Hidrolisat Pati
Pendahuluan
Produk hasil hidrolisat pati sangat banyak digunakan
dan diterapkan dalam penggunaan pati pada produk-produk pengolahan hasil
pangan. Proses hidrolisat pati menggunakan asam maupun enzim adalah proses yang
umum digunakan untuk mengubah pati menjadi molekul yang lebih kecil lagi bahkan
hingga mengubah pati menjadi gula sederhana. Pada bab ini akan dibahas mengenai
proses-proses hidrolisa pati baik menggunakan asam maupun enzim. Masing-masing
proses hidrolisat baik menggunakan asam maupun enzim memiliki kelebihan dan
kekurangan masing-masing. Hidrolisat asam menghasilkan proses yang lebih murah
namun produk yang dihasilkan tidak sebaik yang dihasilkan dari hidrolisis
menggunakan enzim yang tentunya jauh lebih mahal.
Hidrolisat
Gula merupakan kebutuhan pokok bagi manusia, selama
ini kebutuhan gula dipenuhi oleh industri gula (penggilingan tebu). Industri
kecil seperti gula merah, gula aren. Gula dapat berupa glukosa, sukrosa,
fruktosa, sakrosa. Gukosa dapat digunakan sebagai pemanis dalam makanan,
minuman, dan es krim.
Glukosa dibuat dengan jalan fermentasi dan hidrolisat. Pada proses hidrolisat
biasanya menggunakan katalisator asam seperti HCl, asam sulfat. Bahan yang
digunakan untuk proses hidrolisis adalah pati. Di Indonesia banyak dijumpai
tanaman yang menghasilkan pati. Tanaman-tanaman itu seperti padi, jagung,
ketela pohon, umbi-umbian, aren, dan sebagainya
Hidrolisis merupakan reaksi pengikatan gugus
hidroksil / OH oleh suatu senyawa. Gugus OH dapat diperoleh dari senyawa air.
Hidrolisis dapat digolongkan menjadi hidrolisis murni, hidrolisis katalis asam,
hidrolisis katalis basa, gabungan alkali dengan air dan hidrolisis dengan
katalis enzim. Sedangkan berdasarkan fase reaksi yang terjadi diklasifikasikan
menjadi hidrolisis fase cair dan hidrolisis fase uap.
Hidrolisis pati terjadi antara suatu reaktan pati
dengan reaktan air. Reaksi ini adalah orde satu karena reaktan air yang dibuat
berlebih, sehingga perubahan reaktan dapat diabaikan. Reaksi hidrolisis pati
dapat menggunakan katalisator ion H+ yang dapat diambil dari asam. Reaksi yang
terjadi pada hidrolisis pati adalah sebagai berikut:
(C6H10O5)x + x H2O → x C6H12O6
Variabel-variabel yang berpengaruh terhadap reaksi
hidrolisa :
1. Katalisator
Hampir semua reaksi hidrolisa memerlukan katalisator untuk mempercepat jalannya
reaksi. Katalisator yang dipakai dapat berupa enzim atau asam sebagai
katalisator, karena kerjanya lebih cepat. Asam yang dipakai beraneka ragam
mulai dari asam klorida (Agra dkk, 1973; Stout & Rydberg Jr., 1939), Asam
sulfat sampai asam nitrat. Yang berpengaruh terhadap kecepatan reaksi adalah
konsentrasi ion H, bukan jenis asamnya. Meskipun demikian di dalam industri
umumnya dipakai asam klorida. Pemilihan ini didasarkan atas sifat garam yang
terbentuk pada penetralan gangguan apa-apa selain rasa asin jika konsentrasinya
tinggi. Karena itu konsentrasi asa dalam air penghidrolisa ditekan sekecil
mungkin. Umumnya dipergunkan larutan asam yang mempunyai konsentrasi asam lebih
tinggi daripada pembuatan sirup. Hidrolisa pada tekanan 1 atm memerlukan asam
yang jauh lebih pekat.
2. Suhu dan tekanan
Pengaruh suhu terhadap kecepatan reaksi mengikuti persamaan Arhenius.makin
tinggi suhu, makin cepat jalannya reaksi. Untuk mencapai konversi tertentu
diperlukan waktu sekitar 3 jam untuk menghidrolisa pati ketela rambat pada suhu
100°C. tetapi kalau suhunya dinaikkan sampai suhu 135°C, konversi yang sebesar
itu dapat dicapai dalam 40 menit (Agra dkk,1973). Hidrolisis pati gandum dan
jagung dengan katalisator asam sulfat memerlukan suhu 160°C. karena panas
reaksi hampir mendekati nol dan reaksi berjalan dalam fase cair maka suhu dan
tekanan tidak banyak mempengaruhi keseimbangan.
