I. PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Sejak jaman dahulu manusia sudah
mengenal Bioteknologi. Dahulu bioteknologi diasumsikan berupa pengolahan
makanan dan minuman menggunakan mikroba. Dahulu bioteknologi hanya menghasilkan
tempe, keju, anggur, yogurt, dsb. Seiring dengan perkembangan jaman, Bioteknologi
menghasilkan alkohol, penicilin, sampai kemudian antibbodi monoklonal.
Bioteknologi itu sendiri merupakan
penerapan asas-asas sains (ilmu pengetahuan alam) dan rekayasa (teknologi)
untuk pengolahan suatu bahan dengan melibatkan aktivitas jasad hidup untuk
menghasilkan barang dan/atau jasa (Bull, et all, 1982). Jasad hidup yang
dimaksud dalam pengertian tersebut adalah agen biologi. Bioteknologi di era
modern sekarang banyak menghasilkan produk dalam skala industri. Dalam
memanfaatkan agen biologi, bioteknologi menggunakan peranan penting enzim,
sehingga enzim memegang peranan penting dalam industri.
Enzim adalah protein tidak beracun
namun mampu mempercepat laju reaksi kimia dalam suhu dan derajat keasaman yang
lembut. Produk yang dihasilkannya sangat spesifik sehingga dapat diperhitungkan
dengan mudah. Walaupun berat mikroba, seperti contohnya bakteri hanya mencapai
sepersejuta gram, kemampuan kimiawinya cukup mengagumkan. Selnya tersusun atas
ribuan jenis zat kimia, kebanyakan diantaranya bersifat sangat kompleks. Semua
zat ini tentunya dibangun dengan reaksi kimia dari bahan-bahan penyusun yang
relatif sederhana yang ditemukan mikroba di lingkungannya. Semua reaksi kimia
harus terkoordinasi secara harmonis dan protein yang disebut enzim memainkan
peran utama pada setiap tahap.
Enzim menjadi primadona industri
bioteknologi saat ini dan di masa yang akan datang karena melalui
penggunaannya, energi dapat dihemat dan akrab dengan lingkungan. Saat ini
penggunaan enzim dalam industri makanan dan minuman, industri tekstil, industri
kulit dan kertas di Indonesia semakin meningkat. Dilaporkan, enzim amilase yang
digunakan dalam industri tekstil di Bandung - Jawa Barat, jumlahnya tidak
kurang dari 4 ton per bulan atau sekitar 2- 3 juta dolar Amerika setiap
bulannya dan semuanya diimpor.
B. TUJUAN
Berdasarkan latar belakang tersebut,
makalah ini bertujua untuk:
- Mengetahui pengertian enzim dan peranan enzim
- Mengetahui sumber enzim
- Mengetahui produksi dan legislasi enzim
- Mengetahui immobilisasi enzim
- Mengetahui aplikasi bioteknologi enzim
II. PEMBAHASAN
A.
Pengertian dan Peranan Enzim
Enzim adalah protein yang
berfungsi sebagai katalisator (protein katalitik) untuk reaksi-reaksi kimia di
dalam sistem biologi. Katalisator mempercepat reaksi kimia. Walaupun katalisator
ikut serta dalam reaksi, ia kembali ke keadaan semula bila reaksi telah
selesai. Suatu katalis adalah suatu agen kimiawi yang mengubah laju reaksi
tanpa harus dipergunakan oleh reaksi tersebut. Aktivitas enzim dipengaruhi oleh
beberapa faktor, diantaranya konsentrasi substrat, pH, suhu, dan inhibitor
(penghambat). (Campbell, 1987: 98).
Berbeda dengan katalisator
nonprotein (H+, OH-, atau ion-ion logam), tiap-tiap enzim
mengkatalisis sejumlah kecil reaksi, kerapkali hanya satu. Jadi enzim adalah katalisator
yang reaksi-spesifik karena semua reaksi biokimia perlu dikatalis oleh enzim,
sehingga terdapat banyak jenis enzim.
