Jurnal Teknik Kimia Indonesia Vol. 11, No. 4, 2013, xx-xx

1

FERMENTASI SUBSTRAT PADAT DAN FERMENTASISUBSTRAT CAIR PADA PRODUKSI ASAM LAKTAT DARI

KULIT PISANG DENGAN RHIZOPUS ORYZAE

Ery Susiany Retnoningtyas*, Aning Ayucitra, Fandy Maramis,Ong Wei Yong, Frengky W. Pribadi dan Nelsi K. Tanti

Laboratorium Teknologi Bioproses, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, UniversitasKatolik Widya Mandala Surabaya,

Jl. Kalijudan 37 Surabaya 60114, Indonesia*E-mail: ery.srt@gmail.com

Abstrak

Sebagai negara tropis, Indonesia merupakan salah satu negara penghasil pisang terbesar.Berbagai macam jenis pisang dapat tumbuh di Indonesia. Konsumsi buah pisang yang tinggidiikuti dengan melimpahnya kulit pisang. Kandungan nutrisi dari kulit pisang ini berpotensiuntuk dikonversi menjadi produk lain yang mempunyai nilai ekonomis tinggi seperti asamlaktat. Asam laktat banyak digunakan di industri pangan, farmasi maupun kosmetik. Padapenelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh metode fermentasi yaitu fermentasisubstrat padat dan fermentasi substrat cair dalam memproduksi asam laktat dari kulitpisang dibantu Rhizopus oryzae. Penelitian ini terbagi dalam 3 tahap yaitu: (1) pembuatanmedia fermentasi, (2) fermentasi kulit pisang dan (3) pemurnian asam laktat dengan resinamberlite IRA-400. Untuk metode fermentasi substrat padat, kulit pisang kering digrinderhingga menjadi serbuk sedangkan untuk fermentasi substrat cair, kulit pisang yang masihsegar diekstrak dengan pelarut air. Selanjutnya serbuk kulit pisang dan ekstrak kulit pisangsiap untuk diinokulasi dengan Rhizopus oryzae dan diinkubasi pada suhu 30oC selama 144jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa yield asam laktat yang dihasilkan dari fermentasisubstrat padat lebih tinggi (0,79 g asam laktat / g pati) dibandingkan yield asam laktat darifermentasi substrat cair (0,15 g asam laktat / g pati).

Keywords: asam laktat, fermentasi substrat cair, fermentasi substrat padat, kulit pisang,Rhizopus oryzae

Abstract

SOLID STATE FERMENTATION AND LIQUID FERMENTATION OF LACTIC ACIDPRODUCTION FROM BANANA PEEL BY RHIZOPUS ORYZAE. Indonesia is one of the majorbanana producing countries in the world. There are many varieties of banana grown inIndonesia. While the fruit is valuable for consumption, banana peels mostly are discarded aswaste. In fact, banana peels are high in nutrition, thus they are potential to be converted intoother valuable products such as lactic acid. The objective of this research was to study theeffect of fermentation methods, i.e. solid substrate fermentation and liquid substratefermentation, in the production of lactic acid from banana peel waste by the fungus Rhizopusoryzae. There were three steps involved in this research: (1) preparation of fermentationmedium, (2) banana peel fermentation, and (3) lactic acid purification and recovery by usingAmberlite IRA-400 resin. In solid substrate fermentation, dried banana peels were firstlycrushed, while in liquid substrate fermentation, fresh banana peels were extracted by water.Following this, banana peel powder and extract banana peel were inoculated with Rhizopusoryzae and incubated at 30oC for 144 h. As results, the yield of lactic acid produced from solidsubstrate fermentation (0,79 g lactic acid/g starch) was higher than that from liquidsubstrate fermentation (0,15 g lactic acid/g starch).

Kata kunci: lactic acid, liquid fermentation, solid state fermentation, banana peel, Rhizopusoryzae*penulis korespondensi

Fermentasi Substrat Padat dan Cair pada Produksi Asam Laktat (E. S. Retnoningtyas, dkk.)

