BioSMART Voume 3, Nomor 2 Halaman: 13-17
ISSN: 1411-321X Oktober 2001
Kajian Awal Pembuatan "Vinegar" dari Air Kelapa dan Limbah Cair Pembuatan "Nata de Coco" dengan Metode "Quick Process" Preliminary Study on Vinegar Production using Coconut water and Nata de Coco by-product using Quick Proscess Methods ARI SUSILOWATI 1, PINGKAN ADITIAWATI 2 1
Jurusan Biologi FMIPA UNS Surakarta Jurusan Biologi FMIPA ITB Bandung
2
Diterima: 19 Juli 2001. Disetujui: 31 Agustus 2001
ABSTRACT The objectives of this experiment were to study alcoholic fermentation of the coconut water, which was followed by acetification and direct acetification of the nata de coco by-product. The acetification was conducted afterwards by using quick process method with Acetobacter aceti in pure culture. The alcoholic fermentation was carried out by inoculating levels of inoculums S. cerevisiae 10%, 15%, 20% (about 108cells/ml) respectively and adding sucrose of 5% and 10% w/v respectively. In the production of nata de coco, the substrate with addition of 10% sucrose was inoculated by A. xylinum 10% (about 107 cells/ml), followed by incubation in room temperature for 12 days. Concentrations of alcohol that was achieved varied from 7.23 to 14.57 % v/v. High levels of alcohol production were acquired in 48 hours. The maximum yield was 0.183 p/s and the efficiency was 36%. The highest concentration of alcohol was14, 57 % v/v as the specific growth rate peak 0.1265 were achieved from the alcoholic fermentation with level of inoculums 15% v/v and addition of sucrose 10% in 48 hours. Vinegar containing the highest acetic acid concentration, i.e. 3.744% b/v, with yields of 0.267 p/s and 40% efficiency was obtained from the substrate with initial alcohol level of 12.56% v/v, dilution rate 5.45 ml/minute, and aeration 5.02 vvm-1, within 12 hours of asetification. The concentration of acetic acid that was obtained from the nata de coco by-product was 0.183% b/v and it could not be increased further using the quick process method. Key words: vinegar, coconut water, nata de coco by-product, quick process.
PENDAHULUAN Penggunaan dan manfaat “vinegar” sangat beragam. “Vinegar” terutama digunakan sebagai bahan penimbul citarasa dan aroma (Adams, 1985), untuk pengawetan buah dan sayuran, dan digunakan sebagai bahan pengasam makanan (“acidulan”) (Lee, 1996). “Vinegar” sebagai produk fermentasi mempunyai banyak keunggulan dibandingkan dengan asam cuka atau asam asetat sintetik karena asam asetat sintetik tidak mempunyai senyawa-senyawa asetoin, diasetil, etanol, dan beberapa macam ester asetat (Adams, 1985; Kunkee and Amerine, 1970). “Vineger” hasil fermentasi tidak mengandung zat yang berbahaya (logam berat), seperti pada salah satu proses pembuatan asam asetat secara sintetik yang
menggunakan logam berat sebagai katalis (Tjokroadikoesoemo, 1993). Produksi “vinegar” dengan memanfaatkan air kelapa dan limbah cair dari pembuatan “nata de coco” belum banyak dilakukan. Atih (1979 dalam Ramona, 1989) menyatakan bahwa volume air kelapa yang belum termanfaatkan di Indonesia, masih sangat banyak, sekitar 937.712 liter pertahun. Potensi ini dapat dimanfaatkan sebagai bahan untuk pembuatan “vinegar”. Limbah cair dari pembuatan “nata de coco” dapat dimanfaatkan untuk pembuatan “vinegar” karena mengandung asam asetat (Moat and Foster, 1995). Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji potensi air kelapa dan limbah cair pembuatan “nata de coco” untuk menghasilkan “vinegar” dengan metode “quick process”. © 2001 Jurusan Biologi FMIPA UNS Surakarta
BioSMART Vol. 3, No. 2, Oktober 2001, hal. 13-17
14
BAHAN DAN METODE Produksi alkohol Fermentasi untuk produksi alkohol dilakukan dengan metode fermentasi curah (Rainbow, 1971) menggunakan kultur murni S. cerevisiae. Fermentasi dikerjakan dalam labu Erlenmeyer 2 liter yang ditutup dengan sumbat karet dan dilengkapi dengan tabung leher angsa (Viegas et al., 1985). Perlakuan tingkat inokulum yang dicobakan secara berturutan adalah 10%, 15%, 20% (jumlah sel 108/mL) (Parton and Willlis, 1990). Inokulum diinokulasikan ke dalam medium fermentasi, yaitu air kelapa yang telah ditambah sukrosa sebanyak masing-masing 5% dan 10%, dan telah dipanaskan (70°C, 20 menit) serta didinginkan kembali. Pekerjaan dilakukan secara aseptis. Labu-labu Erlenmeyer ini selanjutnya diinkubasi pada suhu ruang. Pengambilan sampel dilakukan pada lama fermentasi ke-0, 24, 48, dan 72 jam (Maldonado et al., 1975). Sampel dianalisis untuk menentukan kadar alkohol, kadar glukosa, jumlah sel hidup, dan pH. Kadar alkohol ditentukan dengan menggunakan metode Specific Gravity Official Final Action (Horwits, 1975; Kosaric et al., 1983). Konsentrasi glukosa dianalisis dengan metode Somogyi-Nelson (Wood, 1979 dalam Cindawati, 1996). Sel yang hidup dihitung dengan menanam 0.1 mL dari cairan fermentasi yang telah diencerkan melalui seri pengenceran yang cukup ke dalam cawan petri secara cawan tuang dengan medium YEPDA.
