4

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. TONGKOL JAGUNG

Menurut Koswara (1992), tongkol jagung merupakan tempat pembentukan

lembaga dan gudang penyimpanan makanan untuk pertumbuhan biji serta

merupakan modifikasi dari cabang yang mulai berkembang pada ruas-ruas batang.

Tongkol utama umumnya terdapat pada ruas batang keenam sampai kedelapan dari

atas dan pada ruas-ruas di bawah biasanya terdapat lima sampai tujuh tongkol yang

tidak berkembang secara sempurna. Jagung mengandung kurang lebih 30% tongkol

jagung dan sisanya adalah biji dan kulit. Gambar dan proporsi jagung manis utuh

dapat dilihat pada Gambar 1 dan Tabel 1.

Gambar 1. Jagung manis utuh (Sharma, 2010)

Tabel 1. Proporsi jagung manis utuh

Jagung manis Parameter Bobot (gram) Persentase (%)

Jagung utuh Tongkol Biji (kernel) Kelobot Tangkai Rambut

229 85 72 59 8 6

100 37,12 31,44 25,76 3,49 2,62

Sumber : Dalem (1990)

Menurut Maynard dan Loosli (1993), tongkol jagung terdiri dari serat kasar

sebesar 35,5%, protein 2,5%, kalsium 0,12%, fosfor 0,04% dan zat-zat lain sisanya

Rambut

Kelobot Tongkol

Biji

Tangkai

5

38,16%. Menurut Iswanto (2009), serat kasar tongkol jagung mempunyai kandungan

lignin sebesar 15%, kadar selulosa 45% dan kadar hemiselulosa 35%. Komposisi

kimia tersebut membuat tongkol jagung dapat digunakan sebagai sumber energi,

bahan pakan ternak dan sebagai sumber karbon bagi pertumbuhan mikroba.

B. LIGNOSELULOSA

1. Selulosa

Menurut Sjostrom (1995), selulosa hampir tidak pernah ditemui dalam

keadaan murni di alam, melainkan selalu berikatan dengan bahan lain yaitu lignin

dan hemiselulosa. Serat selulosa alami terdapat di dalam dinding sel tanaman dan

material vegetatif lainnya. Selulosa mengandung komponen C sebesar 44.4%,

komponen H sebesar 6.2%, dan komponen O sebesar 49.3%. Rumus empiris

selulosa adalah (C6H10O5)n, dengan banyaknya satuan glukosa yang disebut

dengan derajat polimerisasi (DP), yang jumlahnya mencapai 1.200-10.000 dan

panjang molekul sekurang-sekurangnya 5.000 nm. Struktur molekul selulosa

dapat dilihat pada Gambar 2. Bobot molekul selulosa rata-rata sekitar 400.000.

Mikrofibril selulosa terdiri atas bagian amorf (15%) dan bagian berkristal (85%).

Struktur berkristal dan adanya lignin serta hemiselulosa di sekeliling selulosa

merupakan hambatan utama untuk menghidrolisis selulosa.

Gambar 2. Struktur molekul selulosa (Cole dan Fort, 2007)

Berdasarkan pemisahan menggunakan alkali (NaOH), selulosa dibagi

menjadi tiga jenis yaitu α-selulosa, β-selulosa dan γ-selulosa. α- selulosa dalam

keadaan basa ada dalam keadaan tidak larut, β-selulosa ada dalam bagian terlarut

melalui katalis oleh asam, dan γ-selulosa adalah bagian yang dapat larut tanpa

perlu katalis (Fengel dan Wegener, 1995).

6

Degradasi selulosa merupakan proses pemecahan polimer anhidroglukosa

menjadi molekul-molekul yang lebih sederhana. Proses tersebut akan

menghasilkan oligosakarida, disakarida atau trisakarida seperti selobiosa, glukosa

monomer atau produk degradasinya. Produk utama degradasi selulosa adalah

glukosa dan selobiosa (Judoamidjojo et al., 1989). Hasil degradasi tersebut

selanjutnya dimanfaatkan sebagai bahan pembuat produk yang lebih bernilai

ekonomis seperti asam amino dan asam karboksilat.

