BIOSINTESIS BIOPOLIMER POLI(3- HIDROKSIBUTIRAT) DARI BAHAN DASAR TEPUNG UBI JALAR MENGGUNAKAN BAKTERI Bacillus cereus FAAC 21005.
BIOSINTESIS BIOPOLIMER POLI(3HIDROKSIBUTIRAT) DARI BAHAN
DASAR TEPUNG UBI JALAR
MENGGUNAKAN BAKTERI Bacillus
cereus FAAC 21005
SKRIPSI SARJANA FARMASI
Oleh:
RAHIMATUL UTHIA
NO. BP 07 131 070
FAKULTAS FARMASI
UNIVERSITAS ANDALAS
2012
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR
i
ABSTRAK
iii
DAFTAR ISI
v
DAFTAR TABEL
ix
DAFTAR GAMBAR
x
I.
1
PENDAHULUAN
TINJAUAN
II.
PUSTAKA
4
2.1 Tanaman Ubi Jalar (Ipomea batatas L)
4
2.1.1
Klasifikasi
4
2.1.2
Morfologi
5
2.1.3
Ipomea batatas L
5
2.1.4
Tepung Ubi Jalar
7
2.2 Karbohidrat
8
2.2.1
Pati
10
2.2.2
Glukosa
12
2.3 Bakteri
13
2.3.1
Fase Pertumbuhan Bakteri
14
2.3.2
Bakteri Penghasil Biopolimer P(3HB)
17
2.3.2.1
2.3.2.2
Klasifikasi Bakteri Penghasil
Biopolimer
17
Identifikasi Bakteri B. cereus
18
2.4 Fermentasi
21
2.4.1
Defenisi Fermentasi
21
2.4.2
Tipe - Tpe Fermentasi
22
2.4.2.1
Fermentasi untuk
Memproduksi Biomassa
2.4.2.2
22
Fermentasi untuk
Memproduksi Enzim
22
2.4.2.3
Fermentasi untuk
Memproduksi Metabolit
2.4.2.4
22
Fermentasi untuk
Memproduksi Senyawa
23
2.5 Biopolimer
23
2.5.1
Definisi Biopolimer
23
2.5.2
Poli(3-hidroksialkanoat) / P(3HA)
23
2.5.3
Poli(3-hidroksibutirat) / P(3HB)
26
2.5.3.1
Sejarah Penemuan P(3HB)
26
2.5.3.2
Sifat Fisika dan Kimia
P(3HB)
26
2.5.3.3
Granul P(3HB)
27
2.5.3.4
Biosintesis P(3HB)
27
2.5.3.5
Biodegradasi P(3HB)
28
2.5.3.6
Peranan P(3HB) di
Lingkungan
2.5.3.7
Biodegradasi P(3HB) di
Lingkungan
2.5.4
28
Prospek Biopolimer
III. PELAKSANAAN PENELITIAN
29
30
31
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
31
3.2 Metode Penelitian
31
3.2.1
Alat
31
3.2.2
Bahan
31
3.3 Prosedur Kerja
32
3.3.1
Sterilisasi
32
3.3.2
Penyiapan Medium Perbenihan
32
3.3.3
Pembuatan Medium Agar Miring
33
3.3.4
Peremajaan Isolat Bakteri B. cereus
FAAC 21005
33
3.3.5
Penyiapan Sampel
34
3.3.6
Identifikasi Bakteri B. cereus FAAC
21005
35
3.3.7
Penyiapan Medium Pertumbuhan
Bakteri Penghasil Biopolimer P(3HB)
3.3.8
Penyiapan Suspensi Bakteri B. cereus
FAAC 21005
3.3.9
38
Pembuatan Inokulum Bakteri B. cereus
FAAC 21005
3.3.10
36
38
Pengkulturan Bakteri B. cereus FAAC
21005 pada Variasi Konsentrasi
Inokulum Bakteri untuk Mendapatkan
Biomassa Tertinggi
3.3.11
39
Pengkulturan Bakteri B. cereus FAAC
21005 pada Variasi Konsentrasi
Sumber Karbon untuk Mendapatkan
Biomassa Tertinggi
3.3.12
40
Pengkulturan Bakteri B. cereus FAAC
21005 pada Variasi Waktu untuk
Mendapatkan Biomassa Tertinggi
3.3.13
40
Proses Peisahan Biomassa dan
Supernatan
40
3.3.14
Pemeriksaan pH Supernatan
41
3.3.15
Penetapan Berat Kering Sel Bakteri
41
3.3.16
Penentuan Kandungan P(3HB) di
3.3.17
Dalam Sel
41
Analisis Data
42
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
43
4.1 Hasil
43
4.2 Pembahasan
44
KESIMPULAN DAN SARAN
52
5.1 Kesimpulan
52
5.2 Saran
52
DAFTAR PUSTAKA
53
LAMPIRAN
58
V.
