2 TINJAUAN PUSTAKA Bakteri Asam Laktat Bakteri

TINJAUAN PUSTAKA
Bakteri Asam Laktat
Bakteri Asam Laktat (BAL) erat kaitannya dengan proses fermentasi pangan,
dan saat ini telah berkembang dalam industri pangan fermentasi. BAL sering
ditemukan secara alamiah dalam bahan pangan. Bakteri ini secara luas terdistribusi
pada susu, daging segar, sayuran, serta produk-produk lainnya. Peranan utama BAL
adalah sebagai kultur starter produk-produk yang melibatkan proses fermentasi untuk
memperoleh produk akhir dengan konsistensi tinggi, menstabilkan produk-produk
sehingga diperoleh cita rasa yang spesifik serta untuk mengawetkan produk yang
diinginkan (Smid dan Gorris, 2007). Selain itu, Leverentz et al. ( 2006) menyebutkan
bahwa BAL merupakan salah satu mikroorganisme yang dapat digunakan dalam
mengontrol pertumbuhan bakteri patogen dalam bahan pangan karena mampu
menurunkan pH dan menghasilkan bakteriosin.
BAL mempunyai karakteristik morfologi, fisiologi dan metabolit tertentu.
Deskripsi secara umum dari bakteri ini adalah termasuk dalam bakteri Gram positif,
tidak berspora, berbentuk bulat maupun batang dan menghasilkan asam laktat
sebagai mayoritas produk akhir selama memfermentasi karbohidrat (Axelsson,
2004). Lebih lanjut dinyatakan oleh Jay (1998) BAL bersifat mesofilik dan
termofilik, beberapa dapat tumbuh pada suhu 5 oC dan tertinggi 45 oC, dapat
bertahan pada pH 1,2-9,6 dan beberapa hanya dapat tumbuh pada kisaran pH yang
sempit (pH 4,0-4,5). Bakteri ini termasuk mikroorganisme GRAS (Generally
Recognized as Safe) atau golongan mikroorganisme yang aman ditambahkan dalam
makanan karena sifatnya yang tidak toksik dan tidak menghasilkan toksin, yang
dikenal dengan sebutan “food grade microorganism”, yaitu mikroorganisme yang
tidak beresiko terhadap kesehatan (Alakomi et al., 2000).
BAL terbagi dalam 8 genus antara lain Lactobacillus, Streptococcus,
Lactococcus, Pediococcus, Enterococcus, Leuconostoc, Bifidobacterium, dan
Corinebacterium.
Berdasarkan
tipe
fermentasinya,
BAL
terbagi
menjadi
homofermentatif dan heterofermentatif. Kelompok homofermentatif menghasilkan
asam laktat sebagai produk utama dari fermentasi gula sedangkan kelompok
heterofermentatif menghasilkan asam laktat dan senyawa lain yaitu CO2, etanol,
asetaldehida, diasetil serta senyawa lainnya (Fardiaz, 1992).
2
Lactobacillus
Lactobacillus merupakan bakteri Gram positif, tidak menghasilkan spora,
biasanya tidak bergerak, anaerob fakultatif, katalase negatif, koloninya dalam media
agar berukuran 2-5 mm, konfeks, opak, sedikit transparan, tidak berpigmen dan
metabolit utamanya adalah asam laktat. Tumbuh baik pada suhu 25-40 oC dan
tersebar luas di lingkungan terutama dalam produk-produk pangan asal hewan dan
sayuran. Bakteri ini menetap dalam saluran pencernaan unggas dan mamalia (Ray
dan Bhunia, 2008). Lactobacillus dibagi menjadi tiga grup, disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Grup Spesies Lactobacillus sp
Karakteristik
Fermentasi
karbohidrat
Grup I
Homofermentatif
Grup II
Fakultatif
heterofermentatif
Grup III
Heterofermentatif
Produk akhir
fermentasi
karbohidrat
Laktat
Laktat, asetat,
etanol, CO2, format
Laktat, asetat,
etanol, CO2
Contoh spesies
L. delbrueckii ssp.
delbrueckii,
bulgaricus, lactis
L. leichmannii
L. acidophilus
L. elveticus
L. brevis
L. sanfrancisco
L. reuteri
L. casei ssp. casei,
rhamnosus,
pseudoplantarum
L. plantarum
L. curvatus
L. sake
L. fermentum
L. divergens
L. kefir
L. confuses
Sumber: Ray dan Bhunia (2008).