Menurut Smith (1981: 39),
enzim merupakan komplek molekul organik yang berada dalam sel hidup yang
beraksi sebagai katalisdalam mempercepat laju reaksi kimia. Tanpa enzim, tidak
akan ada kehidupan. Meskipun enzim hanya dibentuk dalam sel hidup, namun
beberapa dapat dipisahkan dari selnya dan melanjutkan fungsinya dalam kondisi in
vitro.
Menurut Steve Prentis
(1990: 12), enzim adalah katalisator biologis, karena suatu katalisator
merupakan suatu senyawa yang mempercepat laju reaksi kimia. Hampir semua reaksi
kimia yang penting bagi kehidupan akan berlangsung sangat lambat tanpa adanya
katalisator yang sesuai.
Bisa disimpulkan bahwa enzim
merupakan senyawa organik bermolekul besar yang berfungsi untuk mempercepat
jalannya reaksi metabolisme di dalam tubuh tanpa memperngaruhi keseimbangan
reaksi. Dari beberapa pengertian tersebut jelaslah bahwa enzim sangat berperan
dalam sebagian besar reaksi kimia dalam tubuh makhluk hidup, tak terkecuali
mikroba yang banyak digunakan sebagai agen biologi dalam bioteknologi.
Mekanisme kerja enzim
berlangsung dalam dua tahap. Banyak enzim menggunakan lebih dari satu substrat
tetapi untuk memahami prinsip dasar kerja enzim dengan mudah dengan
memperhatikan reaksi enzim dengan satu substrat seperti berikut (Primrose,
1987: 40):
Enzim (E) + Substrat (S) ═ kompleks ═ enzim +
produk (P)
Substrat (ES)
Segera setelah enzim
bergabung dengan substratnya, akan bebas kembali.
Gambar
1. Reaksi Enzim dan Substrat
Kemampuan enzim yang unik,
spesifik terhadap substrat meningkatkan penggunaannya dalam proses industri
secara kolektif yang dikenal dengan istilah teknologi enzim. Teknologi enzim
mencakup produksi, isolasi, purifikasi, menggunakan bentuk yang dapat larutdan
akhirnya sampai pada immobilisasi dan penggunaan enzim dalam skala yang lebih
luas melalui sistem reaktor.
Peranan teknologi enzim
berkontribusi pada pemecahan beberapa masalah vital di era modern seperti
sekarang, misalnya produksi makanan, kekurangan dan pemeliharaan energi, dan
peningkatan lingkungan. Teknologi baru ini dasarnya dari biokimia tetapi
diterangkan lebih luas dengan mikrobiologi, kimia, dan proses alat teknologi
yang mendukung keberadaan sains.
B. Sumber Enzim
Berbagai enzim yang digunakan secara
komersial berasal dari jaringan tumbuhan, hewan, dan dari mikroorganisme yang
terseleksi. Enzim yang secara tradisional diperoleh dari tumbuhan termasuk
protease (papain, fisin, dan bromelain), amilase, lipoksigenase, dan enzim
khusus tertentu. Dari jaringan hewan, enzim yang terutama adalah tripsin
pankreas, lipase dan enzim untuk pembuatan mentega. Dari jaringan hewan, enzim
yang terutama adalah tripsin pankreas, lipase, dan enzim untuk pembuatan
mentega. Dari kedua sumber tumbuhandan hewan tersebut mungkin timbul banyak
persoalan, yakni: untuk enzim yang berasal dari tumbuhan, persoalan yang
timbulantara lain variasi musim, konsentrasi rendah dan biaya proses yang
tinggi. Sedangkan yang diperoleh dari hasil samping industri daging, mungkin
persediaan enzimnya terbatas dan ada persaingan dengan pemanfaatan lain.
