KARYA TULIS ILMIAH EKSPLORASI ENZIM XILA

KARYA TULIS ILMIAH
EKSPLORASI ENZIM XILANASE SEBAGAI AGEN BIOBLEACHING
PADA INDUSTRI KERTAS

Oleh :
Alifia Rimadhani Yuwono
NIM. 35.2014.7.1.0948

Program Studi Farmasi
Fakultas Ilmu Kesehatan UNIDA Gontor
2015

DAFTAR ISI
Enzim Xilanase
a. Pengertian (3)
b. Rumus Kimia (3-4)
c. Karakteristik (4-5)
d. Reaksi Biokimia (5-6)
e. Tempat sintesis enzim (6-7)
f. Mikroorganisme penghasil enzim (7-9)
g. Proses pemanfaatan enzim xilanase sebagai agen biobleaching pada

industri kertas (9-14)

Daftar Pustaka

ENZIM XILANASE
a. Pengertian
Xilanase merupakan enzim yang mampu memutuskan ikatan pada rantai
utama xilan yang akan membentuk molekul oligosakarida pendek1. Enzim inilah
yang memegang peranan kunci dalam mendegradasi polimer xilan yang banyak
ditemukan pada dinding sel tanaman berkayu. Enzim xilanase merupakan
biokatalis reaksi hidrolisis xilan (hemiselulosa) menjadi gula pereduksi. Enzim
xilanase dapat dihasilkan oleh sejumlah mikroorganisme seperti: A. niger,
Bacillus, Cryptococcus, Penicillium, Aureo-basidium, Fusarium, Rhizomucor,
Humicola. Semua mikroorganisme memerlukan media yang mengandung sumber
karbon untuk pertumbuhannya. Mikroorganisme penghasil xilanase memerlukan
xilan sebagai sumber karbon.2
 Xilan merupakan komponen utama dari hemiselulosa pada dinding sel
tumbuhan yang terikat pada selulosa, pektin, lignin dan polisakarida
lainnya untuk membentuk dinding sel.
Jumlah xilan di berbagai macam kayu bervariasi tergantung dari jenis

kayunya dan bisa mencapai lebih dari 20% (Fengel dan Wegener, 1984).
Komponen xilan juga melimpah pada limbah-limbah pertanian seperti dedak padi,
dedak gandum, dan jerami padi. Karena jumlah xilan di alam sangat besar dimana
merupakan jumlah terbesar kedua setelah selulosa (Subramaniyan dan Prema,
2002), maka xilan merupakan kandidat yang sangat menjanjikan untuk dikonversi
menjadi etanol yang merupakan bahan baku energi yang dapat diperbarui.
b. Rumus Kimia
Enzim-enzim pendegradasi xilan disebut enzim xilanolitik atau enzim
xilanase. Macam-macam enzim xilanase antara lain: enzim ekso dan endo-βxilanase
1

(EC.3.2.1.8),

enzim

β-xilosidase

(EC.3.2.1.37),

enzim

α-L-

Anonim, 2015,”Xilanase”, http://www.wikipedia.org, pada tanggal 19 September 2015

pukul 22.35
2

Richana, Nur. , (2002),”Produksi dan Prospek Enzim Xilanase dalam Pengembangan

Bioindustri
pukul 23.15

di Indonesia”, Buletin AgroBio 5(1), pp. 29-36, diakses tanggal 19 September 2015

arabinofuranosidase (EC.3.2.1.55). Enzim endo-β-xilanase mampu memutus
ikatan β-1,4 pada bagian rantai utama xilan melalui bagian dalam rantai xilosa
menghasilkan xilooligosakarida. Enzim exo-xilanase meotong rantai xilosa dari
luar rantai panjang menghasilkan produk utama xilosa dan xilooligosakarida
rantai pendek. Enzim β-xilosidase memotong xilooligosakarida rantai pendek

menjadi xilosa. Enzim α-L-arabinofuranosidase memotong ikatan α-1,3
arabinofuranosidik pada rantai samping polimer xilan.3

c. Karakteristik
Karakteristik xilanase terdiri dari: 4
 pH dan suhu (9 dan 50oC)
 Km dan Vmaks nilai 6 mg.ml – 1 dan 0,2 mol.menit – 1, masingmasing.
 Fe2+ adalah activetor terkuat
 Mg2+ adalah aktivitas inhibitor terkuat
3

