MAKALAH PERAN MIKROBA DALAM FERMENTASI

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dewasa ini, setiap perkembangan ilmu yang dihasilkan manusia pasti diikuti dengan penerapannya dalam kehidupan. Ilmu tersebut dikembangkan dengan metode ilmiah dan diterapkan dalam bentuk teknologi. Hal ini juga terjadi pada Biologi. Biologi telah berkembang dengan pesat, terutama cabang-cabang mikrobiologi dan genetika, serta cabang kimia yaitu biokimia. Cabang-cabang biologi dan kimia ini kemudian diterapkan dalam bentuk bioteknologi. Bioteknologi merupakan cabang ilmu yang mempelajari pemanfaatan makhluk hidup (bakteri, fungi, virus, dan lain-lain) maupun produk dari makhluk hidup (enzim, alkohol) dalam proses produksi untuk menghasilkan barang dan jasa. Berkembangnya bioteknologi ini tidak lepas dari peranan mikroba. Mikroba merupakan organisme yang berukuran kecil yang tidak kasat mata. Mikroba sering disebut jasad renik karena ukurannya yang kecil (kurang dari 0,1 mm), sehingga sukar dilihat dengan mata biasa, umumnya hanya dapat dilihat dengan alat pembesar atau mikroskop, ada mikroba yang berukuran besar sehingga dapat dilihat tanpa alat pembesar, pengaturan kehidupannya yang lebih sederhana dibandingkan dengan jasad tingkat tinggi. Adapun berbagai macam mikroba antara lain jamur mikroskopis, protozoa, bakteri, dan virus.

Mikroba dalam mendapatkan energi melakukan berbagai macam cara metabolisme misalnya dengan cara fermentasi, respirasi aerobik atau anaerobik, dan fotosintesis. Fermentasi adalah suatu reaksi oksidasi-reduksi di dalam sistem Biologi yang menghasilkan energi, dimana sebagai donor dan aseptor elektron digunakan senyawa organik. Bagaimanakah peranan mikroba atau pentingnya mikroba dalam proses fermentasi?

Begitu besar peran mikroorganisme dalam fermentasi mendorong penulis untuk menjadikan mikoroganisme dalam fermentasi sebagai suatu masalah yang perlu dikaji dan diketahui sehingga dapat membantu pembaca dan penulis dalam pemanfaatan mikroorganisme tersebut, sehingga memungkinakan untuk mengembangkan peran mikroba dalam fermentasi di bidang bioteknologi.

Secara umum, pada penulisan makalah ini akan dibahas mengenai pentingnya mikroba yang dibagi atas bakteri, fungi, dan virus dengan aplikasinya pada proses fermentasi. Oleh sebab itu, sebagai bagian dari kajian bioteknologi antara mikroba dalam fermentasi maka secara mendalam akan dikaji “Pentingnya Mikroba Dalam Fermentasi”.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan penulisan latar belakang, maka adapun permasalahan yang dapat dirumuskan adalah sebagai berikut:

1. Apa sajakah tipe-tipe fermentasi dan reksinya?

2. Bagaimanakah penerapan reaksi fermentasi dalam bidang bioteknologi?

1.3 Tujuan Penulisan

Berdasarkan rumusan masalah, maka adapun tujuan penulisan makalah ini yang dapat dirumuskan untuk mengetahui hal-hal sebagai berikut:

1. Untuk mengetahui tipe-tipe fermentasi dan reaksinya.

2. Untuk mengetahui penerapan fermentasi dalam bidang bioteknologi.

1.4 Manfaat Penulisan

Adapun manfaat dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut:

1. Dapat mengetahui tipe-tipe fermentasi dan reaksinya.

2. Dapat mengetahui penerapan fermentasi dalam bidang bioteknologi.

BAB II

PENDAHULUAN

2.1 Tipe-tipe Fermentasi dan Reaksinya

Fermentasi adalah proses produksi energi dalam sel dalam keadaan anaerobik (tanpa oksigen). Secara umum, fermentasi adalah salah satu bentuk respirasi anaerobik, akan tetapi, terdapat definisi yang lebih jelas yang mendefinisikan fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik dengan tanpa akseptor elektron eksternal.

