FERMENTATION & ENZYME TECH-NOLOGY

2

OUTLINE

DEFINISI DAN TUJUAN FERMENTASI

MIKROORGANISME FERMENTASI

PRODUK FERMENTASIPERALATAN FERMENTASI

EFEK FERMENTASI

I

II

V

III

IV

VI TEKNOLOGI ENZIM

3

DEFINISI DAN TUJUAN FERMENTASI Fermentasi :

Proses disimilasi anaerobik senyawa-senyawa organik oleh aktivitas mikroorganisme atau ekstrak dari sel-sel mikroorganisme tersebut.

Reaksi reduksi oksidasi dalam sistem biologi yang menghasilkan energi di-mana senyawa-senyawa organik berperan sebagai donor dan aseptor elek-tron.

Prinsip : memperbanyak jumlah mikroorganisme dan menggiatkan metabolis-menya dalam bahan pangan.

Tujuan :1. Menghasilkan produk pangan baru menggunakan mikroorganisme2. Menghasilkan produk pangan berbeda (aroma, rasa, dan tekstur)

Metode menumbuhkan mikroorganisme bermanfaat dalam proses fermentasi1. Penambahan garam dalam media mengatur pertumbuhan inokulum2. Mematikan kontaminan: menambahkan starter, mengatur T, dan oksigen, pH

4

Kelebihan proses fermentasi : Mampu mempertahankan komponen nutrisi dan sensori bahan : mild pH

dan suhu rendah Menghasilkan produk beraroma dan bertekstur khusus yang sulit dihasilkan

oleh metode lain Hemat energi Relatif murah dan mudah

Keuntungan pemanfaatan enzim : Bekerja spesifik dan terkontrol Mampu mempertahankan komponen nutrisi dan sensori bahan Mengkonsumsi energi rendah Menghasilkan produk beraroma dan bertekstur khusus yang sulit dihasilkan

oleh metode lain

MIKROORGANISME FERMENTASI Jenis bakteri fermentasi :

Asam laktat : Lactobacillus lactis, L. acidophilus, L. bulgaricus, Leuconostoc mesenteroides, L. dextrancium, Streptococcus thermophylus, S. lactis, Pedio-coccus cereviceae

Bakteri asam propionat Bakteri asam asetat Khamir: Sacharomyces cereviceae Kapang : Rhizopus oligosporus, Aspergilus, dan Penicillium

Karakteristik mikroorganisme fermentasi :1. Mampu tumbuh cepat dalam subtrat dan lingkungan yang cocok untuk

memperbanya diri2. Mampu mengatur ketahanan fisiologis3. Mampu menghasilkan enzim dalam jumlah besar

Protein Proteosa, Pepton

Karbohidrat Asam

Protease

KhamirAldolase

Bakteri

6

Faktor yang mempengaruhi pertumbuhan mikroorganisme : Nutrisi : karbon, nitrogen, dan komponen nutrisi spesifik lain pH subtrat Kadar air Suhu inkubasi Potensial reduksi-oksidasi Mikroorganisme pesaing

Sitem operasi : batch dan kontinyu1. Batch

Fase pertumbuhan m.o :a. Fase lagb. Fase logaritmik (eksponensial)

ln Cb = ln Co + µtdimana :Co : konsentrasi sel awalCb : konsentrasi sel setelah t tertentu (massa biomassa) µ : pertumbuhan spesifik (h-1)t : lama fermentasi (h atau jam)

Kurva fase pertumbuhan mikroor-ganisme pada proses batch

7

µmaks : pertumbuhan maksimum (pada fase logaritmik)

c. Fase stasioner• Laju pertumbuhan m.o menurunkan dengan menurunnya konsentrasi

nutrisi dan/atau akumulasi produk metabolit

2. Kontinyu• Produktivitas tinggi : penambahan subtrat dan panen biomassa kontinyu• Fase logaritmik

Pembagian m.o berdasarkan jumlah produk yang dihasilkan1. Single product : homofermentative microorganism2. Mixed products : heterofermentative microorganism

8

PRODUK FERMENTASI Produk Fermentasi :

Makanan yang terbentuk oleh kegiatan enzim-enzim yang di-hasilkan oleh mikroorganisme pada bahan organik sehingga memiliki warna, rasa, aroma, tekstur, dan sifat-sifat yang khas (roti, brem, cuka, tape, sayur asin, dln)

Prosedur pembuatan produk fermentasi :1. Persiapan bahan baku• Grading dan sortasi• Cleaning• Reducing• Pelayuan• Cooking (rebus/kukus)• Cooling• Pe(+) larutan perendam

Persiapan bahan baku

(media tumbuh)

Persiapaninokulum

Inokulasi

Inkubasi

PengolahanAkhir

Diagram proses fermentasi

9

2. Penyiapan inokulum Pemurnian mikroorganisme dari cairan induk (stock culture) Scale up cairan induk: starter yoghurt, tape, dln.

