TUGAS MATA KULIAH MIKROBIOLOGI INDUSTRIPEMANFAATAN MIKROORGANISME PADA INDUSTRI PANGAN

FERMENTASI ASAM GLUTAMAT(£-Glutamic Acid Fermentation)

Disusun oleh:Kelompok III

Eko Sriyono 09120Rio Yulistya Putra 09124Esti Rumaningsih 09127Aldise Dyan Rini S 09128Hety Handayani H 09131

JURUSAN TEKNOLOGI INDUTRI PERTANIANFAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

UNIVERSITAS GADJAH MADAYOGYAKARTA

2009

FERMENTASI ASAM GLUTAMAT(£-Glutamic Acid Fermentation)

I. PENDAHULUAN

Zat penambah cita rasa pada konbu, tanaman seperti ganggang laut

yang digunakan sebagai sumber bumbu di Jepang, diketahui mengandung

asam £-Glutamat. Penemuan ini berperan penting dalam industri produk

monosodium £-Glutamat oleh Ajinomoto Co. Pada awalnya, asam £-

Glutamat diproduksi dengan cara hidrolisis asam pada gluten gandum atau

protein kedelai. Dalam kurun waktu lima puluh tahun, mikroorganisme

penghasil asam £-Glutamat diisolasi kemudian mulai dikembangkan

menjadi proses fermentasi asam £-Glutamat.yang menghemat biaya.

Industri fermentasi asam £-Glutamat sangat mendukung

pengembangan produksi mikroorganisme dengan metabolit primer.

Dukungan ini mendorong munculnya berbagai proyek penelitian yang

dilaksanakan sebagai usaha isolasi strain asing maupun turunan mutan

genetik yang memproduksi berbagai macam asam amino. Hasilnya,

sebagian besar asam amino komersial saat ini diproduksi dengan cara

fermentasi.

Produksi asam £-Glutamat secara fermentasi dalam setahun

mencapai lebih dari 370.000 ton. Oleh sebab itu, asam £-Glutamat menjadi

bumbu yang tersebar di seluruh dunia. Asam £-Glutamat juga digunakan

sebagai bahan awal sintesis bermacam zat kimia tertentu, misalnya starter

pembuatan N-Acylglutamate sebagai komponen biodegradable surfactant

yang tidak menyebabkan iritasi kulit dan oxopyrrolidinecarboxylic acid

(turunan asam glutamat) sebagai pelembab pada kosmetik.

II. PEMBAHASAN

A. Strain Mikrobia

Sebagian besar asam £-Glutamat diproduksi oleh bakteri gram

positif yang tidak membentuk spora, non-motile, dan membutuhkan biotin

untuk tumbuh.

Tabel. Strain Mikrobia yang Menghasilkan Asam £-Glutamat

Genus Spesies

Corynebacterium C. glutamicum, C. lilium, C. callunae, C. herculis

Brevibacterium

B. divaricatum, B. aminogenes, B. flavum,

B. lactofermentum, B. saccharolyticum,

B. roseum, B. immariophilum, B. alunicum,

B. ammoniagenes, B. thiogenitalis

MicrobacteriumM. salicinovolum, M. ammoniaphilum,

M. Flavum var. glutamicum

Arthrobacter A. globiformis, A. aminofaciens

B. Kondisi Kultur

1. Sumber Karbon

Bakteri penghasil asam £-Glutamat dapat menggunakan

berbagai macam sumber karbon, seperti glukosa, fruktosa, sukrosa,

maltosa, ribosa, atau silosa, sebagai substrat untuk pertumbuhan sel

dan biosintesis asam glutamat. Konsentrasi biotin pada medium

harus benar-benar dikontrol dalam level suboptimal agar

memaksimalkan pertumbuhan sehingga diperoleh asam glutamat

yang tinggi. Oleh karena itu, bahan baku kaya biotin, seperti

molase dari gula bit dan gula tebu, tidak dapat digunakan sebelum

ditemukannya pengaruh mediasi biotin pada penisilin dan asam

lemak jenuh C16 -C18. Asam oleic hanya membutuhkan akumulasi

mutan asam £-Glutamat pada medium yang kaya biotin ketika

konsentrasi asam oleic terkontrol pada level suboptimal agar

pertumbuhan maksimal.

