i

LAPORAN AKHIR HASIL PENELITIANHIBAH PASCASARJANA

TAHUN ANGGARAN 2009

PENGEMBANGAN PATI SAGU INDONESIA:KAJIAN KERUSAKAN DAN PEMANFAATAN UNTUK

PRODUKSI BIOPLASTIK

Tim Peneliti:1. Prof. Ir. S. Margino, Ph.D. (Ketua Peneliti)2. Prof. Ir. Erni Martani, Ph. D. (Anggota)3. Ir. Arief Budiman, MS., D.Eng. (Anggota)4. Dra. Nur. Arfa Yanti, M.Si. (Anggota)5. Drs. Tri Gunaedi, M.Si. (Anggota)

FAKULTAS PERTANIANUNIVERSITASGADJAH MADA

NOPEMBER2009

RINGKASAN (Indonesia) dan Summary (English)

Kajian kerusakan pati sagu di Indonesia. Terpinggirkannya peran sagu sebagaimakanan pokok suku-suku di Papua dan beberapa kepulauan di Indonesia timur, akibatkebijakan pemerintah yang kurang bijak, yakni mengganti sagu dengan beras bagi PNS.Kebijakan ini terjadi setelah Indonesia mampu berswasembada beras tahoo 1984-an dankeadaan ini berkembang lanjut sehingga mendesak peran sagu sebagai makanan pokokmenjadi hidangan tambahan pada acara tertentu.

Kuantitas dan kualitas produksi pati sagu Indonesia sebagai bahan baku industri. Satujuta ha pohon sagu di daerah Papua dan ribuan ha di luar Papua, apabila hasilnya mencapai 11ton kering sagutha/tahoo maka jumlah persediaan bahan baku industri sangat melimpah.Bagaimana kualitas hasil sagu Indonesia? Kebanyakan proses pemanenan sagu masihdilakukan secara tradisional sehingga kurang memperhatikan higienes dan sanitasi produknyaalias kualitas, dampaknya, derajat kerusakan menjadi lebih tinggi (warna menjadi kecoklatandan bau kemasaman, nilai pH rendah). Penyebab kerusakan banyak didominasi olehketerlibatan mikroba (bakteri, jamur dan khamir) yang terikut serta dalam pemanenan sagu.Kerusakan biologis biasanya ditunjukkan oleh adanya produkasam-asam organik yangmenyebabkab kemasaman (kecut : Jawa), dan perubahan wama menjadi tidak putih dan tidakmenarik lagi. Kajian kerusakan sagu akan memberikan luaran bagaimana menangani,menyimpan dan menjaga sagu agar kualitas sebagai bahan baku industri tetap bagus. Beberapagenus mikroba kontaminan tepung sagu, diantaranya anggota genus bakteri Bacillus,Lactobacillus, Pseudomonas, Streptococcu, Lactococclls, Acetobacter dan Enterobacter;fungi Aspergillus awamori, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus terreus,Neurospora crassa, Rhizopus oligosporus dan Lentinula edodes; sedangkan khamirSaccharomyces cerevisiae yang semua ini dikelompokkan sebagai mikroba penghasil asam-asam organik. Asam-asam penyebab tepoog sagu menjadi masam dan berbau "kecut",diantaranya adalah asam asetat, laktat, propionat, butirat, formiat dan lain-lain. Sagu basahyang disimpan beberapa hari sering juga berbau alkoholis, karena terkontaminasi oleh khamirdan beberapa bakteri penghasil alkohol.Tujuan penelitian adalah mendapatkan isolat dengan berbagai medium yang mampumenghasilkan berbagai asam organik penyebab kerusakan sagu. Langkah-Iangkah pencapaiantujuan penelitian adalah: a. Isolasi dan seleksi mikroba baru, b. Melakukan kajian optimasi danenzimatik isolat unggul penyebab kerusakan, c. Karakterisasi isolat unggul penghasil asamorganik. Penelitian tahoo pertama diperoleh 77 strain bakteri yang diisolasi dari sagu. Hasilseleksi atas dasar daya amilolitik dan produksi asam organik ditetapkan 3 isolat unggulpenyebab kerusakan sagu yang disiapkan secara tradisional, yaitu TJ-2, TBSM-l dan SPH-3,kemudian diberikan kode baru sebagai TG-31, TG-19 dan TG-12. Peneltian tahun ke duaberhasil mengoptimaslisasi produksi asam organik isolat terpilih dan mengindentifikasinyasebagai Bacillus cereus