3. Proses fermentasi :1. Spontan : sayur asin, saurkraut2. Tidak spontan (pemberian inokulum : larutan, bubuk, terimobilisasi)3. Inkubasi (peragian) :• Menempatkan media fermentasi pada lingkungan yang sesuai• Kondisi lingkungan : suhu, oksigen, pH, RH, kebutuhan cahaya, agitasi,

lama fermentasi (masa inkubasi)• Akhir fermentasi : fase penuaan (aging), yaitu membiarkan produk beber-

apa lama untuk memperoleh aroma dan flavor yang dikehendaki (keju, yoghurt, dln)

4. Pengolahan akhir : penyaringan, penyulingan, pasteurisasi, dln.

Jenis produk fermentasi : 1. Produk non alkohol (asam organik)2. Produk alkohol

10

Tabel Contoh Fermentasi Asam Laktat

11

Diagram alir proses fermentasi produk daging (salami, pepper-oni, medwurst , dan bologna)

chopped

meats

Mixing

Salt, spices, sugar

Filling

Pasteurisa-tion

Drying

Storaging

Fin-ished Prod-uct

12

Tabel Contoh Fermentasi Produk Beralkohol

13

Kelebihan produk fermentasi : Memiliki umur simpan lebih panjang Memiliki karakteristik organoleptik dan komponen nutrisi lebih baik Mengandung bahan yang tidak diinginkan atau berbahaya dalam jumlah

lebih kecil (reduksi sianida dalam ubi kayu)

Contoh produk terfermentasi 1. Produk fermentasi dari tepung : roti

Bahan baku : yeast, gula, telur, susu, shortening (fat), emulsifier, anti-fun-gal agents, anti-oksidan, enzim, pengembang (flavoring), dan bahan lain-nya.

14

TEPUNG

Jenis sumber tepung : Triticum vulgare dan T. durum (berwarna lebih kuning, banyak digunakan untuk makaroni).

Kandungan tepung : pati (70%), protein (7-15%), gula (1%), dan lemak (1%).Protein :• 15% (albumin, globulin, peptida, amino acids, dan enzim) : larut

dalam air, melarutkan garam, dan mencegah pembentukan roti (non-dough forming).

• 85% : protein tidak larut dalam air (gluten) berperan dalam pembentukan roti :1. Hard wheat : protein>12%, kandungan glutenin tinggi, baik

digunakan sebagai bahan baku roti, mampu menangkap gas hasil fermentasi lebih baik.

2. Soft wheat : protein 9-11%, baik digunakan untuk membuat cakes.

YEAST

Jenis : Saccharomyces cerevisiae. Kriteria yeast roti :

a. Mampu tumbuh cepat pada suhu ruang (20-25°C)b. Mudah terdispersi dalam airc. Mampu memproduksi CO2 dalam jumlah besard. Mampu mempertahankan kualitas (tidak mudah rusak pada

suhu penyimpanan 20oC)

15

YEAST

Kriteria yeast roti :e. Mampu beradaptasi dengan subtratf. Memiliki daya invertase dan aktivitas enzim lain untuk

menghidrolisis sukrosa menjadi glukofruktosag. Mampu tumbuh dan mensintesis enzim dan koenzim dalam

kondisi anaerobikh. Memiliki daya tahan terhadap efek osmotik garam

Konsentrasi dalam adonan : 2-2,75% (b/b tepung) Prinsip kerja : mengurai gula heksosa menjadi alkohol dan karbon-

dioksida serta sedikit gliserol, alkohol lain, ester, dan asam organik.

