Transcript karbohidrat_2011

Biokimia Pangan Semester II 2010/2011
KARBOHIDRAT
Pendahuluan
Produksi pati
• Total dunia ~1,4 milyar ton
• Produksi Indonesia (FAO, 2005):
– Padi → 54 juta ton (3)
– Ketela → 19,5 juta ton (3)
– Jagung → 12 juta ton (8)
– Pisang → 4,5 juta ton (6)
– Ubi jalar → 1,8 juta ton (8)
Pati
Sifat fisik pati
• Hasil fotosintesis
• Disintesis dalam plastid (daun) dan
amiloplas (umbi, akar, atau biji)
• Bentuk butiran: bulat, polihedral, oval,
dan serat
• Kandungan: amilosa dan/atau
amilopektin
• Organisasi: amorf dan kristal
Pati
Komposisi butiran pati
Amaranth starch
(Bar: 1 µm)
Arrowroot starch
(Bar: 20 µm)
Buckwheat starch
(Bar: 5 µm)
Cassava starch
(Bar: 10 µm)
Corn starch
(Bar: 10 µm)
Oat starch
(Bar: 5 µm)
Potato starch
(Bar: 50 µm)
Rice starch
(Bar: 2 µm)
Kidney bean starch
(Bar: 20 µm)
Pati
Gelatinisasi
• Pati menyerap air,
mengembang, dan
kembali ke ukuran asal
pada pengeringan
(reversibel)
• Pada suhu tinggi,
proses menjadi
irreversibel (butiranbutiran pecah
membentuk lem pati,
dan larutan menjadi
kental)
Pati
Struktur kimia
Pati
Derajat polimerisasi
• Amilosa: α,1-4 glikosidik (DP ~200–
200.000; Mr 30–3.200 kDa)
– ketela atau kentang (DP 1.000–6.000)
– jagung atau gandum (DP 200–1.200)
• Amilopektin: α,1-4 dan α,1-6 glikosidik
– kentang (DP 10.000-100.000)
• Nisbah amilosa : amilopektin = ~1:3
– beras ~16–30% amilosa
– kentang ~20–21% amilosa
Pati
Ciri fisik pati
Pati
Jenis
Diameter
(µm)
Morfologi
Suhu
gelatinisasi
(oC)
Suhu lem
(oC)
Amilosa
(%)
Sifat
dimasak
Beras
Biji
1–9
Poligon,
bulat
68 – 78
81
19
Gel,
buram
Ketela
Akar
4 – 35
Oval,
terpotong
52 – 73
63
17
Jernih,
kohesif
Jagung
Biji
2 – 30
Bundar,
poligon
62 – 72
80
25 – 28
Gel,
buram
Sagu
Batang
15 – 65
Oval,
terpotong
69 – 74
74
26
Gel,
buram
Kentang
Umbi
5 – 100
Oval,
bulat
58 – 68
64
20 – 21
Jernih,
kohesif
Gandum
Biji
1 – 55
Bundar
52 – 85
77
25 – 28
Gel,
buram
Pemrosesan pati
Kelompok amilase
•
•
•
•
Endoamilase
Eksoamilase
Enzim pemutus cabang
Transferase
Keluarga α-amilase
Keluarga α-amilase
• EC 3.2.1.1, a-1,4-glukan 4-glukanhidrolase
• Keluarga 13 dari keluarga glikosil hidrolase
• Endoenzim: hidrolisis ikatan a-1,4 glikosidik
pada pati, seperti amilosa dan amilopektin
• Terdiri dari 3 domain: domain A (domain inti
katalitik struktur tong (b/a)8 dekat ujung-C), B
(domain bersama A untuk mengikat ion
kalsium), dan C (domain 8 lembar untai-b)
Ion Ca2+
Domain B
Substrat
Domain A
Domain C
Keluarga α-amilase
Residu lestari
C
Domain A
B
Motif I
Motif II
Motif III
Motif IV
Keluarga α-amilase
Motif lestari
b2
b4
b5
Amilomaltase1
EALGIRIIGDMPIFVAED
LFHLVRIDHFRG
VPVLAEDLGVI
VVYTGTHDNDT
Amilosukrase2
HEAGISAVVDFIFNHTSN
GVDILRMDAVAF
VFFKSEAIVHP
