Profil Produksi Alkohol dari Whey dan Ampas Tebu
48
Vol. 2 No. 1 – Jurnal Aplikasi Teknologi Pangan Research Note
PROFIL PRODUKSI ALKOHOL DARI FERMENTASI WHEY DAN AMPAS TEBU
A. N. Al-‐Baarri, A. M. Legowo, M. T. Fawaid
ABSTRAK:
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui profil kadar alkohol, pH, dan produksi gas dari whey dan air dari ampas tebu yang difermentasi dengan ragi roti (Saccharomyces cerevisiae) selama 60 jam fermentasi dalam suhu kamar. Rancangan percobaan yang digunakan dalam penelitian adalah Rancangan Acak Lengkap dengan 5 perlakuan dan 4 kali ulangan. Perlakuan yang diterapkan dalam penelitian ini adalah lama fermentasi 12, 24, 36, 48, dan 60 jam sebagai perlakuan T1, T2, T3, T4, dan T5. Variabel yang diuji adalah kadar alkohol, profil pH, dan produksi gas. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lama fermentasi berpengaruh nyata terhadap kadar alkohol, pH dan produksi gas. Penelitian ini berhasil menghasilkan alkohol hingga mencapai kadar maksimal sebesar 1,75%. Nilai pH yang dihasilkan mencapai titik paling rendah sebesar 3,61. Produksi gas yang dihasilkan dapat mencapai 5,40 cL. Berdasarkan tingginya kadar alkohol, maka lama fermentasi 48 jam adalah lama fermentasi terbaik karena berhasil diproduksi kadar alkohol tertinggi.
Kata kunci : fermentasi, whey, ampas tebu, alkohol, pH, gas.
PENDAHULUAN
Whey adalah hasil sampingan proses pengolahan keju yang kini makin banyak digunakan untuk berbagai macam kepentingan, baik sebagai tambahan pangan maupun untuk diambil komponen bioaktifnya (Al-‐Baarri et al., 2011) Keju merupakan produk segar atau matang yang dibuat dengan cara mengkoagulasikan protein susu, skim susu, atau susu yang diperkaya dengan krim (Legowo et al., 2009).
Whey merupakan serum susu yang dihasilkan setelah proses pemisahan kasein dan lemak selama pengendapan (koagulasi) protein susu. Jika tidak dimanfaatkan, maka whey dari proses pengolahan keju termasuk dalam kategori limbah industri. Sebagai limbah, whey harus dibuang atau diproses dengan cara yang tidak menimbulkan pencemaran lingkungan (Ling, 2008). Whey merupakan salah satu penyebab masalah lingkungan, tetapi di sisi lain whey masih memiliki kandungan nutrisi yang tinggi seperti protein, peptide fungsional, lipid, mineral, vitamin, dan laktosa (Guimarães et al., 2010). Oleh karena itu whey memiliki potensi besar untuk diubah menjadi sesuatu yang bernilai tambah terutama kandungan laktosa yang dapat dimanfaatkan untuk memproduksi alkohol dalam bentuk bioethanol.
Bioetanol adalah cairan biokimia pada proses fermentasi dari sumber karbohidrat dengan menggunakan bantuan mikroorganisme dilanjutkan dengan proses destilasi (Bustaman, 2008, Kusmiyati, 2010). Bioetanol dapat dibuat
dari bahan yang mengandung gula sederhana, pati, maupun bahan berserat melalui proses fermentasi. Oleh karena itu whey termasuk bahan yang dapat digunakan untuk membuat bioetanol karena mengandung laktosa. Tetapi karena kandungan gula yang terdapat pada whey relatif sedikit, akan sedikit kemungkinannya untuk dapat menghasilkan alkohol yang tinggi sehingga diperlukan bahan tambahan yang dapat meningkatkan produksi alkohol.
Penelitian ini akan menggunakan bahan tambahan berupa ampas tebu, karena ampas tebu masih memiliki kandungan gula yang tinggi. Kandungan gula yang masih tinggi pada ampas tebu dapat digunakan untuk meningkatkan kadar gula dalam whey dalam pembuatan bioetanol.
