Tags

, , , , , , , , ,

hanya berbagi sedikit hasil ulasan untuk tugas kuliah Biotek Mikro yg disampaikan oleh Prof. Dr. Ni Nyoman Tri Puspaningsih Program Master (Maap, tulisannya blm berisi, hanya ingin sekedar share….^-^)

Eksplorasi Enzim Xilanase untuk Aplikasi Industri Kertas sebagai Agen Biobleaching: Analisis Variasi Sumber Enzim dari Berbagai Mikroorganisme

 M. Z. Fanani

 Program Magister Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga

Kampus C UNAIR Mulyorejo Surabaya.

Ringkasan

Aplikasi enzim xilanase pada industri kertas mempunyai peluang nilai ekonomi pada pemanfaatan bioteknologi mikroorganisme untuk bioindustri. Aplikasi enzim xilanase pada proses kraft membutuhkan karakteristik yang cukup ekstrim, yaitu pada pH dan suhu tinggi. Oleh karena itu perlu adanya strategi yang tepat untuk melakukan upaya pemanfaatan enzim xilanase dari mikroorganisme tertentu. Dalam makalah ini telah dilakukan analisis berbagai mikroorganisme sumber enzim xilanase dengan karakteristik tertentu yang potensial untuk aplikasi di industri kertas. Hasil analisis menunjukkan bahwa enzim xilanase yang berasal dari archaea lebih menunjukkan potensi sebagai sumber mikroorganisme penghasil enzim xilanase karena enzim xilanase yang dihasilkan lebih bersifat hipertermofilik dan hipertermostabil, sehingga diharapkan dalam aplikasinya enzim xilanase dari archaea dapat bekerja secara maksimal.

Pendahuluan

            Industri kertas menggunakan bahan baku utama berupa pulp dari hasil pengolahan serat tumbuhan. Sebagai konsekuensinya diperlukan pengolahan serat campuran antara selulosa, hemiselulosa dan lignin untuk menghasilkan pulp dengan kualitas yang baik. Produksi pulp secara komersial dilakukan dengan menggunakan proses kraft, yaitu dengan menggunakan perlakuan suhu dan pH yang tinggi untuk mendegradasi dan melarutkan lignin yang berasosiasi dengan selulosa dan hemiselulosa. Pulp hasil produksi menggunakan metode kraft berwarna kecoklatan yang disebabkan oleh residu lignin dan turunan lignin (Shoham et al., 1993). Kemudian untuk mengatasi hal tersebut, maka industri melakukan pemutihan menggunakan agen pemutih yaitu klorin. Pemakian klorin ini biasa digunakan untuk pemutihan pulp karena murah dan efektif untuk memutihkan pulp. Namun penggunaan klorin secara terus menerus dalam jumlah banyak menyebabkan pencemaran lingkungan dan memerlukan perlakuan khusus pada limbah yang dihasilkan.

            Banyak upaya dilakukan untuk mengurangi dan menggantikan penggunaan klorin di industri kertas, salah satunya yaitu menggunakan agen biobleaching. Agen biobleaching ini merupakan molekul protein yang berfungsi sebagai biokatalisator yang mampu mereduksi penggunaan klorin di industri kertas. Biokatalisator yang berfungsi sebagai agen biobleaching industri kertas adalah enzim xilanase, sehingga eksplorasi enzim xilanase untuk aplikasi industri kertas mempunyai aspek potensian bioteknologi industri yang potensial.

