Enzim Selulase untuk degradasi limbah jerami padi

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  Latar Belakang

Selulosa merupakan salah satu biopolimer melimpah di alam dan merupakan limbah pertanian yang dominan. Namun pemanfaatan selulosa masih sangat terbatas. Selulosa merupakan polimer glukosa yang dihubungkan dengan ikatan glikosidik β 1-4 dan dapat didegradasi oleh enzim selulase. Jaradat et al (2008) mengemukakan enzim selulase menempati 20% perdagangan enzim di dunia. Shaikh et al(2013) menerangkan enzim selulase merupakan kompleks enzim yang merupakan sistem sinergis dan secara bertahap mampu mengubah selulosa menjadi sumber energi dan glukosa tersedia sehingga berperan penting dalam pemanfaatan biomassa.

Salah satu kelompok organisme yang mampu menghasilkan enzim selulase adalah mikroorganisme. Kosim, Putra (2010) dalam Yusriah & Kuswytasari (2013) menyatakan mikroorganisme merupakan sumber enzim dan lebih menguntungkandibandingkan organisme lainkarena pertumbuhannya cepat, dapat tumbuh pada substrat yang murah, lebih mudah ditingkatkan hasilnya melalui pengaturan kondisi pertumbuhan dan rekayasa genetika, serta mampu menghasilkan enzim yang ekstrim. Sadhu, S & T.K. Maiti (2013) menyatakan konversi biomassa selulosa oleh mikroorganisme berpotensi untuk mengembangkan bioproses dan produk-produk baru.

Enzim selulase yang dihasilkan oleh mikroorganisme telah diproduksi secara komersial oleh beberapa industri global dan banyak digunakan dalam bidang pangan, pakan, bahan bakar, industri kertas dan tekstil, serta berbagai industri kimia. Periode tahun 2004-2014 menunjukkan terjadi peningkatan penggunaan enzim selulase hampir mencapai 100%. Penelitian mengenai enzim selulase umumnya dilakukan pada fungi tetapi saat ini terjadi peningkatan penelitian pada bakteri. Produksi enzim selulase oleh bakteri memiliki keunggulan dibandingkan fungi yaitu kecepatan pertumbuhan bakteri lebih cepat sehingga memungkinkan produksi enzim rekombinan lebih tinggi, properti kestabilan pada keadaan suhu tinggi, dan lebih tahan kondisi basa. Selain itu enzim selulase yang dihasilkan bakteri lebih komplek dan multi enzim sehingga meningkatkan fungsi serta sinerginya. Habitat bakteri pada lingkungan yang lebih bervariasi seperti termofilik, psikrofilik, alkalifilik, asidofilik, halofilik sehingga mampu resisten pada tekanan lingkungan.

1.2  Rumusan Masalah

Rumusan Masalah dalam paper ini adalah :

1.    Bagaimana fungsi dan kerja enzim selulase

2.    Mikroba apa saja penghasil selulolitik

1.3  Tujuan Penulisan

Tujuan penulisan paper ini adalah:

1.      Mengetahui fungsi dan kerja enzim selulase

2.      Mengetahui mikroba penghasil selulolitik

1.4  Manfaat Penulisan

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah:

1.      Sebagai bahan informasi dan referensi untuk para mahasiswa dan masyarakat

BAB II

HASIL DAN DISKUSI

2.1. Selulosa

Selulosa merupakan komponen utama pembentuk dinding sel tanaman yang menyusun sekitar setengah dari tanaman keras dan sepertiga dari tanaman setahun. Setiap jutaan ton selulosa diproduksi oleh tanaman melalui fotosintesis. Produksi selulosa umumnya banyak digunakan dalam industri tekstil dan kertas. Sekarang ini terdapat dua cara utama yang dilakukan untuk mengonversi selulosa menjadi glukosa: kimiawi dan enzimatis. Penelitian terhadap kedua metode telah mendapat perhatian dari banyak peneliti di seluruh dunia.

Selulosa merupakan polisakarida yang terdiri atas satuan-satuan dan mempunyai massa molekul relatif yang sangat tinggi, tersusun dari 2.000-3.000 glukosa. Setiap molekul selulosa mengandung 1000 sampai 1 juta unit D-glukosa yang dihubungkan bersama oleh ikatan β-1,4-gliokosida. Selulosa dari berbagai sumber memiliki struktur molekuler yang sama. Namun selulosa dari berbagai sumber memiliki perbedaan dari struktur kristalnya dan ikatan dengan biomolekul lainnya. Terdapat dua jenis ikatan hidrogen pada molekul selulosa yang terbentuk antara OH pada gugus C3dan oksigen pada cincin piranosa dalam molekul yang sama dan juga antara OH pada gugus C6 dari satu molekul dengan oksigen oksigen pada ikatan glikosida dari molekul yang lain. Ikatan β-1,4-gliokosida sendiri tidak terlalu sulit untuk dipecah. Namun karena ikatan hidrogen selulosa dapat membentuk kristal yang sangat kuat.

