuk screening medium dan kondisi proses pembuatan nata, ada delapan parameter bebas yang akan dikaji dengan delapan kombinasi (Tabel 1) menurut metode Placket-Burman Screening Method (Lotfy et al., 2007: Placket-Burman, 1946). Semua percobaan akan dilakukan No
Variable
Satuan
50
Kode
Seminar Nasional Teknik (SENATEK) 2014
replikasi tiga kali dengan respon yield. Efek utama tiap variabel dengan perhitungan sederhana dibuat dengan tiga level yaitu high level (+), center level (0), dan low level (-). Hasil besaran tiap level didasarkan dari penelitian pendahuluan dan pustaka (Budiono et al., 1999; Edria et al., 2008; Iguchi et al., 2008). Hasil air cucian yang didapat, kemudian dipanaskan sampai mendidih dengan api besar. Setelah mendidih tambahkan dengan variabel yang akan dikaji yaitu gula, urea, asam asetat, vitamin, KH2PO4 dan starter. Larutan tersebut ditempatkan ke dalam wadah fermentasi dan segera tutup dengan kertas koran yang telah disterilkan (Edria et al., 2008). Fermentasi dilakukan sesuai dengan variasi lama fermentasi. Respon pengamatan dilakukan terhadap yield yaitu persen gram nata yang terbentuk tiap ml air cucian beras yang digunakan. Desain dan run penelitian dalam metode Placket Burman dapat dilihat dalam Tabel 2. Analisis dilakukan menggunakan sofware minitab 11 dengan pemilihan design experiment factorial Plackett Burman dengan 8 variabel yang dikaji. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk tujuan skrining parmeter proses pembuatan nata dari air leri, dilakukan dengan mengkombinasikan delapan variabel bebas yang akan dikaji dalam metode Placket-Burman. Hasil Kombinasi model Placket-Burman dengan respon yield disajikan dalam Tabel 2. Tabel 2. Rancangan Placket-Burman Screening Method dan hasil respon yield Running 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
R 1 -1 -1 -1 1 0 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 0 -1 0 1 -1 1 1 -1 -1 -1
C -1 1 1 1 1 0 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 0 -1 0 -1 1 1 -1 1 -1 -1
N 1 -1 1 -1 1 0 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 0 -1 0 -1 1 -1 -1 1 -1 1
P 1 -1 1 -1 -1 0 -1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 0 1 0 -1 1 1 -1 -1 1 1
PH -1 -1 -1 -1 1 0 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 0 1 0 1 -1 1 1 1 1 1
LF 1 1 1 1 1 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 0 1 0 1 1 -1 1 -1 1 -1
JS -1 1 1 1 -1 0 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 0 -1 0 1 1 1 1 -1 -1 1
V -1 1 -1 1 1 0 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 0 1 0 -1 -1 -1 -1 -1 1 1
Yield (%) 11.814 45.954 89.018 48.052 42.324 65.014 40.724 42.330 37.804 44.032 40.878 42.974 53.372 30.990 26.418 15.174 26.412 61.578 25.980 63.592 43.152 98.108 27.194 58.884 44.792 26.508 28.764
Dari hasil penelitian ini menunjukkan bahwa yield yang dihasilkan dari rancangan hasil Placket Burman Method bevarasi untuk beberapa running. Hasil analisis stastistik menggunakan sofware minitab menunjukkan bahwa pengaruh efek yang memberikan variabel yang paling berpengaruh adalah jumlah gula, jumlah starter, lama fermentasi dan jumlah sumber N yaitu urea. Nilai efek tertinggi yaitu jumlah penambahan karbon hal ini karena sumber karbon adalah komponen yang disangat diperlukan dalam biosintesis nata. Glukosa sebagai substrat yang digunakan Acetobacter 51
Prosiding Seminar Nasional Teknik 2014 ISBN: 978 602 14355 0 2 xylinum dalam menghasilkan cellulose berbentuk lembaran kapsul nata mikrofibril. Lapisan mikrofibril yang dihasilkan merupakan hasil dari reaksi yang komplek dengan bantuan enzim menggunakan substrat awal glukosa. Selulosa yang dihasilkan merupakan hasil metobolit sekunder dimana produk akan terbentuk jika nutrisi tersedia cukup. Kemungkinan reaksi pembentukan pellicle selulosa dapat dijelaskan dari pathway berikut ini (Moat, 1988; Skinner & Cannon, 2000). Glucose -6-1-Phosphate (UDP-glucose Jumlah starter dan lama fermentasi berturut turut juga menunjukkan merupakan parameter yang sangat penting dalam produksi nata de leri. Jumlah starter menunjukkan bahwa semakin banyak starter yang ditambahkan maka bakteri yang siap sebagai agen biologi untuk mengkonversi menjadi lembaran kapsul nata. Parameter lain yang paling berpengaruh setelah jumlah gula dan jumlah starter adalah waktu fermentasi. Pembentukan nata sangat dipengaruhi oleh lama waktu bakteri Acetobacter xylinum dalam membuat lembaran nata. Semakin lama waktu yang digunakan bakteri tersebut untuk mengkonvesrsi semua glucose yang tersedia maka lembaran nata yang terbentuk sampai maksimal. Lembaran nata ini terbentuk sampai pada ketebalan maksimal dimana oksigen sudah tidak dapat lagi menembus lapisan nata. Ketika difusi oksigen tidak dapat menembus lapisan nata, Bakteri Acetobacter xylinum akan tidur sampai dia digunakan kembali sebagai starter.(Budhiono et al., 1999). Apabila fermentasi nata dilakukan lebih dari fase stationary maka memungkinkan bakteri atau jamur lain dapat hidup dalam nata yang dihasilkan yang memberikan warna dan flavor yang tidak diinginkan (Hamad, Indriyani, Mulyadi, & Puspawiningtyas, 2012). Tabel 3 Hasil analisis parameter yang berpengaruh dalam fermentasi nata de leri