Setelah diinkubasi selama 24 jam, hitungan cawan dilakukan dengan mengikuti Standart Plate Count (Fardiaz, 1992). Nilai pH diukur dengan digital pH meter PH 831 Sibata. Koefisien perolehan produk (“yield” p/s) dihitung dari jumlah alkohol yang dihasilkan perjumlah glukosa yang dikonsumsi (Maldonado et al., 1975, Susanto et al., 1992). Pembuatan “nata de coco” Pembuatan “nata de coco” dilakukan dalam gelas piala 1L. Substrat fermentasi berupa campuran air kelapa, sukrosa (10% b/v) yang ditambah urea (proanalis) 0,1% b/v dan asam asetat glasial 0,5% v/v dipanaskan sampai mendidih, dan didinginkan kembali kemudian ditambahkan inokulum A. xylinum 10% v/v (jumlah sel 107/mL). Diinkubasi selama 12 hari pada suhu ruang (Judoamidjojo et al., 1989; Ramona, 1989). Setelah fermentasi selesai, “nata de coco” sebagai produk utama diambil dan cairan sisa dikumpulkan. Kadar asam dari cairan sisa pembentukan “nata de coco” ini, kemudian dianalisis dengan mentitrasi 10 mL sampel menggunakan NaOH 0.1N, dan sebagai indikator titik akhir titrasi adalah 5 tetes fenolftalein (Cindawati, 1996; Post, 1988). Kadar asam (sebagai asam asetat) dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut: % asam asetat = Volume (NaOH) x N NaOH x 6.0 sampel (mL)
Tabel 1. Alkohol hasil fermentasi kultur curah dengan penambahan sukrosa 10%. Jumlah inokulum 10% 15% 20%
Waktu produksi maks (jam) 48 48 48
“Yield” p/s maks 0,077 0,137 0,183
min 0,056 0,056 0,088
Laju pertumbuhan per 24 jam (µ) maks min 0,0706 0,0233 0,1265 0,0270 0,0484 -0,0275
Alkohol % v/v 11,13 14,57 12,15
Tabel 2. Alkohol hasil fermentasi kultur curah dengan penambahan sukrosa 5%. Jumlah inokulum 10% 15% 20%
Waktu produksi maks (jam) 48 48 48
“Yield” p/s maks 0,165 0,063 0,091
min 0,146 0,008 0,052
Laju pertumbuhan per 24 jam (µ) maks min 0,1236 0,0324 0,1433 0,026 0,1058 0,0369
Alkohol % v/v 8,4 9,41 7,23
SUSILOWATI dan ADITIAWATI - Pembuatan "Vinegar"
Pembuatan “vinegar” (asam asetat) Proses cepat menghasilkan laju asetifikasi yang lebih cepat dibandingkan dengan teknik kultur permukaan, dengan cara meningkatkan luas area lapisan bakteri untuk asetifikasi dan kelarutan oksigen dalam cairan substrat fermentasinya (Adams, 1985). Acetobacter aceti diinokulasikan pada permukaan serutan kayu albazia yang ada di dalam perkolator sehingga terbentuk lapisan bakteri (biofilm) (Rijnaarts, 1994; Webb, 1989). Substrat fermentasi (hasil dari fermentasi alkohol atau berupa cairan sisa pembuatan “nata de coco”) dialirkan secara perlahan melewati lapisan bakteri tersebut dan substrat ini mengalami proses asetifikasi. Substrat dialirkan dengan kecepatan alir 5,64 mL/menit. Bersamaan dengan aliran substrat, aliran udara dari aerator diberikan dari arah bawah 100
perkolator melalui penyaring sehingga udara yang dialirkan merupakan udara yang steril. Laju aerasi sebesar 3,47 vvm-1 dan 5,02 vvm-1 diatur dengan rotameter. “Yield” p/s dihitung berdasarkan jumlah asam asetat yang terbentuk per-jumlah alkohol yang dikonsumsi (Maldonado et al., 1975). HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Fermentasi Alkoholik Fermentasi alkoholik dengan penambahan sukrosa 5 dan 10% dan pemberian inokulum 10%, 15%, 20% menghasilkan alkohol yang cukup tinggi. Konsentrasi alkohol yang dicapai berkisar antara 7,23-14,57% v/v, dengan lama fermentasi 72 jam (Tabel 1 dan 2). 100
