5

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. β-glukan

Glukan adalah turunan polisakarida alami yang terdiri dari unit D-

glukopiranosil dan dapat ditemukan dalam berbagai macam sereal, tumbuhan, algae,

bakteri, jamur, kapang dan khamir. Glukan terdiri dari rantai linear β-(1-3) dan

terikat dengan rantai samping berupa β-(1-6) atau β-(1-4) dimana variasi rantai

samping ini akan menentukan panjang dan distribusi glukan dan akan membentuk

struktur tersier yang kompleks distabilkan oleh rantai ikatan hidrogen. (Zeković et

al., 2005).

Gambar 1. Polimer dari unit β-(1-4)-D-glikopiranosil dengan β-(1-3)-D-glikopiranosil

(http://www.sigmaaldrich.com, 2018)

Gambar 2. Polimer dari unit β-(1-3)-D-glikopiranosil dengan β-(1-6)-D-glikopiranosil

(http://www.sigmaaldrich.com, 2018)

Selulos

a

Selulos

a

Selulosa dan

Laminarinase

β(1,3)D-glukosa β(1,4)D-glukosa

β(1,4)D-

glukosa

β(1,4)D-glukosa

β(1,6)D-glukosa

β(1,3)D-glukosa β(1,3)D-

glukosa β(1,3)D-glukosa

β-glukan Serealia

β-glukan Mikroorganisme

Litikase

6

Gambar 1 dan 2 menunjukkan β-glukan yang berasal dari khamir dan

mikroorganisme memiliki struktur dengan ikatan 1,3 dan 1,6 glukan, sedangkan

pada serealia mengandung ikatan β-1,3 dan 1,4 glukan. β-glukan yang diperoleh

dari serealia dapat menurunkan kolestrol dan gula darah dan glukan yang didapat

dari mikroorganisme dapat meningkatkan sistem imun dan anti tumor (Zhu et al.,

2016).

Beberapa sifat β-glukan antara lain adalah tidak beracun, tidak memiliki efek

samping yang merugikan, membantu regenerasi dan memperbaiki jaringan,

mengaktivasi dan memperkuat sistem kekebalan, serta mempertinggi keefektifan

obat antibiotik dan antiviral (Yenti, 2005). Dalam industri farmasi, β-glukan dapat

berfungsi untuk anti infeksi, mengobati luka luar, anti tumor, anti oksidan, dan

menurunkan kadar gula darah karena meningkatkan produksi insulin (Hendra,

2005).

Menurut Cheeseman dan Malcom (2000), sifat fisika dan kimia yang dimiliki

senyawa β-glukan yaitu di alam, berupa senyawa berwarna putih berupa gumpalan

besar dan tidak berbentuk kristal, tidak mempunyai rasa manis, tidak larut dalam

air netral dan dapat dipisahkan dengan mudah dalam larutan alkali, bila dicampur

dengan air maka akan membentuk larutan koloid, berbentuk gel pada suhu 54oC.

Polimer glukan ini merupakan serat yang tidak dapat dicerna, karena manusia

tidak memiliki enzim yang dapat menghidrolisis ikatan β- glikosidik. Serat-serat

yang tidak larut ini tidak dapat dimetabolisme pada saluran pencernaan sehingga

bermanfaat dalam diet yang berfungsi mengurangi kegemukan (Yenti, 2005).

7

2.2. Produksi β-glucan dari Saccharomyces cerevisiae

Khamir adalah kelompok jamur uniseluler berukuran lima hingga dua

puluh mikron yang umum dipergunakan untuk fermentasi roti dan minuman

beralkohol. Biasanya khamir berbentuk oval, namun ada yang berbentuk

memanjang dan berbentuk bola. Khamir tidak dilengkapi dengan flagelum, atau

organ penggerak lainnya (Pelchzar, 1986). Selain itu khamir bersifat anaerobik

fakultatif yang artinya mampu hidup dalam keadaan aerob ataupun anaerob. Suhu

maksimum pertumbuhan khamir antara 36-37oC, dan suhu minimumnya 9-11oC

(Judoamidjojo, 1992). Pertumbuhan maksimum biasanya terjadi sampai hari ketiga

dan mulai mengalami penurunan sampai hari ketujuh (Walker, 1995).

