I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Hemiselulosa

I. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Hemiselulosa adalah polisakarida terbanyak setelah selulosa yang
ditemukan pada tumbuhan. Hemiselulosa berikatan kuat secara kovalen dan non
kovalen dengan lignin dan selulosa. Hemiselulosa banyak ditemukan dalam
limbah hasil pertanian. Komponen terbesar hemiselulosa adalah xilan, yang
merupakan polimer dari β(1-4)D-xylopiranosa (xilosa) dengan ikatan β-1,4glikosida. Rantai xilan bercabang, kompleks dan strukturnya tidak berbentuk
kristal, sehingga mudah dimasuki pelarut. Sebagian besar xilan terdiri atas 2-4
heteroglikan (Pastor et al., 2007; Puspaningsih et al., 2007).
Xilan
dapat
dihidrolisis menjadi monomernya
secara
enzimatik.
Komposisi penyusun xilan sangat heterogen dan tergantung pada jenis
tumbuhannya. Oleh karena itu enzim yang mampu menghidrolisisnya juga sangat
beragam dan kompleks. Enzim yang digunakan untuk menghidrolisis substrat
hemiselulosa kaya xilan disebut xilanase. Enzim pendegradasinya dapat
dikelompokkan menjadi enzim pendegradasi rantai utama dan enzim pendegradasi
rantai cabang. Hidrolisis sempurna xilan memerlukan aktivitas sinergis enzimenzim pendegradasi hemiselulosa (Pastor et al., 2007; Puspaningsih et al., 2007).
Kelompok enzim xilanolitik meliputi (1) endo-β-1,4-xylanase (β-1,4-Dxylan xylanohyrolase; EC 3.2.1.8) yang memecah ikatan β-1,4-glikosida menjadi
xilooligosakarida, (2) β-xylosidase (β-1,4-D-xyloside xylohidrolase; EC. 3.2.1.37)
yang akan merombak xilooligosakarida hasil pemecahan sebelumnya menjadi
xilosa, (3) exo-xilanase mampu memecah rantai xilan pada ujung reduksi
menghasilkan xilosa dan xilooligosakarida rantai pendek, serta (4) α-Larabinofuranosidase yang aktif terhadap arabinosa pada rantai cabang dan rantai
lurus. Xilanase umumnya mempunyai berat molekul (BM) rendah, 15 – 30 kDa,
optimal pada suhu 55°C dan pH 9 (Puspaningsih et al., 2007; Richana, 2002).
Variasi struktur xilan pada tumbuhan hardwood (Angiospermae) dan softwood
(Gymnospermae) mengakibatkan adanya bermacam-macam tipe enzim yang
bertanggungjawab terhadap hidrolisis xilan (Beg et al., 2001).
Xilanase merupakan enzim yang mempunyai manfaat cukup luas dalam
kehidupan manusia terutama dalam berbagai industri penting. Hal ini dikarenakan
kemampuannya dalam memodifikasi dan mengubah bahan-bahan organik dari
tumbuhan. Salah satu prospek pemanfaatan xilanase adalah penggunaannya dalam
industri pulp (bubur kertas) dan kertas, yaitu pada tahap pemutihan (bleaching)
pulp. Dalam proses ini, xilanase yang digunakan mempunyai karakteristik khusus
yaitu optimum pada pH tinggi (alkali) dan bebas dari aktivitas selulase. Hal ini
dikarenakan pengolahan kayu menjadi pulp dalam industri pulp dan kertas
umumnya menggunakan larutan alkali sehingga pH pulp yang dihasilkan masih
tinggi. Kelompok endo-β-1,4-xylanase merupakan enzim yang banyak digunakan
dalam proses pemutihan pulp (Richana, 2002; Raghukumar et al., 2004).
