Upload
okpit
View
212
Download
14
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Makalah Mikrobiologi Agroindustri mengenai biologi dari mikroorganisme industri yaitu salah satunya adalah Aspergillus niger
Citation preview
SIFAT BIOLOGI Aspergillus niger PENGHASIL ASAM SITRAT
Disusun oleh :
Nama : 1. Cicilia Bule Rinanda
2. Okvita Musdalifah
3. Ferli Madawvossi
Dosen Pengampu : Ir. Sri Wedhastri, M.S.
JURUSAN MIKROBIOLOGI PERTANIAN
FAKULTAS PERTANIAN
UNIVERSITAS GADJAH MADA
YOGYAKARTA
2014
SIFAT BIOLOGI Aspergillus niger PENGHASIL ASAM SITRAT
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Asam sitrat merupakan suatu asidulan yaitu senyawa kimia yang bersifat asam yang
ditambahkan pada proses pengolahan makanan dengan berbagai tujuan. Asidulan dapat bertindak
sebagai penegas rasa dan warna atau menyelubungi after taste yang tidak disukai. Penambahan
asam dapat menurunkan pH makanan sehingga menghambat pertumbuhan mikroorganisme
pembusuk.
Awalnya asam sitrat diperoleh dalam bentuk kristal melalui proses isolasi dari juice lemon
oleh Scheele pada tahun 1784. Lalu pada tahun 1880 Grimoux dan Adam mensintesis asam sitrat
dari glycerol. Dan pada tahun 1893 Wehmer mengindikasikan bahwa asam sitrat dapat diperoleh
melalui proses fermentasi larutan gula oleh beberapa jenis jamur. Hingga kini proses produksi
komerasial asam sitrat diperoleh melalui proses fermentasi. Asam sitrat biasanya diproduksi
dalam bentuk kristal monohidrat (C6H8O7.H2O), yang tak berwarna, tak berbau dan rasanya
asam. Mudah larut dalam air dingin daripada dalam air panas.
Mikroorganisme yang dapat menghasilkan asam sitrat cukup banyak. Diantara
mikroorganisme tersebut adalah Aspergillus niger, A. wentii, A. civiatus, Penicillium luteum, P.
citrinum, Mucor priformis, Paecilomyces divaricatum, Citromaeces pfefferianus, Candida
guilliermondii, Saccharomaecopsis lipolytica, Trichoderma viridae, Arthrobacter parraffimeus
dan Corynebacterium sp. Di antara mikroorganisme tersebut yang dipakai untuk produksi asam
sitrat adalah Aspergillus niger yang merupakan galur yang paling produktif.
Jamur Aspergillus niger digunakan untuk industri sudah sejak lama. Pada tahun 1919
pembuatan asam sitrat untuk industri sudah menggunakan jamur ini. Hasil sampingan lain yaitu
asam fumarat dan asam glukonit namun memiliki nilai ekonomi yang lebih rendah. Penelitian
terus dilakukan hingga pada tahun 1960, A. niger menjadi sumber pengawetan pada makanan
karena bermanfaat dalam pengemasan buah, pembuatan makanan serta bidang farmasi. Pada
bidang makanan dan minuman digunakan dalam makanan seperti minuman ringan, jus buah,
makanan pencuci mulut, selai, jeli, permen dan anggur. Pada bidang farmasi bermanfaat dalam
penyimpanan darah karena produksi besi serta sitrat. Pada bidang kosmetik dimanfaat sebagai
penghasil anti-oksidan, sedangkan pada industri lain dimanfaatkan sebagai detergen (pembersih),
penyamakan kulit, dan penyangga pH. Enzim yang dihasilkan antara lain pectinase, protease, dan
amyloglukosidase. Amyloglukosidase bermanfaat dalam pemecahan senyawa yang ada di pati
sehingga dapat dibuat menjadi sirup.
Penggunaan utama asam sitrat saat ini adalah sebagai zat pemberi cita rasa dan pengawet
makanan dan minuman, terutama minuman ringan. Kode asam sitrat sebagai zat aditif makanan
(E number) adalah E330. Garam sitrat dengan berbagai jenis logam digunakan untuk
menyediakan logam tersebut (sebagai bentuk biologis) dalam banyak suplemen makanan. Sifat
sitrat sebagai larutan penyangga digunakan sebagai pengendali pH dalam larutan pembersih
dalam rumah tangga dan obat-obatan.
