Perancangan proses dan peningkatan skala ekstraksi kitin dari kulit udang secara biologis
PERANCANGAN PROSES DAN PENINGKATAN SKALA
EKSTRAKSI KITIN DARI KULIT UDANG
SECARA BIOLOGIS
JUNIANTO
.
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
SURAT PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi yang berjudul
PERANCANGAN PROSES DAN PENINGKATAN SKALA
EKSTRAKSI KITIN DARI KULIT UDANG
SECARA BIOLOGIS
Adalah benar hasil karya saya sendiri dengan arahan komisi pembimbing dan
belum pernah dipublikasikan.
Disertasi ini belum pernah diajukan untuk
memperoleh gelar pada program sejenis di perguruan tinggi lain. Semua sumber
data dan informasi yang digunakan telah dinyatakan secara jelas dan dapat
diperiksa kebenarannya
Bogor, September 2008
Junianto
F361040011
ABSTRACT
JUNIANTO. F361040011. Process Design and Scale Up of The Biological
Extraction of Chitin from Shrimp Shells.
Supervised by DJUMALI
MANGUNWIDJADJA, SUPRIHATIN, MULYORINI RAHAYUNINGSIH, and
BUDIASIH WAHYUNTARI.
Biologically chitin extraction was conducted by microbial process for
deproteinization and demineralization. Lactobacillus acidophilus FNCC 116 was
used for demineralization and Bacillus licheniformis F11.1 for deproteinization.
The aim of the experiment was to design the biological extraction process of
chitin from shrimp shells and to obtain the best scaling up criteria for the
biological chitin extraction. The result of design of the biologically chitin
extraction process from shrimp shells was as follow : The Shrimp shells was
ground into pieces of 5 – 10 mm and followed by demineralization that was
conducted by subsequent batch fermentation. The fermentation was done for 36
hours and 100 % medium was substituted at 24th hour. The best fermentation
condition was 50 rpm agitation, at room temperature (30 ± 1 oC), 10 % (v/v)
inoculums (1 x 109 Cfu/ml cell density) and medium fermentation consisted of 0.5
g/L yeast extract and 60 g/L glucose. The demineralized shrimp shells was
washed by running water. The final step was deproteinization of demineralized
shrimp shells by batch fermentation and it was conducted for 96 hours. The best
fermentation condition was 275 rpm agitation, 2.3 vvm aeration, pH adjusted in
range of 7.8 – 8.2 and temperature of 55 oC. The medium fermentation consisted
of 5 g/L yeast extract; 5 g/L KH2PO4; 1 g/L CaCl2; 5 g/L NaCl and 0.5 g/L
MgSO4. By this design of the biologically chitin extraction process, 95.69 % ash
and 92.42 % protein could be removed. The ash, protein, and chitin content of
chitin product was 0.84 % (db), 1.46 % (db), and 97.26 % (db) respetively
whereas its viscosity was 15000 cps. The best criteria for scaling up for the
biologically chitin extraction was the constant power given per unit volume for
the demineralization as well as the deproteinization process.
Key words: biological, chitin, shrimp shells, deproteinization, demineralization
RINGKASAN
JUNIANTO. F361040011. Perancangan Proses dan Peningkatan Skala Ekstraksi
Kitin dari Kulit Udang Secara Biologis.
Dibimbing oleh DJUMALI
MANGUNWIDJADJA, SUPRIHATIN, MULYORINI RAHAYUNINGSIH, dan
BUDIASIH WAHYUNTARI.
Ekstraksi kitin dari kulit udang dapat dilakukan secara kimiawi maupun
biologis. Ekstraksi kitin secara kimiawi dapat menyebabkan hidrolisis polimer
sehingga kitin yang dihasilkan viskositasnya rendah. Selain itu, ekstraksi secara
kimiawi menghasilkan limbah yang memberi beban pencemaran lingkungan
cukup besar. Ekstraksi kitin secara biologis tidak menyebabkan hidrolisis polimer
sehingga viskositas kitinnya tinggi.
Ekstraksi kitin secara biologis ramah
lingkungan dan juga menghasilkan produk samping berupa protein dan kalsium
yang mempunyai nilai tambah.
Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan rancangan proses biologi untuk
ekstraksi kitin dari kulit udang vannamei (Penaeus vannamei) menggunakan
bakteri B. licheniformis F11.1 dan L. acidophillus FNCC 116.
Selain itu
bertujuan untuk mendapatkan kriteria terbaik dalam peningkatan skala ekstraksi
kitin.
Tahapan ekstraksi kitin dari kulit udang dilakukan melalui demineralisasi
dan deproteinasi. Demineralisasi dimaksudkan untuk menghilangkan kandungan
mineral dalam bentuk abu sedangkan deproteinasi bertujuan untuk menghilangkan
protein dari kulit udang.
Bakteri Lactobacillus acidophillus FNCC 116 dan
Bacillus licheniformis F11.1 digunakan untuk ekstraksi kitin secara biologis dari
kulit udang. Kedua bakteri ini merupakan spesies baru yang digunakan untuk
ekstraksi kitin.
Setiap jenis bakteri memerlukan kondisi pertumbuhan yang
spesifik, sehingga diperlukan perancangan proses biologis untuk ekstraksi kitin
agar diperoleh tingkat penghilangan mineral dan protein maksimal dari kulit
udang. Selain itu, pemilihan kriteria yang sesuai untuk peningkatan skala proses
sangat diperlukan dalam rangka mendapatkan hasil yang tetap optimal.
Hasil rancangan proses ekstraksi kitin dari secara biologis dari kulit udang
vannamei (Penaeus vannamei) dengan menggunakan L. acidophillus FNCC 116
pada proses demineralisasi dan B. licheniformis F11.1 pada deproteinasi adalah
sebagai berikut: Pengecilan ukuran kulit udang dilakukan pada 0,5 – 1 cm.
Selanjutnya didemineralisasi melalui proses fermentasi batch berturut-turut
(subsequent batch), dengan penggantian 100 % medium yang dilakukan pada jam
ke 24 jam. Fermentasi dilakukan pada suhu 30 ± 1oC selama 36 jam. Selama
proses fermentasi dilakukan agitasi pada laju 50 rpm. Medium fermentasi terdiri
atas 0,5 g/L ekstrak khamir
dan 60 g/L glukosa. Jumlah inokulum bakteri
sebanyak 10 % (v/v) dengan tingkat kepadatan 1 x 109 Cfu/ml. Kulit udang hasil
demineralisasi dicuci bersih kemudian dideproteinasi.
Deproteinasi dilakukan
melalui proses fermentasi sistem batch selama 96 jam. Suhu dan pH fermentasi
dipertahankan pada 55 oC dan kisaran 7,8 – 8,2, sedangkan aerasi dan agitasi
masing-masing ditetapkan pada 2,3 vvm dan 275 rpm.
Komposisi medium
fermentasi terdiri dari ekstrak khamir 5 g/L; KH2PO4 5 g/L; CaCl2 1 g/L; NaCl 5
g/L dan MgSO4 0,5 g/L. pH awal medium diatur pada 7,3. Jumlah inokulum
bakteri sebanyak 20 % (v/v) dengan tingkat kepadatan 1 x 109 Cfu/ml.
Tingkat penurunan kandungan abu dan protein yang diperoleh melalui
ekstraksi kitin secara biologis ini masing-masing adalah 95,69 % dan 92,42 %.
Karakteristik produk kitin yang dihasilkan mempunyai kandungan abu 0,84 %
(bk), kandungan protein 1,42 % (bk), kandungan kitin 97,26 % (bk), dan
viskositas 15000 cps pada konsentrasi kitin 1 % dalam larutan Lithinium Klorida.
Kriteria peningkatan skala terbaik untuk ekstraksi kitin secara biologi adalah
tenaga per unit volume (Pg/v). Berdasarkan kriteria ini tingkat perbandingan
penurunan mineral dan protein kulit udang pada skala besar (bioreaktor 13 liter)
terhadap skala yang lebih kecil (bioreaktor 2 liter) masing-masing adalah 97,02 %
dan 84,29 %.
@ Hak Cipta milik IPB, tahun 2008
Hak Cipta dilindungi Undang-undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan
karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu
masalah
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB
2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apapun tanpa ijin IPB
PERANCANGAN PROSES DAN PENINGKATAN SKALA
EKSTRAKSI KITIN DARI KULIT UDANG
SECARA BIOLOGIS
JUNIANTO
Disertasi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar
Doktor
Pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
Judul Disertasi
: Perancangan Proses dan Peningkatan Skala Ekstraksi Kitin
dari Kulit Udang Secara Biologis
Nama Mahasiswa
: Junianto
NRP
: F361040011
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr.-Ing.Ir. Suprihatin
Anggota
Prof. Dr. Ir. Djumali Mangunwidjaja, DEA
Ketua
Dr. Ir. Mulyorini Rahayuningsih, MS.
Anggota
Dr. Ir. Budiasih Wahyuntari, MSc.
Anggota
Diketahui,
Ketua Program Studi
Teknologi Industri Pertanian
Dr. Ir. Irawadi Jamaran
Tanggal Ujian: 4 September 2008
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Khairil Anwar Notodiputro, MS.
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Segala puji hanya bagi Allah SWT, Dialah pemilik segala ilmu dan atas
kuasa-Nya disertasi dengan judul “Perancangan Proses dan Peningkatan Skala
Ekstraksi Kitin Secara Biologis dari Kulit Udang” dapat diselesaikan. Sholawat
dan Salam, semoga Alloh SWT limpahkan kepada Rasulallah Muhammad SAW
dan ummatnya; Amien.
Ucapan terima kasih, rasa hormat dan penghargaan yang tinggi pada
kesempatan yang tepat ini, penulis sampaikan kepada :
1. Prof. Dr. Ir. Djumali Mangunwidjadja, DEA selaku ketua komisi
pembimbing; Dr.-Ing.Ir. Suprihatin; Dr. Ir. Mulyorini Rahayuningsih, MS;
dan Dr. Ir. Budiasih Wahyuntari, MSc masing-masing sebagai anggota komisi
pembimbing yang telah memberikan bimbingan, arahan, saran, keluangan
waktu dan dorongan moral yang tulus sehingga penulisan disertasi ini dapat
diselesaikan.
2. Dr. Ir. Sukardi, MM di Departemen Teknologi Industri Pertanian Fakultas
Teknologi Pertanian IPB yang banyak memberikan masukan pada saat
bertindak sebagai dewan penguji di ujian tertutup.
Dr. Siswa Setyahadi,
Kepala Bidang Biokatalis-Teknologi BioIndustri BPPT dan Prof (riset) Dr.Ir.
Rosmawati Peranginangin, MS., Peneliti Utama Balai Besar Riset Pengolahan
Produk dan Bioteknologi Perikanan Departemen Kelautan dan Perikanan atas
masukan yang disampaikan pada saat menjadi penguji ujian terbuka
3. Dr. Ir. Koenandar, M.Eng selaku Direktur Pusat Teknologi BioIndustri; Dr. Ir.
Siswa Setyahadi selaku Kepala Bidang Biokatalis; dan Ir. Trismilah, MS
selaku Kepala Laboratorium BioIndustri – BPPT; atas segala biaya dan
penggunaan fasilitas laboratorium yang diberikannya sehingga penelitian ini
dapat diselesaikan.
4. Dekan Sekolah Pascasarjana IPB Prof. Dr. Ir. Khairil Anwar Notodipuro, MS;
Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian Dr. Ir. Irawadi Jamaran,
dan Sektretaris Program Studi Teknologi Industri Dr. Ir. Ani Suryani beserta
staf pengajar yang telah memberi ilmu dan bimbingan kepada penulis selama
menimba ilmu pengetahuan di IPB.
5. Rektor Universitas Padjadjaran Prof. Dr. Ir. Ganjar Kurnia, DEA; Dekan
Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan Universitas Padjadjaran Prof. Dr. Ir. H.
Bachrulhayat Koswara, MS; Ketua Program Studi Perikanan Dr. Ir. H. Eddy
Afrianto, MS dan Ketua Laboratorium Teknologi Industri Hasil Perikanan Ir.
H. Evi Liviawaty, MP atas ijin dan kesempatan yang diberikan kepada penulis
untuk melanjutkan jenjang pendidikan S3.
6. Tim Manajemen BPPS-Dikti atas bantuan dana pendidikan program doktor
yang diberikan kepada penulis.
7. Staf peneliti laboratorium Bioindustri – BPPT antara lain Dr. Dadang, Deden
R Waltam, SSi; Drs. Djamil, MS; Ir. Djoni Prasetyo, MS; dan kelompok
penelitian kitin antara lain Herwanto, SP; Siti Rahma , SP; M. Fajar, SPi;
Iman Firmansyah, SPi, Rita Rahmawati, ST; Anugrah Luki Haryanto, SSi;
Mufti., atas segala bantuan kekompakan dan kerjasamanya dalam penelitian
ini.
