BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Keratin pada Bulu Ayam Keratin

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Keratin pada Bulu Ayam
Keratin merupakan protein struktural yang tidak larut dalam air yang ditemukan pada
bulu, rambut, kuku, tanduk dan jaringan epidermal lain yang mengalami pengerasan
(Gushterova et al., 2005). Polipeptidanya diikat padat dengan stabilitas yang kuat
oleh ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik, serta rantai proteinnya dihubungkan
oleh beberapa ikatan disulfida yang memberi stabilitas mekanik tinggi dan tahan
terhadap pendegradasi protein lainnya (Kreplak et al., 2004) seperti pepsin, papain,
dan tripsin (Werlang & Brandelli, 2005) sehingga sulit didegradasi.
Gambar 2.1 Struktur keratin (www.pgbeautygroomingscience.com)
Keratin berbentuk tiga dimensi yang memiliki lilitan α-heliks atau lipatan βsheet, dan tersusun atas atom karbon yang berikatan dengan gugus fungsional (gugus
amin-NH2 dan gugus karboksil-COOH), atom hidrogen dan gugus R (sulfur)
(Brandelli et al., 2010) (Gambar 2.1). Kandungan karbon yang tinggi mengakibatkan
keratin dapat bersifat fleksibel dan hidrofobik (Belarmino et al., 2012). Keratin juga
tersusun atas 8% jembatan sistein (ikatan disulfida) yang merupakan penghambat
enzim proteolitik biasa dalam mendegradasi keratin dan menjadi penentu kekuatan
mekanik dari keratin tersebut (Krystyna & Janusz., 2007).
Bulu ayam merupakan salah satu limbah biologi yang kaya protein. Dari hasil
pemotongan satu ekor ayam dewasa dihasilkan limbah bulu ayam sekitar 5-7 persen
dari berat tubuh totalnya (Gushterova et al., 2005). Kandungan bulu ayam terdiri dari
91% protein keratin, 1% lipid dan 8% air. Keratin pada bulu ayam sebagian besar
disusun oleh asam amino sistein, glutamin, prolin dan serin (Saravanan, 2012),
sedangkan menurut Gupta et al. (2012), keratin bulu ayam tersusun atas beberapa
asam amino seperti glisin, alanin, serin, sistein dan valin, serta sedikit lisin, metionin
dan triptofan (Tabel 2.1).
Tabel 2.1 Kandungan asam amino pada bulu ayam
Asam Amino
Arginin
Asam aspartat
Glutamin
Glisin
Theronin
Serin
Tirosin
Leusin
Isoleusin
Valin
Sistein
Alanin
Fenilalanin
Metionin
Prolin
Asparagin
Histidin
Jumlah Kandungan (%)
Saravanan (2012)
Gupta et al. (2012)
4,30
6,57
6,00
4,76
7,62
9,18
7,57
4,00
4,11
16,00
13,57
1,00
1,85
2,62
7,48
3,32
4,93
1,61
7,24
8,85
2,11
3,44
3,66
0,86
4,11
1,02
0,025
12,0
1,01
4,00
0,016
Keratin pada bulu ayam dapat didegradasi dengan memecah atau memutus
ikatan disulfida pada keratin tersebut. Hal ini dapat dilakukan dengan pemanasan
tinggi (hidrotermal), perlakuan kimia, serta perlakuan biologis. Perlakuan hidrotermal
dilakukan dengan pengaturan suhu dan tekanan yang tinggi, begitu pula perlakuan
kimia dilakukan dengan penambahan asam (HCl) dan basa (NaOH) pada konsentrasi
tinggi (Cai & Zheng, 2009). Perlakuan biologis dapat dilakukan secara enzimatis
dengan menggunakan enzim khusus yaitu keratinase (Brandelli et al., 2010).
2.2 Enzim Keratinase
Keratinase merupakan enzim protease yang dapat digunakan untuk mendegradasi
protein keratin dengan baik. Enzim keratinase telah banyak dimanfaatkan dalam
bidang industri seperti industri farmasi, pupuk (Brandelli, 2008), bahan tambahan
pakan dan lingkungan (Lee et al., 2004), deterjen, lem, dan ikat pinggang (Prakash et
al., 2010), serta perawatan terapi kulit (Kumar et al., 2010).
