X. DTM Enzim & Aplikasinya Di Industri
-
Upload
eko-nopianto -
Category
Documents
-
view
873 -
download
32
Transcript of X. DTM Enzim & Aplikasinya Di Industri
Enzim & Aplikasinya di Industri
Departemen Teknologi Industri PertanianFATETA - IPB
2008
m.k DASAR TEKNOLOGI MIKROBIALTIN 232 / 2 (2-0)
Sejarah Penggunaan Enzim
1984 : Enzim pertama yg diproduksi secara industri : takadiastase sbg bahan farmasi untuk mengatasi gangguan pencernaan (USA)
1915 : Tryptic Enzyme digunakan untuk laundry
1969 : 80 % deterjen laundry menggunakan protease - lipase, amilase, pektinase, oksidoreduktase untuk eksperimen industri deterjen
Amilase & amiloglukosidase untuk produksi glukosa dari pati aplikasi di industri yg baru
1965 : Rennin mikrobial untuk produksi keju (pengganti rennin anak sapi)
1970 : Glukosa isomerase untuk produksi fruktosa
Prospek aplikasi enzim meningkat :
- Pengembangan genetika mikrobial yield tinggi
- Optimasi kondisi kultivasi dgn cara : induksi produksi enzim, penggunaan nutrien murah dan penggunaan optimal komponen larutan nutrien
- Ekstraksi enzim dari sel menggunakan metode pemecahan sel yg baru
- Proses purifikasi canggih : e.g. khromatografi , presipitasi
- Pengembangan proses imobilisasi dan daur-ulang penggunaan
- Produksi enzim secara sinambung dgn bioreaktor yg lebih kecil
Sumber Enzim Aplikasi
Jack bean (Canavalia ensiformis)
Urease Diagnostik
Papaya (Carica papaya) Papain Baking, Dairy, penyamakan kulit, pengempuk daging, penjernih bir
Fig (Ficus carica) Ficin Pengempuk daging
Nenas (Ananas comosus) Bromelin Baking (reduksi gluten kompleks)
Horseradish (Armoracia rusticana)
Peroksidase Diagnostik
Almond (Amydalus communis)
Β-glukosidase Penelitian
Gandum (Triticum aestivum) Esterase Sintesis & hidrolisis ester
Barley (Hordeum vulgare) Β-amilase Baking, sirup maltosa
Kacang kedele (Glycine max) Β-amilase Baking, sirup maltosa
SUMBER ENZIM
ENZIM DARI TANAMAN
Sumber Enzim
Sapi, biri-biri, babi Diastase (amilase), pre-gastric esterase, lipase, pepsin, tripsin, fitase, khimosin (rennin), fosfolipase
Telur ayam Lisozim
Urine Urokinase
ENZIM DARI HEWAN
ENZIM DARI MIKROBA
• Perkembangbiakan t <• Rendemen ekonomis• stabil
Important Industrial Enzymes
Invertase
Glukosa oksidase
Katalase
Lipase
Enzyme pH Opt
TempOpt up to
Reactionmicroorganism
Important Industrial Enzymes
Karakteristik Beberapa Enzim Penting
Penting diketahui untuk aplikasinya :
- α-Amilase
-Amiloglukosidase (AMG)
- Protease
- Lipase
α-Amilase (1,4-α-glukan-glukanohidrolase)
Enzim -amilase terdistribusi secara luas di alam, terdapat padahewan, tumbuhan dan berbagai marga protista.
