FERMENTATION ENZYME TECHNOLOGY OUTLINE I DEFINISI DAN TUJUAN

FERMENTATION & ENZYME TECHNOLOGY

OUTLINE I DEFINISI DAN TUJUAN FERMENTASI II MIKROORGANISME FERMENTASI III PRODUK FERMENTASI IV PERALATAN FERMENTASI V EFEK FERMENTASI VI TEKNOLOGI ENZIM 2

DEFINISI DAN TUJUAN FERMENTASI q Fermentasi : § Proses disimilasi anaerobik senyawa-senyawa organik oleh aktivitas mikroorganisme atau ekstrak dari sel-sel mikroorganisme tersebut. § Reaksi reduksi oksidasi dalam sistem biologi yang menghasilkan energi dimana senyawa-senyawa organik berperan sebagai donor dan aseptor elektron. q Prinsip : memperbanyak jumlah mikroorganisme metabolismenya dalam bahan pangan. dan menggiatkan q Tujuan : 1. Menghasilkan produk pangan baru menggunakan mikroorganisme 2. Menghasilkan produk pangan berbeda (aroma, rasa, dan tekstur) q Metode menumbuhkan mikroorganisme bermanfaat dalam proses fermentasi 1. Penambahan garam dalam media mengatur pertumbuhan inokulum 2. Mematikan kontaminan: menambahkan starter, mengatur T, dan oksigen, 3 p. H

q Kelebihan proses fermentasi : § Mampu mempertahankan komponen nutrisi dan sensori bahan : mild p. H dan suhu rendah § Menghasilkan produk beraroma dan bertekstur khusus yang sulit dihasilkan oleh metode lain § Hemat energi § Relatif murah dan mudah q Keuntungan pemanfaatan enzim : § Bekerja spesifik dan terkontrol § Mampu mempertahankan komponen nutrisi dan sensori bahan § Mengkonsumsi energi rendah § Menghasilkan produk beraroma dan bertekstur khusus yang sulit dihasilkan oleh metode lain 4

MIKROORGANISME FERMENTASI q Jenis bakteri fermentasi : § Asam laktat : Lactobacillus lactis, L. acidophilus, L. bulgaricus, Leuconostoc mesenteroides, L. dextrancium, Streptococcus thermophylus, S. lactis, Pediococcus cereviceae § Bakteri asam propionat § Bakteri asam asetat § Khamir: Sacharomyces cereviceae § Kapang : Rhizopus oligosporus, Aspergilus, dan Penicillium q Karakteristik mikroorganisme fermentasi : 1. Mampu tumbuh cepat dalam subtrat dan lingkungan yang cocok untuk memperbanya diri 2. Mampu mengatur ketahanan fisiologis 3. Mampu menghasilkan enzim dalam jumlah besar Protease Protein Karbohidrat Khamir Proteosa, Pepton Aldolase Bakteri Asam

q Faktor yang mempengaruhi pertumbuhan mikroorganisme : § Nutrisi : karbon, nitrogen, dan komponen nutrisi spesifik lain § p. H subtrat § Kadar air § Suhu inkubasi § Potensial reduksi-oksidasi § Mikroorganisme pesaing q Sitem operasi : batch dan kontinyu 1. Batch Fase pertumbuhan m. o : a. Fase lag b. Fase logaritmik (eksponensial) ln Cb = ln Co + µt dimana : Co : konsentrasi sel awal Cb : konsentrasi sel setelah t tertentu (massa biomassa) Kurva fase pertumbuhan mikroorganisme µ : pertumbuhan spesifik (h-1) pada proses batch t : lama fermentasi (h atau jam) 6

µmaks : pertumbuhan maksimum (pada fase logaritmik) c. Fase stasioner • Laju pertumbuhan m. o menurunkan dengan menurunnya konsentrasi nutrisi dan/atau akumulasi produk metabolit 2. Kontinyu • Produktivitas tinggi : penambahan subtrat dan panen biomassa kontinyu • Fase logaritmik q Pembagian m. o berdasarkan jumlah produk yang dihasilkan 1. Single product : homofermentative microorganism 2. Mixed products : heterofermentative microorganism 7