Deng. P., Li. D. Cao. Y., Lu. W., Wang. C. 2006. “Cloning of a gene encoding an

acidophilic endo-1,4-xylanase obtained from Aspergillus niger CGMCC1067 and constitutive
expression in Pichia pastori”s.emt. 39;1096-1102, diakses tanggal 20 September 2015 pukul 14.00
4

Richana, Nur., Tun T. Irawadi, Anwar Nur, Khaswa Syamsu,(2006) “Isolasi Identifikasi

Bakteri Penghasil Xilanae Serta Karakterisasi Enzimnya” Jurnal AgroBiogen 4(1):24-34, diakses

tanggal 20 September 2015 pukul 14.55

 Enzim ini terdeteksi sebagai sebagai xilanase selulosa bebas
 Enzim xylanase adalah bagian dari enzim hidrolase yang berperan
dalam proses hidrolisis
d. Reaksi Biokimia
Aplikasi Enzim Xilanase di Industri Kertas 5
Industri kertas menggunakan bahan baku pulp untuk memproduksi kertaskertas yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Bahan baku pembuatan pulp
berasal dari tumbuhan masih mengandung lignin dan hemiselulosa, sehingga
diperlukan tahapan untuk menghilangkan lignin yang ada pada bahan baku pulp
dengan menggunakan proses kraft. Pulp yang telah melalui proses kraft masih
menunjukkan karakteristik yang berwarna kecoklatan yang disebabkan oleh
adanya residu lignin dan turunannya, sehingga diperlukan tahapan berikutnya
yaitu proses bleaching menggunakan agen klorin. Agen klorin ini lah yang tidak
bersahabat dengan lingkungan dan menambah biaya produksi pulp karena
pengolahan limbah yang cukup rumit.
Alternatif dalam pengolahan pulp dapat menggunakan bahan biologis yaitu
biokatalisator berupa enzim xilanase. Penggunaan enzim xilanase dalam proses
kraft diperlukan karakteristik yang tertentu untuk menyesuaikan dengan proses
kraft dimana proses kraft ini berlangsung pada pH dan suhu tinggi (Gambar 1).

Jika enzim xilanase yang digunakan dalam proses kraft tidak memiliki stabilitas
yang tinggi terhadap pH dan suhu tinggi, maka penggunaan enzim xilanase di
industri kertas tidak dapat dilakukan secara efektif, karena jika pH dan suhu dalam
proses kraft disesuaikan dengan pH dan suhu optimum enzim maka proses kraft
tidak berjalan maksimal.
Gambar 1. Diagram penggunaan enzim xilanase dalam proses kraft

5

Cannio. R., Prizito. N. D., Rossi. M., Morana. A. 2004. “A xylan-degrading strain of

sulfolobus solfataricus: isolation and characterization of the xylanase activity”. Extremophile. 8:
117-124, diakses tanggal 19 September 2015 pukul 15.15

Hasil pengolahan pulp dengan proses kraft (kimia) menghasilkan pulp yang
berwarna kecoklatan yang disebakan oleh lignin dan turunan lignin yang masih
berikatan dengan hemiselulosa (kompoen utamanya adalah xilan). Untuk
mendapatkan kertas dengan derajat keputihan maka diperlukan proses bleaching.
Enzim xilanase berperan dalam proses bleaching, karena enzim xilanase dapat
memotong ikatan tertentu pada xilan. Xilan merupakan penyusun utama pada

hemiselulosa sehingga dengan menghidrolisis xilan maka lignin dapat terlepas
dari selulosa yang berikatan melalui hemiselulosa (Gambar 2).