B. Tujuan
1. Mengetahui sifat biologi dari Aspergillus niger.
2. Mengetahui cara mengaplikasi Aspergillus niger dalam penghasilan asam sitrat.
II. PEMBAHASAN
A. Klasifikasi dan Deskripsi Aspergillus niger
Klasifikasi Aspergillus niger adalah sebagai berikut :
Domain : Eukaryota
Kingdom : Jamur
Phylum : Ascomycota
Subpylum : Pezizomycotina
Class : Eurotiomycetes
Ordo : Eurotiales
Family : Trichomaceae
Genus : Aspergillus
Species : Aspergillus niger
Ekologi
Aspergillus niger adalah jamur berfilamen haploid dan merupakan mikroorganisme yang
biasanya ditemukan di lingkungan mesofilik umum seperti tanah, sampah, debu, cat, tanaman,
dan lingkungan udara tertutup serta daerah yang mengalami pembusukan. A. niger tidak hanya
jamur xerophilic (cetakan yang tidak memerlukan air bebas untuk pertumbuhan, bisa tumbuh di
lingkungan lembab), tetapi juga merupakan mikroorganisme tahan panas (mampu tumbuh pada
suhu tinggi). Karena properti ini, jamur filamen menunjukkan toleransi yang tinggi terhadap
suhu beku.
Bila ditumbuhkan pada medium buatan secara umum, koloni berwarna putih dan akan
berwarna hitam jika konidia sudah terbentuk. Umumnya, A. niger yang diisolasi melalui kultur
chemostat yang dapat menguji positif atau negatif untuk jamur. A. niger bersifat aerob dan
dipengaruhi suhu, aktivitas air dan pH terhadap pertumbuhan. A. niger dapat tumbuh pada
kisaran suhu 6oC-47oC. Tumbuh optimum pada suhu 35oC-37oC. Kisaran pH pada A. niger cukup
luas yaitu 1,4-9,8 dengan batas aktivitas air untuk pertumbuhan atau nilai Aw 0,88, yang relatif
tinggi dibandingkan dengan spesies Aspergillus lainnya.
Aspergillus niger tergolong jamur yang sifatnya tidak meracun bagi lingkungan sekitar.
Bila kondisi lingkungan tidak sesuai, maka jamur ini akan menghasilkan berbagai metabolit
sekunder tetapi hanya ochratoxin A yang tergolong mikotoksin, berbahaya bagi mikroorganisme
lain.
Metabolisme
Aspergilus niger merupakan jamur dari filum ascomycetes yang berfilamen, mempunyai
hifa berseptat, dan dapat ditemukan melimpah di alam. Koloninya berwarna putih pada Agar
Dekstrosa Kentang (PDA) 25 °C dan berubah menjadi hitam ketika konidia dibentuk. Kepala
konidia dari A. niger berwarna hitam, bulat, cenderung memisah menjadi bagian-bagian yang
lebih longgar seiring dengan bertambahnya umur. A. niger memiliki warna dasar berwarna putih
atau kuning dengan lapisan konidiospora tebal berwarna coklat gelap sampai hitam.
Dalam metabolismenya Aspergillus niger dapat menghasilkan asam sitrat sehinga jamur
ini banyak digunakan sebagai model fermentasi karena jamur ini tidak menghasilkan mikotoksin
sehingga tidak membahayakan. A. niger dapat tumbuh dengan cepat, oleh karena itu A. niger
banyak digunakan secara komersial dalam produksi asam sitrat, asam glukonat, dan pembuatan
berapa enzim seperti amilase, pektinase, amiloglukosidase, dan selulase.
Selain itu, Aspergillus niger juga menghasilkan gallic acid yang merupakan senyawa
fenolik yang biasa digunakan dalam industri farmasi dan juga dapat menjadi substrat untuk
memproduksi senyawa antioksidan dalam industri makanan.
Aspergillus niger dalam pertumbuhannya berhubungan langsung dengan zat makanan
yang terdapat dalam substrat, molekul sederhana yang terdapat disekeliling hifa dapat langsung
diserap sedangkan molekul yang lebih kompleks harus dipecah dahulu sebelum diserap ke dalam
sel, dengan menghasilkan beberapa enzim ekstra seluler seperti protease, amilase, mananase, dan
α-glaktosidase. Bahan organik dari substrat digunakan oleh Aspergillus niger untuk aktivitas
transport molekul, pemeliharaan struktur sel, dan mobilitas sel.