Menghidrolisis pati secara acak melalui bagian dalam (endo-hydrolase)
dgn memutus ikatan -(1,4) glikosidik pada amilosa, amilopektin danGlikogen
Enzim -amilase umumnya diisolasi dari Bacillus amyloliquefaciens, B. licheniformis, Aspergillus oryzae dan A. niger
pH optimum untuk enzim ini sekitar 6 dengan suhu optimum 60oC
Enzim -amilase yang dibuat oleh Novo Industri A/S antara lain adalah Termamyl yang memiliki ketahanan terhadap suhu sekitar 95 – 110oC
dosis enzim yang digunakan sekitar 0,5 – 0,6 kg/ton pati atau 1500 U/kg substrat kering
Ikatan α-1,6-glikosidik
Ikatan α-1,4-glikosidik
Struktur Amilosa
Struktur Amilopektin
Hidrolisis amilosa oleh α-amilase terjadi melalui dua tahap :
1. Tahap pertama adalah degradasi polimer pati menjadi maltosa dan maltotriosa yang terjadi secara acak. Degradasi ini sangat cepat diikuti dengan menurunnya viskositas secara cepat.
2. Tahap kedua relatif lebih lambat dengan pembentukan glukosa dan maltosa sebagai hasil akhir.
Hidrolisis amilopektin oleh α-amilase menghasilkan glukosa, maltosa dan berbagai jenis α-limit dekstrin, yaitu oligosakarida yang terdiri dari empat atau lebih residu glukosa yang mengandung ikatanα-1,6- glikosidik.
amilopektin
amilosa
Amiloglukosidase (AMG) (glukoamilase, gamma-amilase)
Eksoenzim yang memecah ikatan -(1,4) dengan melepaskan unit- unit glukosa dari ujung non-pereduksi molekul amilosa dan amilopektin.
Enzim ini juga dapat memotong ikatan α-1,6-glikosidik akan tetapi Kerjanya relatif lambat perlu penggabungan dgn debrancing enzyme untuk mempercepat hidrolisis pada ikatan α-1,6-glikosidik. Salah satunya adalah penggunaan pullulanase yang dapat bekerja cepat memotong ikatan α-1,6-glikosidik pada amilopektin menjadi maltosa dan maltotriosa Dextrozyme
amilopektin
amilosa
Amiloglukosidase diproduksi dalam jumlah besar dari kapang dan khamir hanya Aspergillus dan Rhizopus yang digunakan secara komersial
Suhu optimum untuk enzim amiloglukosidase berkisar 40-60oC dengan pH optimum sekitar 3-8
Digunakan dengan dosis berkisar 0,65 – 0,80 liter enzim per ton pati dengan dosis sebesar 200 U/kg pati
Amiloglukosidase yang berasal dari Novo tersedia dalam bentuk cair
Protease
Aplikasi terutama pada industri deterjen dan keju (rennin)
Penggunaan lain : industri farmasi, industri kulit, pembuatan protein hidrolisat, industri makanan, industri film dan penanganan limbah
Mikroba penghasil protease :
Protease alkali : - Stabil terhadap suhu tinggi, pH 9-11, chelating agent - Bacillus licheniformis, B. amyloliquefaciens, B.megaterium, B.pumilus - Streptococcus griceus, S. fradiae, S.rectus - Aspergillus niger, A. sojae, A.oryzae, A. flavus - Tepung protease dpt menyebabkan alergi, shg dibuat partikel (+ polietilen glikol)
Protease Netral : - Relatif tidak stabil thd pH, suhu & dpt diinaktivasi oleh protease alkali - Aplikasi : industri kulit & industri makanan (crackers, roti dll)
Protease Asam-Aktif pada suasana asam, contoh : rennin & pepsin (pH opt 2-3)-Aplikasi : - kebanyakan untuk bidang kedokteran - Protease dari Aspergillus untuk memecah gluten pada pemanggangan
Rennin-Kultur starter mengubah laktosa pada susu menjadi asam laktat yg menurunkan pH sd titik isoelektrik kasein susu , sehingga menggumpal - Mikroba penghasil : S. lactis, S. cremoris, S. thermophilus,
Lactobacillus bulgaricus, L. helveticus
Lipase (Gliserol ester hydrolase) Memutus lemak menjadi di atau monogliserida dan asam lemak
