Fermentasi

Fermentasi sedang berlangsung.

Fermentasi atau peragian adalah proses produksi energi dalam sel dengan keadaan anaerobik (tanpa oksigen) yang menghasilkan perubahan biokimia organik melalui aksi enzim. Fermentasi adalah suatu bentuk respirasi anaerobik secara umum, namun ada definisi yang lebih tepat yang mendefinisikan fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik tanpa kehadiran akseptor elektron eksternal. Contoh fermentasi dapat ditemui dalam pembuatan roti, minuman anggur (bir) dan pembuatan keju.

Gula adalah bahan umum dalam fermentasi. Beberapa contoh produk fermentasi adalah etanol, asam laktat dan hidrogen. Namun, beberapa komponen lain juga dapat dihasilkan dari fermentasi, seperti asam butirat dan aseton. Ragi adalah bahan fermentasi yang umum digunakan untuk menghasilkan etanol dalam bir, anggur, dan minuman beralkohol lainnya. Respirasi anaerob (tanpa akseptor elektron eksternal) pada otot mamalia selama kerja keras dapat diklasifikasikan sebagai bentuk fermentasi yang menghasilkan asam laktat sebagai produk sampingan. Akumulasi asam laktat ini dapat menyebabkan kelelahan otot.

Definisi

Arti kata fermentasi berasal dari bahasa Latin yakni “fervere” atau “to boil” yang berarti memasak dalam bahasa Indonesia. Dalam Kamus Besar Bahasa Indonesia, kata fermentasi dikenal juga dengan nama peragian yang didefinisikan sebagai penguraian metabolik senyawa organik oleh mikroorganisme yang menghasilkan energi yang pada umumnya berlangsung dengan kondisi anaerobik dan dengan pembebasan gas. Fermentasi merupakan proses produksi energi dalam sel dengan keadaan ketidaktersediaan bebas oksigen yang menghasilkan perubahan biokimia organik melalui aksi enzim. Definisi fermentasi itu sendiri ada banyak. Adapun beberapa pengertian dari fermentasi yang juga dikenal dengan peragian dalam penggunaannya secara umum hingga ilmiah yakni 1) Penggunaan umum, fermentasi adalah metode pengawetan makanan dengan menggunakan mikroorganisme dan atau proses menghasilkan minuman yang mengandung alkohol maupun produk susu; 2) Penggunaan umum dalam industri, fermentasi adalah tiap-tiap proses mikroba yang terjadi bergantung ketersediaan udara (dengan atau tanpa oksigen); 3) Penggunaan istilah dalam ilmiah sedang, fermentasi adalah proses metabolisme, di mana pelepasan energi terjadi hanya dalam keadaaan anaerobik; serta 4) Penggunaan istilah paling ilmiah, fermentasi adalah proses metabolisme, di mana energi dari gula atau senyawa lain dilepas, tanpa adanya oksigen (respirasi anaerob) atau sistem transpor elektron, maupun molekul organik sebagai akseptor elektron alternatif.

Sejarah

Fermentasi telah dikenal sejak zaman dahulu, dan dengan minat yang berkembang dalam memulihkan produk fermentasi seperti asam organik, bahan adiktif makanan, dan bahan kimia karena gerakan menuju kelestarian lingkungan dan penciptaan sumber daya diperbaharui. Fermentasi pernah dianggap sebagai reaksi kimia yang tidak ada hubungannya dengan makhluk hidup, menurut ahli kimia seperti Antoine Lavoisier. Charles Cagnard de La Tour, Theodor Schwann, dan Friedrich Kützing secara independen menerbitkan sebuah makalah pada tahun 1837 yang menunjukkan bahwa ragi, yang telah digunakan dalam pembuatan bir dan pembuatan anggur selama beberapa generasi, adalah mikroorganisme hidup yang mampu berkembang biak dengan tunas. Schwann menunjukkan bahwa fermentasi hanya dapat dimulai kembali setelah penambahan ragi baru dengan merebus jus anggur dan membunuh ragi. Terlepas dari temuan ini, banyak ahli kimia terus menolak bahwa organisme hidup memiliki peran dalam fermentasi. Pada tahun 1857, Louis Pasteur merancang penelitan tentang keberadaan ragi dengan proses fermentasi. Ia kemudian mendefinisikan fermentasi sebagai "spontaneous generation theory". Produksi menggunakan enzim mikroba, asam organik, dan ragi memulai industri fermentasi pada awal 1900-an. Ahli kimia Jerman, Eduard Buchner, pemenang Nobel Kimia tahun 1907, berhasil menjelaskan bahwa fermentasi sebenarnya diakibatkan oleh sekeresi dari ragi yang ia sebut sebagai zymase. Penelitian yang dilakukan ilmuan Carlsberg (tempat pembuatan bir) di Kopenhagen, Denmark mengembangkan skala pH pada tahun 1909 yang semakin meningkatkan pengetahuan tentang ragi dan brewing (cara pembuatan bir). Ilmuan Carlsberg tersebut dianggap sebagai pendorong dari berkembangnya biologi molekular.