A
80
80
glukosa g/L
glukosa g/L
A
60 40 20
60 40 20
0
0 0
24
48
72
15
15
B
12
alkohol %v/v
alkohol %v/v
B
9 6 3 24
0.15 0.1
48
72
Waktu (jam ) ino 10%
ino 15%
ino 20%
0.05 0 -0.05 0
24
48
72
Waktu (jam) ino 10%
ino 15%
ino 20%
Gambar 1. Produksi alkohol dari air kelapa dengan penambahan sukrosa 10% A) konsentrasi glukosa yang ada di dalam medium. B) konsentrasi alkohol yang terbentuk. C) Laju pertumbuhan S. cerevisiae.
C
laju pertumbuhan spesifik
0
laju pertumbuhan spesifik
0
24
48
72
Waktu (jam )
12
ino 10%
9
ino 15%
ino 20%
6 3 0
0
C
15
0.15 0.1
0
24
48
72
Waktu (jam ) ino 10%
ino 15%
ino 20%
0.05 0 0
24
48
72
Waktu (jam ) ino 10%
ino 15%
ino 20%
Gambar 2. Produksi alkohol dari air kelapa dengan penambahan sukrosa 5%. A) konsentrasi glukosa yang ada di dalam medium. B) konsentrasi alkohol yang terbentuk. C) Laju pertumbuhan S. cerevisiae ino = jumlah inokulum.
BioSMART Vol. 3, No. 2, Oktober 2001, hal. 13-17
16
Produksi alkohol yang tinggi dicapai pada awal fermentasi, pada saat konsentrasi glukosa masih tinggi (24-48 jam) dan pada laju pertumbuhan sel S. cerevisiae yang tinggi (Gambar 1, 2), karena diketahui bahwa alkohol merupakan produk yang dihasilkan seiring dengan pertumbuhan sel (Susanto et al., 1992). Tingginya laju pertumbuhan sel di awal proses dipengaruhi oleh ketersediaan oksigen yang cukup (Rainbow, 1971; Sols et al., 1992). Keter-sediaan oksigen pada tahap awal proses fermentasi menstimulasi pertumbuhan sel S. cerevisiae. Setelah 48 jam, terjadi penurunan laju produksi alkohol seiring dengan makin sedikitnya glukosa yang tersisa dalam medium (Gambar 1, 2). Kekurangan nutrisi berperan terhadap terhentinya proses fermentasi (Viegas et al., 1985). Fermentasi alkoholik dihentikan setelah 72 jam, setelah waktu tersebut proses tidak efisien lagi karena laju pembentukan alkoholnya sangat menurun. Laju produksi alkohol mencapai nilai maksimum di awal proses dan menurun setelah 48 jam setelah tidak ada nutrisi dan terjadinya akumulasi alkohol (Osman and Ingram, 1987). Akumulasi alkohol menyebabkan kondisi medium menjadi toksik bagi sel S. cerevisiae dan ketahanan sel S. cerevisiae terhadap konsentrasi alkohol merupakan faktor pembatas dari tingginya laju fermentasi dan konsentrasi akhir alkohol yang dapat dicapai (Maiorella, 1985). “Yield” yang dinyatakan sebagai produk yang dihasilkan per-substrat yang digunakan dalam fermentasi alkohol dapat diikuti dalam Tabel 1 dan 2. “Yield” p/s terbesar 0,183, jika dibandingkan dengan nilai teoritis sebesar 0,51 proses ini mempunyai efisiensi yang cukup tinggi
