tinjauan pustaka - Universitas Sumatera Utara

TINJAUAN PUSTAKA
Proses Pelapukan
Pelapukan dan perubahan warna pada kayu disebabkan oleh fungi dan
bakteri. Fungi dan bakteri adalah sumber kerugian utama pada produksi kayu dan
penggunaannya. Pelapukan adalah tipe utama kerusakan kayu yang disebabkan
oleh fungi. Pelapukan pada dasarnya adalah hasil dari aktivitas fungi. Proses
aktivitas fungi menyebabkan perubahan warna dan sifat fisika dan kimia. Hanya
fungi kelompok tertentu yang memiliki kemampuan enzimatik sehingga
menyebabkan pelapukan. Pelapukan mengakibatkan perubahan drastis pada
kekuatan kayu dan mengakibatkan kehancuran (Zabel, 1992).
Enzim yang berperan dalam proses degradasi adalah enzim ekstraseluler.
Fungi yang hidup pada bahan lignoselulosa mengeluarkan enzim yang dapat
mendegradasi bahan tersebut sebagai nutrisinya. Bahan lignoselulosa yang terdiri
atas selulosa, hemiselulosa dan lignin merupakan bahan polimer sehingga enzim
yang
disekresikan
fungi
akan
mengubah
bahan
lignoselulosa
menjadi
monomernya agar mudah masuk kedalam sel. Lignolitik berhubungan dengan
produksi enzim ekstraseluler pendegradasi lignin yang dihasilkan oleh fungi
pelapuk putih. Dua enzim yang berperan dalam proses tersebut adalah fenol
oksidase (lakase) dan peroksidase atau lignin peroksidase/LiP dan manganase
peroksidase/MnP (Herliyana et al., 2008).
Lignin
Lignin adalah suatu polimer yang terdiri dari unit-unit fenilpropana dengan
sedikit ikatan yang dapat dihidrolisis (Artiningsih, 2006). Lignin merupakan
Universitas Sumatera Utara
polimer dengan struktur aromatik dan mempunyai bentuk kompleks tiga dimensi
yang tersusun dari unit fenilpropana, dengan struktur aromatik yang terbentuk
melalui unit-unit fenilpropana (Sjorberg, 2003).
Lignin merupakan senyawa kimia yang umumnya diperoleh pada kayu dan
merupakan bagian integral dari dinding sel tumbuhan. Lignin adalah bahan
polimer alam terbanyak kedua setelah selulosa. Lignin merupakan polimer yang
sukar larut dalam asam dan basa kuat dan sulit terdegradasi secara kimiawi
maupun secara enzimatis. Lignin pada kayu terdapat pada lamela tengah antara
selulosa , hemiselulosa, dan pektin yang berfungsi sebagai perekat atau penguat
dinding sel. Lignin berperan sangat penting bagi tumbuhan sebagai pengangkut
air, nutrisi, dan metabolis dalam sel tumbuhan. Lignin sulit didegradasi karena
strukturnya yang kompleks dan heterogen yang berikatan dengan selulosa dan
hemiselulosa dalam jaringan tanaman. Lebih dari 30 persen tanaman tersusun atas
lignin yang memberikan bentuk yang kokoh dan memberikan proteksi terhadap
serangga dan patogen (Orth et al. 1993). Disamping memberikan bentuk yang
kokoh terhadap tanaman, lignin juga membentuk ikatan yang kuat dengan
polisakarida yang melindungi polisakarida dari degradasi mikroba dan
membentuk struktur lignoselulosa.
Lignin memiliki komponen struktural yang memberikan sifat kekakuan
dan kekuatan pada kayu sehingga lignin mempunyai peran yang besar terhadap
sifat mekanik kayu. Lignin dapat memperkuat jaringan pengangkut dan membantu
transportasi air dan secara fisik bekerja sama dengan xylem (Makela, 2009).
Disamping memberikan bentuk yang kokoh terhadap tanaman, lignin juga
membentuk ikatan yang kuat dengan polisakarida yang melindungi polisakarida
Universitas Sumatera Utara
dari degradasi mikroba dan membentuk struktur lignoselulosa (Suparjo, 2008).