S. cerevisiae adalah salah satu khamir yang sering digunakan untuk

produksi β-glukan. Biasanya masyarakat mengenal S. cereviciae sebagai ragi roti

(baker’s yeast). Taksonomi dari S. cereviciae yaitu :

Kingdom : Fungi

Phylum : Ascomycota

Class : Hemiascomycota

Order : Saccharomycotales

Family : Saccharomycetaceae

Genus : Saccharomyces

Species : Saccharomyces cerevisiae

Sebuah sel khamir mampu memfermentasi glukosa dengan massa yang

sama dengan massa selnya sendiri dalam jangka waktu satu jam. Khamir dapat

bereproduksi secara aseksual dengan membentuk tunas ataupun secara seksual

dengan pembentukan ascospora. Selama proses reproduksi aseksual, sebuah tunas

baru tumbuh dari khamir dengan kondisi tertentu dan saat mencapai ukuran dewasa

8

ia akan melepaskan diri dari sel induknya. Reproduksi seksual khamir umumnya

berlangsung pada kondisi kekurangan nutrisi pertumbuhan dengan cara

pembentukan ascospora (European Bioinformatics Institute, 1996).

Gambar 3. Struktur dinding sel Saccharomyces cerevisiae

(Sumber: www.sigmaaldrich.com 2009)

Gambar 3 menunjukkan dinding sel khamir S. cereviciae terdiri dari 2 lapisan yang

dibangun oleh 4 molekul utama, yaitu manoprotein, β (1,6) glukan, β (1,3) glukan

dan kitin. Semua komponen ini tersambung oleh ikatan-ikatan kovalen. Kandungan

manoprotein dalam berat kering dinding sel menyampai 35-40%, kitin sekitar 1-2%,

pada β-1,6 glukan 5-10% dan lebih dari setengah dinding sel (50-55%) disusun

oleh β-1,3 glukan (Kapteyn,1996). Senyawa β-glukan didalam dinding sel S.

cereviciae berperan sebagai kerangka penyangga dari dinding sel dan berfungsi

memperkuat struktur dari selnya serta sebagai zat cadangan makanan. (Nguyen,

1995)

Mikroorganisme ini bersifat non patogenik dan non toksik (Lee,1992).

Saccharomyces cerevisiae ini juga menghasilkan enzim zimase dan invertase yang

berfungsi memecah polisakarida, sukrosa, dan fruktosa menjadi glukosa

(Ostergaard, 2000).

Dinding sel khamir

β-glukan

β-glukan + Kitin

9

β-glukan pada dinding sel khamir terbentuk dengan adanya metabolisme

glukosa yang diubah menjadi Glukosa-6-Fosfat, kemudian dengan adanya enzim

Phosphoglucomutase diperoleh Glukosa-1- Fosfat dan diubah lagi menjadi Uridin

difosfat glukosa (UDP-Glukosa) yang merupakan komponen penyusun dinding sel

khamir. Salah satu komponen penyusun dinding sel khamir tersebut adalah β-

glukan itu sendiri (Appeldoorn, 2002).

Menurut Cheeseman & Malcom (2000), sifat fisika dan kimia yang dimiliki

senyawa β-glukan yaitu di alam dalam bentuk senyawa berwarna putih berupa

gumpalan besar dan tidak berbentuk kristal, tidak mempunyai rasa manis, tidak

larut dalam air netral dan dapat dipisahkan dengan mudah dalam larutan alkali, bila

dicampur dengan air maka akan membentuk larutan koloid, dan berbentuk gel pada

suhu 54˚C.

