Optimasi Medium Fermentasi Isolation, purification, identification, and fermentation medium optimization of antibiotic produced by marine actinomycetes
Untuk mendapatkan
model persamaan matematik maka ditentukan
estimasi koefisien regresinya. Hasil tabulasi data percobaan Tabel 13 diperoleh estimasi koefisien regresi seperti yang disajikan dalam Tabel 17.
Tabel 17 Model koefisien regresi pada proses optimasi medium fermentasi untuk produksi siklotirosil-prolil.
Faktor Koefisien
Estimasi Derajat
bebas Intercept
47,40 1
A ‐dekstrin
4,13 1
B ‐pepton
6,74 1
C ‐ mineral
4,59 1
AB 2,17
1 AC
0,48 1
BC 0,84
1 A
2
‐5,59 1
B
2
‐6,78 1
C
2
‐5,88 1
CV: 6,8
Persamaan matematik model kuadratik optimasi produksi antibiotik siklotirosil-prolil adalah sebagai berikut;
Y= 47,40 + 4,13X
1
+ 6,74 X
2
+ 4,59 X
3
+ 2,17 X
1
X
2
– 5,59 X
1 2
- 6,78 X
2 2
– 5.88 X
3 2
. Y = produksi senyawa aktif mg L
-1
X
1
= konsentrasi dekstrin g L
-1
X
2
= konsentrasi pepton g L
-1
X
3
= volume penambahan mineral mL.
Untuk menentukan pengaruh masing-masing variabel dalam bentuk linier dan kuadratik atau interaksi antar variabel maka ditentukan nilai F p-value
ProbF dalam analisis keragaman seperti yang disajikan dalam Tabel 18. Nilai
Fvalue dan p-value ProbF menunjukkan signifikasi masing-masing variabel dekstrin, pepton, dan mineral dan model yang digunakan.
Tabel 18 Analisis keragaman pada proses optimasi medium fermentasi untuk produksi siklotirosil-prolil
Sumber Jumlah
kuadrat Derajat
bebas Kuadrat
Tengah Nilai F
Nilai p
Prob F
Model 2533,49
9 281,50
49,83 0,0001
A ‐dekstrin
233,30 1
233,30 41,30
0,0001 B
‐pepton 620,13
1 620,13
109,77 0,0001
C ‐ mineral
287,79 1
287,79 50,94
0,0001 AB
37,71 1
37,71 6,68
0,0272 AC
1,85 1
1,85 0,33
0,5795 BC
5,0 1
5,70 1,01
0,3390 A
2
449,57 1
449,57 79,58
0,0001 B
2
662,88 1
662,88 117,33
0,0001 C
2
498,35 1
498,35 88,21
0,0001 Residual
56,50 10
5,65 Total
2589,98 19
R
2
= 0,98; adj R
2
= 0,96; CV= 6,8
Dari Tabel 17 18 menunjukkan bahwa konsentrasi dekstrin memberikan pengaruh linear positif dan pengaruh kuadratik negatif terhadap produktivitas
antibiotik, namun demikian pengaruh kuadratik negatif dektrin lebih besar dibandingkan dengan pengaruh linier positif, demikian juga dengan pengaruh
pepton dan pengaruh mineral. Hal yang sama terjadi pada mineral, yaitu pengaruh kuadratik negatif lebih besar dibandingkan dengan pengaruh linier positif
mineral. Pengaruh linier positif pepton memiliki nilai yang hampir sama dengan pengaruh kuadratik negatif.
Apabila dilihat dari interaksi antar variabel, interaksi antara dektrin dengan pepton terlihat nyata dengan p-valueProbF 0,0272. Interaksi ini memiliki
pengaruh positif terhadap kenaikan konsentrasi antibiotik. Dengan demikian perubahan konsentrasi masing-masing variabel ini akan saling mempengaruhi dan
menentukan konsentrasi antibiotik yang dihasilkannya. Berbeda halnya dengan interaksi antara dekstrin dengan mineral dan pepton dengan mineral yang terlihat
tidak nyata. Hasil uji kesahihan model secara statistik seperti yang disajikan dalam
Tabel 18 menunjukkan bahwa model dugaan yang dikembangkan telah sesuai dan sangat nyata. Hal ini tampak dari hasil uji p-value ProbF menunjukkan
nilai yang sangat kecil yaitu 0,0001. Sementara itu pengaruh linear dan kuadratik dari ketiga variabel yang digunakan bersifat sangat nyata p-value ProbF
0,0001, dan interaksi diantara ketiga variabel bersifat tidak nyata. Model
kuadratik yang dikembangkan memiliki nilai CV sebesar 6,8 yang menunjukkan bahwa derajat ketepatan precision dari perlakuan yang dibandingkan cukup
tinggi, yaitu semakin kecil nilai CV maka derajat ketepatan dari perlakuan yang dibandingkan semakin tinggi Montgomery 1997. Uji kenormalan galat model
Normality Test menunjukkan bahwa galat model telah terdistribusi secara normal dan saling bebas dengan keragaman yang relatif homogen Gambar 27.