Sekarang jelas bahwa banyak dari sumber enzim yang tradisional ini tidak
memenuhi syarat untuk mencukupi kebutuhan enzim masa kini. Oleh karena itu,
peningkatan sumber enzim sedang dilakukan yaitu dari mikroba penghasil enzim
yang sudah dikenal atau penghasil enzim-enzim baru lainnya.
Program pemilihan produksi enzim sangat
rumit, dan dalam hal tertentu jenis kultivasi yang digunakan akan menentukan
metode seleksi galur. Telah ditunjukkan dahwa galur tertenttu hanya akan
menghasilkan konsentrasi enzim yang tinggi pada permukaan atau media padat,
sedangkan galur yang lain memberi respon pada teknik kultivasi terbenam
(submerged), jadi teknik seleksi harus sesuai dengan proses akhir produksi
komersial.
Beberapa sumber enzim disajikan dalam
tabel berikut:
Enzim
|
Sumber
|
α-amilase
|
Aspergillus oryzae
Bacillus amyloliquefaciens
Bacillus licheniformis
|
β-glukonase
|
Aspergillus niger
Bacillus amyloliquefaciens
|
Glucoamylase
|
Aspergillus niger
Rhizopus sp
|
Glukosa isomerase
|
Arthobacter sp
Bacillus sp
|
Lactase
|
Kluyveromyces sp
|
Lipase
|
Candida lipolytica
|
Pectinase
|
Aspergillus sp
|
Penicilin acylase
|
Eschericia coli
|
Protease, asam
|
Aspergillus sp
|
Protease, alkali
|
Aspergillus oryzae
Bacillus sp
|
Protease, netral
|
Bacillus amyloliquefaciens
Bacillus thermoproteolyticus
|
Pullulanase
|
Klebsiela aerogenes
|
Tabel
1. Enzim dan sumbernya (Primrose, 1987: 80)
C. Produksi Enzim
Produksi enzim secara industri saat ini
sangat mengandalkan metode fermentasi tangki dalam (deep tank).
Penggunaan mikroorganisme sebagai sumber bahan produksi enzim dikembangkan
dengan beberapa alasan penting, yaitu:
1.
Secara normal mempunyai aktivitas
spesifik yang tinggi per unit berat kering produk.
2. Fluktuasi musiman
dari bahan mentah dan kemungkinan kekurangan makanan kaitannya dengan perubahan
iklim.
3.
Mikroba mempunyai karakteristik cakupan
yang lebih luas, seperti cakupan pH, dan resistansi temperatur.
4. Industri
genetika sangat meningkat sehingga memungkinkan mengoptimalisasi hasil dan tipe
enzim melalui seleksi strain, mutasi, induksi dan seleksi kondisi pertumbuhan,
yang akhir-akhir ini, menggunakan inovasi teknologi transfer gen.
Bahan mentah (raw material)
untuk industri fermentasi enzim biasanya terbatas pada unsur-unsur dimana bahan
tersedia dengan harga yang murah, dan aman secara nutrisi. Beberapa yang lazim
menggunakan substrat amilum hidrolase, mollase, air dadih, dan beberapa gandum.
Dalam produksi enzim, menggunakan batch
untuk proses fermentasi dengan aerasi yang baik (diagram 1), tetapi proses
mungkin ditingkatkan dengan memelihara satu atau beberapa komponen selama
fermentasi.