Langkah altematif pemanfaatan pati sagu Indonesia. Berbagai industri berbahanbaku pati dapat dikembangkan, misalnya industri bioplastik, biofuel (ethanol, aseton, butanol),chemical stock (asam asetat, laktat) ataupun pangan, kesemuanya memerlukan bahan bakuberkualitas tinggi (fisik, khemis atau biologis) agar memberikan produk akhir (end products)yang sempuma. Mengingat sagu merupakan tumbuhan penghasil pati terbesar dan jumlahnyamelimpah maka perlu langkah altematif pemanfaatan berskala industri, karena industri pangankurang menjajikan di sektor ekonomi, maka industri bioplastik berbahall baku pati saguIlampak lebih prospektus.

III

.....

Kebutuhan polimer plastik, pencemaran dan penanganan. Kebutuhan plastikmeningkat tajam { plastik polietilen (PE), polipropilen (PP), dan polivenil chlorida (PVC)},tahun 1990811sebanyak 717.000 ton dan tahun 1996 menjadi 1.580.000ton, dan memiliki sifatsulit didegradasi dan berpotensi mencemari lingkungan tanah dan perairan. Milyaran rupiahkerugian akibat dampak pencemaran plastik. Bagaimana mengendalikan pencemaranplastik? Penanganan limbah plastik banyak dilakukan dengan pembakaran, pembenaman kedalam tanah, dan memanfaatkan mikroba perombak plastik. Pembakaran menghasilkan efeknegatif senyawa kimia beracun (ion CI ataupun dioxin yang toksik). Penanganan terbaik danbanyak dikembangkan oleh negara maju adalah "memproduksi bioplastik pengganti plastiknon-degradable", misalnya poli-p-hidroksi butirat (PHB), senyawa ini merupakan bahan dasarplastik terdegradasi, termostabil dan tleksibel. Pengembangan bioplastik kebanyakanberbasisglukosa sehingga biaya produksinya mahal, oleh karena itu, perlu altematif subtrat yang lebihmurah, diantaranya adalah pati (sagu, kentang, j agung, singkong), tetes atau limbah pabriksusu, laktosa Pati sagu memiliki ni/ai kompetitif dan komparatif diantara substrat yangtersedia di beberapa daerah Indonesia.

Mengapa tepung pati sagu memenuhi persyaratan untuk memproduksi biopolimerkhususnya poli-p-hidroksibutirat (PHB)? Bahan ini memiliki kandungan sumber karbon (C)tinggi dan sejumlah kecil unsur N(nitrogen), P (fosfat), dan K (kalium). Komposisi C tinggidan salah satu unsur N, P atau K terbatas dalam medium, kondisi ini lebih mudah memicu danmemacu produksi granula PHB di dalam sel sebagai makanan cadangan. Semakin banyakgranulaPHB yang terbentuk maka semakin tinggi produksi PHB per satuan berat sel.

Sejumlah bakteri amilolitik Bacillus amiloliquefaciens, B. subtilis, B. amilolyticus, B.polymixa,Agrobacterium tumefaciens dan genera yang lain mampu mengkonversipati menjadiglukosa. Beberapa genera bakteri Alcaligenes, Azotobacter, Micrococcus dan Pseudomonasmampu memetabolisme glukosa menjadi bahan dasar plastik terdegradasi (poli laktat, polihidroksibutirat,poli hidroksialkanoat). Belum banyak penelitian yang melaporkan kemampuanbakteri yang memetabolisme pati secara langsung menjadi bioplastik, untuk menekan biayaproduksi. Basil penelitian pendahuluan, 65 iso/at berl,asil diisolasi dari lillgkullgan tallal,tercemar limbah tapioka namun be/um diuji kemampuan amilolitik dan produksi PBB-nya(Margino, dkk., 2000b) dan 20 isolat ami/o/itik asal sagu (Margino, 2006, data tidakdipublikasikan)

Ditemukannya bakteri amilolitik yang mampu mengkonversi pati langsung menjadibioplastik (seperti polihidroksi butirat, polihidroksi alkanoat, polilaktat, atau polihidroksivalerat) merupakan keberhasilan, tujuan utama penelitian ini. Jangka panjang, lewat penelitianini dapat dikembangkan teknologi bioplastik berbahan baku murah dan prosesindustrialisasinya juga murah sehingga produk bioplastiknya mampu berkompetisi denganplastik-plastik yang disintesis dari minyak bumi. Selain menghemat devisa, pengembanganindustri bioplastik dapat menopang program pemerintah dalam mencanangkanpembangunanindustriberwawasan lingkungan dan dapat mengatasipolusi plastik di Indonesia.