2

PENDAHULUANSalah satu limbah organik yang banyak

dihasilkan di Indonesia adalah kulit pisang.Produksi pisang di propinsi Jawa Timur padatahun 2011 adalah 1.188.724 ton danproduksi pisang kepok adalah yang palingtinggi yaitu sejumlah 40% dari total produksi(BPS, 2012). Berat kulit pisang adalah 5/9berat pisang keseluruhan, sehingga padatahun 2011 terdapat cukup banyak limbahkulit pisang. Selama ini kulit pisang digunakansebagai makanan ternak di daerah pedesaan,tetapi di daerah perkotaan cenderung menjadilimbah yang kurang dimanfaatkan.Kandungan pati dan nutrisi yang ada di dalamkulit pisang (Tabel 1) memungkinkan untukdimanfaatkan menjadi produk komersial yanglain, di antaranya asam laktat.

Tabel 1. Komposisi Kimia Kulit Pisang tiap100 g (Munadjim, 1984)

Unsur Jumlah (g)Air 68,90Lemak 2,11Karbohidrat 18,50Protein 0,32Kalsium 0,715Fosfor 1,17Besi 0,016

Asam laktat banyak digunakan dalamindustri seperti industri makanan, minuman,kosmetik, kimia, farmasi, dan plastikbiodegradabel (Naranong and Poocharoen,2001). Pembuatan asam laktat dapatdilakukan dengan proses sintetis kimiamaupun fermentasi. Kurang lebih sekitar35% dari total asam laktat yang diproduksidibuat secara sintetis kimia dan sisanya 65%dengan cara fermentasi. Pembuatan asamlaktat secara fermentasi lebih ramahlingkungan karena cenderung memanfaatkanbahan-bahan alam. Prinsip utama pembuatanasam laktat pada penelitian ini adalah prosessakarifikasi dan fermentasi yang dilakukansecara simultan (Huang et al., 2005) baikmenggunakan substrat cair maupun padat.

Produksi asam laktat secara fermentasipaling umum menggunakan bakteriLactobacillus sp, karena yield yang cukuptinggi yaitu 80-90% (Maas et al., 2006). Tetapipemeliharaan bakteri membutuhkan mediafermentasi dengan kandungan nutrisi ataupunsuplemen yang lebih komplek akibatnya akanmenambah biaya produksi asam laktat. Selainitu juga rumitnya proses pemurnian D(-) dari

L(+)-asam laktat juga menambah biayaproduksi apabila asam laktat tersebut akandibuat Poly Lactic Acid (Maas et al., 2006).

Pemanfaatan kapang Rhizopus oryzaeuntuk menghasilkan asam laktat merupakanalternatif mikroba yang perludipertimbangkan, karena kapang ini hanyamenghasilkan L(+)-asam laktat saja.Keunggulan yang lain adalah dapatditumbuhkan dengan minimal kandunganmineral dan garam ammonium sebagaisumber nitrogen baik media cair maupunpadat (Soccol et al., 1994; Maas et al., 2006).

Pembuatan asam laktat denganbantuan kapang ini sudah banyak dilakukantetapi dengan memanfaatkan kulit pisangsebagai substrat pada surface fermentationtanpa pengadukan sangat terbatas. Padapenelitian ini, limbah kulit pisangdimanfaatkan sebagai substrat atau mediafermentasi. Rhizopus oryzae digunakan untukmenghasilkan asam laktat dengan metodesurface fermentation tanpa pengadukan dalamsubstrat cair maupun padat.

METODEBahan

Semua bahan kimia yang digunakanpada penelitian ini yaitu KH2PO4, MgSO4.7H2O,ZnSO4.7H2O dan (NH4)2SO4 adalah analyticalgrade dari Merck. Sedangkan kulit pisangdiperoleh dari pedagang gorengan di sekitarDharmawangsa Surabaya. Jenis kulit pisangyang digunakan adalah kepok.

