MAKALAH BIOINDUSTRI FERMENTASI ASAM SITRAT

BIOINDUSTRI FERMENTASI ASAM SITRAT

PENDAHULUAN
Asam
sitrat merupakan suatu asidulan yaitu senyawa kimia yang bersifat asam
yangditambahkan pada proses pengolahan makanan dengan berbagai tujuan. Asidulan
dapat bertindak sebagai penegas rasa dan warna atau menyelubungi after
taste yang tidak disukai.Penambahan asam dapat menurunkan pH makanan sehingga
menghambat pertumbuhanmikroba pembusuk.
Awalnya
asam sitrat diperoleh dalam bentuk kristal melalui proses isolasi dari juice
lemon oleh Scheele pada tahun 1784. Lalu pada tahun 1880 Grimoux dan Adam
mensintesis asam sitrat dari glycerol. Dan pada tahun 1893 Wehmer mengindikasikan
bahwa asam sitrat dapat diperoleh melalui proses fermentasi larutan gula oleh
beberapa jenis fungi. Hingga kini proses produksi komerasial asam sitrat
diperoleh melalui proses fermentasi.

Produksi
asam sitrat secara komersial pertama kali dimulai pada tahun 1923 di New York,
Amerika Serikat menggunakan mikroorganisme dengan proses fermentasi pada kultur
permukaan (surface culture). Proses ini digunakan oleh industri asam
sitrat di Inggris, Belgia dan Jerman dengan molasses sebagai bahan bakunya. Dan
pada akhir tahun 1940-an dan 1950-an diperkenalkan proses fermentasi dengan
kultur terendam (submerged fermentation), dengan sirup glukosa , beet
atau cane molasses sebagai bahan bakunya.
Asam
sitrat dianggap sebagai hasil metabolit
dari metabolisme energi,
dimana konsentrasi akan meningkat menjadi jumlah yang cukup hanya jika di bawah kondisi
ketidakseimbangan substansi metabolik.
Kondisi fermentasi asam
sitrat diresmikan pada 1930-an dan1940-an, ketika efek dari komponen berbagai media
dievaluasi. Mekanisme
biokimia di mana Aspergillus niger menumpuk asam sitrat
terus menarik minat meskipun produksi komersial dengan fermentasi telah
ditetapkan selama
beberapa dekade. Meskipun penelitian biokimia dasar yang luas telah dilakukan dengan A. niger, pemahaman peristiwa yang relevan untuk akumulasi
asam sitrat tidak sepenuhnya dipahami. Ulasan ini difokuskan pada fermentasi
asam sitrat oleh A. niger. Penekanan diberikan
pada aspek biokimia fermentasi, transportasi membran dalam A. niger,
dan pemodelan proses produksi.
Pemecahan
karbohidrat dengan cara fermentasi dapat menghasilkan berbagai macam senyawa
organik diantaranya adalah asam sitrat. Dengan enzim amylase, glukoamilase,
atau amiloglukosidase, senyawa karbohidrat akan dipecah menjadi glukosa, dan
melalui jalur EMP glukosa akan diubah menjadi asam piruvat. Asam piruvat
melalui siklus krebs atau siklus TCA akan diubah menjadi menjadi asam sitrat.
Kapang (mold) Aspergillus Niger adalah
kapang yang dapat menghasilkan enzim yang dapat mengubah karbohidrat menjadi
asam sitrat. Penggunaan asam sitrat untuk industri misalnya makanan, minuman,
dan farmasi.
1.,Aspergillus
niger
Kedudukan
Aspergillus niger adalah sebagai
berikut
:
Kingdom
: Fungi
Filum
: Ascomycota
Klas
: Ascomycetes
Ordo
: Eurotiales
Famili
: Trichocomaceae
Genus
: Aspergillus
Spesies
: Aspergillus niger
(Samson,
et al.,1996)
Ciri–ciri
Aspergillus niger yaitu mempunyai kepala konidia yang besar, bulat dan berwarna
hitam, coklat hitam atau ungu coklat. Konidianya kasar dan mengandung pigmen,
hifa septat dan miselium bercabang. Konidiofora membengkak membentuk vesikel
pada ujungnya membawa sterigmata dimana tumbuh konidia. Konidia membentuk
rantai berwarna hijau, coklat atau hitam, Jamur ini tumbuh baik pada suhu kamar
dan pada medium pH asam. Aspergillus niger merupakan kapang yang dapat