PRODUK FERMENTASI q Produk Fermentasi : Makanan yang terbentuk oleh kegiatan enzim-enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme pada bahan organik sehingga memiliki warna, rasa, aroma, tekstur, dan sifat-sifat yang khas (roti, brem, cuka, tape, sayur asin, dln) q Prosedur pembuatan produk fermentasi : 1. Persiapan bahan baku • Grading dan sortasi • Cleaning • Reducing • Pelayuan • Cooking (rebus/kukus) • Cooling Persiapan bahan baku (media tumbuh) Persiapan inokulum Inokulasi Inkubasi Pengolahan Akhir Diagram proses fermentasi 8

2. Penyiapan inokulum § Pemurnian mikroorganisme dari cairan induk (stock culture) § Scale up cairan induk: starter yoghurt, tape, dln. 3. Proses fermentasi : 1. Spontan : sayur asin, saurkraut 2. Tidak spontan (pemberian inokulum : larutan, bubuk, terimobilisasi) 3. Inkubasi (peragian) : • Menempatkan media fermentasi pada lingkungan yang sesuai • Kondisi lingkungan : suhu, oksigen, p. H, RH, kebutuhan cahaya, agitasi, lama fermentasi (masa inkubasi) • Akhir fermentasi : fase penuaan (aging), yaitu membiarkan produk beberapa lama untuk memperoleh aroma dan flavor yang dikehendaki (keju, yoghurt, dln) 4. Pengolahan akhir : penyaringan, penyulingan, pasteurisasi, dln. q Jenis produk fermentasi : 1. Produk non alkohol (asam organik) 2. Produk alkohol 9

Tabel Contoh Fermentasi Asam Laktat 10

Salt, spices, sugar chopped meats Diagram alir proses fermentasi produk daging (salami, pepperoni, medwurst , dan bologna) Mixing Filling Pasteurisation Drying Storaging Finished Product 11

Tabel Contoh Fermentasi Produk Beralkohol 12

q Kelebihan produk fermentasi : § Memiliki umur simpan lebih panjang § Memiliki karakteristik organoleptik dan komponen nutrisi lebih baik § Mengandung bahan yang tidak diinginkan atau berbahaya dalam jumlah lebih kecil (reduksi sianida dalam ubi kayu) q Contoh produk terfermentasi 1. Produk fermentasi dari tepung : roti § Bahan baku : yeast, gula, telur, susu, shortening (fat), emulsifier, antifungal agents, anti-oksidan, enzim, pengembang (flavoring), dan bahan lainnya. 13

TEPUNG YEAST § Jenis sumber tepung : Triticum vulgare dan T. durum (berwarna lebih kuning, banyak digunakan untuk makaroni). § Kandungan tepung : pati (70%), protein (7 -15%), gula (1%), dan lemak (1%). Protein : • 15% (albumin, globulin, peptida, amino acids, dan enzim) : larut dalam air, melarutkan garam, dan mencegah pembentukan roti (non-dough forming). • 85% : protein tidak larut dalam air (gluten) berperan dalam pembentukan roti : 1. Hard wheat : protein>12%, kandungan glutenin tinggi, baik digunakan sebagai bahan baku roti, mampu menangkap gas hasil fermentasi lebih baik. 2. Soft wheat : protein 9 -11%, baik digunakan untuk membuat cakes. § Jenis : Saccharomyces cerevisiae. § Kriteria yeast roti : a. Mampu tumbuh cepat pada suhu ruang (20 -25°C) b. Mudah terdispersi dalam air c. Mampu memproduksi CO 2 dalam jumlah besar d. Mampu mempertahankan kualitas (tidak mudah rusak pada suhu penyimpanan 20 o. C) 14

YEAST SUGAR SHORTE NING (FAT) § Kriteria yeast roti : e. Mampu beradaptasi dengan subtrat f. Memiliki daya invertase dan aktivitas enzim lain untuk menghidrolisis sukrosa menjadi glukofruktosa g. Mampu tumbuh dan mensintesis enzim dan koenzim dalam kondisi anaerobik h. Memiliki daya tahan terhadap efek osmotik garam § Konsentrasi dalam adonan : 2 -2, 75% (b/b tepung) § Prinsip kerja : mengurai gula heksosa menjadi alkohol dan karbondioksida serta sedikit gliserol, alkohol lain, ester, dan asam organik. § Fungsi : a. Sumber karbon bagi yeast b. Pemanis c. Mempercepat proses browning d. Mampu beradaptasi dengan subtrat § Jenis : sukrosa dan fruktosa § Konsentrasi dalam adonan : 3% (b/b tepung) § Fungsi : a. Memperbesar volume b. Membentuk tekstur lunak c. Meningkatkan karakteristik iris (potong) § Jenis : minyak/lemak nabati, butter 15

