SELULASE DARI Salmonella typhi

Pendahuluan

Selulosa (C₆H₁₀O₅)_n  adalah gabungan glukosa-glukosa yang diikat oleh ikatan yang dinamakan dengan ikatan glikosidik beta-1,4. Glukosa adalah gula sederhana yang disebut dengan monosakarida, sedangkan selulosa adalah polisakarida karena tersusun atas beberapa gula sederhana. Selulosa merupakan komponen struktural utama dari tumbuhan dan tidak dapat dicerna oleh manusia. kandungan utama dalam serat tumbuhan, yang berfungsi sebagai komponen struktur tumbuhan. Polisakarida jenis selulosa ini adalah bahan struktural utama dari kayu dan tetumbuhan yang tidak larut dalam air. Keberadaan selulosa di bumi sangat melimpah, karena dalam skala global tumbuhan hampir 100 miliar ton selulosa per tahun.

SUMBER SELULOSA

Selulosa ditemui dalam tumbuhan yaitu mikrofibril (diameter 2-20 nm dan panjang 100 – 40 000 nm). Struktur rangkaian selulosa adalah struktur ikatan yang kuat pada dinding sel. Serat selulosa digunakan dalam penyedian pulp. Selulosa membolehkan penghidratan yang tinggi bagi sebagian  bacteria (seperti Acetobacter xylinum), Serat selulosa adalah sangat halus dan fleksibel.

STUKTUR FISIK SELULOSA

Seperti kanji,selulosa membentuk satu rangkaian panjang hasil gabungan daripada beberapa ratus molekul glukosa. Selulosa adalah kumpulan polisakrida yang tersusun dalam susunan yang sejalan untuk membentuk selulosa mikrofibril. Mikrofibril yang kecil diikat atau dibungkus bersama untuk membentuk makrofibril. Mikrofibril selulosa adalah sangat kuat dan tidak luwes kerana kehadiran ikatan hidrogen. Ahli-ahli kimia menyebut susunan ini sebagai "habluran," yang berarti bahwa mikrofibris memiliki fitur-fitur kristal. Molekul selulosa adalah tegar.

STRUKTUR MOLEKUL SELULOSA

Selulosa adalah molekul yang tidak larut yang mengandung antara 2000-14000 sisa-sisa atau sel-sel yang pendek dan sangat kecil. Membentuk krista (selulosa Iα) di mana intra-molekul (O3-H ">O5' dan O6"> H-O2') dan intra-strand (O6-H"> O3') hidrogen yang selalu bersambungan. Walaupun bebenang selulosa kekurangan hidropolik atau tidak mengandung hidropobik atau kandungan polisakarida lain, gabungan kristal yang sangat banyak intra dan keberadaan  intermolekul hidrogen menjadikan selulosa tidak larut kandungan air biasa. Molekul air menjadi bahan pemicu  untuk kristal selulosa dengan membantu menyesuaikan ikatan diantara sel.

Selulosa merupakan  amorfus(amorphous) diantara daerah habluran (crystalline). Semua strukturnya berupa pori-pori luas yang berkemampuan untuk menampung jumlah air yang banyak. Kristal alami terbentuk dari stabilitas selulosa dengan semua selulosa yang dengan ikatan yang kuat di antaranya. Selulosa Iα dan selulosa I β mempunyai ukuran  yang sama (1.043 nm menunjukkan bagian dalam kristal, 1.029 nm pada permukaan luar) tetapi berbeda ukuran.  Selulosa Iα dan selulosa I β berubah dengan membengkok sewaktu mikrofibril membesar.

PENCERNAAN SELULOSA

Manusia kekurangan enzim untuk mencerna selulosa. Rumput kering dan rumput hidup adalah hidupan utama yang banyak mengandung selulosa, dan kedua-duanya adalah tidak dapat dicernakan oleh manusia. Hewan seperti rayap dan herbivora seperti sapi, koala, kambing bisa mencerna selulosa kerana hewan seperti ini mengandungi enzim-enzim yang mampu mencerna selulosa.

