Pengaruh Rasio Enzim/Substrat dan Rasio Aktifitas Enzim Kasar dari Trichoderma reesei dan Aspergillus niger terhadap unjuk Kerja Hidrolisis Enzimatik Jerami Padi
Wayan Sanjaya, Shelyria Adrianti , Arief Widjaja, dan Nadiem Anwar
Laboratorium Teknologi Biokimia
Jurusan Teknik Kimia , Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS-Keputih, Sukolilo, Surabaya 60111
Telp: 031 5946240
email: arief_w@chem-eng.its.ac.id
ABSTRAK
Kebutuhan energi untuk menunjang kehidupan manusia semakin meningkat, sementara persediaan bahan bakar fosil yang sampai saat ini merupakan sumber utama energi semakin menurun. Bahan bakar fosil tidak dapat di perbaharui lagi sehingga bila di pergunakan secara terus-menerus lama-kelamaan akan habis selain itu penggunaan bahan bakar fosil dapat menurukan kualitas lingkungan. Oleh karena itu perlu mencari energi alternatif lain sebagai pengganti bahan bakar fosil, salah satunya adalah biofuel seperti biohidrogen dan bioetanol. Produksi biohidrogen dan bioetanol dapat menggunakan bahan baku limbah yang mengandung selulosa, diantaranya adalah jerami padi. Jumlah selulosa di berbagai macam kayu bervariasi tergantung dari jenis kayunya dan bisa mencapai lebih dari 40 %. Karena jumlah selulosa paling besar, maka selulosa merupakan bahan yang sangat menjanjikan untuk di konversi menjadi glukosa sebagai bahan baku biofuel yang merupakan energi yang dapat diperbaharui. Pada proses hidrolisis enzimatik jerami padi menjadi glukosa ini, enzim yang digunakan dalam proses hidrolisis adalah enzim selulase.
Percobaan ini bertujuan untuk menyediakan glukosa sebagai bahan baku untuk produksi biofuel dan menentukkan pengaruh rasio enzim/substrat dan rasio aktifitas enzim kasar dari Trichoderma reesei dan Aspergillus niger pada proses hidrolisis menggunakan enzim selulase. Percobaan ini menggunakan variabel rasio enzim/substrat 70, 93, 116,5, 139,5 IU/5 gr substrat dengan perbandingan enzim selulase dari Trichoderma reesei : Aspergillus niger 2:1, 2:2, 1:2, 0:2 dan enzim komersial 0:2. Percobaan ini dimulai dengan pengolahan awal jerami dengan melakukan pretreatment jerami padi secara mekanik dan kimiawi, kemudian membuat media pertumbuhan mikroorganisme penghasil enzim selulase yaitu jamur Trichoderma reesei dan Aspergillus niger dengan menggunakan PDA (potato dextrose agar), dilanjutkan dengan produksi enzim selulase, dan terakhir menghidrolisis jerami padi menjadi glukosa dengan enzim selulase. Hasil penelitian didapatkan keaktifan enzim selulase dari Trichoderma reesei sebesar 1,6076 IU/ml dan keaktifan enzim selulase dari Aspergillus niger sebesar 1,6806 IU/ml. Hasil dari hidrolisis jerami padi dengan menggunakan enzim selulase dengan perbandingan 2 T.reesei :1 A.niger diperoleh konsentrasi glukosa sekitar 6,364 gr/L pada 70 IU; 6,634 gr/L pada 93 IU; 8,095 gr/L pada 116,5 IU; 8,978 gr/L pada 139,5 IU. Perbandingan 2 T.reesei :2 A.niger diperoleh konsentrasi glukosa sekitar 5,784 gr/L pada 70 IU; 6,843 gr/L pada 93 IU; 7,553 gr/L pada 116,5 IU; 7,408gr/L pada 139,5 IU. Perbandingan 1 T.reesei :2 A.niger diperoleh konsentrasi glukosa sekitar 4,208 gr/L pada 70 IU; 5,350 gr/L pada 93 IU; 5,435 gr/L pada 116,5 IU; 5,312 gr/L pada 139,5 IU. Perbandingan 0 T.reesei :2 A.niger diperoleh konsentrasi glukosa sekitar 3,557 gr/L pada 70 IU; 4,094 gr/L pada 93 IU; 5,430 gr/L pada 116,5 IU; 5,171 gr/L pada 139,5 IU. Perbandingan enzim komersial 0:2 diperoleh konsentrasi glukosa sekitar 4,244 gr/L pada 70 IU; 4,692 gr/L pada 93 IU; 5,495 gr/L pada 116,5 IU; 5,548 gr/L pada 139,5 IU.