Tujuan penelitian: mendapatkan isolat bakteri amilolitikpenghasil polihidroksibutirat(PHB) dan memanfaatkan pati sebagai substrat agar biaya produksi dalam industrialisasinyadapat menjadi lebih murah dibandingkan menggunakan substrat lain, misalnyaglukosa ataupunplastik yang disintesis dari minyak bumi. Langkah-Iangkah pencapaian tujuan adalah: a.Isolasi dan seleksi mikroba bam, b. Kajian optimalisasi produksi (PHB) pada skalal~boratorium dan "scaling up", c. Karakterisasi isolat unggul penghasil PHB, dan d.Pengembangan teknik separasi/ purifikasi, biodegradasi dan polimerisasi (blending).Penelitiankerusakan dan bioplastik ini memiliki orisinalitas dan aktualitastinggi.

IV

Luaran penelitian adalah iptek berwawasan lingkungan untuk memecahkan masalahpenyebab kerusakan sagu dan pencemaran plastik. Pertama, pengembangan teknologibioplastik berbasis pati memberikan sumbangan bagi kelestarian alam/ lingkungan hidup; danmeningkatkan nilai tambah pati sagu dan limbahnya. Penelitian tahun pertama berhasilmemperoleh tiga isolat yakni PPK-5, ALD-6, dan PSA-I0 mampu memproduksi PHBterbanyak dari substrat sagu. Ke dua, masalah kerusakan sagu dapat dacarikan solusinyadengan lebih dahulu mengetahi penyebab utama kerusakan tersebut. Hasil penelitianmenunjukkan bahwa tiga isolat bakteri amilolitik memegang peran penting dalam kecepatankerusakan sagu yang diproses secara tradisional, yaitu TG-12, TG-19, dan TG-31 (kode awalberturut-turut adalah SPH3, TBSM1, dan TJ2). Selain itu, UGM dapat meluluskan doktordan master lewat penlitian ini.

Penelitian tahun ke dua berhasil mengoptimasi dan mengidentifikasi isolat unggulpenghasil PHB dari substrat sagu dan isolat unggul perusak sagu. Isolat-isolat yang ditelitilebih lanjut adalah PSA-I0 dan PPK-5, terkait dengan PHB, sedangkan TG-12, TG-19 dan TG-31 terkait dengan kerusakan sagu. Hasil optimasi produksi PHB terbaik dicapai oleh isolatPSA-I0 pada jam ke 48, produk 69% (pHB/berat kering sel), dan diidentifikasi pada arasfenotipik dan molekuler sebagai Bacillus megaterium PSA-I0. Hasil optimasi kerusakan sagutercepat dicapai oleh isolat TJ2 atau TG-31, dan yang diidentifikasi pada aras fenotipik danmolekuler sebagai Bacillus cereus TG-31

SUMMARY

Study on the deteriorationof sago starch in Indonesia. Marginalisation of sago starchas food stuff in Papua and East Indonesia's tribe because of unwise of government policy bychanging of sago starch to be rice. This moment accured"in 1884 when Indonesian govermenthad ability to be self supporting in rice production, this situation made sago becoming thesecond food on especially event, party.

Quantity and quality of sago production in Indonesia. One million ha of sago trees inPapua and outside Papua produced more than 11 tons dry sago/ha/year, so stock of sago forfood industries is more than enough. How the quality of sago Indonesia? Generally sago starchprepared traditionally methodes so the sanitaries is not enough for mantain contaminant ofmicrobes producing organic acid which causing deteriration of sago and the impact of productbecome changing in colour, aroma, taste. Many microbes producing organic acid and coulddeteriorate of sago, i.g. genera ofbakteri: Bacillus, lactobacillus, Pseudomonas, Streptococcus,Lactococcus, Acetobacter, and Enterobacter; fungi: sme of Aspergillus, Neurospora, Rhizopusand Lentinula, while yeast was Saccharomyces cerevisiae. This microbes ussualy produceorganic acid, like acetic, lactate,fromic, propionic, butyric, valeric etc. Formerly rsesearchfound 52 strain of bacteria isolated from raw sago, so needed more isolates for this research.