Dari hasil model skrinning ini, persamaan yang dihasilkan dari variabel bebas yang dikaji dapat dilihat dalam persamaan 1. Persamaan menunjukkan bahwa apabila variabel ditingkatkan maka akan mengurangi ataupun menambah produktifitas dari yield nata yang dihasiilkan. Hal ini dapat dilihat dari gambar 1 mengenai plot faktorial dimana konfirmasi mengenai efek tiap parameter yang dikaji secara statistik (Tabel 3). 52
Seminar Nasional Teknik (SENATEK) 2014
Gambar 1. Efek tiap parameter yang dikaji terhadap yield yang dihasilkan dalam fermentasi nata de leri Dari gambar 1 menunjukan bahwa parameter jumlah gula sebagai sumber karbon, jumlah urea sebagai sumber nitrogen, lama fermentasi dan jumlah starter memberikan efek positif. Hal ini berarti bahwa apabila parameter paremetr ini dinaikkan akan memberikan hasil positif terhadap yield yaitu akan menambah besarnya yield. Sedangkan parameter rasio air dan beras, jumlah KH2PO4 sebagai sumber phosphate, pH dan jumlah vitamin akan memberikan efek negative. Hal ini berarti juga bahwa apabila parameter parameter ini dinaikkan akan memberikan hasil negative terhadap yield yaitu mengurangi produk. Dari hasil statistik mengenai ANOVA dapat dilihat variable yang memberikan efek positif ternyata significant tidak berbeda (p>0.05). Hal ini menunjukkan bahwa pengaruh efek positif dari parameter tidak akan memberikan perbedaan terhadap yield. 4. KESIMPULAN Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa metode Plackett Burman dapat digunakan untuk menyeleksi parameter yang mempengaruhi proses fermentasi nata de leri. Parameter penambahan jumlah gula sebagai sumber karbon, jumlah starter dan lama fermentasi, jumlah urea adalah variabel yang paling berpengaruh dalam pembuatan nata de leri. Dengan menambah jumlah level dalam parameter tersebut maka akan meningkatkan yield nata de leri yang diha silkan. 5. DAFTAR PUSTAKA Budhiono, A., Rosidi, B., Taher, H., & Iguchi, M. (1999). Kinetic aspects of bacterial cellulose formation in nata de coco culture system. Carbohydrate polymer, 40, 137 - 143. Chysti, & Kartika. (2012). Fermentasi aneka bahan baku berbasis kearifan lokal dalam pembuatan nata sebagai produk impor. Paper presented at the Seminar Nasional X Biologi FKIP UNS, Surakarta. Collado, L.S. (1986, November, 13 - 15 ). Processing and problem of the industry in the Philipines. Paper presented at the Traditional Food and Their Processing in Asia, Tokyo. Edria, Della, Wibowo, Mario, & Elvita, K. (2008). Pengaruh penambahan kadar gula dan kadar nitrogen terhadap ketebalan, tekstur dan warna nata de coco. Bogor: Jurusan Ilmu dan Teknologi Pangan , IPB. Effendi, Nurul Huda. (2009). Pengaruh penambahan variasi massa pati (soluble starch) pada pembuatan nata de coco dalam medium fermentasi bakteri Acetobacter xylinum. Medan: Departemen Kimia MIPA USU. Haaland, P. D. (1989). Experimental Design in Biotechnology. New York: Marcell Dekker. Hamad, Alwani, Indriyani, Noni, Mulyadi, Abdul Haris, & Puspawiningtyas, Endar. (2012, 20 - 24 September 2012). Optimasi Proses Pembuatan Nata de coco dari Fermentasi AIr Kelapa menggunakan Response Surface Method. Paper presented at the Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia 2012, Fakultas Teknik Universitas Indonesia Depok. Iguchi, M., Yamanaka, S., & Budhiono, A. (2000). Bacterial cellulose a masterpiece of nature's arts. Journal of Material Science 35 261 - 270. 53
Prosiding Seminar Nasional Teknik 2014 ISBN: 978 602 14355 0 2 Lotfy, Walid A., Ghanem, Khaled M., & Elhelow, Ehab R. (2007). Citric acid production by novel Aspergilus niger isolate: II Optimization of process parameter through statistical experiment designs. Bioresource Technology, 98, 3470 - 3477. Moat, A.G. (1988). Microbial Physiology. New York: John Willey and Sons Inc. Nurmiati. (2010). Pengaruh penggunaan dosis gula dan asam cuka terhadap perkembangan Acetobacter xylinum dalam stater Nata de coco. Paper presented at the Seminar dan Rapat Tahunan BKS - PTN Wilayah Barat ke 21, Pekan Baru. Skinner, Peggy O' Neill, & Cannon, Robert E. (2000). Acetobacter xylinum: An Inquiry into celulose biosynthesis. The American Biology Teacher, 62(6).
54