β-glukan merupakan imunostimultan yang berasal dari dinding sel khamir

S. cereviciae atau dinding sel tanaman tinggi yang memiliki berat molekul tinggi

dan bercabang-cabang dan mengandung lebih dari 250.000 glukosa (Robinson,

1995). β-1,3-glukan memiliki derajat polimerisasi sebesar 1500 dengan berat

molekul 240.000 dan panjang serat sekitar 660nm. (Lipke dan Ovalle, 1998)

2.3. Produksi β-Glukan dari Aspergillus oryzae

Kapang adalah golongan organisme yang tubuh vegetatifnya (struktur

somatisnya) berupa thalus, dan tidak mempunyai klorofil. Kapang memerlukan

senyawa organik untuk nutrisinya (Pelczar dan Chan, 2005). Kapang tersusun dari

benang-benang sel panjang yang disebut hifa. (Volk dan Wheeler, 1998). Kapang

memerlukan kelembaban yang tinggi, persediaan bahan organik yang mati dan

10

mengalami pembusukan. Kapang tumbuh baik dalam lingkungan yang

mengandung banyak gula dan dengan kondisi asam yang tidak menguntungkan

bagi bakteri. Mekanisme reproduksi kapang disebut pembentukan spora. Spora

dapat bersifat seksual dan aseksual. Pada kapang, spora analog dengan biji yang

perbanyak oleh tumbuhan induk dan mampu berkembang menjadi individu baru.

Apabila spora melepaskan diri dari tumbuhan induk dalam kondisi yang

menguntungkan, benang-benang kapang baru akan tumbuh, spora bersemi dan

benang memanjang dengan pembelahan biner (Volk dan Wheeler, 1998).

Kapang genus Aspergillus sp. adalah salah satu jenis kapang yang dapat

digunakan dalam produksi β-glukan. Aspergillus sp terdapat dimana-mana sebagai

saprofit. Koloni yang mudah menghasilkan spora wamanya menjadi cokelat

kekuningan, kehijau-hijauan atau kehitam-hitaman dan miselium yang semula

bewama putih sudah tidak tampak lagi (Dwidjoseputro, 1998). Gambar 4

menunjukkan genus Aspergillus terdiri dari miselium dan konidia.

Aspergillus digunakan dalam fermentasi makanan. Kelompok Aspergillus

wenti, Aspergillus oryzae termasuk spesies yang penting dalam fermentasi

beberapa makanan tradisional dan untuk memproduksi enzim. Aspergillus oryzae

digunakan dalam fermentasi tahap pertama dalam pembuatan kecap dan tauco.

Gambar 4. Genus Aspergillus

(Sumber : Dumanov, 2006)

11

Aspergillus oryzae juga merupakan jamur yang telah diakui sebagai GRAS

(Generally Recognized As Safe). A. Oryzae tidak umum digunakan untuk produksi

β-glukan, namun spesies lain yang dipakai yaitu Aspergillus fumigatus dan

Aspergillus niger. Akira (2017) mengatakan komponen dinding sel daripada

Aspergillus fumigatus adalah polisakarida(setidaknya 90%) dan protein.

Gambar 5 menunjukkan bahwa dalam dinding sel miselium dan konidia

pada Aspergillus mengandung polisakarida yang terdiri dari rantai linear β-(1-3)-

glukan (20-35%) bercabang dengan rantai β-(1-6)-glukan (4%) ; rantai linear β-(1-

3/1-4)-glukan (10%) ; α(1-3)-glukan (45-56%); kitin dan galaktomannan (20-25%).

yang mengandung galaktomannan dan kitin. Dinding sel Aspergillus fumigatus

adalah garis pertahanan utama jamur untuk beradaptasi ke lingkungan yang tidak

mendukung, menyediakan integritas struktural dan fisik perlindungan ke dinding

sel.