3. Pencampuran (pengadukan)
Supaya zat pereaksi dapat saling bertumbukan dengan sebaik-baiknya, maka perlu
adanya pencampuran. Untuk proses batch, hal ini dapat dicapai dengan bantuan
pengaduk atau alat pengocok (Agra dkk,1973). Apabila prosesnya berupa proses
alir (kontinyu), maka pencampuran dilakukan dengan cara mengatur aliran di
dalam reaktor supaya berbentuk olakan.
4. Perbandingan zat pereaksi
Kalau salah satu zat pereaksi berlebihan jumlahnya maka keseimbangan dapat
menggeser ke sebelah kanan dengan baik. Oleh karena itu suspensi pati yang
kadarnya rendah memberi hasil yang lebih baik dibandingkan kadar patinya
tinggi. Bila kadar suspensi diturunkan dari 40% menjadi 20% atau 1%, maka
konversi akan bertambah dari 80% menjadi 87 atau 99% (Groggins, 1958). Pada
permukaan kadar suspensi pati yang tinggi sehingga molekul-molekul zat pereaksi
akan sulit bergerak. Untuk menghasilkan pati sekitar 20%.
Klasifikasi Hidrolisa
Klasifikasi proses hidrolisa dapat dibagi menjadi:
(1) Hidrolisa fase gas: Sebagai penghidrolisa adalah air dan reaksi berjalan
pada fase uap. (2) Hidrolisa fase cair: Pada hidrolisa ini, ada 4 tipe
hidrolisa, yaitu: (a) Hidrolisa murni: Efek dekomposisinya jarang terjadi,
tidak semua bahan terhidrolisa. Efektif digunakan pada : Reaksi Grigrard dimana
air digunakan sebagai penghidrolisa, (b)Hidrolisa bahan-bahan berupa anhidrid
asam Laktan dan laktanida. Hidrolisa senyawa alkyl yang mempunyai komposisi
kompleks, Hidrolisa asam berair. Pada umumnya dengan HCl dan H2SO4, dimana
banyak digunakan pada industri bahan pangan, misal: Hidrolisa gluten menjadi
monosodium glutamate, Hidrolisa pati menjadi glukosa. Sedangkan H2SO4 banyak
digunakan pada hidrolisa senyawa organik dimana peranan H2SO4 tidak dapat
diganti. (c) Hidrolisa dengan alkali berair: Penggunaan konsentrasi alkali yang
rendah dalam proses hidrolisa diharapkan ion H+ bertindak sebagai katalisator
sedangkan pada konsentrasi tinggi diharapkan dapat bereaksi dengan asam yang
terbentuk. (d) Hidrolisa dengan enzim Senyawa dapat digunakan untuk mengubah
suatu bahan menjadi bahan hidrolisa lain. Hidrolisa ini dapat digunakan :
Hidrolisa molase, Beer (pati → maltosa/glukosa) dengan enzim amilase
Aplikasi hidrolisa Pati banyak digunakan dalam
Industri makanan dan minuman menggunakan sirup glukosa hasil hidrolisis pati
sebagai pemanis. Produk akhir hidrolisa pati adalah glukosa yang dapat dijadikan
bahan baku untuk produksi fruktosa dan sorbitol. Hasil hidrolisis pati juga
banyak digunakan dalam industri obat-obatan. Dan juga glukosa yang dihasilkan
dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioethanol. Penggunaan asam
sebagai penghidrolisa menghasilkan biaya produksi yang sedikit, namun produk
yang dihasilkan tidak seragam dan banyak senyawa pati yang rusak oleh asam
tersebut, sedangkan penggunaan enzim sebagai penghidrolisa menghasilkan produk
yang seragam, lebih terkontrol, namun biaya produksi lebih tinggi karena harga
dari enzim sendiri lebih mahal jika dibandingkan dengan asam.
Hidrolisis Enzim
Enzim adalah biomolekul berupa protein yang berfungsi
sebagai katalis (senyawa yang mempercepat proses reaksi tanpa habis bereaksi)
dalam suatu reaksi kimia organik. Molekul awal yang disebut substrat akan
dipercepat perubahannya menjadi molekul lain yang disebut produk. Jenis produk
yang akan dihasilkan bergantung pada suatu kondisi/zat, yang disebut promoter.