Mikroba penghasil : Kapang : Aspergillus, Mucor, Rhizopus, Khamir : Candida
pH optimum netral atau agak asam, suhu optimum 30 – 45 0C
Aplikasi : - farmasi : enzim pencernaan (suplemen lipase pankreas) - Industri susu (pematangan keju)
Important Applications of α-Amylase
Suspensi pati
GelatinasiPati(95-105 0C)
α-Amilase bakteri(pH 6.0-6.6, 105oC, 5 mnt atau 95oC 1-2 jam
Maltodekstrin
Sakarifikasi
Glukoamilase atauGlukoamilase+ PululanasepH 4.0-4.5, 60oC, 48-72 jam
Sirup Glukosaα-Amilase kapang+ glukoamilasepH 5.0, 55oC, 42 jam
Sakarifikasi
Sakarifikasi
Sirup Glukosa
Amilase kapang atauβ-amilasepH 5.5, 55oC, 42 jam
Sirup Maltosa
Kolom Penukar Ion
Isomerisasi Glukosa isomerasepH 7.5-8.5, 60-65oC, 2-4 jam
Sirup FruktosaSirup FruktosaBerkadar tinggiPemurnian
Produksi Sirup Glukosa
Pati Sagu
Suspensi Pati Sagu 30%
Likuifikasi (90oC)Waktu Likuifikasi 210 mnt
-amilase 1,75 U/g pati
Sakarifikasi (60oC, pH 4,5)
Waktu Sakarifikasi 48 jam
AMG0,3 U/g pati
Hasil proses likuifikasi
CaCO3 Pencampuran akuades
Gelatinisasi
Pengaturan pH 6.2NaOH
Dekolorisasi1 jam 80 oC
Penyaringan
Hasil Proses Sakarifikasi
Sirup Glukosa
Arang Aktif 2 % bk pati
Gambar 1. Proses Hidrolisis Pati Sagu
Rendemen sirup glukosa = 63,27%.
Nilai ekuivalen dekstrosa = 98,9 %
Application Enzymes used Uses
Baking industryalpha-amylase catalyzes the release of sugar monomers from starch
Fungal alpha-amylase enzymes are normally inactivated at about 50 degrees Celsius, but are destroyed during the baking process.
Catalyze breakdown of starch in the flour to sugar. Yeast action on sugar produces carbon dioxide. Used in production of white bread, buns, and rolls.
ProteasesBiscuit manufacturers use
them to lower the protein level of flour.
Baby foods
Tripsin To predigest baby foods.
Brewing industry Germina-ting barley used for malt.
Enzymes from barley are released during the mashing stage of beer production.
They degrade starch and proteins to produce simple sugar, amino acids and peptides that are used by yeast for fermentation.
Industrially produced barley enzymes
Widely used in the brewing process to substitute for the natural enzymes found in barley.
Amylase, glucanases, proteases
Split polysaccharides and proteins in the malt.
Betaglucanases and arabinoxylanases
Improve the wort and beer filtration characteristics.
Amyloglucosidase and pullulanases
Low-calorie beer and adjustment of fermentability.
ProteasesRemove cloudiness produced during storage of beers.
Acetolactatedecarboxylase (ALDC)
Avoid the formation of diacetyl
Fruit juices
Cellulases, pectinases Clarify fruit juices
Dairy industry
Roque-fort cheese
Rennin, derived from the stomachs of young ruminant animals (like calves and lambs).
Manufacture of cheese, used to hydrolyze protein.
Microbially produced enzymeNow finding increasing use in the dairy industry.
Lipases
Is implemented during the production of Roquefort cheese to enhance the ripening of the blue-mould cheese.
LactasesBreak down lactose to glucose and galactose.
Meat tenderi-zers
Papain To soften meat for cooking.
Starch industry Amylases, amyloglucosideases and glucoamylases
Converts starch into glucose and various syrups.
Glucose isomerase
Converts glucose into fructose in production of high fructose syrups from starchy materials. These syrups have enhanced sweetening properties and lower calorific values than sucrose for the same level of sweetness.
Paper industry
A paper mill in South Carolina.