Mikroorganisme yang membantuproses fermentasi adalah Rhizopus oryzae.Rhizopus oryzae berasal dari DepartemenBiologi, Universitas Airlangga Surabaya.Kapang ini ditumbuhkan pada medium PotatoDextrose Agar (PDA) dari Merck pada suhu30oC selama 144 jam.

Preparasi Substrat CairEkstrak kulit pisang dibuat dari 1000

gram kulit pisang dicampur dengan 1 L airsetelah itu diblender dan disaring. Selanjutnyasetiap 100 mL ekstrak ditambahkan nutrisi :0,015 g KH2PO4; 0,025 g MgSO4.7H2O; 0,004 gZnSO4.7H2O dan 0,03 g (NH4)2SO4 (Rosenberget al., 1994).

Preparasi Substrat Padat dan FermentasiKulit pisang dikeringkan dengan oven

Memmert- SECM 400, hingga kadar air + 8%.Pengukuran kadar air dilakukan dengan alatmoisture balance, OHAUS MB 200. Selanjutnya

Jurnal Teknik Kimia Indonesia Vol. 11, No. 4, 2013

3

dikecilkan ukurannya dengan grinder dandiayak dengan shieve-shaker HeidolphDuomax 2030, hingga ukuran 14/16 mesh.

Pada fermentasi substrat cair,dilakukan pembuatan stater terlebih dahulu.Stater terdiri atas 20 mL ekstrak kulit pisangyang sudah dicampur dengan nutrisi dan 1 mLsuspensi spora (konsentrasi 107 spora / mL).Selanjutnya diinkubasi pada suhu 30oC selama96 jam. Setelah itu 100 mL ekstrak kulitpisang bernutrisi dicampur dengan staterdalam erlenmeyer 250 mL dan diinkubasipada suhu 30oC selama 144 jam.

Pada fermentasi substrat padat, tiap 5gram kulit pisang ditambahkan 7 mL nutrisidengan komposisi tiap 100 mL : 0,135 g(NH4)2SO4; 0,03 g KH2PO4; 0,004 g ZnSO4.7H2Odan 0,025 g MgSO4.7H2O (Soccol et al., 1994)dan 1 mL suspensi spora dengan konsentrasi107 spora/mL. Selanjutnya diinkubasi padasuhu 30oC selama 144 jam.

Pemurnian Asam Laktat dan AnalisisPemurnian asam laktat hasil fermentasi

dilakukan dengan menggunakan resinAmberlite IRA-400 (Cao et al., 2002).Sedangkan penentuan gula reduksimenggunakan metode dinitrosalicylic acid(DNS) (Lee, 1992) dan diukur denganspektrofotometer UV–Vis pada panjanggelombang 520 nm. Konsentrasi asam laktatdiukur dengan metode titrimetri.

HASIL DAN PEMBAHASANKulit pisang kepok mengandung pati

kurang lebih 89,94% (berat kering) sehinggamemungkinkan untuk digunakan sebagaisumber karbon bagi mikroorganisme yangmenghasilkan enzim amilase, salah satunyaadalah Rhizopus oryzae (Huang et al., 2005).Kapang ini mempunyai enzim amilase,sehingga dapat memanfaatkan pati yang adadi kulit pisang untuk sumber karbon. Prosessakarifikasi dan fermentasi yang dilakukansecara simultan oleh Rhizopus oryzae ini,dipelajari dalam 2 metode fermentasi yaitudengan substrat cair dan padat. Perbedaanmetode fermentasi ini digunakan untukmempelajari potensi kulit pisang dalammenghasilkan yield asam laktat.