digunakan untuk menghasilkan berbagai jenis asam seperti asam oksalat, asam-2-
hidroksipropana-1,2,3-trikarboksilat, asam glukonat dan beberapa jenis enzim
seperti pektinase, α-amylase, asparaginase, selulase, proteinase, lipase, katalase,
glukosa oksidase dan fitase.
Aspergillus
niger
dapat tumbuh cepat dengan
menggunakan nutrisi yang ada disekelilingnya. Molekul–molekul sederhana seperti
monosakarida yang terlarut disekeliling hifa dapat diserap langsung oleh hifa,
tetapi polimer–polimer seperti amilum atau selulosa harus dipecah dulu oleh
enzim-enzim ekstraseluler yang dihasilkan oleh Aspergillus niger menjadi
molekul–molekul yang lebih sederhana sebelum diserap ke dalam sel.
PEMBAHASAN
1.                 
Mikroba
Mikroba
yang dapat menghasilkan asam sitrat cukup banyak. Diantara mikroba tersebut
adalah Aspergillus niger, A. wentii, A. civiatus, Penicillium luteum, P.
citrinum, Mucor priformis, Paecilomyces divaricatum, Citromaeces pfefferianus,
Candida guilliermondii, Saccharomaecopsis lipolytica, Trichoderma viridae,
Arthrobacter parraffimeus
dan Corynebacterium sp. Di antara mikroba
tersebut yang dipakai untuk produksi asam sitrat adalah Aspergillus niger
dan Aspergillus wentii yang merupakan galur yang paling produktif.
Kapang
(mold) Aspergillus niger dan Aspergillus
wentii adalah
kapang yang dapat menghasilkan enzim yang dapat mengubah karbohidrat menjadi
asam sitrat. Penggunaan asam sitrat untuk industri misalnya makanan, minuman,
dan farmasi.
2.                 
Kondisi Medium
Aspergilllus niger
yang merupakan kapang yang memproduksi asam sitrat memerlukan medium yang
sedikit defisiensi dalam unsur pospat atau lebih unsur-unsur logamnya yaitu
mangan, besi, seng dan mungkin tembaga. Efek efek yang ditimbulkan oleh
logam-logam ini saling terkait
sedemikian rupa sehingga konsentrasi yang tepat dari suatu logam bergantung
kepada konsentrasi logam logam lainnya yang juga terdapat dalam medium. Medium
dari molase bit yang mengandung 1-20% gula sering dipakai dalam fermentasi ini,
amonium nitrat, magnesium sulfat, dan KH2PO4 biasanya
ditambahkan pada medium tersebut. Asam hidroklorat digunakan untuk menurunkan
pH tetapi molase bit ini terlalu banyak mengandung unsur logam. Beberapa faktor
sangat menentukan persiapan medium diantaranya adalah gula, kandungan garam
anorganik, pH, nisbah luas permukaan terhadap volume, ketersediaan oksigen, dan
suhu medium.
a.      
Kandungan gula
Larutan
dengan konsentrasi 14-20% gula dapat dipergunakan. Substitusi parsial terhadap
sukrosa dengan fruktosa atau glukosa yang menghasilkan konsentrasi gula
1-5%  (diluar konsentrasi awal yang
14-20%) akan menghasilkan asam sitrat yang lebih sedikit dibandingkan dengan
medium yang mengandung hanya sukrosa. Hidrolisis parsial selama sterilisasi
juga menurunkan hasil asam sitrat. Untuk Aspergillus Niger adalah 15-18%, jika lebih dari 18% tidak ekonomis dan jika kurang dari 15%
terbentuk asam oksalat.
b.     
Garam-garam
anorganik
Selain karbon,
hidrogen, dan oksigen yang berasal dari karbohidrat diperlukan juga nitrogen,
kalium, fosfor, belerang, dan magnesium untuk media fermentasi.
c.      
pH
Kemantapan pH
adalah salah satu faktor terpenting dalam fermentasi. Garam-garam anorganik dan
pH sangat berpengaruh terhadap proporsi asam sitrat dan oksalat yang
dihasilkan. Jadi pH dan garam anorganik harus diatur sedemikian sehingga
produksi asam sitrat tinggi dan sebaliknya produksi asam oksalat ditekan
