Tujuan Instruksional Khusus : - Mahasiswa mampu menjelaskan mikroba yang berperan dalam fermentasi bahan pangan.
Fermentasi dapat dilakukan dengan mikroba atau dengan enzim Fermentasi dengan mikroba : mudah dan murah Fermentasi dengan enzim : Mahal Ketelitian tinggi Memerlukan cara-cara penyimpanan dan perlakuan khusus
Mikroba yang banyak digunakan dalam proses fermentasi : Bakteri Dengan cara Kapang Perlu seleksi bioteknologi mikrobial khamir
• Bakteri untuk fermentasi pangan dalam bentuk cair (misal : asam asetat, nata de coco) • Khamir untuk susbtrat cair (bir dan wine), serta medium padat (roti) • Jamur untuk substrat cair : produksi asam sitrat, atau untuk produksi jamur itu sendiri : jamur kuping, jamur tiram, jamur merang dll.
Produk
Mikroba
Roti, bir, wine
Saccharomyces cerevisae
Yoghurt, kefir, probiotik
Bakteri Asam Laktat
Kecap
Aspergillus oryzae, Zygosaccharomyces rouxii
Tempe
Rhizopus sp
Tapai
Hansenulla, Saccharomyces
Asam Cuka
Acetobacter acetii
Asam Sitrat
Aspergillus niger
Asam Laktat
Lactobacillus delbueckii
Nata
Acetobacter xylinum
Acar, asinan
Bakteri Asam Laktat
Asam Glutamat
Corynobacterium glutamicum
Lisin
Brevibacterium lactofermentum
Penisilin
Penicillium chrysogenum
Bioteknologi : pemanfaatan jasad hidup (tanaman, hewan, jasad renik) atau bahanbahan yang berasal dari jasad hidup dalam proses industri. Bioteknologi mencakup : Teknologi fermentasi Pemanfaatan teknologi DNA dan imobilisasi rekombinan/rekayasa genetik Pemanfaatan biosensor Rekayasa enzim dan protein Antibodi monoklonal Teknologi biak sel/jaringan Pelacak DNA (DNA tanaman dan hewan probes)
Bioteknologi mikrobial dibagi atas 2 fase : 1.Teknologi mikrobial tradisional menggunakan metode-metode : Seleksi alami Modifikasi proses untuk memperoleh hasil maksimum, misalnya dengan perubahan media dan kondisi pertumbuhan
2.Teknologi mikrobial dengan rekayasa organisme menggunakan gen-gen asing yang disisipkan pada gen mikrobia (rekayasa genetika) tujuannya untuk mendapatkan strain atau mutan/galur unggul.
Peningkatan produksi pada Penicllium chrysogenum untuk meningkatkan produksi melalui seleksi bertingkat, mutasi dan kawin silang Rekayasa genetika bakteri asam laktat dalam produk susu mempunyai kemampuan metabolik atau sifat baru seperti : Menghasilkan senyawa-senyawa penghambat jasad renik yang merugikan Nisin menghambat Listeria monocytogenes Merombak kolesterol menjadi senyawa lain (coprostanol) Memproduksi -galaktosidase (yang merombak laktosa glukosa dan galaktosa) dalam jumlah tinggi pada yoghurt. Tahan terhadap bakteriofag dan mampu mempercepat kematangan keju Memproduksi berbagai senyawa penyedap (flavor alami) seperti nenas, persik, pisang, jeruk dan protein rasa manis. Mampu menghasilkan chymosin (renin) penjedal (clotting) susu
Rekayasa genetika pada khamir dalam industri bir menghasilkan khamir dengan sifat : Mampu merombak karbohidrat malt menjadi etanol dalam jumlah besar penting dalam pembuatan bir berkalori rendah (lite beer) Bersifat menggumpalkan (flocculate) dan mengendapkan (sediment) Osmotoleran Sanggup memproduksi dan tahan terhadap etanol kadar tinggi Tahan suhu tinggi
Rekayasa genetika pada mikroba penghasil senyawa bernilai tinggi : Menambah gizi (vitamin A, C, E dan asam amino) Senyawa penyedap (flavor) dan pengharum (aroma) seperti MSG, berbagai ester (bau rasa buah dan bunga), diasetil (bau/rasa mentega), pyrazine (bau/rasa panggang atau kacang), lactones (bau/ rasa buah atau kelapa). Pewarna seperti astaxantin (jingga) dari khamir dan karotenoid dari ganggang Biopolimer untuk penstabil (stabilizing agent pengental (viscosifier), surfaktan, pembuat kapsul, bahan penjedal tak berkalori (non calorie gelling agent). Bahan pemanis tak berkalori (aspartam) Bahan peptida pengasin (orthyltaurine dan lysyl taurine).
