Bioteknologi Konvensional dan Modern (Teknologi Bioproses)

BIOTEKNOLOGI (MATERI BIOPROSES)
Oleh: Wahid Biyobe bersama Djumali Mangunwidjaja dan Ani Suryani
(dalam Buku: Teknologi Bioproses 2012)
Revolusi biologi yang diawali dengan penemuan struktur sulur ganda (heliks) molekul DNA (asam deoksiribo nukleat) oleh Watson dan Crick (1953) melejit pesat di pertengahan tahun 1970-an dengan berkembangnya rekayasa genetika. Perkembangan ini menjadikan bioteknologi sebagai bidang antardisiplin yang memberi harapan  untuk memecahakan problem yang dihadapi manusia. Padahal penerapan proses-proses bioteknologis sebenarnya telah berabad-abad lamanya dikenal dan dibudidayakan oleh umat manusia.
  
Di penghujung abad ke-20 bioteknologi telah menjadi salah satu penopang kegiatan industri terutama di Negara-negara maju. Sebaliknya upaya pengembangan dan npenerpannya di negara-negara berkembang masih banyak menghadapi masalah dan dilemma. Hal ini karena bioteknologis memerlukan padat modal untuk penelitian dan penerapannya. Selain itu, juga memerlukan dukungan sumberdaya manusia berupa pakar dan insinyur yang berkelayakan tinggi.
Pengetahuan manusia tentang bioteknologi berawal dari pembuatan makanan dan minuman secara fermentasi. Seni pembuatan pangan terfermentasi tersebut telah dikenal oleh masyarakat Babilonia sejak 6.000 tahun SM, jauh sebelum Louis Pasteur mencetuskan temuannya tentang peran mikroba atau jasad renik dalam fermentasi.
Minuman khas jepang (sake), bir, anggur, keju, yogurt, dan pangan tradisional Indonesia (tempe, oncom, acar, peda) merupakan contoh hasil proses bioteknologis tradisional. Tahapan ini disebut bioteknologi generasi pertama atau era pra-pasteur. Tahapan ini dicirikan oleh pemanfaatan atau pendayagunaan mikroba (bakteri, kapang, khamir) untuk pengawetan dan atau pembuatan makanan/minuman. Sampai tahun 1940-an, penggunaan mikroba juga dikembangkan untuk produksi bahan kimia (aseton-butanol, asam sitrat) dan biomassa.
Bioteknologi generasi kedua dimulai ketika ditemukan penisilin oleh Fleming (1928/1929) dan permulaan pengusahaannya dalam bentuk indutri pada tahun 1944. Pada era ini (dan sampai seekarang) kegiatan bioteknologis diwarnai oleh proses produksi industri antibiotik, vitamin, dan asam orgaanik dengan fermentasi. Masa tersebut dikenal pula sebagai era antibiotik.
Bioteknologi generasi ketiga melejit secara pesat pada paruh tahun 1970-an dengan diterapkannya rekayasa genetika untuk manipulasi dan memperbaiki sifat organisme sebagai “agen” yang berperan penting dalam bioproses. Berbagai produk farmasi dan kedokteran yang bernilai tinggi seperti interferon, hormon, dan vaksin diproduksikan berkat rekayasa genetik ini. Teknologi hibridoma yang ditemukan oleh Kohler dan Milstein (1975) membuka era ini untuk produksi antibodi monoklonal (Anonymous, 1990). Kekhasan ini menyebabkan tahapan perkembangan ini dinamai bioteknologi baru.
Perkembangan proses bioteknologis tidak lepas dari peran enzim, suatu biokatalis.
Perkembangan yang pesat di bidang bioproses telah memberikan banyak manfaat bagi manusia. Manfaat langsung yang dirasakan antara lain dihasilkannya berbagai produk dari penerapan bioproses berskala industri atau komersial.