Enzim dengan nomor kode E.C 3.4.21/24/99 berdasarkan ketentuan dari IUB
(Langeveld et al., 2003) memiliki karakteristik biokimia yang berbeda-beda
berdasarkan jenis dan sumber isolat, serta medium dan inhibitor yang digunakan.
Secara umum, enzim keratinase memiliki berat molekul berkisar antara 20 kDa
sampai 60 kDa (Inamdar et al., 2012). Keratinase paling banyak dihasilkan pada
keadaan basa atau netral, yaitu berkisar antara pH 7,5 sampai pH 9. Suhu optimum
enzim keratinase bervariasi tergantung pada sumber dan asal isolat yang digunakan,
yaitu berkisar antara 40 oC sampai 100 oC. Enzim ini juga dapat ditingkatkan maupun
dihambat aktivitasnya oleh bahan kimia lain, dimana secara umum Ca2+, Mg2+, dan
Mn2+ dapat menstimulasi kerja keratinase, sedangkan Cu2+, Ag+, Hg2+ dan Pb2+
diketahui dapat menghambat kerja dari enzim keratinase (Brandelli et al., 2010).
Secara umum, ada dua tipe katalis pada enzim keratinase yaitu tipe serin dan
metaloprotease. Kedua tipe ini dikelompokkan berdasarkan jenis bahan kimia yang
menghambat aktivitas enzim tersebut (inhibitor). Aktivitas keratinase yang dihambat
oleh EDTA dan 1,10-phenanthroline termasuk kelompok metaloprotease, sedangkan
bila dihambat dengan phenylmethylsulfonyl flouride (PMSF) dan benzamidine maka
termasuk kelompok serin (Brandelli, 2008). Enzim keratinase yang dihasilkan oleh
Penicillium sp. termasuk pada tipe metaloprotease, karena dihambat kuat oleh EDTA
dan EGTA (El-Gendy, 2010). Begitu juga dengan keratinase yang dihasilkan oleh
Bacillus sp. strain kr 16 (Werlang & Brandelli, 2005) termasuk tipe metaloprotease
karena aktivitas enzimnya dihambat oleh EDTA dan ion Hg+ dan Sn2+. Keratinase
yang dihasilkan dari Stenotrophomonas termasuk tipe serin, yang aktivitasnya
dihambat oleh phenylmethylsulfonyl flouride (PMSF) (Cao et al., 2009).
2.3 Mikroorganisme Penghasil Enzim Keratinase
Mikroorganisme
penghasil
enzim
keratinase
telah
banyak
dipelajari
dan
dikarakterisasi oleh banyak peneliti (Tabel 2.2). Enzim keratinase dapat diproduksi
dari tiga kelompok mikroorganisme yaitu, bakteri, jamur, dan actinomycetes.
Mikroorganisme tersebut dapat diisolasi dari tanah Antartika hingga ke sumber air
panas baik pada lingkungan aerobik maupun anaerobik (Brandelli et al., 2010).
