Kuliah 5 Teknologi Protein Sel

Tunggal

FARMASI – UHAMKA2012

Priyo Wahyudi

Teknologi Enzim & Protein Sel Tunggal

a. Definisi Protein Sel Tunggal (PST)b. Arti Penting PSTc. Sumber Produksi PST

Definisi PST1. Biomassa sel mikroba kering seperti alga, bakteri,

kapang, yeast dan jamur Basidiomycetes (mushroom) yang ditumbuhkan dalam kultur skala besar, sebagai bahan pangan atau pakan, dengan kandungan protein tinggi, serta nutrien lain seperti karbohidrat, lemak, vitamin dan mineral (Marx, 1991).

2. Istilah Protein Sel Tunggal adalah istilah umum untuk mikroorganisme uniseluler maupun multiseluler seperti bakteri, khamir, kapang dan alga (Tannebaum et al., 1978).

3. PST didefinisikan sebagai isolat protein atau semua komponen sel mikroorganisme yang mempunyai nilai nutrisi yang baik karena kandungan protein yang tinggi, lemak, vitamin serta mengandung asam-asam amino esensial yang lengkap (Srikandi, 1988).

4. PST adalah sel kering jasad renik seperti bakteri, khamir, kapang dan alga yang ditumbuhkan pada suatu sistem kultur tertentu untuk digunakan sebagai sumber protein dalam pangan manusia maupun pakan ternak (Saraswati, 1985).

Keuntungan Mikroorganisme sebagai

PST1. Memungkinkan penggunaan bahan baku non

pangan serta limbah indusri pertanian maupun non pertanian sebagai substrat

2. Tidak membutuhkan lahan yang luas3. Pertumbuhan dan perkembangbiakannya

berjalan dengan cepat tanpa tergantung pada musim dan iklim setempat

4. Mikroorganisme mempunyai kandungan protein tinggi dan nilai gizi cukup baik

5. Modifikasi sifat genetika mikroorganisme lebih mudah daripada tanaman maupun hewan tingkat tinggi

Dasar Pemilihan Mikroba penghasil PST

1. Komposisi bahan baku Bahan baku untuk substrat pertumbuhan mikroorganisme

penghasil PST hendaknya mengandung bahan-bahan organik dan anorganik dalam jumlah cukup baik untuk kehidupan mikroorganisme tersebut

2. Teknik proses Proses pembuatan PST hendaknya memiliki teknik yang praktis

dan mudah serta menggunakan teknologi yang sederhana

3. Aspek nutrisi Mikroorganisme yang digunakan sebagai sumber PST harus

mempunyai nilai gizi tinggi.

4. Tidak bersifat patogen, 5. Tidak mengeluarkan metabolit beracun, 6. Tingkat adaptasi terhadap lingkungan yang stabil, 7. Mampu mengasimilasi substrat dengan kecepatan

tumbuh yang tinggi.

Mikroba Sumber PST

1. Mikroba Fotosintetika. Alga

2. Mikroba Non Fotosintetika. Bakterib. Yeastc. Kapangd. Mushroom

Alga

Mikroalga adalah organisme aerobik fotosintetik, uniseluler ataupun multiselluler, hidup sebagai penyusun trofik dasar lingkungan perairan, mengandung satu atau lebih kloroplas yang berisi klorofil dan pigmen-pigmen pelengkap lainnya yang merupakan situs reaksi fotosintesis.

Mikroalga penghasil PST yang sampai saat ini telah dikenal adalah Spirulina, Scenedesmus, Tetraselmis dan Chlorella.