Hal yang sama ditunjukkan pada Gambar 28, plot antara galat dengan urutan percobaan dan Gambar 29 plot antara galat dengan nilai dugaan. Dari kedua
gambar tersebut menunjukkan tidak ada pola tertentu yang mengindikasikan bahwa model regresi yang digunakan dapat menjelaskan data yang digunakan.
Residual N
or m
al P
rob abi
lit y
Normal Plot of Residuals
-3.12906 -1.32966
0.469733 2.26913
4.06853 1
5 10
20 30
50 70
80 90
95 99
Plot Normal Galat
Galat
Prob ab
ilitas n o
rmal
Gambar 27 Plot probabilitas normal galat model produktivitas siklotirosil-prolil
yang dihasilkan oleh isolat Streptomyces sp.A11.
Run Number Int
e rnal
ly S
tudent iz
ed R
es idu
a ls
Residuals vs. Run
-3.00 -1.50
0.00 1.50
3.00
1 4
7 10
13 16
19
Galat mod el
Galat vs urutan percobaan
Urutan percobaan
Gambar 28 Plot urutan percobaan versus galat model produktivitas siklotirosil- prolil yang dihasilkan oleh isolat Streptomyces sp.A11
Gambar 29 Plot nilai dugaan versus galat model pada produktivitas siklotirosil-
prolil yang dihasilkan oleh isolat Streptomyces sp.A11
Predicted Int
er nal
ly S
tud ent
iz ed R
es idu
a ls
Residuals vs. Predicted
-3.00 -1.50
0.00 1.50
Nilai dugaan VS Galat Model
3.00
Galat mod el
16.89 24.69
32.50 40.31
48.11
Nilai Dugaan
Hubungan antara variabel dapat digambarkan dengan menggunakan permukaan respon dan plot kontur.
a Permukaan respon hubungan antara dekstrin dengan pepton produksi antibiotik
C : mineral = 0
-1.68 -0.84
0.00 0.84
1.68
-1.68 -0.84
0.00 0.84
1.68 12.75
25.5 38.25
51
ak ti
v it
a s
an ti
biot ik
A: dekstrin B: peptone
Konsentras i antib
ioti k
A: dekstrin B: pepton
-1.68 -0.84
0.00 0.84
1.68 -1.68
-0.84 0.00
0.84 1.68
aktivitas antibiotik
A: dekstrin B:
p e
p to
n e
8.68771 8.68771
17.0156 25.3435
33.6714 41.9993
41.9993
6 6
6 6
6 6
Konsentrasi antibiotik
b
Plot kontur hubungan antara dektrin dan pepton produksi antibiotik Gambar 30 Permukaan respon dan plot kontur produksi siklotirosil-prolil
sebagai pengaruh dekstrin dan pepton.
Hubungan antara variabel dekstrin dan pepton dapat digambarkan dalam bentuk plot kontur dan permukaan respon seperti yang disajikan dalam Gambar
30. Gambar 30 menunjukkan bahwa kenaikan konsentrasi dektrin dan pepton berpengaruh nyata terhadap produksi siklotirosil-prolil, dan kenaikan
konsentrasi pepton terlihat lebih berpengaruh pada produksi siklotirosil-prolil dibandingkan dengan kenaikan konsentrasi dekstrin. Pada penambahan
konsentrasi dekstrin di atas 30 g L
-1
level 0 dan konsentrasi pepton di atas 10 g L
-1
level 0, mengakibatkan penurunan konsentrasi antibiotik. Menurunnya konsentrasi antibiotik pada penambahan konsentrasi dekstrin dan pepton level 0
dapat disebabkan oleh dua kemungkinan, pertama; terjadi hambatan oleh substrat atau disebut represi katabolit. Menurut Wang et al. 1979 beberapa sumber
nitrogen dan sumber karbon berlebih dapat menyebabkan penghambatan oleh substrat. Penghambatan oleh substrat tidak hanya diakibatkan oleh glukosa saja,
namun dapat disebabkan oleh senyawa lain seperti sumber karbon lain, sumber nitrogen maupun mineral Wang et al. 1979. Penyebab yang kedua adalah
berkurangnya transfer oksigen dalam medium karena viskositas medium meningkat dengan meningkatnya konsentrasi dektrin dan pepton. Streptomyces sp.
