3
II. TINJAUAN PUSTAKA A.
JAGUNG Anonim 2005b menyebutkan bahwa tanaman jagung merupakan salah
satu jenis tanaman pangan biji-bijian dari keluarga rumput-rumputan. Tanaman jagung ini berasal dari Amerika yang tersebar ke Asia dan Afrika melalui kegiatan
bisnis orang-orang Eropa ke Amerika. Bangsa Portugal menyebarluaskannya tanaman jagung ke Asia termasuk Indonesia sekitar abad ke-16. Orang Belanda
menamakan tanaman jagung ”mais” dan orang Inggris menamakannya ”corn”. Di Indonesia, daerah-daerah penghasil utama tanaman jagung adalah Jawa Tengah,
Jawa Barat, Jawa Timur, Madura, D.I. Yogyakarta, Nusa Tenggara Timur, Sulawesi Utara, Sulawesi Selatan, dan Maluku. Sistimatika tanaman jagung
adalah sebagai berikut: Kingdom :
Plantae Divisio
: Spermatophyta Sub Divisio
: Angiospermae Classis :
Monocotyledon Ordo :
Graminae Familia :
Graminaceae Genus :
Zea Spesies :
Zea mays L. Anonim 1982 menyebutkan bahwa tanaman jagung dapat diolah menjadi
berbagai macam bahan baku industri maupun produk jadi seperti grits, tepung jagung, maizena, sirup jagung, dan homini. Limbah buah jagung yaitu tongkol
jagung dapat dimanfaatkan juga sebagai bahan baku industri dengan proses biomass refining
berdasarkan separasi fraksi-fraksi kimianya Garrote et al. 2002. Menurut Koswara 1991, tanaman jagung terdiri atas kelobot kulit, biji
dan tongkol. Biji jagung tersusun dalam tongkol dengan susunan teratur memanjang dan ditutup oleh seludang klobot. Terdapat juga susunan biji yang
teratur mozaik. Diameter tongkol adalah 3-5 cm dan mengandung 300-1000 biji. Jagung mengandung kurang lebih 30 tongkol jagung sedangkan sisanya
adalah kulit dan biji. Tongkol jagung adalah tempat pembentukan lembaga dan
4 gudang penyimpanan makanan untuk pertumbuhan biji serta merupakan
modifikasi dari cabang dan mulai berkembang pada ruas-ruas batang. Tongkol utama umumnya terdapat pada ruas batang keenam sampai delapan dari atas dan
pada ruas-ruas di bawah biasanya terdapat lima sampai tujuh tongkol yang tidak berkembang secara sempurna Koswara 1991.
Maynard dan Loosli 1993 menyebutkan bahwa komposisi kimia tongkol jagung terdiri atas 35.5 serat kasar, 2.5 protein, 0.12 kalsium, 0.04 fosfor
dan zat-zat lainnya sebesar 38.16. Lebih lanjut, Aninom 1981 menyatakan bahwa tongkol jagung mengandung selulosa 40, hemiselulosa 36 dan
lignin 16 serta zat-zat lainnya 8. Menurut Cho et al. 1996 tongkol jagung mempunyai komponen utama yaitu xilan.
Tongkol jagung memiliki komposisi kimia seperti yang disajikan pada Tabel 1 berikut:
Tabel 1. Komposisi Kimia Tongkol Jagung
Komponen Komposisi
Air 9.6 Abu 1.5
Protein Kasar 2.5
Lemak Kasar 0.5
Serat Kasar 32
NDF 83 Hemiselulosa 36
Selulosa 41 Lignin 6
Xilan 30 Pektin 3
Pati 0.014
Sumber : Lorenz dan Kulp 1991 Varietas jagung yang digunakan pada penelitian ini adalah Bisma yang
diperoleh dari Balai Penelitian Bioteknologi, Cimanggu, Bogor. Karakteristik jagung varietas Bisma yang merupakan salah satu varietas unggulan tersaji pada
Tabel 2.