Mikroba
Fragrance
Rumus Kimia
Ascoidea hylacoeti
Fruity, rose
-phenyletanol, furan-2carboxylate
Ceratocytis moniliformis
Fruity, banana, peach, pear, rose
3-Methylbutyl acetate. ,degalactone, geraniol, citronellol, nerol, linalool, -terpinol
C.variaspora
Fragrant, geranium Citronellol, citronellyl, acetate, geranial, neral, geraniol, linalool, geranyl acetate.
C.virescens
Rose, fruity
6-methyl-5-heptan-2-olacetat, citronellol, linalool, feraniol, geranyl acetate
Inocybe corydalina
Fruity, jasmine
Cinnamic acid methyl ester.
K;uyveromyces lactis
Fruity, rose
Citronellol, linalool, geraniol.
Mikroba
Fragrance
Rumus Kimia
Mycoacia uda
Fruity, grassy, almond
P-Methylacetophenone, p-tolyl1ethanol, p-tolyaldehyde
Penicillum decumbens
Pine, rose, apple, mushrooms
Thujopsene, 3-octanone, 1-acten-3ol, nerolidol, phenylethanol, decalactone
Phellinus sp
Fruity, rose, wintergreen
Methyl benzoate, methyl salicylate, -phenylethanol, -decalactone
Streptomyces odorifer
Earthy, camphor
Trans-1, 10 dimethyl-trans-9decalol, 2-exohydroxy-2-methylbornae.
Trametes odorata
Honey, rose, fruity, anise
Methyl phenylacetate, geraniol, nerol, citronellol.
Trichoderma viridae
Coconut
6-Pentyl-2-pyrone
Mikroba uniseluler, tidak berklorofil Tempat hidup: tanah, atmosfir, endapan lumpur laut, air, sumber air panas, di daerah antartika, dalam tubuh hewan, manusia dan tanaman Digolongkan atas : - aerobik - anaerobik Bentuk : bulat (kokus), batang (silindris), lengkung (vibri).
Organisme bersel satu
Inti sel yang mengandung DNA terdapat pada sitoplasma Sitoplasma dikelilingi oleh membran sel dan dinding sel Memperbanyak diri dengan proses yang disebut Binary fission (2 sel diperoleh dari 1 sel)
Elisa Julianti - THP-FP USU
Elisa Julianti - ITP-FP USU
Methods of Classification 1- Morphology (microscopic analysis)
2- Differential Stain (Gram stain, capsule stain, etc.)
Gram-positive
Gram-negative
Gram +
Gram -
3- Biochemistry (Catabolic and Anabolic Pathways) • Specific enzymes: Catalase, Oxidase • Metabolic Products: e.g fermentation (lactic acid, acetic acid…) • Sugar Utilization (lactose, mannose, rammnose) API identification kits • Growth characteristics (temperature, anaerobe)
4- Serology (Specific antibodies) (Slide agglutination) Antigenic structure (Flagella, surface) test the whole cells or cell extracts for the possession of specific surface antigens by reaction with specific antibodies Receptors -- Phage receptors test bacteria for possession of specific surface receptors by testing for sensitivity to a range of test phages (Phage typing (specific binding and lysis of bacteria) --Bacteriocin receptors Toxins
5- Amino Acid Sequencing (SDS-PAGE) 6- Fatty acids
7- Flow cytometry (Differences in electrical conductivity) 8- DNA, Restriction enzyme maps
Development of advanced techniques has led to the re-evaluation of bacterial taxonomy But
Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology is still regarded as the foundation for classifying bacteria.