2. Hemiselulosa

Hemiselulosa adalah jenis polisakarida selulosik yang berfungsi sebagai

bahan/matrik dalam serat kayu, memiliki bobot molekul lebih kecil daripada

selulosa, molekulnya lebih mudah menyerap air, bersifat plastis dan mempunyai

permukaan kontrol antar molekul yang lebih luas dibandingkan selulosa sehingga

dapat memperbaiki ikatan antar serat pada pembuatan kertas. Unit gula (gula

anhidro) yang membentuk hemiselulosa dapat dibagi menjadi kelompok seperti

pentosa, heksosa, asam heksuronat dan deoksi-heksosa. Rantai utama

hemiselulosa dapat terdiri atas satu unit (homopolimer), misalnya xilan atau

terdiri atas dua unit atau lebih (heteropolimer), misalnya glukomanan (Fengel

dan Wegener, 1995).

Sjostrom (1995) menyatakan bahwa hemiselulosa relatif lebih mudah

dihidrolisis oleh asam menjadi komponen monomernya yang terdiri dari D-

glukosa, D-manosa, D-galaktosa, D-xilosa dan L-arabinosa dan sejumlah kecil L-

ramnosa disamping asam D-glukoronat, asam 4-O-metil-glukoronat dan asam D-

galakturonat. Menurut Fengel dan Wegener (1995) monomer-monomer tersebut,

misalnya xilosa dan manosa selanjutnya dapat dimanfaatkan sebagai bahan

pembuatan xilitol dan manitol melalui hidrogenasi secara katalitik. Xilosa dengan

perlakuan asam dapat menghasilkan furfural yang selanjutnya dapat

dipergunakan sebagai bahan baku pembuatan furfuril alkohol. Struktur

hemiselulosa dapat dilihat pada Gambar 3.

7

Gambar 3. Struktur hemiselulosa (Cole dan Fort, 2007)

3. Lignin

Secara morfologi lignin merupakan senyawa amorf yang terdapat dalam

lamela tengah majemuk maupun dalam dinding sekunder. Selama perkembangan

sel, lignin dimasukkan sebagai komponen terakhir di dalam dinding sel,

menembus di antara fibril-fibril sehingga memperkuat dinding sel (Fengel dan

Wegener, 1995). Lignin terbentuk melalui polimerasi tiga dimensi turunan dari

sinamil alkohol terutama ρ-kumaril, koniferil dan sinapil alkohol dengan bobot

molekul mencapai 11.000. Lignin yang melindungi selulosa bersifat tahan

terhadap hidrolisis karena adanya ikatan arilalkil dan ikatan eter (Perez et al.,

2002).

Lignin dapat dibagi menjadi beberapa kelas menurut unsur-unsur

strukturnya. Lignin yang terdapat di hampir semua kayu lunak disebut dengan

lignin guaiasil di mana sebagian besar merupakan produk polimerisasi dari

koniferil alkohol. Adapun lignin khas kayu keras adalah lignin guaiasil-siringil

yang merupakan kopolimer dari koniferil dan sinapil alkohol, dengan nisbah

bervariasi dari 4:1 hingga 1:2 untuk kedua unit monomer (Sjostrom, 1995).

Satuan penyusun lignin dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Satuan penyusun lignin (Eaton dan Hale, 1993)

8

Lignin bersifat tahan terhadap degradasi oleh sebagian besar mikroba.

Lignin sulit didegradasi karena strukturnya yang kompleks dan heterogen yang

berikatan dengan selulosa dan hemiselulosa dalam jaringan tanaman. Lebih dari

30 persen tanaman tersusun atas lignin yang memberikan bentuk yang kokoh dan

memberikan proteksi terhadap serangga dan patogen (Orth et al., 1993). Meski

demikian, fungi tertentu mampu menguraikan lignin secara selektif.