SUGAR

Fungsi :a. Sumber karbon bagi yeastb. Pemanisc. Mempercepat proses browningd. Mampu beradaptasi dengan subtrat

Jenis : sukrosa dan fruktosa

SHORTENING (FAT)

Konsentrasi dalam adonan : 3% (b/b tepung) Fungsi :

a. Memperbesar volumeb. Membentuk tekstur lunakc. Meningkatkan karakteristik iris (potong)

Jenis : minyak/lemak nabati, butter

16

EMULSI

FIER

Fungsi : mendistribusikan shortening secara merata dalam adonan Konsentrasi dalam adonan : 0,5% (b/b tepung) Komposisi : palmitat atau stearat yang terikat pada karboksil,

hidroksil, atau grup amino. Jenis : calcium stearyl- 2-lactylate, lactylic stearate, dan sodium

stearyl fumarate.

SUSU

Fungsi :a. Memperkaya nutrisib. Memperbaiki warna kulit

Jenis : susu, campuran skim milk dengan whey, buttermilk solids,sodium atau potassium caseinate, soy flour dan/atau corn flour

Konsentrasi dalam adona : 1-2 bagian per 100 bagian tepung (1-2% b/b tepung)

GARAM

Konsentrasi dalam adonan : 2% (b/b tepung) Fungsi :

a. Memperbaiki rasab. Menstabilkan fermentasi yeastc. Memperkuat efek glutend. Mencegah aktivitas proteolitike. Meningkatkan pengikatan lemak dalam adonan

17

WATER

Fungsi : a. Melarutkan glutenb. Meningkatkan daya pengembangan patic. Media yang baik bagi berbagai reaksi dalam adonan

ENZIM

Fungsi : menguraikan pati menjadi gula-gula sederhana yang dapat difermentasi

Jenis : enzim amilolitik dan protease sumber : Bacillus subtilis dan Aspergillus oryzae

MOLD IN-HI-

BITOR

Jenis : calcium propionate, sodium diacetate, vinegar, mono-cal-cium phosphate, dan lactic acid

Fungsi : mencegah kerusakan roti akibat fungi

18

Pre-fermentation Dough mixing Cutting and rounding

First (intermediate) proofingMolding

Cooling, slicing, and wrapping

Baking

Pencampuran bahan baku dan yeast untuk membentuk

inokulum. Pada tahap ini, yeast beradaptasi dengan

kondisi adonan dan memper-banyak diri.

Pencampuran inokulum den-gan bahan-bahan lain. Pada

tahap ini, tepung ditambahkan untuk membentuk efek dari

gluten yang maksimum.

Adonan dipotong dengan berat tertentu

Adonan didiamkan selama 15 menit pada suhu ruang (27oC)

Adonan diratakan dalam ben-tuk lembaran dan dibentuk

kemudian ditempatkan dalam pan baking

Adonan didiamkan selama 1 jam pada suhu 35-43°C dan

pada RH tinggi (89-95%)

Adonan di panggang dalam oven pada suhu 215-225°C se-

lama 17-23 menit

Roti didinginkan pada suhu 4-5°C, dipotong, dan dikemas

dalam kertas roti atau plastik

Second proofing

Diagram Alir Proses Pembuatan Roti

19

Perubahan selama proses pemanggangan roti (235°C selama 45–60 menit) :1. Pada suhu 45°C : granula pati mulai tergelatinisasi dan diurai oleh enzim alfa ami-

lase membentuk gula-gula yang dapat difermentasi2. Pada suhu antara 50-60°C : yeast mati3. Pada suhu 65°C : enzim beta-amilase inaktif4. Pada suhu 75°C : fungi penghasil enzim amilase inaktif5. Pada suhu 87°C : enzim alfa amilase dari sereal inaktif6. Mulai suhu 87oC : gluten terdenaturasi dan terkoagulasi, menstabilkan bentuk dan

ukuran roti

20

2. Fermentasi daging/ikan Tujuan : meningkatkan umur simpan bahan, daging/ikan terfermentasi memiliki ni-

lai ekonomi tinggi, mengawetkan daging dan ikan (perishable food) Jenis produk : sosis, saus ikan, dan pasta ikan. m.o : gram positif mikrokokus (Pediococcus cerevisiae, Staphylococcus carnosus,

dan Lb. plantarum)

Daging segar

Lada, flavor, garam, gula,

BTMStarter

Mixing (pH 6,3) Fermentasi (15°C–42°C, pH 4-5, >12 hr)