Ampas tebu merupakan bahan berbasis lignoselulosa memiliki substrat yang cukup kompleks karena didalamnya terkadung lignin, polisakarida, zat ekstraktif, dan senyawa organik lainnya. Dalam kaitan konversi biomassa seperti bagase menjadi bioetanol, bagian yang terpenting adalah polisakarida, karena polisakarida tersebut akan dihidrolisis menjadi monosakarida seperti glukosa, sukrosa, xilosa, arabinosa dan lain-‐lain sebelum dikonversi menjadi alkohol.
Diperkirakan kandungan polisakarida pada tebu mencapai lebih dari 70% yang terbagi atas selulosa (50%-‐55%) dan hemiselulosa (15%-‐20%). Kandungan lignin diperkirakan hanya sekitar 20-‐30%. Pada biomassa lignoselulosa hanya selulosa dan hemiselulosa yang bisa diolah menjadi monosakarida untuk pembuatan etanol (Gozan et al., 2007).
Pada proses fermentasi, laktosa pada whey akan digunakan oleh Saccharomyces cerevisiae sebagai sumber energi. S. cerevisiae dapat dengan mudah diperoleh dari ragi roti. Ragi roti merupakan bahan bentuk kering yang di dalamnya terdapat sel-‐sel S. cerevisiae yang siap untuk diaktifkan (Hastuti, 2012). S. cerevisiae memiliki kemampuan untuk mengubah karbohidrat menjadi etanol. Penambahan polisakarida dari ampas tebu akan meningkatkan gula reduksi sehingga dapat menunjang kehidupan S. cerevisiae.
Semakin besar aktifitas S. cerevisiae diharapkan semakin banyak alkohol yang dapat dihasilkan.
Dikirim 27/12/2012, diterima 30/1/2013. Penulis A. N. Al-‐Baarri dan A. M. Legowo adalah dari Program Studi Teknologi Pangan, Fakultas Peternakan dan Pertanian, Universitas Diponegoro, Semarang.
Penulis M. T. Fawaid adalah dari Program Studi Teknologi Hasil Ternak, Fakultas Peternakan dan Pertanian, Universitas Diponegoro, Semarang. Kontak langsung dengan penulis A. N. Al-‐Baarri ([email protected])
©2013 Indonesian Food Technologist Community Available online at www.journal.ift.or.id
Profil Produksi Alkohol dari Whey dan Ampas Tebu
49
Vol. 2 No. 1 – Jurnal Aplikasi Teknologi Pangan Pada saat proses produksi bioetanol, lama waktu
fermentasi sangat berperan besar dalam menentukan kuantitas alkohol yang dihasilkan. Penelitian mengenai whey yang difermentasi untuk menghasilkan bioetanol belum banyak dilakukan, oleh karena itu diperlukan penelitian tentang produksi alkohol dari fermentasi whey. Berdasarkan penelitian sebelumnya, semakin lama fermentasi maka akan semakin banyak dihasilkan alkohol namun tidak selamanya akan menghasilkan kuantitas yang linear dengan waktu fermentasi (Azizah et al., 2012). Lama fermentasi dibutuhkan waktu hingga 60 jam. Kadar alkohol tertinggi pada penelitian tersebut adalah 36 jam inkubasi (dengan produksi alkohol sebesar 2,25%).
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui kadar alkohol, pH, dan produksi gas dari fermentasi whey dan air dari ampas tebu. Manfaat yang diperoleh dalam penelitian ini adalah dapat memberikan informasi dan pengetahuan mengenai pemanfaatan hasil sampingan pembuatan keju yakni whey dan juga limbah tebu yang difermentasi dengan ragi roti terhadap kadar alkohol, pH, dan produksi gas serta dapat memberikan referensi waktu yang tepat untuk memperoleh alkohol apabila nantinya penelitian dijadikan referensi bagi dunia industri.
MATERI DAN METODE
Penelitian ini telah dilaksanakan pada bulan September hingga Desember 2011 di Laboratorium Ilmu Kesehatan Ternak, Laboratorium Ilmu dan Makanan Ternak, Laboratorium Fisiologi dan Biokimia Ternak serta Laboratorium Teknologi Hasil Ternak Fakultas Peternakan Universitas Diponegoro Semarang.
Materi
Materi yang digunakan dalam penelitian ini adalah whey dari perusahaan keju “Bukit Baros Cempaka” Salatiga, ampas tebu, ragi roti “Fermipan”, gula, aquades, kapas, aluminium foil, tisu, alkohol 70%. Peralatan yang digunakan adalah filtering flask 1000 ml, selang ø 1 cm, gelas ukur, nampan, beker gelas, magnetic stirrer, inkubator, autoclave, timbangan analitik, piknometer, pH meter, dan bunsen.
