gum xanthan

GUM XANTHAN

Hidrokloid adalah suatu polimer larut dalam air, mampu membentuk koloid dan mampu mengentalkan larutan atau membentuk gel dari larutan tersebut. Secara bertahap istilah hidrokoloid yang merupakan kependekan dari koloid hidrofilik ini menggantikan istilah gum karena dinilai istilah gum tersebut terlalu luas artinya. Gum adalah molekul dengan bobot molekul tinggi bersifak hidrofilik atau hidrofobik, biasanya bersifat koloid dan dalam bahan pengembang yang sesuai dapat berbentuk gel, larutan maupun suspensi kental pada konsentrasi yang sangat rendah. Berdasarkan definisi diatas, maka hidrokarbon berbobot molekul tinggi dan produk-produk sampingan dari minyak bumi yang umumnya larut dalam minyak termasuk dalam golongan gum karena memiliki kriteria di atas.

Gum bukan merupakan koloid yang sebenarnya, tetapi lebih cocok disebut polimer yang berukuran koloid (10-1000Å) yang memperlihatkan sifat-sifat koloid dalam larutannya. Seperti adanya pengaruh grafitasi bumi dan tidak bisa diamati dengan mikroskop.

Ada beberapa jenis hidrokoloid yang digunakan dalam industri pangan baik yang alami maupun sintetik. Jika ditinjau dari asalnya, hidrokoloid itu di klasifikasikan menjadi 3 jenis utama, yaitu :

•Hidrokoloid alami

Berasal dari tanman, hewan dan mikroba yang umumnya terbagi atas cara mendapatkannya, yaitu :

Gum eksudat

Gum biji

Gum hasil ekstraksi

Gum hasil fermentasi

Gum eksudat

Gum yang berasal dari cairan atau getah yang menetes dari batang tanaman yang biasanya berkayu keras. Getah atau cairan tersebut bisa karena luka pada batang kayu atau pada kondisi pertumbuhan yang buruk seperti pada kondisi udara yang terlalu panas atau pada saat kekurangan air dan pada saat proses metabolisme fisiologis tanaman atau sebagai mekanisme perlindungan diri terhadap keadaan yang dapat merusak tanaman tersebut. Yang termasuk dalam gum eksudat adalah : gum arab, gum pati, dan gum tragakan

Gum biji

Gum yang berasal dari biji-bijian seperti pati, gum guar dan gum biji lokus. Gum ini diperoleh dengan cara pemisahan secara mekanik dari biji tanaman atau serealia. Pengolahan yang dilakukan meliputi pemisahan secara mekanik terhadap kulit biji, lalu lembaganya dibuang dan terakhir endosperma yang mengandung gum digiling sampai menjadi tepung yang halus.

Gum hasil ekstraksi

Hidrokoloid jenis ini paling banyak diperoleh dari rumput laut. Pengolahannya meliputi memasak tanaman dalam air (direbus), menyaring campuran, membuang airnya dari ekstrak cairan dengan cara mengeringkannya dalam pengering drum.

Agar, keragen dan furselaran di ekstrak dari rumput laut merah (rhodophyceae) sedangkan alginate diekstrak dari rumput laut coklat (phaephyceae). Secara alami terdapat 3 fraksi keragen, yaitu : kappakaragenan, lamda-karagenan, dan iota-karagenan. Disamping dari rumput laut, hidrokoloid hasil ekstraksi dapat juga diperoleh dari ekstrak tanaman seperti pectin dan eksrtrak hewan seperti gelatin.

Gum hasil fermentasi

Banyak mikroorganisme baik bakteri khamir, maupun kapang yang dapat menghasilkan hidrokoloid ekstraseluler ditandai oleh pembentukan kapsul dan adanya lender yang terakumulasi disekitar koloni sel. Salah satu gum yang penting dari hasil fermentasi ini adalah gum xanthan.

•Hidrokoloid alami termodifikasi

Hidrokolid termodifikasi adalah hidrokoloid yang diperoleh dengan cara memodifikasi bahan-bahan alami baik yang semula bersifat sebagai hidrokoloid maupun bukan hidrokoloid. Sehingga diperoleh hidrokoloid baru dengan sifat-sifat yang diinginkan. Hidrokoloid alami termodifikasi ini diperoleh dari turunan pati dan selulosa.