Perkembangan pnerapan bioproses yang pertama kali yaitu dalam proses produksi (bahan pangan, kemudian berkembang ke bidang-bidang lain. Perkembangan yang sangat cepat yang terjadi pada produksi asam amino yang menggunakan mikroba secara anaerobik. Dua contoh produk yang dibuat secara besar-besaran yaitu monosodium glutamat yang digunakan sebagai penyedap masakan dan lisin yang banyak digunakan sebagai bahan tambahan makanan ternak. Penerapan bioproses di bidang teknologi pangan didasarkan bahwa mikroba mempunyai kemampuan untuk meningkatkan bahan-bahan bermutu rendah menjadi bahan pangan berprotein tinggi. Industri berskala besar mulai memanfaatkan fenomenan ini dengan menumbuhkan Saccaromyces reveciae, khamir ini mulai digunakan secara tidak sengaja dalam saos dan sop untuk konsumsi manusia. Hal yang sama kemudian terjadi dalam produksi Candida arborea dan Candida utilis . keberhasilan pemanfaatan substrat (sumber karbon) dari hasil-hasil pertanian berpati (gula), kemudian diikuti dengan penemuan proses-proses baru. Pembuatan protein sel tunggal (PST) misalnya dapat dilakukan dengan memanfaatkan berbagai jenis substrat seperti Petrolium (hidrokarbon), metana, metanol, dan pati, meskipun hasilnya masih terbtas untuk pakan. Seiring dengan perkembangan bidang bioteknologi, penerapan bioprose berkembang ke bidang-bidang lainseperti industri pertanian, agroindustri, kimia, farmasi, bahan energi dan penanganan lingkungan.
Berikut ini akan dijelaskan beberapa produk bioteknologi yang menggunakan teknologi bioproses dalam industri diantaranya:
1. Agroindustri
Penerapan bioproses di agroindustri antara lain diawali dengan pendayagunaan fermen
Tasi mikrobial untuk memproduksi bir, minuman anggur, dan pangan terfermentasi. Perkembangan fermentasi bioproses terjadi sebagai suaru tradisi yang lebih merupakan seni daripada teknologi, sampai beberapa dasawarsa terakhir. Pemahaman yang semakin baik terhadap proses mikrobial mengarah kepada pengendalian kebusukan bahan pangan, peningkatan keadaan dan kemampuan produksi dalam fermentasi serta penerapan dalam produksi komoditas baru seperti protein sel tunggal (PST), penyedap masakan, gula cair, dan koleokimia. Meskipun sulit memperkirakan dengan tepat dampak perkembangan bioproses di agroindustri tetapi secara umum menunjukan keenderungan yang saling terkait.
1. metode tradisional dalam pengolahan pangan misalnya secara perlahan akan digantikan oleh bioreaktor yang berisi sel-sel hewan, tanaman, atau mikroba.
2. berkembangnya teknik rekayasa genetika mendukung pemilihan teknologi ini agar dapat digunakan dalam proses industri secara komersial. Contohnya yaitu asam sitrat yang digunakan sebagai bahan tambahan kimiawi pada pangan, sekarang diproduksi besar-besaran menggunakan proses mikrobial, sebagai pengganti proses ekstrasi jeruk. Teknologi yang relatif baru dan mempunyai prospek yang baik adalah penerapan bioproses (enzim atau mikroba) untuk menghasilkan oleokimia dari minyak nabati.
2. Produk khamir roti (baker’s yeast)
Meskipun berbagai teknologi proses telah berkembang dan diterapkan dalam pembuatan roti, tetapi penggunaan khamir masih meruapakn pilihan utama yang paling banyak dipakai. Jenis khamir yang paling banyak digunakan adalah Saccharomyces receviceae secara komersial khamir roti telah diproduksi tahun 1846 dengan ditemukan proses wina oleh Moutner menggunakan bahan dasar malt dan jagung. Dari 100 kg bahan baku dapat diperoleh 12 kg khamir roti dan 28 kg alkohol. Perkembangan IPTEK dan proses wina tersebut telah mengahasilkan konversi 100% dari bahan baku.
Selain dari tepung dan biji-bijian khamir roti dapat dibuat dari tetes sulpiteliquor etanol dan metanol. Penggunaan etanol sebagai substrat dapat dihasilkan antara 50-74 kg khamir per 100 kg etanol (Oura, 1972). Dewasa ini, khamir roti dihasilkan terutama dari tetes tebu yaitu unsur haranya diperkaya dengan penambahan berbagai sumber nitrogen (amonia atau garam-garam amonium), sumber fosfor (amunium fosfat atau dalam bentuk superfosfat), dan juga penambahan sumber vitamin.