termasuk dalam golongan mikroba aerobik yang memerlukan oksigen untuk pertumbuhan selnya. Dengan berkurangnya transfer oksigen di dalam medium,
pertumbuhan sel menjadi kurang optimal Goodfellow et al. 1988. Apabila dihubungkan dengan model monod Vogel dan Todaro 1996 dalam kondisi
konsentrasi substrat rendah, penambahan konsentrasi substrat akan menambah laju pertumbuhan spesifik, namun pada batas tertentu konsentrasi substrat tidak
berpengaruh nyata terhadap laju pertumbuhan spesifik, sehingga laju pertumbuhan sel konstan, dan dapat terjadi penghambatan oleh substrat itu sendiri.
Pada konsentrasi dektrin dan pepton berturut-turut dibawah 30 g L
-1
dan 10 g L
-1
terjadi penurunan konsentrasi antibiotik, hal ini dapat disebabkan oleh kemampuan produksi siklotirosil-prolil yang sepenuhnya belum dipenuhi oleh
kecukupan pasokan sumber karbon dan nitrogen. Hal ini dapat dilihat dari kenaikan konsentrasi dektrin dan pepton dari titik -1,68 naik sampai dengan titik
0 yang mengakibatkan kenaikan konsentrasi siklotirosil-prolil secara terus-
menerus. Namun setelah tercapai titik optimum, kenaikan konsetrasi dektrin dan pepton tidak mengakibatkan kenaikan konsentrasi siklotirosil-prolil.
Pola pengaruh interaksi antara dektrin dan pepton cenderung menguatkan produksi siklotirosil-prolil Gambar 31. Pada konsentrasi sumber karbon
dekstrin 30 g L
-1
atau titik pusat perlakuan 0 dan perlakuan titik pusat mineral adalah 0, perubahan konsentrasi pepton sampai dengan perlakuan titik pusat 0
terlihat berpengaruh nyata terhadap kenaikan produktivitas antibiotik. Namun demikian pada perlakuan titik pusat konsentrasi sumber karbon 0, perlakuan
pepton pada +1,68 terjadi penurunan produktivitas antibiotik. Hal berbeda pada konsentrasi sumber karbon
38,4
g L
-1
atau titik pusat perlakuan +1,68, penambahan konsentrasi sumber nitrogen sampai dengan perlakuan +1,00
terlihat masih lebih tinggi konsentrasi antibiotiknya dibandingkan konsentrasi sumber nitrogen pada perlakuan titik pusat 0.
Gambar 31 Pola pengaruh dekstrin dan pepton terhadap produksi siklotirosil-
prolil. Hubungan antara variabel konsentrasi dekstrin dengan konsentrasi mineral
dalam bentuk plot kontur dan permukaan respon disajikan dalam Gambar 32.
Design-Expert® Sof tware aktiv itas antibiotik
Design Points B- -1.000
B+ 1.000 X1 = A: dekstrin
X2 = B: peptone Actual Factor
C: garam mineral = 0.00 B: peptone
-1.68 -0.84
0.00 0.84
1.68
Interaction
Interaksi
A: dekstrin ak
ti v
it as
an ti
bi ot
ik
11.2176 21.1632
31.1088 41.0544
Konsentrasi antibiotik B: pepton
51
3 3
2 2
2 3
B1,68 B0
B-1,68 B0
B0
Konsentrasi antibiotik
-1.68 -0.84
0.00 0.84
1.68
-1.68 -0.84
0.00 0.84
1.68 1
13.25 25.5
37.75 50
A: dekstrin C: garam mineral
a k
ti vi
ta s a
n ti
b io
ti k
B: pepton = 0 Konsentrasi antibioti
k
C: mineral A: dekstrin
a Permukaan respon hubungan antara dekstrin dengan mineral produksi antibiotik
-1.68 -0.84
0.00 0.84
1.68 -1.68
-0.84 0.00
0.84 1.68
aktivitas antibiotik
A: dekstrin C
: ga ra
m m
ine ra
l
Konsentrasi Antibiotik
6 6
6 6
6 6
41.2308 33.3332
25.4357 17.5382
9.64072 17.5382
b Plot kontur hubungan antara dekstrin dengan mineral produksi antibiotik
Gambar 32 Permukaan respon dan plot kontur produksi siklotirosil-prolil
sebagai pengaruh dekstrin dan mineral.