Alat yang digunakan dalam pengukuran produksi gas terdiri dari filtering flask 1000 ml yang dihubungkan dengan gelas ukur 250 ml melalui selang. Gelas ukur terlebih dahulu dilubangi sesuai dengan besar selang. Gelas ukur diletakkan pada posisi terbalik dan diisi dengan air. Selama proses fermentasi, terjadi produksi gas yang akan menyebabkan penurunan air di dalam gelas ukur. Jumlah penurunan volume air, identik dengan produksi gas yang dihasilkan.
Prosedur pengujian kadar alkohol
Prosedur pengujian kadar alkohol dilakukan dengan metode piknometer sebagaimana telah dilakukan pada penelitian sebelumnya (Prametha et al., 2013).
Prosedur pengujian pH
Prosedur pengujian pH dilakukan dengan mengukur suhu sampel terlebih dahulu kemudian mengatur suhu pH meter pada suhu yang terukur.
Prosedur pengukuran produksi gas
Pengamatan produksi gas di lakukan pada waktu 12, 24, 36, 48 dan 60 jam selama proses fermentasi dengan cara diamati dan diukur skala penurunan volume air yang terdapat pada gelas ukur sebagai tabung penangkap gas (Azizah et al., 2012).
Rancangan penelitian yang dilakukan dalam penelitian ini menggunakan Rancangan Acak Lengkap (RAL) dengan 5 perlakuan dan 4 ulangan sehingga ada 20 unit percobaan. Perlakuan yang digunakan adalah T1, T2, T3, T4, dan T5 masing-‐masing untuk lama fermentasi 12, 24, 36, 48, dan 60 jam.
Perlakuan terdiri dari whey dan ampas tebu yang diambil airnya melalui tahap pemanasan dengan menggunakan air. Whey dan air dari ampas tebu yang digunakan adalah dengan perbandingan 1:1. Perbandingan ini didapatkan dari hasil penelitian pendahuluan dimana perbandingan whey dan air dari ampas tebu dengan rasio 1:1 merupakan rasio terbaik dengan produksi kadar alkohol tertinggi (data tidak ditampilkan).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan hasil penelitian, diperoleh data rerata kadar alkohol, pH, dan produksi gas setiap perlakuan disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Rerata Kadar Alkohol, Nilai pH dan Produksi Gas Selama Proses Fermentasi 60 Jam
Perlakuan Kadar Alkohol
(%) pH Produksi Gas
(cL) T1 1,21±0,98b 3,94±0,04a 4,10±1,83e T2 1,33±0,45b 3,89±0,04b 4,68±1,26d T3 1,41±0,84b 3,85±0,01b 4,85±2,65c T4 1,75±0,52a 3,84±0,03b 5,08±3,65b T5 1,33±0,48b 3,61±0,18b 5,40±1,71a Keterangan: cL: centiliter; Superskrip huruf yang berbeda pada kolom menunjukkan adanya perbedaan (P<0,05); T1: fermentasi 12 jam; T2: fermentasi 24 jam; T3: fermentasi 36 jam; T4: fermentasi 48 jam; T5: fermentasi 60 jam.
Kadar Alkohol Selama Fermentasi
Berdasarkan hasil penelitian bahwa rerata kadar alkohol paling tinggi yaitu pada lama fermentasi 48 jam (T4).
Hal ini dimungkinkan karena telah tercapainya kemampuan S. cerevisiae dalam mengkonversi gula menjadi alkohol.
Produksi alkohol tertinggi masing-‐masing peneliti, adalah berbeda-‐beda. Whey ketika dicampur ditambah dengan ekstrak nanas, akan menghasilkan kadar alkohol maksimum sebesar 2,25% (Azizah et al., 2012). Ketika digunakan S.
cerevisiae kultur murni (F2) maka kadar alkohol dapat meningkat tajam. Penelitian grup kami sebelumnya, telah menganalisis kemampuan kultur murni dalam mengkonversi gula menjadi alkohol dan dapat mencapai 5,10% (Anwar et al., 2012). Ketika digunakan cheese whey powder untuk fermentasi, maka produksi alkohol sebesar 2,25% (Ozmihci and Kargi, 2008).