Selama 30 tahun terakhir, sejak abad kedua puluh telah banyak senyawa pelarut yang ditemukan menggunakan teknik fermentasi. Namun, dengan aksesibilitas minyak bumi setelah Perang Dunia II, banyak teknik manufaktur kimia berbasis fermentasi digantikan oleh proses sintesis menggunakan bahan baku minyak mentah. Bisnis farmasi, yang dibentuk sekitar tahun 1950, terus menggunakan fermentasi. Arti dari fermentasi berbeda baik bagi seorang ahli biokimia dan ahli "mikrobiologi industri". Fermentasi terkait dengan penciptaan energi dengan mengkatabolisme molekul organik yang berfungsi sebagai donor elektron dan akseptor elektron terminal dari sudut pandang biologis "ahli biokimia". Fermentasi terkait dengan proses pembuatan barang yang menggunakan mikroba sebagai biokatalis, menurut "ahli mikrobiologi industri".

Jenis dan peran mikroba

Fermentasi diperkirakan menjadi cara untuk menghasilkan energi pada organisme purba sebelum oksigen berada pada konsentrasi tinggi di atmosfer seperti saat ini, sehingga fermentasi merupakan bentuk purba dari produksi energi sel. Ada banyak mikroorganisme atau mikroba dalam proses fermentasi makan berbagai mikroorganisme, termasuk ribuan bakteri, ragi (yeast), dan jamur (kapang/mold). Mikroorganisme yang berperan dalam penguraian komponen organik dalam bahan diperlukan untuk memfermentasi makanan. Bakteri asam laktat (BAL), bakteri asam asetat (BAA), bakteri bacilli atau bakteri lain, ragi, atau jamur berfilamen sering digunakan mikroorganisme.

Produk fermentasi mengandung energi kimia yang tidak sepenuhnya teroksidasi tetapi tidak dapat menjalani metabolisme lebih lanjut tanpa adanya oksigen atau akseptor elektron lain (lebih teroksidasi lebih tinggi), dan karena itu sering dianggap sebagai limbah. Hasilnya adalah bahwa fermentasi menghasilkan ATP kurang efisien daripada fosforilasi oksidatif, di mana piruvat sepenuhnya teroksidasi menjadi karbon dioksida. Fermentasi menghasilkan dua molekul ATP per molekul glukosa dibandingkan dengan 36 ATP yang dihasilkan oleh respirasi aerobik.

Tahap akhir fermentasi adalah konversi piruvat menjadi produk fermentasi akhir. Langkah ini tidak menghasilkan energi, tetapi penting untuk sel-sel anaerobik karena meregenerasi nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+), yang diperlukan untuk glikolisis. Hal ini diperlukan untuk fungsi seluler normal karena glikolisis adalah satu-satunya sumber ATP dalam kondisi anaerobik.

Bakteri asam laktat

Produksi tempe dari hasil fermentasi kedelai.

Fermentasi asam laktat adalah jenis respirasi yang terjadi di sel hewan atau manusia ketika kebutuhan oksigen tidak terpenuhi karena terlalu banyak bekerja. Asam laktat menumpuk di sel otot, menyebabkan kram dan kelelahan. Laktat menumpuk sebagai produk limbah di otot, menyebabkan kelelahan dan nyeri, tetapi dibawa perlahan oleh darah ke hati, di mana ia diubah kembali menjadi piruvat. Glikolisis memecah glukosa menjadi dua molekul asam piruvat, menghasilkan dua ATP dan dua NADH.

