Hidrolisis Pati

Pendahuluan

Produk hasil hidrolisa pati sangat banyak digunakan dan diterapkan dalam penggunaan pati pada produk-produk pengolahan hasil pangan. Proses hidrolisa pati menggunakan asam maupun enzim adalah proses yang umum digunakan untuk mengubah pati menjadi molekul yang lebih kecil lagi bahkan hingga mengubah pati menjadi gula sederhana. Pada bab ini akan dibahas mengenai proses-proses hidrolisa pati baik menggunakan asam maupun enzim. Masing-masing proses hidrolisa baik menggunakan asam maupun enzim memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Hidrolisa asam menghasilkan proses yang lebih murah namun produk yang dihasilkan tidak sebaik yang dihasilkan dari hidrolisis menggunakan enzim yang tentunya jauh lebih mahal.


Hidrolisa

Gula merupakan kebutuhan pokok bagi manusia, selama ini kebutuhan gula dipenuhi oleh industri gula (penggilingan tebu). Industri kecil seperti gula merah, gula aren. Gula dapat berupa glukosa, sukrosa, fruktosa, sakrosa. Gukosa dapat digunakan sebagai pemanis dalam makanan, minuman, dan es krim.
Glukosa dibuat dengan jalan fermentasi dan hidrolisa. Pada proses hidrolisa biasanya menggunakan katalisator asam seperti HCl, asam sulfat. Bahan yang digunakan untuk proses hidrolisis adalah pati. Di Indonesia banyak dijumpai tanaman yang menghasilkan pati. Tanaman-tanaman itu seperti padi, jagung, ketela pohon, umbi-umbian, aren, dan sebagainya

Hidrolisis merupakan reaksi pengikatan gugus hidroksil / OH oleh suatu senyawa. Gugus OH dapat diperoleh dari senyawa air. Hidrolisis dapat digolongkan menjadi hidrolisis murni, hidrolisis katalis asam, hidrolisis katalis basa, gabungan alkali dengan air dan hidrolisis dengan katalis enzim. Sedangkan berdasarkan fase reaksi yang terjadi diklasifikasikan menjadi hidrolisis fase cair dan hidrolisis fase uap.

Hidrolisis pati terjadi antara suatu reaktan pati dengan reaktan air. Reaksi ini adalah orde satu karena reaktan air yang dibuat berlebih, sehingga perubahan reaktan dapat diabaikan. Reaksi hidrolisis pati dapat menggunakan katalisator ion H+ yang dapat diambil dari asam. Reaksi yang terjadi pada hidrolisis pati adalah sebagai berikut:

(C6H10O5)x + x H2O → x C6H12O6

Variabel-variabel yang berpengaruh terhadap reaksi hidrolisa :

1. Katalisator
Hampir semua reaksi hidrolisa memerlukan katalisator untuk mempercepat jalannya reaksi. Katalisator yang dipakai dapat berupa enzim atau asam sebagai katalisator, karena kerjanya lebih cepat. Asam yang dipakai beraneka ragam mulai dari asam klorida (Agra dkk, 1973; Stout & Rydberg Jr., 1939), Asam sulfat sampai asam nitrat. Yang berpengaruh terhadap kecepatan reaksi adalah konsentrasi ion H, bukan jenis asamnya. Meskipun demikian di dalam industri umumnya dipakai asam klorida. Pemilihan ini didasarkan atas sifat garam yang terbentuk pada penetralan gangguan apa-apa selain rasa asin jika konsentrasinya tinggi. Karena itu konsentrasi asa dalam air penghidrolisa ditekan sekecil mungkin. Umumnya dipergunkan larutan asam yang mempunyai konsentrasi asam lebih tinggi daripada pembuatan sirup. Hidrolisa pada tekanan 1 atm memerlukan asam yang jauh lebih pekat.

