BAB 13. FERMENTASI

Organisme membentuk energi dari nutrien melalui 2 cara, yaitu transfer elektron

di membran sel dan transfer elektron di sitoplasma. Sumber elektron pada transfer

elektron di sitoplasma adalah senyawa organik (heterotrof). Sumber elektron pada

transfer elektron di membran sel ada 4, yaitu pigmen penangkap cahaya (fototrof),

senyawa anorganik (autolitotrof), senyawa C1 (kemoautotrof), dan senyawa organik

(heterotrof)

Fotosintesis adalah pemanfaatan cahaya untuk pembentukan energi melalui

transfer elektron di membran. Respirasi adalah pemanfaatan senyawa kimia (baik

organik maupun anorganik) untuk pembentukan energi melalui transfer elektron di

membran. Fermentasi adalah pemanfaatan senyawa organik untuk pembentukan energi

melalui transfer elektron di sitoplasma. Pembentukan energi melalui transfer elektron di

membran disebut juga fosforilasi oksidatif. Dengan demikian respirasi didefinisikan

pembentukan energi melalui fosforilasi oksidatif.

Pembentukan energi melalui transfer elektron di sitoplasma disebut fosforilasi

tingkat substrat. Pembentukan energi dengan cara demikian ditemukan pada organisme

fermentatif. Oleh karena itu, fermentasi didefinisikan sebagai pembentukan energi

melalui fosforilasi tingkat substrat. Fermentasi sebenarnya proses yang tidak

memerlukan oksigen. Fungi mampu melakukan fermentasi dalam kondisi aerob. Jadi

fermentasi sebenarnya adalah metabolisme tanpa melibatkan oksigen, tetapi organisme

fermentatif terkadang memerlukan oksigen untuk proses metabolisme lainnya maupun

pertumbuhannya.

Prokariota mampu melakukan fermentasi dan respirasi untuk menghasilkan

energi. Respirasi aerob dilakukan, jika terdapat O2 sebagai akseptor elektron. Akan

tetapi, jika tidak ada O2, maka prokariota melakukan respirasi anaerob (jika ada akseptor

elektron selain oksigen) atau fermentasi (jika tidak ada akseptor elektron).

Sebagian besar prokariota obligat anaerob terbunuh, jika ada oksigen di

lingkungannya. Oksigen di dalam sel terakumulasi menjadi produk toksik, yaitu radikal

hidroksil, radikal superoksida, dan hidrogen peroksida. Pada eukariota produk toksik ini

dapat dinetralisir oleh peroksida dismutase atau katalase, tetapi prokariota obligat

anaerob tidak memiliki enzim-enzim tersebut.

Sebagian besar prokariota fermentatif menghasilkan semua ATP melalui

fosforilasi tingkat substrat, kemudian ATP dihidrolisis oleh ATPsintase, sehingga dapat

menghasilkan p yang dipakai untuk aktivitas membran.

Pada lingkungan anaerob dapat terjadi rantai makanan. Karbohidrat, protein,

lemak, dan senyawa organik lainnya difermentasi menjadi alkohol atau asam organik

oleh organisme anaerob A. Asam organik atau etanol difermentasi menjadi CO2 oleh

organisme anaerob B. CO2 ditambat oleh organisme anaerob C menjadi karbohidrat,

protein, lemak, dan lainnya. Proses rantai makanan di lingkungan anaerob disebut rantai

makanan anaerob.

Pada organisme fermentatif permasalahan besar adalah mengoksidasi NADH

yang dihasilkan dari proses glikolisis. Pada organisme respiratif masalah tersebut dapat

diatasi, karena NADH langsung dioksidasi melalui serial transfer elektron sampai ke

akseptor elektron. Fermentasi sebagian besar terjadi, karena ketiadaan akseptor

elektron respiratif. Oleh karena itu, organisme fermentatif harus menyediakan akseptor

elektron alternatif untuk menerima elektron dari NADH.

Proses transfer elektron yang terjadi pada fermentasi disebut pembuangan

elektron. Disebut demikian karena elektron bukan melewati serial transfer elektron,

tetapi hanya sekali transfer elektron ke akseptor elektron. Biasanya produk yang

dihasilkan dari pembuangan elektron disekresi ke luar sel (kalau produk hasil respirasi

masih dapat dimanfaatkan lagi oleh sel), karena dapat meracuni sel prokariota, baik

secara langsung, maupun tidak langsung. Etanol dapat membunuh prokariota, karena

sebagian besar prokariota mati oleh akumulasi etanol dalam media. Asam organik dapat

membunuh prokariota secara tidak langsung, karena asam organik akan menurunkan

nilai pH, sehingga sebagian besar protein terdenaturasi. Beberapa hal yang perlu

diperhatikan dalam meningkatkan produk fermentasi adalah meminimalisir pertambahan

biomassa, menggunakan strain homofermentatif, dan mempertahankan lingkungan

pada kondisi ideal.