yaitu 36%. Berdasar konsentrasi alkohol yang dihasilkan (6,63-13,62 % b/v) selama fermentasi 48 jam, terbukti bahwa air kelapa dapat digunakan sebagai substrat fermentasi untuk menghasilkan alkohol dengan menambahkan sukrosa 5% dan 10%. Fermentasi yang terbaik berdasarkan konsentrasi alkohol akhir, “yield” p/s, dan nilai efisiensi adalah fermentasi dengan jumlah inokulum 15%, penambahan sukrosa 10%. Produksi “vinegar” dari alkohol Asam asetat yang terbentuk dari substrat dengan konsentrasi alkohol awal 12,56% v/v dengan aerasi 5,02 vvm-1 adalah 3,744% b/v selama 12 jam. Proses asetifikasi terjadi dengan laju asetifikasi antara 0,0096-0,2888/jam. “Yield” p/s yang diperoleh antara 0,1987-0,335 (Tabel 3). Efisiensi yang dicapai adalah 39,9 %. Dari hasil yang diperoleh tersebut, proses asetifikasi ini dapat dikatakan baik, karena menghasilkan perolehan kadar asam asetat yang tinggi dalam waktu yang singkat. Substrat dengan konsentrasi alkohol awal 7,7% v/v dengan aerasi 3,47 vvm-1 menghasilkan 3,125% b/v asam asetat selama 24 jam. Laju asetifikasi 0,107-0,173 dengan efisiensi 50,0 % (Tabel 4). Perbedaan “yield” p/s pada Tabel 3 dibandingkan dengan Tabel 4 berhubungan dengan adanya evaporasi dan “over-oksidasi” yang terjadi karena laju aerasi yang tinggi (5,02 vvm-1). Evaporasi menyebabkan berkurangnya kadar alkohol di dalam medium (Maldonado et al., 1975). Berkurangnya kadar alkohol dapat mengurangi hasil asam asetat yang akan terbentuk.
Tabel 3. Hasil asetifikasi dengan kadar alkohol awal 12,56% v/v, aerasi 5,02 vvm-1, laju alir 5,46 mL/menit Waktu (jam) 0 6 12 18 24
Alkohol % v/v 12,56 3,73 0 0 0
Asam %b/v 0,284 1,536 3,744 2,496 2,904
Laju asetifikasi/jam 0 0,2086 0,2888 0,1228 0,0096
“Yield” p/s 0 0,142 0,275 0,176 0,209
Tabel 4. Hasil asetifikasi dengan kadar alkohol awal 7,71% v/v, aerasi 3,47 vvm-1, laju alir 5,46 mL/menit Waktu (jam) 0 6 12 18 24
Alkohol % v/v 7,71 3,93 1,73 0,60 0
Asam %b/v 0,546 1,584 2,022 2,652 3,125
Laju asetifikasi/jam 0 0,173 0,123 0,117 0,107
“Yield” p/s 0 0,275 0,247 0,296 0,335
SUSILOWATI dan ADITIAWATI - Pembuatan "Vinegar"
Produksi “vinegar” dari cairan sisa pembuatan “nata de coco”. Volume cairan sisa yang diperoleh dari pembuatan “nata de coco” adalah 600 mL dengan kadar asam asetat 0,183% b/v dan glukosa 16,73 g/L. Pembuatan “vinegar” dari cairan sisa pembuatan “nata de coco”, dengan cara meningkatkan kadar asam asetatnya dengan metode “quick process” tidak dapat dicapai. Hasil asam asetat yang sangat rendah dari asetifikasi menggunakan cairan sisa pembuatan “nata de coco” menunjukkan bahwa Acetobacter aceti lebih mudah menggunakan alkohol sebagai substrat untuk menghasilkan asam asetat dibandingakan dengan substrat yang berbentuk glukosa. Asetilfosfat, hasil pemecahan dari pentosa, dioksidasi menjadi CO2 (dalam laju aerasi yang tinggi) dan menghasilkan energi yang diperoleh melalui fosforilasioksidatif, karena A. aceti mempunyai siklus Asam Trikarboksilat yang fungsional (Moat and Foster, 1995). Menurut Ebner and Follman (1983), bakteri asam asetat membutuhkan glukosa untuk pertumbuhan sel. DAFTAR PUSTAKA Adams, M.R., 1985. Vinegar. In Wood, B.J.B. (editor). Microbiology of Fermented Food, Volume 1. New York: Elsevier Applied Science Publishers Ltd. Cindawati. 1996. Penentuan Kondisi Terbaik Produksi Glukosa Cair oleh Aspergillus niger van Tiegh pada Substrat Serbuk Bonggol Pisang. Skripsi. Bandung: Institut Teknologi Bandung. Ebner, H. and H. Follman. 