Proses pemutihan pulp lebih mudah dilakukan dengan bantuan xilanase
daripada ligninase. Xilan pada dinding sel tumbuhan tidak membentuk suatu
struktur yang kompak, sedangkan struktur lignin pada tumbuhan silang menyilang
dan lebih kompleks. Hal ini mengakibatkan kerja enzim xilanolitik lebih mudah
2
dalam merombak xilan, sehingga aktivitas xilanase lebih besar dibandingkan
enzim hidrolase lainnya. Hilangnya kandungan xilan, walaupun hanya sedikit,
akan membuka ikatan antara lignin dengan selulosa, selain mengakibatkan
penurunan kebutuhan energi selama proses pemutihan (Subramaniyan & Prema,
2000; Subramaniyan & Prema, 2002).
Penggunaan xilanase dalam proses pemutihan pulp memberikan solusi
bagi lingkungan. Bahan baku pembuatan kertas adalah kayu yang masih
mengandung berbagai macam senyawa selulosa, hemiselulosa dan lignin.
Hemiselulosa (xilan) memperkuat ikatan antara selulosa dengan lignin, sehingga
dengan menghidrolisis xilan diharapkan lignin ikut terlepas. Senyawa tersebut
dapat mempengaruhi derajat keputihan kertas yang dihasilkan. Selama ini, proses
pemutihan pulp dilakukan secara kimia menggunakan senyawa klorin. Klorin
merupakan senyawa beracun yang apabila dibuang ke lingkungan dapat
menimbulkan masalah pencemaran serius. Teknologi ramah lingkungan yang
menggunakan enzim xilanolitik dapat menjadi alternatif bagi industri pulp dan
kertas untuk mengurangi pemakaian senyawa klor (Richana et al., 2002;
Angayarkanni et al., 2006).
Jamur lebih banyak digunakan sebagai penghasil xilanase karena xilanase
dari jamur bersifat ekstraseluler dan produknya jauh lebih tinggi bila
dibandingkan bakteri. Xilanase alkali Bacillus sp. yang diproduksi pada substrat
jerami gandum dan tongkol jagung mencapai aktivitas maksimum sebesar 4 U/mL
pada pH 9 (Azeri et al., 2010), sedangkan xilanase Aspergillus niger mampu
mencapai aktivitas maksimum 864±10 U/L pada pH 8,5 (Raghukumar et al.,
3
2004). Selain itu, jamur mampu menghasilkan enzim pemecah rantai samping
xylan secara lengkap. Xilanase jamur sebagian besar merupakan xilanase yang
memiliki aktivitas optimal pada pH asam - netral. Akan tetapi, ada xilanase jamur
yang mempunyai aktivitas tinggi pada kondisi alkali, sehingga mudah
diaplikasikan pada industri pulp dan kertas. Meskipun sebagian besar jamur
menyukai kondisi habitat sedikit asam, jamur yang toleran terhadap kondisi alkali
juga dapat ditemukan dalam lingkungan tersebut dengan jumlah yang jauh lebih
sedikit. Karakteristik xilanase jamur umumnya berbeda-beda tergantung pada
spesies jamur produsennya. (Beg et al., 2001; Subramaniyan & Prema, 2002;
Horikoshi, 2004). Oleh karena itu pencarian jamur penghasil xilanase yang
memiliki toleransi terhadap pH tinggi terus dilakukan.
Berbagai spesies jamur merupakan sumber kompleks enzim xilanase
diantaranya adalah Aspergillus niger yang diisolasi dari seresah mangrove
(Raghukumar et al., 2004), A. indicus, A. niger yang diisolasi dari tanah hutan dan
tanah pertanian (Khan et al., 2003; Pang & Che-Omar, 2005), A. niveus, A. flavus
yang diperoleh dari seresah hutan (Angayarkanni et al., 2006), jamur termofilik
yang diisolasi dari tanah hasil pengomposan yaitu Chaetomium thermophylum,
Humicola insolens, Melanocarpus sp., Malbranchea sp., dan Thermoascus
auranticum (Ghatora et al., 2006), Cochliobolus sativus yang diisolasi dari noda
penyakit pada daun barley (Bakrie et al., 2008), jamur simbion pada rayap
Termitomyces sp. (Faulet et al., 2006), Trichoderma reseei SAF3 yang diperoleh
dari tanah (Kar et al., 2006). Selain jamur, kelompok bakteri juga banyak
4
diketahui mampu menghasilkan enzim xilanolitik, di antaranya adalah
aktinomisetes dan Bacillus sp (Richana et al., 2002).
