TINJAUAN PUSTAKA
Proses Pelapukan
Pelapukan dan perubahan warna pada kayu disebabkan oleh fungi dan bakteri. Fungi Fungi dan da n bakteri adalah sumber kerugian utama pada produksi kayu dan da n penggunaannya. Pelapukan adalah tipe utama kerusakan kayu yang disebabkan oleh fungi. Pelapukan pada dasarnya adalah hasil dari aktivitas fungi. Proses aktivitas fungi menyebabkan perubahan warna dan sifat fisika dan kimia. Hanya fungi kelompok tertentu yang memiliki kemampuan enzimatik sehingga menyebabkan pelapukan. Pelapukan mengakibatkan perubahan drastis pada kekuatan kayu dan mengakibatkan kehancuran (Zabel, 1992). Enzim yang berperan dalam proses degradasi adalah enzim ekstraseluler. Fungi yang hidup pada bahan lignoselulosa mengeluarkan enzim yang dapat mendegradasi bahan tersebut sebagai nutrisinya. Bahan lignoselulosa yang terdiri atas selulosa, hemiselulosa dan lignin merupakan bahan polimer sehingga enzim yang
disekresikan
fungi
akan
mengubah
bahan
lignoselulosa
menjadi
monomernya agar mudah masuk kedalam sel. Lignolitik berhubungan dengan produksi enzim ekstraseluler pendegradasi lignin yang dihasilkan oleh fungi pelapuk putih. Dua enzim yang berperan dalam proses tersebut adalah fenol oksidase (lakase) dan peroksidase atau lignin peroksidase/LiP dan manganase peroksidase/MnP (Herliyana et al., 2008). Lignin
Lignin adalah suatu polimer yang terdiri dari unit-unit fenilpropana dengan sedikit ikatan yang dapat dihidrolisis (Artiningsih, 2006). Lignin merupakan
Universitas Sumatera Utara
polimer dengan struktur aromatik dan mempunyai bentuk kompleks tiga dimensi yang tersusun dari unit fenilpropana, dengan struktur aromatik yang terbentuk melalui unit-unit fenilpropana (Sjorberg, 2003). Lignin merupakan senyawa kimia yang umumnya diperoleh pada kayu dan merupakan bagian integral dari dinding sel tumbuhan. Lignin adalah bahan polimer alam terbanyak kedua setelah selulosa. Lignin merupakan polimer yang sukar larut dalam asam dan basa kuat dan sulit terdegradasi secara kimiawi maupun secara enzimatis. Lignin pada kayu terdapat pada lamela tengah antara selulosa , hemiselulosa, dan pektin yang berfungsi sebagai perekat atau penguat dinding sel. Lignin berperan sangat penting bagi tumbuhan sebagai pengangkut air, nutrisi, dan metabolis dalam sel tumbuhan. 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). Disamping memberikan bentuk yang kokoh terhadap tanaman, lignin juga membentuk ikatan yang kuat dengan polisakarida
yang melindungi
polisakarida
dari
degradasi
mikroba
dan
membentuk struktur lignoselulosa. Lignin memiliki komponen struktural yang memberikan sifat kekakuan dan kekuatan pada kayu sehingga lignin mempunyai peran yang besar terhadap sifat mekanik kayu. Lignin dapat memperkuat jaringan pengangkut dan membantu transportasi air dan secara fisik bekerja sama dengan xylem (Makela, 2009). Disamping memberikan bentuk yang kokoh terhadap tanaman, lignin juga membentuk ikatan yang kuat dengan polisakarida yang melindungi polisakarida
Universitas Sumatera Utara
dari degradasi mikroba dan membentuk struktur lignoselulosa (Suparjo, 2008). Lignin terbentuk dari gugus aromatik yang saling dihubungkan dengan rantai alifatik, terdiri atas 2-3 buah karbon. Lignin membentuk ikatan kovalen dengan polisakarida-polisakarida yang lain. Unit fenil propana terikat satu sama lain dengan ikatan eter dan ikatan C-C, dengan persentasi ikatan eter lebih banyak (Sigit, 2009).