2. Suhu dan tekanan
Pengaruh suhu terhadap kecepatan reaksi mengikuti persamaan Arhenius.makin tinggi suhu, makin cepat jalannya reaksi. Untuk mencapai konversi tertentu diperlukan waktu sekitar 3 jam untuk menghidrolisa pati ketela rambat pada suhu 100°C. tetapi kalau suhunya dinaikkan sampai suhu 135°C, konversi yang sebesar itu dapat dicapai dalam 40 menit (Agra dkk,1973). Hidrolisis pati gandum dan jagung dengan katalisator asam sulfat memerlukan suhu 160°C. karena panas reaksi hampir mendekati nol dan reaksi berjalan dalam fase cair maka suhu dan tekanan tidak banyak mempengaruhi keseimbangan.

3. Pencampuran (pengadukan)
Supaya zat pereaksi dapat saling bertumbukan dengan sebaik-baiknya, maka perlu adanya pencampuran. Untuk proses batch, hal ini dapat dicapai dengan bantuan pengaduk atau alat pengocok (Agra dkk,1973). Apabila prosesnya berupa proses alir (kontinyu), maka pencampuran dilakukan dengan cara mengatur aliran di dalam reaktor supaya berbentuk olakan.

4. Perbandingan zat pereaksi
Kalau salah satu zat pereaksi berlebihan jumlahnya maka keseimbangan dapat menggeser ke sebelah kanan dengan baik. Oleh karena itu suspensi pati yang kadarnya rendah memberi hasil yang lebih baik dibandingkan kadar patinya tinggi. Bila kadar suspensi diturunkan dari 40% menjadi 20% atau 1%, maka konversi akan bertambah dari 80% menjadi 87 atau 99% (Groggins, 1958). Pada permukaan kadar suspensi pati yang tinggi sehingga molekul-molekul zat pereaksi akan sulit bergerak. Untuk menghasilkan pati sekitar 20%.

Klasifikasi Hidrolisa

Klasifikasi proses hidrolisa dapat dibagi menjadi: (1) Hidrolisa fase gas: Sebagai penghidrolisa adalah air dan reaksi berjalan pada fase uap. (2) Hidrolisa fase cair: Pada hidrolisa ini, ada 4 tipe hidrolisa, yaitu: (a) Hidrolisa murni: Efek dekomposisinya jarang terjadi, tidak semua bahan terhidrolisa. Efektif digunakan pada : Reaksi Grigrard dimana air digunakan sebagai penghidrolisa, (b)Hidrolisa bahan-bahan berupa anhidrid asam Laktan dan laktanida. Hidrolisa senyawa alkyl yang mempunyai komposisi kompleks, Hidrolisa asam berair. Pada umumnya dengan HCl dan H2SO4, dimana banyak digunakan pada industri bahan pangan, misal: Hidrolisa gluten menjadi monosodium glutamate, Hidrolisa pati menjadi glukosa. Sedangkan H2SO4 banyak digunakan pada hidrolisa senyawa organik dimana peranan H2SO4 tidak dapat diganti. (c) Hidrolisa dengan alkali berair: Penggunaan konsentrasi alkali yang rendah dalam proses hidrolisa diharapkan ion H+ bertindak sebagai katalisator sedangkan pada konsentrasi tinggi diharapkan dapat bereaksi dengan asam yang terbentuk. (d) Hidrolisa dengan enzim Senyawa dapat digunakan untuk mengubah suatu bahan menjadi bahan hidrolisa lain. Hidrolisa ini dapat digunakan : Hidrolisa molase, Beer (pati → maltosa/glukosa) dengan enzim amilase

Aplikasi hidrolisa Pati banyak digunakan dalam Industri makanan dan minuman menggunakan sirup glukosa hasil hidrolisis pati sebagai pemanis. Produk akhir hidrolisa pati adalah glukosa yang dapat dijadikan bahan baku untuk produksi fruktosa dan sorbitol. Hasil hidrolisis pati juga banyak digunakan dalam industri obat-obatan. Dan juga glukosa yang dihasilkan dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan bioethanol. Penggunaan asam sebagai penghidrolisa menghasilkan biaya produksi yang sedikit, namun produk yang dihasilkan tidak seragam dan banyak senyawa pati yang rusak oleh asam tersebut, sedangkan penggunaan enzim sebagai penghidrolisa menghasilkan produk yang seragam, lebih terkontrol, namun biaya produksi lebih tinggi karena harga dari enzim sendiri lebih mahal jika dibandingkan dengan asam.