Lignin terbentuk dari gugus aromatik yang saling dihubungkan dengan rantai
alifatik, terdiri atas 2-3 buah karbon. Lignin membentuk ikatan kovalen dengan
polisakarida-polisakarida yang lain. Unit fenil propana terikat satu sama lain
dengan ikatan eter dan ikatan C-C, dengan persentasi ikatan eter lebih banyak
(Sigit, 2009).
Para Kumaril
Alkohol Koniferil
Alkohol Sinapil
Gambar 2.2. Satuan Penyusun Fenilpropana (Steffen, 2003).
Struktur lignin pada kayu daun lebar memiliki komposisi yang lebih
kompleks dibandingkan kayu daun jarum. Jenis kayu daun lebar disusun oleh unit
siringil dan guaiasil dengan perbandingan tertentu, sedangkan lignin kayu daun
jarum didominasi oleh unit guaiasil dengan sedikit tambahan p-hidroksiphenil
(Agustina, 2009). Polimer alam kedua ini sangat melimpah dan membentuk 15
sampai 30 persen dinding sel kayu dari gymnospermae (softwood) dan
angiospermae (hardwood). Lignin yang terdapat pada dinding sel, mendukung
bentuk struktural, impermeabilitas, pertahanan terhadap mikroba dan oksidative
stress. Secara struktural, lignin memiliki bentuk heteropolimer yang amorf, tidak
larut dalam air dan terdiri atas 3 jenis fenilpropana yaitu coniferyl alcohol
(guaiacyl propanol), coumaryl alcohol (p-hydroxyphenylpropanol), and sinapyl
alcohol (syringyl propanol). Coniferyl alcohol adalah komponen utama dari
softwood lignin, sementara, guaiacyl and syringyl alcohols konstituen utama dari
hardwood lignin (Perez et al., 2002).
Universitas Sumatera Utara
Degradasi Lignin
Degradasi lignin adalah tahap perubahan karbon dari lingkungan. Di alam,
terjadi degradasi tanaman yang telah mati oleh mikroorganisme saprofit.
Meskipun pengendalian terhadap mikroorganisme telah banyak dilakukan namun
masih banyak mikroorganisme yang dapat mendegradasi lignin dengan
menggunakan sistem enzimatik.
Degradasi lignin akan mengakibatkan kandungan lignin pada kayu
berkurang. Jamur pelapuk lignin adalah jamur yang mampu merombak selulosa
dan
lignin
yang
dikenal
sebagai
jamur
pelapuk
putih.
Percobaan
Siagian et al., (2003) pada serbuk kayu sengon yang diinokulasi dengan jamur P.
chrysosporium menunjukkan turunnya kadar lignin 1,07%.
Jamur Pelapuk Putih
Jamur pelapuk putih dari kelas Basidiomycetes, merupakan organisme
yang bekerja efisien dan efektif dalam proses degradasi lignin. Proses degradasi
lignin ini dimulai saat jamur pelapuk putih menembus dan membentuk koloni
dalam sel kayu, lalu mengeluarkan enzim yang berdifusi melalui lumen dan
dinding sel. Jamur ini menyerang komponen lignin dari kayu hingga menyisakan
selulosa dan hemiselulosa yang tidak terlalu berpengaruh. Akibatnya, terjadi
penurunan kekuatan fisik kayu dan pembengkakan jaringan kayu (Sigit, 2009).
Jamur pelapuk
putih
merupakan kelompok jamur yang dikenal
menghasilkan
enzim
ligninolitik
mendegradasi
lignin
untuk
secara
mendapatkan
ekstraseluler
hara
yang
sehingga
diperlukan
mampu
untuk
pertumbuhannya. Jamur yang paling efisien dalam mendegradasi lignin dalam
tanah ialah Abortiporus biennis, Bjerkandera adusta, Dichomitus squalens,
Universitas Sumatera Utara
P. chrysosporium, Phanerochaete sordida, P. radiata, Pleurotus ostreatus,
Trametes hirsuta, dan Trametes versicolor (Toumela, 2002).