•Hidrokolid sintetik

Hidrokoloid yang diperoleh melalui sintesis kimiawi. Tetapi hidrokoloid jenis ini tidak dapat menyaingi hidrokoloid alami baik dari segi keamanan, sifat-sifat fungsionalnya maupun dari segi biayanya. Yang termasuk hidrokoloid sintetik adalah polivil pirolidin (PVP), polimer karboksivinil (karbopol) dan polimer polietilen oksida (polyox)

Gum Xanthan

Bahan baku yang diperlukan untuk pembuatan gum secara microbial (gum xanthan) terdiri dari D-glukosa, sukrosa dan beberapa bentuk karbohidrat yang dapat digunakan sebagai substrat dan tergantung dari tingkat hasil yang diinginkan. Protein dan nitrogen inorganic adalah sumber nutrient tambahan yang sangta penting untuk efisiensi produksi gum xanthan, fosfat dan magnesium juga dibutuhkan serta mineral. (Mc Nelly dan King dalam Whistler dan Be Miller, 1973)

Dengan memperhatikan komponen bahan dasar yang dibutuhkan mikroorganisme untuk produksi gum xanthan, maka beberapa limbah hasil olahan beberapa hasil pertanian dalam dimanfaatkan sebagai substrat. Bahan tersebut antara lain adalah : onggok, limbah pabrik kertas, pulp kopi dan coklat.

Onggok merupakan limbah padat pada industri tapioka. Pada onggok terdapat pati yang tidak berhasil dipisahkan sewaktu ekstraksi. Pulp kopi dan coklat mempunyai kandungan bahan organic seperti gula sederhana, polisakarida, selulosa dan senyawa nitrogen dalam jumlah yang cukup bagi pertumbuhan mikroorganisme sehingga dpaat digunakan sebagai bahan dasar pembuatan gum xanthan.

Gum xanthan adalah polisakarida dengan bobot molekul tinggi hasil fermentasi karbohidrat oleh xanthomonas campestris yang dimurnikan, dikeringkan dan digiling untuk pemanfaatannya lebih lanjut (Petit dalam glicksman, 1980)

Meskipun sejumlah gum biosintetik telah dinilai untuk diperdagangkan, samapi saat ini hanya satu produk yang memenuhi kekentalan dan kekerasan utuk diproduksi secara komersial dalam skala besar. Produk tersebut adalah gum xanthan yang dihasilkan dari fermentasi glukosa oleh mikroorganisme xanthomonas campestris (Mc Neely 1967; Kang dan Kovack, 1974 dalam Graham 1977)

Gum xanthan sudah diusahakan sejak tahun 1950, yang isolasi pertamanya dilaporkan oleh lily dkk. Pada waktu itu, “ Norther Utilization Division of the Departement of Agricultur” mulai meneliti koleksi kultur mikrobialnya, penemuan ini kemudian digunakan untuk menghasilkan senyawa biopolymer. Diantara sejumlah mikroba yang diperiksa, bakteri xanthomonas campestris (NRRL B-1459) telah menghasilkan produk-produk yang mempunyai nilai komersial yang cukup potensial. Kelco company pada tahun 1961 mengenalkan gum xanthan untuk diaplikasikan dalam bidang industri dan mulai di produksi secars komersial pada tahun 1964. Pada tahun 1969 “Food and Drug Administration” (FDA) mengizinkan untuk menggunakan gum xanthan dalam pengolahan pangan sebagai “Food Additive”. Sejak saat itu, gum xantahan diterima dengan dukungan luas oleh industri Karena sifat-sifatnya yang khas, antara lain kestabilan tekstur, daya tarik estetik dan beberapa kualitas yang diperlukan dalam pengolahan pangan (Petit dalam Glicksman, 1980)

1.Mikroorganisme

Kovack dan Kang di dalam Graham (1977) melapporkan bahwa 4 spesies xanthomonas yang dapat digunakan untuk memproduksi gum xanthan secara efisien adalah :

~ Xanthomonas Campestris

Xanthomonas campestris tergolong bakteriyang bersel tunggal, berbentuk batang, tidak membentuk spora, bersifat gram negatif, bakteri berukuran 0,3-0,5 x 7-2,0 mikron, bergerak aktif dengan menggunakan flagelum tunggal polar.