Hidrolisis Enzim

Enzim adalah biomolekul berupa protein yang berfungsi sebagai katalis (senyawa yang mempercepat proses reaksi tanpa habis bereaksi) dalam suatu reaksi kimia organik. Molekul awal yang disebut substrat akan dipercepat perubahannya menjadi molekul lain yang disebut produk. Jenis produk yang akan dihasilkan bergantung pada suatu kondisi/zat, yang disebut promoter. Semua proses biologis sel memerlukan enzim agar dapat berlangsung dengan cukup cepat dalam suatu arah lintasan metabolisme yang ditentukan oleh hormon sebagai promoter.

Enzim bekerja dengan cara bereaksi dengan molekul substrat untuk menghasilkan senyawa intermediat melalui suatu reaksi kimia organik yang membutuhkan energi aktivasi lebih rendah, sehingga percepatan reaksi kimia terjadi karena reaksi kimia dengan energi aktivasi lebih tinggi membutuhkan waktu lebih lama. Sebagai contoh:
X + C → XC (1)
Y + XC → XYC (2)
XYC → CZ (3)
CZ → C + Z (4)
Meskipun senyawa katalis dapat berubah pada reaksi awal, pada reaksi akhir molekul katalis akan kembali ke bentuk semula.
Sebagian besar enzim bekerja secara khas, yang artinya setiap jenis enzim hanya dapat bekerja pada satu macam senyawa atau reaksi kimia. Hal ini disebabkan perbedaan struktur kimia tiap enzim yang bersifat tetap. Sebagai contoh, enzim α-amilase hanya dapat digunakan pada proses perombakan pati menjadi glukosa.

Kerja enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor, terutama adalah substrat, suhu, keasaman, kofaktor dan inhibitor. Tiap enzim memerlukan suhu dan pH (tingkat keasaman) optimum yang berbeda-beda karena enzim adalah protein, yang dapat mengalami perubahan bentuk jika suhu dan keasaman berubah. Di luar suhu atau pH yang sesuai, enzim tidak dapat bekerja secara optimal atau strukturnya akan mengalami kerusakan. Hal ini akan menyebabkan enzim kehilangan fungsinya sama sekali. Kerja enzim juga dipengaruhi oleh molekul lain. Inhibitor adalah molekul yang menurunkan aktivitas enzim, sedangkan aktivator adalah yang meningkatkan aktivitas enzim. Banyak obat dan racun adalah inihibitor enzim.

Dalam proses hidrolisis pati secara enzimatis, terdapat beberapa enzim penghidrolisis pati yang bekerja spesifik yaitu ikatan glikosidik yang diputus, pola pemutusan, aktivitasnya dan spesifitas substrat serta produk yang dihasilkan.  Tingginya keragaman jenis pati dan spesifiknya kerja enzim penghidrolisis pati, maka produk yang dibentuk akan mempunyai komposisi karbohidrat yang beragam

Modifikasi pada pati juga dapat dilakukan dengan hidrolisis enzim. Modifikasi pati dengan metode enzimatis. Pada modifikasi pati dengan metode enzimatis ini dapat dilakukan dengan berbagai tahapan yaitu likuifaksi, sakarifikasi dan isomerisasi. Langkah yang pertama adalah likuefaksi 30-40% suspensi padatan untuk menghasilkan maltodekstrin dengan menggunakan enzim α-amilase. Setelah likuifaksi dilakukan sakarifikasi menggunakan enzim glukoamilase atau pullulanase untuk menghasilkan sirup glukosa atau sirup maltosa. Hasil sakarifikasi dilakukan isomerisasi dengan enzim glukosa isomerase untuk menghasilkan sirup fruktosa. Hidrolisis dengan enzim dapat menghasilkan beberapa produk hidrolisat pati dengan sifat-sifat tertentu yang didasarkan pada nilai DE (ekuivalen dekstrosa). Nilai DE 100 adalah murni dekstrosa sedangkan nilai DE 0 adalah pati alami. Hidrolisat dengan nilai DE 50 adalah maltosa, nilai DE di bawah 20 adalah maltodekstrin, sedangkan hidrolisat dengan DE berkisar antara 20-100 adalah sirup glukosa.
Beberapa jenis enzim yang sering digunakan dalam menghidrolisis pati yaitu: α-amilase, β-amilase, pullunase, dan amiloglukosidase (AMG) yang memiliki karakteristik yang berbeda-beda satu-sama lainnya.