Amylases, Xylanases, Cellulases and ligninases
Degrade starch to lower viscosity, aiding sizing and coating paper. Xylanases reduce bleach required for decolorising; cellulases smooth fibers, enhance water drainage, and promote ink removal; lipases reduce pitch and lignin-degrading enzymes remove lignin to soften paper.
Biofuel industry
CellulasesUsed to break down cellulose into sugars that can be fermented (see cellulosic ethanol).
Ligninases Use of lignin waste
Biological detergent
Laundry soap
Primarily proteases, produced in an extracellular form from bacteria
Used for presoak conditions and direct liquid applications helping with removal of protein stains from clothes.
AmylasesDetergents for machine dish washing to remove resistant starch residues.
LipasesUsed to assist in the removal of fatty and oily stains.
Cellulases Used in biological fabric conditioners.
Contact lens cleaners
ProteasesTo remove proteins on contact lens to
prevent infections.
Rubber industry CatalaseTo generate oxygen from peroxide to
convert latex into foam rubber.
Photographic industry
Protease (ficin)Dissolve gelatin off scrap film,
allowing recovery of its silver content.
Molecular biology
Part of the
DNA double helix.
Restriction enzymes, DNA ligase and polymerases
Used to manipulate DNA in genetic engineering, important in pharmacology, agriculture and medicine. Essential for restriction digestion and the polymerase chain reaction. Molecular biology is also important in forensic science.
Keuntungan Imobilisasi :
1. Dapat digunakan berulang2. Penghentian proses cepat (diambil dengan filtrasi, laju alir
<<)3. Kestabilan lebih baik dengan adanya ikatan pada
imobilisasi.4. Hasil tidak terkontaminasi enzim untuk pangan dan
farmasi5. Dapat digunakan untuk tujuan analisis6. Dapat digunakan untuk proses kontinyu7. Pengontrolan lebih baik
DEFINISI ENZIM IMOBIL (Chibata, 1978)Enzim yang secara fisik ditempatkan di dalam suatu daerah/ruang tertentu, sehingga dapat menahan aktivitas katalitiknya serta dapat digunakan secara berulang-ulang dan kontinyu. Pengikatan enzim pada carrier atau enzim lain, tidak boleh menngubah struktur 3 dimensi pada sisi aktif molekul Gugus fungsi pada molekul enzim yg cocok untuk imobilisasi : gugus karboksil, amino, fenil, hidroksil, sulfuhidril atau imidazol
METODE IMOBILISASI ENZIM
“Carrier –binding” “Cross-linking” “entrapping”
Adsorpsi Fisik
Ikatan Kovalen
Ikatan Ionik
Jenis Mikrokapsul
Jenis Kisi
Glucose Isomerase Catalysts
Aplikasi Enzim Imobil di Industri
1. Produksi Fruktosa dari Glukosa (HFS)Glukosa Fruktosa
Glukoisomerase imobil (DEAE-Selulosa)
Glukoisomerase : Intraseluler Mahal
2. Produksi L-asam amino (e.g L-Methionin) bentuk yg dpt diserap tubuh Hasil reaksi kimia = campuran asam amino : asetil D&L asam
amino (rasemat) + aminoasilase imobil (DEAE-Sephadex) terjadi deasilasi hanya yg bentuk L
3. Produksi Antibiotika APA (6-amino penicillanic acid) Benzil Penisilin + penisilin amidase imobil (selulosa asetat) APA APA + gugus metil α-metil benzil penisilin (=Ampisilin, antibiotika spektrum luas)
Sistem Monitoring GlukosaKolom kapiler
Glu.oksidaseimobil
Elektroda O2
Recording elektrometer
Contoh (lar glukosa)
GlukosaO2
Glukosidase Glukonolakton + H2O2
O2 diukur dengan elektroda
Faktor Pembatas Aplikasi Enzim Imobil
1.Faktor Ekonomi carrier mahal2.Efisiensi rendah3. Kestabilan operasi rendah4.Peralatan kompleks (sistem kultivasi sinambung)