11 Menurut Irawadi 1990, struktur selulosa sebagai polimer karbohidrat
atau polisakarida tersusun dari anhidroglukopiranosa yang memiliki rumus C
6
H
10
O
5
. Lebih lanjut diungkapkan bahwa selulosa di ikat oleh β-1,4-glukosida
alam, membentuk rantai polimer linier glukan dengan struktur rantai yang seragam. Ikatan β-1,4 glikosida pada selulosa merupakan ikatan penghubung
antar unit D-glukosa Lehninger, 1982 dalam Puspitasari, 2009. Ikatan penghubung ini dapat dipecah menjadi monomer-monomer glukosa melalui jalur
hidrolisa asam dan hidrolisa enzimatis atau biologis Harjo et al., 1989. Lebih lanjut Harjo et al. 1989 menambahkan bahwa meskipun ikatan glikosidik beta
1,4 pada serat selulosa dapat dipecah menjadi monomer-monomer glukosa dengan cara hidrolisa asam atau hidrolisa enzimatis, akan tetapi pemecahannya tidak
secepat pati atau gula.
2.3 Enzim Selulase
Selulase adalah nama bagi semua enzim yang memutuskan ikatan glikosidik beta-1,4 di dalam selulosa, selobiosa, dan turunan selulosa lainnya
Denman et al., 1996. Lebih lanjut diungkapkan bahwa di alam, enzim selulase ditemukan di berbagai ekosistem, terutama ditemukan pada proses dekomposisi
serasah daun, hingga keadaan anaerobik pada ruminansia. Selulase merupakan enzim yang mampu menghidrolisis selulosa menjadi gula sederhana atau glukosa
dengan memutuskan ikatan glik osidik β-1,4 dalam selulosa, selodekstrin,
selobiosa dan turunan selulosa lainnya Kulp, 1975 dalam Syam, 2008. Lynd et al. 2002 dan Beauchemin et al. 2003 menyatakan bahwa
perombakan selulosa secara enzimatis berlangsung karena adanya kompleks enzim selulase yang bersifat spesifik untuk
menghidrolisis ikatan β-1,4-glikosidik,
12 rantai selulosa dan derivatnya melalui beberapa tahapan yang terdiri dari enzim
endo- β-glukanaseCMC-ase, eksoglukanase, dan β-glukosidase. Enzim selulase
merupakan sistem enzim yang terdiri dari enzim endoglukanase, eksoglukanase dan
β-glukosidase Syam, 2008. Menurut Schlegel 1994 mekanisme pemecahan selulosa oleh selulase sekurang-kurangnya terdiri dari tiga enzim: 1 Enzim-
enzim endo- β-1,4 glukanase mempengaruhi secara serentak ikatan β-1,4 di dalam
makromolekul dan menghasilkan potongan-potongan besar berbentuk rantai dengan ujung-ujung bebas, 2 Enzim ekso-
β-1,4 glukanase memotong mulai dari ujung-ujung rantai, disakarida selobiosa, 3 Enzim-enzim
β-glukosidase menghidrolisasi selobiosa dengan membentuk glukosa. Enzim selulase adalah
enzim yang dapat mengkatalisis dan menghidrolisis ikatan β 1-4 glukosidik pada
selulosa ikatan yang paling banyak di selulosa Bhat, 2000. Aktivitas enzim endoglucanases atau yang sering disebut dengan CM-
cellulases carboxymethylcellulose, menghidrolisis secara acak ikatan pada serat selulosa Syam, 2008. Lebih lanjut diungkapkan bahwa endoglukanase
memotong secara acak pada situs internal amorf pada rantai selulosa polisakarida menghasilkan oligosakarida dengan panjang yang berbeda-beda dan akhirnya
membentuk ujung rantai baru Syam, 2008. Hal ini mengakibatkan rantai polisakarida yang telah terpotong oligosakarida mempunyai panjang rantai
yang berbeda-beda Bhat, 2000. Hasil dari hidrolisis serat selulosa adalah glukosa, cellobiose, cellotriose, dan oligosakarida yang lebih tinggi Wood, 1985.
