Transcript Fermentation & Enzyme Technology

FERMENTATION & ENZYME TECHNOLOGY
OUTLINE
I
DEFINISI DAN TUJUAN FERMENTASI
II
MIKROORGANISME FERMENTASI
III
PRODUK FERMENTASI
IV
PERALATAN FERMENTASI
V
EFEK FERMENTASI
VI
TEKNOLOGI ENZIM
2
DEFINISI DAN TUJUAN FERMENTASI
 Fermentasi :
 Proses disimilasi anaerobik senyawa-senyawa organik oleh aktivitas mikroor
ganisme atau ekstrak dari sel-sel mikroorganisme tersebut.
 Reaksi reduksi oksidasi dalam sistem biologi yang menghasilkan energi dima
na senyawa-senyawa organik berperan sebagai donor dan aseptor elektron.
 Prinsip : memperbanyak jumlah mikroorganisme dan menggiatkan metabolism
enya dalam bahan pangan.
 Tujuan :
1. Menghasilkan produk pangan baru menggunakan mikroorganisme
2. Menghasilkan produk pangan berbeda (aroma, rasa, dan tekstur)
 Metode menumbuhkan mikroorganisme bermanfaat dalam proses fermentasi
1. Penambahan garam dalam media  mengatur pertumbuhan inokulum
2. Mematikan kontaminan: menambahkan starter, mengatur T, dan oksigen, pH
3
 Kelebihan proses fermentasi :
 Mampu mempertahankan komponen nutrisi dan sensori bahan : mild pH da
n suhu rendah
 Menghasilkan produk beraroma dan bertekstur khusus yang sulit dihasilkan
oleh metode lain
 Hemat energi
 Relatif murah dan mudah
 Keuntungan pemanfaatan enzim :
 Bekerja spesifik dan terkontrol
 Mampu mempertahankan komponen nutrisi dan sensori bahan
 Mengkonsumsi energi rendah
 Menghasilkan produk beraroma dan bertekstur khusus yang sulit dihasilkan
oleh metode lain
4
MIKROORGANISME FERMENTASI
 Jenis bakteri fermentasi :
 Asam laktat : Lactobacillus lactis, L. acidophilus, L. bulgaricus, Leuconostoc m
esenteroides, L. dextrancium, Streptococcus thermophylus, S. lactis, Pediococ
cus cereviceae
 Bakteri asam propionat
 Bakteri asam asetat
 Khamir: Sacharomyces cereviceae
 Kapang : Rhizopus oligosporus, Aspergilus, dan Penicillium
 Karakteristik mikroorganisme fermentasi :
1. Mampu tumbuh cepat dalam subtrat dan lingkungan yang cocok untuk mem
perbanya diri
2. Mampu mengatur ketahanan fisiologis
3. Mampu menghasilkan enzim dalam jumlah besar
Protease
Protein
Karbohidrat
Khamir
Proteosa, Pepton
Aldolase
Bakteri
Asam
 Faktor yang mempengaruhi pertumbuhan mikroorganisme :
 Nutrisi : karbon, nitrogen, dan komponen nutrisi spesifik lain
 pH subtrat
 Kadar air
 Suhu inkubasi
 Potensial reduksi-oksidasi
 Mikroorganisme pesaing
 Sitem operasi : batch dan kontinyu
1. Batch
Fase pertumbuhan m.o :
a. Fase lag
b. Fase logaritmik (eksponensial)
ln Cb = ln Co + µt
dimana :
Co : konsentrasi sel awal
Cb : konsentrasi sel setelah t tertentu
(massa biomassa)
Kurva fase pertumbuhan mikroorganisme p
ada proses batch
µ : pertumbuhan spesifik (h-1)
t : lama fermentasi (h atau jam) 6
µmaks : pertumbuhan maksimum (pada fase logaritmik)
c. Fase stasioner
• Laju pertumbuhan m.o menurunkan dengan menurunnya konsentrasi
nutrisi dan/atau akumulasi produk metabolit
2.