2. Sumber Nitrogen dan Kontrol pH

Medium yang baik untuk fermentasi asam £-Glutamat

mengandung nitrogen dengan kadar 9, 5 %. Contoh sumber

nitrogen yang dapat ditambahkan ke dalam medium adalah

amonium klorida atau amonium sulfat. Bakteri yang menghasilkan

asam glutamat juga memiliki aktivitas urease yang kuat sehingga

urea juga dapat digunakan sebagai sumber nitrogen. Ion amonium

berpengaruh pada pertumbuhan sel dan pembentukan produk

sehingga konsentrasinya dalam medium harus dikontrol pada

konsentrasi rendah.

Tingkat keasaman (pH) medium sangat mudah menjadi asam

karena ion amonium terasimilasi dan dihasilkan asam glutamat.

Amonia dalam bentuk gas lebih baik daripada basa cair dalam

menjaga pH pada level 7-8, sebagai pH optimum untuk produksi

asam £-Glutamate. Amonia dalam bentuk gas berperan sebagai

agen pengontrol pH dan sebagai sumber nitrogen serta dapat

mengatasi bermacam-macam masalah teknis. Penambahan

otomatis gas amonia dapat mengontrol pH dengan tepat. Selain itu,

juga mencegah efek merugikan dari amonia dan pengenceran yang

tidak diinginkan pada cairan fermentasi.

3. Faktor Tumbuh

Bakteri penghasil asam £-Glutamat membutuhkan biotin

untuk pertumbuhan dan konsentrasinya harus dikontrol agar

memperoleh produk yang maksimal. Dampak biotin pada

fermentasi asam £-Glutamat sangat erat kaitannya dengan

permeabilitas asam £-Glutamat terhadap membran sel.

4. Ketersediaan Oksigen

Biosintesis dari asam glutamat merupakan proses aerob

yang membutuhkan oksigen selama proses fermentasinya. Untuk

mengoptimalkan produksi, kadar oksigen terlarut harus dijaga pada

kondisi optimal. Sel yang melakukan respirasi akan mengkonsumsi

oksigen dalam media hanya dalam beberapa detik sehingga

oksigen harus disuplai secara terus-menerus untuk menjaga

konsentrasi oksigen terlarut.

C. Akumulasi Produk Lain yang Dipengaruhi oleh Perubahan Kondisi Kultur

1. Asam Laktat dan Asam Suksinat

Brevibacterium flavum yang memproduksi asam glutamat

mengakumulasi asam laktat dan asam suksinat ketika dikulturasi

dengan jumlah oksigen yang kurang. Saat jumlah suplai oksigen

kurang dari kondisi kejenuhan komplet ke berbagai derajat

kecukupan kebutuhan oksigen, produk utama berubah dari asam

glutama menjadi asam suksinat kemudian menjadi asam laktat.

Lebih dari 30 g l-1 asam suksinat atau 45 g l-1 asam laktat dapat

mengakumulasi pada 72 h kondisi optimum.

2. Asam α-Ketoglutarat

Suplai oksigen yang cukup dengan ketidakadaan ion

amonium pada fermentasi asam £-Glutamat akan menghasilkan

akumulasi asam α-Ketoglutarat. Ketika pengontrol pH diubah dari

NH4OH menjadi NaOH pada pada akhir fase pertumbuhan, 18 g l-1

asam α-Ketoglutarat terakumulasi pada hasil substrat 0,20 g g l-1

pada pembudidayaan 72 h.

3. Asam £-Glutamin

Asam £-Glutamat diubah menjadi £-glutamin ketika

terdapat kelebihan amonium klorida pada kultur pada pH rendah

dengan adanya ion seng. Pada medium yang mengandung 40 g l-1

amonium klorida dan 10 mg l-1 sulfat seng, sel terakumulasi lebih

dari 40 l-1 £-Glutamin pada 0,30 g l-1 sumber karbon. Konsentrasi

tinggi ion amonium pada kondisi pH rendah menghasilkan

produksi N-asetil-£-glutamin. Ion seng efektif dalam pengurangan

ekskresi N-asetil-£-glutamin dalam akumulasi £-glutamin.

D. Fisiologi Mikrobia dari Fermentasi Asam £-Glutamat

1. Permeabilitas Membran Sel dan Asam Glutamat dalam

Hubungannya dengan Konsentasi Biotin

Biotin merupakan komponen kunci dalam fermentasi asam

£-Glutamat. Akumulasi produk asam £-Glutamat. dapat mencapai

maksimal ketika konsentrasi biotin dalam keadaan suboptimal.

Kelebihan biotin dapat menunjang pertumbuhan sel, namun

menurunkan akumulasi asam glutamat. Kandungan biotin untuk

mengakumulasi asam glutamat adalah 0,5 pg pergram sel kering.