Cellobiohydrolyase yang sering disebut dengan eksoglukanase adalah enzim pendegadasi selulosa yang ditemukan pada mayoritas fungi yang dapat
mendegadasi selulosa Wood, 1985. Lebih lanjut diungkapkan bahwa
13 eksoglukanase berperan dalam mengatur proses reduksi atau tanpa reduksi dari
ujung rantai selulosa polisakarida, membebaskan melepaskan unit-unit glukosa secara berturut-turut. Eksoglukanase dapat menghidrolisis mikrokristalline namun
tidak dapat menghidrolisis carboxymethylcellulose Kim dan Kim, 1995. Enzim eksoglukanase terdiri dari 1,4- D-glucan glucanohydrolases lebih dikenal dengan
cellodextrinases dan 1,4-D-glucan cellobiohydrolases cellobiohydrolases. Enzim eksoglukanase adalah enzim yang aktif pada sisi crystalline selulosa
Mattinen, 1998. β-glucoside glucohydrolases lebih dikenal sebagai β-glukosidase. β-
glukosidase adalah enzim yang digunakan untuk menghidrolisis cellobiose dan pada beberapa kasus dapat menghidrolisis cello-oligosakarida menjadi
glukosa Wood, 1985. Lebih lanjut diungkapkan enzim endogluconases dan β-
glukosidase dapat menghidrolisis selulosa menjadi glukosa. β-glukosidase
dibutuhkan untuk menghidrolisis inhibitor cellobiose. Laju hidrolisis enzim selulase ditentukan oleh struktur enzim dan struktur substrat, dimana struktur
kristal dari selulosa relatif lebih sulit dihidrolisis dibandingkan dengan struktur amorf Coughlan, 1985.
Perombakan selulosa oleh kelompok bakteri selulolitik berlangsung
melalui beberapa tahapan Bhat dan Bhat, 1997. Tahap pertama adalah
menguraikan polimer
selulosa secara
randomacak oleh
enzim carboxymethilcelulaseCMC-
ase atau endo β-1,4 glukanase dengan cara memecah ikatan hidrogen yang ada di dalam struktur kristalinamorf selulosa
ikatan internal α-1,4-glukosida sehingga terbentuk rantai-rantai individu selulosa oligodekstrin. Tahap kedua adalah penguraian selulosa dari ujung pereduksi dan
14 non pereduksi oleh eksoglukanase selodektrinase dan selobiohydrolase melalui
pemotongan ujung-ujung rantai individu selulosa ujung pereduksi dan non- pereduksi sehingga menghasilkan disakarida dan tetrasakarida misal selobiosa.
Lynd et al. 2002 mengungkapkan hidrolisis bagian berkristal selulosa hanya dapat dilakukan secara efisien oleh enzim eksoglukanase. Tahap ketiga terakhir
adalah tahap penguraian selobiosa menjadi glukosa oleh enzim β-
glukosidaseglukohydrolase.
Aktivitas enzim didefinisikan sebagai kecepatan pengurangan substrat atau kecepatan pembentukan produk pada kondisi optimum Lynd et al., 2002. Satu
unit aktivitas enzim selulase didefinisikan sebagai jumlah enzim yang menghasilkan satu mikromol gula reduksi glukosa setiap menit Lehninger,
1993 dalam Syam, 2008. Lebih lanjut diungkapkan, setiap enzim berfungsi secara optimal pada pH, suhu, dan konsentrasi substrat tertentu.
Gambar 2.2: Proses degradasi selulosa menjadi glukosa Lynd et al., 2002
15 Faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim yaitu:
a. Konsentrasi Substrat
Substrat yang digunakan dalam proses fermentasi berpengaruh terhadap aktivitas dan produktivitas enzim. Hasil eksperimen menunjukkan pada
konsentrasi enzim yang tetap, maka pertambahan konsentrasi substrat akan menaikkan kecepatan reaksi. Akan tetapi pada batas konsentrasi tertentu,
kecepatan reaksi tidak akan mengalami kenaikan walaupun konsentrasi substrat diperbesar. Substrat yang dipergunakan secara umum untuk penetapan aktivitas
endoglukanase adalah CMC Carboxymethyl cellulose Syam, 2008. b.
Suhu Suhu sangat berpengaruh dan digunakan sebagai katalis enzim dalam suatu
reaksi kimia. Jika pada suhu rendah reaksi kimia berlansung lambat, sedangkan pada suhu yang lebih tinggi reaksi berlangsung lebih cepat Poedjiadi 1994
disitasi Syam, 2008. Namun, kenaikan suhu dapat menyebabkan terjadinya proses denaturasi, maka bagian aktif enzim akan terganggu dan kecepatan
reaksinya pun akan menurun. c.