I. PENDAHULUAN
Istilah polimer digunakan untuk menggambarkan bentuk molekul raksasa atau rantai
yang sangat panjang yang terdiri atas unit-unit terkecil yang berulang atau mer atau meros
sebagai blok-blok penyusunnya. Molekul-molekul (tunggal) penyusun polimer disebut
monomer (Saptono, 2008).
Salah satu polimer yang banyak digunakan adalah plastik. Bahan mentah pembuatan
plastik ini adalah petroleum yang merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui,
sehingga semakin lama jumlahnya akan semakin berkurang dan tidak dapat digunakan terus
menerus dalam jangka waktu yang lama (Djamaan, 2000). Penggunaan plastik yang tidak
terkontrol saat ini telah banyak menyebabkan terjadinya pencemaran lingkungan. Diperkirakan
sebanyak 25 juta ton limbah plastik sintetis telah dibuang ke lingkungan setiap tahunnya di
dunia (Lee, 1996). Ribuan ton sampah plastik dibuang ke laut yang mengakibatkan lebih dari
satu juta hewan laut mati karena terjerat komponen plastik yang tenggelam maupun terapung
di permukaan laut (Doi, 1990). Untuk mengatasi masalah tersebut telah dilakukan pengkajian
untuk menghasilkan plastik yang ramah lingkungan yang mudah terurai (biodegradable) serta
dihasilkan dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui (Djamaan, 2000).
Polimer poli (3-Hidroksialkanoat) misalnya, adalah salah satu contoh polimer ramah
lingkungan. Polimer ini dapat diuraikan secara alamiah oleh mikroorganisme seperti : bakteri,
jamur dan alga. Polimer yang seperti ini biasa disebut dengan istilah biopolimer. Biopolimer
digunakan sebagai bahan kimia, bahan pertanian, penyalut bahan obat yang memungkinkan
terkendalinya pelepasan obat dan juga untuk aplikasi medis seperti benang jahitan bedah,
contohnya poli (3-Hidroksibutirat) atau P(3HB) (Djamaan, 2004).
Biopolimer diproduksi oleh bakteri penghasil biopolimer pada saat lingkungannya
kekurangan nitrogen, fosfat, magnesium dan oksigen dengan kelebihan sumber karbon.
Sumber karbon dapat diperoleh dari tumbuhan yang engandung karbohidrat (sumber C), salah
satunya ubi jalar. Selain itu pernah diteliti pada penelitian-penelitian terdahulu telah digunakan
minyak kelapa sawit, limbah cair pabrik pengolahan kelapa sawit, jerami padi, glukosa, asam
oleat, ampas pabrik tapioka, dan gula pasir sebagai sumber karbon untuk memproduksi
biopolimer (Djamaan, 2011).
Ubi jalar merupakan sumber karbohidrat ke empat setelah beras, jagung dan ubi kayu
(Herawati dan Widowati, 2009). Produksi ubi jalar yang cukup besar tidak sebanding dengan
pemanfaatannya. Umbi ini memiliki kandungan karbohidrat (sumber atom C) yang cukup
tinggi. Kandungan tersebut dapat dimanfaatkan dalam bentuk tepung sebagai substrat pada
fermentasi yang menghasilkan biopolimer poli(3-hidroksibutirat). Selama ini untuk produksi
P(3HB) digunakan glukosa dan minyak tumbuhan. Namun karena biaya produksi
menggunakan glukosa dan minyak tumbuhan relatif tinggi, perlu dicari sumber lain yang lebih
murah.
