BAB II KARBOHIDRAT

A. Pendahuluan Karbohidrat merupakan salah satu komponen pangan yang penting karena peranannya sebagai sumber energi utama bagi tumbuhan, hewan dan manusia. Karbohidrat terdapat dalam jaringan tumbuhan, hewan serta mikroorganisme dalam berbagai bentuk. Pada tanaman, karbohidrat diproduksi melalui jalur fotosintesis dimana klorofil pada tanaman dengan bantuan sinar matahari dan air dari tanah akan membentuk persenyawaan karbohidrat dan oksigen. Karbohidrat pada tanaman ini terdapat dalam berbagai bentuk monosakarida, disakarida ataupun pati. Salah satu bentuk karbohidrat yang penting dalam menunjang struktur tumbuhan adalah selulosa. Bentuk karbohidrat lain yang bermanfaat terutama sebagai bahan tambahan dalam pengolahan pangan adalah gum yang diproduksi secara alami oleh tumbuhan, rumput laut dan selulosa. Pada hewan, karbohidrat terdapat dalam bentuk nutrisi yaitu glukosa dan cadangan makanan yaitu glikogen. Selain itu terdapat juga laktosa yaitu disakarida yang bisa ditemukan pada susu. Lebih lanjut komposisi karbohidrat yang terdapat pada produk pangan dapat dilihat pada table 2.1. B. Pengertian dan Klasifikasi Karbohidrat Karbohidrat (diambil dari kata hidrat dari karbon) adalah komponen organik dengan struktur dasar Cx(H2O)y. Secara kimia, karbohidrat mengandung elemen karbon, hidrogen dan oksigen dengan perbandingan 2:1 hidrogen terhadap oksigen. Dalam ilmu nutrisi pangan, karbohidrat yang paling penting peranannya adalah termasuk dalam kelompok heksosa (mengandung 6-atom karbon) dan pentosa (mengandung 5-atom karbon).

13

Secara umum karbohidrat diklasifikasikan atas dua golongan yaitu karbohidrat sederhana dan karbohidrat kompleks. Karbohidrat sederhana biasanya disebut gula sederhana dan dapat dibedakan menjadi: 1. Monosakarida 2. Disakarida 3. Oligosakarida 4. Gula alkohol Tabel 2.1. Karbohidrat dalam beberapa makanan dan produk makanan

C. 1. a.

Karbohidrat Sederhana Monosakarida Kimia Monosakarida

Tata nama monosakarida tergantung dari gugus fungsional yang dimilikinya dan letak gugus hidroksilnya. Perbedaan dalam susunan atom inilah yang

14

menyebabkan perbedaan dalam tingkat kemanisan, daya larut, dan sift lain monosakarida. Monosakarida mengandung satu gugus aldehid disebut sebagai aldosa, sedangkan ketosa adalah monosakarida yang mengandung gugus keton. Monosakarida dengan enam atom karbon disebut heksosa sedangkan yang mempunyai lima atom karbon disebut pentosa. Contoh gula pentosa yaitu xilosa, arabinosa dan ribose. Sedangkan Contoh gula heksosa antara lain glukosa, fruktosa dan galaktosa. Ketiga macam monosakarida ini mengandung jenis dan jumlah atom yang sama, yaitu 6 atom karbon, 12 atom hidrogen, dan 6 atom oksigen. Perbedaanya hanya terletak pada cara penyusunan atom-atom hidrogen dan oksigen di sekitar atom-atom karbon. Klasifikasi monosakarida berdasarkan gugus fungsional (aldosa dan ketosa) serta jumlah atom karbonnya dapat dilihat pada Table 2.2. Tabel 2.2 . Klasifikasi karbohidrat

Penulisan rumus bangun molekul gula ada beberapa macam. Salah satu bentuk penulisan yang paling sederhana adalah menurut Fischer yang disebut Fischer projection formula. Penulisan rumus Fischer ini bisa juga disebut bentuk

penulisan struktur terbuka. Contoh bentuk penulisan rumus Fischer beberapa monosakarida ini dapat dilihat pada gambar 2.1. berikut:

