3
TINJAUAN PUSTAKA Polisakarida Mengandung Manan Hemiselulosa merupakan molekul heteropolimer yang bercabang-cabang. Umumnya, hemiselulosa merupakan struktur kimia kompleks yang disusun oleh gula pentosa (arabinosa, xylosa) dan heksosa (manosa, glukosa, galaktosa) pada rantai utamanya. Struktur bercabang memungkinkan hemiselulosa berada dalam bentuk amorfus yang lebih rentan terhadap hidrolisis. Manan adalah polisakarida tanaman yang merupakan polimer dari gula manosa yang merupakan salah satu penyusun hemisellulosa. Di alam manan banyak terdapat terutama sebagai bagian dari hemiselulosa dinding sel tumbuhan dan alga, juga tersimpan pada akar, endosperm biji dan umbi tanaman. Salah satu manan yang sangat umum adalah o-asetil-galaktoglukomanan yang terkandung hingga 25% berat kering dari kayu lunak (softwood). Namun, berbagai tipe polisakarida manan lainnya juga dijumpai pada berbagai tanaman yang berfungsi sebagai polisakarida struktural dan sebagai cadangan energi. Manan sebagai komponen hemiselulosa dikelompokkan menjadi 4 subfamili yaitu manan, glukomanan, galaktomanan, dan galaktoglukomanan (Hilge et al. 1998). Manan disusun oleh manosa, glukomanan tersusun dari manosa dan glukosa, galaktomanan tersusun dari manosa dan galaktosa, sedangkan galaktoglukomanan tersusun dari manosa, galaktosa, dan glukosa (Moreira & Filho 2008). Manan merupakan polisakarida hemiselulosa utama pada kelompok gimnosperma (kayu lunak), dan sebaliknya merupakan polisakarida hemiselulosa minor pada angiosperma. -1,4-manan yang tidak tersubstitusi, terdiri dari rantai utama residu -manopiranosa yang merupakan komponen struktur penting pada beberapa alga dan tanaman termasuk kopi. Dari sisi konformasi rantai individu polisakarida, -1,4-manan ini mirip dengan selulosa dan tidak larut dalam air. Manan dari kayu keras (hardwood) disusun oleh ikatan -1,4 manopiranosa dan glukopiranosa, sementara kayu lunak (softwood) terdiri dari dua tipe asetilasi galaktoglukomanan yang berbeda. Kedua tipe ini terdiri dari glukosa, manosa dan galaktosa dengan rasio 1:3:1 dan 1:4:1. Pada biji legum, galaktomanan larut dalam air merupakan karbohidrat cadangan utama (20% dari berat kering total). Galaktomanan ini memiliki -galaktosa yang berikatan dengan O-6 residu manosa dan juga mungkin memiliki beberapa residu -D-glukosa tergabung dalam rantai utama. Selanjutnya, residu manosa dapat diasetilasi pada posisi C-2 dan C-3. Struktur manan dapat dilihat pada Gambar 1.
4
(A) Manan
(B) Galaktomanan
(C) Glukomanan
galaktosa
(D) Galaktoglukomanan
Gambar 1 Struktur heteromanan : (A) manan disusun oleh manosa dengan ikatan -1,4; (B) galaktomanan yang disusun oleh rantai utama manosa dan mempunyai rantai samping galaktosa yang dihubungkan oleh ikatan -1,4; (C) glukomanan disusun oleh glukosa dan manosa yang dihubungkan oleh ikatan glikosida ,1-4 dan (D) galaktoglukomanan yang disusun oleh rantai utama glukosa dan manosa serta mempunyai rantai samping galaktosa (Dhawan and Kaur. 2007). Galaktomanan Galaktomanan adalah polisakarida netral yang dijumpai sebagai material simpanan di dalam endosperm biji tanaman legum tertentu dan bungkil inti kelapa sawit (Jorgensen et al. 2010). Bungkil inti kelapa sawit mengandung 78% serat hemiselulosa dalam bentuk manan dan 12% dalam bentuk selulosa. Berbeda dengan manan tersubstitusi, galaktomanan larut dalam air dan mampu menyerap
5