8. Ayanda H. Ali Syukur, Ibunda H. Siti Rokayyah, dan Ibunda Mertua Siti
Haniah, atas segala doa, kasih sayang dan pengorbanannya yang tiada tara.
9. Istriku Lilis Kusmayati, SPt dan anak-anakku Amir Mujahiduddien, Hadiati
Rabbani, Sayyid Irsyadul Ibad, Roja Fathlur Rahman, Hasyidah Hanifati
Dieni, Najim Kharil Abidin dan Mufakir Falih Bayyinal Haq, atas segala doa,
pengorbanan, pengertian, dan dorongan semangat. Begitu pula ucapan terima
kasih kepada adik-adikku Drs. Junaidi dan istri, Junairi, SPd dan Istri,
Junaiman dan Istri, Junarsih dan Suami, Junarni, Dipl.SPi dan Suami serta
Jumadi, SPd; atas segala doa dan dorongan semangatnya.
10. Rekan-rekan dan semua pihak yang telah membantu penulis selama mengikuti
pendidikan sampai selesainya disertasi ini.
Semoga Allah SWT memberikan pahala kepada mereka semua atas segala
yang diberikannya. Akhirnya, semoga disertasi ini dapat memberikan sumbangan
pemikiran dan pengembangan ilmu pengetahuan yang bermanfaat.
Bogor, September 2008
Junianto
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Madura Kabupaten Sampang, Propinsi Jawa Timur,
tanggal 17 Agustus 1967. Anak pertama dari 8 bersaudara dari pasangan Bapak
H. Ali Syukur dan Ibu H. Siti Rokayyah. Setelah lulus Sekolah Menengah Atas
Negeri I di Sampang tahun 1986, penulis diterima di Program Studi Teknologi
Hasil Pertanian, Fakultas Pertanian Universitas Padjadjaran melalui program
Penelusuran Minat dan Kemampuan (PMDK).
Selama studi di Fakultas
Pertanian, penulis mendapatkan tunjangan ikatan dinas selama 1 tahun dari Dikti.
Penulis menyelesaikan program sarjana S1 pada bulan Januari 1991 dan setelah
itu bekerja di PT. Ultra Jaya Milk Industri selama 1 tahun sebagai Management
Traineer.
Pada bulan April 1992, penulis diangkat sebagai calon pengawai negeri
sipil dan ditempatkan sebagai staf pengajar Jurusan Perikanan Fakultas Pertanian
Universitas Padjadjaran yang sekarang menjadi Fakultas Perikanan dan Ilmu
Kelautan. Setahun kemudian yaitu 1993 penulis diangkat sebagai pegawai negeri
sipil sampai sekarang. Pada tahun 1994, penulis melanjutkan studi ke program
magister Teknologi Pascapanen Universitas Padjadjaran atas dana BPPS dan
selesai tahun 1997. Setelah itu, pada tahun 2004 penulis melajutkan studi ke
program doktor Teknologi Industri Pertanian IPB juga dengan dana BPPS.
Selama menjadi staf pengajar, penulis disamping mengajar juga telah melakukan
penelitian dan pengabdian kepada masyarakat, menulis di media cetak dan
penerbitan buku.
Akhirnya penulis sekarang menjadi lektor kepala dengan
pangkat IVB.
Penulis menikah dengan Lilis Kusmayati, SPt tanggal 30 Juni 1993 di
Garut. Alhamdulillah, penulis sampai saat ini masih dikarunia 7 orang anak yaitu
Amir Mujahiduddien, Hadiati Rabbani, Sayyid Irsyadul Ibad, Roja Fathlur
Rahman, Hasyidah Hanifati Dieni, Najim Kharil Abidin, dan Mufakir Falih
Bayyinal Haq.
Selama mengikuti program S3, disamping mengerjakan penelitian disertasi
juga telah menyelesaikan penelitian dengan judul “Ekstraksi Gelatin dari Tulang
Ikan dan Pemanfaatannya sebagai Bahan Cangkang Kapsul” dengan dana Hibah
Bersaing Dikti tahun 2005 dan 2006. Penulis juga telah menyampaikan sebagian
hasil penelitian disertasi ini di seminar Pertemuan Tahunan Perhimpunan
Mikrobiologi Indonesia, tanggal 29 Juni – 2 Juli 2007 di Hotel Arum
Banjarmasin-Kalimatan Selatan, dan Konferensi ke 4 Bioteknologi Indonesia,
tanggal 5 – 7 Agustus 2008 di Pusat Konvensi Internasional IPB- Bogor. Selain
itu, penulis bersama komisi pembimbing juga telah menulis artikel dari sebagian
disertasi dengan judul “Pengaruh Tingkat Aerasi dan Kecepatan Agitasi terhadap
Tingkat Hidrolisis Protein Kulit Udang”, yang sampai saat ini masih dalam proses
untuk dimuat di Jurnal Bionatura, ISSN : 1411-0903. Penelitian disertasi ini
dibiayai oleh BPPT melalui program kerjasama antara pemerintah Indonesia
dengan pemerintah Jerman.
Penguji Sidang Tertutup:
Dr. Ir. Sukardi, MM.
Dosen Fakultas Teknologi Pertanian IPB
Penguji Sidang Terbuka:
1. Dr.Ir. Siswa Setyahadi
Kepala Bidang Biokatalis Teknologi Bioindustri BPPT
2. Prof (R) Dr.Ir. Rosmawati Peranginangin, MS.
Peneliti Utama Balai Besar Riset Pengolahan Produk dan Bioteknologi Perikanan
Departemen Kelautan dan Perikanan
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI ...............................................................................................
i
DAFTAR TABEL .......................................................................................
iii
DAFTAR GAMBAR .................................................................................
iv
DAFTAR LAMPIRAN ..............................................................................
vii
PENDAHULUAN .............................................................................
1
1.1 Latar Belakang ...........................................................................
1
1.2 Tujuan Penelitian .......................................................................
6
1.3 Ruang Lingkup Penelitian ..........................................................
7
1.4 Manfaat Penelitian .....................................................................
7
TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................
8
2.1 Kulit Udang ...................................................................................
8
2.2 Kitin ..............................................................................................
9
2.3 Ekstraksi Kitin ...............................................................................
13
2.3.1 Proses Deproteinasi .......................... .............. ........................
14
2.3.2
Proses Demineralisasi ...............................................................
18
2.4 Sistem Fermentasi ..........………………………………................
22
2.5 Aerasi dan Agitasi
23
I
II
........................................................................
2.5.1 Aerasi ........................................................................................
23
2.5.2 Agitasi .......................................................................................
24
2.6 Optimasi dengan Response Surface Methodology ......................
25
2.7 Perancangan Proses .....................................................................
30
2.8 Peningkatan Skala Bioproses .....................................................
32
III
IV
METODE PENELITIAN ................................................................
35
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ......................................................
35
3.2 Bahan dan Alat Penelitian ............................................................
35
3.3 Metode Penelitian .........................................................................
36
HASIL DAN PEMBAHASAN ..........................................................
52
4.1 Perancangan Proses Biologis Ekstraksi Kitin dari Kulit Udang ....
52
4.1.1 Penentuan Kecepatan Agitasi pada Proses Demineralisasi Kulit
Udang ........................................................................................
53
4.1.2 Penentuan Kecepatan Agitasi dan Tingkat Aerasi pada Proses
Deproteinasi Kulit udang ...........................................................
63
4.1.3
Penentuan Jalur Tahapan Ekstraksi Kitin dari Kulit Udang
Secara Biologi ...........................................................................
72
4.1.4 Penentuan Sistem Fermentasi pada Proses Demineralisasi Kulit
Udang ........................................................................................
86
4.1.5 Optimasi Kecepatan Agitasi dan Tingkat Aerasi pada Proses
Deproteinasi Kulit Udang Hasil Demineralisasi ....................
95
4.1.6 Penentuan Sistem Fermentasi Proses Deproteinasi Kulit Udang
Hasil Demineralisasi .................................................................. 101
4.1.7 Hasil Rancangan Proses Ekstraksi Kitin dari Kulit Udang
Secara Biologis ........................................................................... 107
4.2 Penentuan Kriteria untuk Peningkatan Skala Ekstraksi Kitin
Secara Biologi dari Kulit Udang .................................................. 112
V
KESIMPULAN DAN SARAN .........................................................
129
5.1 Kesimpulan ....................................................................................
129
5.2 Saran ..............................................................................................
130
DAFTAR PUSTAKA ..........................................................................
131
LAMPIRAN .........................................................................................
140
DAFTAR TABEL
No
Teks
Hal
1 Produksi dan ekspor udang Indonesia 2003 – 2007 .........................
8
2 Mutu kitin niaga dari berbagai produk .............................................
11
3 Kombinasi perlakuan dengan rancangan komposit pusat .................
46
4 Analisis proksimat kulit udang vannamei ........................................
52
5 Tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil demineralisasi pada
berbagai kondisi proses untuk pendugaan ordo pertama .................
96
6 Tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil demineralisasi pada
berbagai kondisi proses untuk pendugaan ordo kedua ....................
98
7 Kriteria Mutu Kitin ...........................................................................
112
8 Karakteristik bioreaktor ....................................................................
113
9 Kondisi proses pada bioreaktor 13 liter dari berbagai kriteria
penigkatan skala ................................................................................ 120
10 Parameter geometrik bioreaktor 2 liter yang digunakan pada proses
ekstraksi kitin dari kulit udang ......................................................... 127
11 Karakteristik rancang bangun dan kondisi proses pada berbagai
skala bioreaktor untuk ekstraksi kitin .............................................. 128
DAFTAR GAMBAR
No
Teks
Hal
1 Struktur kimia kitin, kitosan dan selulosa .......................................
10
2 Penerapan kitin dan turunannya di industri ......................................
12
3 Reaksi kimia pemutusan ikatan peptida dengan katalis enzim ........
16
4 Skematis deproteinasi kulit udang secara biologi ............................
17
5 Skema proses biologi demineralisasi kulit udang dalam fermentasi
asam laktat .......................................................................................
19
6 Persamaan reaksi antara asam laktat dan kalsium karbonat .............
20
7 Skematik tahapan penelitian .............................................................
37
8 Perubahan kandungan glukosa, nilai pH dan kandungan asam laktat
serta pertumbuhan bakteri L. acidophilus FNCC 116 dalam
medium fermentasi selama proses demineralisasi kulit udang pada
berbagai perlakuan kecepatan agitasi.................................................
55
9 Kandungan abu kulit udang dan tingkat penurunannya selama
proses demineralisasi pada berbagai perlakuan kecepatan agitasi ...
61
10 Pertumbuhan bakteri B. licheniformis F11.1 dan aktivitas enzim
proteolitik dalam medium fermentasi pada berbagai kombinasi
tingkat aerasi dan kecepatan agitasi selama proses deproteinasi
kulit udang .......................................................................................
65
11 Kandungan protein kulit udang dan tingkat penurunannya selama
fermentasi pada berbagai kombinasi tingkat aerasi dan kecepatan
agitasi ...............................................................................................
68
12 Perubahan kandungan abu dan protein kulit udang serta
pertumbuhan bakteri L acidhophillus FNCC 116, glukosa dan asam
laktat dalam medium fermentasi proses demineralisasi kulit udang .
73
13 Pertumbuhan bakteri B licheniformis F11.1, aktivitas enzim
protease dalam medium fermentasi dan kandungan abu serta
protein kulit udang hasil demineralisasi selama proses deproteinasi
75
14 Pertumbuhan bakteri B licheniformis F11.1, aktivitas enzim
protease dalam medium fermentasi dan kandungan abu serta
protein kulit udang selama proses deproteinasi ..............................
79
15 Perubahan kandungan abu dan protein kulit udang serta
pertumbuhan bakteri L acidhophillus FNCC 116, glukosa dan asam
laktat dalam medium fermentasi proses demineralisasi kulit udang
hasil deproteinasi .............................................................................
81
16 Karakteristik kulit udang dan hasil ekstraksi kitin melalui dua jalur
proses yang berbeda .........................................................................
84
17 Pertumbuhan bakteri L. acidophillus FNCC 116 dan perubahan
kandungan glukosa dalam medium berbagai sistem fermentasi
proses demineralisasi kulit udang ....................................................
88
18 Perubahan kandungan asam laktat dan pH dalam medium berbagai
sistem fermentasi proses demineralisasi kulit udang .......................
92
19 Penurunan kandungan abu kulit udang selama proses fermentasi
dari berbagai sistem fermentasi ........................................................