Semua proses biologis sel memerlukan enzim agar dapat berlangsung dengan cukup
cepat dalam suatu arah lintasan metabolisme yang ditentukan oleh hormon sebagai
promoter.
Enzim bekerja dengan cara bereaksi dengan molekul
substrat untuk menghasilkan senyawa intermediat melalui suatu reaksi kimia
organik yang membutuhkan energi aktivasi lebih rendah, sehingga percepatan
reaksi kimia terjadi karena reaksi kimia dengan energi aktivasi lebih tinggi
membutuhkan waktu lebih lama. Sebagai contoh:
X + C → XC (1)
Y + XC → XYC (2)
XYC → CZ (3)
CZ → C + Z (4)
Meskipun senyawa katalis dapat berubah pada reaksi awal, pada reaksi akhir
molekul katalis akan kembali ke bentuk semula.
Sebagian besar enzim bekerja secara khas, yang artinya setiap jenis enzim hanya
dapat bekerja pada satu macam senyawa atau reaksi kimia. Hal ini disebabkan
perbedaan struktur kimia tiap enzim yang bersifat tetap. Sebagai contoh, enzim
α-amilase hanya dapat digunakan pada proses perombakan pati menjadi glukosa.
Kerja enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor,
terutama adalah substrat, suhu, keasaman, kofaktor dan inhibitor. Tiap enzim
memerlukan suhu dan pH (tingkat keasaman) optimum yang berbeda-beda karena
enzim adalah protein, yang dapat mengalami perubahan bentuk jika suhu dan
keasaman berubah. Di luar suhu atau pH yang sesuai, enzim tidak dapat bekerja
secara optimal atau strukturnya akan mengalami kerusakan. Hal ini akan
menyebabkan enzim kehilangan fungsinya sama sekali. Kerja enzim juga
dipengaruhi oleh molekul lain. Inhibitor adalah molekul yang menurunkan
aktivitas enzim, sedangkan aktivator adalah yang meningkatkan aktivitas enzim.
Banyak obat dan racun adalah inihibitor enzim.
Dalam proses hidrolisis pati secara enzimatis,
terdapat beberapa enzim penghidrolisis pati yang bekerja spesifik yaitu ikatan
glikosidik yang diputus, pola pemutusan, aktivitasnya dan spesifitas substrat
serta produk yang dihasilkan. Tingginya keragaman jenis pati dan
spesifiknya kerja enzim penghidrolisis pati, maka produk yang dibentuk akan
mempunyai komposisi karbohidrat yang beragam
Modifikasi pada pati juga dapat dilakukan dengan hidrolisis
enzim. Modifikasi pati dengan metode enzimatis. Pada modifikasi pati dengan
metode enzimatis ini dapat dilakukan dengan berbagai tahapan yaitu likuifaksi,
sakarifikasi dan isomerisasi. Langkah yang pertama adalah likuefaksi 30-40%
suspensi padatan untuk menghasilkan maltodekstrin dengan menggunakan enzim
α-amilase. Setelah likuifaksi dilakukan sakarifikasi menggunakan enzim
glukoamilase atau pullulanase untuk menghasilkan sirup glukosa atau sirup
maltosa. Hasil sakarifikasi dilakukan isomerisasi dengan enzim glukosa
isomerase untuk menghasilkan sirup fruktosa. Hidrolisis dengan enzim dapat
menghasilkan beberapa produk hidrolisat pati dengan sifat-sifat tertentu yang
didasarkan pada nilai DE (ekuivalen dekstrosa). Nilai DE 100 adalah murni
dekstrosa sedangkan nilai DE 0 adalah pati alami. Hidrolisat dengan nilai DE 50
adalah maltosa, nilai DE di bawah 20 adalah maltodekstrin, sedangkan hidrolisat
dengan DE berkisar antara 20-100 adalah sirup glukosa.
Beberapa jenis enzim yang sering digunakan dalam menghidrolisis pati yaitu:
α-amilase, β-amilase, pullunase, dan amiloglukosidase (AMG) yang memiliki
karakteristik yang berbeda-beda satu-sama lainnya.
Enzim alfa amilase
Enzim alfa-amilase, atau yang biasa disebut juga
1,4-alpha-D-glucan glucanohydrolase (karena hanya memotong pada ikatan α1,4
pada ikatan glikosida), biasa juga disebut pancreatic alpha-amilase adalah
salah satu enzim yang berperan dalam proses degradasi pati, sejenis
makromolekul karbohidrat. Struktur molekuler dari enzim ini adalah α-1,4-glukanohidrolase.