air, sehingga memberikan fungsi menahan air untuk benih. Struktur kimia galaktomanan terdiri dari struktur utama linier -(1 4)D-manopiranosil, dan rantai sisi -(1 6) galaktopiranosil. Galaktomanan dapat dikenali berdasarkan rasio manosa/galaktosa, distribusi galaktosa dan berat molekulnya. Kelarutan dan viskositas galaktomanan dipengaruhi oleh rasio manosa/galaktosa yang mana bervariasi antara 1-5. Selanjutnya distribusi substituen dapat bervariasi yang mana juga mempengaruhi sifat fisik dari galaktomanan. Dua contoh galaktomanan yang sudah dikarakterisasi dengan baik dan diproduksi secara komersial adalah galaktomanan dari endosperm biji Ceratonia siliqua and Cyamopsis tetragonolobus, masingmasing dikenal dengan locust bean gum dan guar gum. Galaktomanan dari locust bean gum memiliki rasio manosa:galaktosa sekitar 5:1 dengan berat molekul 310.000, sedangkan guar gum galaktomanan memiliki rasio manosa:galaktosa sekitar 2:1 dengan berat molekul 220.000. Galaktomanan ini memiliki sifat pembentuk gel yang kuat sehingga sering digunakan sebagai pengental, penstabil dan pelapis dalam industri makanan dan pakan, kosmetik, obat dan kertas (Hagglund 2002). Enzim Mananase dan Pemanfaatannya Mananase adalah enzim yang mampu menguraikan polisakarida manan dan heteromanan (galaktomanan, glukomanan, dan galaktoglukomanan) dengan memutuskan ikatan -1,4 glikosida. Ada dua tipe enzim mananase yang terlibat dalam penguraian manan, yaitu ekso-mananase dan endo- -mananase (Sae-Lee 2007). Enzim ekso-mananase atau -manosidase (1,4- -D-manopyranoside hydrolase) adalah enzim yang memotong ikatan -1,4 manosida dan melepaskan manosa dari bagian ujung yang tidak tereduksi dari suatu manan, heteromanan, atau mano-oligosakarida. Sebaliknya, endo- -mananase (1,4- -D-manan manohydrolase) adalah enzim yang memotong secara acak ikatan glikosida pada bagian tengah manan untuk menghasilkan mano-oligosakarida atau monosakarida (Gambar 2) (Moreira & Filho 2008). Enzim mananase ini ditemukan diantaranya pada Aspergillus niger, Aspergillus awamori, Aspergillus fumigatus, Aspergillus aculatus, Clostridium butyricum, Sclerotium rolfsii, Saccharomyces cereviceae, Streptomyces lividans, Bacillus subtilis, Bacteroides ovatus, Tricoderma reesei, Pichia pastoris (Dhawan & kaur 2007; Sae-Lee 2007; Moreira & Filho 2008). Penguraian manan sangat dipengaruhi oleh tingkat dan pola substitusi rantai utama dan jenis enzim mananase yang digunakan.
6
-manosidase
-galaktosidase
Gambar 2
Penguraian galaktomanan oleh enzim galaktosidase (Van Zyl et al. 2010).
-manosidase dan
-
Pemanfaatan bakteri penghasil enzim mananase yang mampu menguraikan polisakarida kompleks jaringan tanaman menjadi molekul sederhana seperti mano-oligosakarida dan manosa memiliki peranan yang penting pada industri pulp dan kertas, pakan ternak, pangan dan industri deterjen (Dhawan & Kaur 2007). Pada industri pangan enzim mananase belum banyak dimanfaatkan. Saat ini enzim mananase telah ditemukan dari berbagai sumber seperti mikroba, tumbuhan dan hewan, namun yang paling umum dimanfaatkan adalah mananase yang berasal dari mikroba. Enzim mananase yang dihasilkan dari sumber yang berbeda memiliki karakteristik dan spesifisitas yang berbeda (Moreira & Filho 2008). Secara umum, enzim mananase menunjukkan aktivitas yang tinggi pada pH 3.0-7.5 dan suhu 4592oC. Stabilitas termal bervarisasi antara 10 menit hingga 8 jam pada suhu yang berbeda. Enzim mananase ini juga berbeda dalam hal parameter kinetik dan titik isoelektrik. Salah satu cara yang tepat untuk mempelajari mekanisme hidrolisis manan adalah dengan mengidentifikasi dan memonitor waktu pelepasan produk hidrolisis. Informasi yang berhubungan dengan mekanisme enzim pengurai manan dapat diperoleh dengan fraksionasi menggunakan kromatografi, identifikasi dengan standar yang sesuai menggunakan spektroskopi NMR dan kuantifikasi produk reaksi. Karena heterogenitas manan, kehadiran enzim pengurai manan dengan spesifisitas yang berbeda, menghasilkan produk hidrolisis yang berbeda. Misalnya, -manosidase yang berukuran 58 kDa dan Streptomyces rolfsii menguraikan manotetraosa, manotriosa dan manobiosa menjadi manosa. Disisi lain, -mananase yang berukuran 42 kDa menguraikan manotetraosa dan manotriosa menjadi manobiosa (Sachslehner 2000). -mananase yang berukuran 61 kDa dari sumber yang sama menunjukkan tipe penguraian yang acak, dengan penurunan kekentalan larutan manan yang lebih lambat dibandingkan dengan mananase yang berukuran 42 kDa.
