TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Enzim Selulase
Selulase adalah nama bagi semua enzim yang memutuskan ikatan glikosidik beta-1,4 di dalam selulosa, selobiosa, dan turunan selulosa lainnya (Denman et al., 1996). Lebih lanjut diungkapkan bahwa di alam, enzim selulase
ditemukan di berbagai ekosistem, terutama ditemukan pada proses dekomposisi serasah daun, hingga keadaan anaerobik pada ruminansia. Selulase merupakan enzim yang mampu menghidrolisis selulosa menjadi gula sederhana atau glukosa dengan memutuskan ikatan glikosidik β-1,4 dalam selulosa, selodekstrin, selobiosa dan turunan selulosa lainnya (Kulp, 1975 dalam Syam, 2008).
Lynd et al. (2002) dan Beauchemin et al. (2003) menyatakan bahwa perombakan selulosa secara enzimatis berlangsung karena adanya kompleks enzim selulase yang bersifat spesifik untuk menghidrolisis ikatan β-1,4-glikosidik,
12 rantai selulosa dan derivatnya melalui beberapa tahapan yang terdiri dari enzim
endo-β-glukanase/CMC-ase, eksoglukanase, dan β-glukosidase. Enzim selulase
merupakan sistem enzim yang terdiri dari enzim endoglukanase, eksoglukanase
dan β-glukosidase (Syam, 2008). Menurut Schlegel (1994) mekanisme pemecahan selulosa oleh selulase sekurang-kurangnya terdiri dari tiga enzim: (1) Enzim-enzim endo-β-1,4 glukanasemempengaruhi secara serentak ikatan β-1,4 di dalam makromolekul dan menghasilkan potongan-potongan besar berbentuk rantai dengan ujung-ujung bebas, (2) Enzim ekso-β-1,4 glukanase memotong mulai dari ujung-ujung rantai, disakarida selobiosa, (3) Enzim-enzim β-glukosidase
menghidrolisasi selobiosa dengan membentuk glukosa. Enzim selulase adalah enzim yang dapat mengkatalisis dan menghidrolisis ikatan β 1-4 glukosidik pada selulosa (ikatan yang paling banyak di selulosa) (Bhat, 2000).
Aktivitas enzim endoglucanases atau yang sering disebut dengan CM-cellulases (carboxymethylcellulose), menghidrolisis secara acak ikatan pada serat selulosa (Syam, 2008). Lebih lanjut diungkapkan bahwa endoglukanase
memotong secara acak pada situs internal amorf pada rantai selulosa polisakarida menghasilkan oligosakarida dengan panjang yang berbeda-beda dan akhirnya membentuk ujung rantai baru (Syam, 2008). Hal ini mengakibatkan rantai polisakarida yang telah terpotong (oligosakarida) mempunyai panjang rantai yang berbeda-beda (Bhat, 2000). Hasil dari hidrolisis serat selulosa adalah glukosa, cellobiose, cellotriose, dan oligosakarida yang lebih tinggi (Wood, 1985).
Cellobiohydrolyase yang sering disebut dengan eksoglukanase adalah enzim pendegadasi selulosa yang ditemukan pada mayoritas fungi yang dapat mendegadasi selulosa (Wood, 1985). Lebih lanjut diungkapkan bahwa
13
eksoglukanase berperan dalam mengatur proses reduksi atau tanpa reduksi dari ujung rantai selulosa polisakarida, membebaskan melepaskan unit-unit glukosa secara berturut-turut. Eksoglukanase dapat menghidrolisis mikrokristalline namun tidak dapat menghidrolisis carboxymethylcellulose (Kim dan Kim, 1995). Enzim
eksoglukanase terdiri dari 1,4- D-glucan glucanohydrolases (lebih dikenal dengan
cellodextrinases) dan 1,4-D-glucan cellobiohydrolases (cellobiohydrolases). Enzim eksoglukanase adalah enzim yang aktif pada sisi crystalline selulosa (Mattinen, 1998).