Penyakit busuk hitam yang berasal dari bakteri xanthomonas campestris berjangkit pada kondisi lingkungan dengan kelembapan tinggi dan suhu optimal 30-32ºC. Menyebarmelalui benih, tanah yang terpercik air hujan, melalui penyiraman atau melalui angin. Bakteri tersebut menginfeksi daun melalui pori-pori air (hidatoda) atau melalui luka. Bakteri busuk hitam dijumpai pada hampir diseluruh tanaman kubis. Ini juga terdapat pada bunga kol/bunga kubis, radish, kalian, caisin, petsai, sawi hijau.

Gejala serangan

*Pada kubis dewasa

Ada bercak kuning yang berbentuk v disepanjang pinggir daun mengarah ketengah daun. Tulang daun membusuk dan berwarna hitam. Serangan yang berat adalah seluruh daun menguning dan rontok sebelum waktunya.

*Pada persemaian

Daun-daun berbintik hitam dan dalam waktu singkat tanaman mati serempak. Ini terjadi sampai pasca panen.

Selama ada penyakit insya4WI akan ada obatnya, cara penanggulanganya : biji kubis dicelupkan selama 30 menit pada air hangat yang bersuhu 50ºC.

~Xanthomonas Phasecli

~Xanthomonas Malvacearum

Xanthomonas Malvacearum inibergerak aktif dengan multitrichous flagella. Tidak memproduksi xanthomonadin. Dapat mereduksi nitrat menjadi nitrit. Berwarna kuning. Berkembang dengan kalsium laktat tapi tidak dalam glutamin. Xanthomonas malvacearum dapat menjadi pathogen pada manusia.

Xanthomonas malvacearum ini menyebabkan bercak bersudut pada daun (angular leaf spot) pada kapas. Cara penanggulangannya adalah dengan memberikan zat kimia. Biji benihnya dicelupkan pada subimat.

~Xanthomonas Caroceae

xanthomonas caroceae ini dapat menyebabkan kresek pada padi.

Xanthomonas adalah salah satu genus family Pseudomonaceae (mempunyai satu atau beberapa flagellum atau bulu-bulu cambuk disebut lophothich missal : pseudomonaceae pseudozoogloeae adalah penyebab karat hitam pada tembakau) yang terdiri dari 60 spesies dari 3 spesies tambahan. Spesies-spesies ini kebanyakan hidup sebagai parasit pada tanaman (Dwidjoseputro, 1984)

Dimana ada kerugian atau penyakit pasti terselip hikmah yang bila berusaha untuk mencari tahu maka kita akan mendapatkan kebaikan dibalik itu semua. Seperti xanthomonas ini yang merupakan parasit atau perusak bagi tanaman tetapi ternyata bila kita mempelajarinya lebih mendalam maka akan kita dapati bahwasanya bisa dimanfaatkan dan menguntungkan bagi kemashlahatan umat.

Pemilihan mikroorganisme didasarkan pada bahan baku, teknik proses, aspek ekonomis, aspek nutrisi dan memenuhi kriteriakesehatan. Senyawa-senyawa yang bersifat racun dan menimbulkan efek karsiogenik (zat yang dapat menimbulkan kanker dalam jaringan hidup, misalnya benzopirena) dapat memanfaatkan bahan baku yang digunakan sebagai sumber energi, tumbuh cepat dan pemeliharaannya mudah serta murah.

Mikroorganisme yang paling banyak digunakan dalam pembuatan gum xanthan adalah xanthomonas campestris, karena gum xanthan yang diproduksi dari xanthomonas campestris telah menunjukkan karakteristik produk komersialnya (Jeans dkk, 1961 didalam Graham 1977). Xanthomonas campestris adalah bakteri yang terdapat secara alami, semula diisolasi dari tanaman kubis dan telah lama diketahui dapat menghasilkan kekentalan atau koloni yang bergetah (Breed dkk, 1957 di dalam Graham, 1977)

2.Proses Pembutan Gum Xanthan

Pada skala komersial, gum xanthan diproduksi melalui fermentasi

aerobic dengan menggunakan isopropil alkohol. Kemudian dilanjutkan dengan pengeringan dan penggilingan (Graham 1977). Sedangkan menurut Gliksman (1980), kondisi optimal dalam proses produksi gum memerlukan aerasi tinggi dan suhu konstan. Oleh karena itu hasil fermentasi dengan cara tersebut jauh lebih banyak dibandingkan produksi secara alami pada tanaman kubis.