Bersama dengan enzim pendegradasi pati lain, pululanase, α-amilase termasuk ke
dalam golongan enzim kelas 13 glikosil hidrolase. Alpha-amilase ini memiliki
beberapa sisi aktif yang dapat mengikat 4 hingga 10 molekul substrat sekaligus
sehingga proses hidrolisisnya lebih cepat.
Gambar 1. ikatan α1,4 glikosida yang diputus oleh
Enzim alfa amilase
Alfa-amilase pada umumnya aktif bekerja pada kisaran
suhu 25OC hingga 95OC. Penambahan ion kalsium dan klorida dapat meningkatkan
aktivitas kerja dan menjaga kestabilan enzim ini. Alfa-amilase akan memotong
ikatan glikosidik α-1,4 (Gambar III-1) pada molekul pati (karbohidrat) sehingga
terbentuk molekul-molekul karbohidrat yang lebih pendek. Hasil dari pemotongan
enzim ini antara lain maltosa, maltotriosa, dan glukosa.
Gambar 2. Representatif lokasi pemutusan yang
dilakukan secara acak oleh enzim alfa amilase (segitiga hitam adalah lokasi
untuk memotong)
Kerja enzim ini bersifat endo enzim yaitu memotong
ikatan α1,4 glikosida pada amilosa ataupun amilopektin dari dalam dan memotong
secara acak (Gambar III-1), enzim ini juga bekerja pada pati yang telah
tergelatinisasi. Pada hidrolisis pati mentah enzim ini dihasilkan oleh
Saccaromyces cereviciae (Raw starch digesting amilase). Alfa amilase biasa juga
disebut sebagai liquifying enzim, karena enzim alfa amilase bekerja pada proses
liquifikasi yg memecah pati menjadi rantai yg lebih pendek.
Enzim alpha-amilase merupakan enzim yang banyak
digunakan pada berbagai macam makanan, minuman, detergen, industri pemrosesan
dan industri tekstil. Enzim ini terdapat dialam misalnya pada: Bisa dalam
bentuk tepung malt, gandum yang berkecambah; berasal dari bakteri bacillus
Bacillus subtilis; Disintesa kapang Rhizopus oligosporus dan Rhizopus oryzae;
Bisa berasal dari cacing tanah; Pakai cendawan Aspergillus sp; Bisa berasal
dari pancreas sapi dan babi; dan banyak terdapat di air ludah dan pencernaan
manusia.
Enzim α-amilase yang diisolasi dari bacillus subtilis
sangat stabil pada suhu tinggi. Tergantung kepada pemanfaatannya, suhu optimum
untuk enzim ini adalah 70-90OC. pada suhu rendah, enzim ini masih cukup stabil
meskipun pada pH dibawah 6. Walaupun demikian enzim ini tidak dapat dihadapkan
pada pH dibawah 5. Pada suhu 70OC enzim ini dengan cepat kehilangan aktivitasanya
jika pH dibawah 6. Namun pada suhu tersebut enzim ini cukup stabil dalam
kisaran antara 6-10. Kondisi optimum untuk proses hidrolisis pati dalam
industri adalah pH 6-6,5. Liquifaction tahap pertama dengan jet cooker
dilakukan pada suhu 105OC. dan tahap berikutnya pada 95OC selama 15-30 menit
didalam tangki khusus. Bakteri lain yang menghasilkan α-amilase yaitu Bacillus
licheniformis. pH optimum untuk enzim ini sekitar 6 pada suhu 60OC. jika suhu
ditingkatkan pH optimum juga meningkat sekitar 7. Jika α-amilase yang diperoleh
dari B. subtilis menghidrolisis pati dengan hasil utama maltoheksosa,
maltopentosa dan sedikit glukosa (4-5%), maka α-amilase yang dihasilkan oleh B.
licheniformis menghasilkan maltosa, maltoriosa, dan maltopentosa, glukosa yang
dihasilkan agak lebih tinggi yaitu 8-10%.