Lactobacillus plantarum 1A5, 1B1, 2B2 dan 2C12
L. plantarum termasuk bakteri dalam filum Firmicutes, kelas Bacilli, ordo
Lactobacillales, family Lactobacillaceae dan genus Lactobacillus. L. plantarum
mempunyai kemampuan untuk menghambat mikroorganisme patogen pada bahan
pangan dengan daerah penghambatan terbesar dibandingkan dengan bakteri asam
laktat lainnya (Syahniar, 2009). L. plantarum tergolong dalam bakteri Gram positif,
berbentuk batang tunggal maupun rantai pendek, tidak berspora, katalase negatif, dan
anaerob fakultatif (Ray dan Bhunia, 2008).
L. plantarum 1A5, 1B1, 2B2 dan 2C12 merupakan isolat BAL yang diisolasi
dari daging sapi lokal Indonesia, peranakan Ongole. Galur L. plantarum 1A5, 1B1,
3
2B2 dan 2C12 mampu bertahan dalam media NaCl 6,5%, tumbuh pada suhu 15 oC,
tumbuh baik pada 37 oC dan 45 oC, dan tahan pada kondisi usus (pH 7,2) dan
bertahan hidup lebih baik pada pH 2 (Wijayanto, 2009).
Senyawa Antimikrob
Senyawa antimikrob dapat bersifat bakterisidal (membunuh bakteri),
bakteristatik (menghambat pertumbuhan mikroba), fungisidal (membunuh kapang),
fungistatik (menghambat pertumbuhan kapang) dan germisidal (menghambat
germinasi spora bakteri). Kemampuan suatu zat antimikrob dalam menghambat
pertumbuhan mikroba dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain konsentrasi zat
pengawet, waktu penyimpanan, suhu lingkungan, sifat-sifat mikroba (jenis,
konsentrasi, umur dan keadaan mikroba), sifat-sifat fisik dan kimia makanan,
termasuk kadar air, pH, jenis dan jumlah senyawa di dalamnya (Fardiaz, 1992).
Metabolit-metabolit bakteri asam laktat yang berfungsi sebagai senyawa
antimikrob antara lain asam organik (asam laktat dan asam asetat), bakteriosin,
hidrogen peroksida, diasetil, CO2 dan semua metabolit yang mempunyai aktivitas
antimikrob (Fardiaz, 1992; Jay et al., 2005; Settanni dan Corsetti, 2008).
Asam Organik
Penghambatan pertumbuhan pada mikroba oleh asam organik diakibatkan
adanya akumulasi anion. Anion menyebabkan berkurangnya kecepatan dari sintesis
makromolekul dan mempengaruhi transportasi antar membran sel. Bakteri asam
laktat dan juga bakteri lain meniadakan efek dari akumulasi anion dengan cara
mengurangi pH pada sitoplasma (Ouwehand dan Vesterlund, 2004).
Asam-asam organik yang dihasilkan oleh BAL mengakibatkan akumulasi
produk akhir asam dan penurunan pH yang akan menghambat pertumbuhan bakteri
baik Gram positif maupun bakteri Gram negatif. Turunnya pH internal menyebabkan
terdenaturasinya protein dan kehilangan viabilitasnya (Ray, 1992).
Bakteriosin
BAL memproduksi komponen antimikrob, salah satunya bakteriosin.
Kemampuan bakteriosin dalam melakukan aktivitasnya sebagai biopreservatif
dicapai oleh efek penghambatannya terhadap mikroorganisme patogen yang
berbahaya (Savadogo et al., 2006; Smid dan Gorris, 2007).