KESETIMBANGAN FERMENTASI

Pada fermentasi sering dihasilkan lebih dari satu senyawa (multi-produk). Oleh

karena itu, kita harus dapat menghitung apakah telah terjadi fermentasi sempurna atau

tidak. Jika tidak, maka pasti terdapat produk lain yang tidak terukur.

Kesetimbangan fermentasi dapat dihitung dengan 3 cara, yaitu metode O/R (O/R

method), metode ketersediaan hidrogen (H available method), metode rekoveri karbon

(C recovery method). Ketiga metode ini untuk menghitung keseimbangan konsumsi

substrat dan produk yang dihasilkan oleh mikroba (Tabel 13.1). Nilai ideal dari

kesetimbangan fermentasi adalah 1. Hal ini berarti semua substrat dikonversi menjadi

produk fermentasi.

Kesetimbangan fermentasi dapat dipakai untuk mengukur efisiensi fermentasi.

Efisiensi fermentasi dapat diukur berdasarkan produk secara keseluruhan atau

berdasarkan produk yang diinginkan. Pada kondisi aplikatif efisiensi fermentasi biasanya

dihitung berdasarkan produk yang diinginkan.

Pada fermentasi etanol efisiensi produksi etanol dihitung berdasarkan

perbandingan berat etanol dengan konsumsi substrat. Misalnya 1 kg molase

difermentasi menjadi 550 g etanol, efisiensi fermentasi adalah

550/1000 x 100% = 55%

Hal ini berarti hanya 55% molase yang diubah menjadi etanol.

Tabel 13.1 Kesetimbangan fermentasi glukosa oleh Lactobacillus pentoaceticus.Senyawa mmol Mmol

karbonNilai O/R

Produk teroksidasi

Produk tereduksi

Hidrogen tersedia

Mmol hidrogen

Glukosa 100 600 0 24 2400LaktatGliserolEtanolAsetatCO2

1007

807

85

30021

1601485

0-1-20

+2 170

7160

12141280

120098

96056

Total 580 170 167 2314Kesetimbangan fermentasi berdasarkan metode O/R adalah 167/170=0,98

metode ketersediaan H adalah 2314/2400=0,96 metode rekoveri karbon= 580/600=0,97

FERMENTASI ETANOL

Fermentasi etanol dilakukan baik oleh eukariota dan prokariota. Eukariota yang

paling sering dipakai sebagai fermentor etanol adalah khamir (Saccharomeces spp).

Prokariota yang sering digunakan dalam fermentasi etanol adalah Pseudomonas dan

Zymomonas mobilis.

Fermentasi Etanol oleh Khamir (Saccharomeces cerevisiae)

Khamir Saccharomeces cerevisiae menggunakan jalur EMP dalam

memfermentasi glukosa menjadi etanol pada kondisi netral atau sedikit asam dan

anaerob. Pada kondisi mikroaerofil S. cerevisiae melakukan respirasi. Pada kondisi

tersebut 10% glukosa biasanya direspirasi menjadi CO2. Fermentasi etanol oleh S.

cerevisiae menghasilkan etanol kurang dari 50%. Pada kondisi aerob khamir melakukan

respirasi.

Terdapat perubahan produk pada fermentasi etanol akibat perubahan kondisi

media. Jika pada media terkandung natrium sulfit, maka menghasilkan gliserol sebagai

produk yang dominan. Hal ini karena asetaldehid terjerat oleh sulfit, sehingga menjadi

bisulfid. Pada kondisi ini asetaldehid tidak dapat menjadi akseptor elektron bagi NADH,

sehingga gliserol fosfat berperan sebagai akseptor elektron bagi NADH dan gliserol

fosfat diubah menjadi gliserol. Reaksi keseluruhan adalah sebagai berikut.

C6H12O6 + HSO3- C3H8O3 + CO2 + C2H4O-HSO3

- glukosa sulfit gliserol asetaldehidbisulfid

Jika media dalam kondisi alkali, terdapat perubahan komposisi produk. Pada

kondisi alkali glukosa akan diubah menjadi gliserol, etanol, asetat, dan CO2. Pada

kondisi alkali maka asetaldehid akan dioksidasi menjadi asetat dan NADH. NADH

dipakai untuk mereduksi asetaldehid lainnya menjadi etanol. NADH hasil oksidasi

glukosa menjadi 2 asetaldehid digunakan untuk mereduksi dihidroksiaseton fosfat

menjadi gliserol fosfat, kemudian menjadi gliserol.

glukosa + 2 NAD+ 2 asetaldehid + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO2 glukosa + 2 ATP 2 dihidroksiaseton fosfat + 2 ADPasetaldehid + NAD+ + H2O asetat + NADH + H+

asetaldehid + NADH + H+ NAD+ + etanol2 dihidroksiaseton fosfat + 2 NADH + 2 H+ 2 gliserol fosfat + 2 NAD+

2 gliserol fosfat 2 gliserol + 2 Pi +. 2 C6H12O6 + 2 ATP + H2O 2 C3H8O3 + 2 CO2 + C2H6O + C2H4O2 +2(ADP+Pi) glukosa gliserol etanol asetat

Gambar 13.1 Perbandingan jalur fermentasi etanol oleh S. cerevisiae (kiri) dan Z. mobilis (kanan).