Jamur P.
chrysosporium merupakan salah satu jamur yang dapat menguraikan ikatan dan
mendegradasi lignin dengan bantuan enzim pendegradasi lignin. Jamur ini juga
dapat mendegradasi polimer selulosa dan hemiselulosa (Suparjo, 2008).
Jamur pelapuk putih dari kelas Basidiomycetes merupakan organisme
yang bekerja efisien dan efektif dalam proses degradasi lignin. Proses degradasi
lignin ini dimulai saat jamur pelapuk putih menembus dan membentuk koloni
dalam sel kayu, lalu mengeluarkan enzim yang berdifusi melalui lumen dan
dinding sel. Jamur ini menyerang komponen lignin dari kayu hingga menyisakan
selulosa dan hemiselulosa yang tidak terlalu berpengaruh. Akibatnya, terjadi
penurunan kekuatan fisik kayu dan pembengkakan jaringan kayu (Sigit, 2009).
Fungi pelapuk umumnya berfungsi sebagai pembuka jalan pelapukan lain
oleh mikroba yang lebih rendah tingkatannya seperti bakteri. Pada umumnya
fungi yang sangat berperan dalam pendegradasi kayu adalah fungi pelapuk putih
(white rot fungi) dan fungi pelapuk coklat (brown rot fungi), dan keduanya
sebagian besar tergolong Basidiomycetes. Fungi pelapuk putih mempunyai peran
utama dalam mendegradasi komponen lignin, sedangkan fungi pelapuk coklat
banyak mendegradasi selulosa dan hemiselulosa daripada lignin (Prasetya, 2005).
Enzim Pendegradasi Lignin
Degradasi lignin oleh jamur pelapuk putih merupakan proses oksidatif.
Enzim oksidatif merupakan enzim non-spesifik dan bekerja melalui mediator
bukan protein yang berperan dalam degradasi lignin (Perez et al., 2002). Enzim
Universitas Sumatera Utara
pendegradasi lignin terdiri dari Lignin Peroksidase, Manganase Peroksidase dan
Lakase (Kerem dan Hadar, 1998).
Semua enzim pada awalnya dihasilkan di dalam sel, akan tetapi beberapa
enzim dapat diekskresikan melalui dinding sel dan dapat berfungsi di luar sel.
Oleh karena itu dikenal dua tipe enzim, yaitu enzim ekstraseluler atau eksoenzim
dan intraseluler atau endoenzim. Enzim bersifat tidak stabil, aktivitasnya dapat
berkurang dengan nyata atau hancur oleh berbagai kondisi fisik atau kimiawi.
Adapun keadaan-keadaan yang mempengaruhi aktivitas enzim, di antaranya yaitu
konsentrasi enzim, konsentrasi substrat, pH dan suhu (Pelczar dan Chan, 1986).
Lignin Peroksidase (LiP)
Lignin Peroksidase (LiP) merupakan enzim yang mengandung gugus
heme dengan potensial redoks yang tinggi dan disekresikan keluar sel. Lignin
Peroksidase mengoksidasi gugus metoksil pada cincin aromatik non fenolik
dengan menghasilkan radikal bebas. pH optimum dari enzim LiP adalah dibawah
3 tetapi enzim menunjukkan ketidakstabilan apabila berada pada kondisi yang
asam, mendekati pH 4. LiP memerlukan dua jenis metabolit agar dapat berfungsi
dengan baik. Kedua jenis metabolit tersebut adalah hidrogen peroksida yang juga
diperlukan oleh MnP dan veratil alkohol (VA) yang digunakan sebagai mediator
dalam reaksi redoks (Sigit, 2008). Veratil alkohol merupakan substrat dari enzim
LiP dan dihasilkan untuk meningkatkan kerja enzim LiP dan melindungi LiP dari
inaktivasi akibat kelebihan H2 O 2 (Gadd, 2001).