4. Zat Ekstraktif

Beraneka ragam komponen bahan berlignoselulosa, ada beberapa

komponen yang biasanya merupakan bagian kecil, larut dalam pelarut organik

netral atau air, komponen tersebut disebut sebagai zat ekstraktif. Menurut

Sjostrom (1995), zat ekstraktif sebagian terdiri atas senyawa-senyawa tunggal

tipe lipofil maupun hidrofil. Biasanya, bagian-bagian yang berbeda dari pohon,

yaitu batang, cabang, akar, kulit kayu, dan tugi, berbeda dalam jumlah maupun

komposisi ekstraktifnya. Tipe-tipe ekstraktif yang berbeda adalah perlu untuk

mempertahankan fungsi biologis pohon yang bermacam-macam. Sebagai contoh,

lemak merupakan sumber energi sel kayu, sedangkan terpenoid-terpenoid rendah,

asam-asam resin dan senyawa-senyawa fenol melindungi kayu terhadap

kerusakan secara mikrobiologi atau serangan serangga.

Isolasi ekstraktif dapat dilakukan dengan cara ekstraksi dengan

menggunakan campuran pelarut netral dan/atau dengan pelarut tunggal secara

berurutan. Ekstraksi dengan pelarut dapat dilakukan dengan pelarut seperti eter,

aseton, benzena, etanol, diklorometana atau campuran dari pelarut-pelarut

tersebut (Fengel dan Wegener, 1995).

C. BIODELIGNIFIKASI

Menurut Singh dan Roymoulik (1993), biodelignifikasi merupakan bagian

dari biopulping, yaitu perombakan lignin atau senyawa-senyawa sejenisnya untuk

membebaskan serat-serat dari ikatannya dengan menggunakan mikroba seperti fungi,

bakteri atau enzim. Biodelignifikasi terjadi karena enzim-enzim ekstraseluler yang

diproduksi oleh mikroba perombak lignin pada kayu.

9

Degradasi yang paling efisien harus dapat membebaskan struktur kristal

selulosa dengan memperluas daerah amorf serta membebaskan dari lapisan lignin.

Ilustrasi degradasi komponen lignin dari bahan berlignoselulosa dapat dilihat pada

Gambar 5.

Gambar 5. Ilustrasi degradasi komponen lignin (Mosier et al., 2005)

Secara biokimiawi, proses perombakan lignin diawali dengan pertumbuhan

fungi yang kemudian memasuki fase stasioner. Fungi secara aktif mengambil dan

memanfaatkan karbohidrat selama masa pertumbuhannya untuk mempertahankan

metabolisme primernya (fase logaritmik). Metabolisme fungi akan mengalami

penurunan jika ketersediaan nitrogen dalam substrat menjadi terbatas, miselia

memasuki fase metabolisme sekunder (fase stasioner) dan sistem degradasi lignin

dimulai (Eaton dan Hale, 1993). Pertumbuhan mikroba di dalam suatu kultur

mempunyai kurva pertumbuhan seperti terlihat pada Gambar 6.

Fase Fase Fase Fase

Adaptasi Logaritmik Stasioner Kematian

Waktu

Gambar 6. Kurva pertumbuhan kultur mikroba (Fardiaz, 1992)

Log 1

0 dar

i Jum

lah

Sel h

idup

10

Menurut Subhash dan Gopichand (1990), proses pelapukan kayu oleh fungi

terjadi karena hifa melakukan penetrasi ke dalam jaringan kayu, kemudian enzim

yang dihasilkan bereaksi secara kimiawi dalam penyusutan kayu. Penetrasi ini terjadi

melalui dua cara, yaitu fungi tumbuh dan menyebar di dinding sel dengan cara

memanfaatkan pori-pori pada dinding sel kayu, selanjutnya enzim yang dikeluarkan

oleh fungi tersebut membantu reaksi kimia di dinding sel.

Enzim pendegradasi lignin ini secara umum terdiri dari dua kelompok utama

yaitu laccase (Lac) dan peroksidase yang terdiri dari lignin peroksidase (LiP) dan

manganese peroksidase (MnP). Ketiga enzim ini bertanggung jawab terhadap

pemecahan awal polimer lignin dan menghasilkan produk dengan bobot molekul

rendah pada fungi pelapuk putih. Tidak semua fungi pelapuk putih menghasilkan

ketiga jenis enzim sekaligus (Perez et al., 2002).