Kontinyu
• Produktivitas tinggi : penambahan subtrat dan panen biomassa kontinyu
• Fase logaritmik
 Pembagian m.o berdasarkan jumlah produk yang dihasilkan
1. Single product : homofermentative microorganism
2. Mixed products : heterofermentative microorganism
7
PRODUK FERMENTASI
 Produk Fermentasi :
Makanan yang terbentuk oleh ke
giatan enzim-enzim yang dihasilk
an oleh mikroorganisme pada ba
han organik sehingga memiliki w
arna, rasa, aroma, tekstur, dan sif
at-sifat yang khas (roti, brem, cuk
a, tape, sayur asin, dln)
 Prosedur pembuatan produk fer
mentasi :
1. Persiapan bahan baku
• Grading dan sortasi
• Cleaning
• Reducing
• Pelayuan
• Cooking (rebus/kukus)
• Cooling
• Pe(+) larutan perendam
Persiapan bahan
baku
(media tumbuh)
Persiapan
inokulum
Inokulasi
Inkubasi
Pengolahan
Akhir
Diagram proses fermentasi
8
2. Penyiapan inokulum
 Pemurnian mikroorganisme dari cairan induk (stock culture)
 Scale up cairan induk: starter yoghurt, tape, dln.
3. Proses fermentasi :
1. Spontan : sayur asin, saurkraut
2. Tidak spontan (pemberian inokulum : larutan, bubuk, terimobilisasi)
3. Inkubasi (peragian) :
• Menempatkan media fermentasi pada lingkungan yang sesuai
• Kondisi lingkungan : suhu, oksigen, pH, RH, kebutuhan cahaya, agitasi, lam
a fermentasi (masa inkubasi)
• Akhir fermentasi : fase penuaan (aging), yaitu membiarkan produk bebera
pa lama untuk memperoleh aroma dan flavor yang dikehendaki (keju, yog
hurt, dln)
4. Pengolahan akhir : penyaringan, penyulingan, pasteurisasi, dln.
 Jenis produk fermentasi :
1. Produk non alkohol (asam organik)
2. Produk alkohol
9
Tabel Contoh Fermentasi Asam Laktat
10
chopped
meats
Salt, spic
es, sugar
Diagram alir proses fermentasi produk
daging (salami, pepperoni, medwurst , d
an bologna)
Mixing
Filling
Pasteurisation
Drying
Storaging
Finished
Product
11
Tabel Contoh Fermentasi Produk Beralkohol
12
 Kelebihan produk fermentasi :
 Memiliki umur simpan lebih panjang
 Memiliki karakteristik organoleptik dan komponen nutrisi lebih baik
 Mengandung bahan yang tidak diinginkan atau berbahaya dalam jumlah lebi
h kecil (reduksi sianida dalam ubi kayu)
 Contoh produk terfermentasi
1. Produk fermentasi dari tepung : roti
 Bahan baku : yeast, gula, telur, susu, shortening (fat), emulsifier, anti-fung
al agents, anti-oksidan, enzim, pengembang (flavoring), dan bahan lainny
a.
13
TEPUNG
YEAST
 Jenis sumber tepung : Triticum vulgare dan T. durum (berwarna leb
ih kuning, banyak digunakan untuk makaroni).
 Kandungan tepung : pati (70%), protein (7-15%), gula (1%), dan lem
ak (1%).
Protein :
• 15% (albumin, globulin, peptida, amino acids, dan enzim) : larut
dalam air, melarutkan garam, dan mencegah pembentukan roti (
non-dough forming).
• 85% : protein tidak larut dalam air (gluten)  berperan dalam p
embentukan roti :
1. Hard wheat : protein>12%, kandungan glutenin tinggi, baik di
gunakan sebagai bahan baku roti, mampu menangkap gas ha
sil fermentasi lebih baik.
2. Soft wheat : protein 9-11%, baik digunakan untuk membuat c
akes.
 Jenis : Saccharomyces cerevisiae.
 Kriteria yeast roti :
a. Mampu tumbuh cepat pada suhu ruang (20-25°C)
b. Mudah terdispersi dalam air
c. Mampu memproduksi CO2 dalam jumlah besar
d. Mampu mempertahankan kualitas (tidak mudah rusak pada suh
u penyimpanan 20oC)
14
YEAST
 Kriteria yeast roti :
e. Mampu beradaptasi dengan subtrat
f. Memiliki daya invertase dan aktivitas enzim lain untuk menghid
rolisis sukrosa menjadi glukofruktosa
g. Mampu tumbuh dan mensintesis enzim dan koenzim dalam ko
ndisi anaerobik
h. Memiliki daya tahan terhadap efek osmotik garam
 Konsentrasi dalam adonan : 2-2,75% (b/b tepung)
 Prinsip kerja : mengurai gula heksosa menjadi alkohol dan karbond
ioksida serta sedikit gliserol, alkohol lain, ester, dan asam organik.