Alga Alur reaksi fotosintetik:

CO2 + H2O + Amonia atau nitrat + mineral sel alga + O2

Sinar matahari Pemanfaatan PST dari mikroalga:

Pakan ternak Pakan ikan Food Suplemen

Perkembangan : AS, Jepang dan Korea Produksi dilakukan pada kolam-kolam

raksasa yang didisain sebagai bioreaktor besar untuk memperbanyak biomassa mikroalga

Chlorella

Spirullina

Bakteri

Mikroba sel tunggal yang mempunyai tingkat pertumbuhan yang sangat cepat

Substrat yang banyak digunakan adalah berupa limbah pertanian ataupun industri

Bioreaktor yang dirancang khusus agar bakteri dapat berkembang biak (vegetatif growth) dengan cepat, sehingga biomassa yang dihasilkan tinggi

Bakteri yang dipilih adalah bakteri yang tidak patogen dan tidak memproduksi toksin

Contoh: Methylophilus methylotropus, yang menghasilkan produk yang disebut “Pruteen” dengan kandungan protein mencapai 72%, sebagai produk tambahan pakan ternak di Eropa.

Yeast

- Mikroba eukariot bersel tunggal yang membentuk rantai

- Produk ragi kering (dried yeast) sebagai ragi roti telah dikenal lama oleh manusia

- Substrat yang digunakan untuk memproduksi yeast adalah bahan cair ataupun padat yang merupakan limbah hasil pertanian, bahan terformulasi ataupun bahan alam.

- Bioreaktor yang dipakai untuk memproduksi yeast : batch fermentor, fed-batch fermentor maupun continous fermentor.

- Aplikasi yeast sampai saat ini kebanyakan untuk aplikasi pangan manusia

- Contoh: Kluyveromyces fragilis, Candida utilis, Candida guilienmondis, Saccharomyces cerevisiae sebagai ragi roti

Saccharomyces

Kapang- Mikroba eukariot bersel banyak dengan

membentuk hifa dan miselia- Substrat yang difermentasikan kebanyakan

merupakan bahan pangan, limbah padat pertanian, serta bahan alam lain.

- Teknik fermentasi yang umum dilakukan adalah fermentasi padat (bila substratnya padat) dan batch fermentasi bila substratnya cair.

- Produk PST kapang digunakan : bahan pangan atau pakan ternak

- Bila substratnya bahan pangan: maka tujuannya adalah menambah zat gizi (nutrien) dari bahan pangan tsb yang hanya dapat diperoleh dari proses fermentasi. Contoh: Tempe, Oncom

- Bila substratnya limbah padat pertanian: maka tujuannya adalah untuk meningkatkan nilai tambah bahan tsb yang dapat dipakai sebagai bahan pakan ternak dengan kandungan protein memadai

Fermentasi Kapang

Mushroom- Mikroba eukariot bersel banyak termasuk dalam

golongan kapang Basidiomycetes yang membentuk tubuh buah

- Produk yang dihasilkan adalah bahan pangan yang tidak lain adalah bentuk tubuh buah (Fruit bodies) dari kapang Basidiomycetes yang dikulturkan

- Substrat yang digunakan adalah kebanyakan limbah pertanian dan industri, seperti limbah pabrik gula, limbah gergajian kayu, jerami dan sekam.

- Teknik fermentasi yang umum digunakan adalah fermentasi padat

- Kunci utama keberhasilan produksi mushroom adalah dijaganya kondisi lingkungan (suhu, kelembaban dan cahaya) yang optimal bagi fruktifikasi

- Contoh: Pleurotus ostreatus, Volvariella volvaceae, Lentinus edodes, Auricularia auricula, Agaricus bisporus, Ganoderma sp.

Edible Mushroom

Nilai Ekonomi PST

1. Tidak membutuhkan lahan yang luas dan substrat untuk pertumbuhannya sangat sederhana

2. Bila dibandingkan dengan sumber protein konvensional maka produktivitasnya jauh lebih tinggi dan menguntungkan. Sebagai perbandingan bahwa kedelai yang merupakan penghasil protein nabati konvensional tertinggi menghasilkan 2,5 ton/ha/tahun, sedang kan budidaya alga menghasilkan rata-rata 30 ton/ha/tahun

3. Waktu yang dibutuhkan untuk menghasilkan PST sangat singkat dibandingkan waktu yang diperlukan untuk menghasilkan sumber protein konvensional baik nabati ataupun hewani

4. Kandungan nutrisi yang tidak kalah dengan sumber protein lain

5. Nilai ekonomi yang meningkat baik dari sudut dimanfaatkannya bahan baku (substrat) yang tadinya limbah, ataupun dari sudut harga jualnya.