Bakteri anaerobik dapat menghasilkan : butanol, aseton, etanol isopropanol, asam laktat, bakteri dalam pembuatan keju Golongan aerobik yang terkenal : Acetobacter yang menghasilkan asam asetat, asam glukonat, dihidroksi aseton, sorbose, vitamin B12 dan zat lain yang mengubah substrat melalui oksidasi Acetobacter acetii : mengoksidasi alkohol menjadi asam asetat. Banyak terdapat pada ragi tape yang sudah berumur > 2 hari sehingga berasa masam. Acetobacter xylinum : untuk pembuatan nata de coco (mensintesa selulosa dari gula yang dkonsumsi), serta pada produk teh kombucha Clostridium accetobutilicum. : untuk proses fermentasi asetonbutanol Bakteri pada fermentasi asam laktat : Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc. Bividobacterium sp : bersifat anaerob, digunakan sebagai mikroba probiotik, pada produk padat.
Tabel 4. Contoh Fermentasi Asam Laktat dan Kondisi Inkubasinya Bahan Pangan
Bakteri
Kondisi Inkubasi Suhu (oC)
Waktu
Ubi Kayu
Corynebacterium sp Geotrichum sp
Ambien
96 jam
Ikan
Bacillus pumilus Bacillus licheniformis
Ambien
3-12 bulan
Jagung
Corynebacterium sp Aerobacter sp Lactobacillus sp
Ambien
24-72 jam
Daging
Pediococcus cerevisiae Lactobacillus plantarum Lactobacillus curvatus
15-26
24 jam
Susu
Streptococcus thermophilus L.bulgaricus
40-45
2-3
Keju Cottage
Streptococcus diacetylactis
22
14-16
Keju Camembert
S.cremoris S.lactis
32
a*
Keju Cheddar
S.cremoris S.lactis Streptococcus diacetylactis Lactobacillus
32
a*
Sayuran (Mentimun dan Kubis)
Lactobacillus mesenteroides Lacobacillus brevis Lactobacillus plantarum
Ambien
48-260 jam
Keterangan
Rasio ikan : garam 3:1 dan 5:1
RH 85-90%
Konsentrasi garam 2.5-6%
•
Tergolong dalam Thallophyta, tidak berklorofil, tidak berdaun dan tidak berbatang Tdd golongan patogen dan non patogenik Peranan kapang dalam industri fermentasi : Mematangkan keju Menghasilkan asam organik Enzim-enzim Membuat berbagai produk seperti : tauco, tempe, kecap dll Genus yang penting dalam fermentasi : Aspergillus, Penicclum, Rhizopus dan Mucor
Multicellular, tubular structures (hyphae) Hyphae can be septate (regular crosswalls) or nonseptate (coenocytic) depending on the species (grow by apical extension) ◦ Vegetative hyphae grow on or in media (absorb nutrients); form seen in tissue, few distinguishing features ◦ Aerial hyphae contain structures for production of spores (asexual propagules); usually only seen in culture
Elisa Julianti - THP-FP USU
Identifikasi Kapang • Identification based on colony morphology (pigment, texture) and morphology of reproductive structures – Conidia - spores formed by budding (blastoconidia) or disarticulation of existing hypha (arthroconidia) – Sporangiospores - produced by free-cell formation within sporangium in nonseptate molds 1 1. 2. 3. 4. 5.