The purpose of deterioration research of sago is to find out the number of bacteriawhich have ability to produce those organic acids by isolation, selection, optimization andcharacterization measures.

Other alternatives measure for utilization of sago in Indonesia. This raw materialssago has a content which can be utilized as raw material ofbiofuel production (ethanol, aceton,butanol, etc.), chemical stock (acetic acid, lactic acid, propionic acid, citric acid, etc.), and food.All of the products need raw materials with high standard of hygienes. Food and fedproduction using sago as raw material is less prospectus so other alternative utilization isconverting sago to bioplastics.

v

Plastics demand globally (pE, PVC, and PP) in 1990 more than 717.000 tons andincreased becoming 1.580.000 tons in 1996, these kinds of plastic were really undegradableand caused environmental pollution in the agricultuallands, water-rivers, lakes, etc. How manymillions $ US losses because of impact undegradable plastics? How to control of plasticpollutions in the environments? Generally measures are burning, land fill, and recycle, thecheapest and simples one is burning, but negative impact burning process is producingcarcinogenic toxin like dioxin and CI ion. Development of producing bioplastics based on thesago starch is one of alternative measures solving the of undegradable plastics problem. Sagostarch has competitive and comaparative values others than available substrates in severalprovincies in indonesia. What the features of sago for bioplastics production? The content ofsago like high content ofC (carbone), andsmall amount ofN (nitrogen), P (phosphate), and K(potassium) elements could stimulate and becoming the triger of accumulating granules in thecell of microbes. High content of granules in the cell of bacteria analog with high production ofpoly-~-hydroxybutyrate(PHB).

The numbers of bakteria PHB producer that are Bacillus amiloliquifaciens, B.Amylolyticus, B. Subtilis, B. Polymixa from starch as a substrate and Alcaligenes, Azotobacter,Micrococcus and Pseudomonas which converting glucose to PHB, PL (poly lactate, PHA,etc.). generally hese bacteria convert starch to be PHB through saccharification processbecoming glucose, then the next step glucose was assimilated to be bioplastics. Formerlyrsearch found out 62 isolates from soil environments polluted tapioca wastes and they haveability to degrade amylum and produce PHB (Margino, et aI., 2000b) and 20 isolates from sagostarch (Margino, 2006, unpublished data). If this research succeed in find out amylolyticbateria and converting stach to be PHB directly, so we can create the cheapest packettechnology producing PHB in the near future and it has competitivenesswith synthetic plasticfrom petroleum. This packet technology can support the government program to solve theplastics's pollution in Indonesia. .

The purpose of research is to find out amylolytic bacteria converting sago starch toPHB directly to suppres highly cost production industrially. Reaching the purpose to be done:isolation and selection of new amylolytic bacteria, optimization PHB production in thelaboratorium scale and "scale up", characterization of selected isolates, and development ofpurification, blending and biodegradation methods.

Output of research are to solve the causing of deterioration of sago starch and pollutionof undegradable plastics. First, development of bioplastic based on the starch will support thecleaner of environment; increase the added values of sago starch and its waste. The first yearresearch resulted in a). three PHB producing isolates from sago starch, that were PPK-5, ALD-6 and PSA-I0, b) found out three sago starch deteriorating isolates that were TG-12, TG-19and TG-19 (formely code were SPH3, TBSM1, and TJ2, respectively). Finally UGM couldgraduate doctor and master degree result of this research program. The second year researchrsulted in a). optimaization ofPHB producing ioslates and sago starch deterioratingisolates, b).Characterization and identification those selected isolates up to spesies level. Results showedthat optimization of PSA-l 0 isolate could produce PHB up to 69% (pHB/DCW) for 48 hoursincubation but PKK-5 produced less than PSA-IO for 84 hours incubation, while both of themwere characterizedon phenotypic and molecular level and identified as Bacillus sbti/is PKK-5and Bacillus megaterium PSA-IO, respectively. Isolates TG-12, TG-19 and TG-31 werechracterized on phenotypic and molecular level, then identified as Bacillus subti/is TG-12,Bacillus cereus TG-19, andBacillus subti/is TG-3, respectively.

VI