Dari literatur diketahui pada 100 gram ubi jalar mengandung 32,3 g karbohidrat/pati;
0,4 g lemak; 1,1 g protein; 0,7 g serat; 68,5 g air; 57mg kalium; 52 mg fosfor; 52 mg Na; 393
mg kalsium; 900 IU vitamin A; 0,1 mg vitamin B1; 0,04 mg vitamin B2; 35 mg vitamin C.
Dimana dari kandungan karbohiddrat/pati tersebut terdapat amilosa sebanyak 37 % sedangkan
sisanya adalah amilopektin sebanya 63 % (Depkes RI, 2002).
Berdasarkan uraian di atas, maka dilakukan penelitian untuk melihat kemungkinan
pemanfaatan tepung ubi jalar sebagai substrat fermentasi biopolimer P(3HB). Pada penelitian
ini diamati hubungan berbagai konsentrasi inokulum Bacillus cereus FAAC 21005 dan tepung
ubi jalar terhadap pertumbuhan sel bakteri. Dari penelitian terdahulu bakteri ini telah terbukti
dapat menghasilkan P(3HB) dari sumber karbon lain, yaitu glukosa (Majid et. al., 1997) dan
minyak kelapa sawit (Djamaan et. al., 1998).
ABSTRAK
Telah diteliti proses biosintesis senyawa biopolimer poli(3-hidroksibutirat), P(3HB)
dari bahan dasar tepung ubi jalar (Ipomea batatas) menggunakan bakteri Bacillus cereus
FAAC 21005. Proses biosintesis dilakukan pada suhu 30° C, pH 7 dan agitasi 120 rpm
menggunakan bioreaktor dengan kapasitas 250 mL. Diamati pengaruh variasi konsentrasi
inokulum bakteri, sumber karbon dan waktu fermentasi. Cairan hasil fermentasi selanjutnya
disentrifugasi dengan kecepatan 3.000 rpm dan biomasanya dikeringkan sampai berat konstan.
Kandungan P(3HB) yang terbentuk di dalam sel ditentukan dengan metode kromatografi gas
menggunakan kolom 5-phenyl methyl xyloxan, dengan fasa gerak helium dan detektor Flame
Ionization Detector. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kondisi optimum dicapai pada
konsentrasi inokulum 5 % v/v, tepung ubi jalar 2,5 g/100ml, lama fermentasi 54 jam, dengan
kandungan P(3HB) sebesar 48,05 % b/b.
Kata kunci : biosintesis biopolimer P(3HB), ubi jalar, Bacillus cereus
DASAR TEPUNG UBI JALAR
MENGGUNAKAN BAKTERI Bacillus
cereus FAAC 21005
SKRIPSI SARJANA FARMASI
Oleh:
RAHIMATUL UTHIA
NO. BP 07 131 070
FAKULTAS FARMASI
UNIVERSITAS ANDALAS
2012
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR
i
ABSTRAK
iii
DAFTAR ISI
v
DAFTAR TABEL
ix
DAFTAR GAMBAR
x
I.
1
PENDAHULUAN
TINJAUAN
II.
PUSTAKA
4
2.1 Tanaman Ubi Jalar (Ipomea batatas L)
4
2.1.1
Klasifikasi
4
2.1.2
Morfologi
5
2.1.3
Ipomea batatas L
5
2.1.4
Tepung Ubi Jalar
7
2.2 Karbohidrat
8
2.2.1
Pati
10
2.2.2
Glukosa
12
2.3 Bakteri
13
2.3.1
Fase Pertumbuhan Bakteri
14
2.3.2
Bakteri Penghasil Biopolimer P(3HB)
17
2.3.2.1
2.3.2.2
Klasifikasi Bakteri Penghasil
Biopolimer
17
Identifikasi Bakteri B. cereus
18
2.4 Fermentasi
21
2.4.1
Defenisi Fermentasi
21
2.4.2
Tipe - Tpe Fermentasi
22
2.4.2.1
Fermentasi untuk
Memproduksi Biomassa
2.4.2.2
22
Fermentasi untuk
Memproduksi Enzim
22
2.4.2.3
Fermentasi untuk
Memproduksi Metabolit
2.4.2.4
22
Fermentasi untuk
Memproduksi Senyawa
23
2.5 Biopolimer
23
2.5.1
Definisi Biopolimer
23
2.5.2
Poli(3-hidroksialkanoat) / P(3HA)
23
2.5.3
Poli(3-hidroksibutirat) / P(3HB)
26
2.5.3.1
Sejarah Penemuan P(3HB)
26
2.5.3.2
Sifat Fisika dan Kimia
P(3HB)
26
2.5.3.3
Granul P(3HB)
27
2.5.3.4
Biosintesis P(3HB)
27
2.5.3.5
Biodegradasi P(3HB)
28
2.5.3.6
Peranan P(3HB) di