Fermentasi Etanol oleh Zymomonas mobilis

Zymomonas mobilis merupakan prokariota obligat fermentatif dan mampu

memfermentasi glukosa menjadi etanol dan karbon dioksida (Gambar 13.1). Glikolisis

glukosa menjadi piruvat melalui jalur Entner Doudoroff. Etanol diperoleh dari

dekarboksilasi piruvat menjadi asetaldehid dan reduksi asetaldehid menjadi etanol.

Pada fermentasi etanol dihasilkan produk sampingan, yaitu karbon dioksida.

Karena berat molekul etanol dan karbondioksida relatif sama, maka efisiensi produksi

etanol dari glukosa adalah 50%.

Beberapa keuntungan fermentasi etanol dengan menggunakan Z. mobilis

dibandingkan S. cerevisiae. Keuntungan itu adalah sebagai berikut. Efisiensi produksi

etanol dapat meningkat sampai mendekati 50%. Produksi etanol relatif cepat, karena Z.

mobilis mempunyai piruvat dekarboksilase lebih banyak, sehingga dengan cepat piruvat

didekarboksilasi menjadi asetaldehid, kemudian menjadi etanol. Produk samping relatif

sedikit, itupun didominasi CO2. Hal ini karena Z. mobilis merupakan bakteri obligat

fermentatif. Produksi etanol dalam media mampu mencapai 40%. Hal ini karena

toleransi Z. mobilis yang tinggi terhadap etanol.

FERMENTASI ASAM LAKTAT

Bakteri asam laktat mampu mengubah glukosa menjadi asam laktat. Bakteri

tersebut adalah Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc, Pediococcus, dan

Bifidobacterium. Ada 2 kelompok fermentasi asam laktat, yaitu homofermentatif dan

heterofermentatif. Yang disebut lebih dulu menggunakan glikolisis melalui jalur EMP dan

yang satunya menggunakan glikolisis melalui jalur HMP.

Fermentasi Asam Laktat Homofermentatif

Bakteri asam laktat homofermentatif menghasilkan mayoritas asam laktat

dengan sedikit produk samping, yaitu gliserol, etanol, asetat, format dan CO2 (Gambar

13.2). Bakteri asam laktat homofermentatif mengoksidasi glukosa menjadi 2 piruvat

melalui jalur EMP. Pada jalur ini menghasilkan 2 ATP. NADH yang dihasilkan pada jalur

ini dipakai untuk mereduksi piruvat menjadi asam laktat. Reaksi keseluruhan adalah

Glukosa + 2ADP + 2Pi 2 Laktat + 2 ATP

Produk samping diperoleh, karena bakteri asam laktat homofermentatif

mempunyai berbagai enzim yang dapat mengubah piruvat menjadi etanol dan CO2,

asetat dan format, dan laktat. Jika piruvat tidak segera diubah menjadi produk di atas,

NADH dipakai untuk mereduksi dihidroksi aseton fosfat menjadi gliserol.

Gambar 13.2 Fermentasi asam laktat homofermentatif.

Perubahan nilai pH pada media dapat mengubah komposisi produk fermentasi

asam laktat homofermentatif Lactobacillus casei (Tabel 13.2). Fermentasi asam laktat

idealnya dilakukan pada kondisi asam. Ketika kondisi diubah menjadi netral, sebagian

piruvat dioksidasi menjadi asetil KoA dan format. Asetil KoA kemudian tereduksi menjadi

asetat dan etanol.

Tabel 13.2 Efek pH pada fermentasi laktat oleh Lactobacillus caseiProduk pH 5 pH 7 pH 8

LaktatAsetatFormatEtanol

176,39,5

13,15,0

134,319,226,612,7

102,031,547,318,7

Efisiensi fermentasi (%) 91,3 87,7 84,0

Pada kondisi aerob S. faecalis mampu memfermentasi gliserol menjadi laktat.

Hal ini karena oksigen digunakan untuk mereduksi koenzim Fp (flavoprotein) menjadi Fp

dan hidrogen peroksida. Reaksi keseluruhan adalah sebagi berikut.

Gliserol + ADP + Pi + O2 laktat + H2O2 + ATP

Fermentasi Asam Laktat Heterofermentatif

Bakteri asam laktat heterofermentatif menghasilkan asam laktat dan produk

fermentasi lainnya (kebanyakan etanol) dengan rasio yang seimbang (Gambar 13.3).