Berdasarkan pada hasil penelitian yang dilakukan oleh peneliti lain tersebut, dapat disimpulkan bahwa produksi alkohol sangatlah bervariasi tergantung pada jenis
Profil Produksi Alkohol dari Whey dan Ampas Tebu
50
Vol. 2 No. 1 – Jurnal Aplikasi Teknologi Pangan substrat, suhu, pH, dan mikroba yang digunakan. Substrat
merupakan bahan baku fermentasi yang mengandung nutrien-‐nutrien yang dibutuhkan oleh mikroba untuk tumbuh maupun menghasilkan produk fermentasi. Nutrien yang paling dibutuhkan oleh mikroba baik untuk tumbuh maupun untuk menghasilkan produk fermentasi adalah karbohidrat.
Karbohidrat merupakan sumber karbon yang berfungsi sebagai penghasil energi bagi mikroba. Substrat yang digunakan dalam penelitian ini adalah whey yang disubstitusi dengan air dari ampas tebu dengan perbandingan 1:1. Whey mengandung karbohidrat dari jenis laktosa, sedangkan ampas tebu mengandung karbohidrat dari jenis sukrosa. Hasil uji laboratorium menunjukkan total gula dari campuran whey dan air dari ampas tebu masing-‐
masing adalah 4,21% dan 2,34%. Gula dari kedua substrat tersebut akan digunakan S. cerevisiae akan mengkonversi gula menjadi alkohol karena adanya enzim invertase, maltase, zymase protease (Walker, 2000).
Nilai pH Selama Fermentasi
Nilai pH dapat mempengaruhi pertumbuhan S.
cerevisiae. Oleh karena itu, pada awal pelaksanaan penelitian, substrat yang akan dipakai terlebih dahulu diuji pH nya. Berdasarkan hasil uji pH sebelum penelitian, pH dari campuran whey dan air ampas tebu masing-‐masing adalah 4,82 dan 4,50.
Berdasarkan data pada Tabel 1, maka semakin lama waktu fermentasi, nilai pH semakin menurun. Hal itu disebabkan karena produk fermentasi yang dihasilkan adalah alkohol dan asam organik. Alkohol adalah bersifat asam sehingga ketika waktu produksi alkohol semakin banyak, maka akan semakin menurunkan nilai pH. Nilai pH yang terbaik untuk produksi etanol adalah 4,5 (Elevri and Putra, 2006). Nilai pH pada penelitian ini berkisar 3,61–3,94, artinya kondisi optimum untuk pertumbuhan S. cerevisiae tidak tercapai. Nilai pH dengan kisaran 4,5 dimungkinkan tercapai pada awal masa fermentasi (0–12 jam). Jika kondisi optimum dapat dicapai sepanjang masa fermentasi, maka dapat menghasilkan alkohol yang lebih besar. Hal ini nampak pada penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, bahwa kadar alkohol tertinggi dicapai pada masa fermentasi 0–12 jam (Anwar et al., 2012).
Produksi Gas CO2
Fermentasi whey oleh S. cerevisiae akan menghasilkan alkohol dan CO2 (Walker, 2000). Sebanyak 1 molekul glukosa akan dipecah menjadi 2 molekul alkohol dan 2 molekul gas CO2 (Hambali et al., 2008). Gas ini mempunyai perbandingan stoikiometri yang sama dengan alkohol yaitu 1:1. Walaupun secara teori perbandingan antara produksi gas dengan produksi alkohol adalah stokiometri 1:1, namun pada kenyataanya hanya 70-‐80% gas yang dapat diukur (Richana, 2011).
Data produksi gas sebagaimana tertera pada Tabel 1, mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya lama fermentasi. Hal ini menunjukkan bahwa lama fermentasi berkorelasi positif dengan produksi gas. Hal serupa juga
terjadi pada kadar alkohol yang dihasilkan. Tetapi kadar alkohol mengalami kenaikan hanya sampai pada lama fermentasi 48 jam. Gas yang dihasilkan pada proses fermentasi alkohol oleh Saccharomyces cerevisiae dapat menghambat aktivitas dari S. cerevisiae itu sendiri sehingga aktivitasenya dapat menurun, akibatnya, produksi gasnya juga dapat menurun. Hal ini dapat terlihat pada hasil penelitian dengan lama fermentasi 60 jam. Pada lama fermentasi ini, terjadi penurunan kadar alkohol dan terjadi kenaikan produksi gas jika dibandingkan dengan lama fermentasi 48 jam.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa perlakuan lama fermentasi akan sangat menentukan jumlah produksi alkohol. Kadar alkohol tertinggi, dicapai saat lama fermentasi 48 jam. Nilai pH selama proses fermentasi terlihat menurun dan produksi gas terlihat mengalami peningkatan.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih disampaikan kepada Prof. Dr. Ir.