Conidiopspores Phialides Vesicle Conidiophore Septate hyphae
1
2
3
3 4
2 5
5
4
1. 2. 3. 4.
sporangium sporangiophore Endospores Nonseptate hyphae 5. rhizoids
Morfologi Koloni Kapang
Cryptococcus neoformans
Trichophyton tonsurans
Candida albicans
Wangiella dermatitidis
T. mentagrophytes
Aspergillus fumigatus
Beberapa jenis jamur yang penting dalam fermentasi : • Aspergillus niger : pada pembuatan asam sitrat, dan dapat mengkontaminasi makanan seperti roti tawar • Rhizopus oryzae : pada pembuatan tempe • Neurospora sitophila : sumber beta karoten pada fermentasi tradisional, seperti oncom • Monascus purpureus : pertama kali ditemukan di Jawa, tapi saat ini menjadi produk utama Cina dengan nama Angkak (hasil fermentasi beras). • Pencicillum sp : pada produksi antibiotika
Tabel 5. Beberapa Species Kapang dan Produk Metaboliknya Kapang
Produk
Aspergillus awamori
Asam kojat
A.clavatus
Asam sitrat, asam kojat
A.elegans
Mannitol
A.flavus
Kapang
Produk
P.Cammemberti
Keju cammembert
P.chrysogenum
Asam sitrat, Asam glukonat, lemak
Asam kojat, lemak, asam fumarat
P.citrinum
Asam sitrat, lemak
A.fumaricus
Asam kojat, lemak, asam fumarat
P.grisco-fulvum Diereks
Asam fumarat
A.fumigatus
Asam kojat
P.javanicum an Beijma
Lemak
A.giganteus
Asam kojat
A.gymnosardea
Asam kojat
P.purpurogenum rubrisclerotium
A.glaucus
Asam kojat, Mannitol
P.roqueforti
Lemak, Keju roquetor
A.itaconicus
Mannitol
Rhizopus arrhizus
Asam laktat
A.nidulans
Mannitol, Lemak
R.chinensis
Asam laktat
A.niger
Asam sitrat, asam galat, asam glukonat
R.delemar
Pati sakarifikasi
R.elegans
Asam laktat
A.oryzae
Asam kojat, preparasi enzim, pati sakarifikasi
R.japonicus
Asam fumarat
A.sydowi
Lemak
R.neqricans
Asam fumarat
A.tamarii
Asam kojat
R.oryzae
Asam fumarat, asam laktat
Byssochlamys fulva
Mannitol
R.pseudochinensis
Asam laktat
Clasterosporium sp
Mannitol, Etil Alkohol
R.salebrosus
Asam laktat
Fusarium sp
Etil Alkohol
S.shanghaiensis
Asam fumarat, asam laktat
Mucor piriformis
Asam sitrat
R.stolonifer
Asam fumarat, asam laktat
M.rouxii
Pati sakarifikasi
R.tritici
Asam fumarat, asam laktat
Paecillomyces divaricatum
Asam glukonat
Ustulina vulgaris
Asam sitrat
var
Asam fumarat
Tergolong dalam sub divisi Thallophyta Tdd 3 family : - Saccharomycetaceae - Sporabolomycetaceae - Cryptococcaceae Mempunyai sifat pereduksi yang kuat jika suatu media yang mengandung gula dan khamir difermentasi maka gula dan zat lain akan direduksi Asetaldehid, gliseraldehis, furfuraldehid dan benzaldehid alkohol, gleserol, furfuraldehid dan benzilakohol Alkohol tak jenuh seperti sitral dan sinamaldehid alkohol olefenik. Keton metilheksil, meilnonil, metil propil keton serta asetilmetilkarbinol. Hidroksi dan diketon alkoholnya masing-masing. Alkohol tak jenuh alkohol jenuh, misal nitrobenzen menjadi anilin, sulfur menjadi hidrogen sulfida dan quinon menjadi quinol, asam malat dan tararat menjadi asam suksinat.
Karakteristik Khamir • Unicellular, 3-5 µm, reproduce by budding (blastoconidia formation) or fission • Identified by microscopic morphology (grow on cornmeal agar) and biochemical tests (sugar assimilation, enzymatic activity). • Molds and yeast are not exclusive forms, some species may exist in both yeast and mold forms (dimorphism).