Kata kunci : glukosa, hidrolisis, enzim selulase, jerami padi, Trichoderma reesei, Aspergillus niger, makalah, Seminar Nasional, UPN “Veteran” Jatim.
Pendahuluan.
1 Latar belakang
Kebutuhan energi untuk menunjang kehidupan manusia meningkat terus, sementara persediaan bahan bakar fosil yang sampai saat ini merupakan sumber utama energi semakin menurun. Bahan bakar fosil tidak dapat diperbaharui, yang bila di pergunakan terus menerus maka akhirnya akan habis, oleh karena itu perlu dicarikan alternatif pengganti bahan bakar fosil, salah satunya adalah biofuel seperti bioetanol atau biohidrogen. Produksi biohidrogen dan bioetanol dapat menggunakan bahan baku limbah yang mengandung selulosa, diantaranya adalah jerami padi. Indonesia menghasilkan 180 juta ton jerami padi pertahun (Sabiham dan Mulyanto, 2005). Selulosa dalam jerami padi dapat dihidrolisis menghasilkan glukosa yang dapat difermentasi lebih lanjut menjadi biofuel. Hidrolisis jerami padi dapat dilakukan secara kimiawi (Xiang dkk, 2003) dan secara enzimatis (Dewi, 2002; De Vrije dkk, 2002) maupun menggunakan mikroorganisme penghasil selulase (Aderemi dkk, 2008). Hidrolisis enzimatik lebih menarik jika dipandang dari penggunaan energi karena dapat dilangsungkan pada temperatur rendah (De Vrije dkk, 2002), sedangkan hidrolisis kimiawi memerlukan temperatur tinggi (Xiang dkk, 2003) dan menggunakan bahan kimia yang dapat mencemari lingkungan, akan tetapi hidrolisis enzimatik memerlukan waktu lebih lama.
Hidrolisis selulosa terdiri dari dua tahap, yaitu degradasi selulosa menjadi selobiosa oleh endo-β-1,4-glukanase dan ekso-β-1,4-glukanase dilanjutkan dengan pemecahan selobiosa oleh β-1,4-glukosidase. Kebanyakan sistem selulase yang dihasilkan oleh jamur selulotik, jumlah β-glikosidasenya kurang dari yang dibutuhkan untuk hidrolisis selulosa menjadi glukosa secara efisien, sehingga produk utama hidrolisisnya bukan glukosa melainkan selobiosa (Juhasz dkk, 2003; Martins dkk, 2008; Ahamed dan Vermette, 2008), yang merupakan inhibitor kuat terhadap endo-β-1,4-glukanase dan ekso-β-1,4-glukanase mendegradasi selulosa. Trichoderma reesei mampu menghasilkan endo-β-1,4-glukanasenya sampai 80 % (Muthuvelayudham dan Viruthagiri, 2006), tetapi β-glukosidasenya rendah (Martins dkk, 2008) sedangkan Aspergillus niger dapat menghasilkan β-glukosidansenya tinggi tetapi endo-β-1,4-glukanase dan ekso-β-1,4-glukanasenya rendah.
2 Tujuan penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Menyediakan glukosa sebagai bahan baku produksi biofuel.
2. Menentukan pengaruh rasio enzim/ substrat dan rasio aktifitas enzim kasar dari Trichoderma reesei dan Aspergillus niger pada proses hidrolisis menggunakan enzim selulase.
3 Manfaat penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah :
1. Memberikan informasi tentang pemanfaatan limbah jerami padi yang banyak ditemukan di Indonesia.
2. Memberikan informasi tentang cara mendapatkan enzim selulase untuk mendegradasi jerami padi untuk menghasilkan glukosa.