Penggunaan enzim xilanolitik dalam proses pemutihan kertas telah dicoba
di laboratorium. Enzim digunakan pada awal proses pemutihan (pre-treatment)
yang kemudian diikuti dengan serangkaian tahap menggunakan senyawa kimia
klorin atau oksigen. Enzim xilanolitik dari A. indicus, A. niveus, A. flavus
digunakan terhadap hardwood pulp kraft sebelum proses ekstraksi alkali dan
pemberian senyawa klorin. Perlakuan enzimatik terhadap pulp mengakibatkan
turunnya bilangan Kappa dan naiknya tingkat kecerahan kertas. Akan tetapi
xilanase yang dihasilkan ketiga jamur tersebut masih memiliki pH optimum asam
(5,0 – 6,0) (Angayarkanni et al., 2006). Enzim xilanolitik kasar dari A. niger dapat
menurunkan bilangan Kappa pada pulp limbah padat industri gula. Xilanase A.
niger ini optimum pada pH alkali. Penggunaan senyawa klorin pada proses ini
juga mengalami penurunan sebanyak 30% (Raghukumar et al., 2004).
Penggunaan xilanase alkali mampu meningkatkan kecerahan pada Decker pulp
sebesar 1,6 – 2,04 ISO unit. Xilanase alkali ini dihasilkan oleh Chaetomium
thermophilum, Humicola insolens, Melanocarpus sp., Malbranchea sp., dan
Thermoascus auranticus (Ghatora et al., 2006). Xilanase alkali mempunyai
harapan yang lebih besar untuk diaplikasikan pada industri pulp dan kertas,
sehingga dalam penelitian ini lebih difokuskan untuk mendapatkan xilanase alkali.
Jamur merupakan kelompok mikrobia heterotrof yang hidup pada habitat
dengan kandungan bahan organik tinggi. Bahan organik tumbuhan yang telah mati
akan terkumpul di tanah. Hal ini mengakibatkan tanah menjadi gudang propagul
5
jamur xilanolitik karena kandungan hemiselulosa terutama xilan dalam tumbuhan
merupakan sumber karbon dan energi bagi pertumbuhan jamur. Proses degradasi
xilan terjadi karena jamur mampu menghasilkan xilanase. Tanah hutan, tanah
tempat penggergajian kayu, dan tanah tempat pembuangan akhir sampah banyak
mengandung bahan organik kompleks dari tumbuhan terutama xilan, selain itu
tanah di sekitar pabrik pulp dan kertas juga mengandung limbah pengolahan kayu
sehingga dapat digunakan sebagai sumber isolat jamur xilanolitik (Panda et al.,
2010).
Indonesia memiliki sumber daya alam yang mampu mencukupi kebutuhan
industri pulp dan kertas. Kayu hardwood merupakan bahan baku yang digunakan
dalam industri pulp dan kertas. Salah satu permasalahan yang dihadapi oleh
industri pulp dan kertas adalah masalah pencemaran lingkungan akibat limbah
industri. Pemanfaatan teknologi untuk mengurangi dampak limbah industri akibat
penggunan bahan kimia harus segera dilakukan agar tercipta industri berwawasan
lingkungan. Salah satu cara untuk mengurangi konsumsi bahan kimia adalah
menggunakan enzim xilanolitik yang diproduksi dari jamur. Oleh karena itu usaha
menemukan enzim xilanolitik dari spesies jamur indigenous unggul yang sesuai
dengan struktur xilan tumbuhan yang digunakan dalam industri pulp dan kertas di
Indonesia menjadi sangat penting. Mengingat target utama proses pemutihan pulp
adalah lepasnya lignin dari selulosa, maka jamur xilanolitik yang juga memiliki
aktivitas lignolitik berpeluang lebih besar dimanfaatkan dalam proses pemutihan
pulp.
