Pokok Bahasan II DASAR-DASAR DAN BIOKIM1A

Pokok Bahasan II
DASAR-DASAR DAN BIOKIM1A FERMENTASI
Deskripsi Singkat
Fermentasi berasal dari kata latin yaitu fervere yang berarti mendidih (toboil),
hal ini ternyata merupakan aktifitas khamir pada ekstrak buah-buahan atau serealia.
Selama fermentasi dihasilkan CO2 sehingga kondisinya menjadi anaerob.
Definisi fermentasi ini diperluas yaitu reaksi oksidasi reduksi menggunakan
sumber energi dan sumber karbon, nitrogen dan lain-lain untuk membentuk senyawa
yang mempunyai nilai ekonomi lebih tinggi serta terakumulasi dalam medium.
Adapun tahapan fermentasi adalah jenis mikrobia dan kultur stok, media,
preparasi inokulum, fermentasi, kontrol proses dan pengunduhan hasil serta operasi
fermentasi. Operasi fermentasi secara komersial dapat digolongkan menjadi tiga
golongan yaitu fermentasi non aseptis, semi aseptis dan aseptis. Sebagai contoh
fermentasi non aseptis yaitu produksi protein sel tunggal (PST) dari hidrokarbon,
fermentasi alkohol tergolong fermentasi semi aseptis dan produksi antibiotik bersifat
fermentasi aseptis.
Kebanyakan produk berasal dari substrat yang mengandung karbon.
Bermacam-macam produk antara yang dihasilkan dari glukosa dan dihasilkan asam
piruvat sebagai senyawa kunci, kemudian asam piruvat direduksi menjadi asam laktat,
asam butirat, asam propionat butanediol, etil alkohol dan sebagainya.
Produk yang dihasilkan tergantung ada dan tidaknya ensim mikrobia. Sebagai
contoh bakteri asam laktat tidak rnenghasilkan ensim piruvat dekarboksilase, tetapi
mereduksi piruvat menjadi asam laktat, sedang khamir dapat menghasilkan piruvat
dekarboksilase untuk mereduksi senyawa CO2 menjadi etanol.
Metabolisme glukosa dalam kondisi anaerob oleh mikrobia melalui EmbdenMeyerhaf-Parnas.
Kemudian
pseudomonas
melalui
reaksi
Entner
Doudoroff
mendegradasi menjadi etil alkohol. Leuconostoc mesenteraides melalui fermentasi
glukosa menjadi asam laktat. Banyak fermentasi lain yang dilakukan oleh mikrobia
sesuai sifat kharakteristik masing-masing.
Tujuan Instruksional Khusus
Mahasiswa setelah mempelajari dasar-dasar fermentasi dan biokimianya
mampu menjelaskan tahapan fermentasi, asam piruvat, suatu kunci utama dalam
fermentasi karbohidrat, mengetahui urutan reaksi Heksosa Di Phosphat (DHP),
Heksosa Mono Phosphat (HMP). Embden Meyerhaf-Paruas (EMP), Entner Soudoroff.
A. DASAR-DASAR FERMENTASI
1. Dalam fermentasi terdapat hubungan antara pertumbuhan sel, kecepatan
pertumbuhan, konsentrasi substrat serta produk akhir. Tipe fermentasi
dibedakan atas pertumbuhan mikrobia dan produk :
a. Sinonim : produksi protein sel tunggal
b. Assosiasi (associated) : fermentasi alkohol asam sitrat, dan asam Iaktat.
c. Non assosiasi (non associated) : fermentasi antibiotik.
d. Stepwise : fermentasi antibiotic
2. Mikrobia yang berperanan dalam industri adalah bakteri, fungi, khamir, alge,
dan protozoa.
a. Bakteri contohnya : Zymomonus mobilis, CIostridium acetobutylicum,
Acetobacter aceti.
b. Fungi contohnya : AspergiIIus oryzae, Penicelium notatum, Rhizopus
oligosporus
c. Khamir
contohnya
:
Saccharomyces
cerevisiae,
Candida
utilis,
Saccharomyces pombe.
d. Virus perlu dipelajari karena penyebab kontaminasi
e. Protozoa penting dalam penanganan limbah
f.
Alge untuk produksi bahan makanan yaitu agar, protein sel tunggal.
3. Peranan mikrobia dalam metabolisme yaitu :
a.