Diagram 1. Penggambaran tahap dalam persiapan produksi
enzim cair
Beberapa enzim yang digunakan dalam
skala industri adalah enzim ekstraseluler, enzim yang secara normal dihasilkan
oleh mikroorganisme sesuai dengan substratnya dalam lingkungan eksternal dan
dapat disamakan dengan enzim pencernaan pada manusia dan hewan. Kemudian ketika
mikroorganisme memproduksi enzim untuk memisahkan molekul eksternal besar agar
bisa dicerna biasanya digunakan media fermentasi. Dalam fermentasi sari dari
kultivasi mikroorganisme tertentu, seperti contoh, bakteri, yeast atau
filamentous jamur, dijadikan sumber utama protease, amilase dan sedikit
selolosa, lipase, dsb. Kebanyakan industri enzim hidrolase mampu bertindak
tanpa komplek kofaktor, yang segera dipisahkan dari mikroorganisme tanpa
merusak dinding sel dan larut dalam air. Beberapa enzim intraseluler, sekarang
juga banyak diproduksi secara industri dan diantaranya glukosa oksidase untuk
pengawetan makanan, asparginase untuk terapi kanker, dan penicilin asilase
untuk antibiotikTahap pemulihan standar untuk enzim ekstraseluler seperti
berikut: memindah mikroorganisme, mengkonsentrasikan, penambahan bahan
pengawet, standarisasi dan pengepakan. Untuk ekstraksi enzim intraseluler
memerlukan cara mekanis, fisik atau gangguan kimiapada dinding sel atau
membran.
Pada akhir proses fermentasi, kondisi
ideal adalah cairan dengan konsentrasi enzim tinggi, sebuah organisme biomass
yang mudah dipisahkan.
Produk enzim yang aman sebaiknya
mempunyai potensi alergi yang rendah, dan dalam partikelnya terbebas dari
kontaminan.
- Legislasi Enzim
Produk enzim dari mikroba harus
memenuhi spesifikasi yang ketat berkenaan dengan sifat racun dan aspek keamanan
yang lain. Lingkup pemikiran penting yang berhubungan dengan penentuan keamanan
dari enzim komerisal teruatam adalah :
- Reaksi alergenik yang disebabkan oleh suatu protein yang ada dalam produk termasuk protein enzim dan bahan lainnya.
- Aktivitas katalisis dari enzim.
- Terjadinya senyawa racun, seperti mikotoksin dan antibiotika.
Mikroorganisme yang digunakan utuk
memproduksi enzim dpat diklasifikasikan menjadi 3 kelompok. Tergantung pada
kelompoknya, maka ada tingkatan yang berbeda dalam pengujian sifat racunnya.
Kelompok mikroorganisme yang secara tradisional digunakan dalam makanan dan
mikroorganisme yang dianggap sebagai kontaminan tidak berbahaya yang ada dalam
makanan umumnya pengujian tidak dibutuhkan. Tetapi mikroorganisme yang tidak
termasuk dalam dua kelompok tersebut perlu penyelidikan sifat racun yang lebih
ekstensif.
- Immobilisasi Enzim
Sebagai molekul bebas yang laruut dalam
air, enzim sulit dipisahkan dari substrat dan produk, selain itu enzim sulit
untuk digunakan secara berulang-ulang. Dewasa ini, berbagai usaha telah
dilakukan untuk mengatasi hambatan tersebut, yaitu dengan proses immobilisasi
enzim. Immobilisasi biasanya dapat dianggap sebagai perubahan enzim dari yang
larut dalam air, keadaan bergerak menjadi keadaan tak bergerak yang tidak
larut. Immobilisasi mencegah difusi enzim ke dalam campuran reaksi dan
mempermudah memperoleh kembali enzim tersebut dari aliran produk dengan teknik
pemisahan padat atau cair yang sederhana.
Immobilisasi enzim dapat dicapai dengan
mengikat enzim secara kovalen ke permukaan bahan yang tak larut dalam air:
pengikatan silang dengan bahan yang cocok untuk menghasilkan partikel yang
baru; penjebakan di dalam suatu matrik atau gel yang permeabel terhadap enzim,
substrat, dan produk; enkapsulasi; dan dengan absorbsi pada zat pendukung.
Keuntungan immobilisasi enzim antara
lain;
- Memungkinkan penggunaan kembali enzim yang sudah pernah digunakan.
- Ideal untuk proses berkelanjutan (continous procces).
- Memungkinkan kontrol yang lebih akurat untuk proses katalisis.
- Meningkatkan stabilitas enzim.
- Memungkinkan pengambangan sistem reaksi multienzim.