Secara garis besar proses pembuatan gum xanthan dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Kultur xanthomonas campestris murni, setelah diberikan inokulum (media cair dicampurkan dengan nutriennya) untuk built up. Kemudian ditumbuhkan pada tempat pembiakan dan kemudian digunakan fermentor untuk melakukan pembiakan selanjutnya. Media yang sama terdiri dari karbohidrat dan beberapa nutrien lain.

Nutrient tambahan yang dibutuhkan oleh mikroorganisme seperti yang dikemukakan oleh Starr (1964) di dalam Glicksman (1980) adalah ion ammonium, buffer fosfat, ion magnesium dan sedikit unsure lain.

Penurunan PH broth (kaldu) selama fermentasi terjadi karena pembentukan asam organik sebagai produk tambahan dan sebagai bahan dari moleku polisakarida. Jika PH turun dibawah titik kritis kira-kira 5, maka produksi gum akan turun dengan menyolok atau berhenti sama sekali. Oleh karena itu dalam setiap fermentasi beberapa jenis bakteri memerlukan penambahan bahan alkali yang sangat penting untuk mempertahankan PH pada selang 6 sampai 7,5 dan suhu fermentasi yang sesuai sekitar 28ºC. sedangkan glukosa, sukrosa dan pati semuanya diperkiraan ekuivalen dengan efisiensi produksi polisakarida (Glicksman,1980)

KULTUR MURNI

Xanthomonas campestris

Pemberian Inokulum

Bulls-up

PEMBIBITAN

(seed tank)

FERMENTASI

PASTEURIFIKASI

“RECOVERY” GUM dengan pelarut

(gum recovery by solvent)

PENGERINGAN

PENGGILINGAN

PENGEMASAN

Gambar 1.1 Diagram alir proses pembuatan Gum Xanthan (Glicksman, 1980)

Selanjutnya Glicksman (1980) melaporkan bahwa pada saat proses akan berakhir,broth fermentasi perlu di pasteurifikasikan pada suhu yang mendekati titik didih, gum xanthan diperoleh kembali melalui pengendapan dengan isopropil alkohol. Polisakarida yang diperoleh kembali melalui pengendapan dengan isopropil alkohol. Polisakarida yang diperoleh dikeringkan dan digiling menurut penyebaran ukuran partikel. Kemudian dikemas dan siap dipasarkan.

Gum Xanthan digunakan sebagai bahan tambahan yang aman pada makanan dalam industri makanan missal produksi susu, kuah salad, minuman buah-buahan, pengemulsi pada cat dan lapisan keramik, pengental dalam susu, syrup dan lem. Gum xanthan adalah polisakarida ekstraseluler dengan berat molekul tinggi yang dihasilkan dari fermentasi bahan yang mengandung karbohidrat oleh bakteri xanthomonas campestris. Glukosa merupakan bahan baku dalam fermentasi gum xanthan oleh abkteri xanthomonas campestris. Kadar glukosa dan konsentrasi kultur bakteri xanthomonas campestris merupakan 2 faktor yang berpengaruh terhadap gum xanthan yang dihasilkan xanthomonas campestris dapat diisolasi dari berbagai varietas tanaman kubis yang banyak terdapat di Indonesia. Yang diketahui sebagai pathogen pada tanaman tersebut.