4
Bakteriosin adalah peptida-peptida yang diproduksi oleh sejumlah bakteri
Gram positif dan Gram negatif (Aymerich et al., 2008). Bakteriosin yang
diproduksi oleh BAL dapat didefinisikan sebagai protein aktif atau kompleks
protein yang menunjukkan aksi bakterisidal melawan bakteri Gram positif, terutama
spesies yang berkerabat dekat dengan spesies penghasil (Jack et al., 1995; Ray dan
Bhunia, 2008; Parada et al., 2007). Penggunaan bakteriosin sebagai biopreservatif,
perlu memperhatikan dan menentukan jumlah konsentrasi bakteriosin yang harus
ditambahkan dalam produk pangan, dan efisiensi bakteriosin dalam mengontrol
bakteri-bakteri patogen (Ananou et al., 2005). Beberapa bakteriosin yang telah
berhasil dikarakterisasi, disajikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Bakteriosin asal L. plantarum yang Telah Berhasil Dikarakterisasi
Spesies L. plantarum
L. plantarum KLDS1.0391
Jenis Bakteriosin
plantaricin MG
Asal Isolasi
Industri Tortilla
Literatur
Gong et al.
(2010)
L. plantarum A-1
plantaricin ASM1 "Jiaoke",
Fermentasi krim
Algerian
Hata et al.
(2010)
L. plantarum OL15
plantaricin OL15
Fermentasi
minyak zaitun
Mourad et
al. (2005)
L. plantarum C19
plantaricin C19
Fermentasi
mentimun
Atrih et al.
(2001)
L. plantarum BFE 905
plantaricin D
Salad
Franz et al.
(1998)
L. plantarum 423
plantaricin 423
Sorgum
Van Reenen
et al. (1998)
L. plantarum LL441
plantaricin C
Keju Cabrales
Gonzales et
al. (1994)
Hidrogen Peroksida
BAL memproduksi H2O2 di bawah kondisi pertumbuhan aerob. BAL
mengsekresikan H2O2 tersebut sebagai alat pelindung diri yang mampu bersifat
bakteriostatik maupun bakterisidal. H2O2 merupakan salah satu agen pengoksidasi
kuat, dapat dijadikan sebagai zat antimikrob melawan bakteri, fungi dan bahkan virus
(Ray dan Bhunia, 2008).
5
Kemampuan H2O2 untuk mengoksidasi menyebabkan perubahan tetap pada
sistem enzim sel mikroba sehingga digunakan sebagai antimikrob. Selain itu,
senyawa ini juga dapat terdekomposisi menjadi air dan oksigen. Kemampuan
bakterisidal dari H2O2 tergantung pada pH, konsentrasi, suhu, waktu dan tipe serta
jumlah mikroorganisme. Konsentrasi tertentu, spora bakteri ditemukan paling
resisten terhadap H2O2, diikuti dengan bakteri Gram positif. Bakteri yang paling
sensitif terhadap H2O2 adalah bakteri Gram negatif, terutama koliform (Ouwehand
dan Vesterlund, 2004).
Mekanisme Aksi Penghambatan oleh Bakteriosin
Beberapa bakteriosin mempunyai sifat bakterisidal melawan beberapa strain
dan spesies yang berelasi dekat tetapi beberapa dapat efektif melawan banyak strain
dalam spesies dan genera yang berbeda. Namun, sel penghasil bakteriosin akan
mengalami ketahanan terhadap bakteriosin yang dihasilkannya sendiri, disebabkan
memperoleh ketahanan protein yang spesifik. Bakteriosin ini pada umumnya sangat
efektif melawan sel dari bakteri Gram positif dan bakteri-bakteri lain yang
kekerabatannya dekat. Bakteriosin asal BAL tidak efisien dalam menghambat bakteri
Gram negatif karena membran terluarnya bersifat hidrofilik dan dapat menghalangi
aksi
bakteriosin.
Membran sitoplasma dari mikroorganisme Gram negatif
dikarakterisasi melalui keberadaan lapisan luar yang mengandung fosfolipida, protein,
polisakarida, lemak, dan substansi non permeabel (Ray dan Bhunia, 2008).