serendah mungkin. Penggunaan pH rendah banyak menguntungkan yaitu hasil asam
sitrat tinggi, pembentukan asam oksalat tertekan dan bahaya kontaminasi
minimum. Pada percobaan di laboratorium ternyata strain kapang yang terbaik
dalam menghasilkan asam sitrat adalah juga yang paling toleran terhadap pH yang
rendah. Currie menggunakan asam hidroklorat untuk membuat pH medium 3,4-3,5. Sebagai pengatur
digunakan asam klorida. Sedang pH
yang baik 3,4 – 4,5. Pada pH tinggi dihasilkan asam oksalat.
d.     
Nisbah luas
permukaan terhadap volume media
Dalam produksi
asam sitrat, konversi gula menjadi asam sitrat dilakukan oleh enzim intrasel
dan berlangsung didalam sel yang membentuk suatu lapisan miselium.  Gula masuk kedalam sel-sel secara osmosis,
sedangkan asam sitrat dikeluarkan dengan cara difusi. Laju awal proses
enzimatik dan difusi akan menentukan berapa lama fermentasi berlangsung. Jadi
jelaslah bahwa dalam tempat fermentasi yang 
dalam dan besar kecepatan pembentukan asam sitrat relatif lambat, karena
luas permukaan lapisan miselium kecil dibandingkan dengan volumenya.  Dengan menggunakan baki-baki dangkal, akan
didapatkan permukaan miselium yang mulus. Konversi gula menjadi asam sitrat
berlangsung akan lebih cepat pada nisbah luas permukaan media terhadap volume
yang tinggi.  Doelger dan Prescott telah
meneliti nisbah volume dan luas permukaan terhadap rendaman  (hasil bagi asam sitrat dengna sukrosa yang
digunakannya). Mereka menggunakan baki dangkal dari alumunium dengan ukuran
25×33 cm dengan kemurnian alumunium 99,8% atau lebih. Medium standar dengan pH
2,4 serta suhu terjaga pada 260 C.
e.      
Suplai oksigen
Suplai udara yang
terlalu banyak ataupun sedikit dapat berakibat tidak baik terhadap produksi
asam sitrat. Olehkarena itu seberapa banyak masukan air yang harus diberikan
harus ditemukan secara eksperimental untuk setiap perangkat peralatan.
f.       
Suhu
Suhu
yang baik adalah 26 – 28oC. Jika
lebih dari 30oC, keasaman naik dan akibatnya ada asam oksalat.
3.         Produksi
asam sitrat
Produksi asam sitrat
dengan metode chan
Dalam
metode ini padatan seperti pulp tebu atau bit direndam dengan larutan gula
(sukrosa atau molase) tanpa sterilisasi. Medium ini kemudian diinokulasikan
dengan kultur kapang Aspergillus niger.
Umur kultur untuk inokulasi ternyata tidak terlalu berpengaruh. Fermentasi berjalan
cepat pada suhu 20-30ºc yang biasanya berlangsung selama 4 hari atau kurang.
Hasil yang diperoleh yaitu sebanyak 55% asam sitrat (dari jumlah sukrosa awal)
atau 45% (berdasarkan
jumlah molase awal). Setelah medium diinokulasi spora-spora akan mulai berkecambah
dalam beberapa jam dan dalam 2-5 hari medium akan tertutup oleh lapisan
miselium. Pada saat pertumbuhan miselium mulai lambat, laju pembentukan asam
sitrat akan meningkat. Fermentasi biasanya akan selesai dalam 7-10 hari. Jika
50% sukrosa yang tersedia telah diubah menjadi asam sitrat maka laju
pertambahan asam sitrat juga akan menurun. Asam sitrat yang dihasilkan oleh Aspergillus niger jika tidak segera
dipanen maka akan segera terurai. Sesudah fermentasi selesai, larutan kemudian
dikeringkan, miselium di press untuk menghilangkan asam-asam yang masih
terkandung, kemudian kalium sitrat diendapkan. Dengan menambahkan asam sulfat
yang ekuivalen, maka asam sitrat akan terpisah dari kalium sulfat. Gula yang
tidak dikonversi dapat difermentasi oleh khamir dan asam sitrat dikristalkan.
Fermnetasi kultur
terendam atau fermentasi kultur permukaan
Proses