3. Gula dan Hidrolisa Pati
Diantara jenis pati yang diproduksi secara besar-besaran yaitu jagung, tapioka, dam sagu. Hidrolisa terhadap bahan pangan ini telah dilakukan oleh negara-negara maju. Sebagian besar (60%) produk pati diperdagangkan sebagai gula yaitu sirup malt, glukosa, dan fruktosa. Lebih dari 90% produksi gula ini ditujukan untuk bahan pemanis, dan beberapa di antaranya untuk tujuan khusus. Biasanya ada produk yang disebut sebagai sirup glukosa yang digunakan untuk pemanis pada industri pangan (permen, selai, dan pengalengan buah-buahan).
4. Produk berprotein
Pemanfaatan biomassa mikrobial sebagai protein secara komersial dimulai sejak perang dunia I di Jerman dengan memproduksi khamir Torula. Kecemasan akan kekurangan pangan dan mal nutrisi di dunia pada tahun 1970-an telah meningkatkan perhatiaan pada PST (protein sel tunggal). Bahan-bahan mikrobial sangat tinggi nilainya, terutama kandungan protein yang merupakan sebagian besar dari bobot kering sel hampir semua spesies. Penggunaan protein mikrobial untuk memenuhi kebutuhan dunia sudah menjadi bahan diskusi dan topik penelitian sejak beberaapa dasawarsa yang lalu. Pemanfaatan protein mikrobial dapat dilakukan secara tidak langsung, yaitu sebagai komponen protein dalam pakan ternak sehingga mengurangi kebutuhan pemakaian bahan-bahan lain seperti kedelai dan tepung ikan. Protein ini juga dapat digunakan secara langsung sebagai campuran pangan. Istilah protein sel tunggal (PST) digunakan untuk membedakan bahwa protein ini berasal dari organisme bersel tunggal atau banyak, tetapi sederhana. Biasanya jenis algalah yang sering digunakan sebagai sumber PST seperti pada genus Chlorella, Scenedus, dan Spirulina.
5. Produk susu
Produk fermentasi utama yang dihasilkan dari peternakan adalah susu. Fermentasi susu umumnya disebabkan oleh bakteri Streptococci dan Lactobacilli. Bakteri ini merombak laktosa menjadi asam laktat. Reaksi-reaksi lain yang membedakan produk-produk fermentasi susu. Produk-produk ini meliputi mentega-susu, krim asam, yogurt, dan keju.
5.1 Pembuatan keju
Dalam pembuatan keju, pembentukan gumpalan dengan kasein pada titik isolistrik (pH 4,6) oleh asam laktat sangat penting. Untuk keju swiss, fermentasi asam propionat sangat penting dalam pembentukan perisa khas. Kekhasan perisa mentega susu, susu-asam, dan minyak keju ditentukan oleh fermentasi asam sitrat. Perisa dihasilkan dari suatu kesetimbangan (perbandingan) diasetil asam propionat dan asetat serta senyawa terkait lainnya. Keju merupakan produk-produk segar atau produk-produk dengan tingkat kematangan yang beragam dan dibuat dari gumpalan susu. Berdasarkan cara dan proses pembuatan serta cirinya, keju dapat dibedakan menjadi keju segar, keju segar berbentuk granula, harzev cheese, emmental (swiss) cheese, dll.
5.2 Whey
Whey adalah hasil samping pembuatan keju. Pada masa lampau, whey dianggap sebagai limbah industri. Perkembangan akhir-akhir ini whey telah dimanfaatkan untuk bahan pemanis yang digunakan dalam industri kembang gula, es krim, dan produk konveksi lainnya.
5.3 Yogurt
Yogurt merupakan salah satu dari produksi fermentasi susu (sapi, kambing, dan domba). Yogurt padat adalah satu produk susu berwarna putih dengan permukaan halus seperti porselin. Yogurt mempunyai sifat konsistensi gel padat seperti krim, dapat dipotong, dan tidak menghasilkan whey. Yogurt juga mempunyai bau asam laktat segar dengan rasa khas, menyenangkan, kental, dan sedikit asin. Yogurt dihasilkan dari susu panas dengan tingkat lemak yang beragam, krim, atau dari bahan padatan yang dibentuk dengan menggunakan bakteri asam laktat, tergantung pada karakteristik hasil yang diinginkan. Sebagai produk yang siap dikonsumsi, yogurt umumnya mengandung sejumlah besar bakteri yogurt yang masih hidup. Pembuatan yogurt umumnya menggunakan bakteri Streptococcus thermophillus dan Lactobacilus bulgaricus.