Hal ini karena mereka mengoksidasi glukosa menjadi piruvat dan asetil fosfat melalui

jalur HMP. Piruvat kemudian direduksi menjadi asam laktat, sedangkan asetil fosfat

kemudian direduksi menjadi etanol. Pada jalur ini menghasilkan 1 ATP. Reaksi

keseluruhan adalah.

Glukosa + ADP + Pi Laktat + etanol + CO2 + ATP

Gambar 13.3 Fermentasi asam laktat heterofermentatif.

Bakteri Streptococcus mutans mempunyai kemampuan dalam memfermentasi

glukosa menjadi laktat (heterofermentatif) dalam suasana aerob. Pada kondisi aerob

NADH dioksidasi menjadi NAD+ dengan bantuan oksigen dan NADH oksidase. Oleh

karena itu, terdapat perubahan produk, di mana etanol diubah menjadi asetil KoA dan

kemudian menjadi asetat. Perubahan asetil KoA menjadi asetat menghasilkan ATP.

Jamur Rhizopus oryzae juga mempunyai kemampuan memfermentasi karbohidrat (pati

dan glukosa) menjadi etanol dan asam laktat secara aerob.

Gambar 13.4 Fermentasi asam laktat melalui jalur bifidium.

Fermentasi Asam Laktat Melalui Jalur Bifidium

Dinamakan jalur bifidium, karena ditemukan pada Bifidobacterium bifidium.

Secara keseluruhan fermentasi asam laktat melalui jalur bifidium adalah

2 Glukosa + 5 ADP + 5 Pi 3 asetat + 2 laktat + 5 ATP

Fermentasi asam laktat pada jalur ini melalui glikolisis melalui modifikasi jalur

Pentosa Fosfat (Gambar 13.4). Dua molekul glukosa difosforilasi menjadi 2 molekul

fruktosa 6-fosfat (perlu 2 ATP). Satu molekul fruktosa 6-fosfat dipecah menjadi eritrosa

4-fosfat dan asetil fosfat. Eritrosa 4-fosfat kemudian bereaksi dengan satu molekul

fruktosa 6-fosfat lainnya menghasilkan sedoheptulosa 7-fosfat dan fosfogiseraldehid.

Sedoheptulosa 7-fosfat bereaksi lagi dengan fosfogiseraldehid menghasilkan xilulosa 5-

fosfat dan ribulosa 5-fosfat. Ribulosa 5-fosfat berisomerasi menjadi xilulosa 5-fosfat.

Dua molekul xilulosa 5-fosfat dipecah menjadi 2 fosfogliseraldehid dan 2 asetil

fosfat. Dua molekul fosfogliseraldehid dioksidasi menjadi 2 piruvat kemudian direduksi

menjadi 2 laktat (menghasilkan 4 ATP). Dua molekul asetil fosfat diubah menjadi 2

asetat (menghasilkan 2 ATP).

FERMENTASI ASETAT

Clostridium thermoaceticum mampu memfermentasi piruvat menjadi asetat

melalui jalur asetil KoA. Karena produknya asetat, maka disebut juga asetogenesis.

Selain C. thermoaceticum, bakteri pereduksi sulfat Desulfotomaculum thermobenzoicum

juga mampu memfermentasi piruvat menjadi asetat (Gambar 13.5) di media tanpa

sulfat. Kedua prokariota ini melakukan fermentasi piruvat menjadi asetat dengan model

dan enzim yang sama. Kedua prokariota juga mampu menambat CO2 menjadi asetat

juga dengan model yang sama. Yang membedakan adalah protein pembawa karbon

(lihat penambatan CO2 pada bab sebelumnya).

Piruvat diperoleh dari hasil glikolisis glukosa. Empat molekul piruvat dioksidasi

oleh piruvat dehidrogense menjadi 4 molekul asetil KoA. Pergantian gugus KoA dengan

fosfat oleh fosfotransasetilase membuat asetil KoA berubah menjadi asetil fosfat.

Defosforilasi (dikopling dengan sintesis ATP) asetil fosfat oleh asetat kinase

menghasilkan asetat.

Pada proses fermentasi piruvat menjadi asetat menghasilkan 8 molekul NADH.

NADH dipakai untuk menambat CO2 menjadi asetat. Enam elektron dipakai untuk

menambat CO2 menjadi gugus metil [CH3] melalui jalur asetil KoA pada metanogen. Dua

elektron dipakai untuk menambat CO2 menjadi kompleks karbonmonoksida

karbonmonoksida dehidrogenase (CO-CODH). Selanjutnya, gugus metil diinkorporasi ke

kompleks CO-CODH menjadi CH3-CO-CODH. Gugus CH3-CO- ditransfer ke KoA juga

oleh karbonmonoksida dehidrogenase, sehingga menjadi asetil KoA. Selanjutnya asetil

KoA diubah menjadi asetat sama seperti pada fermentasi piruvat menjadi asetat. Reaksi

keseluruhan asetogenesis Desulfotomaculum thermobenzoicum adalah 4 Piruvat + 4

ADP + 4 Pi 5 asetat + 2 CO2 + 4 ATP

Gambar 13.5 Asetogenesis dari piruvat pada Desulfotomaculum thermobenzoicum.