15

Gambar 2.1. Penulisan rumus Fischer beberapa monosakarida Seperti karbohidrat pada umumnya, monosakarida mengandung atom karbon kiral yaitu atom karbon yang mengikat empat gugus yang berbeda pada masing-masing lengannya, sehingga dapat membentuk bayangan cermin antara konfigurasi satu dengan yang lainnya. Sifat atom karbon inilah yang menjadi dasar pemberian tanda D dan L pada monosakarida. Huruf D yang terlihat pada nama gula seperti D-glukosa merupakan singkatan dan kata dekstro dan L dan kata levo. Biasanya huruf D atau L ditulis di depan nama gula sederhana. Bentuk L merupakan bayangan cermin dari bentuk D. Pemberian nama D atau L berdasarkan penulisan rumus bangun gliseraldhida menurut Fischer (gambar 2.2). Bila gugus hidroksil pada karbon nomor 2 (di tengah) pada sebuah molekul gliseraldehida terletak sebelah kanan, dinamakan D dan bila berada di sebelah kiri dinamaka L. Di alam, kebanyakan monosakarida terdapat dalam bentuk dektro, jarang sekali dalam bentuk levo, kecuali L-fukosa, L-arabinosa dan L-xilosa.

Gambar 2.2. Rumus bangun Fischer D- dan L-gliseraldehid.

16

Selain tata nama dengan D- dan L- pada nama gula-gula sederhana, penulisan nama sering juga dituliskan dengan penambahan (+) dan (-). Contoh pada glukosa bisa dituliskan sebagai D(+)-glukosa. Penulisan seperti ini didasarkan pasa kemampuan dari monosakarida untuk memutar cahaya terpolarisasi. Meskipun Dglukosa dan D-fruktosa sama-sama mempunyai bentu dektro (D), tetapi terhadap cahaya terpolarisasi D-fruktosa bersifat pemutar kiri sedangkan bersifat D-glukosa pemutar kanan. Karena itu untuk lebih lengkapnya penulisannya adalah D(+)glukosa dan D(-)-fruktosa. Penulisan rumus bangun menurut Fischer dianggap kurang tepat menggambarkan monosakarida. Pada rumus Fischer digambarkan gugus aldehid bebas dan empat hidroksil sekunder yang aktif optic. Dalam kenyataanya penulisan monosakarida tidak sesuai dengan struktur ini, konfigurasi cincin yang melibatkan hemiasetal antara karbon 1 dan 5 lebih tepat menggambarkan struktur monosakarida. Hemiasetal merupakan suatu jembatan oksigen sehingga membentuk cincin yang melibatkan hidroksil (OH) dari karbon nomor 5. Cara penyajian struktur monosakarida inilah yang dikenal dengan cara penyajian Haworth. Struktur cincin Howorth yang terbentuk bila beranggotakan lima disebut furanosa; cincin anggota-enam disebut piranosa. Cincin seperti itu disebut heterosiklik karena satu anggotanya atom oksigen (heteroatom). Jika gugus mereduksi terlibat dalam struktur cincin hemiasetal, karbon 1 menjadi asimetrik dan ada dua isomer yang mungkin, keduanya disebut anomer. Contoh pada glukosa dikenal anomer -Dglukosa dan -D-glukosa (gambar 2.3).

Gambar 2.3. Pembentukan struktur cincin dan anomer dari glukosa17

Posisi H dan OH pada karbon anomerik disebut atau ditentukan dengan mereaksikannya dengan asam borat; -glukosa bereaksi dengan cepat sedang g1ukosa tidak mudah bereaksi dengan asam borat. Haworth berhasil menggambarkan rumus tersebut dalam bentuk perspektif dengan atom H dan hidroksil (OH) di atas atau di bawah bidang cincin yang letaknya tegak lurus pada permukaan kertas. Ikatan-ikatan digambarkan, tebal terletak di depan, sedang yang tipis di bagian be1akang (gambar 2.4). Pada gambar 2.4. dapat pula dijelaskan cara pemberian symbol D dan L pada heksosa yang didasarkan pada letak karbon no 6.

Gambar 2.4. Penulisan anomer glukosa menurut struktur cincin Haworth Penulisan struktur cincin Haworth beberapa monosakarida dapat dilihat pada gambar berikut.

18

Gambar 2.5. Penulisan struktur cincin Haworth beberapa monosakarida. Selain cara penulisan Fischer dan Haworth tersebut, dikenal juga cara penulisan yang lain yaitu Conformational Formula atau biasa dikenal dengan konformasi kursi. Cara penulisan ini merupakan modifikasi dari penulisan Haworth, dimana pada penulisan konformasi kursi sudut ikatan lebih diperhatikan. Seperti pada penulisan Haworth, bentuk yaitu bila gugus OH pada atom karbon no. 1 (C1) berada di bawah, sedangkan bila gugus OH di atas bidang. Gambar 2.6. membandingkan 3 cara penyajian penulisan D-glukosa dan D-fruktosa. b. Nutrisi monosakarida Glukosa, dinamakan juga dekstrosa atau gula anggur, terdapat luas di alam dalam jumlah sedikit, yaitu di dalam sayur, buah, sirup jagung, sari pohon, dan bersamaan dengan fruktosa dalam madu. Tubuh hanya dapat menggunakan glukosa dalam bentuk D. Glukosa murni yang ada di pasar biasanya diperoleh dan hasil olahan pati. Glukosa memegang peranan sangat penting dalam ilmu gizi. Glukosa merupakan hasil akhir pencernaan pati, sukrosa, makosa, dan laktosa pada hewan dan manusia. Dalam proses metabolisme, glukosa merupakan bentuk karbohidrat yang beredar di dalam tubuh dan di dalam sel merupakan sumber energi. Dalam keadaan normal sistem saraf pusat hanya dapat menggunakan