Enzim alfa amilase

Enzim alfa-amilase, atau yang biasa disebut juga 1,4-alpha-D-glucan glucanohydrolase (karena hanya memotong pada ikatan α1,4 pada ikatan glikosida), biasa juga disebut pancreatic alpha-amilase adalah salah satu enzim yang berperan dalam proses degradasi pati, sejenis makromolekul karbohidrat. Struktur molekuler dari enzim ini adalah α-1,4-glukanohidrolase. Bersama dengan enzim pendegradasi pati lain, pululanase, α-amilase termasuk ke dalam golongan enzim kelas 13 glikosil hidrolase. Alpha-amilase ini memiliki beberapa sisi aktif yang dapat mengikat 4 hingga 10 molekul substrat sekaligus sehingga proses hidrolisisnya lebih cepat.

Gambar 1. ikatan α1,4 glikosida yang diputus oleh Enzim alfa amilase

Gambar 2. Representatif lokasi pemutusan yang dilakukan secara acak oleh enzim alfa amilase (segitiga hitam adalah lokasi untuk memotong)

Enzim alpha-amilase merupakan enzim yang banyak digunakan pada berbagai macam makanan, minuman, detergen, industri pemrosesan dan industri tekstil. Enzim ini terdapat dialam misalnya pada: Bisa dalam bentuk tepung malt, gandum yang berkecambah; berasal dari bakteri bacillus Bacillus subtilis; Disintesa kapang Rhizopus oligosporus dan Rhizopus oryzae; Bisa berasal dari cacing tanah; Pakai cendawan Aspergillus sp; Bisa berasal dari pancreas sapi dan babi; dan banyak terdapat di air ludah dan pencernaan manusia.

Enzim α-amilase yang diisolasi dari bacillus subtilis sangat stabil pada suhu tinggi. Tergantung kepada pemanfaatannya, suhu optimum untuk enzim ini adalah 70-90OC. pada suhu rendah, enzim ini masih cukup stabil meskipun pada pH dibawah 6. Walaupun demikian enzim ini tidak dapat dihadapkan pada pH dibawah 5. Pada suhu 70OC enzim ini dengan cepat kehilangan aktivitasanya jika pH dibawah 6. Namun pada suhu tersebut enzim ini cukup stabil dalam kisaran antara 6-10. Kondisi optimum untuk proses hidrolisis pati dalam industri adalah pH 6-6,5. Liquifaction tahap pertama dengan jet cooker dilakukan pada suhu 105OC. dan tahap berikutnya pada 95OC selama 15-30 menit didalam tangki khusus. Bakteri lain yang menghasilkan α-amilase yaitu Bacillus licheniformis. pH optimum untuk enzim ini sekitar 6 pada suhu 60OC. jika suhu ditingkatkan pH optimum juga meningkat sekitar 7. Jika α-amilase yang diperoleh dari B. subtilis  menghidrolisis pati dengan hasil utama maltoheksosa, maltopentosa dan sedikit glukosa (4-5%), maka α-amilase yang dihasilkan oleh B. licheniformis menghasilkan maltosa, maltoriosa, dan maltopentosa, glukosa yang dihasilkan agak lebih tinggi yaitu 8-10%.

Enzim α-amilase yang diperoleh dari fungi banyak dihasilkan dari Aspergillus oryzae. Di dalam hidrolisis, enzim ini mula-mula berkelakukan seperti maltenzyme atau enzim dari bakteri. Namun pada tahap berikutnya, lebih banyak maltosa dan maltoriosa yang terbentuk. Sedikit atau banyak α-amilase dari fungi ini berkelakukan seperti gabungan antara α dan β amilase dari malt. Meskipun enzim ini diperdagangkan dalam bentuk serbuk, namun enzim ini sangat mudah larut dalam air. Suhu optimumnya yaitu pada suhu 50OC pada saat pelarutan, meskipun aktivitas enzim meningkat pada suhu 55OC, namun aktivitas tersebut cepat menurun, demikian juga stabilitasnya. Untuk reaksi dalam waktu pendek, pH optimum adalah sekitar 4,7.