D. FUNGI PELAPUK PUTIH

Fungi yang menyebabkan kerusakan atau pelapukan kayu terdiri dari tiga

macam yaitu: soft rot fungi, brown rot fungi dan white rot fungi. Soft rot fungi

termasuk golongan Ascomyycetes atau fungi-imperfecti, yang memiliki kemampuan

enzimatik pelapukan kayu hanya terbatas pada selulosa dan pentosan. Soft rot fungi

terutama hanya terdapat pada daerah dengan lingkungan yang ekstrim seperti

lingkungan yang terlalu basah atau terlalu kering (Blanchette et al., 1991).

Sedangkan brown root fungi dari golongan Basidiomycetes yang memiliki

kemampuan enzimatis melapukkan kayu dengan cara menyerang holoselulosa (Eaton

dan Hale, 1993).

White rot fungi atau fungi pelapuk putih (FPP) juga termasuk golongan

Basidiomycetes tetapi berkemampuan mendegradasi lignin dan polisakarida (selulosa

dan hemiselulosa) (Eaton dan Hale, 1993). Menurut Gandjar et al. (2006),

karakteristik golongan Basidiomycetes adalah balistokonidia, hifa dikariotik, adanya

clamp conections, teliospora, dan basidium (holobasidium atau phragmobasidium).

Basidium merupakan karpus seksual pada Basidiomycetes. Tipe karpus seksual pada

Basidiomycetes dapat dilihat pada Gambar 7.

11

Gambar 7. Tipe karpus seksual pada Basidiomycetes (Gandjar et al., 2006)

Beberapa fungi pelapuk putih memiliki kemampuan mengurai lignin secara

selektif dan hanya mengurai selulosa dan hemiselulosa dalam jumlah yang sedikit.

Fungi ini dapat mendegradasi lignin secara lebih cepat dan ekstensif dibanding

mikroba lain. Substrat bagi pertumbuhan mikroba ini adalah selulosa dan

hemiselulosa. Degradasi lignin terjadi pada akhir pertumbuhan primer melalui

metabolisme sekunder dalam kondisi defisiensi nutrien seperti nitrogen, karbon atau

sulfur (Hatakka, 2001). Enzim ligninolitik yang dihasilkan oleh white rot fungi dapat

dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Enzim ligninolitik yang dihasilkan white rot fungi

Enzim Tipe Enzim Peran dalam Degradasi Bekerja sama dengan

LiP Peroksidase Degradasi unit non-fenolik

H2O2

MnP Peroksidase Degradasi unit fenolik dan nonfenolik dengan lipid

H2O2 dan Lipid

Laccase Lignin Oksidase

Oksidasi unit fenolik dan unit nonfenolik dengan mediator

O2 dan mediator : 3- Hidroksibenzotriazol

Lain-lain Oksidase Penghasil H2O2

Produksi H2O2 Peroksidase

Sumber: Hatakka (2001)

Menurut Hatakka (2001), LiP mengoksidasi unit non fenolik lignin melalui

pelepasan satu elektron dan membentuk radikal kation yang kemudian terurai secara

kimiawi. LiP dapat memutus ikatan Cα-Cβ molekul lignin dan mampu membuka

cincin lignin dan reaksi lain (Gambar 8). Dalam melakukan fungsinya, baik enzim

LiP maupun MnP diaktivasi oleh H2O2.

Holobasidium (tidak berseptum)

Phragmobasidium (berseptum lebih dari satu)

12

Gambar 8. Pemotongan ikatan Cα-Cβ molekul lignin dan pembentukan senyawa antara (Srebotnik et al., 1994)

MnP mengoksidasi Mn2+ menjadi Mn3+. Sifat reaktif Mn3+ yang tinggi

selanjutnya mengoksidasi cincin fenolik lignin menjadi radikal bebas tak stabil dan

diikuti dengan dekomposisi lignin secara spontan (Hatakka, 2001). Skema

pembentukan CO2 dari struktur aromatik lignin oleh MnP dapat dilihat pada Gambar

9.

Gambar 9. Skema pembentukan karbondioksida dari struktur aromatik lignin oleh

MnP (Hofrichter, 2002)

Laccase merupakan fenol oksidase yang mengandung tembaga yang tidak

membutuhkan H2O2 tetapi menggunakan molekul oksigen. Enzim ini juga ditemukan

pada fungi, khamir dan bakteri (Thurston, 1994). Laccase mereduksi O2 menjadi

: Pemutusan ikatan Cα-Cβ molekul lignin

Pembentukan veratil dehid Pembentukan veratil alkohol

13

H2O dalam substrat fenolik melalui reaksi satu elektron membentuk radikal bebas

yang dapat disamakan dengan radikal kation yang terbentuk pada reaksi MnP.