Akan tetapi, adanya kelebihan biotin pada penambahan penisillin

diketahui dapat menghentikan formasi cross-links peptidoglikan

bakteri pada fase pertumbuhan sehingga memungkinkan sel untuk

mengakumulasi asam £-Glutamat dalam jumlah yang besar.

Antibiotik lain seperti cephalosporin C, yang menghentikan

sintesis dinding sel, juga dapat menggantikan fungsi penisilin.

Penambahan asam lemak jenuh C16-C18 maupun esternya dengan

polialkohol hidrofilik selama fase pertumbuhan juga

memungkinkan sel untuk mengakumulasi asam £-Glutamat dalam

medium yang kaya biotin. Penggunaan antibiotik dan asam lemak

jenuh C16-C18 ini akan mempermudah suatu industri dengan bahan

dasar kaya biotin, seperti gula tebu dan gula bit.

Akumulasi asam £-Glutamat tidak tergantung pada proses

biosintesis tapi pada proses ekskresi. Ekskresi asam £-Glutamat

sangat berkaitan dengan permeabilitas dinding sel yang terdiri atas

kumpulan dari komponen kimia dan fisika dari membran sel.

Produksi sel asam £-Glutamat dengan jumlah biotin terbatas atau

berlebih dan diolah dengan penisilin ataupun Tween-60 terekskresi

intraseluler asam £-Glutamat ketika dicuci dengan larutan buffer

fosfat. Sel tidak dapat tumbuh tanpa adanya pengolahan dengan

penisilin ataupun Tween-60 meskipun ada biotin berlebih. Asam

amino lain dikeluarkan dari sel bahkan ketika pertumbuhan

berlangsung dengan biotin terbatas. Walaupun dengan jumlah

biotin terbatas selama ekskresi sel asam £-Glutamat, pemenuhan

kebutuhan asam oleik atau penambahan asam lemak jenuh C16-C18

mengandung sedikit fosfolipid dalam membran sel. Di lain sisi, sel

dengan kemampuan rendah dalam mengakumulasi asam £-

Glutamat pada medium dengan kandungan biotin tinggi akan

mengandung lebih banyak konsentrasi membran fosfolipid.

Biotin merupakan kofaktor dari asetil KoA karboksilase,

enzim pertama pada biosintesis asam oleik, dan asam lemak jenuh

C16-C18 menghambat biosintesis pada asam oleik dengan menahan

asam karboksilase asetil KoA. Jumlah biotin ataupun asam lemak

jenuh C16-C18 yang terbatas dapat menyebabkan biosistesis asam

oleik berjalan tidak sempurna dan menghasilkan penurunan

konsentrasi fosfolipid. Akibatnya, fosfolipid seperti kardiolipin dan

phosphatidynositol dimannoside dibutuhkan dalam pengaturan

permeabilitas sel asam £-Glutamat.

Pengaruh penisilin pada permeabilitas asam £-Glutamat

tidak dapat dijelaskan dengan kandungan fosfolipid pada membran

sel. Permeabilitas pada sel dengan penisilin dipengaruhi oleh

tekanan osmosis. Selama terjadi penurunan tekanan osmosis,

penisilin meningkatkan ekskresi asam £-Glutamat dalam medium

kaya biotin dan studi mikroskopik menunjukkan bahwa penisilin

meningkatkan masa elongasi dan pembesaran sel. Sementara itu,

asam lemak jenuh C16-C18 meningkatkan ekskresi asam £-Glutamat

dalam medium kaya biotin tanpa tergantung pada tekanan osmosis.

Berdasar hal tersebut, penisilin mempunyai pengaruh sekunder

terhadap fungsi membran. Utamanya, penisilin menghambat

sintesis dinding sel sehingga membran sel lebih mudah rusak.

2. Mekanisme Biosintesis Asam £-Glutamat

Produksi asam £-Glutamat membutuhkan dua enzim

penting, yaitu Phosphoenol Carboxylase dan α-Ketoglutarate

Dehydrogenase. Phosphoenol Carboxylase akan mengkatalis

karboksilasi dari fosfofenolpiruvat ke dalam bentuk oxaloasetat.

