TINJAUAN PUSTAKA A. Produksi Xilanase dari Streptomyces sp. pada Substrat Xilan Tongkol Jagung

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