Cutting

SmokingDrying

21

Perubahan selama proses fermentasi daging :1. Proteolisis : hidrolisis protein2. Lipolisis : hidrolisis lemak menjadi asam lemak, gliserol, monogliserol, dan digliserol

Bahan pembuatan daging terfermentasi :1. Daging : daging segar, berwarna merah (kandungan mioglobin), kandungan lemak re-

latif tinggi, kandungan PUFA dan MUFA cukup tinggi (meningkatkan konsistensi, memperbaiki tekstur)

2. Lemak : • Memperhalus tekstur• Meningkatkan konsentrasi jus• Meningkatkan aroma• Mempertahankan kandungan air/memperlambat proses dehidrasi (Wirth, 1988)

3. Air : meningkatkan rendemen, pelarut, membantu proses pencampuran4. Garam : meningkatkan rasa, menurunkan aktivitas air, mencegah kontaminasi mikro-

ba, meningkatkan kelarutan protein, dan meningkatkan kelarutan enzim.

22

23

24

PERALATAN FERMENTASI

Fermentor batch untuk proses fermentasi produk cair

Peralatan fermentasi Subtrat padat : tray,

tank, casing (plastik, selulosa, dln)

Subtrat cair : tank (berpengaduk/tidak)

25

EFEK FERMENTASI TERHADAP BAHAN Komponen nutrisi dan sensori

- Perubahan kompleks protein dan karbohidrat : tekstur lebih lembut- Perubahan komposisi protein, lemak, karbohidrat, dan vitamin

Flavour : pembentukan asam organik Aroma : pembentukan komponen volatil (amina, asam lemak, aldehid, ester,

dan keton) Warna : degradasi komponen warna

26

TEKNOLOGI ENZIM Kelebihan proses enzimatis :

Menurunkan biaya produksi Meningkatkan yield Mempermudah proses pemindahan bahan baku Meningkatkan daya simpan Memperbaiki karakteristik komponen nutrisi dan sensori Dilakukan pada suhu dan pH rendah Bekerja spesifik Mengurangi pembentukan produk samping

Produksi enzim dari m.o : 1. Esktraseluler :

disekresikan ke lingkungan/luar sel m.o Diproduksi pada fase logaritmik dan stasioner Proses rekoveri dari media : sentrifugasi, filtrasi, presipitasi, kromatografi,

elektroforesis, membran, freeze drying, atau metode kombinasi.

27

28

2. Intraseluler : Terletak di dalam sel Diproduksi pada fase logaritmik Disekresikan saat sel lisis pada fase stasioner atau fase decline Metode rekoveri : homogeniser dan mills

Syarat m.o penghasil enzim : Dapat tumbuh baik pada subtrat yang murah Membutuhkan subtrat dalam jumlah sedikit Mampu memproduksi yield yang stabil dalam waktu pendek Metode rekoveri mudah dan murah Menghasilkan enzim yang stabil

Teknologi imobilisasi enzim : Mikroenkapsulasi dalam membran polimer Pengikatan elektrostatik (electrostatic attachment) dalam resin penukar ion Adsorpsi dalam koloid silika dan atau cross lingking dengan glutaraldehida Pengikatan kovalen pada polimer organik Penjerapan (entrapment) dalam fiber polimer (selulosa triasetat atau pati) Kopolimerisasi dengan anhidrida maleat Adsorpsi dalam arang aktif, poliakrilamid, kaca (Konecny, 1977)

29

Keuntungan imobilisasi enzim : Dapat digunakan kembali (re-used) Dapat diaplikasikan pada proses kontinyu Dapat dengan mudah mencapai kondisi proses optimum (pH dan suhu) Mempermudah penggunaan enzim yang sulit diisolasi dan memerlukan

proses persiapan yang mahal

Karakteristik enzim terimobilisasi : Mampu bereaksi dalam waktu yang singkat Stabil terhadap perubahan suhu dan kondisi proses lainnya Dapat diregenerasi

30

APLIKASI ENZIM Kelebihan proses enzimatis :

Menurunkan biaya produksi Meningkatkan yield Mempermudah proses pemindahan bahan baku Meningkatkan daya simpan Memperbaiki karakteristik komponen nutrisi dan sensori Dilakukan pada suhu dan pH rendah Bekerja spesifik Mengurangi pembentukan produk samping