Single cell proteinMicrobial protein for use as human food/animal feed

- source of low-cost protein?Advantages1. rapid growth rate and high productivity2. high protein content (30-80% of dw)3. ability to utilize a wide range of cheap carbon sources methane, methanol, molasses, whey, lignocellulose waste, etc.4. relatively easy selection of cells5. little land area required6. production independent of season and climate • protein content and quality largely dependent on the specific microbe utilized and on the fermentation process • fast growing aerobic microorganisms

Some problems1. high nucleic acid content (bacteria)2. high protein content (elevated RNA levels – ribosomes • digestion of nucleic acids results in elevated levels of

uric acid • treatment with RNAses3. sensitivity or allergic reactions

Microbes for SCP

Carbon substrate Suitable microbes

Carbon dioxide Spirulina sp., Chlorella sp.

Liquid n-alkanes Saccharomycopsis lipolytica, Candida tropicalis

Methane Methylomonas methanica, Methylococcus capsulatus

Methanol Methylophilus methylotrophus, Hyphomicrobium sp.

Candida boidinii, Pichia angusta

Ethanol Candida utilis

Glucose (hydrolyzed starch) Fusarium venetatum

Inulin (polyfructan) Candida species, Kluyveromyces sp.

Spent sulfite liquor Paecilomyces variotii (Pekilo process)

Whey K. marxianus, K. lactis, P. cyclopium

Lignocellulosic wastes Chaetomium sp., Agaricus bisporus, Cellulomonas sp.

GRAS microorganismsGenerally Regarded As Safe by

theFood and Drug Administration

Normally, these organisms need no further testing if cultivated under acceptable conditionsBacteria

Bacillus subtilis Lactobacillus bulgaricus Leuconostoc oenos

Yeasts Candida utilis Kluyveromyces lactis Saccharomyces cerevisiae

Filamentous fungi Aspergillus niger Aspergillus oryzae Mucor circinelloides Rhizopus microsporus Penicillium roqueforti

SCP examplesMushrooms

Pekilo prossess • filamentous fungus Paecilomyces variotii • use of waste from wood processing (monosaccharides + acetate) • use as animal feed

Pruteen • methanol (from methane - natural gas) as C1 carbon source • methylotrophic bacteria (Methylophilus methylotrophus) • feed protein

Quorn • fungal mycelium, Fusarium graminarium for human consumption (mycoprotein) • processed to resemble meat

MycoMax/MycoMeal

Algal oil productionMicroalgae have much faster growth-rates than terrestrial crops. The per unit area yield of oil from algae is estimated to be from between 5,000 to 20,000 US gallons per acre per year (4,700 to 18,000 m3/km2·a); this is 7 to 30 times > than the next best crop, Chinese tallow (700 US gal/acre·a or 650 m3/km2·a).

Typical yield of biodiesel/ha

Some typical yields

Crop YieldL/ha US gal/acre

Algae ~3,000 ~300Chinese tallow[ 1,

2] 772 97

Palm oil [3] 780-1490 508Coconut 2150 230Rapeseed [3] 954 102Soy (Indiana) 76-161 8-17Peanut [3] 138 90Sunflower [3] 126 82Hemp 242 26

1.^ Klass, Donald, "Biomass for Renewable Energy, Fuels,and Chemicals", page 341. Academic Press, 1998. 2.^ Kitani, Osamu, "Volume V: Energy and Biomass Engineering,CIGR Handbook of Agricultural Engineering", Am Society of Agricultural Engs, 1999. 3. Biofuels: some numbers

SpirulinaSpirulina common name for food supplements from two species of cyanobacteria: Arthrospira platensis, and Arthrospira maxima. These and other Arthrospira species were once classified in the genus Spirulina. There is now agreement that they are a distinct genus, and that the food species belong to Arthrospira; nonetheless, the older term Spirulina remains the popular name. Spirulina is cultivated around the world, and is used as a human dietary supplement as well as a whole food and is available in tablet, flake, and powder form. It is also used as a feed supplement in the aquaculture, aquarium, and poultry industries.[1]

Spirulina farming