Sedangkan α-Ketoglutarate Dehydrogenase, mengubah α-

Ketoglutarat menjadi suksinil KoA. Efisiensi dari fiksasi

karbondioksida oksaloasetat bergantung pada hasil dari aktivitas

Phosphoenol Carboxylase. Asam aspartat menunjukan adanya

hambatan dan tantangan enzim. Penghambatan ini telah

ditingkatkan oleh asam α-Ketoglutarat. Oleh karena itu,

endogenus asam aspartat dan asam α-Ketoglutarat harus

diminimalkan apabila produk asam £-Glutamat ingin

dimaksimalkan. α-Ketoglutarate Dehydrogenase ini penting untuk

oksidasi glukosa menjadi CO2. Enzim ini dicegah oleh cis-

akonitat, suksinil KoA, NADH, NADPH, piruvat dan oksalat yang

kemudian akan diubah menjadi asetil KoA. Kandungan α-

Ketoglutarate Dehydrogenase dari bakteri penghasil asam glutamat

sangat menguntungkan untuk sintesis asam glutamat dari asam α

ketoglutarat, mencegah oksidasi asam α-Ketoglutarat menjadi CO2

dan H2O melalui suksinil KoA. Nilai Km α-Ketoglutarate

Dehydrogenase untuk asam α-Ketoglutarata adalah sekitar 1 X 17

glutamat dehydrogenase. Enzim ini kemudian mengkatalis formasi

asam glutamat menjadi lebih luas daripada α-Ketoglutarate

Dehydrogenase. Akibatnya, konsentrasi endogenus α-Ketoglutarat

yang mengatur daur metabolit α-Ketoglutarat mengikuti

biosinteseis asam glutamat ataupun oksidasi. Hal ini ditunjukan

dengan cukup tingginya produksi asam glutamat.

3. Perubahan Genetik Mikrobia Penghasil Asam £-Glutamat

Kelebihan produksi dari asam glutamat ditunjukan dengan

adanya strain asing dalam dinding permeabilitas yang telah

dimodifikasi. Akan tetapi, produktivitasnya ditingkatkan oleh

adanya perkembangan mikrobia. Sebagai salah satu contoh,

dinding permeabilitas sel asam £-Glutamat dimodifikasi dengan

mutasi berupa mutan temperatur sensitif yang menunjukan

pertumbuhan normal pada 30 0C tetapi tidak tumbuh pada 37°C,

asam £-Glutamat diproduksi dalam jumlah besar bahkan medium

mengandung biotin secara berlebihan pada kultur bertemperatur

30°C sampai 40°C selama pembudidayaan. Sintesis membran dari

mutan ini dibentuk agar tidak mampu betahan pada suhu 37°C-

40°C. Oleh karena itu, terjadi pengurangan asam £-Glutamat.

Tidak ada kontrol kimia dari penicillin ataupun asam lemak jenuh

C16-C18 yang dibutuhkan untuk produksi asam £-Glutamat dalam

medium yang kaya akan biotin. Usaha yang lain untuk

meningkatkan produksi, yaitu meningkatkan fiksasi

karbondioksida. Asam £-Glutamat disintesis melalui siklus

glioksilat sebagai sistem pembaharuan oksaloasetat tanpa fiksasi

karbondoksida. Peningkatan fiksasi ini memungkinkan terjadinya

peningkatan produksi.

Sebagian dari monofluoroasetat yang resistan terhadap

mutan diturunkan dari Brevibacterium lactofermentum yang

menunjukan peningkatan produktivitas dari asam glutamat dengan

peningkatan aktivitas Phosphoenol Carboxylase. Penurunan

aktivitasi Isositrat lyase juga turut meningkatkan jumlah asam £-

Glutamat. Fiksasi karbondioksida telah ditingkatkan oleh

perubahan mutan tersebut.

Piruvat hydrogen mutan yang tidak resisten diturunkan dari

Brevibacterium lactofermentum yang menggunakan asam asetis

dan glukosa secara kontinu. Asam asetis telah diasimilasi sebagai

subtrat asetil KoA dan glukosa sebagai oksaloasetat.

Aplikasi dalam teknik DNA rekombinan untuk

meningkatkan bakteri penghasil asam glutamat merupakan

penawaran cara baru. Berbagai jenis plasmid Brevibacterium

lactofermentum dan plasmid Corynebacterium yang

menghubungkan spectinomycin resisten yang ditemukan dicocokan

sebagai sistem vektor yang memungkinkan. Kontraksi dari plasmid

ini mengandung kumpulan gen dengan asam glutamat yang

ditunjukan Brevibacterium lactofermentum.