Katabolisme : fermentasi alkohol, aseton, butanol dan asam organic
b.
Anabolisme : fermentasi polisakarida protein, asam nukleat, alkaloid.
4. Peranan ensim dalam fermentasi
a. Katalisator ensim dapat mempercepat reaksi kimia 1012 - 1020 kali
dibandingkan dengan katalisator anorganik.
b. Reaksi dengan menggunakan ensim untuk mendapatkan produk melalui
degradasi tahap demi tahap.
c. Energi yang dihasilkan oleh ensim ditangkap lalu dilepas, tidak seperti
katalisator anorganik.
d. Ensim dapat menurunkan energi aktivasi reaksi.
5. Fermentasi oleh mikrobia dapat menggunakan substrat dasar karhohidrat dan
senyawa nitrogen organik.
Macam-macam fermentasi karbohidrat
No. Macam
Glikolisis
Hasil akhir utama
1.1. Oleh khamir
HDP
etanol, CO2
1.2. Oleh bakteri
EDP
etanol, CO2
HDP
asam laktat
HMP
asam laktat, etanol,
1. Fermentasi alkohol
2. Fermentasi asam laktat
2.1. Homofermentasi
(Homolaktat)
2.2. Heterofermentasi
(Heterolaktat)
3. Fermentasi asam propionat
asam asetat dan CO2
HDP
asam propionat,
asam asetat, CO2
4. Fermentasi asam butiran
HDP
asam butirat,asam asetat,
H2, CO2, butanol, etanol,
Aseton, Isopropanol.
5. Fermentasi asam campur
HDP
etanol, asetat, format, H2,
CO2, Iaktat, suksinat.
6. Fermentasi butanediol
HDP
butanediol, etanol, laktat,
suksinat, asetat, H2, CO2
Peruraian glukosa menjadi asam piruvat dibedakan menjadi 3 jalur :
•
Jalur heksosa difosfat (HDP), yaitu Embden-Meyerhoff-Parnas atau glikolisa.
•
Jalur heksosa monfosfat (HMP), yaitu jalur Warburg Dicken, jalur fosfoketolosa,
atau jalur pentosa fosfat.
•
Jalur 2 keto-3 deoksi glukonat-6 fosfat (jalur KDGP), atau jalur Entner Doudoroff
Skema berbagi jalur perubahan
pe
asam piruvat
6. Tahapan fermentasi
a. Pemilihan mikrobia
Mikrobia yang dipakai dalam industri akan sangat bermanfaat bila disimpan
untuk penggunaan lebih lanjut tanpa mengurangi kemampuan
ke ampuan tu
tumbuh dan
produksinya. Ada dua macam kultur yaitu primary culture dan working
culture.
b. Media fermentasi
Media sangat penting dalam fermentasi karena mikrobia mampu tumbuh
pada substrat tersebut.
ter
Media harus mengandung makronutrien
utrien. Media
fermentasi dapat digolongkan menjadi dua macam yaitu media sintetik dan
kompleks.
c. Peparasi inokulum
Media untuk penyiapan inokulum
in
biasanva
sanva berbeda dengan media
fermentasi. Media untuk inokulurn untuk menghasilkan sel
sel mikrobia dalam
jumlah besar
esar tanpa terjadi
te
peruhahan sifat genetik sel.. Konsentrasi
penggunaan 0,5 % sampai 5 % volume, kadang 10 % - 20 % inokulum yang
terlalu sedikit mengakibatkan waktu fermentasi menjadi lama dan
produktivitas menurun.
d. Kontrol proses fermentasi dan pengunduhan produk akan dihahas pada bab
berikutnya.
B. BIOKIMIA FERMENTASI
1. Pada reaksi-reaksi katabolisme-anabolisme ATP dan nikotin adenin di
nucleotide yang tereduksi (NADH) adalah kunci utama dalam fermentasi.
2. Fermentasi terjadi bila produk fermentasi kandungannya lebih rendah dari
substrat yang difermentasi.
3. Rumus untuk menyatakan perubahan energi bebas dengan perombakan
potensial bila elektron pindah dari sistem ke sistem lain.
∆Fo = - n F Eo
∆F°
= perubahan energi bebas pada keadaan standard (Cal/mole)
N
= jumlah elektron yang dipindahkan
Fo
= Faraday, setara dengan 23,063 Cal/volt
Eo
= potensial
4. Reaksi-reaksi metabolisme ada dua yaitu :
a.