            Enzim xilanase dapat digunakan sebagai agen biobleaching karena enzim xilanase mampu memotong ikatan antara xilan pada selulosa yang berikatan dengan lignin, sehingga dengan memotong xilan menjadi monomernya,dapat melepaskan lignin dengan selulosa. Enzim xilanase dapat dihasilkan dari berbagai mikroorganisme, diantaranya yaitu domain eukariot, prokariot dan archaea. Masing-masing mikroorganisme tersebut dapat menghasilkan enzim xilanase yang mampu menghidrolisis xilan menjadi gula-gula sederhana yaitu xilosa. Oleh karena itu, jika dilakukan eksplorasi enzim xilanase dari mikroorganisme memberikan peluang bernilai ekonomi dalam penggunaan mikroorganisme di industri kertas dapat memberikan peluang dari hasil kekayaan biodiversitas. Akan tetapi untuk aplikasi industri kertas, perlu diperhatikan sumber enzim xilanase yang digunakan karena penggunaan enzim xilanase nantinya berhubungan dengan proses kraft pulping. Oleh sebab itu, dalam makalah ini akan dilakukan analisis pemilihan sumber mikroorganisme penghasil enzim xilanase yang memiliki karakter sesuai dengan proses kraft. Analisis dilakukan dengan melakukan studi literatur dari berbagai jurnal yang telah dipublikasi, sehingga diharapkan dapat menjawab permasalahn yang telah diuraikan dalam makalah ini.

Aplikasi Enzim Xilanase di Industri Kertas

            Industri kertas menggunakan bahan baku pulp untuk memproduksi kertas-kertas 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 (gomen ne, lupa sumbernya)

             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).

Gambar 2. Struktur komplek selulosa, hemiselulosa dan lignin.

 Enzim Xilanase

            Enzim-enzim pendegradasi xilan disebut enzim xilanolitik atau enzim xilanase. Macam-macam enzim xilanase antara lain: enzim ekso dan  endo-β-xilanase (EC.3.2.1.8), enzim β-xilosidase (EC.3.2.1.37), enzim α-L-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 (Gambar 3).

Gambar 3. Struktur xilan yang dikenali oleh enzim xilanase (lupa sumbernya dari jurnal mana..Gomen )

Analisis Variasi Sumber Enzim dari Berbagai Mikroorganisme

            Berbagai mikroorganisme telah berhasil diisolasi untuk memproduksi 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 (Tabel 1). 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 80-105οC. 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.

Tabel 1. Variasi karakteristik enzim xilanase dari berbagai mikrooragnisme

            Var

Nama Isolat

Kondisi

Optimum Enzim

Stabilitas Enzim

Referensi

pH

Suhu

pH

Suhu

pH

Suhu

Eu

Actinomadura sp.S14

7.0

55οC

6.0

80οC

5-11

80οC(60 menit)

Sriyapai et al., 2011

Bacillus halorudans

-

37οC

9.0

70-75 οC

5-10

60 (4 jam)

Mamo et al., 2009

Paenibacillus sp. 2s-6

7

37 οC

6.0

50οC

5-8

55οC(4 jam)

Ko et al., 2011

Streptomyces sp.S27

-

-

6.5

65οC

4-12

60οC (30menit)

Li et al., 2009

Arc

Termococus zilligii

7.0

75οC

6.5

80οC

-

100 οC (8 menit)

Uhl and Daniel, 1995

Sulfolobus solfataricus

-

80οC

7.0

90 οC

-

100οC (45menit)

Cannio et al., 2004

Pyrodictium abyssi

5.5

97 οC

6.0

95οC

-

105οC(>100mnt)

Carolina et al., 2001

Pro

Aspergillus ficuum AF-98

5.0

28οC

5.0

45οC

-

-

Fengxia et al., 2007

Laetiporus sulphureus

-

30οC

3.0

80οC

-

60-70οC, 4 jam

Lee et al., 2009

Aspergillus nidulans

10

37οC

8.0

55οC

4-9 (1)

-

Taneja et al., 2002

Aspergillus niger CGMCC1067

-

-

5.0

40 οC

2-8

-

Deng et 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 yaitu15-45οC, sedangkan bakteri menunjukkan habitatnya mesofil-termofil. Tetapi selain mesofil dan termofil, bakteri juga dapat ditemukan didaerah psikrofil-hipertermofil.

            Solfalabus solfataricus termasuk kedalam genera Sulfolabus dimana habitatnya  di terrestrial vulkanik dengan  pH lingkungan sekita 1-5 dan temperatur 90οC. S. solvataricus bersifat anaerob kemolitotrof yang mengoksidasi H2S  atau S menjadi H2SO4 dan juga bisa tumbuh kemoorganotropikal. Gambaran bentuk sel S. solvataricus dapat diamati dari hasil analisis SEM (Gambar 4).