VNYVRSHDDIG
Siklomalto-dekstrinase3
HDNGIKVIFDAVFNHCGY
DIDGWRLDVANE
AIIVGEVWHDA
FNLIGSHDTER
Isoamilase4
HNAGIKVYMDVVYNHTAE
GVDGFRFDLASV
LDLFAEPWAIG
INFIDVHDGMT
Pullulanase5
HAHGVRVILDGVFNHTGR
GVDGWRLDVPNE
AYIVGEIWEEA
MNLLTSHDTPR
α-Amilase6
HERGMYLMVDVVANHMGY
SIDGLRIDTVKH
VYCIGEVLDGD
GTFVENHDNPR
Contoh
b7
Sumber enzim: Thermus aquaticus1, Neisseria polysaccharea3, Clostridium thermohydrosulfuricin3,
Pseudomonas amyloderamosa4, Bacillus favocaldarius5, dan Bacillus licheniformis6.
Aplikasi α-amilase
Produksi bioetanol
α-Amylase
Jagung
Beras
Ketela
Sagu
Ubi
Talas
Glukoamilase
Pencairan
Air
Sakarifikasi
Ragi
Fermentasi
Pemisahan alkohol
Distilation & dehidrasi
Pemasakan
>100° C
5–8 menit
Tangki
penyimpan
Penggilingan
Tangki
bubur
Pencairan
kedua
95° C
~90 menit
60° C
8–10 jam
(optional)
DDGS
Aplikasi α-amilase
Biaya produksi bioetanol
% of total process energy
40%
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
Keperluan energi utama:
• Pemasakan (mash prep.)
• Distilasi
• Pengeringan
Solusi
► Konversi butiran pati
pada suhu rendah
Aplikasi α-amilase
Pelarutan pati mentah
SEM of Starch Treated with α-Amylase
of Bacillus sp. ALSHL3
Rice
Corn
Cassava
13/04/2015
Seminar Nasional Bioteknologi
Enzim, Universitas Atmajaya
Scanning Electron Microscopy
5 µm
5 µm
10 µm
10 µm
1 µm
5 µm
5 µm
10 µm
10 µm
1 µm
Cassava
Corn
Incubation: 48 hours, 37 oC
13/04/2015
Sago
Potato
Rice
SEM
A, B = maize; C,D = cassava
Amonium sulphate fraction of
B. aquimaris MKSC 6.2
Recombinant Baq
α-amylase
Aplikasi α-amilase
Pemakaian α-amilase
Jagung
Beras
Ketela
Sagu
Ubi
Talas
Pemisahan alkohol
Fermentasi
Air
Distilation & dehidrasi
Tangki
penyimpanan
Penggilingan
Tangki
bubur
Ragi
rekombinan
DDGS
Aplikasi α-amilase
Hidrolisis pati
Bubur pati
(35% berat; pH 6.5; 40 ppm Ca2+)
α-amylase
105oC, 5 min
Gelatinisasi
Gelatin pati
(<1 DE)
Pencairan
95oC, 120 min
Pencairan pati
(>1 DE; 0.3% Glu; 2% Mal; 97.7% oligosac)
Glucoamilase + pullulanase
pH 4.5; 60oC, 72 h
Sirop glukosa
(99 DE; 97% Glu;
2% mal; 1% oligosac)
α-Amylase fungi
Sakarifikasi
pH 5.5; 50 ppm Ca2+; 55oC, 48 h
Sirop maltosa
(44 DE; 4% Glu; 56% mal;
28% maltotri; 12% oligosac)
Lactic acid bacteria (LAB)
• Variasi bentuk dan ukuran
Lactobacillus brevis
Lactobacillus casei
Oenococcus oenei
Di Supermarket
Brevibacterium linens Lactobacillus bulgaricus Brevibacterium pentasoceus
www.bioweb.usu.edu/microscopy/research.htm
Lactic acid bacteria
• Menghasilkan asam laktat dari glukosa
• Anaerobik fakultatif : hidup pada kadar oksigen
rendah, tetapi dapat hidup tanpa oksigen
Eksoopolisakarida (EPS)
• Polimer gula ‘sticky’ yang terikat pada
bagian luar sel atau yang dilepas keluar
oleh bakteri dan juga ragi, jamur,
mikroalga.