12

2.4. Produksi β-Glukan dari Xanthomonas campestris

Bakteri mempunyai kemampuan untuk memproduksi bermacam jenis

polisakarida seperti kapsul dan produk ekstraselluler. Polisakarida umumnya

diproduksi sebagai respons terhadap tekanan lingkungan. Polisakarida yang berasal

dari bakteri dapat mengandung unit monosakarida yang terulang (homopolisakarida)

atau sejumlah monosakarida yang berbeda (heteropolisakarida). Sebagian besar

polisakarida ini memiliki asal bakteri dan banyak digunakan untuk makanan dan

aplikasi industri karena sifat rheological dan gel nya (1). Bakteri eksopolisakarida

asdasdasd

asdasdasd

Dinding sel Konidia

Dinding sel Miselium

β 1,3/1,4-glukan

Kitin

β 1,3-glukan

Galaktosaaminogalaktan

α 1,3 glukan

Galaktomannan Kitin oligosakarida

Membran

Plasma

β-(1,3)-glukan

sintase α-(1,3)-glukan

sintase

Kitin

Sintase

β-(1,3)-glukan

sintase

Membran

Plasma Kitin

Sintase α-(1,3)-glukan

sintase

Gambar 5. Struktur dinding sel Aspergillus Fumigatus

Sumber : Beauvais (2014)

13

(EPS) xanthan, curdlan dan gellan telah disetujui oleh Food and Drug

Administration (FDA). Menurut Zeković et al. (2005) polisakarida ini terdapat β-

(1-3)-glukan, β-(1-2)-glukan dan sellulosa. Xanthan atau Xanthan Gum merupakan

polisakarida yang memiliki nilai jual tinggi dan manfaat sebagai zat pengental

makanan serta memiliki kemampuan antioksidan yang baik (Tran, 2017) . Xanthan

Gum merupakan polisakarida yang berasal dari bakteri hasil diisolasi dari annual

bluegrass (Poa annua L.) yang berasal dari Jepang (Karen, 2014) yaitu

Xantomonas campertis (X. campertis). X. campertis merupakan bakteri gram

negatif yang diartikan memiliki sistem membran ganda dimana plasmanya

diselimuti oleh membran luar permeabel dan peptidoglikan terletak diantara

membran plasma dan membran luar (Singleton, 2006).

Gambar 6 menunjukkan X. campertis dapat menghasilkan polisakarida

berupa siklik β-glukan yang unik dan mengandung 16 residu Glukuronosil (Glc p)

15 di antaranya β-berikatan dengan C-2 dari residu berikutnya dan satu diantaranya

α-berikatan dengan C-6 dari residu berikutnya. Penelitian terhadap produksi β-(1-

2) glukan dari X. campertis masih kurang, oleh karena itu diperlukan kajian lebih

lanjut untuk X. campertis.

Gambar 6. Struktur kimia siklik β-glukan yang dihasilkan oleh X. campertis

Sumber: York (1995)

14

2.5. Produksi β-Glukan dari Bacillus natto

Bacillus natto (B.natto) merupakan bakteri hasil isolasi dari natto yang

berasal dari Jepang (Schallmey, 2004). B.natto merupakan bakteri gram positif

yang diartikan memiliki komponen peptidoglikan yang tebal pada bagian dinding

sel (Mahajan, 2010). B.natto secara umum digunakan untuk menghasilkan produk

fermentasi mikrobial, menurut Liu (2005), B.natto dapat pula dimanfaatkan untuk

menghasilkan enzim dalam lingkup industrial.

Strain Bacillus sp telah dikenal untuk membuat enzim β-glukanase, dimana

enzim ini berfungsi untuk menghidrolisis β-glukan. Berdasarkan mekanisme

kerjanya, enzim β-1,3-glukanase diklasifikasikanmenjadi 2, yaitu: enzim β-1,3-

eksoglukanase (β-1,3-glukan glukanohidrolase EC 3.2.1.58), dan enzim β-1,3-

endoglukanase (β-1,3-glukan glukanohidrolase EC 3.2.1.6 atau EC 3.2.1.39) (de la

Cruz et al.1995). Enzim β-1,3-endo-glukanase bekerja secara random

menghidrolisis rantai β-1,3-glukan menjadi 2 sampai 6 unit glukosa, sedangkan

enzim β-1,3-eksoglukanase menghidrolisis rantai β-1,3-glukan dengan melepaskan

monomer glukosa dari sisi nonreduktif (Pitson et al.1993). Ikatan yang dilepas pada