19

glukosa sebagai sumber energi. Glukosa dalam bentuk bebas hanya terdapat dalam jumlah terbatas dalam bahan makanan. Glukosa dapat dimanfaatkan untuk diet tinggi energi. Tingkat kemanisan glukosa hanya separuh dan sukrosa, sehingga dapat digunakan lebih banyak untuk tingkat kemanisan yang sama.

Gambar 2.6. Cara penyajian D-Glukosa dan D-Fruktosa Fruktosa, dinamakan juga levulosa atau gula buah, adalah gula paling manis. Fruktosa mempunyai rumus kimia yang sama dengan glukosa, C6H1206, namun strukturnya berbeda. Susunan atom dalam fruktosa merangsang jonjot kecapan pada lidah sehingga menimbulkan rasa manis. Gula ini terutama terdapat dalam madu bersama glukosa, dalam buah, nektan bunga, dan juga di dalam sayur. Sepertiga dan gula madu terdini atas fruktosa. Fruktosa dapat diolah dan pati dan

20

digunakan secara komersial sebagai pemanis. Minuman ringan banyak menggunakan sirup jagung-tinggi-fruktosa sebagai bahan pemanis. Di dalam tubuh, fruktosa merupakan hasil pencernaan sakarosa. Galaktosa, tidak terdapat bebas di alam seperti halnya glukosa dan fruktosa, akan tetapi terdapat dalam tubuh sebagai hasil pencernaan laktosa. Manosa, jarang terdapat di dalam makanan. Di gurun pasir, seperti di Israel terdapat di dalam manna yang mereka olah untuk membuat roti. Pentosa merupakan bagian sel-sel semua bahan makanan alami. Jumlahnya sangat kecil, Sehingga tidak penting sebagai sumber energi. Ribosa dan deoksiribosa merupakan bagian asam nuldeat dalam inti sel. Karena dapat disintesis oleh semua hewan, ribosa dan deoksiribosa tidak merupakan zat gizi esensial. 2. Oligosakarida

Oligosakarida merupakan polimer dari monosakarida. Oligosakarida dapat berupa homo- atau hetero- polimer dari monosakarida yang terdiri dari dua atau sepuluh monosakarida yang bergabung melalui ikatan glikosidik. Oligosakarida yang terdiri dari dua molekul disebut disakarida, bila tiga molekul disebut triosa, dan seterusnya. Ikatan glikosidik yang banyak dijumpai adalah terjadi antara atom karbon anomerik atau atom karbon no. 1 (C1) dari monosakarida satu dengan karbon no. 4 (C4) dari monosakarida lainnya. Ikatan glikosidik yang terjadi umumnya pada karbon anomerik dengan karbon genap (2, 4, atau 6) dan jarang terjadi pada karbon ganjil (misal 3,5). Beberapa oligosakarida umum terdapat dalam makanan disajikan pada table 2.3. dan gambar 2.7.

21

Tabel 2.3. Oligosakarida yang umum terdapat pada makanan

Ada tidaknya sifat pereduksi dan suatu molekul gula ditentukan oleh ada tidaknya gugus hidroksil (OH) bebas yang reaktif. Gugus hidroroksil yang reaktif pada glukosa (aldosa) biasanya terletak pada karbon nomor 1 (anomerik), sedangkan pada fruktosa (ketosa) hidroksil reaktifnya terletak pada karbon nomor dua. Sukrosa tidak mempunyai gugus OH bebas yang reaktif karena keduanya sudah saling terikat, sedangkan laktosa mempunyai OH bebas pada atom C no. 1 pada gugus glukosanya. Karena itu, laktosa bersifat pereduksi sedangkan sukrosa bersifat nonpereduksi.