1.5 mol glukosa

3 mol fosfofenolpiruvat

3 mol piruvat

3 mol asetil KoA

2 mol oksaloasetat 2 mol sitrat

2 mol molat 　 Glioksilat 2 mol isositrat

suksinat α-Ketoglutarat

asam £-Glutamat

Gambar 1. Jalur pembentukan asam glutamat melalui siklus glioksilat

sebagai sistem pembentuk oksaloasetat tanpa pembentukan

karbondioksida

glukosa

2 mol fosfofenolpiruvat CO2

piruvat

asetil KoA

oksaloasetat sitrat

isositrat

α-Ketoglutarate

asam £-Glutamat

Gambar 2. Jalur pembentukan asam glutamat melalui fosfoenolpiruvat

dengan pengikatan karbondioksida

4. Fermentasi Asam Glutamat Skala Besar

Sterilisasi kontinu lebih berhasil daripada sterilisasi

batchwise untuk mengeliminasi mikrobia asing yang tidak

diinginkan pada media volum besar. Beberapa manfaatnya adalah

(1) hemat energi; (2) kendali mutu yang lebih baik; (3)

meningkatnya produktivitas. Filter udara yang dilengkapi dengan

wol kaca biasanya bagus untuk sterilisasi udara.

Pada fermentasi asam £-Glutamat, dibutuhkan input daya

yang lebih sedikit untuk agitasi daripada fermentasi antibiotik,

sebagaimana cairan kultur bakteri memiliki viskositas (kekentalan)

lebih rendah daripada cairan kultur mycelial. Meskipun demikian,

perlu diperhatikan bahwa kebutuhan oksigen dan perubahan panas

secara perlahan perunit waktu dan volum pada kultur adalah lebih

tinggi, karena asimilasi gula dan respirasi sel yang juga pada laju

yang lebih tinggi.

Untuk keberhasilan operasi fermentasi, tekanan pelarutan

oksigen, suhu, dan pH harus dioptimalkan selama fermentasi.

Kelarutan oksigen dipelihara di atas 0,01 atm dengan mengubah

laju aliran udara, suhu dikontrol lewat alat pendingin, dan kultur

pH dipelihara pada level konstan dengan gas amonia. Pengendalian

tersebut dapat dilakukan dengan sistem computer-aided. Selain itu,

serangkaian kontrol pada beberapa operasi, contohnya

mensterilisasikan sistem, penggunaan medium pada fermenter,

pemberian larutan gula terkonsentrasi ke fermenter, dan kemudian

pencucian fermenter dengan air, dapat dengan mudah diprogram

sehingga dapat berlangsung secara serempak.

E. Aspek Komersial pada Fermentasi Asam £-Glutamat

Produksi asam £-Glutamat tahunan di dunia mencapai 370.000 ton.

Asam £-Glutamat diproduksi di Jepang, Korea, Taiwan, Thailand,

Malaysia, Indonesia, Filipina, Prancis, Italia, Spanyol, Brazil, Peru, dan

Amerika Serikat. Di antara negara-negara tersebut, Jepang merupakan

produsen terbesar dengan Ajinomoto Co., Asahi-Kasei Co., Kyowa Hakko

Co., dan Takeda-Yakuhi Co. yang menghasilkan 107.000 ton dari total

produksi dunia.

Molase tebu atau starch tapioka merupakan bahan baku asam £-

Glutamat. Biayanya adalah sekitar $95 perton untuk molase tebu

(mengandung 60% gula) dan sekitar $360 perton untuk starch tapioka.

Harga internasinal asam £-Glutamat adalah sekitar $2 perkilogram

III. KESIMPULAN

Penelitian dan pengembangan fermentasi asam £-Glutamat

mengubah metode produksi monosodium asam £-Glutamat komersial dari

proses hidrolisis protein menjadi proses produksi dengan mikrobia. Proses

hidrolisis protein memerlukan banyak biaya karena menggunakan gluten

gandum yang mahal atau protein kedelai sebagai bahan baku dan

menghasilkan banyak produk samping seperti starch atau campuran asam

amino. Di sisi lain, fermentasi asam £-Glutamat tidak menghasilkan hasil

samping yang spesifik dan sekarang telah menggantikan metode hidrolisis

protein secara sempurna. Di samping itu, inovasi teknologi terbaru seperti

rekombinasi DNA. fusi sel, perkembangan bioreaktor sekarang

diaplikasikan lebih jauh untuk perbaikan fermentasi asam £-Glutamat.

Teknik DNA rekombinasi dan fusi sel sangat bermanfaat dalam konstruksi

genetik pada mikroorganisme agar hasi produksi tinggi atau kapasitas

untuk berasimilasi bahan bahan baku lebih murah seperti komponen C1

dan selulosa. Bioreaktor untuk produksi asam £-Glutamat dengan

mikroorganisme sedang diteliti sebagai usaha untuk meningkatkan

produktivitas.