β-glucoside glucohydrolases lebih dikenal sebagai β-glukosidase. β -glukosidase adalah enzim yang digunakan untuk menghidrolisis cellobiose
dan pada beberapa kasus dapat menghidrolisis cello-oligosakarida menjadi glukosa (Wood, 1985). Lebih lanjut diungkapkan enzim endogluconases dan β- glukosidase dapat menghidrolisis selulosa menjadi glukosa. β-glukosidase
dibutuhkan untuk menghidrolisis inhibitor cellobiose. Laju hidrolisis enzim
selulase ditentukan oleh struktur enzim dan struktur substrat, dimana struktur kristal dari selulosa relatif lebih sulit dihidrolisis dibandingkan dengan struktur
amorf (Coughlan, 1985).
Perombakan selulosa oleh kelompok bakteri selulolitik berlangsung melalui beberapa tahapan (Bhat dan Bhat, 1997). Tahap pertama adalah menguraikan polimer selulosa secara random/acak oleh enzim
carboxymethilcelulase/CMC-ase atau endo β-1,4 glukanase dengan cara memecah ikatan hidrogen yang ada di dalam struktur kristalin/amorf selulosa (ikatan internal α-1,4-glukosida) sehingga terbentuk rantai-rantai individu selulosa (oligodekstrin). Tahap kedua adalah penguraian selulosa dari ujung pereduksi dan
14 non pereduksi oleh eksoglukanase (selodektrinase dan selobiohydrolase) melalui pemotongan ujung-ujung rantai individu selulosa (ujung pereduksi dan non-pereduksi) sehingga menghasilkan disakarida dan tetrasakarida (misal selobiosa). Lynd et al. (2002) mengungkapkan hidrolisis bagian berkristal selulosa hanya dapat dilakukan secara efisien oleh enzim eksoglukanase. Tahap ketiga (terakhir) adalah tahap penguraian selobiosa menjadi glukosa oleh enzim β -glukosidase/glukohydrolase.
Aktivitas enzim didefinisikan sebagai kecepatan pengurangan substrat atau kecepatan pembentukan produk pada kondisi optimum (Lynd et al., 2002). Satu unit aktivitas enzim selulase didefinisikan sebagai jumlah enzim yang menghasilkan satu mikromol gula reduksi (glukosa) setiap menit (Lehninger, 1993 dalam Syam, 2008). Lebih lanjut diungkapkan, setiap enzim berfungsi secara optimal pada pH, suhu, dan konsentrasi substrat tertentu.
15 Faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim yaitu:
a. Konsentrasi Substrat
Substrat yang digunakan dalam proses fermentasi berpengaruh terhadap aktivitas dan produktivitas enzim. Hasil eksperimen menunjukkan pada konsentrasi enzim yang tetap, maka pertambahan konsentrasi substrat akan menaikkan kecepatan reaksi. Akan tetapi pada batas konsentrasi tertentu, kecepatan reaksi tidak akan mengalami kenaikan walaupun konsentrasi substrat diperbesar. Substrat yang dipergunakan secara umum untuk penetapan aktivitas
endoglukanase adalah CMC (Carboxymethyl cellulose) (Syam, 2008). b. Suhu
Suhu sangat berpengaruh dan digunakan sebagai katalis enzim dalam suatu reaksi kimia. Jika pada suhu rendah reaksi kimia berlansung lambat, sedangkan pada suhu yang lebih tinggi reaksi berlangsung lebih cepat (Poedjiadi 1994 disitasi Syam, 2008). Namun, kenaikan suhu dapat menyebabkan terjadinya proses denaturasi, maka bagian aktif enzim akan terganggu dan kecepatan reaksinya pun akan menurun.
c. Part of Hidrogen (pH)
Aktivitas enzim selulase pada umumnya stabil pada kisaran pH 4,5 dan 6,5. Perubahan pH lingkungan sangat berpengaruh terhadap efektvitas bagian aktif enzim dalam membentuk kompleks enzim substrat. Jika kondisi pH rendah atau pH tinggi dapat pula menyebabkan terjadinya proses denaturasi dan akan mengakibatkan aktivitas enzim menjadi turun (Syam, 2008).