5 Tabel 2. Karakteristik Jagung Varietas Bisma
Karakter Keterangan
Tanggaltahun pelepasan 4 September 1995
SK Mentan 585kptsTP.240995
Asal Persilangan pool 4 dengan bahan introduksi
disertai seleksi selama 5 generasi Golongan Bersari
bebas Umur
50 keluar rambut ± 60 hari Batang
Tegap, tinggi medium ± 190 cm Daun
Panjang dan lebar Tongkol
Besar dan silindris Biji Setengah
mutiara semi
flint Warna daun
Hijau tua Warna biji
Kuning Warna janggel
Kebanyakan putih Kelobot
Menutup tongkol dengan cukup baik ±95 Baris biji
Lurus dan rapat Perakaran Baik
Kerebahan Tahan rebah
Jumlah baristongkol 12-18 baris
Bobot 1000 biji ± 307 g
Rata-rata hasil ± 5.7 tonha pipilan kering
Potensi hasil ± 7.0 – 7.5 tonha pipilan kering
Ketahanan penyakit Tahan penyakit kerat dan bercak daun serta
bulai Pertumbuhan
Baik untuk dataran rendah sampai ketinggian 500 m dpl
Pemulia Subandi, Rudy Setyono, A. Sudjono Alm,
Hadiatmi. Sumber : Suharti 2004
B. HEMISELULOSA
Sebagian besar bahan selulosa yang ditemui di alam mengandung tiga komponen utama yaitu selulosa, lignin dan hemiselulosa dengan perbandingan
sekitar 4: 3: 3, sering juga disebut dengan istilah lignoselulosa. Besarnya perbandingan antara ketiga komponen tergantung dari jenis tanaman Fengel dan
Wegener 1984. Hemiselulosa merupakan heteropolimer kompleks yang memiliki
kandungan utama xilosa dan juga sejumlah arabinosa, mannosa, glukosa dan galaktosa Burchhardt dan Ingram 1992. Fengel dan Wegener 1984
menyebutkan bahwa selain arabinosa, mannosa dan glukosa, hemiselulosa
6 mengandung galaktosa dan sejumlah hemiselulosa mengandung senyawa
tambahan asam uronat. Hemiselulosa memiliki sifat-sifat yaitu tidak tahan terhadap perlakuan
panas strukturnya amorf dan mudah dimasuki pelarut dapat diekstraksi menggunakan alkali dan ikatannya lemah sehingga mudah dihidrolisis. Berbeda
dengan selulosa yang merupakan homopolisakarida, hemiselulosa merupakan heteropolisakarida Fengel dan Wegener 1995.
Menurut Gong et al. 1981 hemiselulosa selalu digambarkan sebagai polisakarida yang membangun dinding sel tanaman yang bergabung dengan
selulosa dalam jaringan lignin. Gabungan hemiselulosa dengan selulosa dan lignin menghasilkan dinding sel yang teguh dan bersifat lentur. Hemiselulosa sebagai
ikatan pendek rantai heteropolisakarida mudah dihidrolisis. Menurut Gong et al. 1981 biasanya hemiselulosa terbentuk dari D-xilan,
L-arabino-D-xilan, L-arabino-D-galaktan, L-arabino-D-glukorono, L-O-metil-D- glukorono-D-xilan, L-arabino-4-O-metil-D-glukorono-D-xilan, D-gluko-D-
mannan dan D-galakto-D-gluko-D-mannan. Jenis dan jumlah heteroselulosa ini sangat beragam. Hal ini menyebabkan
sulitnya menentukan komposisi gula yang dihasilkan hemiselulosa. Setiap jenis hemiselulosa terdiri atas D-xilosa sebagai rantai utama dan L-arabinosa pada
rantai lainnya. Selain komponen selulosa, komponen hemiselulosapun sangat potensial
untuk dimanfaatkan. Fraksi hemiselulosa dari biomassa saat ini belum banyak digunakan sebagai sumber bahan bakar dan bahan kimia. Padahal kandungan
hemiselulosa cukup besar, yaitu 10 sampai 40 dari kandungan karbohidrat dan lignin sebagai residu kehutanan dan pertanian Suhadi dan Nastiti 1989.
C. XILAN
Struktur utama hemiselulosa adalah xilan yang merupakan polimer dari ikatan β-1,4- xilosa-xilosa dengan arabinosil dan atau rantai samping 4-O-
methylglucurosyl. Degradasi xilan secara enzimatis menjadi xilosa memerlukan katalis yaitu endoxilanase EC 3.2.1.8 dan β-xilosidase EC 3.2.1.37 Li et al.
1993.
7 Menurut Kubata et al. 1994, kandungan tertinggi xilan dari tanaman
adalah 35 dari total bobot kering. Sebagai komponen utama hemiselulosa, xilan diprediksikan 20 hingga 30 bobot kering dari residu agrikultural.