B. Asam Sitrat dan Produksinya
Asam sitrat diproduksi hampir secara eksklusif oleh fermentasi Aspergillus niger karena
hasil dari mikroorganisme ini ekonomis dan pembentukan produk samping yang tidak diinginkan
minimal. The Food and Drug Administration (FDA) telah mendaftar A. niger sebagai sumber
asam sitrat.
Asam sitrat merupakan hasil metabolisme yang dihasillkan melalui fermentasi. Asam sitrat
akan muncul jika beberapa nutrisi muncul tidak hanya saat konsentrasi tinggi (gula, keasaman,
oksigen terlarut) tapi juga pada level optimal (metal, nitrogen, dan fosfat).
Asam sitrat merupakan asam organik yang larut dalam air dengan cita rasa yang
menyenangkan dan banyak digunakan dalam industri pangan. Kebutuhan dunia akan asam sitrat
terus meningkat dari tahun ke tahun dan produksi asam sitrat tiap tahun meningkat 2 – 3%.
Hingga sampai tahun 1920, semua asam sitrat dihasilkan dari lemon dan jus jeruk. Namun kini
asam sitrat juga dapat dihasilkan melalui fermentasi menggunakan mikroorganisme Aspergillus
niger, yaitu jamur yang digunakan secara komersial pertama kali pada tahun 1923. Guna
memenuhi permintaan yang terus meningkat, maka efisiensi proses fermentasi terus dipelajari.
Pengukuran kesetimbangan massa dipelajari agar dpat ditentukan banyaknya substrat yang
digunakan dan jumlah produk yang dihasilkan.
Dalam proses produksi asam sitrat yang sampai saat ini lazim digunakan, biakan jamur
Aspergillus niger diberi sukrosa agar membentuk asam sitrat. Setelah jamur disaring dari larutan
yang dihasilkan, asam sitrat diisolasi dengan cara mengendapkannya dengan kalsium hidroksida
membentuk garam kalsium sitrat. Asam sitrat di-regenerasi-kan dari kalsium sitrat dengan
penambahan asam sulfat.
Cara lain pengisolasian asam sitrat dari hasil fermentasi adalah dengan ekstraksi
menggunakan larutan hidrokarbon senyawa basa organik trilaurilamina yang diikuti dengan re-
ekstraksi dari larutan organik tersebut dengan air.
Proses fermentasi asam sitrat terdiri dari dua tahap. Pertama fase pertumbuhan miselium
dan kedua fase fermentasi pembentukan produk. Keduanya dikarakteristikkan oleh laju
penyerapan karbohidrat. Pada fase pertama digunakan untuk pembentukan miselium dan pada
tahap kedua karbohidrat diubah menjadi asam sitrat.
Faktor-faktor yang mempengaruhi produksi asam sitrat secara fermentasi
Selain mikrobia sebagai komponen utama dalam fermentasi, faktor-faktor pendukung yang
perlu diperhatikan adalah komposisi nutrisi media, Mangan dan logam lainnya, pH, kondisi
lingkungan, tipe dan konsentrasi gula, pengaruh senyawa pengkhelat terhadap ion logam,
ammonium nitrat dan aerasi.
1. Mikrobia
Saat ini produksi asam sitrat secara komersial menggunakan mutan Aspergillus niger.
Untuk meningkatkan kemampuan produksi sering dilakukan proses mutasi. Mutasi yang umum
dilakukan adalah dengan iradiasi ultraviolet (1,6 X 102 J/m2/dt) dan nitrosamine (100 mg/ml)
selama 5 – 45 menit. Kultur dipelihara dalam medium PDA.
2. Komposisi Nutrisi Media
Media fermentasi untuk biosintesis asam sitrat terdiri dari substrat yang dibutuhkan untuk
pertumbuhan mikroorganisme, terutama terdiri dari substrat yang dibutuhkan untuk pertumbuhan
mikroorgaisme terutama sumber karbon, nitrogen dan fosfor. Selain itu air dan udara dapat pula
dimasukkan sebagai substrat fermentasi.
a. Sumber Karbon
Media yang sering digunakan sebagai sumber karbon adalah berbagai karbohidrat dan
limbah selulosa, inulin, kurma, molase tebu (digunakan dalam fermentasi kultur cair teraduk),
whey kedelai, whey keju, sukrosa, glukosa, fruktosa, metanol.
Whey dari industri pengolahan susu sering digunakan sebagai medium dasar. Whey
dapat ditambah sukrosa, glukosa atau fruktosa sekitar 5 – 10 % (b/v). Jika ditambah methanol
berkisar 1 – 5 %. Riboflavin dapat ditambahkan sebesar 10 – 50 mg/L.