e. Tempat Sintesis
Sintesis enzim xilanase berada di dalam mikroba-mikroba. Beberapa
mikroorganisme telah berhasil diisolasi untuk menjadi sumber penghasil enzim
xilanase. Enzim xilanase dari berbagai jenis mikroorganisme meliputi eukariot,
archaea dan prokariot memiliki karakter masing-masing pada suhu dan pH
tertentu. Oleh karena itu, tujuan eksplorasi enzim xilanase untuk aplikasi proses
biobleaching pada pulp perlu dipilih target mikroorganisme penghasil enzim

xilanase yang tepat. Hasil studi penelusuran literatur menunjukkan bahwa adanya
kecenderungan motif yang bervariasi dari setiap jenis mikroorganisme.
Pada kelompok eukariot yaitu bakteri, menunjukkan bahwa dapat diperoleh
enzim xilanase dengan pH optimum dan temperatur optimum yang bervariasi
meliputi enzim xilanase termofilik alkalifilik. Selain itu, pada kelompok bakteri
juga menunjukkan alkali-termostabil dari ke 4 isolat tersebut. Lain halnya dengan
kelompok prokariot, kelompok prokariot ini menunjukkan sifat enzim yang lebih
kearah meso-termofilik dan acido-alkalifilik jika mengamati pada stabilitas pH.
Akan tetapi, archaea lebih menunjukkan kearah ektrimofilik yaitu pada suhu 80105οC. Sehingga jika proses kraft berlangsung pada suhu dan pH yang tinggi,

maka diperlukan enzim yang bersifat ekstrim karena lebih mempunyai stabilitas
yang tinggi dibandingkan dengan yang lain. Akan tetapi dari kelompok archaea
yang ada pada tabel tidak didapatkan data tentang stabilitas pH, sehingga hal ini
perlu dipertimbangkan.
f.

Mikroorganisme penghasil enzim
Variasi Karakakteristik Enzim Xilanase dari Berbagai Mikroorganisme
(Bakteri)6
Optimum
Var

Nama Isolat
Actinomadur

Kondisi
pH
Suhu

Enzim

pH
Suhu

a sp.S14

05-

et al.,

55οC

6.0

80οC
70-

Nov
05-

80οC(60 menit)

2011
Mamo et

halorudans
Paenibacillus

–

37οC

9.0

75οC

Okt
05-

60 (4 jam)

al., 2009
Ko et al.,

sp. 2s-6
Streptomyces

7

37οC

6.0

50οC

Agu

55οC(4 jam)

2011

sp.S27
Termococus

04–
7.0

–
75οC

6.5
6.5

65οC
80οC

Des
–

zilligii
6

Referensi
Sriyapai

7.0
Bacillus

Eu
Arc

Stabilitas Enzim
pH
Suhu

Richana, Nur, Tun T. Irawadi, Anwar Nur, Khaswa Syamsu, Loc.cit., hlm. 4

Li et al.,
60οC (30menit)
100οC (8 menit)

2009
Uhl and
Daniel,

1995
Sulfolobus
solfataricus

Cannio et
–

80οC

7.0

90οC

–

100οC (45menit)

Pyrodictium
abyssi

et al.,
5.5

97οC

6.0

95οC

–

105οC(>100mnt)

2001
Fengxia et

5.0

28οC

5.0

45οC

–

–

al., 2007
Lee et al.,

sulphureus
Aspergillus

–

30οC

3.0

80οC

–
4-9

60-70οC, 4 jam

2009
Taneja et

nidulans
Aspergillus

10

37οC

8.0

55οC

(1)

–

al., 2002

5.0

ο

Aspergillus
ficuum AF-98
Laetiporus

niger
Pro

02-

CGMCC1067

–

–

40 C

Deng et

Agu

–

Variasi Karakakteristik Enzim Xilanase dari Berbagai
Mikroorganisme (Jamur)7
Mikroorganisme

Suhu

tumbuh Suhu

optimum pH

(oC)

(oC)

Aspergillus sp.
Aureobasidium sp.
Bipolaris sorokinana
Criptococcus flavus
Fusarium oxysporium
Gloeophyllum trabeum
Humicola grisea
Myrothecium

24-30
28
28
20
26
22
40
30

45-60
45-54
70
55
50
80
70
45

4,5-6
4,5-4,8
5,5
4,5
5,0
4,0
5,5
5,5

verrucaria
Neurospora crassa
Penicillium sp.
Trichoderma sp.