Anang M Legowo yang telah memberikan bimbingan secara khusus pada penelitian dan penulisan artikel ini.
DAFTAR PUSTAKA
Al-‐Baarri, A. N., Ogawa, M. & Hayakawa, S. 2011. Application of lactoperoxidase system using bovine whey and the effect of storage condition on lactoperoxidase activity. International Journal of Dairy Science, 6, 72–
78.
Anwar, M. S., Al-‐Baarri, A. N. & Legowo, A. M. 2012. Volume gas, pH dan kadar alkohol pada proses produksi bioetanol dari acid whey yang difermentasi oleh Saccharomyces cerevisiae. Jurnal Aplikasi Teknologi Pangan, 1, 133–146.
Azizah, N., Al-‐Baarri, A. N. & Mulyani, S. 2012. Pengaruh lama fermentasi terhadap kadar alkohol, pH, dan produksi gas pada proses fermentasi bioetanol dari whey dengan substitusi kulit nanas. Jurnal Aplikasi Teknologi Pangan, 1, 82–86.
Bustaman, S. 2008. Strategi Pengembangan Bio-‐etanol Berbasis Sagu di Maluku. Perspektif, 7, 65 – 79.
Elevri, P. A. & Putra, S. R. 2006. Produksi Etanol Menggunakan Saccharomyces cerevisiae yang Diamobilisasi dengan Agar Batang. Akta Kimindo, 1, 105–114.
Gozan, M., Samsuri, M., Fani, S. H., Bambang, P. & Nasikin, M. 2007. Sakarifikasi dan fermentasi bagas menjadi ethanol menggunakan enzim selulase dan enzim sellobiase. Jurnal Teknologi, 3.
Guimarães, P. M. R., Teixeira, J. A. & Domingues, L. 2010.
Fermentation of Lactose to Bio-‐Ethanol by Yeasts as Part of Integrated Solutions for The Valorisation of Cheese Whey. Biotechnology Advances, 28, 375–384.
Hambali, E., Mudjalipah, S., Halomoan, A., Pattiwiri, A. B. &
Hendroko, R. 2008. Teknologi Bioenergi. PT.
Agromedia Pustaka, Jakarta.
Profil Produksi Alkohol dari Whey dan Ampas Tebu
51
Vol. 2 No. 1 – Jurnal Aplikasi Teknologi Pangan Hastuti, S. D. 2012. Suplementasi β-‐glucan dari ragi roti
(Saccharomyces cerevisiae) dalam pakan terhadap aktivitas fagositosis, aktivitas NBT, total protein plasma dan aktivitas aglutinasi darah ikan nila (Orechromis niloticus). Depik, 1, 149–155.
Kusmiyati. 2010. Perbandingan umbi iles-‐iles dan singkong sebagai substrat fermentasi Saccharomyces cerevisiae dalam produksi bioetanol. Bioteknologi, 7, 63-‐72.
Legowo, A. M., Kusrahayu & Mulyani, S. 2009. Ilmu dan Teknologi Susu. Badan Penerbit Universitas Diponegoro, Semarang.
Ling, K. C. 2008. Whey to Ethanol: A Biofuel Role for Dairy Cooperatives? USDA Rural Development Research Report 214.
Ozmihci, S. & Kargi, F. 2008. Fermentation of cheese whey powder solution to ethanol in a packed-‐column bioreactor: effects of feed sugar concentration.
Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 84, 106–111.
Prametha, N. M., Legowo, A. M. & Al-‐Baarri, A. N. 2013.
Pemanfaatan susu kadaluwarsa dengan fortifikasi kulit nanas untuk produksi bioetanol. Jurnal Aplikasi Teknologi Pangan, 2, 30–35.
Richana, N. 2011. Bioetanol: Bahan baku, produksi dan pengendalian mutu. Penerbit Nuansa, Bandung.
Walker, G. M. 2000. Yeast Physiology and Biotechnology.
John Wiley & Sons, England.