Proses disimilasi (katabolisme) dapat menghasilkan hasil antara dan energi
oleh mikrobia.
b.
Proses
asimilasi
(biosintesa/anabolisme)
atau
reaksi
yang
dapat
mensintesa konstituen-konstituen sel dan produk akhir Iainnya sesuai sifat
mikrobia.
5. Reaksi EMP dan Krebs disebut juga reaksi amphibolik. Reaksi amphibolik
berfungsi mengarahkan dan mutlak diperlukan dalam biosintesa. Karena reaksi
amphibolik menghasilkan energi dan senyawa prekursor untuk biosintesa.
6. Pemecahan (metabolisme) karbohidrat oleh mikrobia.
a. Fermentasi alkohol oleh khamir (Saccharomyces)
b. 1. Fermentasi
mentasi asam laktat yaitu homolaktat dan heterolaktat
• Fermentasi homolaktat mengikuti jalur HDP
DP lalu dengan ensirn lak
laktat
dehidrogenase, asam piruvat dirubah jadi asam laktat.
la
• Fermentasi heterolaktat mengikuti jalur HMP.
MP. Asetilfosfat diubah
menjadi asetil KoA. Oleh ensirn asetaldehida dehidrogenasa dan
d
alkohol.
• Dehidrogenase
ehidrogenase akan dihasilkan alkohol. Piruvat oleh ensirn Iaktat
dihidrogenase
drogenase dirubah menjadi asam
asa laktat.
2. Fermentasi asarn laktat oleh Bibidobacteriurn bifidum.. Bakteri ini
mempunyai
ai ensim fruktosa 6-fosfat
6
fosfo ketolase dan xilulosa
xilulosa-5-fosfat
fosfoketolase yang menghasilkan
menghasilkan asetil fosfat. Asetil fosfat akan dirubah
menjadi asetat dengan bantuan
bant
asetat kinasa.
c. Fermentasi asam propionat
Bakteri asam propionat menghasilkan asam propionat dari karbonat, lalu
hasil lainnya
ainnya asam asetat dan CO2
Contoh
bakteri
asam
asa
propionat:
Propionibacterium,
C
Clostridium,
propionicum,
ionicum, Peptostreptococcus elsdeni.
elsdeni
d. Fermentasi asam butirat
Bakteri asam butirat
utirat antara lain CIostridium, Butyrivibrio, Eub
ubacterium,
Fusobacterium.. Selain asam butirat dihasilkan pula asetat, aseton.
isopropanol, butanol
utanol CO2 dan H2.
e. Fermentasi asam campur butanediol
−
Fermentasi asam campur dilakukan
di
oleh jenis :
Jenis Enterobacterioceae, genus Escherichia, Salmonella dan Shigella.
Hasilnya asam
m laktat, asetat, suksinat dan formiat, CO2, H2 dan etanol.
−
Pada fermentasi butanediol, asam-asam organik yang dihasilkan sedikit,
lebih banyak CO2, etanol dan rnenghasilkan senyawa khusus 2,3
butanediol. Bakteri yang berperanan: Enterobacter, Seratia dan Erwinia
f.
Fermentasi senyawa nitrogen organik, dibagi menjadi 3 macam :
1. Fermentasi asam amino tunggal
2. Fermentasi sepasang amino (reaksi stickland)
3. Fermentasi senyawa nitrogen heterosiklik
Bakteri yang berperanan Clostridium. Contoh fermentasi glisin, treonin,
glutamat, lisin dan sebagainya.
Fermentasi senyawa N-heterosiklik dapat dilakukan oleh jenis bakteri
Clostridium acidi-urici dan Cl. Cylindrosporum.
Kedua bakteri ini memfermentasi guanin, hipoxantin, urat dan xantin.
Latihan soal.
1. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi fermentasi ! Jelaskan salah
satu faktor lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan mikrobia !
2. Bedakan antara isolasi metoda crowded plate technique, auxonography dan
enrichment culture !
3. Beri
contoh
lima
macam
senyawa
unsur
yang
tergolong
dalam
makronutrien, mesonutrien dan mikronutrien !
4. Jelaskan fungsi dan sumber nitrogen organik dan anorganik bagi
pertumbuhan mikrobia !
5. Mengapa dalam suatu fermentasi antibiotik perlu ditambah precursor !