4 Penelitian terdahulu
1. Kriztina Kovacs dkk (2008) melakukan penelitian terhadap produksi selulase dan β-glucosidase pada steam pretreated spruce (SPS) dengan Trichoderma reesei Rut C30, Trichoderma atroviride TUB F-1505 dan TUB F-1663. Enzim-enzim yang ada dibandingkan berdasarkan aktivitas, temperatur optimum dan kapasitas hidrolisis. Selulase Trichoderma atroviride terbukti memiliki temperatur optimum yang lebih rendah pada pengujian filter paper activity (FPA) dengan suhu 50 oC dan untuk hidrolisis SPS pada 40 oC dibandingkan enzim Rut C30 (FPA pada 60 oC dan hidrolisis pada 50 oC). Oleh karena level ekstraselular β-glucosidases yang tinggi, maka enzim supernatan menghidrolisis SPS yang telah dicuci menjadi glukosa dengan lebih efisien daripada enzim yang diproduksi oleh Trichoderma reesei. Di samping itu,jika seluruh broth fermentasi digunakan daripada supernatan, dan terdapat ikatan miselium enzim, maka kapasitas hidrolisis Trichoderma reesei Rut C30 akan meningkat sekitar 200 %, dibandingkan isolasi Trichoderma atroviride yang hanya menghasilkan peningkatan 15 %.
2. Ming Chen dkk (2007) melakukan penelitian untuk menghasilkan gula pereduksi dari polisakarida jerami jagung melalui hidrolisis enzimatik. Pengolahan awal jerami jagung dilakukan dengan penambahan NaOH 2 % pada 80 oC selama 1 jam, kemudian residu selulosa dihidrolisis dengan selulase dari Trichoderma reesei ZU-02 sehingga menghasilkan yield sebesar 65,9 % selama 48 jam. Dengan menambah selobiase dari Aspregillus niger ZU-07, maka efek hambatan yang disebabkan oleh selobiase akan berkurang, dan yield hidrolisis selama 48 jam dapat ditingkatkan sebesar 81.2 %. Penambahan 5 gram/ liter Tween-80 juga akan mendorong hidrolisis enzimatis dengan peningkatan yield sebesar 7.5 %. Hidrolisis feed batch dimulai dengan hidrolisis batch yang mengandung 80 gram/ liter dengan residu selulosa yang ditambahkan setiap 6 dan 12 jam, untuk menghasilkan 110 gram/ liter konsentrasi substrat. Setelah 72 jam hidrolisis, konsentrasi gula pereduksi akan mencapai 89.5 gram/ liter dan yield hidrolisis sebesar 83.3 %. Hasil hidrolisis dari proses fed-batch memiliki 56.7gram/liter glukosa, 23.6 gram/liter xilose dan 5.7 gram/liter arabinose, yang sangat penting untuk proses fermentasi.
Metodologi penelitian
1 Kondisi operasi
1. Volume cairan : 150 ml 6. pH awal : 5,5
2. Tekanan operasi : 1 atm 7. Berat substrat : 5 gram
3. Jenis substrat : Jerami padi 8. Temperatur operasi : 40°C
4. Pengadukan : pitch blade 9. Ukuran partikel substrat : 100-120 mesh
5. Laju pengadukan : ± 160 rpm
2 Variabel penelitian
Ø Rasio enzim/substrat : 70, 93, 116,5, 139,5 IU/gr substrat
Ø (Rasio Enzim dari T.reesei/Enzim dari A.niger)/ gr substrat : (2/1)/5 gr substrat, (2/2)/5 gr substrat, (1/2)/5 gr substrat, (0/2)/5 gr substrat, enzim komersial (0/2)/5 gr substrat.