Aktivitas antimikrob bakteriosin merupakan interaksi awal antara molekulmolekul kationik dari bakteriosin dengan polimer-polimer anionik di permukaan sel,
salah satunya adalah asam teikoat. Asam teikoat tersebut merupakan reseptor
bakteriosin yang hanya dihasilkan oleh bakteri Gram positif. Selanjutnya, aksi
bakterisidal dari bakteriosin melawan sel yang sensitif akan dihasilkan melalui
destabilisasi fungsi dari membran sitoplasma, berupa peningkatan permeabilitas
membran sehingga mengganggu keseimbangan barier dan dapat mengakibatkan
kematian sel (Jack et al., 2005). Mekanisme lainnya antara lain perubahan aktivitas
enzim, penghambatan germinasi spora dan inaktivasi pembawa anionik langsung
membentuk pori-pori selektif dan non selektif (Ray dan Bhunia, 2008).
6
Pemurnian Protein
Purifikasi Parsial Menggunakan Amonium Sulfat
Penggunaan amonium sulfat dalam proses pemurnian protein telah banyak
digunakan. Day dan Underwood (2002) menyatakan bahwa proses pengendapan
merupakan awal proses pemurnian protein. Bahan yang biasa digunakan dalam
mengendapkan protein dalam larutan adalah amonium sulfat. Amonium sulfat
mampu membuka permukaan hidrofobik dari protein sehingga membentuk interaksi
hidrofobik dan membentuk presipitat atau endapan protein (Walker, 2000). Proses
pemurnian protein menggunakan amonium sulfat menghasilkan presipat yang masih
tercemar dengan garam dari amonium sulfat sehingga dilakukan proses dialisis.
Dialisis dapat menghilangkan pengotor-pengotor pada permukaan partikel protein
(Day dan Underwood, 2002).
Kromatografi Pertukaran Ion
Proses kromatografi pertukaran ion menggunakan resin sebagai bahan yang
dapat memurnikan protein. Day dan Underwood (2002) menyatakan bahwa resin
pertukaran ion diperoleh dengan memasukkan gugus yang dapat diionisasi ke dalam
matriks polimer. Secara komersial resin penukar ion terdiri dari resin penukar kation
(bermuatan negatif) akan mengikat ion positif dan resin penukar anion (bermuatan
positif) akan mengikat ion negatif. SP SepharoseTM merupakan salah satu penukar
kation yang kuat dan merupakan kelompok sulfopropil yang stabil baik secara fisik
maupun kimiawi (Wikstroms, 2002).
Kromatografi merupakan suatu metode pemisahan fisik, dimana komponenkomponen yang dipisahkan didistribusikan diantara dua fasa, salah satu fasa tersebut
adalah suatu lapisan stationer dengan permukaan yang luas, yang lainnya sebagai
fluida yang mengalir lembut disepanjang landasan stationer. Kromatografi
pertukaran ion terdiri dari landasan stationer berupa padatan dan fasa bergerak
berupa cairan (Day dan Underwood, 2002). Buffer yang digunakan dalam
kromatografi penukar kation adalah buffer anion seperti asetat, barbiturat dan fosfat
(Wilson, 2000). Protein tidak akan terikat pada resin penukar ion dan akan mengalir
keluar kolom pada pH isoelektrik (pI). Protein akan bermuatan positif dan akan
berikatan dengan penukar kation (SP Sepharose) ketika pH di bawah pH isoelektrik
(pI). SP SepharoseTM mempunyai pH berkisar 4-13 (Wikstroms, 2002).
7
Mikroba Patogen pada Bahan Pangan
Bakteri patogen dibedakan atas penyebab intoksikasi yaitu keracunan yang
disebabkan oleh toksin yang dihasilkan bakteri patogen yang berkembang di dalam
bahan makanan, sedangkan infeksi yaitu bakteri yang menghasilkan racun di dalam
saluran pencernaan (Fardiaz, 1992).
Bakteri secara umum dibedakan menjadi dua bagian berdasarkan sifat
pewarnaan gram yaitu bakteri Gram positif dan Gram negatif. Perbedaan antara
bakteri Gram positif dan Gram negatif tergantung pada komposisi dalam dinding sel.