Ester Etil asetat
Produk lain Asam adenil Dioksida karbon Minyak Fusel Glutation Asam nukleat Nukleotida Kecap Vinegar
Vitamin Biotin Asam folat Niasin p-Asam amino benzoat Piridoksin Riboflavin Tiamin
Produk Ragi Ragi roti Ragi bir Ragi Foder Ragi makanan Ekstrak khamir Ragi Gum Ragi Lipida
Harus dapat memproduksi zat yang diinginkan dalam jumlah tinggi. Contoh : galur khusus untuk memproduksi Streptomycin Biaya operasional rendah Tahan disimpan sebagai galur murni tanpa penurunan sifat unggulnya Tahan terhadap perubahan kecil yang terjadi akibat perlakuan tertentu Tidak mengganggu kesehatan Tidak toksik atau sifat toksiknya dapat dengan mudah dimatikan.
Mikroba untuk fermentasi dapat diperoleh dari lingkungan tempat produksi atau dari tanah, air dsb yang terbaik : dari lingkungan atau substrat tempat tumbuhnya Mikroba yang sudah diisolasi kemudian di tumbuhkan pada media pertumbuhannya : - kontaminan dimatikan - gunakan kultur yang diperkaya Mikroba di alam dalam keadaan tercampur (banyak atau sedikit jenis) dengan sifat yang berbeda-beda perlu pemurnian.
Isolasi suatu galur murni dapat dilakukan dengan cara : 1. Secara Bertingkat (Cara Konvensional) :
Tingkat I : secara manual (pengenceran) (sampai 10-4 – 10-8) pada pengenceran terakhir dilakukan pemupukan media padat sehingga tumbuh koloni yang terpisah jauh dan diambil satu koloni yang dianggap murni Tingkat II : dengan media yang bersifat selektif bagi mikroba Tingkat III : koloni yang seolah-olah sudah murni diencerkan kembali atau diisolasi ulang, kemudian dikarakterisasi untuk membuktikan isolat = galur murni.
2. Dengan alat mikromanipulator : alat yang tdd alat manipulator yang dapat dilihat melalui mikroskop. Alat ini dilengkapi jarum halus yang dapat digerakkan pada objek (kumpulan mikroba) kemurnian dibuktikan dengan uji fisik atau mikroskopik, atau uji kimiawi (dengan pupukan khusus).
3. Dengan kultur khusus (kultur pemerkaya/enrichment culture)
media yang bersifat memberi kemudahan untuk tumbuhnya mikroba tertentu yang diinginkan dan menekan pertumbuhan mikroba yang tidak diinginkan. Untuk organisme fotosintesis media tanpa sumber energi organik dan anorganik, CO2, inkubasi di bawah sinar matahari. Inokulum berasal dari : sungai, danau, laut dan tanah. Untuk bakteri litropik yang mampu memanfaatkan amonium, media mengandung NH3, inkubasi di dalam gelap. Inokulum berasal dari : tanah, air limbah atau lumpur. Organisme yang menggunakan bahan organik tertentu sebagai sumber energi, contoh : mikroba yang menggunakan herbisida 2,4D (2,4 asam dikloropenoksi asetat), Mikroba yang mampu tumbuh pada suhu tinggi, diinkubasi pada suhu tinggi. Mikroba yang anaerob diinkubasi pada media kultur tanpa O2.