Pada bakteri asam asetat lainnya, misalnya Acetobacter dan Gluconobacter

mampu memfermentasi glukosa dan etanol menjadi asetat. Gluconobacter suboxydans

tidak mempunyai enzim-enzim pada siklus asam sitrat, kecuali suksinat dehidrogenase.

Modifikasi siklus pentosa fosfat digunakan untuk memfermentasi glukosa

menjadi asetat (Gambar 13.6). Glukosa difosforilasi menjadi glukosa 6-fosfat, kemudian

diisomerisasi menjadi 2 molekul fruktosa 6-fosfat. Fruktosa 6-fosfat dipecah menjadi

asetil fosfat dan eritrosa 4-fosfat. Asetil fosfat dideforforilasi menjadi asetat. Eritrosa 4-

fosfat bereaksi dengan fruktosa 6-fosfat menjadi sedoheptulosa 7-fosfat dan

gliseraldehid 3-fosfat. Reaksi ini dikatalisis transaldolase. Sedoheputosa 7-fosfat dan

gliseraldehid 3-fosfat bereaksi menjadi ribulosa 5-fosfat dan xilulusa 5-fosfat. Reaksi ini

dikatalisis transketolase. Xilulosa 5-fosfat diisomerisasi menjadi ribulosa 5-fosfat. Dua

molekul Ribulosa 5-fosfat dipecah menjadi 2 molekul gliseraldehid 3-fosfat dan 2

molekul asetil fosfat. Dua molekul asetil KoA didefosforilasi menjadi asetat. Dua molekul

gliseraldehid 3-fosfat berkondensasi menjadi fruktosa 1,6-bisfosfat. Fruktosa 1,6-

bisfosfat terdefosforilasi menjadi fruktosa 6-fosfat. Fruktosa 6-fosfat menggantikan

fruktosa 6-fosfat yang bereaksi dengan eritrosa 4-fosfat.

Gambar 13.6 Fermentasi asetat dari glukosa oleh Gluconobacter.

Karakteristik Asetobacter dan Gluconobacter adalah kemampuannya

mengoksidasi etanol menjadi asetat. Dua dehidrogenase membran sel terlibat dalam

oksidasi etanol menjadi asetat, yaitu etanol dehidrogenase dan asetaldehid

dehidrogenase. Reaksi keseluruhan oksidasi fermentasi etanol menjadi asetat adalah

sebagai berikut.

CH3CH2OH + ½ O2 CH3COOH + 2H etanol asetat

FERMENTASI BUTIRAT

Fermentasi butirat dilakukan oleh Clostridium sp (Gambar 13.7). Clostridium

adalah bakteri penghasil spora heterogenus. Mereka dapat sebagai sakarolitik atau

proteolitik. Clostridium proteolitik sangat penting bagi dekomposisi anaerob yang disebut

putrefaction. Clostridium butyricum mampu memfermentasi karbohidrat menjadi butirat.

Produk fermentasi selain butirat adalah gas hidrogen, karbondioksida, sedikit asetat.

Gambar 13.7 Fermentasi butirat oleh Clostridium sp.

Glukosa dipecah menjadi piruvat melalui jalur EMP (menghasilkan 4 elektron dan

2 ATP). Piruvat didekarboksilasi oleh piruvatferedoksi eksidoreduktase menjadi asetil

KoA, CO2. H2 diperoleh dari aktivitas oksidasi hidrogenase terhadap feredoksin. Dua

molekul asetil KoA berkondensasi menghasilkan asetoasetil KoA dengan bantuan asetil

KoA asetiltransferase. Asetoasetil KoA direduksi menjadi -hidroksibutiril KoA oleh

dehidrogenase. -Hidroksibutiril KoA didehidrasi menjadi krotonil KoA oleh krotonase.

Krotonil KoA direduksi menjadi butiril KoA oleh butiril KoA dehidrogenase. Pengantian

gugus KoA oleh fosfat mengakibatkan butiril KoA menjadi butiril fosfat. Reaksi ini

dikatalisis fosfotransbutirilase. Butiril fosfat didefosforilasi (dikopling dengan sintesis

ATP) menjadi butirat oleh butirat kinase.

C. tyrobutyricum mampu memproduksi butirat dan asetat dari glukosa (Gambar

13.7). Untuk menurunkan produksi asetat, gen pta yang mengkode asetat kinase dapat

dihilangkan. Meskipun gen pta dihilangkan, tetapi C. tyrobutyricum masih mampu

menghasilkan asetat. Hal ini menunjukkan bahwa terdapat jalur atau enzim lain yang

mampu menghasilkan asetat.