94
20 Optimasi dan kontur respon tingkat hidrolisis protein terhadap
tingkat aerasi dan kecepatan agitasi ................................................. 100
21 Tingkat hidrolisis dan kandungan protein kulit udang hasil
demineralisasi pada proses deproteinasi kondisi optimum (2,3 vvm
: 275 rpm) ......................................................................................... 101
22 Pertumbuhan bakteri B.licheniformis F11.1 dan aktivitas enzim
protease dalam berbagai medium sistem fermentasi proses
deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi ................................... 103
23 Pola penurunan kandungan protein kulit udang hasil demineralisasi
pada proses deproteinasi dalam berbagai sistem fermentasi ............ 106
24 Diagram blok ekstraksi kitin dari kulit udang secara biologis ..........
109
25 Diagram alir proses ekstraksi kitin dari kulit udang secara biologis .
110
26 Pertumbuhan bakteri L acidophillus FNCC 116 dan perubahan
kandungan glukosa, pH serta kandungan asam laktat dalam
medium fermentasi pada bioreaktor 2 lt dan 13 lt ............................ 116
27 Perubahan kandungan abu kulit udang selama proses fermentasi
pada bioreaktor 2 lt dan 13 lt ........................................................... 118
28 Pertumbuhan bakteri B.licheniformis F11.1 dan aktivitas enzim
dalam medium fermentasi pada berbagai kriteria peningkatan skala 121
29 Pola penurunan kandungan protein selama proses deproteinasi kulit
udang hasil demineralisasi dalam medium fermentasi pada
berbagai kriteria peningkatan skala .................................................. 124
DAFTAR LAMPIRAN
No
Teks
Hal
1 Pengukuran protein tidak terlarut (Metode Lowry, 1954
dimodifikasi) ...................................................................................... 140
2 Pengukuran kandungan abu (AOAC 1984) .......................................
142
3 Pengukuran aktivitas enzim protease (azokasein) …………………
143
4 Pengukuran pH (pH meter) ................................................................
144
5 Pengukuran total asam dengan HPLC ...............................................
145
6 Pengukuran kandungan glukosa (metode DNS, AOAC 1984) .........
146
7 Pengukuran viskositas .......................................................................
148
8 Pengukuran kandungan kitin melalui nitrogen total ..........................
149
9 Teknis Penentuan Nilai kLa (Metode dinamik, Scragg 1991) ...........
150
10 Metode penghitungan jumlah bakteri (TPC) .....................................
151
11 Kurva standar jumlah bakteri Bacillus licheniformis F11.1 versus
optical density (OD) ........................................................................... 152
12 Kurva standar jumlah bakteri Lactobacillus acidhophilus FNCC 116
versus optical density (OD) ............................................................... 153
13 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi proses
demineralisasi kulit udang pada berbagai perlakuan kecepatan
agitasi (Cfu/ml) .................................................................................. 154
14 Hasil pengukuran pH dalam medium fermentasi proses
demineralisasi kulit udang pada berbagai perlakuan kecepatan
agitasi ................................................................................................. 155
15 Hasil pengukuran kandungan glukosa dalam medium fermentasi
proses demineralisasi kulit udang dalam berbagai perlakuan
kecepatan agitasi (%; b/v) ................................................................ 156
16 Hasil pengukuran kandungan asam laktat dalam medium fermentasi
proses demineralisasi kulit udang pada berbagai perlakuan
kecepatan agitasi (%; b/v) .................................................................. 157
17 Hasil pengukuran kandungan abu kulit udang dan tingkat
penurunannya selama proses demineralisasi pada berbagai
perlakuan kecepatan agitasi serta analisis statistik ............................ 158
18 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi proses
deproteinasi kulit udang dalam berbagai kombinasi perlakuan
kecepatan agitasi dan tingkat aerasi (Cfu/ml) ................................... 160
19 Hasil pengukuran aktivitas enzim protease dalam medium
fermentasi proses deproteinasi kulit udang pada berbagai kombinasi
perlakuan kecepatan agitasi dan tingkat aerasi (Unit/ml) .................. 162
20 Hasil pengukuran kandungan protein dan penghitungan tingkat
penurunannya pada proses deproteinasi kulit udang dalam berbagai
kombinasi perlakuan kecepatan agitasi dan tingkat aerasi serta
analisis statistik .................................................................................. 163
21 Hasil pengukuran kandungan glukosa, asam laktat, abu, protein, dan
jumlah bakteri pada proses demineralisasi kulit udang ..................... 166
22 Hasil pengukuran kandungan abu, protein, aktivitas enzim dan
jumlah bakteri pada proses deproteinasi kulit udang hasil
demineralisasi .................................................................................... 167
23 Hasil pengukuran kandungan abu, protein, aktivitas enzim dan
jumlah bakteri pada proses deproteinasi kulit udang ......................... 168
24 Hasil pengukuran kandungan abu, protein, glukosa, asam laktat dan
jumlah bakteri pada proses demineralisasi kulit udang hasil
deproteinasi ........................................................................................ 169
25 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi pada
proses demineralisasi kulit udang pada berbagai perlakuan sistem
fermentasi (Cfu/ml) ........................................................................... 170
26 Hasil pengukuran kandungan asam laktat dan pH dalam medium
fermentasi pada proses demineralisasi kulit udang pada berbagai
sistem fermentasi ............................................................................... 171
27 Hasil pengukuran glukosa dan kandungan abu pada proses
demineralisasi kulit udang pada berbagai sistem fermentasi ............. 172
28 Analisis Statistik terhadap tingkat penurunan kandungan abu pada
perancangan fermentasi (B) Fermentasi Subsequent Batch bertahap
dengan pengantian media dan inokulum baru pada jam ke 24 .......... 173
29 Matriks orde pertama respon tingkat hidrolisis protein kulit udang
hasil demineralisasi terhadap tingkat aerasi dan kecepatan agitasi ... 175
30 Hasil analisis ragam tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil
demineralisasi terhadap tingkat aerasi dan kecepatan agitasi pada
percobaan titik faktorial dan pusat ..................................................... 176
31 Analisis varian ordo pertama proses optimasi pengaruh tingkat
aerasi dan kecepatan agitasi terhadap tingkat hidrolisis protein kulit
udang hasil demineralisasi ................................................................. 177
32 Hasil analisis nilai estimasi, standar deviasi dan nilai t respon
tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil demineralisasi terhadap
tingkat aerasi dan kecepatan agitasi .................................................... 178
33 Hasil uji penyimpangan model pengaruh tingkat aerasi dan
kecepatan agitasi terhadap hidrolisis protein kulit udang hasil
demineralisasi .................................................................................... 179
34 Hasil percobaan tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil
demineralisasi terhadap tingkat aerasi dan kecepatan agitasi ............ 180
35 Hasil analisis ragam tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil
demineralisasi terhadap tingkat aerasi dan kecepatan agitasi pada
titik faktorial, pusat dan bintang ....................................................... 181
36 Hasil analisis nilai estimasi, standar deviasi dan nilai t respon
tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil demineralisasi terhadap
tingkat aerasi dan kecepatan agitasi agitasi pada titik faktorial, pusat
dan bintang ......................................................................................... 182
37 Hasil uji penyimpangan model pengaruh tingkat aerasi dan
kecepatan agitasi terhadap hidrolisis protein kulit udang hasil
demineralisasi .................................................................................... 183
38 Analisis kanonik pengaruh tingkat aerasi dan kecepatan agitasi
terhadap tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil demineralisasi .. 184
39 Hasil pengukuran reologi cairan kultivasi pada konsisi optimal (2,3
vvm ; 275 rpm) proses deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi
dalam bioreaktor 2 liter ...................................................................... 185
40 Penentuan nilai kLa pada medium fermentasi kondisi optimal (2,3
vvm : 275 rpm) proses deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi
dalam bioreaktor 2 liter. ..................................................................... 188
41 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi
proses deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi pada berbagai
perlakuan sistem fermentasi (Cfu/ml) ................................................ 189
42 Hasil pengukuran aktivitas enzim dalam medium fermentasi proses
deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi pada berbagai
perlakuan sistem fermentasi (U/ml) ................................................... 190
43 Hasil pengukuran kandungan protein kulit udang hasil
demineralisasi selama proses deproteinasi pada berbagai perlakuan
sistem fermentasi (%, bk) .................................................................. 191
44 Analisis Statistik terhadap tingkat penurunan kandungan protein
kulit udang hasil demineralisasi pada berbagai perlakuan sistem
fermentasi proses deproteinasi .......................................................... 192
45 Data geometris bioreaktor 2 dan 13 liter ............................................ 193
46 Kriteria kesaamaan fisik bioreaktor 2 dan 13 liter .............................
194
47 Penghitungan kecepatan agitasi pada bioreaktor 13 liter berdasarkan
patokan peningkatan skala tenaga per unit volume tetap dari
biorektor 2 liter ................................................................................. 195
48 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi proses
demineralisasi kulit udang segar pada biorektor ukuran 13 liter
(Cfu/ml)................................................................................................ 196
49 Hasil pengukuran kandungan asam laktat, glukosa, dan nilai pH
dalam medium fermentasi serta kandungan abu kulit udang pada
197
proses demineralisasi dalam biorektor ukuran 13 liter ....................
50 Penghitungan nilai kecepatan agitasi dan aerasi pada biorektor 13
liter berdasarkan optimasi pada biorektor 2 liter pada berbagai
kriteria peningkatan skala ................................................................. 198
51 Grafik hubungan antara bilangan Reynolds dengan bilangan tenaga
(Wang et al. 1978) ............................................................................ 202
52 Grafik hubungan antara perbandingan tenaga pengadukan pada
sistem beraerasi dan tanpa earasi (Pg/P) dengan bilangan aerasi (Na)
pada berbagai tipe impeler (Aiba et al. 1973) .................................... 203
53 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi proses
deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi pada berbagai
perlakuan kriteria peningkatan skala (Cfu/ml) ................................. 204
54 Hasil pengukuran aktivitas enzim dalam medium fermentasi proses
deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi dalam berbagai
perlakuan kriteria peningkatan skala (Unit/ml) ................................. 205
55 Hasil pengukuran kandungan protein kulit udang pada proses
deproteinasi dalam berbagai perlakuan kriteria peningkatan skala
(%, bk) ................................................................................................ 206
56 Analisis statistik terhadap tingkat penurunan kandungan protein
kulit udang hasil demineralisasi pada berbagai kriteria peningkatan
skala .................................................................................................. 207
57 Penghitungan rancang bangun dan kondisi proses ekstraksi kitin
secara biologi dari kulit udang dalam berbagai kapasitas biorektor .. 208
58 Hasil pengukuran analisis proksimat kulit udang dan kitin hasil
ekstraksi ............................................................................................. 211
SINGKATAN
AOAC
b/b
bk
BPPT
BSA
b/v
Cfu
DCL
DD
DFP
Di
Dml
DNS
DOT
Dpr
Dpt
Dt
EDTA
F/V
g/L
HL
Hb
HPLC
Ht
Kag
kLa
L
LB
LTB
MRS
N
Ni
OD
PMSF
Pg/v
PUSPIPTEK
Rpm
RSM
SAS
Tae
TCA
Tcf
Tf
TLCK
= Association of Official Analytical Chimestry
= Berat per Berat
= Berat kering
= Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi
= Bovine Serum Albumin
= Berat per volume
= Coloni form unit
= Dichloroisocoumarin
= Derajat Deasetilasi
= Diisopropil Fluorophosfat
= diameter pengaduk
= demineralisasi
= Dinetrosolisilat
= Dissolved oxygen tension
= Deproteinasi
= Diameter putaran (impeler)
= Diameter bioreaktor
= Ethylene diamine tetraacetic acid
= Tingkat aerasi
= Gram per liter
= Tinggi cairan fermentasi
= Tinggi baji pertama dari dasar tangki
= High performance liquid chromatography
= Tinggi bioreaktor
= kecepatan agitasi
= koefisien transfer oksigen
= Liter
= Luria Broth
= Laboratorium Teknologi Bioindustri
= Man Rogosa Sharpe
= kecepatan agitasi
= jumlah pengaduk
= Optical density
= Phenymethylsulfonylfluoride
= tenaga per unit volume
= Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
= Round per menit (putaran per menit)
= Response Surface Methodology
= Statistic Analytical System
= Tingkat aerasi
= Tri Chloro Acetic acid
= Tinggi cairan bioreaktor
= Tinggi bioreaktor
= Tosyl-L-lysine chlorometyl ketone
TPC
U/ml
V
Vk
Vvm
v/v
= Total plate count
= Unit per ml
= Tingkat kecepatan ujung impeller
= Volume kerja bioreaktor
= Volume udara per volume cairan per menit
= Volume per volume
I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Udang merupakan komoditi perikanan Indonesia terbesar yang dieskpor,
setelah itu diikuti oleh ikan tuna. Realisasi ekspor perikanan pada tahun 2007
sebesar Rp 23 trilyun, 50 % dari udang dan 15 % dari ikan tuna. Volume ekspor
udang pada tahun 2007 adalah 160.797 ton dan 90 % dalam bentuk beku tanpa
kulit dan atau tanpa kepala (Pusat Data Statistik dan Informasi, Departemen
Kelautan dan Perikanan 2008; http://www.dkp.go.id).
Salah satu limbah yang dihasilkan dari industri pembekuan udang tersebut
adalah kulit udang. Menurut Dhewanto dan Kresnowati (2002) proporsi berat
kulit udang terhadap berat udang keseluruhannya adalah 45 %. Berdasarkan
proporsi tersebut, diperkirakan jumlah limbah kulit udang yang tersedia pada
tahun 2007 mencapai 100.188,9 ton.
