Biokimia Pangan Semester II 2010/2011 Karbohidrat

Produksi pati Total dunia ~1,4 milyar ton Pendahuluan Produksi pati Total dunia ~1,4 milyar ton Produksi Indonesia (FAO, 2005): Padi → 54 juta ton (3) Ketela → 19,5 juta ton (3) Jagung → 12 juta ton (8) Pisang → 4,5 juta ton (6) Ubi jalar → 1,8 juta ton (8)

Sifat fisik pati Hasil fotosintesis Disintesis dalam plastid (daun) dan amiloplas (umbi, akar, atau biji) Bentuk butiran: bulat, polihedral, oval, dan serat Kandungan: amilosa dan/atau amilopektin Organisasi: amorf dan kristal

Komposisi butiran pati

Amaranth starch (Bar: 1 µm) Arrowroot starch (Bar: 20 µm)                          Amaranth starch (Bar: 1 µm) Arrowroot starch (Bar: 20 µm) Buckwheat starch (Bar: 5 µm)                                                                               Cassava starch (Bar: 10 µm) Corn starch (Bar: 10 µm) Oat starch (Bar: 5 µm)                                                                               Potato starch (Bar: 50 µm) Rice starch (Bar: 2 µm) Kidney bean starch (Bar: 20 µm)

Pati Gelatinisasi Pati menyerap air, mengembang, dan kembali ke ukuran asal pada pengeringan (reversibel) Pada suhu tinggi, proses menjadi irreversibel (butiran-butiran pecah membentuk lem pati, dan larutan menjadi kental)

Pati Struktur kimia

Pati Derajat polimerisasi Amilosa: α,1-4 glikosidik (DP ~200–200.000; Mr 30–3.200 kDa) ketela atau kentang (DP 1.000–6.000) jagung atau gandum (DP 200–1.200) Amilopektin: α,1-4 dan α,1-6 glikosidik kentang (DP 10.000-100.000) Nisbah amilosa : amilopektin = ~1:3 beras ~16–30% amilosa kentang ~20–21% amilosa

Suhu gelatinisasi (oC) Pati Ciri fisik pati Pati Jenis Diameter (µm) Morfologi Suhu gelatinisasi (oC) Suhu lem (oC) Amilosa (%) Sifat dimasak Beras Biji 1 – 9 Poligon, bulat 68 – 78 81 19 Gel, buram Ketela Akar 4 – 35 Oval, terpotong 52 – 73 63 17 Jernih, kohesif Jagung 2 – 30 Bundar, poligon 62 – 72 80 25 – 28 Sagu Batang 15 – 65 69 – 74 74 26 Kentang Umbi 5 – 100 Oval, bulat 58 – 68 64 20 – 21 Gandum 1 – 55 Bundar 52 – 85 77

Kelompok amilase Endoamilase Eksoamilase Enzim pemutus cabang Pemrosesan pati Kelompok amilase Endoamilase Eksoamilase Enzim pemutus cabang Transferase

Keluarga α-amilase EC 3.2.1.1, a-1,4-glukan 4-glukanhidrolase Keluarga 13 dari keluarga glikosil hidrolase Endoenzim: hidrolisis ikatan a-1,4 glikosidik pada pati, seperti amilosa dan amilopektin Terdiri dari 3 domain: domain A (domain inti katalitik struktur tong (b/a)8 dekat ujung-C), B (domain bersama A untuk mengikat ion kalsium), dan C (domain 8 lembar untai-b)

Domain B Ion Ca2+ Substrat Domain A Domain C

Residu lestari C Domain A B Keluarga α-amilase Motif I Motif II Motif III Motif IV

Motif lestari Contoh 2 4 5 7 Keluarga α-amilase Amilomaltase1 EALGIRIIGDMPIFVAED LFHLVRIDHFRG VPVLAEDLGVI VVYTGTHDNDT Amilosukrase2 HEAGISAVVDFIFNHTSN GVDILRMDAVAF VFFKSEAIVHP VNYVRSHDDIG Siklomalto-dekstrinase3 HDNGIKVIFDAVFNHCGY DIDGWRLDVANE AIIVGEVWHDA FNLIGSHDTER Isoamilase4 HNAGIKVYMDVVYNHTAE GVDGFRFDLASV LDLFAEPWAIG INFIDVHDGMT Pullulanase5 HAHGVRVILDGVFNHTGR GVDGWRLDVPNE AYIVGEIWEEA MNLLTSHDTPR α-Amilase6 HERGMYLMVDVVANHMGY SIDGLRIDTVKH VYCIGEVLDGD GTFVENHDNPR Sumber enzim: Thermus aquaticus1, Neisseria polysaccharea3, Clostridium thermohydrosulfuricin3, Pseudomonas amyloderamosa4, Bacillus favocaldarius5, dan Bacillus licheniformis6.