Xilan merupakan substrat yang paling efektif untuk memproduksi xilanase. Xilosa, glukosa dan sellobiosa menyebabkan produksi xilanase tidak
efektif Mountfort dan Asher 1989. Ekstraksi xilan dari tongkol jagung telah dilakukan oleh Anggraini 2003
dengan menggunakan pelarut NaOH 15. Secara umum tahapan proses ekstraksi xilan dari tongkol jagung adalah sebagai berikut:
1. Tahap persiapan bahan
Tongkol jagung dikeringkan di bawah sinar matahari atau dioven hingga mencapai kadar air 5. Tongkol jagung yang telah kering digiling dengan
menggunakan mesin penggiling berukuran 40 mesh. 2.
Delignifikasi Proses delignifikasi dilakukan terhadap bubuk tongkol jagung hasil
penggilingan dengan pelarut natrium hipoklorit NaOCl karena pelarut tersebut mengandung ion-ion hipoklorit yang mampu memecah ikatan karbon
dalam struktur lignin. Proses delignifikasi dilakukan selama 5 jam pada suhu ruang.
3. Ekstraksi xilan
Pada proses ekstraksi xilan, padatan hasil delignifikasi direndam dalam larutan NaOH 10 selama 24 jam pada 28
o
C. Kemudian dilakukan penyaringan. Filtrat yang dihasilkan diukur pH-nya dan diasamkan dengan HCl 6 N hingga
pH 4.5-5. Setelah diasamkan, dilakukan sentrifugasi selama 30 menit dengan kecepatan putaran 4000 rpm untuk memisahkan endapan yang mengandung
xilan dengan supernatan. Xilan dalam endapan dapat dipisahkan dengan disentrifuse pada kecepatan putar 4000 rpm selama 30 menit.
D. Streptomyces sp
Streptomyces sp . merupakan spesies bakteri gram positif yang berasal dari
tanah dan diketahui dapat mensekresikan protein dalam jumlah yang besar.
8 Sebagian besar sekresi proteinnya merupakan enzim yang dapat menghidrolisis
material organik kompleks untuk bertahan hidup Gauthier et al. 2005. Streptomyces
merupakan bakteri berfilamen, memproduksi sejumlah metabolit sekunder dan protein ekstraselular, serta termasuk dalam enzim
hidrolase yang dapat mendegradasi polisakarida seperti xilan, selulosa dan kitin Tsujibo et al. 2004.
Genus Streptomyces termasuk ke dalam kelas aktinomiset yang menunjukkan sebuah perkembangan daur hidup kompleks dengan cabang
miselium vegetatif yang menyatu pada substrat dengan bentuk miselium aerial yang memiliki hipa berdiameter lebih besar. Streptomyces memiliki spora sebagai
reproduksi aseksual Hardisson dan Manzanal 1976. E.
XILANASE Hemiselulase adalah kelompok enzim yang mempunyai kemampuan
menghidrolisis hemiselulosa. Hidrolisis sempurna dari berbagai hemiselulosa dapat dipantau dari jumlah D-xilosa, L-arabinosa dan asam D-glikuronat yang
dihasilkan. Karena kemampuannya dalam menghidrolisis xilan, maka hemiselulase juga biasa disebut xilanase Krisnasari 2003.
Xilanase mendegradasi xilan yang merupakan komponen utama hemiselulosa. Penelitian Gauthier et al. 2005 menggunakan Streptomyces
lividans , menunjukkan diproduksinya xilanase yang berbeda dan semuanya
menunjukkan aktivitas xilanase yang telah mendapat perhatian khusus karena kegunaan potensialnya seperti untuk pemutih pulp dan kertas, energi biomasa,
industri kimia Gauthier et al. 2005, mengolah pakan ternak sehingga menambah daya pencernaan dan mengkonversi substansi lignoselulosa menjadi bahan bakar
dan makanan Li et al. 1993. Enzim merupakan protein dengan struktur molekul tiga dimensi yang
kompleks yang aktif di bawah kondisi khusus dan hanya dengan substrat spesifik. Enzim merupakan katalis biologi yang sangat efektif. Enzim-enzim yang dapat
menghidrolisa hemiselulosa disebut hemiselulase. Pada pembuatan xilooligosakarida, ekstraksi xilan merupakan perlakuan pendahuluan yang dapat
9 dilakukan, untuk meningkatkan jumlah dan kecepatan hidrolisis bahan
lignoselulosik Gong et al. 1981. Enzim adalah biokatalis yang diproduksi oleh sel hidup. Reaksi biokimia
spesifik dalam proses metabolik sel disebabkan oleh enzim. Aksi enzim sangat spesifik pada substrat dan sering kali banyak enzim yang berbeda dibutuhkan
sehingga terbentuk kerjasama dan keberhasilan reaksi metabolik yang dilakukan oleh sel hidup. Faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim adalah pH, suhu,