22

Gambar 2.7. Susunan beberapa oligosakarida utama yang terdapat pada makanan Sukrosa adalah oligosakarida yang mempunyai peran penting dalam pengolahan makanan dan banyak terdapat pada tebu, bit, siwalan, dan kelapa kopyor. Sukrosa atau sakarosa dinamakan juga gula tebu atau gula bit. Secara kornersial gula pasir yang 99% terdiri atas sukrosa dibuat dan kedua macam bhan makanan tersebut melalui proses penyulingan dan knistalisasi. Untuk industri-industri makanan biasa digunakan sukrosa dalam bentuk kristal halus atau kasar dan dalam jumlah yang banyak dipergunakan dalam bentuk cairan sukrosa (sirup). Pada pembuatan sirup, gula pasir (sukrosa) dilarutkan dalam air dan dipanaskan. Sebagian sukrosa akan terurai menjadi glukosa dan fruktosa, yang disebut gula invert. Inversi sukrosa terjadi dalam suasana asam, dimana dalam suasana asam sukrosa bersifat sangat labil dibandingkan oligosakarida yang lainnya sehingga gampang terhidrolisis. Gula invert secara alami terdapat di dalam madu dan rasanya lebih manis daripada sukrosa. Struktur sukrosa dan beberapa disakarida lainnya disajikan pada gambar 2.8.

23

Sukrosa bersifat sangat mudah larut pada rentang suhu yang lebar (gambar 9). Hal inilah yang menjadikan sukrosa sebagai bahan pemanis yang baik untuk sirup dan makanan-makanan yang lain yang mengandung gula.

Gambar 2.8. Struktur beberapa disakarida penting

Gambar 2.9. Sifat kelarutan beberapa gula pada berbagai suhu.

24

Maltosa (gula malt) tidak terdapat bebas di alam. Maltosa terbentuk pada setiap pemecahan pati, seperti yang terjadi pada tumbuh-tumbuhan bila benih atau bijian berkecambah dan di dalam usus manusia pada pencernaan pati. Dalam proses berkecambah, pati yang rerdapat dalam padi-padian pecah menjadi maltosa, untuk kemudian diuraikan menjadi unit-unit glukosa tunggal sebagai makanan bagi benih yang sedang tumbuh. Produksi bir terjadi bila maltosa difermentasi menjadi alkohol. Bila dicernakan atau dihidrolisis, maltosa pecah menjadi dua unit glukosa. Laktosa (gula susu) hanya terdapat dalam susu dan terdiri atas satu unit giukosa dan satu unit galaktosa. Kadar laktosa pada susu sapi adalah 6,8 gram per 100 ml, sedangkan pada air susu ibu (ASI) 4,8 gram per 100 ml. Banyak orang, terutama yang berkulit betwarna (termasuk orang Indonesia) tidak tahan terhadap susu sapi, karena kekurangan enzim laktase yang dibentuk di dalam dinding usus dan diperlukan untuk pemecahan laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Kekurangan lactase ini menyebabkan ketidaktahanan tenhadap lakrosa. Lakrosa yang tidak dicerna tidak dapat diserap dan tetap tinggal dalam saluran pencernaan. Hal ini mempengaruhi jenis mikroorganisme yang tumbuh, yang menyebabkan gejala kembung, kejang perut, dan diare. Ketidaktahanan terhadap lakrosa lebih banyak tenjadi pada orang tua. Laktosa adalah gula yang rasanya paling tidak manis (seperenam manis glukosa) dan lebih sukar larut daripada disakarida lain. Trebalosa seperti juga .maltosa, terdiri atas dua mol glukosa dan dikenal sebagai gula jamur. Sebanyak 15% bagian kering jamur terdiri aras trehalosa. Trehalosa juga terdapat dalam serangga. Rafinosa, stakiosa, dan verbaskosa adalah oligosakarida yang terdiri atas unit-unit glukosa, fruktosa, dan galaktosa. Ketiga jenis oligosakarida ini terdapat di dalam biji tumbuh-tumbuhan dan kacang-kacangan serta tidak dapat dipecah oleh enzimenzim pencernaan. Seperti halnya polisakarida nonpati, oligosakarida ini di dalam usus besar mengalami fermentasi. Fruktan adalah sekelompok oligo dan polisakarida yang terdiri atas beberapa unit fruktosa yang terkait dengan satu molekul glukosa. Panjang rantai bisa sampai 3

25

hingga 50 unit, bergantung pada sumbernya. Fruktan terdapat di dalam serealia, bawang merah, bawang putih, dan asparagus. Fruktan tidak dicernakan secara berarti, sebagian besar di dalam usus besar difermentasi. 3. Gula Alkohol

Gula alkohol terdapat di alam dan dapat pula dibuat secara sintetis. Ada ernpat jenis gula alkohol yaim sorbitol, manitol, dulsirol, dan inositol.