3 Bahan yang digunakan
1. Jerami padi 10. ZnSO4.7H2O 19. Na-K-tartrat
2. Aspergillus niger 11. (NH4)2SO4 20. NaOH
3. Trichoderma ressei 12. MnSO4.H2O 21. H2SO4 98%
4. Potato Dextrose Agar (PDA) 13. FeSO4.7H2O 22. K2Cr2O7
5. Dinitrosalicylic acid (DNS) 14. Na-asetat 23. Indikator Ferroin
6. Carboxymetil cellulose (CMC) 15. KH2PO4 24. Asam asetat
7. Yeast ekstract 16. Aquadest
8. Tween 80 17. MgSO4.7H2O
9. Glukosa 18. CaCl2.2H2O
4 Alat yang digunakan
1. Autoclave 9. Gelas ukur 17. Incubator shaker
2. Centrifuge 10. Corong kaca 18. Incubator
3. Static incubator 11. Pipet volumetric 19. Tabung reaksi
4. Hot plate & stirrer 12. Pipet ukur 20. Kawat ose
5. Spectrophotometer 13. Pipet mata 21. Gelas ukur
6. Shaker 14. Beaker glass 22. Oven
7. Analitical balance 15. Labu takar 23. Kertas saring
8. Erlenmeyer 16. Haemocytometer 24. Vortex
5 Diagram alir penelitian
|
|
|
|
|
5.2. Tahap produksi enzim kasar :
 |
 |
5.3. Tahap Hidrolisis jerami padi :
 |
5.4. Tahap Analisa Kadar Glukosa
 |
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hidrolisis selulosa secara biologik dapat dilakukan baik menggunakan enzim selulase (Vrije dkk., 2002; Raghavendra dkk., 2007) maupun mikroorganisme penghasil selulase (Aderemi dkk., 2008). Hidrolisis selulosa dipengaruhi oleh jenis sumber subsrat (seperti serbuk gergaji, jerami padi, sabut sawit) dan ukuran partikel. Jerami padi lebih sulit dihidrolisis dibandingkan dengan serbuk gergaji maupun sabut sawit (Dewi, 2002). Raghavendra dkk. (2007) melaporkan bahwa diantara jerami padi, jerami gandum dan bagas tebu, yang paling mudah dihidrolisis adalah jerami gandum, diikuti bagas dan yang paling sulit dihidrolisis adalah jerami padi. Kesulitan hidrolisis substrat lignoselulosa karena adanya gangguan dari lignin yang menghambat kontak antara selulase dengan selulosa (Raghavendra dkk). Hidrolisis selulosa juga dipengaruhi oleh beberapa faktor lain, diantaranya adalah pH awal, temperatur substrat. Aderemi dkk. (2008) melaporkan bahwa temperatur optimum pada hidrolisis jerami padi adalah 45 – 50 oC dan pH optimum 4,5 – 5,0.
Dalam menghidrolisis jerami padi, dimana mencampurkan enzim selulase dari A.niger dengan enzim selulase T.reesei berdasarkan variabel perbandingan rasio enzim selulase A.niger dengan enzim selulase T.reesei. Setelah mencampurkan kedua enzim selulase tersebut, maka langkah selanjutnya adalah mencampurkan kedalam beaker glass yang telah berisi jerami padi yang sudah pre-treatment secara kimiawi dan memanaskan pada suhu 40°C. Setelah itu menganalisa kadar glukosa dengan mengambil sampel setiap waktu tertentu dan menganalisa dengan metode DNS. Mengukur absorbansi dengan spektrofotometer dengan panjang gelombang 540 nm. Dari langkah tersebut maka di dapatkan data yang kemudian di masukkan ke dalam grafik.
Gambar 1 Hidrolisis jerami padi 70 IU dengan berbagai perbandingan T.reesei dengan A.niger.
Gambar 1 adalah hidrolisis jerami padi 70 IU dengan berbagai perbandingan T.reesei dengan A.niger. Perbandingan T.reesei dengan A.niger yang dilakukan antara lain 2 T.reesei : 1 A.niger, 2 T.reesei : 2 A.niger, 1 T.reesei : 2 A.niger, 0 T.reesei : 2 A.niger, dan enzim komersial 0 T.reesei : 2 A.niger pada suhu 40°C dengan pH 5,5. Pada gambar 1 terlihat bahwa perbandingan 2 T.reesei : 1 A.niger menghasilkan konsentrasi glukosa lebih besar di bandingkan dengan perbandingan T.reesei dengan A.niger lainnya. Hidrolisis jerami padi 70 IU dengan perbandingan 2 T.reesei : 1 A.niger , 2 T.reesei : 2 A.niger, 1 T.reesei : 2 A.niger, 0 T.reesei : 2 A.niger dan enzim komersial 0 T.reesei : 2 A.niger selama 7 jam pada suhu 40°C dengan pH 5,5 menghasilkan konsentrasi glukosa sebesar 6,364 g/L; 5,893 g/L; 4,208 g/L; 3,557 g/L; 4,244 g/L.