Gula adalah bahan yang umum dalam fermentasi. Beberapa contoh hasil fermentasi adalah etanol, asam laktat, dan hidrogen. Akan tetapi beberapa komponen lain dapat juga dihasilkan dari fermentasi seperti asam butirat dan aseton. Ragi dikenal sebagai bahan yang umum digunakan dalam fermentasi untuk menghasilkan etanol dalam bir, anggur dan minuman beralkohol lainnya. Respirasi anaerobik dalam otot mamalia selama kerja yang keras (yang tidak memiliki akseptor elektron eksternal), dapat dikategorikan sebagai bentuk fermentasi yang menghasilkan asam laktat sebagai produk sampingannya. Akumulasi asam laktat inilah yang berperan dalam menyebabkan rasa kelelahan pada otot.

Tabel 1. Klasifikasi Fermentasi

Tipe	Reaksi	Organisme
Fermentasi Alkohol Fermentasi Homolaktat Fermentasi Heterolaktat Asam Propionat Asam Campuran Asam Butirat Butanol Kaproat Homoasetat Methanogenik	Hexose--àEthanol +Co2 Hexose --àAsam Laktat Hexose---à Asam Laktat, Ethanol, Co2  Laktat---àPropionat Asetat,  Co2  Hexosa--àEthanol 2,3-Butanol, Suksinat, Laktat,Asetat, Format, H2 + Co2 Hexose --àButyrat Acetat, H2 + Co2 Hexose --à Butanol, Asetat, Aceton, Ethanol, H2 + Co2 Ethanol + Asetat + Co2---à Kaproat + Butyrat + H2 H2  + Co2 --à Asetat Asetat --à Ch4 + Co2	Yeast Zymomonas Streptococcus Bbrp Laktobacillus Leuconostoc Bbrp Laktobacillus Propionibacterium, Clostridium Propionicum Bakteri Enterik : Escherichia, Salmonella, Shigella, Klebsiela Clostridium Butyricum Clostridium Butyricum Cl. Kluyveri Cl. Aceticum Acetobacterium Methanotrhrix Methanosarcina

Adapun tipe-tipe fermentasi dan reaksinya adalah sebagai berikut:

1.    Fermentasi Alkohol

Beberapa jasad renik seperti ragi, glukosa dioksidasi menghasilkan etanol dan CO₂ dalam proses yang disebut fermentasi alkohol. Jalur metabolisme proses ini sama dengan glikolisis sampai dengan terbentuknya piruvat. Dua tahap reaksi enzim berikutnya adalah reaksi perubahan asam piruvat menjadi asetaldehida, dan reaksi reduksi asetaldehida menjadi alkohol. Dalam reaksi pertama piruvat didekarboksilasi diubah menjadi asetaldehida dan CO₂  oleh piruvat dekarboksilase, suatu enzim yang tidak terdapat dalam hewan. Reaksi dekarboksilase ini merupakan reaksi yang tak reversible, membutuhkan ion Mg²⁺ dan koenzim tiamin pirofosfat. Reksi berlangsung melalui beberapa senyawa antara yang terikat secara kovalen pada koenzim. Dalam reaksi terakhir, asetaldehida direduksi oleh NADH dengan enzim alkohol dehidrogenase, menghasilkan etanol. Dengan demikian etanol dan CO₂ merupakan hasil akhir fermentasi alkohol, dan jumlah energi yang dihasilkan sama dengan glikolisis anaerob, yaitu 2 ATP.

2.    Fermentasi Asam Laktat

Fermentasi asam laktat banyak dilakukan oleh fungi dan bakteri tertentu digunakan dalam industri susu untuk membuat keju dan yoghurt. Aseton dan methanol merupakan beberapa produk samping fermentasi mikroba jenis lain yang penting secara komersil. Dalam fermentasi asam laktat, piruvat direduksi langsung oleh NADH untuk membentuk laktat sebagai produk limbahnya, tanpa melepaskan CO₂. Pada sel otot manusia, fermentasi asam laktat dilakukan apabila suplay oksigen tubuh kurang. Laktat yang terakumulasi sebagai produk limbah dapat menyebabkan otot letih dan nyeri, namun secara perlahan diangkut oleh darah ke hati untuk diubah kembali menjadi piruvat.

Bakteri asam laktat mampu mengebah glukosa menjadi asam laktat. Bakeri tersebut adalah Laktobbacillus, Streptococcus, Leuconostoc, Pediococcus  dan Bifidobacterium. Ada 2 kelompok fermentasi asam laktat, yaitu homofermentatif dan heterofermentatif. Homofermentatif menggunakan glikolisis melalui jalur EMP dan heterofermentatif menggunakan glikolisis melalui jalur HMP.

a.        Fermentasi Asam Laktat Homofermentatif

Bakteri asam laktat homofermentatif menghasilkan mayoritas asam laktat dengan sedikit produk samping, yaitu gliserol, etanol, asetat, format dan CO₂. Bakteri asam laktat homofermentatif mengoksidasi glukosa menjadi 2 asam piruvat melalui jalur EMP. Pada jalur itu menghasilkan 2 ATP. NADH yang dihasilkan pada jalur itu dipakai untuk mereduksi piruvat menjadi asam laktat. Adanya produk samping, karena bakteri asam laktat homofermentatif mempunyai berbagai enzim yang dapat mengubah piruvat menjadi etanol dan CO₂, asetat, format, serta laktat. Jika piruvat tidak segera diubah menjadi produk di atas, NADH dipakai untuk mereduksi dihidroksi aseton fosfat menjadi gliserol.

b. Fermentasi asam laktat  Heterofermentatif

Pada fermentasi asam laktat heterofermentatif bakteri yang dikibatkan adalah bakteri gram positif yang tidak membentuk spora dan dapat memfermentasikan karbohidrat untuk menghasilkan asam laktat, yakni umumnya menggunakan bakteri Leuconostoc dan Streptococcus. Bakteri asam laktat heterofermentatif selain menghasilkan asam laktat juga menghasilakn CO2, etanol (umumnya), dan asam asetat. Hal tersebut disebabkan karena mereka mengoksidasi glukosa menjadi asam piruvat dan asetil fosfat melalui HMP. Piruvat kemudian direduksi menjadi asam laktat, sedangkan asetil fosfat kemudian direduksi menjadi etanol. Pada heterofermentatif, tidak ada aldolase dan heksosa isomerase tetapi menggunakan enzim fosfoketolase dan menghasilkan CO₂. Metabolisme heterofermentatif dengan menggunakan heksosa (golongan karbohidrat yang terdiri dari 6 atom karbon) akan melalui jalur heksosa monofosfat atau pentosa fosfat Pada jalur berikut menghasilkan 1 ATP. 

 

Urutan reaksi pada jalur tersebut yaitu pertama-tama glukosa akan difosforilasi menjadi Glukosa 6-fosfat dengan bantuan heksokinase. Glukosa 6-fosfat menjadi 6-Fosfoglukonolakton dengan bantuan 6-fosfat dehidrogenase (terjadi pembentukan NADPH). 6-Fosfoglukonolakton direduksi (didehidrasi) menjadi 6-fosfoglukonat dengan bantuan laktanase. 6-Fosfoglukonat didekarboksilasi menjadi Ribulosa 5-fosfat yang dibantu oleh 6-Fosfoglukonat dehidrogenase (terjadi pembentukan NADPH). Kemudian, Ribulosa 5-fosfat diisomerasi menjadi Xilulosa 5-fosfat dengan bantuan Ribulosa 5-fosfat epimerase. Xilulosa 5-fosfat dipecah menjadi Gliseraldehid 3-fosfat dan Asetil fosfat yang dibantu oleh fosfoketolase. Pada Gliseraldehid 3-fosfat akan diubah menjadi piruvat kemudian akan menjadi asam laktat yang dibantu oleh laktat dehidrogenase, sedangkan pada Asetil fosfat akan dipecah menjadi Asetaldehid dan Asetat (jarang terjadi). Pada Asetaldehid fosfat akan kembali dipecah menjadi Etanol.

 

Bakteri Streptococcus mutans mempunyai kemampuan dalam memfermentasi glukosa menjadi asam laktat (heterofermentatif) dalam suasana aerob. Pada kondisi aerob NADH dioksidasi menjadi NAD⁺ dengan bantuan oksigen dan NADH oksidase. Oleh karena itu, terdapat perubahan produk, etanol diubah menjadi asetil KoA dan kemudian menjadi asetat. Perubahan asetil KoA menjadi asam asetat menghasilkan ATP. Jamur Rhizopus oryzae juga mempunyai kemampuan memfermentasi karbohidrat (pati dan glukosa) menjadi etanol dan asam laktat secara aerob. (Purwoko, 2007)

  

    Fermentasi Propionat

Propionat merupakan produk akhir fermentasi gula dan pati. Sebagian besar energi yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan produksi laktosa diperoleh dari propionat. Bahan dengan kandungan karbohidrat mudah terfermentasi sehingga menghasilkan propionat dan butirat relatif lebih tinggi daripada asetat. Propionat dianggap lebih efisien sebagai sumber energi karena fermentasi dalam produksi propionat menghasilkan lebih sedikit gas metan dan karbondioksida. Propionat, asetat, dan karbon dioksida merupakan produk utama dari fermentasi laktat, glukosa dan gliserol oleh Propionibacterium, Veillonella, Bacteroides, dan beberapa Clostridium spp. Hipotesis awal menyatakan bahwa langkah awal fermentasi propionat adalah dehidrasi laktat menjadi akrilat. Akrilat kemudian diredukasi menjadi propionat. Rute tersebut teramati pada Clostridium propionicum, Bacteroides rumocola, dan Peptostreptococcus. Pada Propionibacterium dan Veillonella pembentukan propionat melalui rute yang lebih kompleks. (Purwoko, 2007)

a.      Pada Clostridium propionicum

Clostridium propionicum mampu memfermentasi asam laktat menjasi asetat (melalui jalur asetil KoA) dan propionat (memlalui jalur akrilil KoA) dan menghasilkan 1 ATP. Satu molekul laktat didehidrogenasi menjasi piruvat oleh laktat dehidrogenase. Piruvat didehidrogesi dan dekarboksilasi menjadi asetil KoA oleh piruvatferedoksin oksidoreduktaase. Gugus fosfat menggantikan gugus KoA oleh fosfotransasetilase, sehingga Asetil KoA diubah menjadi asetil fosfat. Asetil fosfat didefosforilasi (dikopling dengan sintesis ATP) menjadi asetat oleh asetatkinase. Pada jalur tersebut menghasilkan 1 ATP, 1 CO₂, dan 4 elektron. Empat elektron dipakai untuk mereduksi 2 molekul laktat menjadi 2 molekul propionat. Gugus KoA (berasal dari propionil KoA) ditransfer ke laktat oleh KoA transferase, sehingga menjadi laktil KoA. Laktil KoA terdehidrasi menjadi akrilil KoA. Reaksi itu dikatalis oleh akrililase. Akrilil KoA direduksi menjadi propionil KoA oleh pripionil KoA dehidrogenase. Propionil KoA diubah menjadi propionat. 

 

a.      Pada Propionibacterium

Propionibacterium memfermentasi laktat, triosa, dan heksana menjadi propionat (jalur suksinat propionat), asetat (jalur asetil KoA), dan karbon dioksida. Tiga molekul laktat diubah menjadi tiga molekul piruvat oleh laktat dehidrogenase. Satu molekul piruvat diubah menjadi satu molekul asetat sama seperti C. propionicum. Fermentasi laktat menjadi asetat menghasilkan 2 elektron dan perubahan 2 molekul laktat menjadi 2 molekul piruvat menghasilkan 6 elektron. Delapan electron tersebut dipakai untuk mereduksi piruvat menjadi propionat. Piruvat dikarboksilasi (berasal dari dekarboksilasi metilmalonil KoA) menjadi oksaloasetat oleh transkarboksilase. Reduksi oksaloasetat menjadi malat oleh malat dehidrogenase. Malat dihidrasi menjadi fumarat oleh fumarase. Fumarat direduksi menjadi suksinat oleh fumarat reduktase. Transfer gugus KoA (berasal dari propionil KoA) ke suksinat, sehingga menjadi suksinil KoA. Reaksi itu dikatalis oleh suksinil KoA transferase. Rearansemen suksinil KoA menjadi metal malonil KoA oleh transkarboksilase, sehingga menjadi propionil KoA. Propionil KoA diubah menjadi propionat. Secara teoritis rasio propionat dan asetat adalah 2, tetapi tidak jarang rasionya lebih dari 2.

  

Tampak bahwa reduksi piruvat menjadi suksinil KoA merupakan rute pada jalur reduktif-asam sitrat. Jadi, boleh dikatakan bahwa fermentasi propionat pada Propionibacterium melalui jalur reduktif-asam sitrat. Produksi propionat dan asetat dapat ditingkatkan, jika gas CO2 diturunkan.

Tabel 2. Fermentasi propionat oleh Propionibacterium (mmol/100mmol Glukosa)

Bakteri	Substrat	Propionat	Asetat	CO2	Suksinat	Rasio P/A
P. freudenreichii	Glukosa	134,0	52,6	46,2	12,6	2,56
P. freudenreichii	Laktat	63,5	35,3	35,8	37,8	1,8
P. freudenreichii	Gliserol	100,0	9,9	6,9	11,7	10,0
P. shermanii	Glukosa	140,0	56,8	56,4	12,0	2,46
P. shermanii	Laktat	62,5	36.5	37,0	9,3	1,7
P. shermanii	Gliserol	102,0	10,6	7,3	11,2	10,0
P. peterssonil	Glukosa	114,0	54,0	51,0	11,1	2,1
P. arabinosum	Glukosa	148,0	10,0	63,6	7,9	14,8