Pada fermentasi substrat cair (Gambar1a), Rhizopus oryzae mengkonsumsi gulacukup tinggi (0,43 g/L) dari waktu fermentasi0-96 jam tetapi mengalami penurunan (0,04g/L) pada waktu fermentasi 96-144 jam.Konsumsi gula yang tinggi tersebut diikutidengan peningkatan jumlah yield asam laktatyang cukup tinggi pula yaitu 0,15 g asamlaktat / g pati sedangkan konsumsi gula yangrendah sebaliknya yaitu diikuti penurunanjumlah yield asam laktat hingga 0,13 g asamlaktat / g pati.

Gambar 1. Kinetika yield asam laktat dan gula reduksi pada (a) fermentasi substrat cair dan(b) fermentasi substrat padat, dengan substrat kulit pisang dan bantuan Rhizopus oryzae

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 24 48 72 96 120144

Waktu Fermentasi (jam)

Gu

laR

ed

uksi(g

/L)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90Y

ield

(gasam

lakta

t/g

pati

)

Gula Reduksi (g/L)

Yield (g asam laktat / g pati)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 24 48 72 96 120144

Waktu Fermentasi (jam)

Gu

laR

ed

uksi(g

/L)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

Yie

ld(g

asam

lakta

t/g

pati

)

Gula Reduksi (g/L)

Yield (g asam laktat / g pati)

(a) (b)

Fermentasi Substrat Padat dan Cair pada Produksi Asam Laktat (E. S. Retnoningtyas, dkk.)

4

Hal ini disebabkan karena saatkonsumsi gula mulai menurun menunjukkanbahwa Rhizopus oryzae mulai berada di akhirfase stasioner sehingga sebagian asam laktatyang sudah diproduksi digunakan untukmaintenance struktur sel (Bulut et al., 2004).Fermentasi substrat cair kulit pisang inimenggunakan teknik fermentasi surfaceculture, sehingga tidak dilakukan pengadukan.Rhizopus oryzae hanya tumbuh di permukaancairan saja, sehingga luas tempat tumbuhnyasangat terbatas pada diameter erlenmeyer.

Pada Gambar 1b, Rhizopus oryzaemengkonsumsi gula cukup tinggi (2,91 g/L)dari waktu fermentasi 0-96 jam danmengalami pengurangan konsumsi (1,04 g/L)pada waktu fermentasi 96-144 jam. Konsumsigula yang tinggi tersebut juga diikuti denganpeningkatan yield asam laktat yang tinggi pulayaitu : 0,72 g asam laktat / g pati danmencapai maksimum pada 0,79 g asam laktat/ g pati. Hal ini disebabkan Rhizopus oryzaeberada di fase eksponensial sehinggakemampuan memanfaatkan pati sebagaisumber karbon dalam proses sakarifikasicukup tinggi. Asam laktat merupakan hasilmetabolisme primer (Shuler and Kargi, 1992)yang mengikuti jalur Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) (Salminen and Wright, 1993).Berdasarkan jalur EMP tersebut, dapatdiketahui bahwa 1 mol glukosa akanmenghasilkan 2 mol asam laktat denganbantuan enzim laktat dehidrogenase. Inimengindikasikan bahwa banyaknya gula yangdikonsumsi oleh Rhizopus oryzae akanmembuat produksi enzim laktatdehidrogenase juga tinggi dan pada akhirnyamenyebabkan produksi asam laktat tinggipula.

Berdasarkan Gambar 1a dan 1b, dapatdilihat bahwa pada fermentasi substrat cair,pertumbuhan Rhizopus oryzae lebih cepatuntuk mencapai fase stasioner (96 jam)daripada fermentasi substrat padat (144 jam).Keadaan ini dimungkinkan karena Rhizopusoryzae adalah kapang yang aerob, sehinggauntuk pertumbuhannya sangat membutuhkanO2. Pada fermentasi substrat cair tanpapengadukan, kemungkinan untukmendapatkan suplai O2 yang cukup di dalamcairan sedikit, sehingga Rhizopus oryzae akancenderung tumbuh hanya di permukaanmedia cair yang suplai O2-nya lebih tinggiyaitu berasal dari ruang kosong yang ada diatasnya. Hal ini pula yang menyebabkan yieldasam laktat di fermentasi substrat padat lebih

tinggi (0,79 g asam laktat / g pati) daripadafermentasi substrat cair (0,15 g asam laktat /g pati).