Bakteri xanthomonas campestris diperbanyak pada media tabung agar miring NA sebagai stok inokulum (media cair dicampur bahan makanannya atau nutrisi) sedangkan untuk memperbanyak dan menumbuhkan bakteri dilakukan dengan cara 1-2ose bakteri dari media NA ditumbuhkan dalam 60 ml media cair Nutrient Broth. Dilakukan analisis korelasi uji indepeden antara 2 faktor. Hasil analisis yang diperoleh X2 hitung (155,94) lebih besar dari X2 (12,6) pada taraf yang signifikan 5% berarti ada hubungan yang signifikan antara persentase kultur bakteri dan kadar glukosa terhadap berat kering gum xanthan yang dihasilkan. Uji nilai C, didapat C (0,5) dan C maksimum (0,82). Viskositas dan berat kering gum xanthan paling tinggi pada kombinasi perlakuan kultur bakteri 10% dan kadar glukosa 2,5%. “Pernyataan ini sesuai dengan pernyataan Kang dan satrell (1979). Produksi Gum xanthan tertinggi di dapat pada konsentrasi atau kadar gula 1-5% diatas 5% akan terjadi penurunan efisiensi konversi (Sukmadi,1996)

Hubungan persentase kultur bakteri dengan kadar glukosa menunjukkan kenaikan persentase kultur bakteri dan kadar glukosa tidak selalu meningkatkan nilai UKSKOS dan berat kering Gum xanthan yang dihasilkan kombinasi perlakuan kultur bakteri 10% dan kadar glukosa 2,5% menghasilkan gum xanthan optimal dengan rata-rata berat kering 9,89 gram dan rata-rata viskositas 127,72 Cps.

3. Sifat-sifat Gum Xanthan

Kekentalan (viskositas)

Gum xanthan mudah larut dalam air panas atau air dingin dengan hanya menggunakan pengadukan mekanis yang memberikan larutan dengan kekentalan tinggi pada konsentrasi rendah. Sifat inilah yang jarang dimiliki oleh beberapa jenis gum lainnya. Pada konsentrasi 1% memberikan kekentalan sekitar 100 Cps ketika diukur pada kecepatan pengadukan 60 rpm dengan menggunakan viscometer Broofield Model LVF pada suhu 25ºC (mc Neely dan Kang di dalam Whistler dan Miller, 1973)

Kekenyalan (pseudoplastik)

Larutan gum xanthan dalam air memiliki kekenyalan semu yang tinggi dan penurunan kekenyalan yang cepat diukur sebagai kenaikan laju ketegangan (shear). Ini merupan reaksi seketika dan proses bolak-balik. Larutan yang berisi 0,75 persen gum xanthan atau lebih mempunyai titik rheological yield, sehingga kekenyalan semu larutan gum dapat digambarkan sebagai aksi penurunan bolak-balik kekentalan dari larutan dengan peningkatan kecepatan rotasional.

-Jeli adalah makanan berbentuk gel dengan tekstur kenyal. Pembentukan gel karena adanya bahan yang mampu larut menahan air dalam suatu matriks sehingga terjebak dalam struktur yang lembek dan kenyal.

-Gel dari agarmemiliki sifat mudah patah, rapuh dan lebih keras.

-Pati menghasilkan gel yang lebih kenyal, kuat dan elastis, namun cenderung liat dan sulit digigit.

-Gelatin memiliki tekstur yang lebih lembut, elastis dan mudah digigit. Telah diteliti pengaruh gelatin, natrium karboksimetilselulosa dan agar terhadap bentuk dan tekstur es krim pada konsentrasi 0,3% b/v. Hasil penilaian organoleptik menurut American Dairy Science Association menunjukkan. bahwa natrium karboksimetilselulosa memberikan pengaruh yang lebih baik daripada gelatin dan sediaan tanpa pengental, tetapi tidak memberikan perbedaan yang berarti terhadap agar. Antara agar, gelatin dan sediaan tanpa pengental tidak terdapat perbedaan yang berarti. Tetapi semua formula termasuk kategori bagus.

Pengaruh suhu pada kekentalan

Satu sifat gum xanthan pada konsentrasi rendah hampir tidak dipengaruhi oleh perubahan PH antara 6 sampai 9 dan terlihat hanya sedikit berubah bila PH berada diluar selang 1 sampai 11. pada PH 9 atau lebih, gum xanthan secara berangsur-angsur terdeasetil, tetapi “deasetilasi” ini hanya berpengaruh sedikit pada larutan (Mc Neely dan Kang di dalam Whistler dan Be Miller, 1973)

Kekompakan (compatibility)