fermentasi dapat dilakukan dengan fermnetasi kultur terendam atau fermentasi
kultur permukaan. Fermentasi kultur terendam dibagi menjadi dua yaitu dilakukan
pada fermentor berpengaduk (stirrer fermentor) dan air lift fermentor.
Fermentasi kultur permukaan dapat menggunakan medium cair maupun media padat.
Pada fermentasi menggunakan media padat, mikroba kurang sensitive terhadap
tingginya konsentrasi mikro. Cara fermentasi menggunakan media padat cukup
sederhana, misalnya pada fermentasi menggunakan media dari dedak gandum.
Mula-mula pH bahan diturunkan menjadi 4-5. Setelah sterilisasi, bahan
disebarkan diatas baki setebal 3-5
cm, dan diinokulasi dengan spora kapang. Fermentasi ini
dilangsungkan pada suhu 28ºC selama 5-8 hari. Meskipun A. niger dapat
menghasilkan amylase untuk menghidrolisa pati dedak, penambahan amylase dari
luar dapat mempercepat pertumbuhan kapang. Asam sitrat yang dihasilkan
diekstraksi dengan air panas. Pulp (misalnya dari tebu) direndam di
dalam air atau diberi larutan sukrosa molasses sampai jenuh. Setelah itu tanpa
disterilkan bahan diinokulasi dengan suspensi spora. Kemudian diinkubasi selama
4 hari pada suhu 20-35ºC. Fermentasi ini dapat menghasilkan asam sitrat
sebanyak 55% dari jumlah sukrosa atau 45% dari jumlah gula yang terdapat di dalam
molasses.
            Fermentasi menggunakan media cair
pada wadah dangkal (tidak terlalu dalam) sehingga memperluas bidang kontak
antara media dengan oksigen di udara. Media untuk fermentasi asam sitrat, tidak
boleh mengandung besi (Fe) terlalu banyak, karena dapat mempertinggi hasil
sampingan asam oksalat dan menyebabkan 
pembentukan pigmen kuning yang sulit dihilangkan pada waktu proses
pemurnian hasil. Teknologi yang digunakan dalam metode ini relatif sederhana,
dengan menggunakan biaya operasi yang relatif murah dan investasinya relatif
kecil. Kurang lebih 20% dari kebutuhan dunia 
akan asam sitrat berasal dari produksi dengan metode fermentasi media
cair, namun tingkat produksi ini menduduki peringkat kedua setelah produksi
dengan cara kultur terendam.
Bahan
baku fermentasi pada medium cair dapat beupa molasses. Setelah formulasi
(penambahan mineral makro dan pengaturan konsentrasi mineral mikro), media
kemudian disterilkan. Kemudian disebarkan di dalam wadah yang lebar (baki).
Media tersebut diinokulasi dengan spora kering (2-3 x 107 spora per
m2) atau dengan suspensi spora. Fermentasi dilangsungkan pada suhu
30ºC selama 8  sampai 14 hari. Ventilasi
atau pemberian aliran udara di dalam ruang fermentasi dibutuhkan agar tidak
terjadi penimbunan gas karbondioksida. Pada kadar karbondioksida di atas 10%,
produksi asam sitrat akan berkurang. Proses ini menghasilkan 1.2 sampai 1.5 kg asam sitrat
monohidrat tiap m2 permukaan media per hari. Tahap selanjutnya
adalah proses permanenan dan pemurnian hasil. Mula-mula dilakukan pemisahan
bagian cair dan padat (seperti pemisahan spora dan miselium) dengan cara
pencucian atau pemerasan miselium dan dengan filtrasi. Cairan yang dihasilkan
ditambah dengan garam kalium sulfat (CaSO4) pada pH rendah, yang
akan menyebabkan asam oksalat (jika dihasilkan) akan mengendap sebagai kalium
oksalat, dan asam sitrat bergabung dengan ion Ca2+ membentuk kalsium
sitrat yang kemudian akkan terlarut dalam cairan. Apabila pH dinaikkan menjadi
7.2 + 0.2 pada suhu 70-90ºC, kalsium sitrat akan mengendap dan selanjutnya
dapat dipisahkan secara filtrasi. Pemurnian selanjutnya adalah dengan
menambahkan asam sulfat sehingga asam sitrat terlarut lagi dan terbentuk