konsentrasi substrat, konsentrasi enzim dan waktu inkubasi. Suhu meningkatkan aktivitas enzim sampai suhu optimum setelah itu protein enzim akan terdenaturasi
dan terjadi inaktivasi. Begitu pula halnya dengan pH, pada pH optimum aktivitasnya akan maksimum sedangkan di luar pH optimum aktivitas enzim akan
turun. Konsentrasi substrat dan enzim juga waktu inkubasi yang bertambah akan meningkatkan aktivitas enzim sampai tingkat tertentu setelah itu aktivitasnya tetap
Wijaya 2001. Klasifikasi enzim secara internasional berdasarkan atas reaksi yang
dikatalisis menurut Lehninger 1982 disajikan pada Tabel 3 berikut yaitu: Tabel 3. Klasifikasi Enzim Berdasarkan Reaksi yang Dikatalisis
Kelas Jenis Reaksi yang Dikatalisa
Oksidoreduktase Pemindahan elektron
Transferase Reaksi pemindahan gugus fungsional
Hidrolase Reaksi hidrolisis pemindahan gugus fungsional ke
air Liase
Penambahan gugus di dalam molekul menghasilkan bentuk isomer
Isomerase Pemindahan gugus di dalam molekul menghasilkan
bentuk isomer Ligase
Pembentuk ikatan C-C, C-S, C-O dan C-N oleh reaksi kondensasi yang berkaitan dengan penguraian ATP.
Gula sederhana dapat dihasilkan oleh proses hidrolisis. Hidrolisis enzimatis adalah suatu cara yang baik untuk memproduksi gula dari bahan
lignoselulosik karena tidak adanya hasil samping Gong et al. 1981. Hidrolisis xilan melibatkan endo-β-1,4-xilanase dan β-D-xilosidase.
α-L- arabinofuranosil dan D-glukuronil residu dapat merupakan inhibitor kerja
10 xilanase. Xilanase dapat terproduksi lebih banyak dan dapat lebih aktif pada
substrat dengan rantai utama xilosa yang panjang Kubata et al. 1994. Biosintesis enzim xilanolitik diinduksi oleh xilan atau xilobiosa dan terhalangi oleh adanya
glukosa Tsujibo et al. 2004. Penelitian Li et al. 1993 menghasilkan xilosa dan xilobiosa sebagai
produk akhir, sementara oligosakarida muncul sebagai produk intermediet saat degradasi xilan menggunakan Aureobasidium pullulans Y-2311-1. Disimpulkan
dari penelitian tersebut bahwa xilanase yang dihasilkan merupakan endo-β- xilanase.
Penelitian lain yang menggunakan Neocallimastix frontalis menunjukkan tidak ada xilosa yang terproduksi sehingga disimpulkan bahwa xilobiase tidak
terdapat dalam komponen xilanase yang dihasilkan oleh Neocallimastix frontalis Mountfort dan Asher 1989.
Produksi xilanase akan semakin turun dengan semakin meningkatnya konsentrasi xilan setelah konsentrasi optimum pada media kultur. Produksi
xilanase juga dapat semakin turun karena adanya akumulasi gula terlarut pada media kultur. Akumulasi pentosa bersama dengan turunnya aktivitas xilanase
selama pertumbuhan pada konsentrasi media xilan yang semakin meningkat menunjukkan bahwa gula-gula mempengaruhi regulasi enzim. Dilakukan
percobaan dengan tidak menambah xilan pada media kultur dan ditambahkan xilosa, pertumbuhan Neocallimastix frontalis sangat cepat namun xilanase yang
dihasilkan menjadi kecil Mountfort dan Asher 1989. Struktur kimia xilan, bila dibandingkan dengan pati dan selulosa, lebih
heterogen. Hal ini menyebabkan xilanase lebih banyak mengandung berbagai komponen enzim. Menurut Reilly 1981 di dalam Irawadi 1991 xilanase dapat
dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu -xilosidase, eksoxilanase dan endoxilanase. -xilosidase memiliki kemampuan untuk menghidrolisis xilooligosakarida rantai
pendek menjadi xilosa. Xilosa, selain merupakan produk hidrolisis, juga merupakan inhibitor bagi -xilosidase. Aktivitas -xilosidase akan menurun
dengan meningkatnya rantai xilooligosakarida. Eksoxilanase memutus rantai polimer pada ujung-ujung reduksi. Enzim eksoxilanase yang dihasilkan oleh
Bacillus pumilus dan Malbranca pulchella dapat menghidrolisis xilan,
11 menghasilkan xilosa sebagai produk utama dan sejumlah kecil oligosakarida-
oligosakarida rantai pendek. Adapun enzim-enzim yang termasuk dalam kelompok endoxilanase adalah enzim yang memutus ikatan-ikatan -1-4 pada
bagian dalam dari rantai xilan secara teratur. Keheterogenan substrat menyebabkan terdapat berbagai macam enzim yang dikelompokkan pada
endoselulase. Kelompok enzim yang dapat memutus titik-titik cabang dapat digunakan untuk menghasilkan xilosa.