Derajat kristalisasi merupakan faktor penting yang mempengaruhi degradasi hidrolitik oleh selulase. Terdapat hubungan linear antara derajat kristalisasi dengan proses degradasi. Adanya asosiasi secara fisik dengan kristal lain seperti lignin dan hemiselulosa menghambat aktivitas hidrolitik. Kontak fisik antara enzim dan substrat sangat diperlukan untuk terjadinya aksi hidrolitik. Semakin tinggi area permukaan atau semakin kecil partikel, semakin tinggi kemudahan proses hidrolisis.

2.2. Enzim Selulase

Enzim selulase merupakan kumpulan dari beberapa enzim yang bekerja bersama untuk hidrolisis selulosa.Mikroorganisme tertentu menghasilkan partikel yang dinamakan selulosom. Partikel inilah yang akan terdisintegrasi menjadi enzim-enzim, yang secara sinergis mendegradasi selulosa (Belitz dkk, 2008). Menurut Salamdan Gunarto (1999), selulase merupakan enzim yang dapat memutuskan ikatan glukosida β-1,4 di dalam selulosa.Dalam menghidrolisis senyawa selulosa, kemampuan selulase sangat digantungkan pada substrat yang digunakan.

Enzim selulase merupakan salah satu kelompok enzim yang termasuk dalam suatu sistem yang diproduksi mikroorganisme dalam degradasi material sel tumbuhan. Enzim ini termasuk dalam famili glikosil hidrolase. Enzim selulase berperan dalam hidrolisis selulosa dengan memecah ikatan β-1,4-D-glikosidauntuk menghasilkan oligosakarida maupun glukosa. Berdasarkan aktivitasnya terhadap berbagai substrat,selulase diklasifikasikan menjadi tiga tipe, yaitu endoglukanase (endo-β-1,4-glucanase, EC 3.2.1.4), β-glukosidase (β-D-glucosideglucohydrolase, EC 3.2.1.21) dan selobiohidrolase atau eksoglukanase (exo-β-1,4-glucanase, EC 3.2.1.91).

Endoglukanase menghidrolisis ikatan internal β-1,4-D-glikosida secara random pada situs amorf dari rantai polisakarida selulosa untuk menghasilkan oligosakarida dan menambah ujung rantai yang baru, eksoglukanase menghidrolisis selulosa dengan memotong rantai selulosa pada ujung untuk menghasilkan selobiosa atau glukosa sebagai produk utama, dan glikosidase menghidrolisis selobiosa menjadi glukosa untuk mengeliminasi penghambatan selobiosa. Fungsi terpenting dari enzim adalah kemampuannya menurunkan energi aktivasi suatu reaksi kimia. Kemampuan enzim dalam mendegradasi substrat dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain konsentrasi enzim, konsentrasi substrat, pH serta temperature.

Gambar : Mekanisme hidrolisis selulosa

2.3. Mikroba Selulolitik

Keanekaragaman hayati dan potensi bakteri penghasil enzim selulase atau disebut bekteri selulolitik. Jenis fungi yang biasa digunakan dalam produksi selulase antara lain sebagai berikut: Aspergillus niger, Aspergillus fumigates, Aspergillus nidulans, Neurospora sitophila, Tricoderma viride, Tricoderma longibrachiatum, dan Saccharomyces cerevisiae. Bakteri yang bisa menghasilkan selulase adalah Pseudomonas, Cellulomonas, Bacillus, Micrococcus, Cellovibrio, dan Sporosphytophaga .

2.4. Metodologi Penelitian

Isolasi dan seleksi bakteri selulolitik. Metode pengambilan sampel tanah dilakukan dengan cara mengambil sampel tanah pada ke dalaman 10-20 cm. Sampel tanah yang diambil merupakan sampel komposit, kemudian dimasukan dalam wadah plastik gelap berlabel. Isolasi bakteri selulolitik dilakukan dengan metode cawan sebar pada media CMC (1 g CMC; 0,02 g MgSO4.7H2O; 0,075 g KNO3; 0,05 g K2HPO4; 0,002 g FeSO4.7H2O; 0,004 g CaCl2.2H2O; 0,2 g ekstrak kamir, 1,5 g agar-agar bakto, dan 0,1 g glukosa). Koloni-koloni yang tumbuh dimurnikan dan diuji pertumbuhannya pada suhu 50oC dan aktivitas selulolitik dengan penentuan indeks selulolitik yang merupakan nisbah antara diameter zona bening dengan diameter koloni.