endapan kalsium sulfat. Larutan yang mengandung asam sitrat tersebut
dimurnikan, antara lain dengan memberi perlakuan karbon aktif, dan
melewatkannya pada penukar ion/kation. Terakhir adalah kristalisasi pada suhu
di atas 40ºC untuk membentuk asam sitrat anhidrat atau suhu dibawah 36.5ºC
untuk membentuk asam sitrat monohidrat.
            Saat ini sebagian besar (80%)
produksi asam sitrat berasal dari fermentasi kutur terendam. Fermentasi ini
menggunakan peralatan yang lebih canggih dengan kebutuhan membutuhkkan energi
yang lebih banyak, namun lebih sedikit memerlukan lahan dan tenaga kerja. Ada
beberapa metode yang telah dikembangkan untuk fermentasi dengan menggunakan
kultur terendam, diantaranya adalah metode Szucs, dan metode Shu dan Johnson.
  1. Metode
    Szucs
Fermentasi
ini berlangsung  dalam dua tahap. Tahap
pertama adalah fermentasi pada media pertumbuhan, setelah itu fermentasi pada
media produksi. Media pertumbuhan mengandung :
Sukrosa
(25-50 g/l)
NH4NO3
(2.25 g/l)
KH2PO4
(0.3 g/l)
MgSO4
dan 7 H2O (0.25 g/l)
HCl
1 N (agar pH menjadi 2) (10 ml/l)
            Media disterilkan dan kemudian
diinokulasi dengan suspensi spora A.
niger
yang biasa digunakan untuk fermentasi permukaan. Fermentasi ini
berlangsung pada suhu 25ºC, diberi aerasi dan agitasi, selama 3 sampai 4 hari
untuk memperoleh massa miseliumm yang cukup banyak. Setelah fermentasi tahap
pertama selesai, miselium dipisahkan dari cairan media, dan dicuci dengan
akuades. Miselium yang telah bersih kemudian dipindahkan ke dalam larutan media
produksi sebanyak 5 : 1000 (miselium diukur berdasarkan berat kering).
Komposisi media produksi tersebut adalah sebagai berikut :
Sukrosa
(200 g/l)
NH4NO3
(1.1 g/l)        
KCl
(0.15 g/l)
MgSO4
dan 7H2O (0.25 g/l)
HCl
1 N (untuk mengatur pH 1.1) (10 ml/l)
            Fermentasi tahap kedua membutuhkan
aerasi (100 ml oksigen per 2
liter larutan per menit) dan agitasi (300 rpm).
Fermentasi ini berlangsung selama 4 hari pada suhu 18-28ºC (dengan suhu optimum
25ºC). Sebanyak 70-75% gula yang dikonsumsi diubah menjadi asam sitrat.
  1. Metode
    Shu dan Johnson
Shu
dan Johnson melakukan fermentasi dalam dua tahap. Tahap pertama adalah
fermentasi pada medium sporulasi yang mengandung :
Sukrosa
(140 g/l)
Bacto
agar (20  g/l)
KH2PO4
(1.0 g/l)
MgSO4
dan 7H2O (2.5 g/l)
HCl
(untuk mengatur pH 3.6) (secukupnya)
Unsur
mikro :
Cu2+  (0.48 mg/l)
Zn2+
(3.8 mg/l)
Fe3+
(2.2 mg/l)
Mn2+
(2.2 mg/l)
(Mn2+
sangat dibutuhkan untuk sporulasi. Media ini disterilisasi pada suhu 120ºC
selama 15 menit)
            Media tersebut diinokulasi dengan
suspensi spora A. niger (ATCC, No.
1015). Kemudian diinkubasi selama 3-5 hari. Setelah itu, suspensi spora yang
dihasilkan diinkubasi lagi pada medium basal yang mengandung :
Sukrosa
(140 g/l)
KH2PO4
(2.5 g/l)
MgSO4
dan 7H2O (0.25 g/l)
HCl
(untuk mengatur pH 3.8) (secukupnya)
Unsur
mikro :
Cu2+  (0.06 mg/l)
Zn2+
(0.25 mg/l)
Fe3+
(1.3 mg/l)
HCl
(untuk mengatur pH 3.8) (secukupnya)
            Fermentasi ini dilangsungkan dalam
Erlenmeyer 500 ml dengan diberi agitasi (270 rpm) pada suhu 25ºC, selama 8-10
hari. Hasil yang diperoleh adalah kira-kira 72 gram asam sitrat
anhidrat per 100 gram
sukrosa yang digunakan.
Reaksi
Pembuatan Asam Sitrat dan Permuniannya.
a)     
Reaksi Pembentukan
(C6H10O5)n(s) + nH2O(l)      →        C12H22O11(s)
karbohidrat                                   sukrosa
C12H22O11(s)  + H2O(l)     → C6H12O6(s)  + C6H12O5(s)
                                          glukosa             fruktosa
C6H12O6(s)  +