White rot fungi menghasilkan berbagai jenis enzim yang terlibat dalam proses

degradasi lignin (Tabel 2), juga menghasilkan selulase, xilanase dan hemiselulase

(Hatakka, 2001). Berikut ini merupakan ketiga jenis fungi yang termasuk dalam

golongan white rot fungi:

1. Phanerochaete chrysosporium

Beberapa fungi, diantaranya P. chrysosporium dapat mendegradasi lignin

dan berbagai polutan aromatik selama fase pertumbuhan stasioner yang dipicu

oleh kekeurangan nutrisi dalam substrat. Fungi ini menghasilkan dua

peroksidase, yaitu Lignin Peroksidase (LiP) dan Manganesse Peroksidase (MnP)

yang mempunyai peranan penting dalam proses perombakan lignin (Srebotnik et

al., 1994). Skema sistem degradasi lignin oleh P. chrysosporium dapat dilihat

pada Gambar 10.

Gambar 10. Skema sistem degradasi lignin oleh Phanerochaete chrysosporium

(Akhtar et al., 1997)

LiP merupakan katalis utama dalam proses ligninolisis oleh fungi karena

mampu memecah unit non fenolik yang menyusun sekitar 90 persen struktur

lignin (Srebotnik et al., 1994). LiP dan MnP mempunyai mekanisme yang

14

berbeda dalam proses ligninolisis (Gambar 10). MnP mengoksidasi Mn2+

menjadi Mn3+ yang berperan dalam pemutusan unit fenolik lignin. LiP

mengkatalis oksidasi senyawa aromatik non fenolik (Broda et al., 1996).

Selain mendegradasi komponen lignin, fungi P. chrysosporium juga

menyebabkan terjadinya degradasi selulosa. Skema hidrolisis selulosa menjadi

glukosa oleh P. chrysosporium dapat dilihat pada Gambar 11.

Gambar 11. Skema hidrolisis selulosa menjadi glukosa oleh P. chrysosporium (Lynd et al., 2002)

Menurut Lynd et al. (2002) degradasi selulosa oleh fungi merupakan hasil

kerja sekelompok enzim selulolitik yang bekerja secara sinergis. Sistem enzim

selulolitik terdiri dari tiga kelompok utama yaitu endoglucanases, exoglucanases

dan β-glucosidases. Endoglucanases menghidrolisis secara acak bagian amorf

selulosa menghasilkan oligosakarida dengan panjang yang berbeda dan

terbentuknya ujung rantai baru. Exoglucanases bekerja terhadap ujung pereduksi

(CHBI) dan non-pereduksi (CHBII) rantai polisakarida selulosa dan

membebaskan glukosa. Hidrolisis bagian berkristal selulosa hanya dilakukan

secara efisien oleh enzim exoglucanases. Hasil kerja sinergis endoglucanases dan

15

exoglucanases menghasilkan selobiosa. β-glucosidases memecah selobiosa

menjadi 2 molekul glukosa.

Menurut Howard et al. (2003), P. chrysosporium mempunyai suhu

pertumbuhan optimum 40 oC, pH 4-7, dan bersifat aerob. Dibandingkan dengan

lainnya, fungi pelapuk putih merupakan jenis yang paling aktif mendegradasi

lignin dan menyebabkan warna kayu lebih muda. Fungi pelapuk putih

memerlukan sumber karbon sebagai energi tambahan atau nutrisinya agar

kandungan polisakarida dalam kayu tidak didegradasi. Struktur mikroskopis

miselia P. chrysosporium dapat dilihat pada Gambar 12.