Selama ini, pemanfaatan limbah kulit di Indonesia sebagian besar digunakan
untuk pakan ternak, campuran untuk pembuatan kerupuk udang, dan terasi
(Dhewanto dan Kresnowati 2002).
Pengolahan limbah kulit udang menjadi
produk seperti pakan ternak, terasi maupun kerupuk mempunyai nilai tambah
yang relatif kecil.
Untuk meningkatkan nilai tambah kulit udang, diekstraksi menjadi kitin
sangat penting dilakukan, karena kitin mempunyai harga jual yang tinggi. Harga
kitin saat ini berkisar antara Rp 50.000,-/kg (untuk bahan penanganan limbah cair)
sampai
Rp
1.000.000,-/kg
(www.nap.edu/books/03096435x/html).
(untuk
bahan
biomedik)
Kitin yang terdapat dalam kulit udang berkisar antara 20 sampai 60 % (berat
kering ), tergantung jenisnya (Muzzarelli 2000). Berdasarkan hasil penelitian
pendahuluan, kulit udang vannamei (Penaeus vannamei) mengandung kitin
sekitar 58 % (bk). Udang vannamei (P.vannamei) merupakan jenis udang yang
diekspor terbesar dalam bentuk beku tanpa kulit, yaitu hampir 75 % dari volume
ekspor udang beku (Pusat Data Statistik dan Informasi, Departemen Kelautan dan
Perikanan 2008; http://www.dkp.go.id).
Menurut Mangunwidjaja dan Harahap (2001), penanganan dan pengolahan
limbah udang melalui industri kitin menjadi sorotan, karena senyawa yang hampir
sama dengan selulosa ini ternyata menunjukkan keandalan di berbagai bidang dan
mempunyai prospek sebagai komoditi perdagangan. Kitin dan turunannya dapat
dimanfaatkan untuk kesehatan, industri tekstil, penanganan air limbah, farmasi,
biomedikal, kosmetik, teknologi pangan, fotografi dan lain-lain.
Saat ini produsen kitin dunia dikuasai oleh Jepang dan Amerika Serikat.
Sebenarnya, Indonesia mempunyai peluang untuk mengambil bagian dari pasar
kitin dunia karena memiliki sumber bahan baku kitin yang relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan Jepang atau Amerika Serikat.
Ekstraksi kitin dari kulit udang di dunia industri dilakukan secara kimiawi
melalui tahapan deproteinasi yang menggunakan basa kuat dan demineralisasi
yang menggunakan asam kuat.
Tahapan deproteinasi dimaksudkan untuk
menurunkan kandungan protein sedangkan demineralisasi dimaksudkan untuk
menurunkan kandungan abu kulit udang (Aye dan Stevens 2004).
Menurut Yang et al. (2000), ekstraksi kitin secara kimiawi tersebut dapat
menyebabkan hidrolisis polimer terhadap kitin yang dihasilkan, sehingga
viskositasnya rendah dan mempengaruhi penggunaan kitin selanjutnya. Toan et
al. (2006), menyatakan bahwa ekstraksi secara kimia diperlukan penanganan
terhadap limbah cair yang dihasilkan yaitu harus dinetralisasi dan didetoksifikasi
agar tidak merusak lingkungan. Biaya penanganan limbah cair dari industri kitin
tersebut cukup besar yaitu dapat mencapai 40 % dari total biaya produksi. Selain
itu, ekstraksi kitin secara kimiawi berlangsung pada suhu yang relatif tinggi (
>100 oC) sehingga diperlukan energi yang cukup besar.
Alternatif lain untuk ekstraksi kitin dapat dilakukan dengan metode
biologis. Proses ekstraksi kitin secara biologis adalah memanfaatkan aktivitas
atau
kemampuan mikroba baik dalam tahapan demineralisasi maupun
deproteinasinya.
Proses demineralisasi dilakukan dengan memanfaatkan
fermentasi asam laktat sedangkan proses deproteinasi menggunakan kemampuan
mikroba proteolitik (Bustos dan Healy 1994)
Kitin hasil ekstraksi secara biologis mempunyai nilai viskositas yang lebih
tinggi daripada kitin yang diektraksi secara kimiawi (Beaney et al. 2005).
Keunggulan lain dari proses ekstraksi kitin secara biologis adalah dihasilkan
produk samping yang potensial. Produk samping tersebut antara lain protein dan
pigmen karotenoid sebagai suplemen pakan untuk ikan dan binatang lainnya, serta
kalsium laktat yang merupakan komponen mineral penting untuk makanan
suplemen (Healy et al. 2003). Limbah cairnya tidak perlu adanya penanganan
yang serius dibandingkan metode kimia.
Beberapa penelitian ekstraksi kitin secara biologis telah dilakukan yaitu
Ekstraksi kitin dari limbah kulit udang windu (Penaeus monodon) melalui
fermentasi asam laktat menggunakan gabungan bakteri Streptococcus faecium,
Lactobacillus plantarum dan Pediococcus acidilactici (Hall dan Silva 1992).
Ekstraksi kitin dari kulit udang Duplin Bay (Nephrops norvegicus) menggunakan
gabungan bakteri Lactobacillus salvarius, Enteroccus facium dan Pediococcus
acidilactici (Beaney et al. 2005). Deproteinasi limbah kulit udang menggunakan
bakteri Pseudomonas aeruginosa K-187 (Wang dan Chio 1998), Pseudomonas
maltophilia LC-102 (Shimahara et al. 1984) dan Bacillus subtilis (Yang et al.
2000).
Semua hasil penelitian ekstraksi kitin secara biologis tersebut diperoleh
tingkat penghilangan kandungan abu dan protein dari kulit udang berkisar antara
30 – 85 %, yang masih rendah jika dibandingkan dengan metode kimia yang dapat
mencapai lebih dari 95 %.
Menurut Healy et al. (2003), tingkat penghilangan
kandungan abu dan protein dari kulit dalam ekstraksi kitin adalah penting.
Semakin besar tingkat penghilangan kandungan abu dan protein dari kulit udang
akan dihasilkan kitin yang memiliki kandungan abu dan protein kecil. Makin
kecil kandungan abu dan protein kitin, harga jual kitin makin tinggi. Oleh karena
itu penggunaan mikroba baru yang lebih potensial untuk ekstraksi kitin perlu terus
dilakukan.
Beberapa bakteri yang potensial digunakan untuk ekstraksi kitin adalah
Bacillus licheniformis F11.1 dan Lactobacillus acidophilus FNCC 116. Bacillus
licheniformis F11.1 adalah bakteri yang dapat memproduksi enzim protease tetapi
tidak memproduksi enzim kitinase, sehingga dapat digunakan dalam proses
deproteinasi pada tahapan ekstraksi kitin. B. licheniformis F11.1 adalah bakteri
derivat dari B. licheniformis F11 yang berhasil diisolasi dari limbah kulit udang.
Isolasi terhadap B. licheniformis F11 dilakukan atas kerjasama antara
Laboratorium Bioindustri, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT)
dengan Universitas Hamburg, Jerman dalam rangka mendapatkan strains baru
penghasil enzim protease.
L. acidophilus FNCC 116 adalah bakteri asam laktat yang bersifat
homofermentatif. Artinya, dalam proses fermentasi hanya asam laktat saja yang
dihasilkan oleh bakteri tersebut dari biokonversi glukosa, sehingga diharapkan
lebih efektif untuk menurunkan kandungan abu kulit udang dalam proses
demineralisasi pada tahapan ekstraksi kitin.
Berdasarkan penelusuran paten dan jurnal ilmiah, bakteri B. licheniformis
F11.1 dan L. acidophilus FNCC 116 belum pernah digunakan untuk ekstraksi
kitin dari kulit udang. Menurut Jung et al. (2005), penggunaan bakteri dengan
jenis dan strains yang berbeda untuk ekstraksi kitin diperlukan kondisi optimum
yang berbeda pula. Dengan demikian diperlukan perancangan proses biologis
untuk ekstraksi kitin dari kulit dengan menggunakan kedua bakteri tersebut agar
diperoleh tingkat penghilangan mineral dan protein yang maksimal.
Dalam
kegiatan perancangan ini, hasil dari setiap tahapan yang dilakukan merupakan
pilihan yang paling baik dari beberapa pilihan yang dicanangkan.
Selain itu, penggunaan kedua bakteri tersebut untuk ekstraksi kitin dari kulit
udang tidak diperlukan kondisi steril. B. licheniformis F11.1 mempunyai suhu
optimal pertumbuhan 55oC, sehingga mikroba yang bersifat mesophilik yang
umumnya tumbuh di lingkungan suhu ruang tidak dapat mengkontaminasi proses
deproteinasi. Begitu pula dengan proses demineralisasi yang menggunakan L.
acidhophillus FNCC 116 yang bersifat acidophilik yaitu tumbuh optimal pada
lingkungan pH asam, sehingga mikroba non acidophilik yang banyak terdapat di
lingkungan suhu ruang tidak dapat mengkontaminasi.
Keuntungan kondisi
ekstraksi kitin yang tidak perlu steril ini adalah dapat menghemat energi dan
waktu proses.
Agar ekstraksi kitin secara biologis ini dapat diterapkan dalam skala
komersial perlu dilakukan peningkatan skala. Peningkatan skala dalam bioproses
dilakukan dalam tiga tahapan yaitu skala laboratorium, pilot plant, dan industri.
Pada peningkatan skala bioproses ini harus diusahakan kondisi optimum tetap
terjaga. Masalah utama yang dijumpai pada peningkatan skala bioproses adalah
berubahnya
faktor-faktor
lingkungan
fisik,
seperti
perpindahan
massa,
kemampuan pencampuran, penyebaran tenaga dan laju geser. Oleh karena itu
harus dipilih kriteria peningkatan skala yang sesuai agar diperoleh hasil kitin yang
tetap optimal.
1.2 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan mendapatkan rancangan proses biologis untuk
ekstraksi kitin dari kulit udang vannamei (P. vannamei) menggunakan bakteri B.
licheniformis F11.1 dan L. acidophilus FNCC 116, sehingga tingkat penghilangan
abu dan protein dari kulit udang maksimal. Selain itu bertujuan mendapatkan
kriteria terbaik pada proses biologis ekstraksi kitin untuk peningkatan skala
proses.
1.3 Ruang Lingkup Penelitian
A. Perancangan proses ekstraksi kitin dari kulit udang secara biologis:
- Penentuan jalur tahapan proses ekstraksi kitin yang paling baik secara
biologis.
- Penentuan sistem fermentasi yang paling baik pada ekstraksi kitin dari kulit
udang secara biologis.
B. Penentuan kriteria peningkatan skala yang paling baik untuk proses ekstraksi
kitin dari kulit udang secara biologis.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah memperoleh informasi mengenai rancangan
proses dan kriteria peningkatan skala untuk ekstraksi kitin dari kulit udang secara
biologis. Informasi yang diperoleh tersebut diharapkan dapat digunakan sebagai
dasar untuk pengembangan ekstraksi kitin dari kulit udang secara biologi ke arah
komersialisasi.
II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kulit Udang
Ekspor komoditi hasil perikanan dari Indonesia yang terbesar sampai saat
ini adalah udang. Realisasi ekspor udang pada tahun 2007 mencapai 160.797 ton
dengan nilai Rp 11,5 trilyun. Nilai ekspor udang ini adalah 50 % dari nilai ekspor
komoditi perikanan Indonesia pada tahun 2007 yaitu sebesar 23 trilyun (Pusat
Data Statistik dan Informasi, Departemen Kelautan dan Perikanan 2008
http://www.dkp.go.id)
Ekspor udang tahun 2003 sampai 2007 terus meningkat sebagaimana
ditunjukkan pada Tabel 1. Udang yang diekspor hampir 90 % nya adalah bentuk
beku tanpa kulit dan kepala. Jenis udang yang diekspor adalah udang vannamei
dan windu, untuk tiga tahun terakhir hampir 75 % adalah udang vannamei (Pusat
Data Statistik dan Informasi, Departemen Kelautan dan Perikanan 2008
http://www.dkp.go.id)
Tabel 1 Produksi dan ekspor udang Indonesia 2003 – 2007
Tahun
Produksi (ton)
Ekspor (ton)
2003
191.723
92.027
2004
226.553
124.604
2005
295.000
153.906
2006
281.901
159.329
2007
318.565
160.797
Sumber : Pusat Data Statistik dan Informasi, Departemen Kelautan dan Perikanan
2008 http://www.dkp.go.id
Salah satu limbah yang dihasilkan dari industri pembekuan udang tanpa
kulit dan kepala adalah kulit udang. Proporsi kulit udang dapat mencapai 45 %
dari berat udang keseluruhan (Dhewanto dan Kresnowati 2002). Berdasarkan
asumsi tersebut, ketersediaan kulit udang di Indonesia tiap tahunnya relatif besar.
Menurut Rao et al. (2000), kulit udang mengadu
EKSTRAKSI KITIN DARI KULIT UDANG
SECARA BIOLOGIS
JUNIANTO
.