7
Pengembangan Oligosakarida dari Polisakarida Manan Oligosakarida merupakan kelompok polimer karbohidrat yang mendapat perhatian sebagai komponen pangan fungsional. Oligosakarida adalah sakarida yang memiliki derajat polimerisasi 2-10. Secara struktur oligosakarida terdiri dari 2-10 residu monosakarida yang dihubungkan oleh ikatan glikosida dan dapat diuraikan menjadi monosakarida dengan bantuan asam atau enzim tertentu. Oligo sakarida sebagai komponen pangan fungsional sangat potensial meningkatkan kualitas pangan. Oligosakarida dapat mempengaruhi sifat fisika-kimia dari makanan dan memiliki fungsi fisiologis seperti perbaikan pertumbuhan mikroflora bermanfaat bifidobacteria di dalam usus, meningkatkan penyerapan mineral, memperbaiki kadar gula dan kolesterol darah, dan sebagai anti-karsiogenisitas. Penelitian tentang produksi oligosakarida untuk pangan sudah dimulai sejak tahun 1970an di Jepang (Nakakuki 2002). Saat ini Jepang mendominasi penelitian dan produksi oligosakarida di dunia. Berbagai oligosakarida yang dihasilkan dan sifatnya disajikan pada Tabel 1 dan 2. Sebagian besar dari oligosakarida yang dihasilkan menggunakan bahan dasar pati, sukrosa dan laktosa, sedangkan oligosakarida yang berasal dari manan masih belum banyak dikembangkan. Penelitian tentang produksi oligosakarida dari manan (mano-oligosakarida) dan sifat fungsionalnya masih perlu dikembangkan. Mano-oligosakarida sudah diisolasi dari biji kopi dan ivory nut. Hasil penelitian sebelumnya pada manusia dan hewan menunjukkan bahwa manooligosakarida dari biji kopi efektif untuk menurunkan berat badan. Penelitian menunjukkan bahwa mano-oligosakarida dari biji kopi masuk ke usus besar tanpa dicerna terlebih dahulu. Di usus besar, kemudian, mano-oligosakarida ini dicerna menjadi sakarida rantai pendek yang penting untuk pertumbuhan bakteri positif bagi kesehatan tubuh. Tabel 1 Berbagai oligosakarida. Bahan Dasar Pati
sukrosa
Laktosa Xylan, agar, mannan, kitin, kitosan.
Produk Malto-oligosakarida: maltosa, maltoheptaosa Isomalto-oligosakarida: isomaltosa, panosa, isomaltotriosa, Siklodextrin: - Siklodextrin, - Siklodextrin , Siklodextrin Lain-lain: maltitol, gentio-oligosakarida, trehalosa, nigerosa. Glikosilsukrosa, frukto-oligosakarida, palatinosa (isomaltulosa), laktosukrosa, xylosukrosa, raffinosa, stachyosa, trehalulosa. Galakto-oligosakarida, laktosukrosa, laktulosa, laktiol Xylo-oligosakarida, agaro-oligosakarida, manooligosakarida, kitin/kitosan oligosakarida.