SUGAR
 Fungsi :
a. Sumber karbon bagi yeast
b. Pemanis
c. Mempercepat proses browning
d. Mampu beradaptasi dengan subtrat
 Jenis : sukrosa dan fruktosa
SHORTE
NING
(FAT)
 Konsentrasi dalam adonan : 3% (b/b tepung)
 Fungsi :
a. Memperbesar volume
b. Membentuk tekstur lunak
c. Meningkatkan karakteristik iris (potong)
 Jenis : minyak/lemak nabati, butter
15
EMULSI
FIER
SUSU
GARAM
 Fungsi : mendistribusikan shortening secara merata dalam adonan
 Konsentrasi dalam adonan : 0,5% (b/b tepung)
 Komposisi : palmitat atau stearat yang terikat pada karboksil, hidro
ksil, atau grup amino.
 Jenis : calcium stearyl- 2-lactylate, lactylic stearate, dan sodium ste
aryl fumarate.
 Fungsi :
a. Memperkaya nutrisi
b. Memperbaiki warna kulit
 Jenis : susu, campuran skim milk dengan whey, buttermilk solids,so
dium atau potassium caseinate, soy flour dan/atau corn flour
 Konsentrasi dalam adona : 1-2 bagian per 100 bagian tepung (1-2%
b/b tepung)
 Konsentrasi dalam adonan : 2% (b/b tepung)
 Fungsi :
a. Memperbaiki rasa
b. Menstabilkan fermentasi yeast
c. Memperkuat efek gluten
d. Mencegah aktivitas proteolitik
e. Meningkatkan pengikatan lemak dalam adonan
16
WATER
 Fungsi :
a. Melarutkan gluten
b. Meningkatkan daya pengembangan pati
c. Media yang baik bagi berbagai reaksi dalam adonan
ENZIM
 Fungsi : menguraikan pati menjadi gula-gula sederhana yang dapat
difermentasi
 Jenis : enzim amilolitik dan protease
 sumber : Bacillus subtilis dan Aspergillus oryzae
MOLD IN
HIBITOR
 Jenis : calcium propionate, sodium diacetate, vinegar, mono-calciu
m phosphate, dan lactic acid
 Fungsi : mencegah kerusakan roti akibat fungi
17
Pre-fermentation
Dough mixing
Pencampuran bahan baku dan
yeast untuk membentuk inoku
lum. Pada tahap ini, yeast bera
daptasi dengan kondisi adonan
dan memperbanyak diri.
Pencampuran inokulum denga
n bahan-bahan lain. Pada taha
p ini, tepung ditambahkan unt
uk membentuk efek dari glute
n yang maksimum.
Second proofing
Molding
Adonan didiamkan selama 15
menit pada suhu ruang (27oC)
Adonan diratakan dalam bentu
k lembaran dan dibentuk kem
udian ditempatkan dalam pan
baking
Baking
Adonan di panggang dalam ov
en pada suhu 215-225°C selam
a 17-23 menit
Cooling, slicing, and wr
apping
Roti didinginkan pada suhu 4-5
°C, dipotong, dan dikemas dal
am kertas roti atau plastik
18
Cutting and
rounding
Adonan dipotong dengan
berat tertentu
First (intermediate) pro
ofing
Adonan didiamkan selama 1 ja
m pada suhu 35-43°C dan pad
a RH tinggi (89-95%)
Diagram Alir Proses
Pembuatan Roti
 Perubahan selama proses pemanggangan roti (235°C selama 45–60 menit) :
1. Pada suhu 45°C : granula pati mulai tergelatinisasi dan diurai oleh enzim alfa amila
se membentuk gula-gula yang dapat difermentasi
2. Pada suhu antara 50-60°C : yeast mati
3. Pada suhu 65°C : enzim beta-amilase inaktif
4. Pada suhu 75°C : fungi penghasil enzim amilase inaktif
5. Pada suhu 87°C : enzim alfa amilase dari sereal inaktif
6. Mulai suhu 87oC : gluten terdenaturasi dan terkoagulasi, menstabilkan bentuk dan
ukuran roti
19
2. Fermentasi daging/ikan
 Tujuan : meningkatkan umur simpan bahan, daging/ikan terfermentasi memiliki nil
ai ekonomi tinggi, mengawetkan daging dan ikan (perishable food)
 Jenis produk : sosis, saus ikan, dan pasta ikan.