Maranatha (2008) menyatakan bahwa setiap bakteri selulolitik menghasilkan kompleks enzim selulase yang berbeda-beda, tergantung dari gen
16 yang dimiliki dan sumber karbon yang digunakan. Sumardi et al. (2010) menyatakan bahwa faktor genetik mempengaruhi besarnya produksi enzim. Lebih lanjut diungkapkan, gen setiap mikroorganisme berbeda-beda sehingga masing-masing mikroorganisme memiliki sifat yang berbeda dan dari tiap gen memiliki sifat yang spesifik untuk mengkode enzim-enzim tertentu.
Substrat Carboxy Methyl Cellulose (CMC) merupakan substrat selulosa murni yang berbentuk amorphous sehingga aktivitas enzim selulase pada substrat CMC merupakan aktivitas enzim endo-1,4-β-glukanase (Meryandini et al., 2009). Lebih lanjut diungkapkan, substrat avicel merupakan substrat selulosa yang berbentuk kristalin sehingga aktivitas enzim selulase pada substrat avicel merupakan aktivitas enzim ekso-1,4-β-glukanase. Endo-1,4-β-glukanase bekerja pada rantai dalam CMC menghasilkan oligosakarida atau rantai selulosa yang lebih pendek (Maranatha, 2008). Lebih lanjut diungkapkan, enzim ekso-1,4-β -glukanase bekerja memotong ujung rantai oligosakarida menjadi selobiosa, yaitu dua molekul glukosa yang berikatan secara β-1,4-glikosidik. Hasil penelitian Meryandani et al. (2009) menunjukkan bahwa isolat asal tanah pertanian dengan C5-1, C11-1 dan C4-4 memiliki aktivitas enzim selulase optimum pada substrat CMC berturut-turut sebesar 0,042 nkat/ml; 0,193 nkat/ml dan 0,112 nkat/ml yang menggambarkan bahwa isolat tersebut memiliki sejumlah besar endo-1,4-β -glukanase.
Hemiselulosa dan lignin akan mengganggu aktivitas enzim selulase yang hanya spesifik memotong ikatan β-1,4-glikosidik pada selulosa (Maranatha, 2008). Lebih lanjut diungkapkan, untuk meningkatkan luas permukaan substrat maka jerami padi, tongkol jagung dan kulit pisang diperkecil ukurannya sampai
17 65 mesh. Menurut Meryandani et al. (2009), hal yang menghambat aktivitas
selulase pada substrat jerami padi dan tongkol jagung adalah komponen lignin karena lignin membungkus dan mengikat selulosa secara fisik sehingga menghalangi enzim selulase bekerja maksimal pada substrat.
Meryandani et al. (2009) menyatakan bahwa aktivitas enzim selulase yang lebih tinggi pada substrat limbah pertanian dibandingkan dengan selulosa sintetis kemungkinan disebabkan oleh adanya enzim hemiselulolitik pada ekstrak kasar yang diproduksi oleh bakteri. Han et al. (2003) menyatakan bahwa bakteri
Clostridium cellulovorans mensintesis enzim hemiselulolitik saat tumbuh pada substrat selulosa seperti selobiosa. Lebih lanjut diungkapkan, ekspresi enzim
selulase berhubungan dengan ekspresi enzim hemiselulase. Susanti (2011) yang menyatakan bahwa apabila waktu reaksi enzimatis telah mencapai optimum dalam menghasilkan produk yang maksimum maka aktivitas enzim mengalami penurunan dengan penambahan waktu inkubasi lebih lanjut. Susanti (2011) juga menyatakan bahwa produk gula pereduksi yang dihasilkan dari reaksi enzimatis sebanding dengan lama waktu inkubasi, tetapi jika sisi aktif enzim telah jenuh oleh substrat.