Asam laktat yang dibuat dengan cara ini menurunkan pH lingkungan pertumbuhan, menghasilkan rasa asam. Ini juga mencegah pertumbuhan berbagai mikroba lainnya. Dari kategori ini, dua kelompok kecil mikroorganisme diketahui yakni organisme homolactic (homofermentative) dan heterolactic (heterofermentative). Organisme homofermentative yang menghasilkan asam laktat dari metabolisme gula. Sedangkan, organisme heterofermentative menghasilkan karbon dioksida dan sejumlah kecil senyawa volatil, alkohol, dan ester lainnya, yang berdampingan dengan asam laktat.

Bakteri asam propionat

Kelompok ini termasuk bakteri gram positif berbentuk batang yang termasuk dalam genus Propionibacterium. Karena kemampuannya memfermentasi karbohidrat dan asam laktat untuk membuat asam propionat, asetat, dan karbon dioksida, bakteri ini berguna dalam fermentasi makanan. Organisme ini memainkan peran penting dalam proses fermentasi keju Swiss.

Bakteri asam aseta

Cuka hasil fermantasi yang beraroma dan dijual Prancis.

Bakteri asam asetat (acetobacter acetic) melakukan fermentasi dengan menggunakan etanol sebagai perubahan kimianya. Asam aseta adalah bakteri gram negatif berbentuk batang yang termasuk dalam genus Acetobacter yakni acetobacter aceti. Bakteri asam asetat memiliki bersifat asam toleran, tumbuh dengan baik di bawah pH 5.0. Metabolisme lebih aerobik (tidak seperti bakteri asam propionat), tetapi kapasitasnya untuk mengoksidasi alkohol dan karbohidrat lain menjadi asam asetat, yang digunakan dalam produksi cuka, adalah peran kuncinya dalam fermentasi makanan. Contohnya, proses pengeringan biji kopi. Contoh lainnya, fermentasi cuka yang merupakan fermentasi dalam keadaan aerobik.

Alkohol

Fermentasi anggur dalam pembuatan wine.

Fermentasi alkohol, juga disebut fermentasi etanol adalah proses biologi di mana gula seperti glukosa, fruktosa, dan sukrosa diubah menjadi energi seluler dan juga menghasilkan etanol dan karbon dioksida sebagai produk sampingan. Fermentasi alkohol merupakan suatu reaksi pengubahan glukosa menjadi etanol (etil alkohol) dan karbon dioksida. Organisme yang berperan yaitu Saccharomyces cerevisiae (ragi) untuk pembuatan tape, roti atau minuman keras.

Reaksi kimianya:

${\displaystyle C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow 2\ C_{2}H_{5}OH+2\ CO_{2}}$

Reaksi

Reaksi dalam fermentasi berbeda-beda tergantung pada jenis gula yang digunakan dan produk yang dihasilkan. Secara singkat, glukosa (C₆H₁₂O₆) yang merupakan gula paling sederhana, melalui fermentasi akan menghasilkan etanol (2C₂H₅OH). Reaksi fermentasi ini dilakukan oleh ragi, dan digunakan pada produksi makanan.

Persamaan Reaksi Kimia

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 2 ATP (Energi yang dilepaskan:118 kJ per mol)

Dijabarkan sebagai

Gula (glukosa, fruktosa, atau sukrosa) → Alkohol (etanol) + Karbon dioksida + Energi (ATP)

Jalur biokimia yang terjadi, sebenarnya bervariasi tergantung jenis gula yang terlibat, tetapi umumnya melibatkan jalur glikolisis, yang merupakan bagian dari tahap awal respirasi aerobik pada sebagian besar organisme. Jalur terakhir akan bervariasi tergantung produk akhir yang dihasilkan.

Fermentasi makanan

Di Indonesia, fermentasi tempe dan tape (baik tape ketan maupun tape singkong) adalah proses fermentasi yang terkenal. Fermentasi menciptakan berbagai bahan kimia yang berharga dalam berbagai aplikasi, termasuk makanan dan obat-obatan. Tape, tempe, yogurt, dan tahu adalah contoh makanan yang melalui proses fermentasi.

• Fermentasi industri