Gambar 32 terlihat bahwa penambahan konsentrasi dekstrin dan mineral dari level -1,68, terjadi kenaikan produktivitas antibiotik. Namun demikian
penambahan konsentrasi dekstrin dan mineral pada level 0 terjadi penurunan konsentrasi antibiotik. Pengaruh konsentrasi dekstrin terhadap produktivitas
antibiotik relatif sama dengan pengaruh konsentrasi mineral, tetapi interaksi antara dua variabel ini tidak nyata. Perubahan konsentrasi dekstrin terhadap
produktivitas antibiotik tidak mempengaruhi perubahan konsentrasi mineral terhadap produktivitas antibiotik, demikian juga sebaliknya. Hal yang
menyebabkan terjadinya penurunan konsentrasi siklotirosil-prolil akibat penambahan konsentrasi dekstrin dan mineral pada level 0 sampai dengan level
-1,68 diduga disebabkan oleh beberapa faktor, yaitu pertama; terjadinya penghambatan oleh substrat dekstrin, kedua; naiknya viskositas kaldu fermentasi
yang menyebabkan transfer oksigen menjadi turun, ketiga; terjadinya efek toksik oleh mineral akibat sensitifitas sel terhadap mineral pada konsentrasi tertentu.
Menurut Stanbury dan Whitaker 1987 kebutuhan mineral terhadap pertumbuhan sel mikroba tidak berlaku hubungan linier atau berbanding lurus. Pada konsentrasi
mineral yang melebihi batas toleransi sel, justru akan menghambat pertumbuhan sel. Menurut Abbas dan Edwards 1990 penambahan magnesium dan kalsium
dalam batas konsentrasi tertentu berpengaruh nyata terhadap penurunan produktivitas antibiotik actinohordin oleh Streptomyces coelicolor.
Hubungan antara variabel konsentrasi nitrogen dengan konsentrasi mineral dalam bentuk plot kontur dan permukaan respon disajikan dalam Gambar 33.
Gambar 33 menunjukkan bahwa penambahan konsentrasi pepton dan mineral pada level -1,68 sampai dengan 0 terjadi kenaikan produktivitas antibiotik.
Namun penambahan konsentrasi pepton dan mineral pada level 0 sampai dengan level 1,68 terjadi penurunan produktivitas antibiotik. Penurunan produktivitas
antibiotik pada konsentrasi pepton dan mineral tinggi dapat diakibatkan oleh hambatan oleh subtrat atau efek toksik dari mineral. Pengaruh kenaikan
konsentrasi antibiotik lebih banyak dipengaruhi oleh konsentrasi nitrogen dibandingkan dengan konsentrasi mineral, dan interaksi antara dua variabel ini
relatif tidak nyata, atau perubahan konsentrasi nitrogen terhadap konsentrasi
antibiotik tidak mempengaruhi perubahan konsentrasi mineral terhadap konsentrasi antibiotik, demikian juga sebaliknya.
-1.68 -0.84
0.00 0.84
1.68
-1.68 -0.84
0.00 0.84
1.68 -5
9 23
37 51
a k
ti v
ita s
a n
ti b
io ti
k
B: peptone C: garam mineral
A: dekstrin = 0 Kon
sen trasi antib
io tik
B : Pepton
C: mineral B: pepton
a Permukaan respon hubungan antara pepton dengan mineral produksi antibiotik
-1.68 -0.84
0.00 0.84
1.68 -1.68
-0.84 0.00
0.84 1.68
aktivitas antibiotik
B: peptone C
: ga ram
m iner
al
4.20041 13.3893
22.5781
22.5781 31.767
40.9559 40.9559
6 6
6 6
6 6
Konsentrasi antibiotik
B: Pepton
b Plot kontur hubungan antara pepton dengan mineral produksi antibiotik Gambar 33 Permukaan respon dan plot kontur produksi siklotirosil-prolil
sebagai pengaruh pepton dan mineral.