Para Kumaril
Alkohol Koniferil
Alkohol Sinapil
Gambar 2.2. Satuan Penyusun Fenilpropana ( Steffen, 2003).
Struktur lignin pada kayu daun lebar memiliki komposisi yang lebih kompleks dibandingkan kayu daun jarum. Jenis kayu daun lebar disusun oleh unit siringil dan guaiasil dengan perbandingan tertentu, sedangkan lignin kayu daun jarum didominasi oleh unit guaiasil dengan sedikit tambahan p-hidroksiphenil (Agustina, 2009). Polimer alam kedua ini sangat melimpah dan membentuk 15 sampai 30 persen dinding sel kayu dari gymnospermae (softwood ) dan angiospermae (hardwood ). Lignin yang terdapat pada dinding sel, mendukung
bentuk struktural, impermeabilitas, pertahanan terhadap mikroba dan oksidative stress. Secara struktural, lignin memiliki bentuk heteropolimer yang amorf , tidak
larut dalam air dan terdiri atas 3 jenis fenilpropana yaitu coniferyl alcohol (guaiacyl propanol), coumaryl alcohol (p-hydroxyphenylpropanol), and sinapyl alcohol (syringyl propanol ). Coniferyl alcohol adalah komponen utama dari softwood lignin, sementara, guaiacyl and syringyl alcohols konstituen utama dari hardwood lignin (Perez et al., 2002).
Universitas Sumatera Utara
Degradasi Lignin
Degradasi lignin adalah tahap perubahan karbon dari lingkungan. Di alam, terjadi degradasi tanaman yang telah mati oleh mikroorganisme saprofit. Meskipun pengendalian terhadap mikroorganisme telah banyak dilakukan namun masih banyak mikroorganisme yang dapat mendegradasi lignin dengan menggunakan sistem enzimatik. Degradasi lignin akan mengakibatkan kandungan lignin pada kayu berkurang. Jamur pelapuk lignin adalah jamur yang mampu merombak selulosa dan
lignin
yang
dikenal
sebagai
jamur
pelapuk
putih.
Percobaan
Siagian et al., (2003) pada serbuk kayu sengon yang diinokulasi dengan jamur P. chrysosporium menunjukkan turunnya kadar lignin 1,07%. Jamur Pelapuk Putih
Jamur pelapuk putih dari kelas Basidiomycetes, merupakan organisme yang bekerja efisien dan efektif dalam proses degradasi lignin. Proses degradasi lignin ini dimulai saat jamur pelapuk putih menembus dan membentuk koloni dalam sel kayu, lalu mengeluarkan enzim yang berdifusi melalui lumen dan dinding sel. Jamur ini menyerang komponen lignin dari kayu hingga menyisakan selulosa dan hemiselulosa yang tidak terlalu berpengaruh. Akibatnya, terjadi penurunan kekuatan fisik kayu dan pembengkakan jaringan kayu (Sigit, 2009). Jamur pelapuk
putih
merupakan kelompok jamur yang dikenal
menghasilkan
enzim
ligninolitik
mendegradasi
lignin
untuk
secara
mendapatkan
ekstraseluler hara
yang
sehingga diperlukan
mampu untuk
pertumbuhannya. Jamur yang paling efisien dalam mendegradasi lignin dalam tanah ialah Abortiporus biennis, Bjerkandera adusta, Dichomitus squalens,
Universitas Sumatera Utara
P. chrysosporium, Phanerochaete sordida, P. radiata, Pleurotus ostreatus, Trametes hirsuta, dan Trametes versicolor (Toumela, 2002).