Molase yang digunakan untuk substrat fermentasi biasanya mengandung air 20%, gula
62 %, non-gula 10 % dan garam an-organik (abu) 8 %. Abu mengandung ion-ion seperti Mg,
Mn, Al, Fe dan Zn dalam jumlah yang bervariasi. Karena kandungan gula cukup tinggi maka
perlu diencerkan sehingga mengandung gula 25%. Larutan molase kemudian ditambah H2SO4
1N sebanyak 35 ml/L dan direbus selama ½ jam kemudian didinginkan, dinetralkan dengan
air kapur (CaO) dan dijernihkan semalam. Cairan supernatan yang jernih diencerkan hingga
kadar gula mencapai 15%. Selama fermentasi 144 jam dihasilkan asam sitrat sekitar 85 g/l,
berat sel kering 20 g/l dan gula yang dikonsumsi 91 g/l.
b. Sumber Nitrogen
Nitrogen juga mempengaruhi pembentukan asam sitrat karena nitrogen tidak hanya
penting untuk laju metabolit dalam sel tetapi juga bagi pembentukan protein sel. Jumlah
produksi asam sitrat mencapai maksimum jika konsentrasi ammonium nitrat sebesar 0,2%.
Peningkatan konsentrasi justru menurunkan jumlah asam yang dihasilkan dan jamur tumbuh
menyebar.
c. Sumber Fosfor
Sumber fosfat yang digunakan adalah trikalsium fosfat.
d. Konsentrasi ion Ferosianida
Konsentrasi ferosianida berpengaruh terhadap produksi asam sitrat. Penambahan
ferosianida dilakukan 24 jam setelah inokulasi sebanyak 200 ppm. Jumlah sel yang dihasilkan
berkurang dengan naiknya jumlah ferosianida.
e. Vitamin
Vitamin yang sering ditambahkan adalah riboflavin.
3. Proses Fermentasi
a. Fermentor
Dalam percobaan skala laboratorium sebaiknya digunakan Erlenmeyer 500 ml yang
diisi 100 ml medium. Masing-masing Erlenmeyer diinokulasi dengan suspensi spora dan
diinkubasi selama 20 hari pada suhu 300C. Fermentor stainless stell berkapasitas 15 liter diisi
medium 9 liter untuk pembuatan asam sitrat.
b. Persiapan Kultur
Jika digunakan kultur stok Aspergillus niger maka kultur harus direaktivasi dan
dikultivasi dengan cara goresan pada petridish menggunakan medium padat PDA (Potato
Dextrose Agar) yang telah diasamkan dengan asam tartrate 10% dan diinkubasi selama 5 hari
pada suhu 250C. Konidia yang dibentuk kemudian dicuci dua kali dengan air destilat steril.
Suspensi konidia yang akan digunakan sebagai inokulum dalam proses fermentasi harus
mengandung 108 spora/ml.
Untuk menumbuhkan konidia Aspergillus digunakan medium molase 100 ml (gula
15%, pH 6,0) dalam Erlenmeyer 1 liter yang berisi glass beads dan telah disterilkan. 1 ml
suspensi konidia dari agar miring dipindahkan secara aseptis, kemudian diinkubasi pada 300 +
10C dalam inkubator dengan kecepatan gojogan 200 rpm selama 24 jam.
c. Jumlah Inokulum
Jumlah inokulum yang digunakan juga merupakan faktor yang penting untuk
diperhatikan. Jumlah inokulum sebesar 1% cukup baik untuk fermentasi dalam fermentor
teraduk.
d. Fermentasi
Inokulum yang telah dibuat dimaukkan dalam fermentor produksi sebanyak 5% (v/v).
inkubasi dilakukan pada suhu 300 + 10C selama 144 jam. Kecepatan agitasi adalah 200 rpm
dengan laju aerasi 1,0 – 4,0 vvm. Untuk mengendalikan terbentuknya buih secara berkala
dilakukan penambahan minyak silikom steril.
e. Waktu Fermentasi
Waktu fermentasi yang maksimum untuk fermentasi asam sitrat tergantung kondisi
fermentasi dan organism yang digunakan. Penggunaan A. niger dengan substrat molase
embutuhkan waktu 144 jam setelah inokulasi.
f. Suhu
Suhu medium fermentasi merupakan salah satu faktor yang penting dalam produksi
asam sitrat. Suhu 300C adalah suhu yang paling baik. Jika suhu medium rendah, aktivitas
enzim jug rendah sehingga mempengaruhi produksi asam tetapi jika suhu meningkat di atas
300C, biosintesis asam sitrat akan menurun dan terjadi akumulasi produk samping seperti
asam oksalat.
g. pH
Pengaturan pH penting bagi keberhasilan proses fermentasi. Untuk fermentasi asam
sitrat pH optimum adalah 6,0. Penurunan pH menyebabkan produksi asam sitrat berkurang.