28
25
25-30

50
40
50-60

4,8
6,0
3,5-6,5

Jamur

7

al., 2004
Carolina

Richana, Nur., Loc.cit., hlm.3

al., 2008

Dari hasil analisis diatas, dapat diketahui bahwa eksplorasi enzim xilanase
dari mikroorganisme archaea memberikan potensi yang lebih pada termostabilitas
enzim bila dibandingkan dengan enzim xilanase dari bakteri dan jamur. Hal ini
dapat dilihat bahwa adanya kesesuaian antara temperatur habitat asli dari
mikroorganisme dan temperatur enzim yang dihasilkan. Enzim yang dihasilkan
oleh jamur lebih banyak pada daerah mesofil yaitu15-45 οC, sedangkan bakteri
menunjukkan habitatnya mesofil-termofil. Tetapi selain mesofil dan termofil,
bakteri juga dapat ditemukan didaerah psikrofil-hipertermofil.
Jadi dapat disimpulkan bahwa kriteria ideal yang dibutuhkan untuk aktivitas
enzimatik optimum yaitu pada mikroorganisme yang bersifat termostabil dan
tahan pada pH alkali. Oleh karena itu, masih diperlukan upaya untuk mencari
galur mikroba unggul yang tahan pada pH dan suhu tinggi (alkalofilk, termofilik),
atau setidaknya tahan pada pH tinggi.
g.

Proses pemanfaatan enzim xilanase sebagai agen biobleaching pada
industri kertas
 Kertas8
Kertas adalah bahan yang tipis dan rata, yang dihasikan dengan kompresi

serat yang berasal dari pulp. Serat yang digunakan biasanya adalah alami, dan
mengandung selulosa dan hemiselulosa.
Kertas dikenal sebagai media utama untuk menulis, mencetak serta melukis.
kegunaan kertas anatara lain :
a.

Melambangkan nilai , contohnya uang kertas, cek, voucher, tiket.

b.

Menyimpan informasi, contohnya buku, buku catatan, majalah, koran
dll.

c.

Sebagai pembungkus, contohnya kertas pembungkus, amplop dan
wallpaper

d.

8

Untuk membersihkan, contohnya kertas toilet, tissu, tissu wajah.

Anonim, (2009), “Kertas”, http://www.wikipedia.org, diakses tanggal 20 September 2015

pukul 14.50

Tebal kertas berkisar antara 0,07-0.18 milimeter. Densitas kertas
berbeda-beda tergantung pada jenis kertasnya. Untuk tissu 250 kg/m3
(16 lb/ft3) , untuj kertas khusus 1500 kg/m3 (94 lb/ft3) dan untuk kertas
print sekitar 800 kg/m3 (50 lb/ft3)
Proses Pembuatan Kertas
Pembuatan kertas diawali dengan membuat pulp (bubur kertas). Pulp adalah
hasil pemisahan serat dari bahan baku berserat (kayu maupun non kayu)melalui
berbagai proses pembuatannya ( mekanis, semikimia, kimia). Pulp terdiri dari
serat – serat(selulosa dan hemiselulosa)sebagai bahan baku kertas.9
Pembuatan pulp dapat dilakukan dengan menggunakan tiga cara yaitu:
a. Proses Mekanis
Prinsip pembuatan pulp secara mekanis yakni dengan pengikisan dengan
menggunakan alat seperti gerinda. Proses mekanis yang biasa dikenal
diantaranya PGW (Pine Groundwood), SGW (Semi Groundwood).
b. Proses Kimia
proses pembuatan pulp dengan proses kimia dikenal dengan sebutan
proses kraft. Disebut kraft karena pulp yang dihasilkan dari proses ini
memiliki kekuatan lebih tinggi daripada proses mekanis dan semikimia, akan
tetapi rendemen yang dihasilkan lebih kecil diantara keduanya karena
komponen yang terdegradasi lebih banyak.
c. Proses Semikimia
Proses semi kimia merupakan kombinasi antara mekanis dan kimia. Yang
termasuk ke dalam proses ini diantaranya CTMP (Chemi Thermo Mechanical
Pulping) dengan memanfaatkan suhu untuk mendegradasi lignin sehingga
diperoleh pulp yang memiliki rendemen yang lebih rendah dengan kualitas
yang lebih baik daripada pulp dengan proses mekanis.
Pulp (bubur kertas) kemudian di bleaching agar warnanya menjadi
putih.terkadang ke dalam pulp ditambahkan zat aditif (filler) seperti kapur, china