Gambar 12. Struktur mikroskopis miselia P. chrysosporium (Michel, 1999)

Klasifikasi fungi P. chrysosporium menurut Howard et al. (2003) adalah

sebagai berikut:

Kingdom : Fungi

Divisi : Eumycota

SubDivisi : Basidiomycotania

Class : Hymonomycetes

Sub Class : Holobasidiomycetidae

Genus : Sporotrichum (Phanerochaete)

Spesies : chrysosporium

2. Pleurotus spp.

Hutan tropis Indonesia kaya akan jenis fungi (Mushroom). Keragaman

ini merupakan faktor pendorong perlunya dilakukan usaha pengidentifikasian

dari fungi-fungi yang ada, salah satunya Pleurotus spp.. Pleurotus spp.

berpotensi sebagai bahan makanan dan bahan obat. Pleurotus spp. merupakan

16

dekomposer bahan organik utama dan diketahui mempunyai daya delignifikasi

yang selektif dibanding Pleurotus chrysosporium (Kerem et al., 1992).

Terdapat lebih kurang 67 spesies kelompok Pleurotus yang berhasil

dikumpulkan dan dilaporkan oleh para peneliti seluruh dunia, sejak Roussel pada

tahun 1805 pertama kali memberi nama Pleurotus. Sampai saat ini penelitian

mengenai fungi pleurotoid kelompok Pleurotus asal Indonesia masih sangat

terbatas meskipun fungi ini sudah dikenal dan dikumpulkan serta dimanfaatkan

masyarakat untuk berbagai keperluan (Herliyana, 2008). Struktur mikroskopis

miselia Pleurotus spp. dapat dilihat pada Gambar 13.

Gambar 13. Struktur mikroskopis Pleurotus spp. (Michel, 1999)

Klasifikasi dari Pleurotus spp. menurut Alexopoulos et al. (1996) adalah

sebagai berikut:

Kingdom : Fungi

Divisi : Eumycota

Subdivisi : Basidiomycotina

Class : Hymenomycetes

Subclass : Holobasidiomycetidae

Genus : Pleurotus

Spesies : Pleurotus spp.

Eaton dan Hale (1993) menyatakan bahwa suhu optimum untuk

pertumbuhan Pleurotus spp. yaitu 27oC. Sedangkan Chang dan Miles (1989)

menyatakan bahwa kisaran pH optimal untuk pertumbuhan miselia Pleurotus

spp. adalah 5.5 – 6.5.

17

Sannia et al. (1991) menemukan bahwa pada fungi pelapuk putih

Pleurotus terdapat aktivitas enzim laccase. Chang dan Quimio (1982)

menyatakan bahwa selain menghasilkan enzim pendegradasi lignin, fungi

kelompok Pleurotus juga menghasilkan enzim lain, diantaranya selulase,

protease, hemiselulase, dan aminopeptidase.

3. Schizophyllum commune

S. commune merupakan jenis fungi yang keberadaannya tersebar luas di

seluruh benua (kecuali antartika) dan menggunakan kayu sebagai substrat untuk

pertumbuhannya. Jenis fungi ini merupakan jenis yang dapat dimakan dan

tergolong ke dalam keluarga Schizophyllaceae.

S. commune tumbuh pada media PDA yang telah ditambah 50 g/L NaCl

pada suhu optimumnya yaitu 30-35oC, tetapi miselia akan dorman pada suhu

45oC. Fungi dapat tumbuh baik dalam media PDA pada kisaran pH 5 – 6 (Dikin,

2004). Struktur mikroskopis miselia S. commune dapat dilihat pada Gambar 14.

Gambar 14. Struktur mikroskopis S. commune (Buzina et al., 2001)

Klasifikasi dari S. commune menurut Alexopoulos et al. (1996) adalah

sebagai berikut:

Kingdom : Fungi

Division : Eumycota

Subdivision : Basidiomycotina

Class : Hymenomycetes

Subclass : Holobasidiomycetidae

Genus : Schizophyllum

Spesies : commune

18

Martawijaya (1989), mengungkapkan salah satu fungi yang dapat

merombak struktur lignoselulosa adalah fungi S. commune. Di daerah tropis, S.

commune merupakan fungi perusak kayu. Menurut Ohm et al. (2010) pada

S. commune terdapat aktivitas beberapa enzim perusak kayu antara lain lacasse

yang berperan dalam degradasi komponen lignin, akan tetapi aktivitas enzim

peroksidase tidak ditemukan. Selain itu juga ditemukan aktivitas enzim

cellobiose dehydrogenases.