Secara umum xilanase menyerang rantai xilosidik bagian dalam pada rangka dasar dan -xilosidase melepaskan residu xilosil dengan serangan arah ke
ujung dari xilooligosakarida Cho et al. 1996. Xilanase aktif pada suhu 55
o
C dengan pH 9. Pada suhu 60
o
C dengan pH normal xilanase diketahui lebih stabil Cho et al. 1996. Salah satu media
pertumbuhan bagi bakteri penghasil xilanase adalah berupa media alkali dengan pH dibuat sekitar 10,5. dengan bahan-bahan yang dibutuhkan adalah polypepton,
yeast extract , K
2
HPO
4
, MgSO
4 .
7H
2
O, xilan oatspelt, NaCl, NH
4
Cl, Na
2
HPO
4
Nakamura et al. 1993. Nakamura et al. 1993 juga menyebutkan bahwa xilanase menunjukkan aktivitas yang baik pada kisaran pH antara 4 sampai
dengan 11 dan pH optimal yang bisa dilakukannya adalah pada pH 9 di mana suhu aktifitasnya pada kisaran 50
o
C. F.
XILOOLIGOSAKARIDA Nama karbohidrat, merupakan hidrat karbon, mempunyai formula
glukosa C
6
H
12
O
6
atau biasa disebut sebagai C
6
H
2
O
6
. Kini perkataan karbohidrat merujuk kepada aldehid dan keton terhidroksil hydroxylated aldehydes and
ketones yang lebih dikenal dengan nama umum gula atau sakarida. Oligosakarida
terdiri dari beberapa unit sakarida Anonim 2005c. Oligosakarida adalah karbohidrat sederhana, banyak dikonsumsi dalam bentuk minuman ringan,
biskuit, gula-gulabonbon, dan produk susu. Oligosakarida fungsional tidak dapat dicerna oleh enzim-enzim pada pencernaan manusia, jadi seperti serat pangan,
akhirnya akan sampai di dalam usus besar. Dengan demikian akan merupakan media yang baik untuk pertumbuhan bakteri bifidobacteria yang menguntungkan
di dalam usus besar kolon, sehingga oligosakarida disebut sebagai prebiotik.
12 Peningkatan jumlah bakteri ini akan menekan pertumbuhan bakteri pembusuk
yang merugikan yakni Escherichia coli dan Streptococcus faecalis Anonim 2005d.
Richana 2002 menyebutkan bahwa xilooligosakarida merupakan polimer dari xilan atau xilosa. Xilooligosakarida merupakan hasil hidrolisis xilanase
terhadap xilan. Xilooligosakarida mempunyai manfaat sebagai pemanis buatan rendah kalori, protein sel tunggal dan probiotik Widiastuti 2004.
Xilooligosakarida dapat dihasilkan karena kerja endoxilanase terhadap xilan yaitu pada arabinoglukuronoxilan dan glukuronoxilan. Xilooligosakarida
yang dihasilkan dengan derajat polimerisasi 3 hingga 6 kemudian dihidrolisis oleh β-D-xilosidase yang terdiri dari exoglikosidase, exoxilanase atau xilobiase
Kubata et al. 1994. Mountfort dan Asher 1989 juga menyatakan bahwa hasil hidrolisis oleh xilanase endo hidrolitik adalah dengan terdapatnya
xilooligosakarida. Tidak adanya xilosa yang terproduksi dapat mengindikasikan bahwa xilobiase tidak terdapat dalam komponen xilanase yang dihasilkan oleh
Neocallimastix frontalis.
13
III. BAHAN DAN METODE A. BAHAN DAN ALAT