Dapat digunakan teknik goresan Cara yang umum : Dispersikan 1 bagian koloni dalam 2-3 ml air steril Goreskan 1 ose suspensi di atas media agar membentuk goresan zig zag Setelah masa inkubasi selesai, ambil koloni terpisah pada setengah terakhir dari goresan Jika semua koloni tunggal mempunyak ukuran dan penampakan yang seragam kultur murni perlu pengujian mikroskopis Jika ukuran sudah seragam kultur disimpan dalam agar miring (malt extract agar) Jika belum seragam ulangi teknik di atas
Elisa Julianti - THP-FP USU
Elisa Julianti - THP-FP USU
Elisa Julianti - THP-FP USU
Teknik goresan tidak efektif untuk jamur benang Isolasi tergantung dari pengambilan sampel berupa hifa atau spora yang dianggap murni (oleh mata atau alat lain) yang ditunjukkan dengan keseragaman yang terbentuk setelah diinkubasi pada media tumbuh Penampakan kultur campuran tergantung dari laju pertumbuhan jika beragam : terdapat gumpalan pada titik inokulum jika kec.pertumbuhan sama : terdapat perbedaan pada sektor pertumbuhan berupa perbedaan miselia, spora atau warna
Tempat sederhana isolasi jamur : media perhitungan dengan sebaran koloni yang baik Digunakan jarum preparat yang steril untuk mengambil spora atau miselium Pembebasan jamur dari bakteri sulit kecuali dengan antibiotik Isolasi jamur yang tumbuh lebih cepat akan lebih mudah Hifa yang berada disebelah luar biasanya bebas kontaminasi Untuk memisahkan jamur yang tumbuh cepat dengan yang lambat butuh keterampilan khusus
Jamur yang tumbuh lebih lambat biasanya memiliki waktu perkecambahan dan pembentukan spora yang cepat perlu dilakukan : - inokulasi setiap hari - gunakan suhu < atau > - media dengan aw rendah - penambahan dikloran Kultur murni diinokulasikan dalam media yang sesuai jamur diinokulasikan pada titik di tengah agar miring Penyimpanan jangka pendek : pada agar miring yang ditutup kapas (cara tradisional), atau pada tabung berpenutup yang tetap kering selama penyimpanan, tetapi tutup harus kendur agar jamur mendapat oksigen
Karakteristik utama mikroorganisme : 1. Karakeristik kultural nutrien/kultur spesifik 2. Karakteristik morfologis ukuran sel, susunan koloni, bentuk, struktur yang dapat diamati 3. Karakteristik metabolik cara melakukan proses biokimia 4. Karakteristik komposisi kimiawi bahan/zat utama yang terkandung 5. Karakteristik antigenik deteksi komponen sel khusus yang mempunyai persamaan antar spesies Caranya : mikroba yang tidak diketahui spesiesnya, disuntikkan ke hewan, kemudian diambil serum darah hewan tersebut, dan dilakukan reaksi antigenantibodi yang bersifat spesifik. 6. Karakteristik genetik analisis komposisi DNA yang diisolasikan dari mikroba yang berlainan.
Susunan basa DNA bersifat konstan pada suatu mikroba dan dinyatakan dalam % (G + C) : G+C % (G + C) = A+T+G+C A = Adenin, T = Thymine, G = Guanine, C = Cytocine
Species Bacillus substilis B.Cereus B.Megaterium
% (G+C) 42-43 32-37 36-38
Lactobacillus L.Leichmanii L.Lactis
46.9 50.8 + 0.5 50.3 + 1.4
Micrococcus luteus M.Roseus M.varians
70.7-75.5 66 -74 66-72
Keuntungan Kultur Campuran • Produksi yoghurt dan kecap menggunakan kultur murni, namun fermentasi tradisional di Asia banyak menggunakan kultur campuran yang • Konsumen lebih menyukai produk fermentasi yang diproduksi dengan kultur campuran alami menghasilkan produk dengan aroma yang tajam pada rice wine, kongju dan flavor yang kuat pada kecap kedelai, kanjang dan produk fermentasi lain di Korea • Aktivitas antikanker dari doenjang yang dibuat dengan fermentasi tradisional lebih tinggi daripada yang dibuat oleh industri menggunakan kultur murni (koji) Elisa Julianti - THP-FP USU
Tuliskan contoh 1 cara isolasi dan identifikasi sel bakteri, ragi dan kapang (pilih salah satu). Tulis dengan tulisan tangan Cantumkan sumber pustaka Dikumpulkan : Rabu 6 Maret 2013
Elisa Julianti - ITP-FP USU