Gambar 2 Hidrolisis jerami padi 93 IU dengan berbagai perbandingan T.reesei dengan A.niger.
Gambar 2 adalah hidrolisis jerami padi 93 IU dengan berbagai perbandingan T.reesei dengan A.niger. Perbandingan T.reesei dengan A.niger yang dilakukan antara lain 2 T.reesei : 1 A.niger, 2 T.reesei : 2 A.niger, 1 T.reesei : 2 A.niger, 0 T.reesei : 2 A.niger, dan enzim komersial 0 T.reesei : 2 A.niger pada suhu 40°C dengan pH 5,5. Pada gambar 2 terlihat bahwa perbandingan 2 T.reesei : 2 A.niger menghasilkan konsentrasi glukosa lebih besar di bandingkan dengan perbandingan T.reesei dengan A.niger lainnya. Hidrolisis jerami padi 93 IU dengan perbandingan 2 T.reesei : 1 A.niger , 2 T.reesei : 2 A.niger, 1 T.reesei : 2 A.niger, 0 T.reesei : 2 A.niger dan enzim komersial 0 T.reesei : 2 A.niger selama 7 jam pada suhu 40°C dengan pH 5,5 menghasilkan konsentrasi glukosa sebesar 6,634 g/L; 6,843 g/L; 5,350 g/L; 4,094 g/L; 4,692 g/L.
Gambar 3 Hidrolisis jerami padi 116,5 IU dengan berbagai perbandingan T.reesei dengan A.niger.
Gambar 3 adalah hidrolisis jerami padi 116,5 IU dengan berbagai perbandingan T.reesei dengan A.niger. Perbandingan T.reesei dengan A.niger yang dilakukan antara lain 2 T.reesei : 1 A.niger, 2 T.reesei : 2 A.niger, 1 T.reesei : 2 A.niger, 0 T.reesei : 2 A.niger, dan enzim komersial 0 T.reesei : 2 A.niger pada suhu 40°C dengan pH 5,5. Pada gambar 3 terlihat bahwa perbandingan 2 T.reesei : 1 A.niger menghasilkan konsentrasi glukosa lebih besar di bandingkan dengan perbandingan T.reesei dengan A.niger lainnya. Hidrolisis jerami padi 116,5 IU dengan perbandingan 2 T.reesei : 1 A.niger , 2 T.reesei : 2 A.niger, 1 T.reesei : 2 A.niger, 0 T.reesei : 2 A.niger dan enzim komersial 0 T.reesei : 2 A.niger selama 7 jam pada suhu 40°C dengan pH 5,5 menghasilkan konsentrasi glukosa sebesar 8,095 g/L; 7,553 g/L; 5,435 g/L; 5,430 g/L; 5,495 g/L.
Gambar 4 Hidrolisis jerami padi 139,5 IU dengan berbagai perbandingan T.reesei dengan A.niger.