Lingkungan
2.5.3.7
Biodegradasi P(3HB) di
Lingkungan
2.5.4
28
Prospek Biopolimer
III. PELAKSANAAN PENELITIAN
29
30
31
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
31
3.2 Metode Penelitian
31
3.2.1
Alat
31
3.2.2
Bahan
31
3.3 Prosedur Kerja
32
3.3.1
Sterilisasi
32
3.3.2
Penyiapan Medium Perbenihan
32
3.3.3
Pembuatan Medium Agar Miring
33
3.3.4
Peremajaan Isolat Bakteri B. cereus
FAAC 21005
33
3.3.5
Penyiapan Sampel
34
3.3.6
Identifikasi Bakteri B. cereus FAAC
21005
35
3.3.7
Penyiapan Medium Pertumbuhan
Bakteri Penghasil Biopolimer P(3HB)
3.3.8
Penyiapan Suspensi Bakteri B. cereus
FAAC 21005
3.3.9
38
Pembuatan Inokulum Bakteri B. cereus
FAAC 21005
3.3.10
36
38
Pengkulturan Bakteri B. cereus FAAC
21005 pada Variasi Konsentrasi
Inokulum Bakteri untuk Mendapatkan
Biomassa Tertinggi
3.3.11
39
Pengkulturan Bakteri B. cereus FAAC
21005 pada Variasi Konsentrasi
Sumber Karbon untuk Mendapatkan
Biomassa Tertinggi
3.3.12
40
Pengkulturan Bakteri B. cereus FAAC
21005 pada Variasi Waktu untuk
Mendapatkan Biomassa Tertinggi
3.3.13
40
Proses Peisahan Biomassa dan
Supernatan
40
3.3.14
Pemeriksaan pH Supernatan
41
3.3.15
Penetapan Berat Kering Sel Bakteri
41
3.3.16
Penentuan Kandungan P(3HB) di
3.3.17
Dalam Sel
41
Analisis Data
42
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
43
4.1 Hasil
43
4.2 Pembahasan
44
KESIMPULAN DAN SARAN
52
5.1 Kesimpulan
52
5.2 Saran
52
DAFTAR PUSTAKA
53
LAMPIRAN
58
V.
I. PENDAHULUAN
Istilah polimer digunakan untuk menggambarkan bentuk molekul raksasa atau rantai
yang sangat panjang yang terdiri atas unit-unit terkecil yang berulang atau mer atau meros
sebagai blok-blok penyusunnya. Molekul-molekul (tunggal) penyusun polimer disebut
monomer (Saptono, 2008).
Salah satu polimer yang banyak digunakan adalah plastik. Bahan mentah pembuatan
plastik ini adalah petroleum yang merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui,
sehingga semakin lama jumlahnya akan semakin berkurang dan tidak dapat digunakan terus
menerus dalam jangka waktu yang lama (Djamaan, 2000). Penggunaan plastik yang tidak
terkontrol saat ini telah banyak menyebabkan terjadinya pencemaran lingkungan. Diperkirakan
sebanyak 25 juta ton limbah plastik sintetis telah dibuang ke lingkungan setiap tahunnya di
dunia (Lee, 1996). Ribuan ton sampah plastik dibuang ke laut yang mengakibatkan lebih dari
satu juta hewan laut mati karena terjerat komponen plastik yang tenggelam maupun terapung
di permukaan laut (Doi, 1990). Untuk mengatasi masalah tersebut telah dilakukan pengkajian
untuk menghasilkan plastik yang ramah lingkungan yang mudah terurai (biodegradable) serta
dihasilkan dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui (Djamaan, 2000).
Polimer poli (3-Hidroksialkanoat) misalnya, adalah salah satu contoh polimer ramah
lingkungan. Polimer ini dapat diuraikan secara alamiah oleh mikroorganisme seperti : bakteri,
jamur dan alga. Polimer yang seperti ini biasa disebut dengan istilah biopolimer. Biopolimer
digunakan sebagai bahan kimia, bahan pertanian, penyalut bahan obat yang memungkinkan
terkendalinya pelepasan obat dan juga untuk aplikasi medis seperti benang jahitan bedah,
contohnya poli (3-Hidroksibutirat) atau P(3HB) (Djamaan, 2004).