Jamur P.
chrysosporium merupakan salah satu jamur yang dapat menguraikan ikatan dan
mendegradasi lignin dengan bantuan enzim pendegradasi lignin. Jamur ini juga dapat mendegradasi polimer selulosa dan hemiselulosa (Suparjo, 2008). Jamur pelapuk putih dari kelas Basidiomycetes merupakan organisme yang bekerja efisien dan efektif dalam proses degradasi lignin. Proses degradasi lignin ini dimulai saat jamur pelapuk putih menembus dan membentuk koloni dalam sel kayu, lalu mengeluarkan enzim yang berdifusi melalui lumen dan dinding sel. Jamur ini menyerang komponen lignin dari kayu hingga menyisakan selulosa dan hemiselulosa yang tidak terlalu berpengaruh. Akibatnya, terjadi penurunan kekuatan fisik kayu dan pembengkakan jaringan kayu (Sigit, 2009). Fungi pelapuk umumnya berfungsi sebagai pembuka jalan pelapukan lain oleh mikroba yang lebih rendah tingkatannya seperti bakteri. Pada umumnya fungi yang sangat berperan dalam pendegradasi kayu adalah fungi pelapuk putih (white rot fungi ) dan fungi pelapuk coklat ( brown rot fungi ), dan keduanya sebagian besar tergolong Basidiomycetes. Fungi pelapuk putih mempunyai peran utama dalam mendegradasi komponen lignin, sedangkan fungi pelapuk coklat banyak mendegradasi selulosa dan hemiselulosa daripada lignin (Prasetya, 2005). Enzim Pendegradasi Lignin
Degradasi lignin oleh jamur pelapuk putih merupakan proses oksidatif. Enzim oksidatif merupakan enzim non-spesifik dan bekerja melalui mediator bukan protein yang berperan dalam degradasi lignin (Perez et al., 2002). Enzim
Universitas Sumatera Utara
pendegradasi lignin terdiri dari Lignin Peroksidase, Manganase Peroksidase dan Lakase (Kerem dan Hadar, 1998). Semua enzim pada awalnya dihasilkan di dalam sel, akan tetapi beberapa enzim dapat diekskresikan melalui dinding sel dan dapat berfungsi di luar sel. Oleh karena itu dikenal dua tipe enzim, yaitu enzim ekstraseluler atau eksoenzim dan intraseluler atau endoenzim. Enzim bersifat tidak stabil, aktivitasnya dapat berkurang dengan nyata atau hancur oleh berbagai kondisi fisik atau kimiawi. Adapun keadaan-keadaan yang mempengaruhi aktivitas enzim, di antaranya yaitu konsentrasi enzim, konsentrasi substrat, pH dan suhu (Pelczar dan Chan, 1986). Lignin Peroksidase (LiP)
Lignin Peroksidase (LiP) merupakan enzim yang mengandung gugus heme dengan potensial redoks yang tinggi dan disekresikan keluar sel. Lignin Peroksidase mengoksidasi gugus metoksil pada cincin aromatik non fenolik dengan menghasilkan radikal bebas. pH optimum dari enzim LiP adalah dibawah 3 tetapi enzim menunjukkan ketidakstabilan apabila berada pada kondisi yang asam, mendekati pH 4. LiP memerlukan dua jenis metabolit agar dapat berfungsi dengan baik. Kedua jenis metabolit tersebut adalah hidrogen peroksida yang juga diperlukan oleh MnP dan veratil alkohol (VA) yang digunakan sebagai mediator dalam reaksi redoks (Sigit, 2008). Veratil alkohol merupakan substrat dari enzim LiP dan dihasilkan untuk meningkatkan kerja enzim LiP dan melindungi LiP dari inaktivasi akibat kelebihan H2 O 2 (Gadd, 2001). LiP
ditemukan
pertama
kali
pada
jamur
P.
chrysosporium.