- Aplikasi Enzim
Ribuan tahun yang lalu proses seperti
membuat bir, membuat roti, dan produksi keju melibatkan enzim yang belum diketahui
jenisnya. Dalam cara konvensional ini, teknologinya dipercayakan pada konversi
enzim sebelum bangun pengetahuan yang koheren dikembangkan.
Di negara barat, industri menggunakan
enzim pada produksi yeast dan ragi dimana pembuatan bir dan roti secara tradisional
sudah jarang dikembangkan. Beberapa perkembangan awal biokimia dipusatkan pada
fermentasi yeast dan konversi energi pada glukosa. Di negara timur, industri
yang sama memproduksi sake dan banyak makanan fermentasi, semuanya dibuat dari
filamentous fungi sebagai sumber aktivitas enzim.
Pada tahun 1896, memperlihatkan
permulaan yang sebenarnya dari teknologi mikrobia enzim dengan pemasaran
pertama takadiastase, campuran kasar dari enzim hidrolitik yang
disiapkan pada pertumbuhan jamur Aspergillus oryzae pada tepung gandum.
Perkembangan lebih lanjut dari penggunaan enzim meningkatkan proses secara
konvensional ke era baru. Meskipun sebagian besar produksinya masih
menghasilkan enzim kasar.
Sampai saat ini lebih dari 200 enzim
telah diisolasi dari mikroorganisme, tumbuhan dan hewan, tetapi kurang dari 20
macam enzim yang digunakan pada skala komersial atau industri. Kini, produsen
enzim komersial memasarkan enzim dalam bentuk kasar karena proses isolasinya
lebih sederhana, terutama digunakan dalam makanan dan dalam industri detergen
(menggunakan enzim amilase), industri roti (menggunakan enzim proteinase),
industri pembuatan bir (menggunakan enzim betaglukanase, amiloglukosidase),
industri tekstil (menggunakan enzim amilase), industri kulit (menggunakan enzim
tripsin), industri farmasi dan obat-obatan (menggunakan enzim tripsin, enzim
pankreatic tripsin)
III.
PENUTUP
A.
Kesimpulan
- Pengertian enzim secara umum yaitu enzim merupakan senyawa organik bermolekul besar yang berfungsi untuk mempercepat jalannya reaksi metabolisme di dalam tubuh tanpa memperngaruhi keseimbangan reaksi. Enzim banyak berperan pada pemecahan beberapa masalah vital di era modern seperti sekarang, misalnya produksi makanan, kekurangan dan pemeliharaan energi, dan peningkatan lingkungan dan beberapa industri.
- Berbagai enzim yang digunakan secara komersial berasal dari jaringan tumbuhan, hewan, dan dari mikroorganisme yang terseleksi.
- Produksi enzim secara industri saat ini sangat mengandalkan metode fermentasi tangki dalam (deep tank). Dalam produksi enzim, menggunakan batch untuk proses fermentasi dengan aerasi yang baik (diagram 1), tetapi proses mungkin ditingkatkan dengan memelihara satu atau beberapa komponen selama fermentasi.
- Produk enzim dari mikroba harus memenuhi spesifikasi yang ketat berkenaan dengan sifat racun dan aspek keamanan yang lain dengan legislasi.
- Untuk mengatasi hambatan pemisahan enzim dari substratnya dan produk, serta enzim yang sulit untuk digunakan secara berulang-ulang, maka dilakukan proses immobilisasi.
- Saat ini, produsen enzim komersial memasarkan enzim dalam bentuk kasar karena proses isolasinya lebih sederhana, terutama digunakan dalam makanan dan dalam beberapa industri.
DAFTAR PUSTAKA
Buku :
Albert
Lehninger. 1982. Dasar-dasar Biokimia. Jakarta: Erlangga.
Campbel
and Reece. 2002. Biologi Edisi Kelima. Jakarta: Erlangga.
John
E. Smith. 1981. Biotechnology. London: Edward Arnold Publisher.
Primrose.
1987. Modern Biotechnology. London: Blackwell Scientific Publications.