Sorbitol terdapat di dalam beberapa jenis buah dan secara komersial dibuat dan glukosa. Enzim aldosa reduktase dapat mengubah gugus aldehida (CHO) dalam glukosa menjadi alkohol (CH2OH) Struktur kimianya dapat dilihat pada

Gambar 2.10. Sorbitol banyak digunakan dalam minuman dan makanan khusus pasien diabetes, seperti minuman ringan, selai dan kue-kue. Tingkat kemanisan sorbitol hanya 60% bila dibandingkan dengan sukrosa, diabsorpsi lebih lambat dan diubah di dalam hati menjadi glukosa. Pengaruhnya terhadap kadar gula darah lebih kecil daripada sukrosa. Konsumsi lebih dan lima puluh gram sehari dapat menyebabkan diare pada pasien diabetes. Sorbitol tidak mudah dimetabolisme oleh bakteri dalam mulut sehingga tidak mudah menimbulkan karies gigi. Oleh karena itu, sorbitol banyak digunakan dalam pembuatan permen karet. Manitol dan dulsitol adalah alkohol yang dibuat dan monosakarida manosa dan galaktosa. Manitol terdapat di dalam nanas, asparagus, ubi jalar, dan wortel. Secara komersial manitol diekstraksi dan sejenis rumput laut. Kedua jenis alkohol mi banyak digunakan dalam industri pangan. Inositol merupakan alkohol siklis yang menyerupai glukosa. Inositol terdapat dalam banyak bahan makanan, terutama dalam sekam serealia. Bentuk esternya dengan asam fitat menghambat absorpsi kalsium dan zat besi dalam usus halus.

26

Gambar 2.10. Struktur kimia sorbitol dan manitol D. Karbohidrat Kompleks

Karbohidrat kompleks terdiri atas: (1) polisakarida yang terdiri atas lebih dan dua ikatan monosakanida. (2) serat yang dinamakan juga polisakanida nonpati. 1. Polisakarida Karbohidrat kompleks mi dapat mengandung sampai tiga ribu unit gula sederhana yang tersusun dalam bentuk rantai panjang lurus atau bercabang. Gula sederhana mi terutama adalah glukosa. Jenis polisakarida yang penting dalam ilmu gizi adalah pati, dekstrin, glikogen, dan polisakanida nonpati. a. Pati

Pati merupakan simpanan karbohidrat dalam tumbuh-tumbuhan dan rnerupakan karbohidrat utama yang dikonsumsi manusia di seluruh dunia. Pati terutama terdapat dalam padi-padian, biji-bijian, dan umbi-umbian. Beras, jagung, dan gandum mengandung 70 80% pati; kacang-kacang kening, seperti kacang kedelai, kacang merah dan kacang hijau 3060%, sedangkan ubi, talas, kentang, dan singkong 2030%. Secara kimia pati merupakan homopolimer dari glukosa dengan ikatan glikosidik. Berbagai macam pati tidak sama sifatnya tergantung dari panjang rantai karbonnya dan percabangan pada rantai molekulnya. Pati terdiri dari dua

27

macam fraksi yang dapat dipisahkan dengan air panas. Fraksi terlarut disebut sebagai amilosa merupakan fraksi linear dengan ikatan (1,4)-D-glukosa. Sedangkan amilopektin merupakan fraksi tidak terlarut yang memiliki rantai molekul yang bercabang dengan ikatan (1,4)-D-glukosa (gambar 2.11).

Gambar 2. 11. Molekul pati (amilosa dan amilopektin). Amilopektin memiliki susunan bercabang dengan 1530 unit glukosa pada tiap cabang. Rantai glukosa tersebut terikat satu sama lain melalui ikatan alfa yang dapat dipecah dalam proses pencernaan. Komposisi amilosa dan amiopektin berbeda dalam pati berbagai bahan makanan. Amiopektin pada umumnya terdapat dalam jumlah lebih besar. Sebagian besar pati mengandung antara 15% dan 35% amilosa. Pada beras semakin kecil kandungan amilosa atau semakin tinggi kandungan amiopektinnya, semakin pulen (lekat) nasi yang diperoleh. Berdasarkan kadar amilopektinnya beras dapat dibedakan menjadi empat golongan yaitu: (1) beras dengan kadar amilosa tinggi (25-33%); beras dengan kadar amilosa menengah (20-25%); (3) beras dengan kadar amilosa rendah (9-20%); dan beras yang memiliki kadar amilosa yang sangat rendah (