Meskipun selulosa sulit dilumat oleh manusia, ini bukanlah berarti manusia tidak bisa memakan makanan yang mengandung tumbuhan. Jumlah kecil selulosa yang terdapat pada sayuran dan buah-buahan tidak mengganggu sistem pencernaan manusia. Sebaliknya serat pada selulosa dapat mengurangi resiko untuk manusia terkena kanker colon (bagian pencernaan dalam tubuh manusia) karena serat selulosa mengurangi waktu pembuangan limbah dalam dinding pencernaan manusia.

SUSUNAN SELULOSA DALAM DINDING SEL TUMBUHAN

Dalam dinding sel tumbuhan berserat yang terbentuk adalah serat selulosa.
Terdapat dua jenis selulosa di dalam serat selulosa yaitu selulosa mikrofibril dan selulosa makrofibril seperti acuan yang berbentuk benang yang berkumpul bersama sel polisakarida lainnya dan protein dan peredaran cairan di antara dinding sel dan pada seluruh dinding sel. Susunan selulosa mikrofibril di antara polisakarida dan protein menghasilkan ikatan yang kuat pada dinding sel tumbuhan. Dinding sel tumbuhan menjalankan berbagai fungsi diantaranya ialah menguatkan dinding sel. Dinding sel melindungi bagian dalam sel tumbuhan. Tidak seperti komponen dinding sel yang lain, yang mana proses sintesis berlaku pada bagian dalam sel tumbuhan,selulosa disintesiskan di atas permukaan dinding sel. Berada di antara plasma membran tumbuhan ialah enzim yang dipanggil selulosa sintetis yang bertindak mensintesiskan selulosa. Apabila selulosa disintesiskan, satu hasil baru akan terbentuk yaitu selulosa mikrofibril yang berada pada permukaan dalam sel. Kemudian selulosa mikrofibril akan mengikat di antara satu sama lain untuk membentuk selulosa makrofibril yang berada pada permukaan tengah sel. Selulosa makrofibril membesar untuk membentuk serat yang dinamakan serat selulosa.

PENEMUAN SELULOSA

Temuan baru daripada selulosa hasil dari reaksi dengan berbagai bahan uji yang lain dapat menghasilkan produk atau bahan baru yang berbasis selulosa. Selulosa ester dan selulosa ether adalah bahan yang penting dalam kormesial. Selulosa banyak digunakan dalam pengolahan makanan mengikut ciri-ciri khusus senyawa sebagai berikut: Karboksimetil selulosa hasil penyediaan dari selulosa murni seperti kapas atau kayu. Menyerap air lima kali lebih daripada berat asal untuk membentuk koloid yang stabil. Digunakan dalam penstabilan di dalam pembuatan es krim, manisan, jeli dan sebagainya.

1) Selulosa Alkali

Bahan utama yang digunakan untuk menghasilkan produk selulosa ether dan selulosa zantat. Selulosa bereaksi dengan 12-18% NaOH untuk menghasilkan alkali selulosa. Struktur selulosa akan rusak ketika ikatan hidrogen rusak. Alkali selulosa digunakan dalam berbagai industri dasar kimia seperti dalam pembuatan pulp dan kertas.tekstil dan detergen.

2) Selulosa Ester

a)      Nitroselulosa

Nitriselulosa adalah bahan yang mudah terbakar, dikenali sebagai guncotton(kapas senjata) digunakan dalam pembuatan serbuk peledak. Nitroselulosa dihasilkan dengan menggunakan sulfat/asam nitrat atau asam sulfat/kalium nitrat. Kapas yang digunakan untuk menghasilkan nitroselulosa ialah kapas selulosa. Selulosa dicampur bersama dengan asam nitrat, setelah selulosa dinitratkan kemudian dicuci dan dikeringkan.

b)      Selulosa asetat

Selulosa asetat adalah suatu senyawa kimia buatan yang digunakan dalam film fotografi. Secara kimia, selulosa asetat adalah ester dari asam asetat dan selulosa. Senyawa ini pertama kali dibuat pada tahun 1865. Selain pada film fotografi, senyawa ini juga digunakan sebagai komponen dalam bahan perekat, serta sebagai serat sintetik.

 c)   Selulosa zantat

   Selulosa zantat digunakan dalam pembuatan kain sutera tiruan. Untuk menghasilkan rayon atau viscose dan selopan.