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
SURAT PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi yang berjudul
PERANCANGAN PROSES DAN PENINGKATAN SKALA
EKSTRAKSI KITIN DARI KULIT UDANG
SECARA BIOLOGIS
Adalah benar hasil karya saya sendiri dengan arahan komisi pembimbing dan
belum pernah dipublikasikan.
Disertasi ini belum pernah diajukan untuk
memperoleh gelar pada program sejenis di perguruan tinggi lain. Semua sumber
data dan informasi yang digunakan telah dinyatakan secara jelas dan dapat
diperiksa kebenarannya
Bogor, September 2008
Junianto
F361040011
ABSTRACT
JUNIANTO. F361040011. Process Design and Scale Up of The Biological
Extraction of Chitin from Shrimp Shells.
Supervised by DJUMALI
MANGUNWIDJADJA, SUPRIHATIN, MULYORINI RAHAYUNINGSIH, and
BUDIASIH WAHYUNTARI.
Biologically chitin extraction was conducted by microbial process for
deproteinization and demineralization. Lactobacillus acidophilus FNCC 116 was
used for demineralization and Bacillus licheniformis F11.1 for deproteinization.
The aim of the experiment was to design the biological extraction process of
chitin from shrimp shells and to obtain the best scaling up criteria for the
biological chitin extraction. The result of design of the biologically chitin
extraction process from shrimp shells was as follow : The Shrimp shells was
ground into pieces of 5 – 10 mm and followed by demineralization that was
conducted by subsequent batch fermentation. The fermentation was done for 36
hours and 100 % medium was substituted at 24th hour. The best fermentation
condition was 50 rpm agitation, at room temperature (30 ± 1 oC), 10 % (v/v)
inoculums (1 x 109 Cfu/ml cell density) and medium fermentation consisted of 0.5
g/L yeast extract and 60 g/L glucose. The demineralized shrimp shells was
washed by running water. The final step was deproteinization of demineralized
shrimp shells by batch fermentation and it was conducted for 96 hours. The best
fermentation condition was 275 rpm agitation, 2.3 vvm aeration, pH adjusted in
range of 7.8 – 8.2 and temperature of 55 oC. The medium fermentation consisted
of 5 g/L yeast extract; 5 g/L KH2PO4; 1 g/L CaCl2; 5 g/L NaCl and 0.5 g/L
MgSO4. By this design of the biologically chitin extraction process, 95.69 % ash
and 92.42 % protein could be removed. The ash, protein, and chitin content of
chitin product was 0.84 % (db), 1.46 % (db), and 97.26 % (db) respetively
whereas its viscosity was 15000 cps. The best criteria for scaling up for the
biologically chitin extraction was the constant power given per unit volume for
the demineralization as well as the deproteinization process.
Key words: biological, chitin, shrimp shells, deproteinization, demineralization
RINGKASAN
JUNIANTO. F361040011. Perancangan Proses dan Peningkatan Skala Ekstraksi
Kitin dari Kulit Udang Secara Biologis.
Dibimbing oleh DJUMALI
MANGUNWIDJADJA, SUPRIHATIN, MULYORINI RAHAYUNINGSIH, dan
BUDIASIH WAHYUNTARI.
Ekstraksi kitin dari kulit udang dapat dilakukan secara kimiawi maupun
biologis. Ekstraksi kitin secara kimiawi dapat menyebabkan hidrolisis polimer
sehingga kitin yang dihasilkan viskositasnya rendah. Selain itu, ekstraksi secara
kimiawi menghasilkan limbah yang memberi beban pencemaran lingkungan
cukup besar. Ekstraksi kitin secara biologis tidak menyebabkan hidrolisis polimer
sehingga viskositas kitinnya tinggi.
Ekstraksi kitin secara biologis ramah
lingkungan dan juga menghasilkan produk samping berupa protein dan kalsium
yang mempunyai nilai tambah.
Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan rancangan proses biologi untuk
ekstraksi kitin dari kulit udang vannamei (Penaeus vannamei) menggunakan
bakteri B. licheniformis F11.1 dan L. acidophillus FNCC 116.
Selain itu
bertujuan untuk mendapatkan kriteria terbaik dalam peningkatan skala ekstraksi
kitin.
Tahapan ekstraksi kitin dari kulit udang dilakukan melalui demineralisasi
dan deproteinasi. Demineralisasi dimaksudkan untuk menghilangkan kandungan
mineral dalam bentuk abu sedangkan deproteinasi bertujuan untuk menghilangkan
protein dari kulit udang.
Bakteri Lactobacillus acidophillus FNCC 116 dan
Bacillus licheniformis F11.1 digunakan untuk ekstraksi kitin secara biologis dari
kulit udang. Kedua bakteri ini merupakan spesies baru yang digunakan untuk
ekstraksi kitin.
Setiap jenis bakteri memerlukan kondisi pertumbuhan yang
spesifik, sehingga diperlukan perancangan proses biologis untuk ekstraksi kitin
agar diperoleh tingkat penghilangan mineral dan protein maksimal dari kulit
udang. Selain itu, pemilihan kriteria yang sesuai untuk peningkatan skala proses
sangat diperlukan dalam rangka mendapatkan hasil yang tetap optimal.
Hasil rancangan proses ekstraksi kitin dari secara biologis dari kulit udang
vannamei (Penaeus vannamei) dengan menggunakan L. acidophillus FNCC 116
pada proses demineralisasi dan B. licheniformis F11.1 pada deproteinasi adalah
sebagai berikut: Pengecilan ukuran kulit udang dilakukan pada 0,5 – 1 cm.
Selanjutnya didemineralisasi melalui proses fermentasi batch berturut-turut
(subsequent batch), dengan penggantian 100 % medium yang dilakukan pada jam
ke 24 jam. Fermentasi dilakukan pada suhu 30 ± 1oC selama 36 jam. Selama
proses fermentasi dilakukan agitasi pada laju 50 rpm. Medium fermentasi terdiri
atas 0,5 g/L ekstrak khamir
dan 60 g/L glukosa. Jumlah inokulum bakteri
sebanyak 10 % (v/v) dengan tingkat kepadatan 1 x 109 Cfu/ml. Kulit udang hasil
demineralisasi dicuci bersih kemudian dideproteinasi.
Deproteinasi dilakukan
melalui proses fermentasi sistem batch selama 96 jam. Suhu dan pH fermentasi
dipertahankan pada 55 oC dan kisaran 7,8 – 8,2, sedangkan aerasi dan agitasi
masing-masing ditetapkan pada 2,3 vvm dan 275 rpm.
Komposisi medium
fermentasi terdiri dari ekstrak khamir 5 g/L; KH2PO4 5 g/L; CaCl2 1 g/L; NaCl 5
g/L dan MgSO4 0,5 g/L. pH awal medium diatur pada 7,3. Jumlah inokulum
bakteri sebanyak 20 % (v/v) dengan tingkat kepadatan 1 x 109 Cfu/ml.
Tingkat penurunan kandungan abu dan protein yang diperoleh melalui
ekstraksi kitin secara biologis ini masing-masing adalah 95,69 % dan 92,42 %.
Karakteristik produk kitin yang dihasilkan mempunyai kandungan abu 0,84 %
(bk), kandungan protein 1,42 % (bk), kandungan kitin 97,26 % (bk), dan
viskositas 15000 cps pada konsentrasi kitin 1 % dalam larutan Lithinium Klorida.
Kriteria peningkatan skala terbaik untuk ekstraksi kitin secara biologi adalah
tenaga per unit volume (Pg/v). Berdasarkan kriteria ini tingkat perbandingan
penurunan mineral dan protein kulit udang pada skala besar (bioreaktor 13 liter)
terhadap skala yang lebih kecil (bioreaktor 2 liter) masing-masing adalah 97,02 %
dan 84,29 %.
@ Hak Cipta milik IPB, tahun 2008
Hak Cipta dilindungi Undang-undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan
karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu
masalah
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB
2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
tulis dalam bentuk apapun tanpa ijin IPB
PERANCANGAN PROSES DAN PENINGKATAN SKALA
EKSTRAKSI KITIN DARI KULIT UDANG
SECARA BIOLOGIS
JUNIANTO
Disertasi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar
Doktor
Pada Program Studi Teknologi Industri Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
Judul Disertasi
: Perancangan Proses dan Peningkatan Skala Ekstraksi Kitin
dari Kulit Udang Secara Biologis
Nama Mahasiswa
: Junianto
NRP
: F361040011
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr.-Ing.Ir. Suprihatin
Anggota
Prof. Dr. Ir. Djumali Mangunwidjaja, DEA
Ketua
Dr. Ir. Mulyorini Rahayuningsih, MS.
Anggota
Dr. Ir. Budiasih Wahyuntari, MSc.
Anggota
Diketahui,
Ketua Program Studi
Teknologi Industri Pertanian
Dr. Ir. Irawadi Jamaran
Tanggal Ujian: 4 September 2008
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Khairil Anwar Notodiputro, MS.
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Segala puji hanya bagi Allah SWT, Dialah pemilik segala ilmu dan atas
kuasa-Nya disertasi dengan judul “Perancangan Proses dan Peningkatan Skala
Ekstraksi Kitin Secara Biologis dari Kulit Udang” dapat diselesaikan. Sholawat
dan Salam, semoga Alloh SWT limpahkan kepada Rasulallah Muhammad SAW
dan ummatnya; Amien.
Ucapan terima kasih, rasa hormat dan penghargaan yang tinggi pada
kesempatan yang tepat ini, penulis sampaikan kepada :
1. Prof. Dr. Ir. Djumali Mangunwidjadja, DEA selaku ketua komisi
pembimbing; Dr.-Ing.Ir. Suprihatin; Dr. Ir. Mulyorini Rahayuningsih, MS;
dan Dr. Ir. Budiasih Wahyuntari, MSc masing-masing sebagai anggota komisi
pembimbing yang telah memberikan bimbingan, arahan, saran, keluangan
waktu dan dorongan moral yang tulus sehingga penulisan disertasi ini dapat
diselesaikan.
2. Dr. Ir. Sukardi, MM di Departemen Teknologi Industri Pertanian Fakultas
Teknologi Pertanian IPB yang banyak memberikan masukan pada saat
bertindak sebagai dewan penguji di ujian tertutup.
Dr. Siswa Setyahadi,
Kepala Bidang Biokatalis-Teknologi BioIndustri BPPT dan Prof (riset) Dr.Ir.
Rosmawati Peranginangin, MS., Peneliti Utama Balai Besar Riset Pengolahan
Produk dan Bioteknologi Perikanan Departemen Kelautan dan Perikanan atas
masukan yang disampaikan pada saat menjadi penguji ujian terbuka
3. Dr. Ir. Koenandar, M.Eng selaku Direktur Pusat Teknologi BioIndustri; Dr. Ir.
Siswa Setyahadi selaku Kepala Bidang Biokatalis; dan Ir. Trismilah, MS
selaku Kepala Laboratorium BioIndustri – BPPT; atas segala biaya dan
penggunaan fasilitas laboratorium yang diberikannya sehingga penelitian ini
dapat diselesaikan.
4. Dekan Sekolah Pascasarjana IPB Prof. Dr. Ir. Khairil Anwar Notodipuro, MS;
Ketua Program Studi Teknologi Industri Pertanian Dr. Ir. Irawadi Jamaran,
dan Sektretaris Program Studi Teknologi Industri Dr. Ir. Ani Suryani beserta
staf pengajar yang telah memberi ilmu dan bimbingan kepada penulis selama
menimba ilmu pengetahuan di IPB.
5. Rektor Universitas Padjadjaran Prof. Dr. Ir. Ganjar Kurnia, DEA; Dekan
Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan Universitas Padjadjaran Prof. Dr. Ir. H.
Bachrulhayat Koswara, MS; Ketua Program Studi Perikanan Dr. Ir. H. Eddy
Afrianto, MS dan Ketua Laboratorium Teknologi Industri Hasil Perikanan Ir.
H. Evi Liviawaty, MP atas ijin dan kesempatan yang diberikan kepada penulis
untuk melanjutkan jenjang pendidikan S3.
6. Tim Manajemen BPPS-Dikti atas bantuan dana pendidikan program doktor
yang diberikan kepada penulis.
7. Staf peneliti laboratorium Bioindustri – BPPT antara lain Dr. Dadang, Deden
R Waltam, SSi; Drs. Djamil, MS; Ir. Djoni Prasetyo, MS; dan kelompok
penelitian kitin antara lain Herwanto, SP; Siti Rahma , SP; M. Fajar, SPi;
Iman Firmansyah, SPi, Rita Rahmawati, ST; Anugrah Luki Haryanto, SSi;
Mufti., atas segala bantuan kekompakan dan kerjasamanya dalam penelitian
ini.
8. Ayanda H. Ali Syukur, Ibunda H. Siti Rokayyah, dan Ibunda Mertua Siti
Haniah, atas segala doa, kasih sayang dan pengorbanannya yang tiada tara.