 m.o : gram positif mikrokokus (Pediococcus cerevisiae, Staphylococcus carnosus, da
n Lb. plantarum)
Daging
segar
Cutting
Lada, flavor, gar
am, gula, BTM
Mixing (pH 6,3)
Drying
20
Starter
Fermentasi
(15°C–42°C, pH 4-5, >12 hr)
Smoking
 Perubahan selama proses fermentasi daging :
1. Proteolisis : hidrolisis protein
2. Lipolisis : hidrolisis lemak menjadi asam lemak, gliserol, monogliserol, dan digliserol
 Bahan pembuatan daging terfermentasi :
1. Daging : daging segar, berwarna merah (kandungan mioglobin), kandungan lemak rel
atif tinggi, kandungan PUFA dan MUFA cukup tinggi (meningkatkan konsistensi, mem
perbaiki tekstur)
2. Lemak :
• Memperhalus tekstur
• Meningkatkan konsentrasi jus
• Meningkatkan aroma
• Mempertahankan kandungan air/memperlambat proses dehidrasi (Wirth, 1988)
3. Air : meningkatkan rendemen, pelarut, membantu proses pencampuran
4. Garam : meningkatkan rasa, menurunkan aktivitas air, mencegah kontaminasi mikroba, meningkatkan kelarutan protein, dan meningkatkan kelarutan enzim.
21
22
23
PERALATAN FERMENTASI
Peralatan fermentasi
 Subtrat padat : tray, tank, ca
sing (plastik, selulosa, dln)
 Subtrat cair : tank (berpeng
aduk/tidak)
Fermentor batch untuk proses fermenta
24
si produk cair
EFEK FERMENTASI TERHADAP BAHAN
 Komponen nutrisi dan sensori
- Perubahan kompleks protein dan karbohidrat : tekstur lebih lembut
- Perubahan komposisi protein, lemak, karbohidrat, dan vitamin
 Flavour : pembentukan asam organik
 Aroma : pembentukan komponen volatil (amina, asam lemak, aldehid, ester, d
an keton)
 Warna : degradasi komponen warna
25
TEKNOLOGI ENZIM
 Kelebihan proses enzimatis :
 Menurunkan biaya produksi
 Meningkatkan yield
 Mempermudah proses pemindahan bahan baku
 Meningkatkan daya simpan
 Memperbaiki karakteristik komponen nutrisi dan sensori
 Dilakukan pada suhu dan pH rendah
 Bekerja spesifik
 Mengurangi pembentukan produk samping
 Produksi enzim dari m.o :
1. Esktraseluler :
 disekresikan ke lingkungan/luar sel m.o
 Diproduksi pada fase logaritmik dan stasioner
 Proses rekoveri dari media : sentrifugasi, filtrasi, presipitasi, kromatografi,
elektroforesis, membran, freeze drying, atau metode kombinasi.
26
27
2. Intraseluler :
 Terletak di dalam sel
 Diproduksi pada fase logaritmik
 Disekresikan saat sel lisis pada fase stasioner atau fase decline
 Metode rekoveri : homogeniser dan mills
 Syarat m.o penghasil enzim :
 Dapat tumbuh baik pada subtrat yang murah
 Membutuhkan subtrat dalam jumlah sedikit
 Mampu memproduksi yield yang stabil dalam waktu pendek
 Metode rekoveri mudah dan murah
 Menghasilkan enzim yang stabil
 Teknologi imobilisasi enzim :
 Mikroenkapsulasi dalam membran polimer
 Pengikatan elektrostatik (electrostatic attachment) dalam resin penukar ion
 Adsorpsi dalam koloid silika dan atau cross lingking dengan glutaraldehida
 Pengikatan kovalen pada polimer organik
 Penjerapan (entrapment) dalam fiber polimer (selulosa triasetat atau pati)
 Kopolimerisasi dengan anhidrida maleat
 Adsorpsi dalam arang aktif, poliakrilamid,
kaca (Konecny, 1977)
28
 Keuntungan imobilisasi enzim :
 Dapat digunakan kembali (re-used)
 Dapat diaplikasikan pada proses kontinyu
 Dapat dengan mudah mencapai kondisi proses optimum (pH dan suhu)
 Mempermudah penggunaan enzim yang sulit diisolasi dan memerlukan pros
es persiapan yang mahal
 Karakteristik enzim terimobilisasi :
 Mampu bereaksi dalam waktu yang singkat
 Stabil terhadap perubahan suhu dan kondisi proses lainnya
 Dapat diregenerasi
29
APLIKASI ENZIM
 Kelebihan proses enzimatis :
 Menurunkan biaya produksi
 Meningkatkan yield
 Mempermudah proses pemindahan bahan baku
 Meningkatkan daya simpan
 Memperbaiki karakteristik komponen nutrisi dan sensori
 Dilakukan pada suhu dan pH rendah
 Bekerja spesifik
 Mengurangi pembentukan produk samping
30