Hal ini disebabkan pada pH rendah ion ferosinida lebih toksik bagi pertumbuhan miselium.
Pada pH yang tinggi terjadi akumulasi asam oksalat.
Proses fermentasinya:
Larutan gula dari berbagai sumber telah digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan
asam sitrat dalam skala industri, tetapi sukrosa dan glukosa tetap merupakan bahan baku yang
paling mudaj dan paling baik kemudian diikuti oleh maltosa dan molase (tetes).
Mekanisme pembentukan asam sitrat seperti dinyatakan dengan siklus Krebs atau siklus
asam trikarboksilat, yaitu bahwa asam piruvat yang diperoleh dari glukosa menghasilkan Acetil
CoA yang berkondensasi dengan asam oxalo-asetat yang telah terbentuk dalam siklus
menghasilkan asam sitrat.
Asam sitrat merupakan senyawa antara pada siklus krebs. Lintasan reaksi karbolik yang
mendahului pembentukan asam sitrat ini diantaranya adalah lintasan glikolisis (Embden-
Meyerhof Parnas) dan lintasan Entner Doudoroff yang menyediakan senyawa antara asam
piruvat yang merupakan senyawa kunci dalam metabolisme sel. Sebagian besar (80%) dari
glukosa diubah menjadi piruvat melalui lintasan glikolisis. Piruvat akan mengalami
dekarboksilasi dan berkaitan dengan koenzim A membentuk asetil KoA dan selanjutnya masuk
ke dalam siklus krebs dengan bantuan enzim piruvat karboksilase yang mengubah piruvat
menjadi oksaloasetat.
Pada Aspergillus niger fosfoenol piruvat dapat diubah langsung menjadi oksaloasetat
(tanpa melalui piruvat) oleh enzim fosfenol piruvat karboksilase. Reaksi tersebut membutuhkan
ATP sebagai sumber energi, Mg2+ atau Mn2+ dan K+ atau NH4+.
Apabila sumber karbon bukan glukosa, tapi misalnya asam asetat atau senyawa alifatik
berantai panjang (C-9, C-23), maka isositrat liase terinduksi sehingga isositrat diubah menjadi
malat oleh malat sintesa. Rangkaian reaksi melalui glioksilat. Bila glukosa ditambahkan maka
siklus tersebut terhambat.
Diduga bahwa terjadinya akumulasi asam sitrat ini adalah sebagai akibat dari adanya
kekurangan enzim disebabkan kurangnya unsur-unsur nutrisi. Kekurangan-kekurangan nitrogen,
fosfat, mangan, besi dan seng adalah unsur-unsur yang sering disebut-sebut. Apabila kadar
logamnya tinggi, maka untuk mengurai biasanya tetes diolah terlebih dahulu, yaitu dengan
penambahan Kalium ferrosianida atau dengan cara pertukaran ion. Media untuk produksi asam
sitrat harus menyediakan semua kebutuhan zat gizi mikroorganisme, yaitu meliputi sumber
karbon, nitrogen dan mineral.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. 2011. Aspergillus spp. pathogen safety data sheet-infectious substances. <
http://www.phac-aspc.gc.ca/lab-bio/res/psds-ftss/aspergillus-spp-eng.php>. Diakses pada
tanggal 26 Maret 2014.
Olempska-Beer, Z. 2008. Asparaginase from Aspergillus niger expressed in A. niger chemical
and technical assesment (CTA). P: 1-7.
Papagianni, M. 2007. Advances in citric acids fermentation by Aspergillus niger: biochemical
aspects, membrane transport, and modeling. Biotechnology Advances. 25: 244-263.
Schuster, E., N. Dunn-Coleman, J. C. Frisvad, and P. W. M. van Dijick. 2002. A review-On the
safety of Aspergillus niger. Applied Microbiol Biotechnol. 59: 426-435.
Skema pembentukan asam sitrat