Enzim α-amilase yang diperoleh dari fungi banyak
dihasilkan dari Aspergillus oryzae. Di dalam hidrolisis, enzim ini mula-mula
berkelakukan seperti maltenzyme atau enzim dari bakteri. Namun pada tahap
berikutnya, lebih banyak maltosa dan maltoriosa yang terbentuk. Sedikit atau
banyak α-amilase dari fungi ini berkelakukan seperti gabungan antara α dan β
amilase dari malt. Meskipun enzim ini diperdagangkan dalam bentuk serbuk, namun
enzim ini sangat mudah larut dalam air. Suhu optimumnya yaitu pada suhu 50OC
pada saat pelarutan, meskipun aktivitas enzim meningkat pada suhu 55OC, namun
aktivitas tersebut cepat menurun, demikian juga stabilitasnya. Untuk reaksi
dalam waktu pendek, pH optimum adalah sekitar 4,7.
Enzim beta-amilase
merupakan enzim golongan hidrolase yang digunakan
dalam proses sakarifikasi pati. Sakarifikasi banyak berperan dalam permecahan
makromolekul karbohidrat. Pemecahan makromolekul karbohidrat ini akan
menghasilkan molekul karbohidrat rantai pendek.
Beta-amilase akan memotong ikatan glikosidik pada gugus amilosa, amilopektin,
dan glikogen. Amilosa merupakan struktur rantai lurus dari pati, sedangkan
amilopektin merupakan struktur percabangan dari pati. Hasil pemotongan oleh
enzim ini akan didominasi oleh molekul maltosa dan beta-limit dekstrin. Dalam
industri pangan, pembentukan senyawa beta-limit dektrin seringkali dihindari
karena membentuk viskositas atau kekentalan yang terlalu pekat.
Enzim beta-amilase sama halnya dengan alfa amilase
yang memotong ikatan α1,4 glikosidik, namun proses pemotongannya sangat lambat,
dan hanya memotong 2 unit glukosa setiap potongannya, dan memotong satu-persatu
dari ujung terluar amilosa atau amilopektin. Jika beta amilase memotong pati
rantai lurus maka produk akhir dari pemotongan enzim beta amilase yaitu maltose
dan maltotriosa dengan rasio 99:1%
Enzim beta-amilase banyak ditemukan pada tanaman tingkat tinggi, seperti
gandum, ubi, dan kacang kedelai. Di samping itu, beta-amilase juga dapat
ditemui pada beberapa mikroorganisme, antara lain Pseudomonas, Bacillus,
Streptococcus, dan Clostridium thermosulfurigenes. Enzim yang berasal dari C.
thermosulfurigenes umumnya lebih disukai karena memiliki toleransi suhu dan pH
yang lebih tinggi.
Enzim Debranching Enzim (pullulanase)
Enzim ini memiliki spesifikasi memutus ikatan cabang
pada α1,6 glikosida. Bersifat exoenzim amilolitik. Contoh jenis enzim ini
antara lain contoh iso-amilase dan limit dekstrinase. Hasil pemutusan oleh ini
enzim ini menghasilkan pati rantai panjang dan limit dekstrin. Dalam berbagai
pengolahan untuk menghasilkan gula, digunakan variasi penggunaan berbagai jenis
enzim yang digunakan secara bertahap.
Enzim Amiloglukosidase (AMG)/glukoamilase
Adalah salah satu yang berperan dalam proses
sakarifikasi pati. Serupa dengan enzim beta-amilase, glukoamilase dapat memecah
struktur pati yang merupakan polisakarida kompleks berukuran besar menjadi
molekul yang berukuran kecil. Kelebihan enzim ini yaitu selain memutus ikatan
α1,4 glikosoda, juga memutus ikatan α1,6 glikosida. Enzim ini bersifat
eksoenzim. Pada umumnya, enzim ini bekerja pada suhu 45-60 °C dengan kisaran pH
4,5-5,0. Produk akhir yang dihasilkan dari enzim ini yaitu glukosa. Enzim ini
memiliki peranan yang cukup besar di dalam metabolisme energi di berbagai jenis
organisme. Oleh karena itu, enzim ini banyak ditemukan pada beragam jenis
tanaman dan mikroorganisme, seperti Saccharomyces, Endomycopsis, Aspergillus,
Penicillium, Mucor, dan Clostridium.
Bahan Bacaan
BeMiller,J.N., and Whistler,R. 2009. Starch:
Chemistry and Technology. Academic Press,Inc
Lehninger AL. 1993. Dasar-Dasar Biokimia. Jilid 1.
Thenawidjaja M, Penerjemah; Jakarta : Erlangga. Terjemahan dari : Principles of
Biochemistry
Tjokroadikoesoemo S, 1985. HFS dan Industri Ubi Kayu Lainnya. PT Gramedia
Jakarta.
Semoga Bermanfaat.
.jpg)
.png)
.jpg)