Sumber: Purwoko, Tjahjadi. 2007. Fisiologi Mikroba. Jakarta: PT. Bumi Aksara

1.    Fermentasi Butirat

Fermentasi butirat dilakukan oleh Clostridium sp. yang merupakan bakteri penghasil spora heterogenus sebagai sakarolitik dan proteolitik. Tergolong bakteri anaerob. Berbentuk batang lurus atau agak bengkok dengan ujung bulat, herukuran 0,7 mikron x 5,0 terpisah-pisah, berpasangan dalam rantai pendek; kadang-kadang membentuk filamen pañjang, dapat bergerak secara aktif. Spora berbentuk bulat telur, eksentrik atau sub-terminal membentuk clostridium. Bersifat gram positif yang dapat berubah menjadi gram negatif. Mengubah susu lakmus menjadi asam, cepat menggumpal dan kehilangan warna. Tumbuh baik pada suhu antara 30° dan 37° C. Dapat dikucilkan dan keju, susu yang asam, bahan-bahan nabati berpati yang mengalami fermentasi Asam butirat dan dan tanah. Dalam fermentasi menghasilkan asam butirat, asam cukak, butanol dan isopropanol.

Clostridium proteolitik sangat penting untuk mendekomposisi anaerob yang disebut putrefaction. Clostridium butyricum mampu memfermentasi karbohidrat menjadi butirat dengan produk lain seperti gas hidrogen, karbon dioksida, dan sedikit asetat.

Glukosa dipecah menjadi piruvat melalui EMP (menghasilkan 4 elektron dan 2 ATP). Piruvat didekarboksilasi oleh piruvatferedoksi eksidoreduktase menjadi asetil KoA dan CO₂ . H₂ diperoleh dari aktivitas oksidasi hidrogenase terhadap feredoksin. Dua molekul asetil KoA dan CO₂ berkondensasi menghasilkan asetoasetil KoA dengan bantuan asetil KoA asetiltransferase. Asetoasetil KoA direduksi menjadi Beta-hidroksibutiril KoA oleh dehidrogenase. Beta-Hidroksibutiril KoA didehidrasi menjadi krotonil KoA oleh krotonase. Krotonil KoA direduksi menjaadi butiril KoA oleh butiril KoA dehidrogenase. Penggantiaan gugus KoA oleh fosfat mengakibatkan butiril KoA menjadi butiril fosfat.  Reaksi tersebut dikatalisis oleh fosfotransbutirilase. Butiril fosfat didefosforilasi menjadi butirat oleh butirat kinase.

Clostridium tyrobutyricum mampu memproduksi butirat dan asetat dari glukosa. Untuk menurunkan produksi asetat, gen pta yang mengkode aseta kinase dapat dihilangkan. Meskipun gen pta dihilangkan tetapi Clostridium tyrobutyricummasih mampu menghasilkan asetat.

Bakteri rumen Butyrivibrio fibrisolvens mampu memfermentasi glukosa menjadi butirat. Fermentasi glukosa menjadi butirat oleh Butyrivibrio fibrisolvensmelalui jalur yang sama dengan Clostridium. Pada fase pertumbuhan tinggi (fase eksponensial) glukosa difermentasi menjadi butirat, asetat, H₂, dan CO₂ . Asetat merupakan produk samping dan diperoleh dari fosforilasi asetil KoA menjadi asetil fosfat oleh fosfotransasetilase. Asetil fosfat kemudian didefosforilasi menjadi asetat oleh asetat kinase.

Tabel 3 . Perbandingan Kadar Produk pada fermentasi Butirat dan Butanol-Aseton oleh Clostridium dan Butyrivibrio (mmol/100 mmol glukosa)

Produk	C. saccharo-butyricum	C. aceto- butylicum	C. butylicum	C. thermosac- charolyticum	B.  aceto- ethylicum	B. polymyxa
CO2 H2 Asetat Butirat Format Laktat Etanol Butanol Aseton Isopropanol Asetoin 2,3-Butandiol	195,5 233,0 42,6 75,3 Sedikit	220,0 165,9 24,8 7,1 4,9 47,4 22,3 5,7	207,0 111,1 20,3 14,5 50,2 18,0	174,0 229,4 48,5 59,5 25,7	215,0 137,0 16,0 10,0 122,0 28,0 12,0	195,0 54,0 5,0 95,0 4,5 6,0 39,0
Recoveri C (%)	97,0	98,0	93,5	98,0	105,0	100,0