Biopolimer diproduksi oleh bakteri penghasil biopolimer pada saat lingkungannya
kekurangan nitrogen, fosfat, magnesium dan oksigen dengan kelebihan sumber karbon.
Sumber karbon dapat diperoleh dari tumbuhan yang engandung karbohidrat (sumber C), salah
satunya ubi jalar. Selain itu pernah diteliti pada penelitian-penelitian terdahulu telah digunakan
minyak kelapa sawit, limbah cair pabrik pengolahan kelapa sawit, jerami padi, glukosa, asam
oleat, ampas pabrik tapioka, dan gula pasir sebagai sumber karbon untuk memproduksi
biopolimer (Djamaan, 2011).
Ubi jalar merupakan sumber karbohidrat ke empat setelah beras, jagung dan ubi kayu
(Herawati dan Widowati, 2009). Produksi ubi jalar yang cukup besar tidak sebanding dengan
pemanfaatannya. Umbi ini memiliki kandungan karbohidrat (sumber atom C) yang cukup
tinggi. Kandungan tersebut dapat dimanfaatkan dalam bentuk tepung sebagai substrat pada
fermentasi yang menghasilkan biopolimer poli(3-hidroksibutirat). Selama ini untuk produksi
P(3HB) digunakan glukosa dan minyak tumbuhan. Namun karena biaya produksi
menggunakan glukosa dan minyak tumbuhan relatif tinggi, perlu dicari sumber lain yang lebih
murah.
Dari literatur diketahui pada 100 gram ubi jalar mengandung 32,3 g karbohidrat/pati;
0,4 g lemak; 1,1 g protein; 0,7 g serat; 68,5 g air; 57mg kalium; 52 mg fosfor; 52 mg Na; 393
mg kalsium; 900 IU vitamin A; 0,1 mg vitamin B1; 0,04 mg vitamin B2; 35 mg vitamin C.
Dimana dari kandungan karbohiddrat/pati tersebut terdapat amilosa sebanyak 37 % sedangkan
sisanya adalah amilopektin sebanya 63 % (Depkes RI, 2002).
Berdasarkan uraian di atas, maka dilakukan penelitian untuk melihat kemungkinan
pemanfaatan tepung ubi jalar sebagai substrat fermentasi biopolimer P(3HB). Pada penelitian
ini diamati hubungan berbagai konsentrasi inokulum Bacillus cereus FAAC 21005 dan tepung
ubi jalar terhadap pertumbuhan sel bakteri. Dari penelitian terdahulu bakteri ini telah terbukti
dapat menghasilkan P(3HB) dari sumber karbon lain, yaitu glukosa (Majid et. al., 1997) dan
minyak kelapa sawit (Djamaan et. al., 1998).
ABSTRAK
Telah diteliti proses biosintesis senyawa biopolimer poli(3-hidroksibutirat), P(3HB)
dari bahan dasar tepung ubi jalar (Ipomea batatas) menggunakan bakteri Bacillus cereus
FAAC 21005. Proses biosintesis dilakukan pada suhu 30° C, pH 7 dan agitasi 120 rpm
menggunakan bioreaktor dengan kapasitas 250 mL. Diamati pengaruh variasi konsentrasi
inokulum bakteri, sumber karbon dan waktu fermentasi. Cairan hasil fermentasi selanjutnya
disentrifugasi dengan kecepatan 3.000 rpm dan biomasanya dikeringkan sampai berat konstan.
Kandungan P(3HB) yang terbentuk di dalam sel ditentukan dengan metode kromatografi gas
menggunakan kolom 5-phenyl methyl xyloxan, dengan fasa gerak helium dan detektor Flame
Ionization Detector. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kondisi optimum dicapai pada
konsentrasi inokulum 5 % v/v, tepung ubi jalar 2,5 g/100ml, lama fermentasi 54 jam, dengan
kandungan P(3HB) sebesar 48,05 % b/b.
Kata kunci : biosintesis biopolimer P(3HB), ubi jalar, Bacillus cereus