Bakteri rumen Butyrivibrio fibrisolvens mampu memfermentasi glukosa menjadi

butirat. Fermentasi glukosa menjadi butirat oleh Butyrivibrio fibrisolvens melalui rute/jalur

yang sama dengan Clostridium. Pada kondisi pertumbuhan tinggi (pada fase

eksponensial) glukosa difermentasi menjadi butirat, asetat, H2 dan CO2. Asetat

merupakan produk samping dan diperoleh dari forforilasi asetil KoA menjadi asetil fosfat

oleh fosfotransasetilase. Asetil fosfat kemudian didefosforilasi menjadi asetat oleh asetat

kinase.

Tabel 13.3 Perbandingan kadar produk pada fermentasi butirat dan Butanol-aseton (mmol/100 mmol glukosa)Produk C.

saccharo-butyricum

C. aceto-butylicum

C. butylicum

C. thermac-charolyticum

B. aceto- ethylicum

B. polymyxa

CO2

H2

AsetatButiratFormatLaktatEtanolButanolAsetonIsopropanolAsetoin2,3-Butandiol

195,5233,0

42,675,3

Sedikit

220,0165,9

24,87,1

4,947,422,3

5,7

207,0111,1

20,314,5

50,2

18,0

174,0229,4

48,559,5

25,7

215,0137,0

16,0

10,0

122,0

28,0

12,0

195,054,0

5,0

95,04,56,0

39,0Rekoveri C % 97,0 98,0 93,5 98,0 105,0 100,0Sumber: Moat A.G. & J.W. Foster. 1995. Microbial Physiology. Wiley-Lyss, New York

Gambar 13.8 Fermentasi butirat dan butanol-aseton C. acetobutylicum. Garis takputus menunjukkan alur fermentasi pada fase perbanyakan, sedangkan garis terputus menunjukkan alur fermentasi pada fase statis.

Ketika sel masuk ke fase statis dan kandungan butirat tinggi, terjadi fermentasi

glukosa dan pentosa menjadi aseton. Selain itu, terjadi konsumsi butirat asetat menjadi

butanol dan etanol (Gambar 13.8 dan Tabel 13.3).

Glukosa dan pentosa diglikolisis menjadi piruvat. Piruvat didekarboksilasi

menjadi asetil KoA oleh piruvatferedoksin oksidoreduktase. Kondensasi 2 molekul asetil

KoA menjadi asetoasetil KoA oleh asetil KoA transasetilase. Asetoasetat dipecah

menjadi aseton dan CO2 oleh asetoasetat dekarboksilase.Gugus KoA dari asetoasetil

KoA ditransfer ke butirat atau asetat, sehingga menjadi butiril KoA atau asetil KoA .

Reaksi ini dikatalisis asetoasetil KoA-butirat atau asetat-KoA transferase. Butiril KoA

direduksi menjadi butiraldehid oleh butiraldehid dehidrogenase, kemudian direduksi

menjadi butanol oleh butanol dehidrogenase. Sedangkan asetil KoA direduksi menjadi

asetaldehid oleh asetaldehid dehidrogenase, kemudian direduksi menjadi etanol oleh

etanol dehidrogenase.

FERMENTASI PROPIONAT

Propionat, asetat, dan karbon dioksida merupakan produk utama dari fermentasi

laktat, glukosa, dan gliserol oleh Propiniobacterium, Veillonella, Bacteroides dan

beberapa Clostridium spp. Hipotesis awal menyatakan bahwa langkah awal fermentasi

propionat adalah dehidrasi laktat menjadi akrilat. Akrilat kemudian direduksi menjadi

propionat. Rute tersebut teramati pada Clostridium propionicum, Bacteroides rumicola,

dan Peptostreptoccus. Pada Propionibacterium dan Veillonella pembentukan propionat

melalui rute yang lebih kompleks.

Fermentasi Propionat oleh Clostridium propionicum

C. propionicum mampu memfermentasi asam laktat menjadi asetat (melalui jalur

asetil KoA) dan propionat (melalui jalur akrilil KoA) dan menghasilkan 1 ATP (Gambar

13.9). Satu molekul laktat didehidrogenasi menjadi piruvat oleh laktat dehidrogenase.

Piruvat didehidrogenasi dan dekarboksilasi menjadi asetil KoA oleh piruvatferedoksin

oksidoreduktase. Gugus fosfat menggantikan gugus KoA oleh fosfotransasetilase,

sehingga Asetil KoA diubah menjadi asetil fosfat. Asetil fosfat didefosforilasi (dikopling

dengan sintesis ATP) menjadi asetat oleh asetat kinase. Pada jalur ini menghasilkan 1

ATP, 1 CO2, dan 4 elektron. Empat elektron dipakai untuk mereduksi 2 molekul laktat

menjadi 2 molekul propionat.