Pembuatan kurva tumbuh dan kurva aktivitas selulase. Sebanyak dua lup penuh bakteri diinokulasikan ke dalam 100 ml media CMC 1% cair dan diinkubasi dalam inkubator bergoyang. Setiap 24 jam dilakukan pengukuran kekeruhan sel dan aktivitas selulase. Enzim selulase ekstrak kasar didapat dengan melakukan sedimentasi hasil kultur pada kecepatan 8400 g selama 10 menit pada suhu 4°C. Aktivitas selulase diukur menggunakan metode. Satu unit aktivitas selulase didefinisikan sebagai jumlah enzim yang menghasilkan 1 μmol glukosa dalam satu menit. Satu unit aktivitas setara dengan 16,67 nkat. Kadar protein diukur menggunakan metode  dengan bovin serum albumin (BSA) sebagai standar protein.

Karakterisasi selulase. Karakterisasi enzim selulase meliputi penentuan pH dan suhu optimum serta substrat yang sesuai. Pengujian pada berbagai pH dilakukan pada pH 3 sampai dengan pH 9 dengan selang 0,5 unit menggunakan bufer sitrat fosfat 0,2 M (pH 3-5,5), bufer fosfat 0,2 M (pH 6-8) dan bufer tris-HCl 0,2 M (pH 8-9). Suhu yang digunakan adalah 30̊C sampai dengan 90̊C dengan selang 10̊C dalam substrat CMC 1% dalam bufer pH optimum dan inkubasi selama 30 menit. Aktivitas pada berbagai substrat dilakukan dengan cara menguji aktivitas selulase pada CMC, avisel, Whatmann filter paper No. 1 serta beberapa substrat limbah pertanian dalam bufer dengan pH optimum dan diinkubasi pada suhu optimum.

Persiapan substrat limbah pertanian. Jerami padi, tongkol jagung dan kulit pisang dikeringkan terlebih dahulu pada suhu 70°C dalam oven selama 3 hari. Kemudian masing-masing substrat dihaluskan menggunakan alat blender dan diayak dengan saringan 65 mesh. Substrat disterilisasi untuk mencegah kontaminasi. Uji aktivitas enzim pada berbagai substrat. Sebanyak 5 ml substrat CMC dan avicel ditambahkan 5 ml enzim ekstrak kasar. Untuk substrat kertas saring, sebanyak 2,5 potong kertas saring 1 x 6 cm2 ditambahkan 2,5 ml bufer dan 5 ml enzim ekstrak kasar. Sebanyak 0,05 g substrat jerami padi, tongkol jagung dan kulit pisang ditambahkan 5 ml bufer dan 5 ml enzim ekstrak kasar. Reaksi antara substrat dan enzim ekstrak kasar dilakukan di dalam Erlenmeyer 100 ml selama 60 menit pada suhu optimum. Setelah itu reaksi dihentikan dengan menambahkan 50 μl NaOH 0,2 M atau dengan menginkubasinya pada suhu 100°C selama 15 menit. Untuk substrat CMC campuran substrat-enzim dipindahkan sebanyak 2 ml ke dalam tabung reaksi kemudian ditambahkan 2 ml DNS dan segera diinkubasi pada suhu 100°C selama 15 menit.Sebanyak 1 lembar kertas saring 1 x 6 cm² dan 3 ml larutannya (enzim ekstrak kasar dan bufer) dipindahkan ke dalam tabung reaksi dan ditambahkan 2 ml DNS kemudian segera diinkubasi pada suhu 100°C selama 15 menit.

Setelah waktu inkubasi campuran substrat avicel, jerami padi, tongkol jagung dan kulit pisang selesai segera ditambahkan 50 μl NaOH 0.2 M. Lalu suspensi tersebut disentrifus pada kecepatan 2500 rpm selama 25 menit. Sebanyak 2 ml supernatannya diambil dan ditambahkan 2 ml DNS lalu diinkubasi pada suhu 100°C selama 15 menit. Seluruh sampel diukur dengan spektrofotometer pada panjang gelombang 540 nm. Konsentrasi substrat tiap Erlenmeyer adalah 1% (b/v) kecuali avicel 2% (b/v).  Suhu inkubasi substrat-enzim serta pH larutan bufer disesuaikan dengan jenis isolat yang digunakan.