9. Istriku Lilis Kusmayati, SPt dan anak-anakku Amir Mujahiduddien, Hadiati
Rabbani, Sayyid Irsyadul Ibad, Roja Fathlur Rahman, Hasyidah Hanifati
Dieni, Najim Kharil Abidin dan Mufakir Falih Bayyinal Haq, atas segala doa,
pengorbanan, pengertian, dan dorongan semangat. Begitu pula ucapan terima
kasih kepada adik-adikku Drs. Junaidi dan istri, Junairi, SPd dan Istri,
Junaiman dan Istri, Junarsih dan Suami, Junarni, Dipl.SPi dan Suami serta
Jumadi, SPd; atas segala doa dan dorongan semangatnya.
10. Rekan-rekan dan semua pihak yang telah membantu penulis selama mengikuti
pendidikan sampai selesainya disertasi ini.
Semoga Allah SWT memberikan pahala kepada mereka semua atas segala
yang diberikannya. Akhirnya, semoga disertasi ini dapat memberikan sumbangan
pemikiran dan pengembangan ilmu pengetahuan yang bermanfaat.
Bogor, September 2008
Junianto
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Madura Kabupaten Sampang, Propinsi Jawa Timur,
tanggal 17 Agustus 1967. Anak pertama dari 8 bersaudara dari pasangan Bapak
H. Ali Syukur dan Ibu H. Siti Rokayyah. Setelah lulus Sekolah Menengah Atas
Negeri I di Sampang tahun 1986, penulis diterima di Program Studi Teknologi
Hasil Pertanian, Fakultas Pertanian Universitas Padjadjaran melalui program
Penelusuran Minat dan Kemampuan (PMDK).
Selama studi di Fakultas
Pertanian, penulis mendapatkan tunjangan ikatan dinas selama 1 tahun dari Dikti.
Penulis menyelesaikan program sarjana S1 pada bulan Januari 1991 dan setelah
itu bekerja di PT. Ultra Jaya Milk Industri selama 1 tahun sebagai Management
Traineer.
Pada bulan April 1992, penulis diangkat sebagai calon pengawai negeri
sipil dan ditempatkan sebagai staf pengajar Jurusan Perikanan Fakultas Pertanian
Universitas Padjadjaran yang sekarang menjadi Fakultas Perikanan dan Ilmu
Kelautan. Setahun kemudian yaitu 1993 penulis diangkat sebagai pegawai negeri
sipil sampai sekarang. Pada tahun 1994, penulis melanjutkan studi ke program
magister Teknologi Pascapanen Universitas Padjadjaran atas dana BPPS dan
selesai tahun 1997. Setelah itu, pada tahun 2004 penulis melajutkan studi ke
program doktor Teknologi Industri Pertanian IPB juga dengan dana BPPS.
Selama menjadi staf pengajar, penulis disamping mengajar juga telah melakukan
penelitian dan pengabdian kepada masyarakat, menulis di media cetak dan
penerbitan buku.
Akhirnya penulis sekarang menjadi lektor kepala dengan
pangkat IVB.
Penulis menikah dengan Lilis Kusmayati, SPt tanggal 30 Juni 1993 di
Garut. Alhamdulillah, penulis sampai saat ini masih dikarunia 7 orang anak yaitu
Amir Mujahiduddien, Hadiati Rabbani, Sayyid Irsyadul Ibad, Roja Fathlur
Rahman, Hasyidah Hanifati Dieni, Najim Kharil Abidin, dan Mufakir Falih
Bayyinal Haq.
Selama mengikuti program S3, disamping mengerjakan penelitian disertasi
juga telah menyelesaikan penelitian dengan judul “Ekstraksi Gelatin dari Tulang
Ikan dan Pemanfaatannya sebagai Bahan Cangkang Kapsul” dengan dana Hibah
Bersaing Dikti tahun 2005 dan 2006. Penulis juga telah menyampaikan sebagian
hasil penelitian disertasi ini di seminar Pertemuan Tahunan Perhimpunan
Mikrobiologi Indonesia, tanggal 29 Juni – 2 Juli 2007 di Hotel Arum
Banjarmasin-Kalimatan Selatan, dan Konferensi ke 4 Bioteknologi Indonesia,
tanggal 5 – 7 Agustus 2008 di Pusat Konvensi Internasional IPB- Bogor. Selain
itu, penulis bersama komisi pembimbing juga telah menulis artikel dari sebagian
disertasi dengan judul “Pengaruh Tingkat Aerasi dan Kecepatan Agitasi terhadap
Tingkat Hidrolisis Protein Kulit Udang”, yang sampai saat ini masih dalam proses
untuk dimuat di Jurnal Bionatura, ISSN : 1411-0903. Penelitian disertasi ini
dibiayai oleh BPPT melalui program kerjasama antara pemerintah Indonesia
dengan pemerintah Jerman.
Penguji Sidang Tertutup:
Dr. Ir. Sukardi, MM.
Dosen Fakultas Teknologi Pertanian IPB
Penguji Sidang Terbuka:
1. Dr.Ir. Siswa Setyahadi
Kepala Bidang Biokatalis Teknologi Bioindustri BPPT
2. Prof (R) Dr.Ir. Rosmawati Peranginangin, MS.
Peneliti Utama Balai Besar Riset Pengolahan Produk dan Bioteknologi Perikanan
Departemen Kelautan dan Perikanan
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI ...............................................................................................
i
DAFTAR TABEL .......................................................................................
iii
DAFTAR GAMBAR .................................................................................
iv
DAFTAR LAMPIRAN ..............................................................................
vii
PENDAHULUAN .............................................................................
1
1.1 Latar Belakang ...........................................................................
1
1.2 Tujuan Penelitian .......................................................................
6
1.3 Ruang Lingkup Penelitian ..........................................................
7
1.4 Manfaat Penelitian .....................................................................
7
TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................
8
2.1 Kulit Udang ...................................................................................
8
2.2 Kitin ..............................................................................................
9
2.3 Ekstraksi Kitin ...............................................................................
13
2.3.1 Proses Deproteinasi .......................... .............. ........................
14
2.3.2
Proses Demineralisasi ...............................................................
18
2.4 Sistem Fermentasi ..........………………………………................
22
2.5 Aerasi dan Agitasi
23
I
II
........................................................................
2.5.1 Aerasi ........................................................................................
23
2.5.2 Agitasi .......................................................................................
24
2.6 Optimasi dengan Response Surface Methodology ......................
25
2.7 Perancangan Proses .....................................................................
30
2.8 Peningkatan Skala Bioproses .....................................................
32
III
IV
METODE PENELITIAN ................................................................
35
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ......................................................
35
3.2 Bahan dan Alat Penelitian ............................................................
35
3.3 Metode Penelitian .........................................................................
36
HASIL DAN PEMBAHASAN ..........................................................
52
4.1 Perancangan Proses Biologis Ekstraksi Kitin dari Kulit Udang ....
52
4.1.1 Penentuan Kecepatan Agitasi pada Proses Demineralisasi Kulit
Udang ........................................................................................
53
4.1.2 Penentuan Kecepatan Agitasi dan Tingkat Aerasi pada Proses
Deproteinasi Kulit udang ...........................................................
63
4.1.3
Penentuan Jalur Tahapan Ekstraksi Kitin dari Kulit Udang
Secara Biologi ...........................................................................
72
4.1.4 Penentuan Sistem Fermentasi pada Proses Demineralisasi Kulit
Udang ........................................................................................
86
4.1.5 Optimasi Kecepatan Agitasi dan Tingkat Aerasi pada Proses
Deproteinasi Kulit Udang Hasil Demineralisasi ....................
95
4.1.6 Penentuan Sistem Fermentasi Proses Deproteinasi Kulit Udang
Hasil Demineralisasi .................................................................. 101
4.1.7 Hasil Rancangan Proses Ekstraksi Kitin dari Kulit Udang
Secara Biologis ........................................................................... 107
4.2 Penentuan Kriteria untuk Peningkatan Skala Ekstraksi Kitin
Secara Biologi dari Kulit Udang .................................................. 112
V
KESIMPULAN DAN SARAN .........................................................
129
5.1 Kesimpulan ....................................................................................
129
5.2 Saran ..............................................................................................
130
DAFTAR PUSTAKA ..........................................................................
131
LAMPIRAN .........................................................................................
140
DAFTAR TABEL
No
Teks
Hal
1 Produksi dan ekspor udang Indonesia 2003 – 2007 .........................
8
2 Mutu kitin niaga dari berbagai produk .............................................
11
3 Kombinasi perlakuan dengan rancangan komposit pusat .................
46
4 Analisis proksimat kulit udang vannamei ........................................
52
5 Tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil demineralisasi pada
berbagai kondisi proses untuk pendugaan ordo pertama .................
96
6 Tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil demineralisasi pada
berbagai kondisi proses untuk pendugaan ordo kedua ....................
98
7 Kriteria Mutu Kitin ...........................................................................
112
8 Karakteristik bioreaktor ....................................................................
113
9 Kondisi proses pada bioreaktor 13 liter dari berbagai kriteria
penigkatan skala ................................................................................ 120
10 Parameter geometrik bioreaktor 2 liter yang digunakan pada proses
ekstraksi kitin dari kulit udang ......................................................... 127
11 Karakteristik rancang bangun dan kondisi proses pada berbagai
skala bioreaktor untuk ekstraksi kitin .............................................. 128
DAFTAR GAMBAR
No
Teks
Hal
1 Struktur kimia kitin, kitosan dan selulosa .......................................
10
2 Penerapan kitin dan turunannya di industri ......................................
12
3 Reaksi kimia pemutusan ikatan peptida dengan katalis enzim ........
16
4 Skematis deproteinasi kulit udang secara biologi ............................
17
5 Skema proses biologi demineralisasi kulit udang dalam fermentasi
asam laktat .......................................................................................
19
6 Persamaan reaksi antara asam laktat dan kalsium karbonat .............
20
7 Skematik tahapan penelitian .............................................................
37
8 Perubahan kandungan glukosa, nilai pH dan kandungan asam laktat
serta pertumbuhan bakteri L. acidophilus FNCC 116 dalam
medium fermentasi selama proses demineralisasi kulit udang pada
berbagai perlakuan kecepatan agitasi.................................................
55
9 Kandungan abu kulit udang dan tingkat penurunannya selama
proses demineralisasi pada berbagai perlakuan kecepatan agitasi ...
61
10 Pertumbuhan bakteri B. licheniformis F11.1 dan aktivitas enzim
proteolitik dalam medium fermentasi pada berbagai kombinasi
tingkat aerasi dan kecepatan agitasi selama proses deproteinasi
kulit udang .......................................................................................
65
11 Kandungan protein kulit udang dan tingkat penurunannya selama
fermentasi pada berbagai kombinasi tingkat aerasi dan kecepatan
agitasi ...............................................................................................
68
12 Perubahan kandungan abu dan protein kulit udang serta
pertumbuhan bakteri L acidhophillus FNCC 116, glukosa dan asam
laktat dalam medium fermentasi proses demineralisasi kulit udang .
73
13 Pertumbuhan bakteri B licheniformis F11.1, aktivitas enzim
protease dalam medium fermentasi dan kandungan abu serta
protein kulit udang hasil demineralisasi selama proses deproteinasi
75
14 Pertumbuhan bakteri B licheniformis F11.1, aktivitas enzim
protease dalam medium fermentasi dan kandungan abu serta
protein kulit udang selama proses deproteinasi ..............................
79
15 Perubahan kandungan abu dan protein kulit udang serta
pertumbuhan bakteri L acidhophillus FNCC 116, glukosa dan asam
laktat dalam medium fermentasi proses demineralisasi kulit udang
hasil deproteinasi .............................................................................
81
16 Karakteristik kulit udang dan hasil ekstraksi kitin melalui dua jalur
proses yang berbeda .........................................................................
84
17 Pertumbuhan bakteri L. acidophillus FNCC 116 dan perubahan
kandungan glukosa dalam medium berbagai sistem fermentasi
proses demineralisasi kulit udang ....................................................
88
18 Perubahan kandungan asam laktat dan pH dalam medium berbagai
sistem fermentasi proses demineralisasi kulit udang .......................
92
19 Penurunan kandungan abu kulit udang selama proses fermentasi
dari berbagai sistem fermentasi ........................................................
94
20 Optimasi dan kontur respon tingkat hidrolisis protein terhadap
tingkat aerasi dan kecepatan agitasi ................................................. 100
21 Tingkat hidrolisis dan kandungan protein kulit udang hasil
demineralisasi pada proses deproteinasi kondisi optimum (2,3 vvm
: 275 rpm) ......................................................................................... 101
22 Pertumbuhan bakteri B.licheniformis F11.1 dan aktivitas enzim
protease dalam berbagai medium sistem fermentasi proses
deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi ................................... 103
23 Pola penurunan kandungan protein kulit udang hasil demineralisasi
pada proses deproteinasi dalam berbagai sistem fermentasi ............ 106
24 Diagram blok ekstraksi kitin dari kulit udang secara biologis ..........
109
25 Diagram alir proses ekstraksi kitin dari kulit udang secara biologis .
110
26 Pertumbuhan bakteri L acidophillus FNCC 116 dan perubahan
kandungan glukosa, pH serta kandungan asam laktat dalam
medium fermentasi pada bioreaktor 2 lt dan 13 lt ............................ 116
27 Perubahan kandungan abu kulit udang selama proses fermentasi
pada bioreaktor 2 lt dan 13 lt ........................................................... 118
28 Pertumbuhan bakteri B.licheniformis F11.1 dan aktivitas enzim
dalam medium fermentasi pada berbagai kriteria peningkatan skala 121
29 Pola penurunan kandungan protein selama proses deproteinasi kulit
udang hasil demineralisasi dalam medium fermentasi pada
berbagai kriteria peningkatan skala .................................................. 124
DAFTAR LAMPIRAN
No
Teks
Hal
1 Pengukuran protein tidak terlarut (Metode Lowry, 1954
dimodifikasi) ...................................................................................... 140
2 Pengukuran kandungan abu (AOAC 1984) .......................................
142
3 Pengukuran aktivitas enzim protease (azokasein) …………………
143
4 Pengukuran pH (pH meter) ................................................................
144
5 Pengukuran total asam dengan HPLC ...............................................
145
6 Pengukuran kandungan glukosa (metode DNS, AOAC 1984) .........
146
7 Pengukuran viskositas .......................................................................
148
8 Pengukuran kandungan kitin melalui nitrogen total ..........................
149
9 Teknis Penentuan Nilai kLa (Metode dinamik, Scragg 1991) ...........
150
10 Metode penghitungan jumlah bakteri (TPC) .....................................
151
11 Kurva standar jumlah bakteri Bacillus licheniformis F11.1 versus
optical density (OD) ........................................................................... 152
12 Kurva standar jumlah bakteri Lactobacillus acidhophilus FNCC 116
versus optical density (OD) ............................................................... 153
13 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi proses
demineralisasi kulit udang pada berbagai perlakuan kecepatan
agitasi (Cfu/ml) .................................................................................. 154
14 Hasil pengukuran pH dalam medium fermentasi proses
demineralisasi kulit udang pada berbagai perlakuan kecepatan
agitasi ................................................................................................. 155
15 Hasil pengukuran kandungan glukosa dalam medium fermentasi
proses demineralisasi kulit udang dalam berbagai perlakuan
kecepatan agitasi (%; b/v) ................................................................ 156
16 Hasil pengukuran kandungan asam laktat dalam medium fermentasi
proses demineralisasi kulit udang pada berbagai perlakuan
kecepatan agitasi (%; b/v) .................................................................. 157
17 Hasil pengukuran kandungan abu kulit udang dan tingkat
penurunannya selama proses demineralisasi pada berbagai
perlakuan kecepatan agitasi serta analisis statistik ............................ 158
18 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi proses
deproteinasi kulit udang dalam berbagai kombinasi perlakuan
kecepatan agitasi dan tingkat aerasi (Cfu/ml) ................................... 160
19 Hasil pengukuran aktivitas enzim protease dalam medium
fermentasi proses deproteinasi kulit udang pada berbagai kombinasi
perlakuan kecepatan agitasi dan tingkat aerasi (Unit/ml) .................. 162
20 Hasil pengukuran kandungan protein dan penghitungan tingkat
penurunannya pada proses deproteinasi kulit udang dalam berbagai
kombinasi perlakuan kecepatan agitasi dan tingkat aerasi serta
analisis statistik .................................................................................. 163
21 Hasil pengukuran kandungan glukosa, asam laktat, abu, protein, dan
jumlah bakteri pada proses demineralisasi kulit udang ..................... 166
22 Hasil pengukuran kandungan abu, protein, aktivitas enzim dan
jumlah bakteri pada proses deproteinasi kulit udang hasil
demineralisasi .................................................................................... 167
23 Hasil pengukuran kandungan abu, protein, aktivitas enzim dan
jumlah bakteri pada proses deproteinasi kulit udang ......................... 168
24 Hasil pengukuran kandungan abu, protein, glukosa, asam laktat dan
jumlah bakteri pada proses demineralisasi kulit udang hasil
deproteinasi ........................................................................................ 169
25 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi pada
proses demineralisasi kulit udang pada berbagai perlakuan sistem
fermentasi (Cfu/ml) ........................................................................... 170
26 Hasil pengukuran kandungan asam laktat dan pH dalam medium
fermentasi pada proses demineralisasi kulit udang pada berbagai
sistem fermentasi ............................................................................... 171
27 Hasil pengukuran glukosa dan kandungan abu pada proses
demineralisasi kulit udang pada berbagai sistem fermentasi ............. 172
28 Analisis Statistik terhadap tingkat penurunan kandungan abu pada
perancangan fermentasi (B) Fermentasi Subsequent Batch bertahap
dengan pengantian media dan inokulum baru pada jam ke 24 .......... 173
29 Matriks orde pertama respon tingkat hidrolisis protein kulit udang
hasil demineralisasi terhadap tingkat aerasi dan kecepatan agitasi ... 175
30 Hasil analisis ragam tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil
demineralisasi terhadap tingkat aerasi dan kecepatan agitasi pada
percobaan titik faktorial dan pusat ..................................................... 176
31 Analisis varian ordo pertama proses optimasi pengaruh tingkat
aerasi dan kecepatan agitasi terhadap tingkat hidrolisis protein kulit
udang hasil demineralisasi ................................................................. 177
32 Hasil analisis nilai estimasi, standar deviasi dan nilai t respon
tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil demineralisasi terhadap
tingkat aerasi dan kecepatan agitasi .................................................... 178
33 Hasil uji penyimpangan model pengaruh tingkat aerasi dan
kecepatan agitasi terhadap hidrolisis protein kulit udang hasil
demineralisasi .................................................................................... 179
34 Hasil percobaan tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil
demineralisasi terhadap tingkat aerasi dan kecepatan agitasi ............ 180
35 Hasil analisis ragam tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil
demineralisasi terhadap tingkat aerasi dan kecepatan agitasi pada
titik faktorial, pusat dan bintang ....................................................... 181
36 Hasil analisis nilai estimasi, standar deviasi dan nilai t respon
tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil demineralisasi terhadap
tingkat aerasi dan kecepatan agitasi agitasi pada titik faktorial, pusat
dan bintang ......................................................................................... 182
37 Hasil uji penyimpangan model pengaruh tingkat aerasi dan
kecepatan agitasi terhadap hidrolisis protein kulit udang hasil
demineralisasi .................................................................................... 183
38 Analisis kanonik pengaruh tingkat aerasi dan kecepatan agitasi
terhadap tingkat hidrolisis protein kulit udang hasil demineralisasi .. 184
39 Hasil pengukuran reologi cairan kultivasi pada konsisi optimal (2,3
vvm ; 275 rpm) proses deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi
dalam bioreaktor 2 liter ...................................................................... 185
40 Penentuan nilai kLa pada medium fermentasi kondisi optimal (2,3
vvm : 275 rpm) proses deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi
dalam bioreaktor 2 liter. ..................................................................... 188
41 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi
proses deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi pada berbagai
perlakuan sistem fermentasi (Cfu/ml) ................................................ 189
42 Hasil pengukuran aktivitas enzim dalam medium fermentasi proses
deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi pada berbagai
perlakuan sistem fermentasi (U/ml) ................................................... 190
43 Hasil pengukuran kandungan protein kulit udang hasil
demineralisasi selama proses deproteinasi pada berbagai perlakuan
sistem fermentasi (%, bk) .................................................................. 191
44 Analisis Statistik terhadap tingkat penurunan kandungan protein
kulit udang hasil demineralisasi pada berbagai perlakuan sistem
fermentasi proses deproteinasi .......................................................... 192
45 Data geometris bioreaktor 2 dan 13 liter ............................................ 193
46 Kriteria kesaamaan fisik bioreaktor 2 dan 13 liter .............................
194
47 Penghitungan kecepatan agitasi pada bioreaktor 13 liter berdasarkan
patokan peningkatan skala tenaga per unit volume tetap dari
biorektor 2 liter ................................................................................. 195
48 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi proses
demineralisasi kulit udang segar pada biorektor ukuran 13 liter
(Cfu/ml)................................................................................................ 196
49 Hasil pengukuran kandungan asam laktat, glukosa, dan nilai pH
dalam medium fermentasi serta kandungan abu kulit udang pada
197
proses demineralisasi dalam biorektor ukuran 13 liter ....................
50 Penghitungan nilai kecepatan agitasi dan aerasi pada biorektor 13
liter berdasarkan optimasi pada biorektor 2 liter pada berbagai
kriteria peningkatan skala ................................................................. 198
51 Grafik hubungan antara bilangan Reynolds dengan bilangan tenaga
(Wang et al. 1978) ............................................................................ 202
52 Grafik hubungan antara perbandingan tenaga pengadukan pada
sistem beraerasi dan tanpa earasi (Pg/P) dengan bilangan aerasi (Na)
pada berbagai tipe impeler (Aiba et al. 1973) .................................... 203
53 Hasil penghitungan jumlah bakteri dalam medium fermentasi proses
deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi pada berbagai
perlakuan kriteria peningkatan skala (Cfu/ml) ................................. 204
54 Hasil pengukuran aktivitas enzim dalam medium fermentasi proses
deproteinasi kulit udang hasil demineralisasi dalam berbagai
perlakuan kriteria peningkatan skala (Unit/ml) ................................. 205
55 Hasil pengukuran kandungan protein kulit udang pada proses
deproteinasi dalam berbagai perlakuan kriteria peningkatan skala
(%, bk) ................................................................................................ 206
56 Analisis statistik terhadap tingkat penurunan kandungan protein
kulit udang hasil demineralisasi pada berbagai kriteria peningkatan
skala .................................................................................................. 207
57 Penghitungan rancang bangun dan kondisi proses ekstraksi kitin
secara biologi dari kulit udang dalam berbagai kapasitas biorektor .. 208
58 Hasil pengukuran analisis proksimat kulit udang dan kitin hasil
ekstraksi ............................................................................................. 211
SINGKATAN
AOAC
b/b
bk
BPPT
BSA
b/v
Cfu
DCL
DD
DFP
Di
Dml
DNS
DOT
Dpr
Dpt
Dt
EDTA
F/V
g/L
HL
Hb
HPLC
Ht
Kag
kLa
L
LB
LTB
MRS
N
Ni
OD
PMSF
Pg/v
PUSPIPTEK
Rpm
RSM
SAS
Tae
TCA
Tcf
Tf
TLCK
= Association of Official Analytical Chimestry
= Berat per Berat
= Berat kering
= Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi
= Bovine Serum Albumin
= Berat per volume
= Coloni form unit
= Dichloroisocoumarin
= Derajat Deasetilasi
= Diisopropil Fluorophosfat
= diameter pengaduk
= demineralisasi
= Dinetrosolisilat
= Dissolved oxygen tension
= Deproteinasi
= Diameter putaran (impeler)
= Diameter bioreaktor
= Ethylene diamine tetraacetic acid
= Tingkat aerasi
= Gram per liter
= Tinggi cairan fermentasi
= Tinggi baji pertama dari dasar tangki
= High performance liquid chromatography
= Tinggi bioreaktor
= kecepatan agitasi
= koefisien transfer oksigen
= Liter
= Luria Broth
= Laboratorium Teknologi Bioindustri
= Man Rogosa Sharpe
= kecepatan agitasi
= jumlah pengaduk
= Optical density
= Phenymethylsulfonylfluoride
= tenaga per unit volume
= Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
= Round per menit (putaran per menit)
= Response Surface Methodology
= Statistic Analytical System
= Tingkat aerasi
= Tri Chloro Acetic acid
= Tinggi cairan bioreaktor
= Tinggi bioreaktor
= Tosyl-L-lysine chlorometyl ketone
TPC
U/ml
V
Vk
Vvm
v/v
= Total plate count
= Unit per ml
= Tingkat kecepatan ujung impeller
= Volume kerja bioreaktor
= Volume udara per volume cairan per menit
= Volume per volume
I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Udang merupakan komoditi perikanan Indonesia terbesar yang dieskpor,
setelah itu diikuti oleh ikan tuna. Realisasi ekspor perikanan pada tahun 2007
sebesar Rp 23 trilyun, 50 % dari udang dan 15 % dari ikan tuna. Volume ekspor
udang pada tahun 2007 adalah 160.797 ton dan 90 % dalam bentuk beku tanpa
kulit dan atau tanpa kepala (Pusat Data Statistik dan Informasi, Departemen
Kelautan dan Perikanan 2008; http://www.dkp.go.id).
Salah satu limbah yang dihasilkan dari industri pembekuan udang tersebut
adalah kulit udang. Menurut Dhewanto dan Kresnowati (2002) proporsi berat
kulit udang terhadap berat udang keseluruhannya adalah 45 %. Berdasarkan
proporsi tersebut, diperkirakan jumlah limbah kulit udang yang tersedia pada
tahun 2007 mencapai 100.188,9 ton.
Selama ini, pemanfaatan limbah kulit di Indonesia sebagian besar digunakan
untuk pakan ternak, campuran untuk pembuatan kerupuk udang, dan terasi
(Dhewanto dan Kresnowati 2002).
Pengolahan limbah kulit udang menjadi
produk seperti pakan ternak, terasi maupun kerupuk mempunyai nilai tambah
yang relatif kecil.
Untuk meningkatkan nilai tambah kulit udang, diekstraksi menjadi kitin
sangat penting dilakukan, karena kitin mempunyai harga jual yang tinggi. Harga
kitin saat ini berkisar antara Rp 50.000,-/kg (untuk bahan penanganan limbah cair)
sampai
Rp
1.000.000,-/kg
(www.nap.edu/books/03096435x/html).
(untuk
bahan
biomedik)
Kitin yang terdapat dalam kulit udang berkisar antara 20 sampai 60 % (berat
kering ), tergantung jenisnya (Muzzarelli 2000). Berdasarkan hasil penelitian
pendahuluan, kulit udang vannamei (Penaeus vannamei) mengandung kitin
sekitar 58 % (bk). Udang vannamei (P.vannamei) merupakan jenis udang yang
diekspor terbesar dalam bentuk beku tanpa kulit, yaitu hampir 75 % dari volume
ekspor udang beku (Pusat Data Statistik dan Informasi, Departemen Kelautan dan
Perikanan 2008; http://www.dkp.go.id).
Menurut Mangunwidjaja dan Harahap (2001), penanganan dan pengolahan
limbah udang melalui industri kitin menjadi sorotan, karena senyawa yang hampir
sama dengan selulosa ini ternyata menunjukkan keandalan di berbagai bidang dan
mempunyai prospek sebagai komoditi perdagangan. Kitin dan turunannya dapat
dimanfaatkan untuk kesehatan, industri tekstil, penanganan air limbah, farmasi,
biomedikal, kosmetik, teknologi pangan, fotografi dan lain-lain.
Saat ini produsen kitin dunia dikuasai oleh Jepang dan Amerika Serikat.
Sebenarnya, Indonesia mempunyai peluang untuk mengambil bagian dari pasar
kitin dunia karena memiliki sumber bahan baku kitin yang relatif lebih besar jika
dibandingkan dengan Jepang atau Amerika Serikat.
Ekstraksi kitin dari kulit udang di dunia industri dilakukan secara kimiawi
melalui tahapan deproteinasi yang menggunakan basa kuat dan demineralisasi
yang menggunakan asam kuat.
Tahapan deproteinasi dimaksudkan untuk
menurunkan kandungan protein sedangkan demineralisasi dimaksudkan untuk
menurunkan kandungan abu kulit udang (Aye dan Stevens 2004).
Menurut Yang et al. (2000), ekstraksi kitin secara kimiawi tersebut dapat
menyebabkan hidrolisis polimer terhadap kitin yang dihasilkan, sehingga
viskositasnya rendah dan mempengaruhi penggunaan kitin selanjutnya. Toan et
al. (2006), menyatakan bahwa ekstraksi secara kimia diperlukan penanganan
terhadap limbah cair yang dihasilkan yaitu harus dinetralisasi dan didetoksifikasi
agar tidak merusak lingkungan. Biaya penanganan limbah cair dari industri kitin
tersebut cukup besar yaitu dapat mencapai 40 % dari total biaya produksi. Selain
itu, ekstraksi kitin secara kimiawi berlangsung pada suhu yang relatif tinggi (
>100 oC) sehingga diperlukan energi yang cukup besar.
Alternatif lain untuk ekstraksi kitin dapat dilakukan dengan metode
biologis. Proses ekstraksi kitin secara biologis adalah memanfaatkan aktivitas
atau
kemampuan mikroba baik dalam tahapan demineralisasi maupun
deproteinasinya.
Proses demineralisasi dilakukan dengan memanfaatkan
fermentasi asam laktat sedangkan proses deproteinasi menggunakan kemampuan
mikroba proteolitik (Bustos dan Healy 1994)
Kitin hasil ekstraksi secara biologis mempunyai nilai viskositas yang lebih
tinggi daripada kitin yang diektraksi secara kimiawi (Beaney et al. 2005).
Keunggulan lain dari proses ekstraksi kitin secara biologis adalah dihasilkan
produk samping yang potensial. Produk samping tersebut antara lain protein dan
pigmen karotenoid sebagai suplemen pakan untuk ikan dan binatang lainnya, serta
kalsium laktat yang merupakan komponen mineral penting untuk makanan
suplemen (Healy et al. 2003). Limbah cairnya tidak perlu adanya penanganan
yang serius dibandingkan metode kimia.
Beberapa penelitian ekstraksi kitin secara biologis telah dilakukan yaitu
Ekstraksi kitin dari limbah kulit udang windu (Penaeus monodon) melalui
fermentasi asam laktat menggunakan gabungan bakteri Streptococcus faecium,
Lactobacillus plantarum dan Pediococcus acidilactici (Hall dan Silva 1992).
Ekstraksi kitin dari kulit udang Duplin Bay (Nephrops norvegicus) menggunakan
gabungan bakteri Lactobacillus salvarius, Enteroccus facium dan Pediococcus
acidilactici (Beaney et al. 2005). Deproteinasi limbah kulit udang menggunakan
bakteri Pseudomonas aeruginosa K-187 (Wang dan Chio 1998), Pseudomonas
maltophilia LC-102 (Shimahara et al. 1984) dan Bacillus subtilis (Yang et al.
2000).
Semua hasil penelitian ekstraksi kitin secara biologis tersebut diperoleh
tingkat penghilangan kandungan abu dan protein dari kulit udang berkisar antara
30 – 85 %, yang masih rendah jika dibandingkan dengan metode kimia yang dapat
mencapai lebih dari 95 %.
Menurut Healy et al. (2003), tingkat penghilangan
kandungan abu dan protein dari kulit dalam ekstraksi kitin adalah penting.
Semakin besar tingkat penghilangan kandungan abu dan protein dari kulit udang
akan dihasilkan kitin yang memiliki kandungan abu dan protein kecil. Makin
kecil kandungan abu dan protein kitin, harga jual kitin makin tinggi. Oleh karena
itu penggunaan mikroba baru yang lebih potensial untuk ekstraksi kitin perlu terus
dilakukan.
Beberapa bakteri yang potensial digunakan untuk ekstraksi kitin adalah
Bacillus licheniformis F11.1 dan Lactobacillus acidophilus FNCC 116. Bacillus
licheniformis F11.1 adalah bakteri yang dapat memproduksi enzim protease tetapi
tidak memproduksi enzim kitinase, sehingga dapat digunakan dalam proses
deproteinasi pada tahapan ekstraksi kitin. B. licheniformis F11.1 adalah bakteri
derivat dari B. licheniformis F11 yang berhasil diisolasi dari limbah kulit udang.
Isolasi terhadap B. licheniformis F11 dilakukan atas kerjasama antara
Laboratorium Bioindustri, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT)
dengan Universitas Hamburg, Jerman dalam rangka mendapatkan strains baru
penghasil enzim protease.
L. acidophilus FNCC 116 adalah bakteri asam laktat yang bersifat
homofermentatif. Artinya, dalam proses fermentasi hanya asam laktat saja yang
dihasilkan oleh bakteri tersebut dari biokonversi glukosa, sehingga diharapkan
lebih efektif untuk menurunkan kandungan abu kulit udang dalam proses
demineralisasi pada tahapan ekstraksi kitin.
Berdasarkan penelusuran paten dan jurnal ilmiah, bakteri B. licheniformis
F11.1 dan L. acidophilus FNCC 116 belum pernah digunakan untuk ekstraksi
kitin dari kulit udang. Menurut Jung et al. (2005), penggunaan bakteri dengan
jenis dan strains yang berbeda untuk ekstraksi kitin diperlukan kondisi optimum
yang berbeda pula. Dengan demikian diperlukan perancangan proses biologis
untuk ekstraksi kitin dari kulit dengan menggunakan kedua bakteri tersebut agar
diperoleh tingkat penghilangan mineral dan protein yang maksimal.
Dalam
kegiatan perancangan ini, hasil dari setiap tahapan yang dilakukan merupakan
pilihan yang paling baik dari beberapa pilihan yang dicanangkan.
Selain itu, penggunaan kedua bakteri tersebut untuk ekstraksi kitin dari kulit
udang tidak diperlukan kondisi steril. B. licheniformis F11.1 mempunyai suhu
optimal pertumbuhan 55oC, sehingga mikroba yang bersifat mesophilik yang
umumnya tumbuh di lingkungan suhu ruang tidak dapat mengkontaminasi proses
deproteinasi. Begitu pula dengan proses demineralisasi yang menggunakan L.
acidhophillus FNCC 116 yang bersifat acidophilik yaitu tumbuh optimal pada
lingkungan pH asam, sehingga mikroba non acidophilik yang banyak terdapat di
lingkungan suhu ruang tidak dapat mengkontaminasi.
Keuntungan kondisi
ekstraksi kitin yang tidak perlu steril ini adalah dapat menghemat energi dan
waktu proses.
Agar ekstraksi kitin secara biologis ini dapat diterapkan dalam skala
komersial perlu dilakukan peningkatan skala. Peningkatan skala dalam bioproses
dilakukan dalam tiga tahapan yaitu skala laboratorium, pilot plant, dan industri.
Pada peningkatan skala bioproses ini harus diusahakan kondisi optimum tetap
terjaga. Masalah utama yang dijumpai pada peningkatan skala bioproses adalah
berubahnya
faktor-faktor
lingkungan
fisik,
seperti
perpindahan
massa,
kemampuan pencampuran, penyebaran tenaga dan laju geser. Oleh karena itu
harus dipilih kriteria peningkatan skala yang sesuai agar diperoleh hasil kitin yang
tetap optimal.
1.2 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan mendapatkan rancangan proses biologis untuk
ekstraksi kitin dari kulit udang vannamei (P. vannamei) menggunakan bakteri B.
licheniformis F11.1 dan L. acidophilus FNCC 116, sehingga tingkat penghilangan
abu dan protein dari kulit udang maksimal. Selain itu bertujuan mendapatkan
kriteria terbaik pada proses biologis ekstraksi kitin untuk peningkatan skala
proses.
1.3 Ruang Lingkup Penelitian
A. Perancangan proses ekstraksi kitin dari kulit udang secara biologis:
- Penentuan jalur tahapan proses ekstraksi kitin yang paling baik secara
biologis.
- Penentuan sistem fermentasi yang paling baik pada ekstraksi kitin dari kulit
udang secara biologis.
B. Penentuan kriteria peningkatan skala yang paling baik untuk proses ekstraksi
kitin dari kulit udang secara biologis.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah memperoleh informasi mengenai rancangan
proses dan kriteria peningkatan skala untuk ekstraksi kitin dari kulit udang secara
biologis. Informasi yang diperoleh tersebut diharapkan dapat digunakan sebagai
dasar untuk pengembangan ekstraksi kitin dari kulit udang secara biologi ke arah
komersialisasi.
II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kulit Udang
Ekspor komoditi hasil perikanan dari Indonesia yang terbesar sampai saat
ini adalah udang. Realisasi ekspor udang pada tahun 2007 mencapai 160.797 ton
dengan nilai Rp 11,5 trilyun. Nilai ekspor udang ini adalah 50 % dari nilai ekspor
komoditi perikanan Indonesia pada tahun 2007 yaitu sebesar 23 trilyun (Pusat
Data Statistik dan Informasi, Departemen Kelautan dan Perikanan 2008
http://www.dkp.go.id)
Ekspor udang tahun 2003 sampai 2007 terus meningkat sebagaimana
ditunjukkan pada Tabel 1. Udang yang diekspor hampir 90 % nya adalah bentuk
beku tanpa kulit dan kepala. Jenis udang yang diekspor adalah udang vannamei
dan windu, untuk tiga tahun terakhir hampir 75 % adalah udang vannamei (Pusat
Data Statistik dan Informasi, Departemen Kelautan dan Perikanan 2008
http://www.dkp.go.id)
Tabel 1 Produksi dan ekspor udang Indonesia 2003 – 2007
Tahun
Produksi (ton)
Ekspor (ton)
2003
191.723
92.027
2004
226.553
124.604
2005
295.000
153.906
2006
281.901
159.329
2007
318.565
160.797
Sumber : Pusat Data Statistik dan Informasi, Departemen Kelautan dan Perikanan
2008 http://www.dkp.go.id
Salah satu limbah yang dihasilkan dari industri pembekuan udang tanpa
kulit dan kepala adalah kulit udang. Proporsi kulit udang dapat mencapai 45 %
dari berat udang keseluruhan (Dhewanto dan Kresnowati 2002). Berdasarkan
asumsi tersebut, ketersediaan kulit udang di Indonesia tiap tahunnya relatif besar.
Menurut Rao et al. (2000), kulit udang mengadu