6
1.2. Permasalahan
Xilanase merupakan enzim perombak xilan yang dapat diaplikasikan
dalam industri pulp dan kertas pada tahap pemutihan pulp. Jamur merupakan
organisme yang telah diketahui mampu memproduksi xilanase. Berdasarkan
uraian yang telah disampaikan maka masalah dalam penelitian ini adalah sebagai
berikut :
1. Bagaimana potensi keberadaan isolat jamur indigenous dari tanah hutan,
penggergajian kayu dan sekitar industri pulp dan kertas dalam menghidrolisis
xilan?
2. Bagaimana karakter jamur xilanolitik indigenous unggul secara morfologi dan
molekuler?
3. Bagaimana kondisi pH, suhu, jenis substrat, konsentrasi substrat, konsentrasi
inokulum, kecepatan agitasi dan waktu inkubasi optimum bagi pertumbuhan
jamur indigenous unggul untuk memproduksi xilanase dengan aktivitas
tinggi?
4. Bagaimana proses pemurnian dan karakter suhu, pH dan berat molekul
xilanase yang dihasilkan oleh jamur indigenous unggul?
5. Bagaimana kemampuan xilanase dalam proses pemutihan pulp?
1.3. Keaslian Penelitian
Produksi xilanase oleh jamur telah banyak dilaporkan baik dari spesies
jamur produsennya, produksi, karakteristik xilanase maupun aplikasinya dalam
kehidupan manusia. Penelitian mengenai penggunaan xilanase dari jamur dalam
7
proses biobleaching pulp juga telah banyak dilakukan. Akan tetapi diketahui
bahwa xilanase yang diproduksi oleh jamur memiliki karakteristik optimum pada
pH rendah - netral, sedangkan xilanase yang dibutuhkan dalam proses
biobleaching harus toleran terhadap pH tinggi dan bebas dari aktivitas selulase
(Subramaniyan & Prema, 2000).
Berdasarkan Tabel 1, telah diperoleh jamur yang mampu menghasilkan
xilanase dari berbagai spesies. Jamur-jamur ini diperoleh dari berbagai sumber.
Sebagian besar berasal dari tanah dengan kondisi berbeda. Penelitian ini akan
mengungkap keberadaan jamur xilanolitik yang bersifat toleran terhadap kondisi
alkali. Xilanase jamur yang diperoleh diharapkan mempunyai aktivitas xilanolitik
yang lebih tinggi dibandingkan xilanase yang telah dilaporkan dalam berbegai
penelitian. Karakter yang lebih disukai adalah jika xilanase memiliki toleransi
terhadap suhu pulp yang masih agak tinggi (±45°C) dan pH alkali, sehingga lebih
mudah diaplikasikan dalam proses pemutihan pulp. Kemampuan lignolitik isolat
jamur selain kemampuan xilanolitik diharapkan dapat meningkatkan keberhasilan
proses pemutihan pulp, karena target utamanya adalah lepasnya atau
terdegradasinya lignin dari serat selulosa. Mengingat banyaknya industri pulp dan
kertas dan berlimpahnya sumber daya alam hayati di Indonesia, maka pencarian
dilakukan menggunakan sampel lokal untuk mendapatkan jamur indigenous
penghasil xilanase alkali.
8
Tabel 1. Jamur yang telah dilaporkan mampu menghasilkan xilanase
No
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Nama spesies
Asal isolat
Aspergillus
niveus RS2
A. niger
Aktivitas
pH
xilanase optimum
di 18,2U/mL 9
Jerami padi
India
Tanah
sekitar
pohon mangrove
di India
A. niger
Tanah
sekitar
pohon mangrove
di India
Penicillium
Mutan
dari
oxalicum SAUE- Penicillium
3.510
oxalicum
SA-8
ITCC6024
P. oxalicum
Tanah mangrove
di India
Chaetomium
TD
globosum Cg2
A. niveus
Serasah hutan di
India
A. indicus
Serasah hutan di
India
A. flavus
Serasah hutan di
India
A. japonicus
Tanah di daerah
Caatinga, Brasil
393 U/mg 8,5
protein
2.457
U/mg
protein
475,2±6,0
U/mL
3,5
Raghukumar et
al. (2004)
9
Dwivedi et al.
(2008)
3,89
U/mL
0,26
U/mL
182,24
U/mL
205,87
U/mL
171,17
U/mL
177,9
U/mL
8
Muthezilan et
al. (2007)
Ahammed et al.