3.      Selulosa Eter

Selulosa eter yaitu Etil selulosa. Etil Selulosa adalah selulosa dalam kumpulan hidroksil ketika glukosa akan berubah menjadi etil eter(ethyl ether). Digunakan dalam pembuatan sebagai bahan pembalut atau plastik film kecil. Tidak larut dalam air. Dikomersilkan dalam pembuatan pengikat (binder) dan bahan tambah dalam makanan.

 Metilselulosa

Metilselulosa (MC) diperoleh dengan mereaksikan selulosa fiber dengan NaOH menjadi selulosa alkali. Selulosa alkali dibuat dengan cara perendaman dengan larutan basa pada serat selulosa kemudian direaksikan dengan metil eter berdasarkan reaksi eterifikasi Williamson pada 50-100°C dan tekanan 14 kg/cm2 selama beberapa jam. Hasil reaksinya adalah metileterselulosa. (Mekanisme reaksi eterifikasi Williamson. Metilselulosa berwarna putih, tidak berbau, tidak berasa, dan tidak bersifat toksik.Protein dan polisakarida sering dihubungkan dengan substansi hidrofobik seperti lipid untuk meningkatkan efisiensi penghalangan. Hal ini menyebabkan pembuatan film sering melibatkan lipid. Digunakan dalam pembuatan lem, binder(pengikat),dalam baterai, pembuatan kertas dan tekstil, pelumas dan sebagainya.

SELULASE

Selulase adalah nama bagi semua enzim yang memutuskan ikatan glikosidik beta-1,4 di dalam selulosa, sedodekstrin, selobiosa, dan turunan selulosa lainnya. Selulase tidak dimiliki oleh manusia, karena itu manusia tidak dapat menguraikan selulosa. Tetapi hal ini dapat dilakukan oleh beberapa hewan seperti kambing, sapi, dan insekta seperti rayap karena dalam sistem pencernaannya mengandung bakteri dan protozoa yang menghasilkan enzim selulase yang akan menghidrolisis (mengurai) ikatan glikosidik beta-1,4. Oleh karena reaksi yang ditimbulkan oleh selulase saat mengurai selulosa adalah hidrolisis, maka selulase diklasifikasikan ke dalam jenis enzim hidrolase.

Hidrolisis enzimatik yang sempurna memerlukan aksi sinergis dari tiga tipe enzim ini, yaitu :

·        Endo-1,4-β-D-glucanase (endoselulase, carboxymethylcellulase atau CMCase), yang mengurai polimer selulosa secara random pada ikatan internal α-1,4-glikosida untuk menghasilkan oligodekstrin dengan panjang rantai yang bervariasi

·        Exo-1,4-β-D-glucanase (cellobiohydrolase), yang mengurai selulosa dari ujung pereduksi dan non pereduksi untuk menghasilkan selobiosa dan/atau glukosa

·        β–glucosidase (cellobiase), yang mengurai selobiosa untuk menghasilkan glukosa

Kompleks selulase digunakan secara komersial dalam pengolahan kopi. Selulase digunakan secara luas dalam industri tekstil, deterjen, pulp dan kertas bahkan kadang-kadang digunakan dalam industri farmasi. Dalam krisis energi sekarang ini, selulase dapat digunakan dalam fermentasi biomassa menjadi biofuel, walaupun proses ini sifatnya masih eksperimental. Di bidang kesehatan selulase digunakan sebagai treatment untuk phytobezoars--salah satu bentuk selulosa bezoar di dalam perut manusia. Seperti yang dijelaskan di atas, selulosa dapat dihidrolisis menjadi glukosa dengan menggunakan asam atau enzim. Hidrolisis menggunakan asam biasanya dilakukan pada temperatur tinggi. Proses ini relatif mahal karena kebutuhan energi yang cukup tinggi. Baru pada tahun 1980-an, mulai dikembangkan hidrolisis selulosa dengan menggunakan enzim selulase.