• Penempelan bakteri pada permukaan
(gigi), dengan sesama bakteri (biofilms),
atau pada tanaman (Rhizobium sp.)
Homopolisakarida
• Homo: mengandung satu jenis residu monosakarida
glukose atau fruktosa (atau galaktosa)
• Dihasilkan oleh Streptococcus mutans, Leuconostoc
mesenteroides, or Lactobacillus reuteri
• Mikroflora usus, mikroflora daging yang difermentasi, kol
yang difermentasi
Homopolisakarida
• Bread improver, pengental
• Matriks untuk pemurnian protein
• Efek negatif: karang gigi. HPS membantu
bakteri menempel di permukaan gigi
a-glucans dari LAB
Dextran a-(16)
Leuconostoc mesenteroides B-512F
Alternan a-(13)/a-(16)
Leuconostoc mesenteroides B-1355
Mutan a-(13)
Streptococcus mutans
Reuteran a-(14)/a-(16)
Lactobacillus reuteri 121
Fruktan dari LAB
•
Levan
- Residu fruktosa yang terikat melalui ikatan b, 2-6 dan cabang yang terikat melalui b, 2-1
- Ujung residu glukosa
- Dihasilkan oleh Bacillus subtilus
•
Inulin
-Residu fruktosa yang terikat melalui ikatan b, 2-1 dan carang yang terikat
melalui ikatan b, 2-6
- Ujung residu glukosa
- Dihasilkan oleh Streptococcus sp.danLactobacillus reuteri 121
Sintesis HoPS
• Oleh satu enzim:
- sucrase yang merubah sukrosa menjadi polimer
•- energi yang terdapat pada ikatan fruktosa-glukosa
menggerakkan reaksi
Sucrase Lactobacillus reuteri 121
Levan b-(26)
L. reuteri 121 + 5% sucrose
Reuteran a-(14)/a-(16)
Van Geel-Schutten et al. 1999, Appl. Environ. Microbiol. 65:3008-3014
Glucansucrases
• 140-200 kDa
• Enzim ekstraselular
• Struktur umum:
Ujung N
Daerah katalitik
Signal sequence
Ujung C dengan tingkat
Variasi tinggi
13 Streptococcus GTF enzymes
7 Leuconostoc GTF enzymes
Monchois et al. 1999, FEMS Microbiol. Rev. 23:131-151
Topologi
a-amilase
MacGregor et al. 1996, FEBS Lett. 378:263-266
Glucansucrases tersebar pada lactobacilli
DSM
121
BIO
ML1
180
33
Kg3
Kg15
86
181
182
WCFS
121
190 kDa
Strain
number
LB DSM
LB 121 *
LB BIO
LB ML1
LB 180 *
LB 33 *
LB Kg3
LB Kg15
LN 86 *
Identification
LB 181 *
LB 182 *
LB WCFS1
ND, Heteropolysaccharide prod.
ND, Heteropolysaccharide prod.
L. plantarum WCFS1
L. reuteri DSM 20016
L. reuteri
L. reuteri
L. reuteri
L. reuteri
L. parabuchneri
L. fermentum
L. sakei
Ln. citreum
* Van Geel-Schutten et al. (1998) Appl. Microbiol. Biotechnol.
Produksi glucan
Pengendapan EtOH
5% sukrose
+ enzim GTF
Endapan dan
freeze-dried glucan