KARYA TULIS ILMIAH
EKSPLORASI ENZIM XILANASE SEBAGAI AGEN BIOBLEACHING
PADA INDUSTRI KERTAS
Oleh :
Alifia Rimadhani Yuwono NIM. 35.2014.7.1.0948
Program Studi Farmasi
DAFTAR ISI
Enzim Xilanase
a. Pengertian (3) b. Rumus Kimia (3-4) c. Karakteristik (4-5) d. Reaksi Biokimia (5-6) e. Tempat sintesis enzim (6-7)
f. Mikroorganisme penghasil enzim (7-9)
g. Proses pemanfaatan enzim xilanase sebagai agen biobleaching pada industri kertas (9-14)
ENZIM XILANASE
a. Pengertian
Xilanase merupakan enzim yang mampu memutuskan ikatan pada rantai utama xilan yang akan membentuk molekul oligosakarida pendek1. Enzim inilah
yang memegang peranan kunci dalam mendegradasi polimer xilan yang banyak ditemukan pada dinding sel tanaman berkayu. Enzim xilanase merupakan biokatalis reaksi hidrolisis xilan (hemiselulosa) menjadi gula pereduksi. Enzim xilanase dapat dihasilkan oleh sejumlah mikroorganisme seperti: A. niger, Bacillus, Cryptococcus, Penicillium, Aureo-basidium, Fusarium, Rhizomucor, Humicola.Semua mikroorganisme memerlukan media yang mengandung sumber karbon untuk pertumbuhannya. Mikroorganisme penghasil xilanase memerlukan xilan sebagai sumber karbon.2
Xilan merupakan komponen utama dari hemiselulosa pada dinding sel tumbuhan yang terikat pada selulosa, pektin, lignin dan polisakarida lainnya untuk membentuk dinding sel.
Jumlah xilan di berbagai macam kayu bervariasi tergantung dari jenis kayunya dan bisa mencapai lebih dari 20% (Fengel dan Wegener, 1984). Komponen xilan juga melimpah pada limbah-limbah pertanian seperti dedak padi, dedak gandum, dan jerami padi. Karena jumlah xilan di alam sangat besar dimana merupakan jumlah terbesar kedua setelah selulosa (Subramaniyan dan Prema, 2002), maka xilan merupakan kandidat yang sangat menjanjikan untuk dikonversi menjadi etanol yang merupakan bahan baku energi yang dapat diperbarui.
b. Rumus Kimia
Enzim-enzim pendegradasi xilan disebut enzim xilanolitik atau enzim xilanase. Macam-macam enzim xilanase antara lain: enzim ekso dan endo-β-xilanase (EC.3.2.1.8), enzim β-xilosidase (EC.3.2.1.37), enzim
α-L-1Anonim, 2015,”Xilanase”, http://www.wikipedia.org, pada tanggal 19 September 2015 pukul 22.35
2 Richana, Nur. , (2002),”Produksi dan Prospek Enzim Xilanase dalam Pengembangan
arabinofuranosidase (EC.3.2.1.55). Enzim endo-β-xilanase mampu memutus ikatan β-1,4 pada bagian rantai utama xilan melalui bagian dalam rantai xilosa menghasilkan xilooligosakarida. Enzim exo-xilanase meotong rantai xilosa dari luar rantai panjang menghasilkan produk utama xilosa dan xilooligosakarida rantai pendek. Enzim β-xilosidase memotong xilooligosakarida rantai pendek menjadi xilosa. Enzim α-L-arabinofuranosidase memotong ikatan α-1,3 arabinofuranosidik pada rantai samping polimer xilan.3
c. Karakteristik
Karakteristik xilanase terdiri dari: 4
pH dan suhu (9 dan 50oC)
Km dan Vmaks nilai 6 mg.ml – 1 dan 0,2 mol.menit – 1, masing-masing.
Fe2+ adalah activetor terkuat
Mg2+ adalah aktivitas inhibitor terkuat
3 Deng. P., Li. D. Cao. Y., Lu. W., Wang. C. 2006. “Cloning of a gene encoding an
acidophilic endo-1,4-xylanase obtained from Aspergillus niger CGMCC1067 and constitutive expression in Pichia pastori”s.emt. 39;1096-1102, diakses tanggal 20 September 2015 pukul 14.00 4 Richana, Nur., Tun T. Irawadi, Anwar Nur, Khaswa Syamsu,(2006) “Isolasi Identifikasi
Enzim ini terdeteksi sebagai sebagai xilanase selulosa bebas
Enzim xylanase adalah bagian dari enzim hidrolase yang berperan dalam proses hidrolisis
d. Reaksi Biokimia
Aplikasi Enzim Xilanase di Industri Kertas 5
Industri kertas menggunakan bahan baku pulp untuk memproduksi kertas-kertas yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Bahan baku pembuatan pulp berasal dari tumbuhan masih mengandung lignin dan hemiselulosa, sehingga diperlukan tahapan untuk menghilangkan lignin yang ada pada bahan baku pulp dengan menggunakan proses kraft. Pulp yang telah melalui proses kraft masih menunjukkan karakteristik yang berwarna kecoklatan yang disebabkan oleh adanya residu lignin dan turunannya, sehingga diperlukan tahapan berikutnya yaitu proses bleaching menggunakan agen klorin. Agen klorin ini lah yang tidak bersahabat dengan lingkungan dan menambah biaya produksi pulp karena pengolahan limbah yang cukup rumit.
Alternatif dalam pengolahan pulp dapat menggunakan bahan biologis yaitu biokatalisator berupa enzim xilanase. Penggunaan enzim xilanase dalam proses kraft diperlukan karakteristik yang tertentu untuk menyesuaikan dengan proses kraft dimana proses kraft ini berlangsung pada pH dan suhu tinggi (Gambar 1). Jika enzim xilanase yang digunakan dalam proses kraft tidak memiliki stabilitas yang tinggi terhadap pH dan suhu tinggi, maka penggunaan enzim xilanase di industri kertas tidak dapat dilakukan secara efektif, karena jika pH dan suhu dalam proses kraft disesuaikan dengan pH dan suhu optimum enzim maka proses kraft tidak berjalan maksimal.
Gambar 1. Diagram penggunaan enzim xilanase dalam proses kraft
5 Cannio. R., Prizito. N. D., Rossi. M., Morana. A. 2004. “A xylan-degrading strain of
Hasil pengolahan pulp dengan proses kraft (kimia) menghasilkan pulp yang berwarna kecoklatan yang disebakan oleh lignin dan turunan lignin yang masih berikatan dengan hemiselulosa (kompoen utamanya adalah xilan). Untuk mendapatkan kertas dengan derajat keputihan maka diperlukan proses bleaching. Enzim xilanase berperan dalam proses bleaching, karena enzim xilanase dapat memotong ikatan tertentu pada xilan. Xilan merupakan penyusun utama pada hemiselulosa sehingga dengan menghidrolisis xilan maka lignin dapat terlepas dari selulosa yang berikatan melalui hemiselulosa (Gambar 2).
e. Tempat Sintesis
xilanase yang tepat. Hasil studi penelusuran literatur menunjukkan bahwa adanya kecenderungan motif yang bervariasi dari setiap jenis mikroorganisme.
Pada kelompok eukariot yaitu bakteri, menunjukkan bahwa dapat diperoleh enzim xilanase dengan pH optimum dan temperatur optimum yang bervariasi meliputi enzim xilanase termofilik alkalifilik. Selain itu, pada kelompok bakteri juga menunjukkan alkali-termostabil dari ke 4 isolat tersebut. Lain halnya dengan kelompok prokariot, kelompok prokariot ini menunjukkan sifat enzim yang lebih kearah meso-termofilik dan acido-alkalifilik jika mengamati pada stabilitas pH. Akan tetapi, archaea lebih menunjukkan kearah ektrimofilik yaitu pada suhu 80-105οC. Sehingga jika proses kraft berlangsung pada suhu dan pH yang tinggi,
maka diperlukan enzim yang bersifat ekstrim karena lebih mempunyai stabilitas yang tinggi dibandingkan dengan yang lain. Akan tetapi dari kelompok archaea yang ada pada tabel tidak didapatkan data tentang stabilitas pH, sehingga hal ini perlu dipertimbangkan.
f. Mikroorganisme penghasil enzim
Variasi Karakakteristik Enzim Xilanase dari Berbagai Mikroorganisme (Bakteri)6
pH Suhu pH Suhu pH Suhu
Eu
1995
Variasi Karakakteristik Enzim Xilanase dari Berbagai Mikroorganisme (Jamur)7
Mikroorganisme Suhu tumbuh (oC)
Suhu optimum (oC)
pH
Jamur
Aspergillus sp. 24-30 45-60 4,5-6
Aureobasidium sp. 28 45-54 4,5-4,8
Bipolaris sorokinana 28 70 5,5
Criptococcus flavus 20 55 4,5
Fusarium oxysporium 26 50 5,0
Gloeophyllum trabeum 22 80 4,0
Humicola grisea 40 70 5,5
Myrothecium verrucaria
30 45 5,5
Neurospora crassa 28 50 4,8
Penicillium sp. 25 40 6,0
Trichoderma sp. 25-30 50-60 3,5-6,5
Dari hasil analisis diatas, dapat diketahui bahwa eksplorasi enzim xilanase dari mikroorganisme archaea memberikan potensi yang lebih pada termostabilitas enzim bila dibandingkan dengan enzim xilanase dari bakteri dan jamur. Hal ini dapat dilihat bahwa adanya kesesuaian antara temperatur habitat asli dari mikroorganisme dan temperatur enzim yang dihasilkan. Enzim yang dihasilkan oleh jamur lebih banyak pada daerah mesofil yaitu15-45οC, sedangkan bakteri
menunjukkan habitatnya mesofil-termofil. Tetapi selain mesofil dan termofil, bakteri juga dapat ditemukan didaerah psikrofil-hipertermofil.
Jadi dapat disimpulkan bahwa kriteria ideal yang dibutuhkan untuk aktivitas enzimatik optimum yaitu pada mikroorganisme yang bersifat termostabil dan tahan pada pH alkali. Oleh karena itu, masih diperlukan upaya untuk mencari galur mikroba unggul yang tahan pada pH dan suhu tinggi (alkalofilk, termofilik), atau setidaknya tahan pada pH tinggi.
g. Proses pemanfaatan enzim xilanase sebagai agen biobleaching pada industri kertas
Kertas8
Kertas adalah bahan yang tipis dan rata, yang dihasikan dengan kompresi serat yang berasal dari pulp. Serat yang digunakan biasanya adalah alami, dan mengandung selulosa dan hemiselulosa.
Kertas dikenal sebagai media utama untuk menulis, mencetak serta melukis. kegunaan kertas anatara lain :
a. Melambangkan nilai , contohnya uang kertas, cek, voucher, tiket.
b. Menyimpan informasi, contohnya buku, buku catatan, majalah, koran dll.
c. Sebagai pembungkus, contohnya kertas pembungkus, amplop dan wallpaper
d. Untuk membersihkan, contohnya kertas toilet, tissu, tissu wajah.
8 Anonim, (2009), “Kertas”, http://www.wikipedia.org, diakses tanggal 20 September 2015
Tebal kertas berkisar antara 0,07-0.18 milimeter. Densitas kertas berbeda-beda tergantung pada jenis kertasnya. Untuk tissu 250 kg/m3
(16 lb/ft3) , untuj kertas khusus 1500 kg/m3 (94 lb/ft3) dan untuk kertas
print sekitar 800 kg/m3 (50 lb/ft3)
Proses Pembuatan Kertas
Pembuatan kertas diawali dengan membuat pulp (bubur kertas). Pulp adalah hasil pemisahan serat dari bahan baku berserat (kayu maupun non kayu)melalui berbagai proses pembuatannya ( mekanis, semikimia, kimia). Pulp terdiri dari serat – serat(selulosa dan hemiselulosa)sebagai bahan baku kertas.9
Pembuatan pulp dapat dilakukan dengan menggunakan tiga cara yaitu: a. Proses Mekanis
Prinsip pembuatan pulp secara mekanis yakni dengan pengikisan dengan menggunakan alat seperti gerinda. Proses mekanis yang biasa dikenal diantaranya PGW (Pine Groundwood), SGW (Semi Groundwood).
b. Proses Kimia
proses pembuatan pulp dengan proses kimia dikenal dengan sebutan proses kraft. Disebut kraft karena pulp yang dihasilkan dari proses ini memiliki kekuatan lebih tinggi daripada proses mekanis dan semikimia, akan tetapi rendemen yang dihasilkan lebih kecil diantara keduanya karena komponen yang terdegradasi lebih banyak.
c. Proses Semikimia
Proses semi kimia merupakan kombinasi antara mekanis dan kimia. Yang termasuk ke dalam proses ini diantaranya CTMP (Chemi Thermo Mechanical Pulping) dengan memanfaatkan suhu untuk mendegradasi lignin sehingga diperoleh pulp yang memiliki rendemen yang lebih rendah dengan kualitas yang lebih baik daripada pulp dengan proses mekanis.
Pulp (bubur kertas) kemudian di bleaching agar warnanya menjadi putih.terkadang ke dalam pulp ditambahkan zat aditif (filler) seperti kapur, china
9 Anonim, (2008), “Pulp”, http://www.wikipedia.org, diakses tanggal 21 September 2015
clay untuk meningkatkan kualitas kertas yang dihasilkan. Pulp kemudian dicetak menjadi lembaran kertas. Air dalam lembaran kertas tersebut harus dihilangkan dengan menggunakan tekanan atau dikeringkan dengan menggunakan proses drying
Proses Bleaching (Pemutihan)10
Berikut ini adalah diagram alir proses pembuatan kertas :
Bahan baku kayu pembuat kertas setelah melalui proses digester dan pencucian, sebenarnya masih dalam keadaan kotor (derajat putihnya rendah). Untuk menghasilkan kertas yang bermutu tinggi perlu dilakukan proses pemutihan. Berikut ini beberapa bahan kimia yang digunakan sebagai pemutih :
Bahan Kimia Rumus
Klor Cl+
Natrium Hidroksida NaOH Natrium Hipoklorit NaOCl Klor Dioksida ClO2
Hidrogen Peroksida H2O2
Oksigen O2
Ozon O3
Proses pemutihan bertujuan untuk menghilangkan lignin, hemiselulosa penyebab warna coklat dan zat ekstraktif yang dikandung dari hasil pencucian dan penyaringan. Proses pemutihan biasanya dilakukan bertahap, karena mempunyai kelebihan di antaranya adalah nilai derajat putihnya tinggi. Proses bertahap ini terdiri atas tahap:
1. khlorinasi,
2. ekstraksi, dan
3. penambahan khlorin dioksida.
Sampai awal tahun 90-an khlor (Cl+) masih digunakan sebagai pemutih dalam
industri kertas dan pulp.Hal ini karena
klor bersifat reaktif dalam reaksi pemutihan (bleaching)
efektif
harga relatif murah
10Anonim, (2008),”Proses Bleaching”,
menghasilkan pulp dengan sifat fisik dan derajat putih tinggi
Penggunaan klor pada pemutihan pulp dikurangi karena menimbulkan persoalan lingkungan yang sangat serius dan menjadi titik permasalahan yang dihadapi oleh industri pulp dan kertas.Dampak negatif yang ditimbulkannya adalah pada buangannya yang berupa senyawa klor-organik. Senyawa organik terklorinasi yang paling beracun yaitu 2,3,7,8 Tetra Chloro Dibenzo-p-Dioxin (2,3,7,8 TCDD), dan 2,3,7,8 Tetra Chloro Dibenzo Furan (2,3,7,8 TCDF).