Distilation & dehidrasi Aplikasi α-amilase Produksi bioetanol Ragi α-Amylase Pemisahan alkohol Glukoamilase Jagung Beras Ketela Sagu Ubi Talas Pencairan Sakarifikasi Fermentasi Distilation & dehidrasi Air Pemasakan >100° C 5–8 menit Tangki penyimpan Pencairan kedua 95° C ~90 menit 60° C 8–10 jam (optional) Tangki bubur Penggilingan DDGS

Biaya produksi bioetanol Aplikasi α-amilase Biaya produksi bioetanol Milling Mash prep. Fermentation Distillation Storage Separation Evaporation DDGS drying 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% % of total process energy Keperluan energi utama: Pemasakan (mash prep.) Distilasi Pengeringan Solusi ► Konversi butiran pati pada suhu rendah

Aplikasi α-amilase Pelarutan pati mentah

SEM of Starch Treated with α-Amylase of Bacillus sp. ALSHL3 Rice Corn Cassava 10/04/2017 Seminar Nasional Bioteknologi Enzim, Universitas Atmajaya

Scanning Electron Microscopy Corn Cassava Sago Potato Rice Incubation: 48 hours, 37 oC 10/04/2017

SEM Recombinant Baq α-amylase Amonium sulphate fraction of A, B = maize; C,D = cassava Recombinant Baq α-amylase Amonium sulphate fraction of B. aquimaris MKSC 6.2

Distilation & dehidrasi Aplikasi α-amilase Pemakaian α-amilase Jagung Beras Ketela Sagu Ubi Talas Pemisahan alkohol Fermentasi Distilation & dehidrasi Air Tangki penyimpanan Penggilingan Tangki bubur Ragi rekombinan DDGS

Hidrolisis pati Aplikasi α-amilase Gelatinisasi Pencairan Sakarifikasi Bubur pati (35% berat; pH 6.5; 40 ppm Ca2+) Gelatinisasi α-amylase 105oC, 5 min Gelatin pati (<1 DE) Pencairan 95oC, 120 min Pencairan pati (>1 DE; 0.3% Glu; 2% Mal; 97.7% oligosac) Sakarifikasi Glucoamilase + pullulanase α-Amylase fungi pH 4.5; 60oC, 72 h pH 5.5; 50 ppm Ca2+; 55oC, 48 h Sirop glukosa (99 DE; 97% Glu; 2% mal; 1% oligosac) Sirop maltosa (44 DE; 4% Glu; 56% mal; 28% maltotri; 12% oligosac)

Lactic acid bacteria (LAB) Variasi bentuk dan ukuran Lactobacillus brevis Lactobacillus casei Oenococcus oenei Di Supermarket Brevibacterium linens Lactobacillus bulgaricus Brevibacterium pentasoceus www.bioweb.usu.edu/microscopy/research.htm

Lactic acid bacteria Menghasilkan asam laktat dari glukosa Anaerobik fakultatif : hidup pada kadar oksigen rendah, tetapi dapat hidup tanpa oksigen

Eksoopolisakarida (EPS) Polimer gula ‘sticky’ yang terikat pada bagian luar sel atau yang dilepas keluar oleh bakteri dan juga ragi, jamur, mikroalga. Penempelan bakteri pada permukaan (gigi), dengan sesama bakteri (biofilms), atau pada tanaman (Rhizobium sp.)

Homopolisakarida Homo: mengandung satu jenis residu monosakarida glukose atau fruktosa (atau galaktosa) Dihasilkan oleh Streptococcus mutans, Leuconostoc mesenteroides, or Lactobacillus reuteri Mikroflora usus, mikroflora daging yang difermentasi, kol yang difermentasi

Homopolisakarida Bread improver, pengental Matriks untuk pemurnian protein Efek negatif: karang gigi. HPS membantu bakteri menempel di permukaan gigi

-glucans dari LAB Dextran -(16) Mutan -(13) Leuconostoc mesenteroides B-512F Streptococcus mutans Alternan -(13)/-(16) Reuteran -(14)/-(16) Leuconostoc mesenteroides B-1355 Lactobacillus reuteri 121

Fruktan dari LAB Levan - Residu fruktosa yang terikat melalui ikatan b, 2-6 dan cabang yang terikat melalui b, 2-1 - Ujung residu glukosa - Dihasilkan oleh Bacillus subtilus Inulin -Residu fruktosa yang terikat melalui ikatan b, 2-1 dan carang yang terikat melalui ikatan b, 2-6 - Ujung residu glukosa - Dihasilkan oleh Streptococcus sp.danLactobacillus reuteri 121

Sintesis HoPS Oleh satu enzim: - sucrase yang merubah sukrosa menjadi polimer - energi yang terdapat pada ikatan fruktosa-glukosa menggerakkan reaksi

Sucrase Lactobacillus reuteri 121 Levan -(26) L. reuteri 121 + 5% sucrose Reuteran -(14)/-(16) Van Geel-Schutten et al. 1999, Appl. Environ. Microbiol. 65:3008-3014

Glucansucrases 13 Streptococcus GTF enzymes 7 Leuconostoc GTF enzymes 140-200 kDa Enzim ekstraselular Struktur umum: Ujung N Daerah katalitik Ujung C dengan tingkat Variasi tinggi Signal sequence 13 Streptococcus GTF enzymes 7 Leuconostoc GTF enzymes Monchois et al. 1999, FEMS Microbiol. Rev. 23:131-151

Topologi a-amilase MacGregor et al. 1996, FEBS Lett. 378:263-266

Glucansucrases tersebar pada lactobacilli DSM 121 BIO ML1 180 33 Kg3 Kg15 86 181 182 WCFS 190 kDa * Van Geel-Schutten et al. (1998) Appl. Microbiol. Biotechnol.

Produksi glucan Pengendapan EtOH 5% sukrose + enzim GTF Endapan dan freeze-dried glucan