Gambar 4 adalah hidrolisis jerami padi 139,5 IU dengan berbagai perbandingan T.reesei dengan A.niger. Perbandingan T.reesei dengan A.niger yang dilakukan antara lain 2 T.reesei : 1 A.niger, 2 T.reesei : 2 A.niger, 1 T.reesei : 2 A.niger, 0 T.reesei : 2 A.niger, dan enzim komersial 0 T.reesei : 2 A.niger pada suhu 40°C dengan pH 5,5. Pada gambar 4 terlihat bahwa perbandingan 2 T.reesei : 1 A.niger menghasilkan konsentrasi glukosa lebih besar di bandingkan dengan perbandingan T.reesei dengan A.niger lainnya. Hidrolisis jerami padi 139,5 IU dengan perbandingan 2 T.reesei : 1 A.niger , 2 T.reesei : 2 A.niger, 1 T.reesei : 2 A.niger, 0 T.reesei : 2 A.niger dan enzim komersial 0 T.reesei : 2 A.niger selama 7 jam pada suhu 40°C dengan pH 5,5 menghasilkan konsentrasi glukosa sebesar 8,978 g/L; 7,408 g/L; 5,312 g/L; 5,171 g/L. Enzim komersial 0 T.reesei : 2 A.niger selama 6 jam pada suhu 40°C dengan pH 5,5 menghasilkan konsentrasi glukosa 5,548 g/L.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang dilakukan maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
1. Dalam mendegradasi jerami padi dengan enzim selulase perlu treatment untuk menghilangkan struktur lignin dalam jerami padi.
2. Perbandingan 2 T.reesei : 1 A.niger pada suhu 40°C dengan pH 5,5 selama 7 jam menghasilkan konsentrasi glukosa tertinggi sebesar 6,364 g/L pada 70 IU, 8,095 g/L pada 116,5 IU, dan 8,978 g/L pada 139,5 IU.
3. Perbandingan 2 T.reesei : 2 A.niger pada suhu 40°C dengan pH 5,5 selama 7 jam menghasilkan konsentrasi glukosa tertinggi sebesar 6,843 g/L pada 93 IU.
DAFTAR PUSTAKA.
Aderemi, B.O. , E. Abu, B. K. Highina, 2008, “The Kinetics of Glucose Production from Rice Straw by Aspergillus niger”, African Journal of Biotechnology, jilid 7, (11), 1745 dan 1752.
Ahamed, A. P. Vermette, 2008, “Culture-based Strategies to Enhance Cellulase Enzyme Production from Trichoderma reesei RUT-C30 in Bioreactor Culture Conditions”, Biochemical Engineering Journal, 40, 399 dan 407.
de Vrije, T., G.G. de Haas, G.B. Tan, E.R.P. Keijsers, P.A.M. Claassen, 2002, “Pretreatment of Miscanthus for hydrogen production by Thermotoga elfii”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 27, 1381 dan 1390.
Dewi, 2002, “Hidrolisis Limbah Hasil Pertanian Secara Enzimatik”, Akta Agrosia, Vol. 5, (No. 2), 67 dan 71.
Juhasz, T., K. Kozma, Z. Szengyel, K. Reczey, 2003, “Production of b-Glucosidase in Mixed Culture of Aspergillus niger BKMF 1305 and Trichoderma reesei RUT C30”, Food Technol. Biotechnol, 41, (1), 49 dan 53.
Martins, L.F., D. Kolling, M. Camassola, A.J.P. Dillon, L.P. Ramos, 2008, “Comparison of Penicillium echinulatum and Trichoderma reesei Cellulases in Relation to Their Activity Against Various Cellulosic Substrates”, Bioresource Technology, 99, 1417 dan 1424.
Ming Chen, Jing Zhao, Liming Zia, 2007, “Enzymatic Hydrolysis of Maize Straw Polysaccharides for the production of reducing sugars”, Biochemical Engineering Journal, 71, 411 dan 415.
Muthuvelayudham, R. and T. Viruthagiri, 2006, “Fermentative Production and Kinetics of Cellulase Protein on Trichoderma reesei Using Sugarcane Bagasse and Rice Straw”, African Journal of Biotechnology, Vol. 5, (20), 1873 dan 1881.
Raghavendra, B., Havnnavar, G.S., Geeta, “Pre-treatment of Agroresidues for Release of Maximum Reducing Sugar”, Karnataka J. Agric. Sci, 20, (4), 771 dan 772.
Sabiham, S. and B. Mulyanto, 2005, “Biomass Utilization in Indonesia: Integration of Traditional and Modern Principles of Organic Matter Management”, Paper is presented in APECATC Workshop on Biomass.
Xiang, Q., Y. Y. Lee, P.O. Pettersson, R.W. Torget (2003), “Heterogeneous Aspects of Acid Hydrolysis of a-Cellulose”, Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 105-108, 505 dan 514.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar