Glukosa Isomerase
BAB XIV Glukosa Isomerase
Glukosa Isomerase, EC 5.3.1.5
Xilosa isomerase (EC 5.3.1.5) adalah enzim yang mengkatalisis interkonversi D-xilosa dan D-xilulose. Enzim ini tergolong dalam keluarga enzim isomerase, khususnya yang berperan dalam interkonversi oksidoreduktase pada intramolekul aldosa dan ketosa. Aktivitas xilosa isomerase pertama kali diamati oleh Mitsuhashi dan Lampen pada tahun 1953 pada bakteri Lactobacillus ( Mitsuhashi dan Lampen, 1953) . Isomerase diproduksi oleh banyak spesies bakteri khususnya pada genus Actinoplanes , Streptomyces dan Bacillus. A ktivitas xilosa isomerase dalam mengkonversi D-glukosa menjadi D-fruktosa diinvestigasi oleh Marshall dan Kooi (1957). Xilosa isomerase sering disebut sebagai glukosa- isomerase telah diaplikasikan dalam industri sirup jagung tinggi fruktosa dan glukosa. karena penggunaannya dalam industri untuk memproduksi sirup jagung fruktosa tinggi dari glukosa ( Beerens, 2012) . Enzim ini mampu mengubah glukosa menjadi isomernya yaitu fruktosa. Nama sistematis kelas enzim ini adalah D-xilosa aldosa-ketosa-isomerase. Nama lain yang umum digunakan termasuk D- xilosa ketoisomerase. Selain mengubah gula pentose seperti glukosa menjadi fruktosa, enzim ini juga bekerja pada berbagai macam substrat gula heksosa seperti D-ribosa, L-arabinosa, L-rhamnosa, dan D-allosa ( Jokela and Pastinen, 2002).
Gambar 51. Reaksi polimerisasi isomer xilosa dan glukosa yang dikatalisis oleh
enzim xilosa isomerase (Glazer dan Nikaido, 1995).
Konversi glukosa menjadi fruktosa dengan xilosa isomerase pertama kali dipatenkan pada 1960-an. Akan tetapi, proses katalisis yang dipatenkan pada saat itu belum layak untuk digunakan dalam industri. Proses recovery enzim belum dapat dilakukan sehingga membutuhkan banyak biaya untuk pembelian enzim. Takanashi mengembangkan xilosa isomerasi imobil pada permukaan padat sehingga dapat digunakan berkali-kali dalam memproduksi sirup fruktosa jagung (Jokela dan Pastinen, 2002).
Produksi gula fruktosa dari glukosa
Setelah pati diubah menjadi glukosa, dengan menggunakan enzim glukosa isomerase glukosa diubah menjadi fruktosa. Fruktosa merupakan gula yang memiliki tingkatan rasa manis diatas glukosa dan sukrosa. Tingkatan rasa manis berbagai jenis gula disajikan pada Tabel 18. Tabel 18. Tingkatan rasa manis pada beberapa jenis gula
Pemanis Tingkat kemanisan relatif Laktosa
Gula invert
Sodium siklamat
Urea Aryl dan guanidine trisubstitusi Sampai dengan 200.000 Sumber: Nagodawithana dan Reed (1993)
Sirup fruktosa dapat dibuat dari sukrosa dengan cara hidrolisis asam atau dengan menggunakan enzim invertase alami dari Saccharomyces cerevisiae. Akan tetapi, jika jumlahnya lebih dari 20% maka akan menghambat aktivitas enzim Sirup fruktosa dapat dibuat dari sukrosa dengan cara hidrolisis asam atau dengan menggunakan enzim invertase alami dari Saccharomyces cerevisiae. Akan tetapi, jika jumlahnya lebih dari 20% maka akan menghambat aktivitas enzim
Gambar 52. Konversi sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa oleh enzim invertase
(Chaplin and Bucke (1990)
Saat ini, produksi sirup fruktosa menggunakan isomerisasi lebih menjanjikan dan menguntungkan karena rasa sirup fruktosa yang lebih manis. Terdapat tiga jenis sirup fruktosa yang saat ini dikomersialisasikan, yaitu sirup fruktosa 42%, 55%, dan 90%. Enzim glukosa isomerase juga telah banyak diproduksi secara komersial seperti yang ditunjukkan pada Tabel 19. Enzim yang dikomersialkan dikemas dalam bentuk enzim imobil sehingga dapat digunakan untuk reaksi yang berkelanjutan ( continuous ) di dalam tangki reaktor ( packed bed reactor ) dengan pengaturan suhu, pH, waktu dan substrat secara berkesinambungan.
Tabel 19. Glukosa isomerase yang telah diproduksi dan dikomersialkan Organisme sumber Nama dagang
Metode imobilisasi enzim Enzim murni S. olivochromogenes G-zyme G-994
Pembuat
CPC
(Enzyme Adsorpsi pada Biosystems)
resin penukar anion
S. rubiginosus
diaglomerasi dengan polistiren dan TiO2
S. rubiginosus
Optisweet II
Solvay
Adsorpsi partikel SiO2 diikuti berikatan silang dengan glutaraldehid
S. olivochromogenes Ketomax 100
UOP
Polietilenemin- dengan perlakuan alumina dengan ikatan silang dengan sel yang diekstrusi dan digranulasi
Sel utuh Actinoplanes
Sel diokulasi missourinensis
Maxazyme
IBIS
dalam gelatin dan glutaraldehid
Flavobacterium
Poliamin arborescens
Takasweet
Solvay
glutaraldehid yang dikat silang dengan sel yang diekstrusi dan digranulasi
S. griseofuseus
AGIS-600
Godo-Shusei
Kitosan dengan perlakuan sel dengan ikatan silang glutaraldehid
S.
Sel dengan phaeochromogenes
Sweetase
Nagase
perlakuan pemanasan yang terikat pada resin penukar anion
S. murinus dan
Sel dengan ikatan Bacillus coagulans
Sweetzyme T
Novo-Nordisk
silang glutaraldehid yang diekstrusi
Sumber: Bhosale et al. (1996)
Glukosa murni yang diperoleh dari proses pemecahan pati disaring melalui filter resin penukar ion dan karbon aktif dengan kandungan DE (dextrose equivalent) sebesar 93-97% kemudian dievaporasi menjadi bentuk solid terkonsentrasi 40%-50%. Dalam produksi fruktosa, ke dalam substrat ditambahkan magnesium sebagai kofaktor enzim dan mencegah kalsium untuk menghambat enzim. Selain itu, ditambahkan komponen sulfur dan grafit untuk mencegah kontaminasi mikroorganisme serta mengontrol kadar oksigen. Reaksi dilakukan selama satu hingga empat jam hingga menghasilkan 41%-43% sirup Glukosa murni yang diperoleh dari proses pemecahan pati disaring melalui filter resin penukar ion dan karbon aktif dengan kandungan DE (dextrose equivalent) sebesar 93-97% kemudian dievaporasi menjadi bentuk solid terkonsentrasi 40%-50%. Dalam produksi fruktosa, ke dalam substrat ditambahkan magnesium sebagai kofaktor enzim dan mencegah kalsium untuk menghambat enzim. Selain itu, ditambahkan komponen sulfur dan grafit untuk mencegah kontaminasi mikroorganisme serta mengontrol kadar oksigen. Reaksi dilakukan selama satu hingga empat jam hingga menghasilkan 41%-43% sirup
Gambar 52. Proses produksi sirup fruktosa dalam reaktor dengan memanfaatkan
enzim glukosa isomerase (Chaplin and Bucke, 1990).
Terdapat tiga jenis sirup fruktosa hasil konversi dari glukosa oleh enzim glukosa isomerase, yaitu:
1. Sirup fruktosa 42% yang lebih manis dibandingkan sukrosa,
2. Sirup fruktosa 55% yang lebih manis dibandingkan sukrosa 8%,
3. Sirup fruktosa 90% yang lebih manis dibandingkan sukrosa 20-30% Dalam proses produksi sirup fruktosa dari pati secara langsung, pati akan
diubah menjadi glukosa terlebih dahulu. Enzim alpha amylase dan glukosidase amylase mengubah pati menjadi glukosa. Selanjutnya, glukosa diubah menjadi fruktosa dengan bantuan enzim glukosa isomerase. Langkah produksi sirup diubah menjadi glukosa terlebih dahulu. Enzim alpha amylase dan glukosidase amylase mengubah pati menjadi glukosa. Selanjutnya, glukosa diubah menjadi fruktosa dengan bantuan enzim glukosa isomerase. Langkah produksi sirup
Gambar 53. Langkah krusial dalam proses konversi pati menjadi fruktosa dengan
bantuan enzim (Godfrey and West, 1996).
Gambar 54. Detail proses produksi fruktosa dari pati (Buchholz et al. 2005).