Sebenarnya yield asam laktat difermentasi substrat cair dapat ditingkatkandengan cara melakukan pengadukan atauaerasi (Naranong dan Poocharoen, 2001)tetapi karena pada kasus ini fermentasisubstrat cair dan substrat padatmenggunakan metode surface fermentationmaka tidak dilakukan proses pengadukan.

KESIMPULANMetode surface fermentation lebih baik

diaplikasikan pada substrat padat daripadasubstrat cair apabila digunakan kapang yangaerob yaitu membutuhkan oksigen dalampertumbuhannya. Pada fermentasi kulitpisang untuk produksi asam laktat, yield asamlaktat yang dihasilkan dari fermentasisubstrat padat lebih tinggi (0,79 g asam laktat/ g pati) dibandingkan yield asam laktat darifermentasi substrat cair (0,15 g asam laktat /g pati).

DAFTAR PUSTAKABPS, 2012, Produksi buah-buahan menurutpropinsi 2011,http://www.bps.go.id/tab_sub/view.php?kat=3&tabel=1&daftar=1&id_subyek=55&notab=21 (akses 1 Mei 2012)

Bulut, S.; Elibol, M.; Ozer, D., Effect of differentcarbon sources on L(+)-lactic acid productionby Rhizopus oryzae, Biochemical EngineeringJournal, 2004, 21(1), 33-37.

Cao, X.; Yun, H. S .; Koo, Y. M., Recovery of L-(+) lactic acid by anion exchange resinamberlite IRA-400, Biochemical EngineeringJournal, 2002, 11(2-3), 189-196.

Ellis, D., 2012, Rhizopus oryzae,http://www.mycology.adelaide.edu.au/Fungal_Descriptions/Zygomycetes/Rhizopus/R_oryzae.html (akses 1 Mei 2012)

Huang, L. P.; Jin, B.; Lant, P.; Zhou, J.,Simultaneous saccharification andfermentation of potato starch wastewater tolactic acid by Rhizopus oryzae and Rhizopusarrhizus, Journal of Biochemical Engineering,2005, 23(3), 265-276.

Lee, J. M., Biochemical Engineering; PrenticeHall: New Jersey, 1992; hal. 94-95.

Jurnal Teknik Kimia Indonesia Vol. 11, No. 4, 2013

5

Maas, R. H. W.; Bakker, R. R.; Eggink, G.;Weusthuis, R. A., Lactic acid production fromxylose by the fungus Rhizopus oryzae, AppliedMicrobiol Biotechnol, 2006, 72(5), 861-868.

Munadjim, Teknologi Pengolahan Pisang; PTGramedia: Jakarta, 1984; hal. 16-63.

Naranong, N.; Poocharoen, D., Production of L-lactic acid from raw cassava starch byRhizopus oryzae NRRL 395, Kasetsart Journal(National Science), 2001, 35, 164-170.

Rosenberg, M.; Kristofikova, L.; Sturdik, E.,Influence of carbohydrates and polyols on L-lactic acid production and fatty acid formation

by Rhizopus arrhizus, World JournalMicrobiology and Biotechnology, 1994, 10(3),271-274.

Salminen, S.; Wright, A. V., Lactic AcidBacteria; Marcel Dekker: New York, 1993; hal.4-88, 20-23, 295-296.

Shuler, M. L.; Kargi, F., Bioprocess Engineering:Basic Concepts; Prentice Hall PTR: London,1992; hal.74-76, 97, 159, 160.

Soccol, C. R.; Marin, B.; Raimbault, M.;Lebeault, J. M., Potential of solid statefermentation for production of L(+)-lactic acidby Rhizopus oryzae, Applied Microbiology andBiotechnology, 1994, 41(3), 286-290.