5.4 Mentega
Dari segi pembuatannya, mentega merupakan produk yang paling sederhana dalam kelompoknya. Krim susu dipekatkan dari 30-32% menjadi 30-40% sesuai dengan komposisi produk akhir yang diinginkan. Pengadukan krim ini merubah emulsi minyak dalam air menjadi tipe air dalam minyak. Biakan mentega terseleksi dapat digunakan untuk membentuk perisa dan mempertahankan mutu. Perbaikan perisa dihasilkan dari pengembangbiakan khusus spesies bakteri yang dipilih berdasarkan kemampuannya membentuk senyawa perisa yang diinginkan. Biakan yang pertama kali digunakan adalah Streptococcus lactis dan sebangsanya. Kemudian, biakan campuran S. Lactis yaitu Leuconostoc citrovorum dan L.dextrainicum.
5.5 Susu mentega berkultur
Susu mentega merupakan produk susu asam yang bernilai tinggi yang diperoleh dari hasil samping pembuatan mentega asam. Selain itu, juga dapat diperoleh dari bagian-bagian pengasaman whey krim-manis yang tertinggal setelah pemisahan mentega krim manis.
Susu mentega atau susu mentega berkultur (cultured butter milk) disiapkan dengan mengasamkan susu mentega asli, atau lebih umum , susu skim dengan suatu biakan starter S. Cremonis dan bakteri aroma (L. citrovorum atau L. dextranicum). Kedua tipe mikroba ini sangat penting untuk menghasilkan kekhasan perisa dan aroma mentega, tetapi Streptococci jauh lebih berperan. Fungsi Streptococci laktat dalam starter adalah untuk menghasilkan asam laktat yang diperlukan dalam pembentukan citarasa asin yang diinginkan, pembentukan curd, dan menurunkan pH sampai titik tertentu sehingga bakteri aroma menghasilkan asam mudah menguap yang maksimum.
5.6 Krim asam berkultur dan kefir
Produk ini dibuat dengan cara mirip dengan pembuatan susu mentega berkultur. Susu diinokulasi dengan 0,5-1% starter mentega dan diinokulasi sehingga keasaman mencapai 0,6%. Kandungan lemak krim diatur menjadi 10% atau 20-25%. Kemudian, dihomogenkan dan diinkubasi pada suhu 18-20C dengan 2-4% biakan berkrim. Setelah sekitar 9 jam, pH mencapai 4,9-5,1. selanjutnya, produk didinginkan hingga 40C, dipak, dan disimpan di tempat yang dingin. Sedangkan kefir pertama kali ditemukan dari susu sapi, susu kambing, dan susu domba. Biasanya kefir banyak di produksi di rusia. Kefir memang tidak sepopuler yogurt. Kefir mengandung 0,8-1% asam laktat, 0,3-0,8% etanol, dan karbondioksida. Alkohol dan karbondioksida bersama-sama dengan sejumlah kecil biasetil, asetaldehida, dan aseton berperan nyata terhadap karakteristik rasa penyegar. Biakan kefir atau biji kefir (kefir grains) yang juga disebut sebagai ”Juwawut Nabi” oleh orang islam adalah rumpun kacang kapri yang putih kekuningan sebear walnut (sejenis kacang) dan menyerupai bunga kol. Bahan ini mengandung sedikit sekali polisakarida terlarut, tetapi banyak mengandung polisakarida kefiran dan kasein peenggumpal asam yang berisi simbiosis mikroflora. Selain khamir fermentasi laktosa, seperti Saccharomyces kefir dan Candida kefir (5-10% biakan), juga terdapat Lactobacilli homo dan letero-fermentative (misalnya L.kefir), Streptococci asam laktat mesofilik, serta Leuconostoc. Campuran kefir yang digunakan tergantung proses, iklim, atau susu yang digunakan.
Sumber referensi:
Mangunwidjaja, Djumali dan Suryani. 1994. Teknologi Bioproses.

                                      Jakarta: Penebar Swadaya

Add a Comment

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *