PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA
PEMANFAATAN HEMISELULOSA PADA LIMBAH TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT SEBAGAI BAHAN BAKU GULA XILITOL
MENGGUNAKAN KHAMIR CANDIDA TROPICALIS
Bidang Kegiatan : PKM Gagasan Tertulis
Diusulkan Oleh :
Ketua Kelompok : Affan Iqbal ( G84080022/2010) Anggota kelompok : 1. Taufik Rais ( F24080055/2010) 2. Ayu Fitriana ( H44080050/2010)
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
2010
Ringkasan
Limbah tandan kosong kelapa sawit (TKKS) di Indonesia yang jumlahnya sangat banyak, menyimpan potensi untuk dimanfaatkan menjadi produk gula yang bernilai tinggi yaitu xilitol. Kandungan hemiselulosa pada limbah ini mencapai 28% berat kering. Hemiselulosa tersebut menghasilkan (±) 33% xilosa sehingga sangat potensial jika diproses menjadi gula xilitol.
Proses produksi xilitol pada awalnya menggunakan teknik hidrogenasi xilosa murni yang mahal dan sulit. Tapi dengan ditemukannya proses bioteknologi fermentasi yang memanfaatkan metabolisme khamir. Proses konversi menjadi lebih murah dan efesien.
Abstract
Waste of Oil palm empty-fruit-bunch (TKKS) in Indonesia is in great number, it has potential to be used to produce high-value sugar , xilitol. Hemicellulose content of the waste reached 28% dry weight. Hemicellulose yield (±)33% xilosa so nothing to lose if xilitol processed into sugar.
Ordinarily , xilitol production using hydrogenation techniques pure xilosa is expensive and difficult. But with fermentation biotechnology processes that use yeast metabolism. production processes becomes cheaper and more efficient.
Lembar Pengesahan
1. Judul Kegiatan : Pemanfaatan Hemiselulosa pada Tandan Kosong Kelapa Sawit sebagai Bahan Baku Gula Xilitol Menggunakan Khamir Candida tropicalis
2. Bidang Kegiatan : ( ) PKM-AI ( √ ) PKM-GT 3. Ketua Pelaksana Kegiatan
a. Nama Lengkap : Affan Iqbal
b. NRP : G84080022
c. Departemen : Biokimia
d. Perguruan Tinggi : Institut Pertanian Bogor
e. Alamat Rumah dan HP : Desa Megale, Kedungadem, Bojonegoro 085641409380
f. Alamat email : van.iqbal@gmail.com 4. Anggota Pelaksana Kegiatan : 2 orang
5. Dosen Pembimbing
a. Nama Lengkap : Dr. Laksmi Ambarsari b. Alamat Rumah dan HP : Kampus IPB Gunung Gede,
Jl Pajajaran Bogor 08156036490 Bogor, 24 Maret 2010 Menyetujui,
Ketua Departemen,
Dr. Ir. I Made Artika, M.App.Sc NIP. 19630117 198903 1 000
Ketua Pelaksana Kegiatan,
Affan Iqbal NRP. G84080022 Wakil Rektor Bidang
Akademik dan Kemahasiswaan,
Prof. Dr. Yonny Koesmaryono, MS NIP. 19581228 198503 1 003
Dosen Pembimbing,
Dr. Laksmi Ambarsari
NIP. 19601118 199403 2 001
Kata Pengantar
Segala puji dan syukur kami haturkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala limpahan rahmat dan hidayah-Nya sehingga kami dapat menyelesaikan karya tulis yang berjudul Pemanfaatan Hemiselulosa pada Tandan Kosong Kelapa Sawit sebagai Bahan Baku Xilitol Menggunakan Khamir Candida tropicalis.
Karya tulis ini ditujukan untuk mengikuti Program Kreativitas Mahasiswa Gagasan Tertulis (PKM-GT) 2010 yang diadakan oleh DIKTI. Melalui karya tulis ini, penulis ingin memberikan solusi terhadap permasalahan dari limbah Tandan Kosong Sawit yang melimpah dan belum termanfaatkan secara optimal.
Ucapan terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kami sampaikan kepada Dr. Laksmi Ambarsari selaku dosen pendamping yang telah memberikan banyak bimbingan dan arahan kepada kami dalam penyusunan proposal gagasan tertulis ini. Tidak lupa penulis juga mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dan memberikan dukungan pada kami.
Kami menyadari terdapat banyak kekurangan baik dari segi materi, ilustrasi, contoh, dan sistematika penulisan dalam pembuatan proposal ini. Oleh karena itu, saran dan kritik dari para pembaca yang bersifat membangun sangat kami harapkan. Besar harapan kami proposal ini dapat diapresiasi sehingga dapat bermanfaat baik bagi kami sebagai penulis dan bagi pembaca pada umumnya terutama bagi dunia industri gula Indonesia.
Bogor, 23 Maret 2010 Penulis Affan Iqbal Ayu Fitriana Taufik Rais iv
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ……… i LEMBAR PENGESAHAN ……… ii RINGKASAN... iii KATA PENGANTAR ………. vi DAFTAR ISI ………... v PENDAHULUAN ………. 1 Latar belakang ... 1 Rumusan Masalah……….... 2 Tujuan ………... 2 Manfaat ………. 2 TINJAUAN PUSTAKA Tandan Kosong Kelapa Sawit... 3
Xilitol ... 3
Candida tropicalis... 4
Produksi Xilitol oleh Khamir... 4
GAGASAN ……….. 5
SIMPULAN DAN SARAN .………... 7
DAFTAR PUSTAKA ………... 8
DAFTAR RIWAYAT HIDUP PENULIS... 9
DAFTAR RIWAYAT HIDUP DOSEN PEMBIMBING... 10
DAFTAR TABEL Tabel 1. Produksi sawit dunia... 2
Tabel 2. Komposisi kimia dari TKKS... 3
DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Produksi xilitol secara bioteknologi ... 6
Gambar 2,3,4 contoh aplikasi xilitol... 7
1
PENDAHULUAN Latar Belakang
Indonesia adalah negara penghasil sawit terbesar dunia, dengan produksi minyak sawit puluhan juta ton tiap tahunnya , bahkan mencapai 19,2 juta ton pada tahun 2008. Tentu pada pengolahannya tidak hanya minyak sawit yang dihasilkan, produk samping berupa limbah dihasilkan dalam jumlah puluhan juta ton. Bagian terbanyak dari limbah adalah tandan kosong kelapa sawit (TKKS) yang saat ini menumpuk hingga 20 juta ton. Jumlah yang sangat banyak dan dapat menimbulkan masalah lingkungan. Jumlah tersebut akan terus bertambah bila belum ada usaha untuk memanfaatkannya secara optimal. Dari penelitian yang dilakukan oleh Kwei_Nam-Law diketahui bahwa dalam TKKS mengandung Hemiselulosa sebanyak 28 persen. Dari 28 persen tersebut mengandung xilosa sebanyak 33 persen. Dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa limbah TKKS memilki potensi yang besar jika dimanfaatkan untuk industri gula Xilitol. Potensi ini ditunjang dengan fakta bahwa xilitol memiliki manfaat di berbagai bidang industri seperti makanan dan obat-obatan dan sudah dipakai secara luas di hampir seluruh negara di dunia, seperti Eropa, Amerika, serta Asia, sehingga xilitol mempunyai peluang besar untuk komoditi ekspor yang unggul. Produksi Xilitol dari hemiselulosa melalui cara konvensional memang memerlukan biaya yang cukup tinggi karena selain diperlukan energi yang tinggi juga bahan baku utamanya adalah xilosa murni, serta xilitol yang dihasilkan pun masih memerlukan proses pemurnian untuk memenuhi standar pada industri obat dan makanan yang menyebabkan meningkatnya biaya produksi . Maka diperlukan proses bioteknologi dengan memanfaatkan mikroorganisme untuk mengganti proses produksi kimia yang diharapkan lebih ekonomis. Dari hasil penelitian Tom Granstorm (2002) bahwa mikroorganisme terbaik untuk memproduksi Xilitol adalah khamir Candida tropicalis.
2
Rumusan Masalah
Potensi limbah tandan kosong sawit belum dimanfaatkan secara optimal. Dengan diketahuinya kandungan hemiselulosa yang tinggi pada limbah TKKS, limbah ini dapat dimanfaatkan untuk memproduksi gula Xilitol dalam skala industri.
Tujuan Penulisan
Penulis mempunyai tujuan untuk memaksimal potensi limbah TKKS dengan memanfaatkannya sebagai bahan alternatif untuk produksi gula Xilitol dalam skala industri.
Manfaat Penulisan
Dari gagasan ini diharapkan pemerintah dapat mengetahui potensi dari limbah TKKS untuk bahan baku industri xilitol yang memiliki peluang besar sebagai komoditi ekspor yang unggul.
3
TINJAUAN PUSTAKA
Tandan Kosong Sawit
Tabel. Chemical Constituents in OPEFB
Constituent % of dry OPEFB
Reference Khoo & Lee
1991
Law & Jiang 2001 Extractives 3.7 ± 0.3 0.9 2.8 acid-insoluble lignin 18.8 ± 0.3 17.2 17.6 ash-free acid-insoluble lignin 17.8 ± 0.2 - -Ash 1.3 ± 0.2 0.7 3.8 hot-water soluble 7.5 ± 0.8 2.8 9.3 1% NAOH soluble 14.5 ± 2.7 17.2 29.9 Holocellulose 82.4 ± 1.4 70.0 86.3 Cellulose 62.9 ± 2.0 42.7 -Hemicellulose 28.0 32.5 (Leh, 2002) -Arabinose 2.5 ± 1.1 - -Xylose 33.1 ± 2.6 - -Mannose 1.3 ± 0.01 - -Galactose 1.0 ± 0.0 - -Glucose 66.4 ± 3.7 -
-Pada tabel diatas dijabarkan mengenai komposisi penyusun kimia TKKS, kandungan hemiselulosanya sebesar 28 persen, dan dari 28 persen tersebut mengandung (+-) 33.1 persen.
Xilitol
Xilitol adalah salah satu satu gula pemanis termahal dan memiliki banyak manfaat dibidang kesehatan yang telah diakui oleh pasar dunia. Gula ini cocok untuk penderita diabetes (Makinen, 2000) karena gula ini memiliki tingkat kemanisan yang setara dengan gula sukrosa namun nilai kalorinya (40%) lebih rendah. Xilitol adalah gula berkarbon lima yang tidak dapat difermentasi oleh bakteri S.mutans penyebab kerusakan gigi, sehingga bersifat nonkariogenik yang aman untuk kesehatan gigi. (Uhari et al.1996) Sifat fisik dari xilitol adalah stabil pada suhu tinggi hingga 180 °C sehingga tidak mudah mengalami karamelisasi, stabil secara kimia karena tidak mengalami reaksi mailard atau browning., stabil pada pH tinggi maupun rendah dan mudah larut dalam air. Untuk pengembangan
4
produk pangan, sifat-sifat tesebut sangat cocok. Aplikasi xilitol pada produk pangan antara lain pada permen karet. Di negara Jepang, Xilitol termasuk salah satu dari 12 komponen bahan makanan yang dapat memberikan efek menyehatkan tubuh atau lebih dikenal dengan istilah makanan fungsional. Dari sifat xilitol yang rendah kalori, non kariogenik, dan insulin-independent (dapat dimetabolisme tubuh tanpa melibatkan insulin), xilitol dapat diaplikasikan pada bidang farmasi yaitu pada produk-produk kesehatan gigi dan produk yang ideal bagi penderita diabetes biasa maupun diabetes insulin-dependent. (Emodi 1978; Tochampa et al.2005)..
Candida tropicalis
Produksi xilitol dengan memanfaatkan mikroorgasime berupa khamir memiliki kelebihan dari segi ekonomi daripada produksi dengan cara konvensional yaitu secara kimia yang membutuhkan biaya yang mahal. Menurut hasil penelitian Tom Granstorm (2002) mikroorganisme terbaik untuk memproduksi Xilitol adalah khamir Candida tropicalis. Penyebaran khamir Candida tropicalis sangat mrlimpah di alam, tapi umumnya Candida diisolasi dari tanah, air laut, produk fermentasi, dan hewan berdarah dingin. Taksonami dari khamir ini adalah Kingdom: Fungi, Filum:Deuteromycotina ,Famili: Tarulopsidaceae, Genus: Candida, Spesies: Candida tropicalis.
Produksi Xilitol oleh Khamir
Xilitol diproduksi dengan memanfaatkan metabolisme khamir yaitu dengan mengonversi xilosa menjadi D-xilulosa melalui reaksi oksidoreduktif yang terdiri dari dua rangkaian reaksi. Xilosa adalah gula pentosa utama yang terdapat pada lignoselulosa. Candida tropicalis menggunakan D- xilosa melalui dua reaksi oksidoreduktif enzimatik dengan xylose reduktase (XR) dan xylitol dehydrogenase (XDH). Xilosa reduktase (XR) mengkatalis reduksi D- xilosa menjadi xilitol, dan XDH mengkatalis oksidasi xilitol menjadi D-xilulosa. D- xilulosa diubah menjadi D- xilulosa 5- fosfat oleh enzim xilulosa kinas, dan kemudian masuk dalam siklus heksosa monofosfat. Jadi xilitol merupakan bahan
5
prekursor pada system metabolisme Candida tropicalis .xilitol diperoleh maksimal saat fase eksponensial atau fase log. Produsi xilitol ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu pH, temperature, konsentrasi substrat dan ko-substrat, dan aerasi.(Yulianto 2006). Hasil optimum xilitol diperoleh saat temperature pada kisaran 28-30°C (parajo et al. 1998). Candida tropicalis menghasilkan 84,5 g/L xilitol dari 150 g/L xilosa(Yahashi et al. 1996). Menurut hasil penelitian Puspa Julistia Puspita ( mahasiswa Biokimia IPB 2009) kondisi optimum untuk produksi xilitol dengan Candida tropicalis adalah waktu optimum inkubasi 48 jam, konsentrasi optimum xilosa sebesar 70 g/L dengan hasil produksi xilitol 14.08 g/L.
GAGASAN
Gagasan penulisan ini didasarkan pada kondisi saat ini bahwa di Indonesia terdapat limbah produksi perkebunan yang jumlahnya luar biasa banyak yaitu tandan kosong kelapa sawit (limbah dari pengolahan sawit) yang memiliki potensi untuk diproses menjadi produk gula xilitol. Hal tersebut dikorelasikan dengan produksi gula nasional yang mengalami defisit dan potensi xilitol sebagai komoditi ekspor. Peluang ini juga ditunjang dengan ditemukannya proses produksi xilitol yang lebih murah dari pada proses hidrogenasi xilosa murni(konvensional) yang mahal, yaitu dengan memanfaatkan metabolisme khamir Candida tropicalis pada substrat xilosa. Xilosa didapat dari hidrolisis menggunakan asam pada hemiselulosa yang diambil dari limbah TKKS. Metode yang digunakan untuk produksi xilitol ini adalah dengan menggunakan xilosa sebagai substrat fermentasi yang dinkubasi selama 48 jam. Untuk jelasnya dapat dilihat gambar diagram ini.
6
Gambar 1. Produksi xilitol dengan bioteknologi
Produksi xilitol dengan bahan baku limbah tandan kosong kelapa sawit (TKKS) terlihat sangat berpotensi jika dilihat dari analisa perhitungan komposisi pada tiap tahap produksinya, yaitu:
- perkebunan Indonesia tiap tahun menghasilkan rata-rata 20 ton tandan buah segar (TBS) per Ha
- luas area perkebunan sawit indonesia adalah 7.9 juta Ha, jadi produksi TBS tiap tahun adalah 7.9 juta x 20 ton = 158 juta ton
- pada produksi minyak sawit,tiap TBS menghasilkan TKKS sebanyak 22%, jadi jumlah TKKS tiap tahun 158 juta ton x 22/100 = 34,76 juta ton - ekstraksi TKKS menghasilkan 28% hemiselulosa, maka jumlah
hemiselulosa adalah 34.76 juta ton x 28/100= 9.732.800 ton
- hemiselulosa diekstraksi menghasilkan xilan yang bila dihidrolisis dengan asam menghasilkan (±) 33% xilosa, jumlah xilosa adalah 9.732.800 ton x 33/100 = 3.211.824 ton
7
- xilosa kemudian dijadikan substrat fermentasi khamir Candida tropicalis dengan konsentrasi 70 g /L dihasilkan 14.08 g/L xilitol atau sebanyak 20% dari xilosa. Maka jumlah xilitol adalah 3.211.824 ton x 20/100 = 624.364,8 ton tiap tahunnya.
Jumlah 624.364,8 ton sangat banyak bila dibandingkan dengan Cina sebagai produsen xilitol terbesar dunia yang tiap tahunnya hanya menghasilkan 10.000-13.000 ton xilitol. Beberapa aplikasi produk dari xilitol
Gambar 2,3,4. Aplikasi produk gula xilitol
SIMPULAN DAN SARAN
Besarnya jumlah limbah biomassa tandan kosong kelapa sawit saat ini belum dimanfaatkan secara optimal. Kandungan senyawa hemiselulosa yang tinggi memunculkan potensi pemanfaatannya sebagai bahan baku gula xilitol yang bernilai tinggi dan beragam manfaatnya. Dari analisis perkiraan kapasitas produksi gula xilitol yang didasarkan pada ketersediaan TKKS per tahun dan proses produksinya. Indonesia mampu menjadi negara pengekspor xilitol terbesar Dunia.
Gagasan pemanfaatan limbah TKKS di Indonesia sebagai bahan baku gula xilitol belum ada, sehingga sangat baik jika pihak-pihak dibidang industri minyak kelapa sawit dan industri gula memanfaatkan potensinya sebagai komoditas ekspor yang bernilai tinggi
8
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. 2010. Harga TBS petani tertekan. Kompas Cetak. [ terhubung berkala]. http://cetak.kompas.com/read/xml/2010/03/22/03331938/harga.tbs.petani tertekan. [23 maret 2010].
Granstrom T. 2002.Biotechnological production of xylitol with Candida yeast, Phd thesis, Helsinki University of Technology, Findland.
Law et al. 2007. Oil palm empty-fruit-bunch. BioResource 2(3). 351-362
Puspita, PJ. 2009. Optimasi Konsentrasi Xilosa dan Glukosa Untuk Produksi Xilitol oleh Candida tropicalis. [ penelitian ].Bogor:Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2009. Rao RS et al. 2006. Xylitol production from corn .fiber and sugarcane bagasse
hydrolysates by Candida tropicalis. Bioresource Technology. 97:1974 -1978
Reza. 2008. Sawit Unggul Mampu Hasilkan 35 Ton TBS.[terhubung berkala]. http://perkebunan.kaltimprov.go.id/content.php?kebun=berita&code=2&vi ew=99 [23 maret 2010].
Richana, Nur et al. Isolasi Identifikasi Bakteri Penghasil Xilanase serta Karakterisasi Enzimnya. Jurnal AgroBiogen 4(1):24-34
Sampaio FC et al. 2003. Screening of filamentous fungi for production of xylitol from D- xylose. Brazillian Journal of Microbiology. 34:325-328
Uhari M, Kontiokori T, Koskela M, Niemela M. 1996. Xylitol chewing gum in prevention of acute otitis media: double blind randomized trial. BrMed J 313: 1180-1184.
Wiknkelhausen E
,
Pittman P,Kuzmanova S, Jeffries TW.1996. Xylitol formation by Candida boidini in oxygen limited chemostat culture.Biotechnology Letters. 7 : 753-758Yahashi Y et al. 1996. Production of xylitol fromD-xylose by Candida tropicalis the effect of D-glucose feeding. Journal of Fermentation and Bioengineering 81: 148-152
Yulianto WA, KR Kuswanto, Tranggono, Retno I. 2006. Kinetika fermentasi pada produksi xilitol dengan penambahan arabinosa dan glukosa sebagai ko-substrat oleh Candida shehatae WAY 08. Jurnal Teknologi dan Industri Pangan, Vol.16 No.3.
9
DAFTAR RIWAYAT HIDUP PENULIS
Ketua pelaksana
Nama Lengkap : Affan Iqbal
NRP : G84080022
Tempat, tanggal lahir : Bojonegoro, 13 November 1989
Departemen/Fakultas : Biokimia / Fakultas Matematika dan IPA Universitas : Institut Pertanian Bogor
Alamat : Desa Megale, Kedungadem, Bojonegoro
Telepon : 085641409380
Anggota
1. Nama Lengkap : Taufik Rais
NRP : F24080055
Tempat, tanggal lahir : Semarang, 16 juli 1990 Departemen/Fakultas : Teknologi Pangan /
Fakultas Teknologi Pertanian Universitas : Institut Pertanian Bogor
Alamat : Semarang
Telepon : 085641102239
2. Nama Lengkap : Ayu Fitriana
NRP : H44080050
Tempat, tanggal lahir : Bojonegoro, 4 Maret 1990
Departemen/Fakultas : Ekonomi Sumberdaya dan Lingkungan / Fakultas Ekonomi dan manajemen Universitas : Institut Pertanian Bogor
Alamat : Jl. Kapten Ramli 107 Bojonegoro
10
DAFTAR RIWAYAT HIDUP DOSEN PEMBIMBING
Nama Lengkap : Dr. Laksmi Ambarsari NIP : 19601118 199403 2 001 Tempat, Tanggal Lahir : Bandung, 18 November 1960
Agama : Islam
Alamat Surat : Kampus IPB Gunung Gede, Jl Pajajaran Bogor Telepon/Fax : 0251-323166/0251-323166
E-mail : ami_icha@yahoo.com Telepon/Hp : 08156036490
Bidang Minat : Bio Molekul
Jabatan : Fungsional Lektor III c Departemen Biokimia IPB Riwayat Pendidikan :
Pendidikan S3 Departemen Kimia
Bidang studi Biokimia/Rekayasa Protein Institut Teknologi Bandung, 2006 Pendidikan S2 Departemen Kimia,
Bidang studi Biokimia/Enzimologi Institut Teknologi Bandung, 1992 Pendidikan S1 Departemen Kimia
Institut Teknologi Bandung,1987 Penelitian :
1. Isolasi, produksi, dan karakterisasi enzim glukosa isomerase (1989 – 1991)
2. Amobilisasi dan pemurnian enzim glukosa isomerase (1991 – 1992)
3. Sintesis dan isolasi produk-produk reaksi Maillard sebagai inhibitor pertumbuhan mikroba (1993 – 1994)
4. Optimasi Downstream proses dan karakterisasi enzim dekstranase (1994)
5. Perbaikan strain mikroba secara DNA rekombinan untuk optimasi produksi L-lisin dan L-metionin (1995)
6. Pembuatan produksi reaksi Maillard sebagai zat anti bakteri yang murah untuk menghambat kerusakan tebu pada pasca panen (1996) 7. Mutasi pada gen yang mengkode DNA polymerase (2000)