Gum xanthan memiliki kekompakan yang luar biasa terhadap beberapa garam yang berkonsentrasi tinggi, dan akan segera larut dalam konsentrasi sedang pada selang konsentrasi yang besar. Ketika garam tersebut akan segera melakukan penyesuaian. Sebagai contoh :penyesuaian terhadap 25% larutan ammonium sulfat, kalsium klorida, atau sengklorida dan 15 % larutan sodium klorida. Ada sedikit ketidak kompakan dimana garam kalsium pada PH lebih besar dari 10 akan mengendapkan gum xanthan (Mc Neely dan O’connel dalam Whistler dan Be Miller, 1973), dan garam amonium yang bersusun rantai panjang atau amin dengan lebih dari 8 atom karbon dalam dalam rantai utama, mungkin mengendapkan (Rogovin dan Albert di dalam Whistler dan Be Miller 1973)

Kestabilan pada panas

Gum xanthan sangat tahan terhadap proses degradasi oleh panas. Lama pemanasan pada suhu 80ºC kelihatannya sedikit memberikan pengaruh pada gum xanthan. Ketahanan terhadap proses degradasi oleh panas di dukung oleh adanya larutan garam. Sehingga larutan gum xanthan yang mengandung sedikit garam seperti potassium klorida dapat dipanaskan dengan menggunakan autoclave pada suhu 121ºC selama 15-30 menit dengan hanya sedikit perubahan kekentalan (Whistler dan Be Miller, 1973)

Pengaruh enzim dan oksidan

Enzim seperti protease, selulose, hemiselulose, pektinase dan amylase tidak akan mendegradasi gum xanthan dalam keadaan biasa dengan beberapa polimer, gum xanthan di degradasi dalam larutan bahan pengoksidan kuat seperti peroksida, pesulfat dan hipoklorit melalui tingkat yang lebih tinggi (Glicksman, 1980)

Struktur molekul

Struktur molekul gum xanthan belum diketahui. Pendekatan yang dilakukan adalah dengan menganalisis komponennya, kemudian diduga struktur molekulnya. Gum xanthan merupakan polisakarida dengan berat molekul beberapa juta (Leach dkk, 1957; Dintzis dkk, 1970 didalam Graham, 1977). Molekul tersebut mengandung D-glukosa, D-manosa dan asam D-glukoronik dengan perbandingan molar 2,8 : 3 : 2 (Sloneker dkk, 1964 di dalam Graham, 1977). Molekul Gum xanthan di perkirakan mengandung 4,7% asetil dan sekitar 3% piruvat. Piruvat terikat pada rantai tambahan glukosa tunggal oleh ikatan dan juga oleh konfigurasi asam piruvat telah ditentukan (gorin dkk, 1967 di dalam Graham 1977)

Secara rinci, setiap molekul gum xanthan mengandung 5 satuan yang terdiri dari:

-2 satuan glukosa

-2 satuan manosa

-1 satuan asam glukoronik

Rantai utama gum xanthan dibentuk oleh satuan ikatan ß-D-glukosa melalui posisi 1 & 4. Jadi, struktur kimia ikatan utama gum xanthan identik dengan struktur kimia selulosa. Rantai tambahan terdiri dari 2 satuan manosa dan satu satuan asam glukoronik (Gliksman, 1969), selanjutnya dijelaskan bahwa terminal satuan ß-D-glukoronik, yaitu dalam belokan terikat secara glikosidik pada posisi 3 pada setiap residu glukosa dalam rantai utama. Distribusi rantai tambahan tidak diketahui. Diperkirakan setengah dari terminal residu D-manosa membawa residu asam piruvat terikat secara ketalik (ketalically) pada posisi 4 dan 6. Distribusi kelompok piruvat tidak diketahui. Sedangkan yang bukan terminal satuan D-manosa dalam rantai tambahan mengandung kelompok asetil pada posisi 6 (Graham, 1977)

Ini merupakan kenyataan bahwa rantai tambahan melindungi kekuatan gum xanthan dan dapat dijadikan alasan yang kuat bahwa gum xanthan memiliki resistensi enzimatik yang luar biasa. Juga kekhasan yang lain adalah struktur kimia yang tidak berubah dan keseragaman sifat fisik dan kimia (Graham, 1977)

dari berbagai sumber kemudian di sadur kembali dari kumpulan makalah mutia kemala