Fisiologi Mikroorganisme Industri 71A633, 3 kredit

Fermentasi Asam OrganikPart 2

Asam Organik: kapan dihasilkan?Fase Hidrolisis: - Penguraian polimer oligo-, di-, dan monomer - Kebanyakan karena peran exoenzim - Respirasi normal (aerob) Fase Fermentatif (aerob-mikroaerofilik): -Terjadi fermentasi alkohol asam organik - Respirasi aerob pada beberapa mikroba masih terjadiFase asetogenesis: - Interphase antara fase fermentatif-anaerob - Fermentasi asetat dan gas H2 dari substrat alkohol dan asam-asam organik dari fase sebelumnya Fase metanogenesis - Respirasi anaerob (obligat) - Fermentasi CH4 dari substrat alkohol dan asam-asam organik dari fase sebelumnya

Asam asetat: SEJARAH Sudah lama digunakan, dikenal sebagai CUKA/VINEGAR (6000 BC - 4000 BC) Seumur dengan minuman anggurdiduga merupakan reaksi kimia spontan yang membuat anggur jadi asam

Asam asetat: SEJARAH Reaksi spontan pada anggur ternyata reaksi BIOkimiawi yang dilakukan oleh kelompok Acetobacter Kondisi reaksi pada fermentasi CUKA aerob obligat Kondisi pH fermentasi: 2.5 4.5

Filogenetik bakteri asam asetat

Acetobacter aceti

Filogenetik bakteri asam asetat

Bioreaksi spontan ?- Terjadi bioreaksi pembentukan asetat secara SPONTAN terutama fermentasi VINEGAR yang menggunakan bahan baku alami, misalnya sari buah -Bioreaksi SPONTAN terjadi apabila pembentukan dan akumulasi etanol sudah mencapai konsentrasi yang cukup signifikan bagi Acetobacter - Bioreaksi tersebut terjadi apabila kondisi fermentasinya diubah dari mikroaerofilik menjadi aerob obligat - Fenomena ini terlihat dari data percobaan fermentasi dengan medium sintetis

Fermentasi asam asetat: AEROB Habitat asli bakteri asam asetat adalah sari buah/tumbuhan yang mengandung banyak gula Untuk pembuatannya, beda negara beda bahan baku: eropa = buah anggur inggris = gandum hawaii = nenas jepang = beras malang = appel malang

Fermentasi asam asetat: AEROB- Acetobacter mengoksidasi etanol menggunakan 2 enzim kunci: ADH dan ALDH, berlokasi pada membran sel - Elektron dari alkohol dan aldehid dipindahkan ke ubiquinone (Q9) - Dari Q9 elektron diteruskan ke sitokrom oksidase sehingga menghasilkan gradien H+ dengan cara memompa H+ ke dalam ruang periplasmic atau mereduksi O2 jadi H 2O - Sistem ini menyebabkan terjadinya keseimbangan [H+], akibatnya: Acetobacter dapat tahan hidup pada kadar etanol dan asetat tinggi

Acetobacter dan fermentasi vinegar

Acetobacter dan fermentasi nata

Fermentation

Mother liquor

Product

Fermentasi asam asetat: ANAEROB Asam asetat ternyata juga difermentasi dalam kondisi anaerob obligat Alur pembentukannya sangat berbeda dengan fermentasi VINEGAR jadi pelakunya bukan Acetobacter Lalu bagaimana alurnya ?