Gugus KoA (berasal dari propionil KoA) ditransfer ke laktat oleh KoA transferase,

sehingga menjadi laktil KoA. laktil KoA terdehidrasi menjadi akrilil KoA. Reaksi ini

dikatalisis akrililase. Akrilil KoA direduksi menjadi propionil KoA oleh propionil KoA

dehidrogenase. Propionil KoA diubah menjadi propionat. Reaksi keseluruhan adalah

sebagai berikut.

3 Laktat + ADP + Pi 2 propionat + asetat + CO2 + ATP

Gambar 13.9 Fermentasi propionat melalui jalur akrilat oleh C. propionicum.

Fermentasi Propionat oleh Propionibacterium

Propionibacterium memfermentasi laktat, triosa, dan heksosa menjadi propionat

(jalur suksinat-propionat), asetat (jalur asetil KoA), dan karbon dioksida (Gambar 13.10

dan Tabel 13.4). Tiga molekul laktat diubah menjadi tiga molekul piruvat oleh laktat

dehidrogenase. Satu molekul piruvat diubah menjadi satu molekul asetat sama seperti

pada C. propionicum. Fermentasi laktat menjadi asetat menghasilkan 2 elektron dan

perubahan 2 molekul laktat menjadi 2 molekul piruvat menghasilkan 6 elektron. Delapan

elektron ini dipakai untuk mereduksi piruvat menjadi propionat.

Piruvat dikarboksilasi (berasal dari dekarboksilasi metilmalonil KoA) menjadi

oksaloasetat oleh transkarboksilase. Reduksi oksaloasetat menjadi malat oleh malat

dehidrogenase. Malat dihidrasi menjadi fumarat oleh fumarase. Fumarat direduksi

menjadi suksinat oleh fumarat reduktase. Transfer gugus KoA (berasal dari propionil

KoA) ke suksinat, sehingga menjadi suksinil KoA. Reaksi ini dikatalisis suksinil KoA

transferase. Re-aransemen suksinil KoA menjadi metil malonil KoA oleh metil malonil

KoA rasemase. Dekarboksilasi metil malonil KoA oleh transkarboksilase, sehingga

menjadi propionil KoA. Propionil KoA diubah menjadi propionat. Secara teoritis rasio

propionat dan asetat adalah 2, tetapi tidak jarang rasionya lebih dari 2 (Tabel 13.4).

Reaksi keseluruhan adalah sebagai berikut.

3 Laktat + 2 ADP + 2 Pi 2 propionat + asetat + CO2 + 2 ATP

Gambar 13.10 Fermentasi propionat oleh Propionibacterium.

Tampak bahwa reduksi piruvat menjadi suksinil KoA merupakan rute pada jalur

reduktif-asam sitrat, Jadi boleh dikatakan bahwa fermentasi propionat pada

Propionibacterium melalui jalur reduktif-asam sitrat. Produksi propionat dan asetat dapat

ditingkatkan, jika tekanan gas CO2 diturunkan.

FERMENTASI ASAM CAMPURAN

Pada kondisi anaerob dan ketiadaan akseptor elektron, anggota

Enterobacteriaceae (Escherichia, Enterobacter, Salmonella, Klebsiella, dan Shigella)

memfermentasi glukosa menjadi campuran asetat, format, suksinat, etanol, CO2 dan H2

(Tabel 13.5). Semua produk diperoleh dari fosfoenol piruvat (PEP) (Gambar 13.11).

Atau lebih tepatnya suksinat dari PEP. Lainnya dari piruvat (piruvat diperoleh dari PEP).

Tabel 13.4 Fermentasi propionat oleh Propionibacterium (mmol/100 mmol glukosa)Bakteri Substrat Propionat Asetat CO2 Suksinat Rasio

P/A

P. freudenreichii

P. freudenreichiiP. freudenreichiiP. shermaniiP. shermaniiP. shermaniiP. peterssoniiP. arabinosum

GlukosaLaktat

GliserolGlukosaLaktat

GliserolGlukosaGlukosa

134,063,5

100,0140,0

62,5102,0114,0148,0

52,635,3

9,956,836,510,654,010,0

46,235,8

6,956,437,0

7,351,063,6

12,637,811,712,0

9,311,211,1

7,9

2,561,8

10,02,46

1,710,0

2,114,8

Sumber: Moat A.G. & J.W. Foster. 1995. Microbial Physiology. Wiley-Lyss, New York

Gambar 13.11 Fermentasi asam campuran.