Dinding sel bakteri Gram positif sebagian besar terdiri dari lapisan peptidoglikan
(90%) dan bakteri Gram negatif mempunyai kandungan lipida yang tinggi pada
dinding selnya dalam bentuk liposakarida dan lipoprotein (Fardiaz, 1992). Perbedaan
antara bakteri Gram positif dan Gram negatif, disajikan pada Tabel 3.
Tabel 3. Perbedaan Antara Bakteri Gram Positif dan Bakteri Gram Negatif
Sifat
Komposisi dinding sel
Ketahanan terhadap antibiotik
Penghambatan oleh pewarna basa
Kebutuhan nutrien
Ketahanana terhadap perlakuan
fisik
Bakteri
Gram Positif
lipida rendah (1-4%)
lebih sensitif
lebih dihambat
relatif kompleks
Gram Negatif
lipida tinggi (11-12%)
lebih tahan
kurang dihambat
kompleks sederhana
lebih tahan
kurang tahan
Sumber: Buckle et al. (2007).
Kelompok bakteri patogen yang bersifat Gram positif diantaranya
Staphylococcus aureus, Listeria monocytigenes dan Bacillus cereus sedangkan
bakteri yang bersifat Gram negatif diantaranya Escherichia coli, Pseudomonas
aeruginosa dan Salmonella typhimurium.
Staphylococcus aureus
S. aureus termasuk famili Micrococcaceae, merupakan bakteri Gram positif,
berbentuk kokus yang terdapat dalam bentuk tunggal, berpasangan tetrad atau
kelompok, seperti buah anggur dengan diameter berkisar 0,5-1,5 µm, anaerob
fakultatif, tidak bergerak, tidak berspora dan biasanya termasuk katalase positif (Ray
dan Bhunia, 2008). Suhu optimum pertumbuhan S. aureus adalah 35-37 oC, suhu
minimum 6,7 oC dan suhu maksimum 45,5 oC. Bakteri ini dapat tumbuh pada pH
8
4,0-9,8 dengan pH optimum sekitar 7,0-7,8. Hsieh et al. (1998) mencatat terjadinya
peningkatan besar dalam sensitivitas S. aureus terhadap kation dan antimikrob pada
kondisi pH alkali.
Bacillus cereus
B. cereus merupakan bakteri pembentuk spora tergolong dalam famili
Bacillaceae. B. cereus adalah bakteri Gram positif berbentuk batang, bergerak, dapat
membentuk spora, bersifat anaerobik fakultatif dan tersebar secara luas dalam tanah
dan air. Kemampuan membentuk spora memungkinkan mikroorganisme ini tetap
hidup pada pengolahan dengan pemanasan (Buckle et al., 2007). Ray dan Bhunia
(2008), menyatakan bahwa sel bakteri ini sensitif terhadap pasteurisasi, namun
sporanya dapat bertahan terhadap suhu tinggi. Suhu untuk pertumbuhan B. cereus
berkisar 4-50 oC, dengan suhu optimum pertumbuhannya adalah 35-40 oC. Parameter
pertumbuhan lainnya adalah bakteri ini dapat tumbuh pada pH 4,9-9,3 dengan aw
minimum 0,95 serta konsentrasi NaCl adalah 10%. Torkar dan Matijasi (2003)
menyatakan bahwa B. cereus stabil pada pH 3 hingga pH 10. Lebih lanjut, Padan et
al. (2005) dalam penelitiannya menyatakan bahwa perubahan asam teikoat
berkontribusi pada spesies Bacillus sp. pada pH alkali.
Pseudomonas aeruginosa
P. aeruginosa merupakan bakteri non-spora tergolong dalam famili
Pseudomonadaceae. Pseudomonas merupakan salah satu jenis bakteri Gram negatif,
berbentuk batang, berukuran 0,5-0,8 µm atau 1,5-3,0 µm, hampir semua strain adalah
motil dengan flagela tunggal, oksidatif positif, suhu optimum pertumbuhan adalah
37-42 oC, aerob, tidak toleran terhadap penurunan aw serta tumbuh pada aw minimum
0,98, secara umum dapat ditemukan di tanah, air, di permukaan tanaman dan hewan.