Sumber: Nakakuki 2002
8
Pemanfaatan Oligosakarida Sebagai Pangan Fungsional Awalnya oligosakarida digolongkan sebagai anti nutrisi karena dapat menyebabkan timbulnya gas dalam perut (flatulensi). Contohnya adalah rafinosa, stakiosa dan verbaskosa yang terdapat dalam bahan pangan nabati seperti kacangkacangan (misalnya kedelai) dan beberapa jenis umbi-umbian (misalnya ubi jalar). Itu sebabnya mengapa pengolahan bahan-bahan pangan tersebut selalu mengupayakan penurunan kadar oligosakarida atau dihilangkan sama sekali. Akan tetapi penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa oligosakarida berguna karena dapat mencegah tumbuhnya bakteri yang merugikan dalam usus. Karena itu pandangan terdahulu terhadap senyawa tersebut menjadi berubah dan dalam proses pengolahan perlu diupayakan agar oligosakarida dapat dipertahankan. Di Jepang banyak industri yang memproduksi oligosakarida untuk dijual sebagai bahan pangan fungsional (functional food). Sifat sifat kimia fisika, biologi dari oligosakarida dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Sifat fungsional oligosakarida. Sifat fisika kimia Tingkat kemanisan, tingkat pahit, higroskopis, aktivitas air, stabilisasi bahan aktif (protein, warna, rasa). Sifat biologi Kecernaan, ketidakcernaan, non-kariogenisitas, antikariogenisitas, aksi bakteriostatik, perbanyakan selektif bifidobacteria, meningkatkan serum lipid dan gula darah. Sifat lain Substrat khusus enzim, inhibitor enzim, elisitor. Sumber: Nakakuki 2002
Oligosakarida seperti rafinosa, stakhiosa dan verbaskosa serta yang lainnya (laktulosa, galaktosil-sukrosa, galakosil-laktosa, dan xylo-oligosakarida), tidak dapat dicerna dalam usus karena manusia tidak mempunyai enzim-enzim untuk mencernanya. Akibatnya oligosakarida tersebut tidak dapat diserap usus. Tetapi oligosakarida akan difermentasi dan digunakan sebagai sumber energi oleh bakteri-bakteri yang terdapat dalam saluran pencernaan. Oligosakarida yang tidak dicerna dan diserap dalam usus kecil, akan difermentasi oleh bakteri-bakteri yang terdapat dalam usus besar, dan selanjutnya akan mengubah komposisi bakteri usus dimana bakteri yang menguntungkan yaitu bifidobacterium (bakteri bifidus) dan lactobacillus bertambah jumlahnya, sedangkan bakteri yang merugikan seperti clostridium, coliform, dan enterococci menurun jumlahnya. Keuntungan yang dapat diberikan oleh bakteri bifidus dari segi kesehatan dan gizi adalah : (1) mempertahankan keseimbangan mikroflora dalam usus agar tetap normal, (2) mempunyai aktivitas anti karsinogen, (3) menurunkan kadar kolesterol dalam plasma darah, (4) mensintesisi vitamin B kompleks, dan (5) meningkatkan penyerapan kalsium oleh usus (Muchtadi D 1996). Di Jepang saat ini terdapat sekitar 35 macam oligosakarida yang diproduksi industri dan telah diizinkan digunakan sebagai functional food, misalnya dicampurkan kedalam minuman ringan, cokelat, cookies, gum, permen dan lainlain dengan tujuan memperbaiki mikroflora usus, mencegah karies gigi, antidiabetes dan lainnya.
9
Produksi Oligosakarida Oligosakarida terdapat secara alami pada bermacam-macam bahan pangan nabati, namun pihak industri lebih tertarik memproduksi oligosakarida secara bioteknologi menggunakan enzim-enzim yang diisolasi dari bakteri dengan bahan dasar sukrosa, laktosa dan senyawa turunan dari pati. Dari degradasi polisakarida manan dapat diproduksi manosa, mano-oligosakarida, galaktosa dan glukosa. Perusahaan ajinomoto General foods berhasil mengembangkan paten untuk produk kopi dengan kandungan mano-oligosakarida yang merupakan turunan dari manan yang banyak terkandung pada ampas kopi (Toeda 2002). Manooligosakarida berhasil diidentifikasi sebagai fungsi prebiotik baru bagi mikroflora bakteri di dalam sistem pencernaan. Selain itu mano-oligosakarida diprediksi memiliki fungsi untuk meningkatkan sistem kekebalan tubuh dan menurunkan intensitas terikatnya bakteri pathogen seperti Salmonella enteriditis dan E.coli pada sel karena kemiripan strukturnya dengan sakarida yang ada dipermukaan sel makhluk hidup. Karbohidrat manan merupakan polisakarida yang spesifik banyak terdapat di Indonesia, terutama dari hasil samping industri kelapa sawit. Ada sekitar 2 juta ton bungkil inti kelapa sawit yang dihasilkan per tahun. Selain itu juga terdapat umbi porang yang sama sekali tidak dikonsumi oleh masyarakat kita. Budidaya umbi porang meningkat seiring dengan tingginya permintaan dari Jepang. Melihat kepentingan dan ketersediaan bahan material manan dan adanya koleksi isolat mikroba potensial lokal penghasil enzim mananase, diharapkan pada tahap awal dapat dilakukan analisis produksi mano-oligosakarida (Yopi et al. 2007).