Tabel 2.2 Karakteristik beberapa mikroorganisme penghasil keratinase
Mikroorganisme
Bakteri
Stenotrophomonas
Bacillus sp. 50-3
B.halodurans PPKS2 ker I
ker II
Bacillus subtilis
B.subtilis KD-N2
Bacillus pumilus
Bacillus licheniformis
BM
pH
Suhu
Tipe
Referensi
35,2
27,42
30
60
64-69
30,5
34
35
7,8
7
11
11
5-7
8,5
9
8,5
40 oC
37 oC
60-70 oC
70 oC
40 oC
55 oC
60 oC
60 oC
Serin
Serin
Serin
Serin
Serin
Serin
Serin
Cao et al. (2009)
Yue et al. (2011)
27,5
8,8-10,3
60 oC
Serin
134
7
40 oC
20
-
50-60 oC
B. subtilis PB 100
B. subtilis MTCC 9102
Paracoccus sp. WJ-98
-
7
7
7,5
30 oC
37 oC
37 oC
Aeromonas hydrophila
-
8
45-55 oC
Serratia marcescens
-
6
45-55 oC
Bacillus sp. Strain
-
8-11
45-65 oC
Metaloprotease
Metaloprotease
Metaloprotease
Metaloprotease
Metaloprotease
Metaloprotease
38
9
5,5
40 oC
50 oC
Serin
Serin
19
40
7-8
10-11
50 oC
60-65 oC
Metaloprotease
-
11
45 oC
-
Bacillus pseudofirmus FA
30-01
Bacillus sp. SCB-3
Chryseobacterium sp. Kr6
Jamur
Myrothecium verrucaria
Trichophyton
mentagrophytes var.erinacei
Penicillium sp. Ahm I
Ahm II
Actinomycetes
Streptomyces sp. 7
Prakash et al. (2010)
Balaji et al. (2008)
Cai et al. (2008)
Zouari et al. (2010)
Suntornsuk
et
al.
(2005)
Kojima et al. (2006)
Lee et al. (2002)
Silveira et al. (2010)
Zaghloul et al. (2011)
Kumar et al. (2010)
Lee et al. (2004)
Bach et al.(2011)
Bach et al.(2011)
Werlang & Brandelli
(2005)
Moreira et al. (2007)
Muhsin & Aubaid
(2001)
El-Gendy (2010)
Tatineni et al. (2007)
Domain eukaria yang mampu menghasilkan keratinase adalah jamur. Di
lingkungan alami, jamur keratinolitik mendegradasikan keratin untuk memanfaatkan
molekul karbon, nitrogen dan sulfur sebagai makanannya dengan mengekskresikan
enzim keratinase ke lingkungan. El-Gendy (2010) memperoleh 8 strain Penicillium
dengan aktivitas enzim keratinase yang berbeda-beda setelah masa inkubasi 5 hari.
Myrothecium verrucaria diketahui potensial mendegradasi medium bulu ayam
ditambah singkong sebagai substratnya (Gioppo et al., 2009). Tiga belas spesies
jamur penghasil enzim keratinase berhasil diisolasi dari limbah bulu ayam oleh
Marcondes et al. (2008) dan diketahui bahwa ada 4 spesies yang aktivitas
keratinolitiknya paling tinggi yaitu Alternaria tenuissima, Acremonium hyalinulum,
Curvularia brachyspora, dan Beauveria bassiana.
Domain bakteri merupakan penghasil keratinase yang paling banyak diteliti
dan paling beragam dalam memiliki kemampuan mendegradasi keratin. Sebagai
contoh, Bacillus halodurans PPKS2 banyak digunakan dalam industri deterjen dan
ikat pinggang karena kemampuan toleransi dan stabilitasnya terhadap suhu dan pH
tinggi pada proses pemutihan (Prakash et al., 2010). Bacillus strain kr16 (Werlang &
Brandelli, 2005) potensial dalam industri ikat pinggang karena strain ini mampu
mendegradasi tepung bulu ayam secara sempurna. Cai & Zheng (2009) berhasil
mengisolasi Bacillus subtilis KD-N2 yang mampu mendegradasi kolagen dan dermis
rambut sehingga sangat potensial diaplikasikan pada bidang nutrisi makanan dan
pendegradasi rambut.
Keratinase
juga
dihasilkan
dari
kelompok
Actinomycetes.
Beberapa
Streptomyces berhasil diisolasi dari beberapa jenis tanah dan mampu mendegradasi
berbagai substrat keratin seperti rambut, wol, dan bulu (Brandelli et al., 2010). AlZarban et al. (2002) berhasil mengisolasi Saccharomonaspora halophila dan
Nocardiopsis halotolerans yang dapat menggunakan sumber karbon dan nitrogen
pada substrat keratin dengan konsentrasi garam tinggi, sehingga potensial digunakan
pada bidang bioteknologi pendegradasi keratin di air laut.