(2008)
Angayarkanni et
al. (2006)
Angayarkanni et
al. (2006)
Angayarkanni et
al. (2006)
Simoes & TaukTornisielo
(2005)
Lemos et al.
(2000)
Oliviera et al.
(2006)
Cavazzoni et al.
(1989)
Bakir et al.
(2001)
Gupta et al.
(2009)
Chidi et al.
(2008)
A.
awamori Koleksi
kultur 30 U/mL
NRRL 3112
NRRL,Peoria,USA
P. janthinellum
TD
55,3
U/mL
Schizophyllum
Koleksi
kultur 455 U/mg
radiatum
CMI, Inggris
protein
Rhizopus oryzae Koleksi
kultur 210 U/mL
ATCC 9363
ATCC
Fusarium solani Daerah perakaran 78,32
F7
di Faizabad, India
U/mL
A. terreus UL Tanah di daerah 35 U/mL
4209
George,
Afrika
Selatan
Keterangan : TD = tidak disebutkan
9
Peneliti
(Tahun)
Sudan & Bajaj
(2007)
Raghukumar et
al. (2004)
5,5
5
5
6
5
TD
4,9
5
5,5
6
Penelitian ini diawali dengan isolasi jamur xilanolitik dari sampel tanah
lokal yang telah dikumpulkan. Sampel tanah diperoleh dari tanah sekitar pabrik
pulp, penggergajian kayu, tempat pembuangan akhir dan hutan. Isolat jamur yang
diperoleh diseleksi kemampuan xilanolitiknya dan diidentifikasi jenisnya.
Produksi xilanase oleh isolat jamur indigenous unggul dioptimalisasi untuk
menghasilkan xilanase dengan aktivitas spesifik tinggi. Aktivitas lignolitik
ditentukan terhadap isolat jamur indigenous unggul. Selanjutnya, xilanase
dimurnikan dan dikarakterisasi sifat-sifatnya. Pemanfaatan pada proses awal
pemutihan pulp dilakukan dengan membandingkan ekstrak kasar enzim dengan
xilanase hasil pemurnian. Pemanfaatan enzim xilanolitik ini diharapkan dapat
membantu mengurangi konsumsi bahan kimia selama proses pemutihan, sehingga
mampu mengatasi salah satu permasalahan yang dihadapi oleh industri pulp dan
kertas yaitu masalah pencemaran lingkungan akibat limbah industri.
1.4. Tujuan
Penelitian mengenai kajian enzim xilanolitik dari jamur tanah dan
aplikasinya sebagai agen pemutih pulp bertujuan untuk :
1. Memperoleh isolat jamur indigenous yang berpotensi tinggi dalam
menghidrolisis xilan dari tanah hutan, tanah penggergajian kayu, tanah sekitar
pabrik pulp dan kertas dan tanah pembuangan akhir sampah.
2. Mengidentifikasi jamur xilanolitik unggul terseleksi secara morfologis dan
molekular.
10
3. Melakukan optimasi kondisi pH, suhu, jenis substrat, konsentrasi substrat,
konsentrasi inokulum, kecepatan agitasi dan waktu inkubasi optimum bagi
pertumbuhan jamur indigenous unggul untuk memproduksi xilanase yang
memiliki aktivitas tinggi.
4. Pemurnian dan mempelajari karakter pH, suhu dan berat molekul xilanase.
5. Mengembangkan kemampuan xilanase dalam proses pemutihan pulp
berdasarkan nilai bilangan Kappa, viskositas dan derajat putih.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian mengenai kajian enzim xilanolitik dari jamur tanah ini
adalah :
1. Pengembangan aplikasi xilanase jamur indigenous sebagai agen pemutih pulp
di industri pulp dan kertas dapat mendukung program pemerintah yaitu
industri yang berwawasan lingkungan.
2. Pengembangan jamur xilanolitik indigenous unggul dalam biokonversi
berbagai
substrat
hasil
samping
industri
menghasilkan produk lain yang menguntungkan.
11
maupun pertanian
untuk