 O2(g)             →      C6H8O7(s)    + 2 H2O(l)

                                                      Asam
sitrat
b)     
Reaksi Permunian
2C6H8O7(s)+3Ca(OH)2(l) →Ca3(C6H5O7)2(s)

 + 6 H2O(l)

                                          Ca.
Sitrat
Ca3(C6H5O7)2(s) +3H2SO4(l)    3CaSO4(s)  

+2C6H8O7(s)

                                                                        Ca. Sulfat        As. Sitrat
C6H8O7(s) + 3 NaOH (l)
 →            Na3(C6H5O7)(s)+3 H2O(l)         
                                                      Na.
Sitra
t
PENUTUP
Asam sitrat adalah asam yang dapat dimakan yang biasa
digunakan dalam pembuatan minuman, makanan, pencuci mulut, menambah aroma
minuman berkarbonasi, jamur, selai, jelly, permen, dan anggur. Asam sitrat
digunakan dalam produk makanan agar makanan mempunyai aroma buatan dari bahan
campuran seperti tablet dan minumam kaleng seperti campuran tablet vitamin C.
Dalam farmasi, sitrat digunakan untuk pengaturan pH dan bertindak sebagai
pelindung dalam cuci rambut dan tata rambut.
Asam
sitrat memiliki fungsi seperti dapat menstabilkan warna makanan,
mengurangikekeruhan, mengubah sifat mudah mencair atau meningkatkan pembentukan
gel. Asam sitrattermasuk zat pengikat logam yang merupakan bahan penstabil yang
digunakan sebagai pengolahan bahan makanan. Asam sitrat mengikat logam
dalam bentuk ikatan komplekssehingga dapat mengalahkan sifat dan pengaruh jelek
logam tersebut dalam bahan. Asamsitrat digunakan pada minuman selain berfungsi
sebagai pengasam juga berguna untuk mangikat logam yang dapat
mengkatalisis komponen cita rasa/warna.
DAFTAR
REFERENSI
Budiyanto,
M.A Kresno. 2003. Mikrobiologi Terapan. UMM Press, Malang.
Judoamidjojo, M., Darwis, A.A., Sa’id, E,G. 1992.
Teknologi Fermentasi.
Rajawali Pers,
Jakarta.
Papagianni, Maria. 2007. Advances in Citric Acid
Fermentation by Aspergillus Niger: Biochemical Aspects, Membrane Transport and
Modeling. Biotechnology
Advances, 25: 244–263
Rahman,
Ansori. 1994. Teknologi fermentasi Industrial II. Arcan, Jakarta.
Samson, R. A., Hoekstra, E. S.,
and Oorschot, C. A. N., 1996, “Introduction to Food Borne Fungi”, Centra
Albureau for Schimmcl Cultures, Netherland.

Wuryanti. 2008. Pengaruh
Penambahan Biotin Pada Media Pertumbuhan Terhadap Produksi Sel Aspergillus
niger.
Bioma, 10( 2): 46-50.

Berkomentarlah dengan bijak,,No Spam !