saat hidrolisis adalah ikatan β-1,3-glukosidik. Mayoritas enzim ini ialah jenis

endoglukanase (Aono et al. 1995). Enzim ini dapat berperan sebagai agen

biokontrol; digunakan untuk mengkarakterisasi β-glukan yang berperan sebagai

immunomodulator antikanker; meningkatkan nutrisi pakan ternak; berperan dalam

pembuatan bir pada proses penggilingan, fermentasi dan penyimpanan; dan

berperan dalam sintesis oligosakarida (Pitson et al. 1993). Selain daripada enzim β-

glukanase, penelitian Gummadi (2005) telah memperoleh β-glukan dari genus

Bacillus Subtilis meskipun dalam jumlah sedikit. Namun hasil metabolit

15

polisakarida dari Bacillus Natto belum diketahui saat ini. Oleh karena itu

diharapkan polisakarida yang dihasilkan oleh B. natto mengandung β-glukan.

2.6. Biosintesis β-Glukan

Lipke dan Ovalle (1998) mengatakan β-1,3-glukan yang diperoleh dari

fungi disintesis melalui reaksi enzimatis yang kompleks. β-Glukan sintetase yang

berada di membran plasma mengkatalisis sintesis β-glukan dari UDP-glukosa

menurut reaksi sebagai berikut (Shematek et al., 1980; Cabib et al., 2001) :

UDP-glukosa + (β-(1,3)-glukosa)n → UDP + (β-(1,3)-glukosa)n+1

Glukosa menjadi substrat yang sangat dimanfaatkan oleh Saccharomyces

cerevisiae. Glukosa akan memasuki sel Saccharomyces cerevisiae melalui transport

aktif. Sel kemudian akan memulai sintesis polisakarida dan menghasilkan β-glukan

(Priest, 1996).

β-glukan yang dihasilkan dari bakteri Agrobacterium dikenal sebagai

curdlan. Biosintesis curdlan terdiri dari 3 tahap yaitu penyerapan substrat,

metabolisme dan polimerisasi. Substrat yang sebagian besar glukosa masuk ke

sitoplasma sel melalui transpor aktif, di tahap metabolisme susbstrat dikatabolisme

untuk membentuk metabolit primer dan prekursor untuk sintesis Extracellular

polymeric substance (EPS). Glikolisis glukosa dimulai dari fosforilisasi dengan

enzim heksokinase dalam pengeluaran ATP untuk membentuk glukosa-6-fosfat,

lalu dikonversi menjadi glukosa-1-fosfat yang terjadi di fosfoglukomutase.

Kemudian kunci prekursor (UDP-glukosa) membentuk melalui katalis UDP-

glukosa fosforilase dari Uridin Trifosfat (UTP). Glukosil-1-fosfat dari UDP-

glukosa mengandung D-glukosa yang terikat dengan prekursor lipid (isoprenoid-

16

lipid-fosfat) melepaskan UDP yang menginisiasi polimerisasi ikatan β-1,3-

glikosidik dan polimer terlepas dari UTP dengan pemanfaatan ATP dari siklus asam

trikarbosilik atau glikolisis. Proses siklik terus berlanjut dan mengsintesis curdlan

(Dhivya,2014). Biosintesis dari

curdlan dapat dilihat pada gambar 7.

Jalur m

etabolit p

usat

Transpor Aktif

Glukosa-6-fosfat

Glukosa-1-fosfat

UDP-Glukosa

Lipid-P-glukosa

Polimerisasi

Curdlan

6-fosfoglukonat

5-fosforibosil-1-pirofosfat

Ribsa-5-fosfat

Gambar 7. Jalan biosintetik untuk sintesis curdlan

(Sumber : Dhivya,2014)

Polimerisasi

Glukosa

Glukosa

UDP-Glukosa