1983. Biotechnology. Vol 3. Acetic Acid. Florida: Verlagchemie. Fardiaz, S. 1992. Mikrobiologi Pangan 1. Jakarta: PAU Pangan dan Gizi IPB-PT Gramedia Pustaka Utama. Horwits, W. 1975. Official Methods of Analysis of The Association of Official Analytical Chemist. Second edition. Washington: Benjamin Franklin. Judoamidjojo, R.M., E.G. Said dan L. Hartoto. 1989. Biokonversi. Bogor: PAU Bioteknologi Institut Pertanian Bogor. Kosaric, N. A. Wieczorek. G.P. Cosentino. R.J. Magee. and J.E. Prenosil. 1983. Biotechnology. Vol 3. Ethanol Fermentation. Florida: Verlagchemie. Kunkee, R.E. and M.A. Amerine. 1970. Yeast technology: yeasts in wine-making. In Rose. A.H and J.S. Harrison (editors). The Yeasts. London: Academic Press.
17
Lee, B.H. 1996. Fundamentals of Food Biotechnology. New York: VCH Publishers Inc. Maiorella, B.L. 1985. In Blanch, H.W., S. Drew and D.I.C. Wang (editors). Comprehensive Biotechnology. Vol. 3. The Practice of Biotechnology Current Commodity Products. Ethanol. Maldonado, C., C. Rolz. and S.S. de Cabrera. 1975. Wine and vinegar production from tropical fruits. J. Food Sci. 40: 262-265. Moat, A.G. and J.W. Foster. 1995. Microbial Physiology. Third edition. New York: Wiley-Liss Inc. Osman, Y.A. and L.O. Ingram. 1987. Zymomonas mobilis mutants with an increased rate of alcohol production. App. Environ. Microb. 53 (7): 14251432. Parton, C. and P. Willis. 1990. In Mc Neil, B. and L.M. Harvey (editors). Fermentation A Practical Approach. Strain Preservation. Inoculum Preparation and Inoculum Development. Oxford: IRL Press. Post, F.J. 1988. A Laboratory Manual for Food Microbiology and Biotechnology. New York: Star Publishing Company. Rainbow, C. 1971. Brewer’s yeast. In Rose. A.H and J.S. Harrison (editors). The Yeasts. Volume 3. London: Academic Press. Ramona,Y. 1989. Pengaruh Penambahan Gula dan Nitrogen Organik terhadap Aktivitas Bakteri Acetobacter xylinum dalam Pembuatan Nata de Coco. Skripsi. Bandung: Institut Teknologi Bandung. Rijnaarts, H. 1994. Interaction between Bacteria and Solid Surfaces In Relation to Bacterial Transport in Porous Media. Thesis. Den Haag: Cip-Data Koninklijke Bibliotheek. Sols, A. C. Gancedo. and G. Delafuente. 1992. Physiology and biochemistry of yeasts. energy yielding metabolism in yeast. In Rose. A.H and J.S. Harrison (editors). The Yeasts. Volume 2. London: Academic Press. Susanto, H., T.P. Adhi dan W. Suryo. 1992. Buku dan Monograf Rekayasa Bioproses. Bandung: Pusat Antar Universitas Bioteknologi, Institut Teknologi Bandung. Tjokroadikoesoemo, P.S. 1993. HFS (High Fructose Syrup) dan Industri Ubi Kayu Lainnya. Jakarta: PT Gramedia Pustaka Utama. Viegas, C.A., I. Sa-Correia and J.M. Novais. 1985. Nutrient-enhanced production of remarkably high concentrations of ethanol by Saccharomyces bayanus through soy flour supplementation. App. Environ. Microb. 50 (5): 1333-1335. Webb, C. 1989. The role of cell immobilization in fermentation technology. Australian Journal of Biotechnology 3 (1): 50-54.