P.
chrysosporium merupakan jamur pelapuk putih yang paling banyak dipelajari,
merupakan perwakilan dari kelompok LiP-MnP. P. chrysosporium memiliki
Universitas Sumatera Utara
kemampuan mendegradasi paling efisien, dan beberapa strain sering digunakan secara industrial, seperti pada degradasi lignin dan biopulping (Kerem dan Hadar, 1998). Seperti peroxidase lainnya, LiP mampu dalam oksidasi dari berbagai jenis senyawa
fenolik
(guaicol,
vanillyl
alcohol,
cathecol,
syringic
acid,
acetosyringone, dan lainnya) (Wong, 2008). Beberapa jenis jamur yang dapat
menghasilkan
LiP
ialah
Panus
sp.,
Pycnoporus
coccineus ,
Pycnoporus
sanguineus and Perenniporia medulla-panis (Dashtban et al., 2010). Manganase Peroxidase (MnP)
Manganase Peroxidase (MnP) merupakan enzim ekstraseluler yang mengandung glikosilat heme yang disekresikan oleh berbagai jenis jamur pelapuk putih dan menggunakan H 2 O 2 untuk mengkatalis oksidasi dari Mn (II) menjadi Mn (III). Aktivitas MnP dirangsang oleh asam organik yang berfungsi sebagai 3+
pengkelat atau penstabil Mn . Mekanisme reaksinya pada keadaan awal MnP dioksidasi oleh H 2 O 2 membentuk MnP senyawa I yang dapat direduksi oleh Mn
2+
dan senyawa fenol membentuk MnP senyawa II (Sigit, 2008). MnP merupakan kelas kedua dari kelompok peroksidase yang dihasilkan oleh jamur secara ekstraseluler (Gadd, 2001). Ekstraseluler MnP yang pertama dimurnikan dari P. chrysosporium, dengan ekspresi dan produksi yang ditunjukkan pada kehadiran Mn dalam media kultur (Wong, 2008). MnP hanya dihasilkan pada sejumlah jamur Basidiomycetes (Steffen, 2003). Beberapa jenis jamur yang dapat menghasilkan MnP ialah Panus tigrinus, Lenzites betulinus , Phanerochaete flavido-alba , A. bisporus, Bjerkandera
sp., Nematoloma frowardii (Dashtban et al., 2010), Coliours versicolor , P. chrysosporium (Kerem dan Hadar, 1998).
Universitas Sumatera Utara
Lakase
Lakase merupakan anggota dari kelompok kecil protein yang dikenal sebagai blue multi copper oxidases. Lakase mengandung empat atau lebih atom tembaga dan mempunyai peranan dalam mengurangi oksigen secara lengkap di dalam air. Lakase pada jamur ligninolitik berupa glikoprotein. Sampai tahun 1980, lakase merupakan satu-satunya enzim yang disekresikan oleh jamur yang mampu mengoksidasi polifenolik. Lakase tidak mampu mengoksidasi senyawa non fenolik, yang memiliki potensial redoks yang lebih tinggi dibandingkan senyawa fenolik (Gadd, 2001). Lakase menggunakan molekul oksigen untuk mengoksidasi berbagai jenis senyawa aromatik dan senyawa non aromatik melalui reaksi katalisasi radikal bebas. Lakase mengkatalisis oksidasi satu elektron dari fenol menjadi radikal fenoksi. Seperti MnP, lakase dapat mengkatalisis pembelahan alkil-fenil dan C α C β dari lignin dimer dan dapat mengkatalisis dimetilisasi dari senyawa lignin (Gold dan Alic, 1993). Beberapa jenis jamur yang dapat menghasilkan enzim lakase ialah Omphalina sp. (Siswanto et al., 2007), Lentinus tigrinus, P. ostreatus, Cerrena unicolor strain, T. Versicolor , Trametes sp. strain AH, Trametes pubescens dan Cyathus bulleri (Dashtban et al., 2010), P. chrysosporium (Gold
dan Alic, 1993), Fusarium solani (Kirk dan Farrell, 1987).
Universitas Sumatera Utara