Enzim beta-amilase

merupakan enzim golongan hidrolase yang digunakan dalam proses sakarifikasi pati. Sakarifikasi banyak berperan dalam permecahan makromolekul karbohidrat. Pemecahan makromolekul karbohidrat ini akan menghasilkan molekul karbohidrat rantai pendek.
Beta-amilase akan memotong ikatan glikosidik pada gugus amilosa, amilopektin, dan glikogen. Amilosa merupakan struktur rantai lurus dari pati, sedangkan amilopektin merupakan struktur percabangan dari pati. Hasil pemotongan oleh enzim ini akan didominasi oleh molekul maltosa dan beta-limit dekstrin. Dalam industri pangan, pembentukan senyawa beta-limit dektrin seringkali dihindari karena membentuk viskositas atau kekentalan yang terlalu pekat.

Enzim beta-amilase sama halnya dengan alfa amilase yang memotong ikatan α1,4 glikosidik, namun proses pemotongannya sangat lambat, dan hanya memotong 2 unit glukosa setiap potongannya, dan memotong satu-persatu dari ujung terluar amilosa atau amilopektin. Jika beta amilase memotong pati rantai lurus maka produk akhir dari pemotongan enzim beta amilase yaitu maltose dan maltotriosa dengan rasio 99:1%
Enzim beta-amilase banyak ditemukan pada tanaman tingkat tinggi, seperti gandum, ubi, dan kacang kedelai. Di samping itu, beta-amilase juga dapat ditemui pada beberapa mikroorganisme, antara lain Pseudomonas, Bacillus, Streptococcus, dan Clostridium thermosulfurigenes. Enzim yang berasal dari C. thermosulfurigenes umumnya lebih disukai karena memiliki toleransi suhu dan pH yang lebih tinggi.

Enzim Debranching Enzim (pullulanase)

Enzim ini memiliki spesifikasi memutus ikatan cabang pada α1,6 glikosida. Bersifat exoenzim amilolitik. Contoh jenis enzim ini antara lain contoh iso-amilase dan limit dekstrinase. Hasil pemutusan oleh ini enzim ini menghasilkan pati rantai panjang dan limit dekstrin. Dalam berbagai pengolahan untuk menghasilkan gula, digunakan variasi penggunaan berbagai jenis enzim yang digunakan secara bertahap.

Enzim Amiloglukosidase (AMG)/glukoamilase

Adalah salah satu yang berperan dalam proses sakarifikasi pati. Serupa dengan enzim beta-amilase, glukoamilase dapat memecah struktur pati yang merupakan polisakarida kompleks berukuran besar menjadi molekul yang berukuran kecil. Kelebihan enzim ini yaitu selain memutus ikatan α1,4 glikosoda, juga memutus ikatan α1,6 glikosida. Enzim ini bersifat eksoenzim. Pada umumnya, enzim ini bekerja pada suhu 45-60 °C dengan kisaran pH 4,5-5,0. Produk akhir yang dihasilkan dari enzim ini yaitu glukosa. Enzim ini memiliki peranan yang cukup besar di dalam metabolisme energi di berbagai jenis organisme. Oleh karena itu, enzim ini banyak ditemukan pada beragam jenis tanaman dan mikroorganisme, seperti Saccharomyces, Endomycopsis, Aspergillus, Penicillium, Mucor, dan Clostridium.

Bahan Bacaan

BeMiller,J.N., and Whistler,R. 2009. Starch: Chemistry and Technology. Academic Press,Inc

Lehninger AL. 1993. Dasar-Dasar Biokimia. Jilid 1. Thenawidjaja M, Penerjemah; Jakarta : Erlangga. Terjemahan dari : Principles of Biochemistry

Tjokroadikoesoemo S, 1985. HFS dan Industri Ubi Kayu Lainnya. PT Gramedia Jakarta.

Semoga Bermanfaat.