Fermentasi asam asetat: ANAEROB Pelaku yang terkenal: kelompok Clostridium Tahun 1940 Wieringa melaporkan Clostridium aceticum (acetogenic, anaerobic, spore-forming) membetuk asam asetat dari CO2 dan H2:

Kelompok ini disebut homoacetogen karena mayoritas produknya hanya asetat

Fermentasi asam asetat: ANAEROB Grup homoacetogen atau asetogen didefinisikan sebagai .kelompok bakteri anaerob obligat penghasil asetat dari: (1) asetil-CoA (alur asetil CoA) sebagai intermedier dari hasil reduksi CO2; (2) menggunakan asetil-CoA sebagai aseptor elektron terakhir dari sumber C organik berkarbon 1 (format, metanol, karbon monoksida)

Fermentasi asam asetat: ANAEROB

Karbon monoksida Format

MetanolKarbon monoksida Format

Fermentasi asam asetat anaerob dilakukan oleh kelompok Clostridium

Fermentasi asam asetat: ANAEROB Hexosa dikonversi menjadi 3 mol asetat

Bagaimana caranya ? Konversi asetil-CoA menjadi asetat dengan enzim kunci: fosfotransasetilase dan asetat kinase

Alur fermentasi asetat dari asetil-CoA (untuk kebanyakan genus Clostridium)

formatemethanol

Bermacam sumber C untuk fermentasi asetat secara ANAEROB

Asam asetat: SEKARANGDi lihat dari cost production sintesa asam asetat secara kimiawi lebih murah daripada fermentasi. Karenanya, untuk suplai asam asetat bagi keperluan non pangan lebih banyak dari sintesa kimiawi. Tapi untuk keperluan pangan seperti VINEGAR, asam asetat fermentasi masih belum tergantikan karena mengandung aroma yang khas dari bahan bakunya

Asam Laktat: SEJARAH Pertamakali ditemukan pada susu yang mengalami koagulasi (2000 BC - 1500 AC) Diduga merupakan reaksi kimia Ternyata merupakan reaksi BIOkimiawi yang dilakukan oleh BAKTERI Awalnya didayagunakan hanya untuk produk pangan tradisional dengan tujuan: pengawetan dan pemberi variasi rasa

Produk pangan tradisional dengan fermentasi asam laktat

Asam Laktat: SEKARANG Suplemen makanan untuk kesehatan Suplemen farmasetika dan kosmetika Bahan aroma: diasetil dan asetoin Bahan polimer: eksopolisakarida (EPSs) polylactide

Polylactide

Antibiotik: bacteriocin (nisin)

.will be discussed next week

Asam Laktat dihasilkan oleh probiotik bakteri asam laktat (BAL) Habitat asli BAL adalah habitat yang kaya nutrien (susu, daging, buah/sayuran matang atau membusuk, dll) Akibatnya, selain melakukan metabolisme normal (glikolisis, siklus TCA, dan fosforilasi oksidatif) BAL juga melakukan fermentasi Kondisi fermentasi: mikroaerofilik-anaerob pH fermentasi: 4.5 5.5

Asam Laktat dihasilkan oleh probiotik bakteri asam laktat

probiotik = bakteri asam laktat Bakteri simbiotik yang menguntungkan manusia

Lactic Acid Bacteria Kelompok Major Fermentative organisms. Terdiri dari 11 genera bakteri gram-positive : Carnobacterium, Oenococcus, Enterococcus, Pediococcus, Lactococcus, Streptococcus, Lactobacillus, Vagococcus, Lactosphaera, Weissella and Leuconostoc

Beberapa genera yang berelasi: Bifidobacterium, and Propionibacterium.

Filogenetik bakteri asam laktat

Transport laktosa ke dalam selLactose ADP ATPLactose-6-P Transport laktosa ke dalam sel melibatkan 2 mekanisme: - Laktosa permease - Simport Lac/H+

GlucoseGlycolysis

Galactose-6-P

Lactate2H+

Lactate- 2H+

Setelah masuk ke dalam sitoplasma, laktosa dipecah menjadi glukosa dan galaktosa oleh -galaktosidase

Fermentasi asam laktatAlur ke-1: Homofermentatif glukosa 2 laktat

- Gula Hexosa (alur HMP) - Glukosa didegradasi melalui alur glikolisis hingga piruvat - Piruvat dikonversi menjadi laktat oleh laktat dehydrogenase