Selulosa diproduksi oleh fungi, bakteri, tumbuhan, dan ruminansia. Produksi komersial selulase pada umumnya menggunakan fungi atau bakteri yang telah diisolasi. Meskipun banyak mikroorganisme yang dapat mendegradasi selulosa, hanya beberapa mikroorganisme yang memproduksi selulase dalam jumlah yang signifikan yang mampu menghidrolisa kristal selulosa secara invitro. Fungi adalah mikroorganisme utama yang dapat memproduksi selulase, meskipun beberapa bakteri dan actinomycetes telah dilaporkan juga menghasilkan aktivitas selulase. Fungi berfilamen seperti Tricoderma dan Aspergillus adalah penghasil selulase dan crude enzyme secara komersial Fungi-fungi tersebut sangat efisien dalam memproduksi selulase.

Selulase dapat diproduksi oleh fungi, bakteri, dan ruminansia. Produksi enzim secara komersial biasanya menggunakan fungi atau bakteri. Fungi yang bisa menghasilkan selulase antara lain genus Tricoderma, Aspergillus, dan Penicillium. Jenis fungi yang biasa digunakan dalam produksi selulase adalah Aspergillus niger, Aspergillus fumigates, Aspergillus nidulans, Neurospra sitophila, Tricoderma viride, Tricoderma longibrachiatum, dan Saccharomyces cerevisiae. Sedangkan bakteri yang bisa menghasilkan selulase adalah Pseudomonas, Cellulomonas, Bacillus, Micrococcus, Cellovibrio, dan Sporosphytophaga.

MANFAAT SELULASE

Selulase digunakan secara luas dalam industri tekstil, deterjen, pulp dan kertas. Selulase juga digunakan dalam pengolahan kopi (Frazier dkk, 1988) dan kadang-kadang digunakan dalam industri farmasi sebagai zat untuk membantu sistem pencernaan. Selulase juga dimanfaatkan dalam proses fermentasi dari biomassa menjadi biofuel, seperti bioethanol. Saat ini, enzim selulase juga digunakan sebagai pengganti bahan kimia pada proses pembuatan alkohol dari bahan yang mengandung selulosa.

Pemanfaatan limbah berlignoselulosa dengan menggunakan jasa mikroorganisme dapat menghasilkan enzim ekstraseluler yang mampu mendegradasi bahan berlignoselulosa menjadi fraksi penyusunnya. Misalkan enzim selulase yang dapat merombak bahan berlignoselulosa berupa jerami atau sampah organik menjadi kompos, atau menghidrolisis selulosa menjadi glukosa.

Enzim selulase dapat digunakan untuk melembutkan sayur-sayuran dengan mencernakan sebahagian selulosa sayur itu, mengeluarkan kulit dari biji-bijian seperti gandum, mengasingkan agar-agar daripada rumput laut dengan menguraikan dinding sel daun rumput dan membebaskan agar-agar yang terkandung dalamnya.

Enzim yang umum digunakan dalam daur ulang kertas bekas adalah selulase, xylanase, hemiselulase. Sedangkan dalam biodeinking, selulase dan hemiselulase yang paling banyak digunakan. Bagaimana mekanisme kerja enzim dengan struktur selulosa masih belum diketahui dengan jelas. Menurut Lee dkk faktor terpenting dalam mempelajari sistim selulosa-selulase adalah sifat struktur dari bahan selulosa karena hidrolisa secara enzimatis terhadap selulosa sebagian besar tergantung pada bahan kimia alam dan struktur fisik dari substrat selulosa. Kecepatan reaksi hidrolisa enzimatik dipengaruhi oleh kristalinitas substrat, asesibilitas enzim, luas permukaan spesifik, derajat polimerisasi dan unit dimensi sel dari bahan selulosa.

Berdasarkan Oltus et.al., reaksi selulase adalah pemutusan rantai serat. Sedangkan berdasarkan Prommier dkk., enzim menyerang permukaan serat menghasilkan efek peeling. Bila efek ini dibatasi dan dikontrol, enzim hanya akan memindahkan elemen-elemen kecil atau campuran yang mempunyai afinitas lebih besar terhadap air tetapi yang kontribusinya kecil terhadap ikatan hidrogen dari serat. Menurur Jackson dkk., enzim jenis selulase dapat memflokulasi fine (serat yang berukuran kurang dari 75 μm) dan partikel-partikel kecil serat. Fine akan dihidrolisa mengakibatkan peningkatan derajat giling (freeness), dan permukaan serat menjadi bersih dari fibril dan partikel-partikel.