LiP ditemukan pertama kali pada jamur P. chrysosporium. P.
chrysosporium merupakan jamur pelapuk putih yang paling banyak dipelajari,
merupakan perwakilan dari kelompok LiP-MnP. P. chrysosporium memiliki
Universitas Sumatera Utara
kemampuan mendegradasi paling efisien, dan beberapa strain sering digunakan
secara industrial, seperti pada degradasi lignin dan biopulping (Kerem dan Hadar,
1998). Seperti peroxidase lainnya, LiP mampu dalam oksidasi dari berbagai jenis
senyawa
fenolik
(guaicol,
vanillyl
alcohol,
cathecol,
syringic
acid,
acetosyringone, dan lainnya) (Wong, 2008). Beberapa jenis jamur yang dapat
menghasilkan LiP ialah Panus sp., Pycnoporus coccineus, Pycnoporus
sanguineus and Perenniporia medulla-panis (Dashtban et al., 2010).
Manganase Peroxidase (MnP)
Manganase Peroxidase (MnP) merupakan enzim ekstraseluler yang
mengandung glikosilat heme yang disekresikan oleh berbagai jenis jamur pelapuk
putih dan menggunakan H 2 O 2 untuk mengkatalis oksidasi dari Mn (II) menjadi
Mn (III). Aktivitas MnP dirangsang oleh asam organik yang berfungsi sebagai
pengkelat atau penstabil Mn3+. Mekanisme reaksinya pada keadaan awal MnP
dioksidasi oleh H2 O 2 membentuk MnP senyawa I yang dapat direduksi oleh Mn2+
dan senyawa fenol membentuk MnP senyawa II (Sigit, 2008). MnP merupakan
kelas kedua dari kelompok peroksidase yang dihasilkan oleh jamur secara
ekstraseluler (Gadd, 2001).
Ekstraseluler MnP yang pertama dimurnikan dari P. chrysosporium,
dengan ekspresi dan produksi yang ditunjukkan pada kehadiran Mn dalam media
kultur (Wong, 2008). MnP hanya dihasilkan pada sejumlah jamur Basidiomycetes
(Steffen, 2003). Beberapa jenis jamur yang dapat menghasilkan MnP ialah Panus
tigrinus, Lenzites betulinus, Phanerochaete flavido-alba, A. bisporus, Bjerkandera
sp., Nematoloma frowardii (Dashtban et al., 2010), Coliours versicolor, P.
chrysosporium (Kerem dan Hadar, 1998).
Universitas Sumatera Utara
Lakase
Lakase merupakan anggota dari kelompok kecil protein yang dikenal
sebagai blue multi copper oxidases. Lakase mengandung empat atau lebih atom
tembaga dan mempunyai peranan dalam mengurangi oksigen secara lengkap di
dalam air. Lakase pada jamur ligninolitik berupa glikoprotein. Sampai tahun 1980,
lakase merupakan satu-satunya enzim yang disekresikan oleh jamur yang mampu
mengoksidasi polifenolik. Lakase tidak mampu mengoksidasi senyawa non
fenolik, yang memiliki potensial redoks yang lebih tinggi dibandingkan senyawa
fenolik (Gadd, 2001).
Lakase menggunakan molekul oksigen untuk mengoksidasi berbagai jenis
senyawa aromatik dan senyawa non aromatik melalui reaksi katalisasi radikal
bebas. Lakase mengkatalisis oksidasi satu elektron dari fenol menjadi radikal
fenoksi. Seperti MnP, lakase dapat mengkatalisis pembelahan alkil-fenil dan C α C β dari lignin dimer dan dapat mengkatalisis dimetilisasi dari senyawa lignin
(Gold dan Alic, 1993). Beberapa jenis jamur yang dapat menghasilkan enzim
lakase ialah Omphalina sp. (Siswanto et al., 2007), Lentinus tigrinus, P. ostreatus,
Cerrena unicolor strain, T. Versicolor, Trametes sp. strain AH, Trametes
pubescens dan Cyathus bulleri (Dashtban et al., 2010), P. chrysosporium (Gold
dan Alic, 1993), Fusarium solani (Kirk dan Farrell, 1987).
Universitas Sumatera Utara