EMULSI FIER SUSU GARAM § Fungsi : mendistribusikan shortening secara merata dalam adonan § Konsentrasi dalam adonan : 0, 5% (b/b tepung) § Komposisi : palmitat atau stearat yang terikat pada karboksil, hidroksil, atau grup amino. § Jenis : calcium stearyl- 2 -lactylate, lactylic stearate, dan sodium stearyl fumarate. § Fungsi : a. Memperkaya nutrisi b. Memperbaiki warna kulit § Jenis : susu, campuran skim milk dengan whey, buttermilk solids, sodium atau potassium caseinate, soy flour dan/atau corn flour § Konsentrasi dalam adona : 1 -2 bagian per 100 bagian tepung (1 -2% b/b tepung) § Konsentrasi dalam adonan : 2% (b/b tepung) § Fungsi : a. Memperbaiki rasa b. Menstabilkan fermentasi yeast c. Memperkuat efek gluten d. Mencegah aktivitas proteolitik e. Meningkatkan pengikatan lemak dalam adonan 16

WATER § Fungsi : a. Melarutkan gluten b. Meningkatkan daya pengembangan pati c. Media yang baik bagi berbagai reaksi dalam adonan ENZIM § Fungsi : menguraikan pati menjadi gula-gula sederhana yang dapat difermentasi § Jenis : enzim amilolitik dan protease § sumber : Bacillus subtilis dan Aspergillus oryzae MOLD INHIBIT OR § Jenis : calcium propionate, sodium diacetate, vinegar, monocalcium phosphate, dan lactic acid § Fungsi : mencegah kerusakan roti akibat fungi 17

Pre-fermentation Dough mixing Pencampuran bahan baku dan yeast untuk membentuk inokulum. Pada tahap ini, yeast beradaptasi dengan kondisi adonan dan memperbanyak diri. Pencampuran inokulum dengan bahan-bahan lain. Pada tahap ini, tepung ditambahkan untuk membentuk efek dari gluten yang maksimum. Second proofing Molding Adonan didiamkan selama 15 menit pada suhu ruang (27 o. C) Adonan diratakan dalam bentuk lembaran dibentuk kemudian ditempatkan dalam pan baking Baking Adonan di panggang dalam oven pada suhu 215 -225°C selama 17 -23 menit Cooling, slicing, and wrapping Roti didinginkan pada suhu 45°C, dipotong, dan dikemas dalam kertas roti atau plastik 18 Cutting and rounding Adonan dipotong dengan berat tertentu First (intermediate) proofing Adonan didiamkan selama 1 jam pada suhu 35 -43°C dan pada RH tinggi (89 -95%) Diagram Alir Proses Pembuatan Roti

§ Perubahan selama proses pemanggangan roti (235°C selama 45– 60 menit) : 1. Pada suhu 45°C : granula pati mulai tergelatinisasi dan diurai oleh enzim alfa amilase membentuk gula-gula yang dapat difermentasi 2. Pada suhu antara 50 -60°C : yeast mati 3. Pada suhu 65°C : enzim beta-amilase inaktif 4. Pada suhu 75°C : fungi penghasil enzim amilase inaktif 5. Pada suhu 87°C : enzim alfa amilase dari sereal inaktif 6. Mulai suhu 87 o. C : gluten terdenaturasi dan terkoagulasi, menstabilkan bentuk dan ukuran roti 19

2. Fermentasi daging/ikan § Tujuan : meningkatkan umur simpan bahan, daging/ikan terfermentasi memiliki nilai ekonomi tinggi, mengawetkan daging dan ikan (perishable food) § Jenis produk : sosis, saus ikan, dan pasta ikan. § m. o : gram positif mikrokokus (Pediococcus cerevisiae, Staphylococcus carnosus, dan Lb. plantarum) Daging segar Cutting Lada, flavor, garam, gula, BTM Mixing (p. H 6, 3) Drying 20 Starter Fermentasi (15°C– 42°C, p. H 4 -5, >12 hr) Smoking