Suksinat diperoleh dari karboksilasi PEP melalui jalur reduktif-asam sitrat (jalur

suksinat). PEP diubah menjadi oksaloasetat oleh PEP karboksilase. Perubahan

oksaloasetat menjadi suksinat melalui rute dan melibatkan enzim yang sama seperti

pada perubahan oksaloasetat menjadi suksinat pada fermentasi propionat pada bakteri

Propionibacterium. Laktat diperoleh langsung dari reduksi piruvat oleh laktat

dehidrogenase. Format diperoleh dari pemecahan piruvat (hasil lain adalah asetil KoA),

kemudian dapat diubah CO2 dan H2. Asetil KoA dapat diubah menjadi etanol maupun

asetat.

Lactobaciilus helveticus memfermentasi sitrat dan laktosa menjadi laktat. Akan

tetapi, jika laktosa ditiadakan, terjadi perubahan produk fermentasi, yaitu menghasilkan

asetat dan suksinat, bukan laktat. Asetoin dan diasetil tidak terdeteksi pada produk

fermentasi L. helveticus. Tampaknya produksi asetat dari piruvat (hasil konversi sitrat)

diperantarai NADH okdidase, bukan asetat kinase.

Tabel 13.5 Produk hasil fermentasi asam campuran (mmol/100 mmol glukosa)Produk Escherichia

coliEnterobacter

aerogenesSalmonella

typhiiLaktatEtanolAsetatFormat CO2

H2

Suksinat 2,3-butandiol

108,841,332,0

1,654,045,218,0

0

53,459,410,1

5,5126,9

44,26,0

34,6

121,725,425,639,3

00

10,80

Rekoveri C (%) 100,0 99,5 93,3Sumber: Moat A.G. & J.W. Foster. 1995. Microbial Physiology. Wiley-Lyss, New York

FERMENTASI BUTANDIOL

Fermentasi butandiol ditandai dengan produksi 2,3-butandiol dan asetoin (juga

laktat, etanol, dan format; Gambar 13.12).Glukosa dioksidasi melalui glikolisis jalur EMP

menjadi piruvat. Terdapat 3 arah metabolisme piruvat pada fermentasi butandiol. Piruvat

direduksi menjadi laktat oleh laktat dehidrogenase. Piruvat juga dapat dipecah menjadi

asetil KoA dan format oleh piruvat format liase. Asetil KoA terduksi menjadi asetaldehid

oleh asetaldehid dehidrogenase, kemudian direduksi menjadi etanol oleh etanol

dehidrogenase. Piruvat juga mengalami dekarboksilasi menjadi asetaldehid aktif,

kemudian diubah menjadi asetolaktat. Kedua reaksi ini dikatalisis asetolaktat sintase.

Dekarboksilasi asetolaktat menjadi asetoin oleh asetolaktat dehidrogenase. Reduksi

Asetoin menjadi 2,3-butandiol oleh 2,3-butandiol dehidrogenase.

Produksi butandiol dipengaruhi oleh nilai pH media. Fermentasi glukosa menjadi

butandiol mudah terjadi pada media dengan nilai pH sedikit asam, tetapi, jika nilai pH

media menjadi asam, glukosa cenderung diubah menjadi asam campuran.

Gambar 13.12 Fermentasi butandiol.

FERMENTASI BAKTERI RUMEN

Bakteri rumen Ruminococcus albus mampu memfermentasi glukosa menjadi

etanol, asetat, hidrogen, dan karbondioksida melalui glikolisis jalur EMP (Gambar

13.13). Glukosa lebih dulu dioksidasi menjadi piruvat oleh enzim-enzim pada glikolisis

jalur EMP. Piruvat kemudian didekarboksilasi oleh piruvat feredoksin oksidoreduktase

menjadi asetil KoA dan gas hidrogen. Asetil KoA direduksi menjadi asetaldehid oleh

asetaldehid dehidrogenase, kemudian direduksi menjadi etanol oleh etanol

dehidrogenase. Asetil KoA dapat juga mengalami fosforilasi menjadi asetil fosfat oleh

fosfotransasetilase. Asetil fosfat mengalami defosforilasi menjadi asetat oleh asetat

kinase. Laktat pada fermentasi rumen dihasilkan oleh bakteri laktat rumen, tetapi butirat

pada fermentasi rumen dapat dihasilkan oleh bakteri maupun protozoa rumen.

Ketika R. albus ditumbuhkan bersama (kultur campuran) dengan bakteri

metanogen terdapat perubahan produksi hasil fermentasi (Gambar 13.13). Hidrogen

yang dihasilkan melalui glikolisis jalur EMP dan dekarboksilasi piruvat dimanfaatkan oleh

bakteri metanogen untuk penambatan karbondioksida menjadi metana. Karena

ketiadaan hidrogen, maka sedikit NADH yang diproduksi R. albus. Hal ini

mengakibatkan asetil KoA bukan diubah menjadi etanol, tetapi diubah menjadi asetat.

Perubahan asetil KoA menjadi asetat tidak memerlukan NADH.

Gambar 13.13 Fermentasi etanol-asetat oleh bakteri rumen R. albus.