Aplikasi Enzim Xilanase Pada Proses Pemutihan Kertas11
Khlorin adalah bahan beracun, sehingga khlorin sisa proses yang dibuang ke perairan sungai akan membuat polusi yang tinggi. Penggantian penggunaan khlorin untuk pemutihan kertas telah memberikan peluang untuk aplikasi bioteknologi. Penggunaan biokatalis atau enzim terbukti mampu menurunkan kadar polutan pada limbah industri. Ini menjadikan industri bisa menghemat biaya pengelolaan limbah dan menekan tingkat pencemaran.
Xilanase merupakan enzim yang pertama kali dilaporkan untuk pemutihan kertas dan sekarang telah digunakan pada beberapa pabrik kertas. Penggunaan xilanase merupakan salah satu alternatif untuk mengurangi dampak yang
11 Syamsudin, Sri Purwati, Andri Taufick R., (2008), “Efektivitas Aplikasi Enzim dalam
ditimbulkan oleh penggunaan khlor dalam proses pemutihan pulp kraft. Xilanase dapat menghemat khlor/khlor dioksida dan mengurangi beban air limbah pemutihan. Dalam proses pemutihan pulp, xilanase berfungsi sebagai fasilitator proses pemutihan, artinya enzim tersebut tidak memutihkan tetapi mempermudah proses pemutihan dengan jalan memodifikasi struktur serat sehingga mudah dimasuki oleh bahan kimia pemutih.Xilanase merupakan suatu enzim yang dapat menghidrolisa ikatan xilose-xilose dalam rantai xilan
Mekanisme Xilanase dalam Pemutihan Pulp Kraft12
Dalam proses pemutihan pulp, xylanase berfungsi sebagai fasilitasator proses pemutihan, artinya enzim tersebut tidak memutihkan tetapi mempermudah proses pemutihan dengan jalan memodifikasi struktur serat sehingga mudah dimasuki oleh bahan kimia pemutih
Aksi xilanase dalam proses pemutihan yaitu memecahkan ikatan xilose-xilose dalam rantai xilan sehingga mengakibatkan pecahnya ikatan antara sisa lignin dengan karbohidrat. Dengan kejadian tersebut, ikatan kompleks lignin-karbohidrat (ikatan-ikatan xilan pada sisi lignin) yang sulit dihilangkan karena ukurannya yang sangat kecil dan tersebar merata pada hemiselulosa, mudah untuk dihilangkan pada tahapan pemutihan selanjutnya. Selain itu xilanase berperan dalam mengatasi pengendapan kembali xilan pada permukaan serat. Pengendapan kembali xilan ini terjadi setelah pemasakan proses kraft. Xilan yang mengendap kembali tersebut melindungi sisa lignin dari bahan kimia pemutih pada proses pemutihan.
DAFTAR PUSTAKA Anonim, 2015,”Xilanase”, www.wikipedia.org
Richana, Nur. , (2002),”Produksi dan Prospek Enzim Xilanase dalam Pengembangan Bioindustri di Indonesia”, Buletin AgroBio 5(1), pp. 29-36.
12 Richana, Nur. , (2002),”Produksi dan Prospek Enzim Xilanase dalam Pengembangan
Deng. P., Li. D. Cao. Y., Lu. W., Wang. C. 2006. “Cloning of a gene encoding an acidophilic endo-1,4-xylanase obtained from Aspergillus niger CGMCC1067 and constitutive expression in Pichia pastoris”.emt. 39;1096-1102.
Richana Nur, Tun T. Irawadi, Anwar Nur, Khaswa Syamsu,(2006) “Isolasi Identifikasi Bakteri Penghasil Xilanae Serta Karakterisasi Enzimnya” Jurnal AgroBiogen 4(1):24-34.
Cannio. R., Prizito. N. D., Rossi. M., Morana. A. 2004. “A xylan-degrading strain of sulfolobus solfataricus: isolation and characterization of the xylanase activity”. Extremophile. 8: 117-124.
Anonim, (2009), “Kertas”, http://www.wikipedia.org Anonim,(2008),”ProsesBleaching”,http://
www.akademiteknologipulpdankertas.blogspot.com