§ Perubahan selama proses fermentasi daging : 1. Proteolisis : hidrolisis protein 2. Lipolisis : hidrolisis lemak menjadi asam lemak, gliserol, monogliserol, dan digliserol § Bahan pembuatan daging terfermentasi : 1. Daging : daging segar, berwarna merah (kandungan mioglobin), kandungan lemak relatif tinggi, kandungan PUFA dan MUFA cukup tinggi (meningkatkan konsistensi, memperbaiki tekstur) 2. Lemak : • Memperhalus tekstur • Meningkatkan konsentrasi jus • Meningkatkan aroma • Mempertahankan kandungan air/memperlambat proses dehidrasi (Wirth, 1988) 3. Air : meningkatkan rendemen, pelarut, membantu proses pencampuran 4. Garam : meningkatkan rasa, menurunkan aktivitas air, mencegah kontaminasi mikroba, meningkatkan kelarutan protein, dan meningkatkan kelarutan enzim. 21

22

23

PERALATAN FERMENTASI Peralatan fermentasi § Subtrat padat : tray, tank, casing (plastik, selulosa, dln) § Subtrat cair : tank (berpengaduk/tidak) 24 Fermentor batch untuk proses fermentasi produk cair

EFEK FERMENTASI TERHADAP BAHAN ü Komponen nutrisi dan sensori - Perubahan kompleks protein dan karbohidrat : tekstur lebih lembut - Perubahan komposisi protein, lemak, karbohidrat, dan vitamin ü Flavour : pembentukan asam organik ü Aroma : pembentukan komponen volatil (amina, asam lemak, aldehid, ester, dan keton) ü Warna : degradasi komponen warna 25

TEKNOLOGI ENZIM q Kelebihan proses enzimatis : § Menurunkan biaya produksi § Meningkatkan yield § Mempermudah proses pemindahan baku § Meningkatkan daya simpan § Memperbaiki karakteristik komponen nutrisi dan sensori § Dilakukan pada suhu dan p. H rendah § Bekerja spesifik § Mengurangi pembentukan produk samping q Produksi enzim dari m. o : 1. Esktraseluler : § disekresikan ke lingkungan/luar sel m. o § Diproduksi pada fase logaritmik dan stasioner § Proses rekoveri dari media : sentrifugasi, filtrasi, presipitasi, kromatografi, elektroforesis, membran, freeze drying, atau metode kombinasi. 26

27

2. Intraseluler : § Terletak di dalam sel § Diproduksi pada fase logaritmik § Disekresikan saat sel lisis pada fase stasioner atau fase decline § Metode rekoveri : homogeniser dan mills q Syarat m. o penghasil enzim : § Dapat tumbuh baik pada subtrat yang murah § Membutuhkan subtrat dalam jumlah sedikit § Mampu memproduksi yield yang stabil dalam waktu pendek § Metode rekoveri mudah dan murah § Menghasilkan enzim yang stabil q Teknologi imobilisasi enzim : § Mikroenkapsulasi dalam membran polimer § Pengikatan elektrostatik (electrostatic attachment) dalam resin penukar ion § Adsorpsi dalam koloid silika dan atau cross lingking dengan glutaraldehida § Pengikatan kovalen pada polimer organik § Penjerapan (entrapment) dalam fiber polimer (selulosa triasetat atau pati) § Kopolimerisasi dengan anhidrida maleat § Adsorpsi dalam arang aktif, poliakrilamid, kaca (Konecny, 1977) 28

q Keuntungan imobilisasi enzim : § Dapat digunakan kembali (re-used) § Dapat diaplikasikan pada proses kontinyu § Dapat dengan mudah mencapai kondisi proses optimum (p. H dan suhu) § Mempermudah penggunaan enzim yang sulit diisolasi dan memerlukan proses persiapan yang mahal q Karakteristik enzim terimobilisasi : § Mampu bereaksi dalam waktu yang singkat § Stabil terhadap perubahan suhu dan kondisi proses lainnya § Dapat diregenerasi 29

APLIKASI ENZIM q Kelebihan proses enzimatis : § Menurunkan biaya produksi § Meningkatkan yield § Mempermudah proses pemindahan baku § Meningkatkan daya simpan § Memperbaiki karakteristik komponen nutrisi dan sensori § Dilakukan pada suhu dan p. H rendah § Bekerja spesifik § Mengurangi pembentukan produk samping 30