Gambar 4. Hasil analisis struktur S. solvataricus menggunakan SEM (Cannio et al., 2004).

            S. solvataricu dapat tumbuh dikultivasi pada media minimum dan media Brock Bassal yang ditambahkan dengan oat spelt xilan, xilosa dan birchwood. Tetapi Cannio et al (2004) melaporkan bahwa S. solvataricus menunjukkan pertumbuhan terbaik pada media Brock Bassal ditambah dengan 0.2% oat spelt xilan yaitu 4.9U/l. S.solvataricus mensekresikan enzim xilanase ke luar sel, hal ini dapat teramati pada saat skinning aktivitas enzim pada substrat oat spelt xilan 0.2% yaitu terbentuk zona bening (Gambar 5). Secara biokimia, archaea tidak memiliki peptidoglikan dan membran sitplasmanya tidak selalu terdiri dari lipid, yang terdiri dari unit C5 isoprenoid daripada unit C2 dengan asam lemak. Selain itu, rantai isoprenoid melekat pada gliserol melalui ikatan eter. Beberapa rantai panjang hidrokarbon isoprenoid memanjang menembus dan melintasi membran.

Gambar 5. Hasil skring S.solvataricus pada media brock basal yang ditambahkan dengan oat spelt xilan 0.2% (Cannio et al., 2004).

 Kesimpulan

            Hasil analisis menujukkan bahwa enzim xilanase yang diisolasi dari mikroorganisme archaea mempunyai karakteristik yang berbeda dengan enzim yang berasal dari eukariot dan prokariot yaitu bersifat hipertermofilik dan hypertermostabil, sehingga untuk aplikasi enzim xilanase di Industri kertas menggunakan archaea sebagai sumber enzim xilanase mempunyai kelebihan.

Daftar Pustaka

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.

Carolina. M. M., Andrade. C., Aguiar. W.B., Antranikian. G. 2001. Physiological Aspects Involved in Production of Xylanolitic Enzyme by Deep-Sea Hyperthermiphilic Archaeon Pytodictium abyssi. App. Biochem and Biotech. Vol 91-93.

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;1096-1102.

Fengxia. L., Mei. L., Zhaoxin. L., Xiaomei. B., Haizhen. Z., Yi. W. 2008. Purification and characterization of xylanase from Aspergillus ficuum AF-98. Bioresource Technology. 99;3938-3941.

Ko. C.H., Tsai. C.H., Tu. J., Yang. B.Y., Hsieh. D.L., Jane. W.N., Shih. T.L. 2011. Identification of Paenibacillus sp. 2S-6 and application of its xylanase on biobleaching. ibiod. 65;334-339.

Lee. J.W., Park. J.Y., Kwon. M., Choi. I.G. 2009. Purification and characterization of a thermostable xylanase from the brown-rot fungus Laetiporus sulphureus. Jbiosc. Vol. 107. No.1;33-37.

Mamo. G., Kaul. R.J., Mattiasson. B. 2006. A thermostable alkaline active endo-_-1-4-xylanase from Bacillus halodurans S7: Purification and characterization. emt. 39; 1492-1498.

Shoham, Y., Zosim. Z and Rosenberg E. 1993. Partial Decolorization of Kraft Pulp at High Temperature and High pH Values with an Extracelullar Xylanase from Bacillus stearothermophilus. J.Biotech. 30: 123-131.

Sriyapai, T., Somyoonsap. P., Matsui. K., Kawai. P., Chansiri. K. 2011. Cloning of a thermostable xylanase from Actinomadura sp. S14 and its expression in Eschericia coli and Phicia pastoris. Jbiosc. Vol. 111. No. 5; 528-536.

Taneja. K., Gupta. S., Kuhad. R.C. 2002. Properties and application of a partially purified alkaline xylanase from an alkalophilic fungus Aspergillus nidulans KK-99. Bioresources Technology. 85;39-42.

Uhl. A.M., Daniel. R.M. 1999. The first description of an archaeal hemicellulase: the xylanase from Thermococcus zilligii strain AN1. Extremophiles. 3; 263-267.

About these ads