9

Anonim, (2008), “Pulp”, http://www.wikipedia.org, diakses tanggal 21 September 2015

pukul 15.00

clay untuk meningkatkan kualitas kertas yang dihasilkan. Pulp kemudian dicetak
menjadi lembaran kertas. Air dalam lembaran kertas tersebut harus dihilangkan
dengan menggunakan tekanan atau dikeringkan dengan menggunakan proses
drying
Proses Bleaching (Pemutihan)10
Berikut ini adalah diagram alir proses pembuatan kertas :
Bahan baku kayu pembuat kertas setelah melalui proses digester dan
pencucian, sebenarnya masih dalam keadaan kotor (derajat putihnya rendah).
Untuk menghasilkan kertas yang bermutu tinggi perlu dilakukan proses
pemutihan. Berikut ini beberapa bahan kimia yang digunakan sebagai pemutih :
Bahan Kimia
Rumus
Klor
Cl+
Natrium Hidroksida
NaOH
Natrium Hipoklorit
NaOCl
Klor Dioksida
ClO2
Hidrogen Peroksida
H2O2
Oksigen
O2
Ozon
O3
Proses pemutihan bertujuan untuk menghilangkan lignin, hemiselulosa
penyebab warna coklat dan zat ekstraktif yang dikandung dari hasil pencucian dan
penyaringan. Proses pemutihan biasanya dilakukan bertahap, karena mempunyai
kelebihan di antaranya adalah nilai derajat putihnya tinggi. Proses bertahap ini
terdiri atas tahap:
1.

khlorinasi,

2.

ekstraksi, dan

3.

penambahan khlorin dioksida.

Sampai awal tahun 90-an khlor (Cl+) masih digunakan sebagai pemutih dalam
industri kertas dan pulp.Hal ini karena


klor bersifat reaktif dalam reaksi pemutihan (bleaching)



efektif



harga relatif murah

10

Anonim,

(2008),”Proses

Bleaching”,

http://www.akademiteknologipulpdankertas.blogspot.com, diakses tanggal 21 September 2015
pukul 15.30



menghasilkan pulp dengan sifat fisik dan derajat putih tinggi

Penggunaan klor pada pemutihan pulp dikurangi karena menimbulkan
persoalan lingkungan yang sangat serius dan menjadi titik permasalahan yang
dihadapi oleh industri pulp dan kertas.Dampak negatif yang ditimbulkannya
adalah pada buangannya yang berupa senyawa klor-organik. Senyawa organik
terklorinasi yang paling beracun yaitu 2,3,7,8 Tetra Chloro Dibenzo-p-Dioxin
(2,3,7,8 TCDD), dan 2,3,7,8 Tetra Chloro Dibenzo Furan (2,3,7,8 TCDF).

Aplikasi Enzim Xilanase Pada Proses Pemutihan Kertas11
Khlorin adalah bahan beracun, sehingga khlorin sisa proses yang dibuang ke
perairan sungai akan membuat polusi yang tinggi. Penggantian penggunaan
khlorin untuk pemutihan kertas telah memberikan peluang untuk aplikasi
bioteknologi. Penggunaan biokatalis atau enzim terbukti mampu menurunkan
kadar polutan pada limbah industri. Ini menjadikan industri bisa menghemat biaya
pengelolaan limbah dan menekan tingkat pencemaran.
Xilanase merupakan enzim yang pertama kali dilaporkan untuk pemutihan
kertas dan sekarang telah digunakan pada beberapa pabrik kertas. Penggunaan
xilanase merupakan salah satu alternatif untuk mengurangi dampak yang
11