P. aeruginosa merupakan opportunistic pathogen, artinya bakteri ini akan
menyerang kekebalan dari inangnya dan menyebabkan infeksi. Uji laboratorium
terhadap P. aeruginosa menunjukkan bahwa bakteri ini tumbuh di media yang
mengandung asam asetat sebagai sumber karbon dan amonium sulfat sebagai sumber
nitrogen (Todar, 2009). Bakteri ini merupakan penyebab berbagai jenis kerusakan
bahan pangan yang sebagian besar berhubungan dengan kemampuan spesies ini
9
dalam memproduksi enzim yang dapat memecah baik komponen lemak maupun
protein dari bahan pangan (Buckle et al., 2007).
Salmonella typhimurium
Salmonella sp. merupakan kelompok bakteri Gram negatif dan merupakan
bakteri patogen yang tidak diperkenankan ada dalam produk-produk pangan. Bakteri
ini dapat tumbuh pada kisaran suhu 5-45 oC dengan suhu optimum 37 oC, pH
optimum pertumbuhan adalah 6,5-7,5 (Portillo, 2000). Salmonella memiliki
ketahanan panas yang tinggi pada pH 5,5 dan aw rendah. Salmonella berbentuk
batang lurus, berukuran 0,7-1,5 µm x 2-5 µm, termasuk bakteri anaerob fakultatif
dan biasanya dapat bergerak menggunakan flagela peritrikus. Salmonella dapat
bergerak dengan metabolisme bersifat fakultatif anerob (Buckle et al., 2007). Bakteri
Gram negatif seperti Salmonella sp., lebih tahan terhadap bakteriosin yang berasal
dari BAL karena komposisi dari membrannya berbeda dengan mikroorganisme Gram
positif (Ray dan Bhunia, 2008; Drosinos et al., 2009).
Escherichia coli
E. coli termasuk dalam famili Enterobacteriaceae merupakan bakteri Gram
negatif yang berbentuk batang yang dengan ukuran 1,1-1,5 µm x 2,0-6,0 µm, soliter
maupun berkoloni, anaerobik fakultatif dan katalase positif. E. coli dapat tumbuh
optimum pada pH 7,0-7,5 dengan pH minimum 4,0 dan pH maksimum 8,5 (Fardiaz,
1992). Bakteri ini dapat tumbuh dalam kisaran suhu yang luas yaitu 1-45 °C (Pelczar
dan Chan, 2007). Membran luar E. coli meningkatkan kelangsungan hidup bakteri ini
dalam asam ekstrim, tetapi kelangsungan hidupnya berkurang di alkali ekstrim
(Yohannes et al., 2005).
Nilai pH Beberapa Produk Pangan
Produk pangan terdiri atas produk pangan asam dan produk pangan alkali.
Produk pangan asam merupakan produk pangan fermentasi yang mengandung asam,
seperti seperti yogurt, sosis, keju, salami, dsb. Produk pangan alkali, seperti album
telur (Sperber dan Doyle, 2009), natto dari kacang kedelai dan dadawa dari kacangkacangan (Wang dan Fung, 1996). Nilai pH olahan dari beberapa produk pangan
dapat dilihat pada Tabel 4.
10
Tabel 4. Nilai pH Beberapa Produk Pangan
Produk Pangan
minuman bersoda
keju cheddar
daging giling
susu
ikan segar
keju peram
bubur jagung
albumin telur
nixtamalized corn
Nilai pH
2,0
5,2
6,2
6,4
6,7
>7,0
8,5
8,6
10,0
Sumber: Sperber (2009).
Konsumsi terhadap produk pangan alkali sangat bermanfaat untuk menjaga
keseimbangan pH tubuh, menjaga kesehatan tulang dan menurunkan resistensi
tubuh terhadap penyakit kronis, seperti hipertensi dan stroke (Schwalfenberg, 2012).
11