Part of Hidrogen pH Aktivitas enzim selulase pada umumnya stabil pada kisaran pH 4,5 dan
6,5. Perubahan pH lingkungan sangat berpengaruh terhadap efektvitas bagian aktif enzim dalam membentuk kompleks enzim substrat. Jika kondisi pH rendah atau
pH tinggi dapat pula menyebabkan terjadinya proses denaturasi dan akan mengakibatkan aktivitas enzim menjadi turun Syam, 2008.
Maranatha 2008 menyatakan bahwa setiap bakteri selulolitik menghasilkan kompleks enzim selulase yang berbeda-beda, tergantung dari gen
16 yang dimiliki dan sumber karbon yang digunakan. Sumardi et al. 2010
menyatakan bahwa faktor genetik mempengaruhi besarnya produksi enzim. Lebih lanjut diungkapkan, gen setiap mikroorganisme berbeda-beda sehingga masing-
masing mikroorganisme memiliki sifat yang berbeda dan dari tiap gen memiliki sifat yang spesifik untuk mengkode enzim-enzim tertentu.
Substrat Carboxy Methyl Cellulose CMC merupakan substrat selulosa murni yang berbentuk amorphous sehingga aktivitas enzim selulase pada substrat
CMC merupakan aktivitas enzim endo-1,4- β-glukanase Meryandini et al., 2009.
Lebih lanjut diungkapkan, substrat avicel merupakan substrat selulosa yang berbentuk kristalin sehingga aktivitas enzim selulase pada substrat avicel
merupakan aktivitas enzim ekso-1,4- β-glukanase. Endo-1,4-β-glukanase bekerja
pada rantai dalam CMC menghasilkan oligosakarida atau rantai selulosa yang lebih pendek Maranatha, 2008. Lebih lanjut diungkapkan, enzim ekso-1,4-
β- glukanase bekerja memotong ujung rantai oligosakarida menjadi selobiosa, yaitu
dua molekul glukosa yang ber ikatan secara β-1,4-glikosidik. Hasil penelitian
Meryandani et al. 2009 menunjukkan bahwa isolat asal tanah pertanian dengan C5-1, C11-1 dan C4-4 memiliki aktivitas enzim selulase optimum pada substrat
CMC berturut-turut sebesar 0,042 nkatml; 0,193 nkatml dan 0,112 nkatml yang menggambarkan bahwa isolat tersebut memiliki sejumlah besar endo-1,4-
β- glukanase.
Hemiselulosa dan lignin akan mengganggu aktivitas enzim selulase yang hanya sp
esifik memotong ikatan β-1,4-glikosidik pada selulosa Maranatha, 2008. Lebih lanjut diungkapkan, untuk meningkatkan luas permukaan substrat
maka jerami padi, tongkol jagung dan kulit pisang diperkecil ukurannya sampai
17 65 mesh. Menurut Meryandani et al. 2009, hal yang menghambat aktivitas
selulase pada substrat jerami padi dan tongkol jagung adalah komponen lignin karena lignin membungkus dan mengikat selulosa secara fisik sehingga
menghalangi enzim selulase bekerja maksimal pada substrat. Meryandani et al. 2009 menyatakan bahwa aktivitas enzim selulase yang
lebih tinggi pada substrat limbah pertanian dibandingkan dengan selulosa sintetis kemungkinan disebabkan oleh adanya enzim hemiselulolitik pada ekstrak kasar
yang diproduksi oleh bakteri. Han et al. 2003 menyatakan bahwa bakteri Clostridium cellulovorans mensintesis enzim hemiselulolitik saat tumbuh pada
substrat selulosa seperti selobiosa. Lebih lanjut diungkapkan, ekspresi enzim selulase berhubungan dengan ekspresi enzim hemiselulase. Susanti 2011 yang
menyatakan bahwa apabila waktu reaksi enzimatis telah mencapai optimum dalam menghasilkan produk yang maksimum maka aktivitas enzim mengalami
penurunan dengan penambahan waktu inkubasi lebih lanjut. Susanti 2011 juga menyatakan bahwa produk gula pereduksi yang dihasilkan dari reaksi enzimatis
sebanding dengan lama waktu inkubasi, tetapi jika sisi aktif enzim telah jenuh oleh substrat.
2.4 Mikroba Penghasil Enzim Selulase