Fermentasi asam laktatAlur ke-2: Heterofermentatifglukosa laktat + etanol + CO2

- Gula Hexosa dan Pentosa (alur PP) - Degradasi glukosa melalui alur pentosa fosfat hingga menghasilkan gliseraldehid3-fosfat dan asetil fosfat - Gliseraldehid-3-P dikonversi menjadi laktat - Asetil fosfat dikonversi menjadi asetilCoA, asetaldehid, dan akhirnya etanol

Lactic Acid Bacteria Homofermenters: Semua Pediococcus, Lactococcus, Streptococcus, Vagococcus, dan beberapa lactobacilli Heterofermenters: Carnobacterium, Oenococcus, Enterococcus, Lactosphaera, Weissells dan Leuconostoc dan beberapa Lactobacilli heterolactics bisa produksi flavour aroma: acetylaldehyde and diacetyl, sedangkan homolactics tidak bisa

Organisasi Genera LactobacillusCiri khas Group I Group II Group III obligately facultatively obligately homofermentative heterofermentative heterofermentative + Lb. acidophilus Lb. delbruckii Lb. helveticus Lb. salivarius

Pentose fermentation CO2 from glucose CO2 from gluconate FDP aldolase present Phosphoketolase present

++ + + Lb. casei Lb. curvatus Lb. plantarum Lb. sake

+ + + + Lb. brevis Lb. buchneri Lb. fermentum Lb. reuteri

Fermentasi asam laktatAlur ke-3: Bifidum 2 glukosa 2 laktat + 3 asetat

- Dilakukan oleh kelompok Bifidobacterium - Sekali konsumsi bakteri membutuhkan 2 mol glukosa yang dikonversi menjadi 2 mol fruktosa-6-P - 1 mol f-6-P dikonversi menjadi asetat melalui asetil fosfat oleh asetat kinase -1 mol f-6-P yang lain dikonversi melalui alur spesifik menghasilkan intermedier gliseraldehid-3-P dan asetil-P - Selanjutnya gliseraldehid-3-P akan menjadi laktat sedangkan asetil-P akan menjadi asetat

Starter Cultures Fungsi utamanya adalah menginisiasi pembentukan asam laktat Fungsi ke-2 (tergantung organisme yang ditambahkan) untuk membentuk senyawa tertentu yang diinginkan:

flavour, aroma, alcohol Aktifitas amylolytic, proteolytic dan lipolytic penghambatan organisme lain

Starter Cultures Lactic starters harus selalu bisa menginisiasi pembentukan asam laktat, umumnya: Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris or Lactococccus lactis subsp. lactis biovar diacetylactis. Kalau dibutuhkan senyawa aroma (diacetyl) misalnya untuk keju, maka bisa ditambahkan starter heterofermentative, misalnya: Leuconostoc citrovorum or Leuconostoc dextranicum.

Ciri-ciri starter yang baik: Yield asam asetat yang dihasilkan lebih dari 96 % Meningkatkan konsentrasi asam laktat sebesar 0.8 to 1.2 % (Titratable acidity) Menurunkan pH jadi 4.3 - 4.5

Produk sampingan fermentasi Asam Laktat : AROMAdiasetil sitrat asetoin

- Salah satu efek samping yang menguntungkan dari fermentasi asam laktat adalah pembentukan aroma - Diasetil dan asetoin merupakan aroma pada mentega dan keju - Sitrat merupakan prekursor utama pembentuk diasetil dan asetoin - Fermentasi aroma ini berlangsung terutama apabila ada kelompok Streptococcus dan/atau Leuconostoc

laktat

Produk sampingan fermentasi Asam Laktat: EPSs

Produk sampingan fermentasi Asam Laktat: EPSs

Asam Laktat dihasilkan oleh probiotik bakteri asam laktat (BAL) ??? Tidak jugaternyata golongan Fungi juga menghasilkan, terutama kelompok Rhizopus

Fermentasi asam laktat oleh kelompok Rhizopus

Fermentasi asam laktat menggunakan bahan baku biomassa

next ??? Bacteriocin Bacterial biopolymers Jangan lupa BELAJAR!!!