2.5. Hasil dan Pembahasan Jurnal

Setiap bakteri selulolitik menghasilkan kompleks enzim selulase yang berbeda-beda, tergantung dari gen yang dimiliki dan sumber karbon yang digunakan. Dalam penelitian ini, semua isolat tumbuh pada media cair CMC yang mengandung CMC 1% (b/v) sebagai komponen indusernya. Glukosa 0,1% (b/v) dan ekstrak khamir 0,2% (b/v) juga ditambahkan pada media sebagai pemacu tumbuh sel di fase awal. Setelah glukosa

pada medium tumbuhnya habis maka bakteri akan memanfaatkan sumber karbon selulosa dengan mensintesis enzim selulase.

Pada Gambar 1, terlihat bahwa aktivitas enzim selulase meningkat seiring dengan pertumbuhan selnya. Namun ketika sel mencapai fase stasioner, aktivitas enzim selulase menurun. Pada fase stasioner kecepatan pembelahan sel sama dengan kecepatan kematian sel dan lisis sel sehingga pada fase ini selain enzim selulase, enzim protease juga dihasilkan. Hal ini menyebabkan turunnya aktivitas enzm selulase.

BAB III

KESIMPULAN

3.1. Kesimpulan

            Berdasarkan uraian diatas tentang enzim selulase, maka dapat disimpulkan :

1.      Durian lahung (Durio dulcis) adalah salah satu jenis durian endemik Kalimantan yang sulit untuk ditemukan, karena terjadinya perubahan alih fungsi hutan, dan  dikarenakan buah lahung tidak seekonomis buah durian lainnya. Penduduk Kalimantan banyak yang menebang pohon ini untuk dibuat papan dan kayu olahan lainnya karena jenis kayu ini cukup berkualitas. Jika durian lahung tidak dibudidayakan, maka dalam waktu beberapa tahun durian ini dapat punah. Selain itu Indonesia akan kehilangan plasma nutfah dan akan menganggu keseimbangan ekosistem di alam.

2.      Berdasarkan permasalahan yang dialami, maka diperlukan cara untuk mengelola sumber daya genetik durian lahung diantaranya melalui pembibitan, okulasi, pencangkokan, kultur jaringan, dan penyimpanan biji durian lahung dalam gen bank.

3.      Selain pengelolaan  sumber daya genetik, cara lain yang dapat dilakukan untuk menjaga kelestarian durian lahung diantaranya penyuluhan kepada penduduk Kalimantan, terkhusus penduduk pedalaman tentang pentingnya menjaga kelestarian durian lahung di alam. Pemerintah harus campur tangan melestarikan durian lahung melalui peraturan yang tegas, agar penduduk tidak menebang pohon di hutan secara sembarangan atau alih fungsi hutan.

DAFTAR PUSTAKA

Balitbiogen. 2004. Katalog Data Paspor Plasma Nutfah Tanaman Pangan. Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Bioteknologi dan Sumber Daya Genetika. Bogor

BPP. 2000. Budidaya Durian. Menegristek Bidang Pendayagunaan dan Pemasyarakatan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi. Jakarta

Priyanti. 2012. Keanekaragaman Tumbuhan durio spp Menurut Perspektif Lokal Masyarakat Dayak. Program Studi FST UIN Syarif Hidayatullah. Jakarta

Purnomo, S., Suharto, Sudjito, dan S. Hosni. 2002. Eksplorasi dan konservasi sumber daya genetik. Buletin Plasma Nutfah 8(1):6-15.

Sastrapradja, S.D. dan M.A. Rifai. 1989. Mengenal sumber pangan nabati dan sumber  plasma nutfahnya. Komisi Pelestarian Plasma Nutfah Nasional dan Puslitbang Bioteknologi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Bogor.

Sugiyarto, L. dan  dan Kusnandi, P. 2012.  Eksplorasi Metode Sterilisasi dan Macam Media Untuk Perbanyakan Durian Secara In Vitro. FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta. Yogyakarta

Uji, T. 2003. Keanekaragaman jenis, plasma nutfah, dan potensi buah-buahan asli Kalimantan. BioSMART 6(2):117-125

Uji, T. 2005. Keanekaragaman Jenis dan Sumber Plasma Nutfah Durio (Durio spp.) di  Indonesia. Buletin Plasma Nutfah, vol. 11 No. 1

 Wahdah, R., C. Nisa, dan B.F. Langai. 2003. Karakterisasi Sifat Fisik Buah dan Kandungan Gizi Buah-Buahan di Lahan Kering Kalimantan Selatan. Laporan Pengkajian BPTP Kalimantan Selatan Bekerja Sama dengan Fakultas Pertanian Universitas Lambung Mangkurat Banjarbaru.