Syamsudin, Sri Purwati, Andri Taufick R., (2008), “Efektivitas Aplikasi Enzim dalam

Sistem Lumpur Aktif Pada Pengolahan Air Limbah Pulp dan Kertas”, Berita Selulosa., 43 (2), pp.
83-92.diakses tanggal 20 September pukul 23.15

ditimbulkan oleh penggunaan khlor dalam proses pemutihan pulp kraft. Xilanase
dapat menghemat khlor/khlor dioksida dan mengurangi beban air limbah
pemutihan. Dalam proses pemutihan pulp, xilanase berfungsi sebagai fasilitator
proses pemutihan, artinya enzim tersebut tidak memutihkan tetapi mempermudah
proses pemutihan dengan jalan memodifikasi struktur serat sehingga mudah
dimasuki oleh bahan kimia pemutih.Xilanase merupakan suatu enzim yang dapat
menghidrolisa ikatan xilose-xilose dalam rantai xilan
Mekanisme Xilanase dalam Pemutihan Pulp Kraft12
Dalam proses pemutihan pulp, xylanase berfungsi sebagai fasilitasator
proses pemutihan, artinya enzim tersebut tidak memutihkan tetapi mempermudah
proses pemutihan dengan jalan memodifikasi struktur serat sehingga mudah
dimasuki oleh bahan kimia pemutih
Aksi xilanase dalam proses pemutihan yaitu memecahkan ikatan xilosexilose dalam rantai xilan sehingga mengakibatkan pecahnya ikatan antara sisa
lignin dengan karbohidrat. Dengan kejadian tersebut, ikatan kompleks ligninkarbohidrat (ikatan-ikatan xilan pada sisi lignin) yang sulit dihilangkan karena
ukurannya yang sangat kecil dan tersebar merata pada hemiselulosa, mudah untuk
dihilangkan pada tahapan pemutihan selanjutnya. Selain itu xilanase berperan
dalam mengatasi pengendapan kembali xilan pada permukaan serat. Pengendapan
kembali xilan ini terjadi setelah pemasakan proses kraft. Xilan yang mengendap
kembali tersebut melindungi sisa lignin dari bahan kimia pemutih pada proses
pemutihan.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, 2015,”Xilanase”, www.wikipedia.org
Richana, Nur. , (2002),”Produksi dan Prospek Enzim Xilanase dalam
Pengembangan Bioindustri

di Indonesia”, Buletin AgroBio 5(1), pp. 29-

36.

12

Richana, Nur. , (2002),”Produksi dan Prospek Enzim Xilanase dalam Pengembangan

Bioindustri di Indonesia”, Buletin AgroBio 5(1), pp. 29-36, diakses tanggal 21 September 2015
pukul 14.30

Deng. P., Li. D. Cao. Y., Lu. W., Wang. C. 2006. “Cloning of a gene encoding an
acidophilic

endo-1,4-xylanase

obtained

from

Aspergillus

niger

CGMCC1067 and constitutive expression in Pichia pastoris”.emt. 39;10961102.
Richana Nur, Tun T. Irawadi, Anwar Nur, Khaswa Syamsu,(2006) “Isolasi
Identifikasi Bakteri Penghasil Xilanae Serta Karakterisasi Enzimnya”
Jurnal AgroBiogen 4(1):24-34.
Cannio. R., Prizito. N. D., Rossi. M., Morana. A. 2004. “A xylan-degrading strain
of sulfolobus solfataricus: isolation and characterization of the xylanase
activity”. Extremophile. 8: 117-124.
Anonim, (2009), “Kertas”, http://www.wikipedia.org
Anonim,(2008),”ProsesBleaching”,http://
www.akademiteknologipulpdankertas.blogspot.com
Syamsudin, Sri Purwati, Andri Taufick R., (2008), “Evektivitas Aplikasi Enzim
dalam Sistem Lumpur Aktif Pada Pengolahan Air Limbah Pulp dan Kertas”,
Berita Selulosa., 43 (2), pp. 83-92.