Protein Sel Tunggal

PROTEIN SEL TUNGGAL

Perkembangan ilmu pengetahuan saat ini cenderung mengarah ke jalur bioteknologi, sangat banyak aspek yang berkembang di jalur ilmu yang satu ini. Seolah-olah menjadi sebuah trend yang sangat menarik di jaman ini.

Bioteknologi didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajarai tentang pemanfaatan makhluk hidup rekayasa genetik untuk keperluan hidup manusia. Saat ini trend pemanfaatan mekhluk rekayasa genetik ini cenderung terpusat pada mikroorganisme, karena mikroorganisme merupakan mahkluk berjasad renik yang memiliki waktu hidup yang relatif singkat, sehingga dapat dengan mudah diperoleh biomassa yang besar dan cara pengontrolan mikroba yang mudah.

Sangat banyak sekali pemanfaatan mikroba di dunia industri kecil maupun besar, salah satunya adalah produksi protein sel tunggal yang potensial dijadikan lahan bisnis.

Protein sel tunggal adalah bahan makanan berkadar protein tinggi yang berasal dari mikroba. Istilah protein sel tunggal (PST) digunakan untuk membedakan bahwa PST berasal dari organisme bersel tunggal atau banyak. Pemanfaatan mikroorganisme sehingga mengahasilkan makanan berprotein tinggi secara komersial dimulai sejak Perang Dunia I di Jerman dengan memproduksi khamir torula. Operasi utama dalam produksi protein sel tunggal adalah fermentasi yang bertujuan mengoptimalkan konversi substrat menjadi massa microbial. 
Kecemasan akan kekurangan pangan dan malnutrisi di dunia pada tahun 1970-an telah meningkatkan perhatian pada sel tunggal. Sebagian besar dari bobot kering sel dari hampir semua spesies memiliki kandungan protein yang tinggi. Oleh karena itu, bobot kering sel tunggal memiliki nilai gizi yang tinggi.

Pengertian Protein Sel Tunggal

Protein sel tunggal adalah seluruh bahan-bahan protein yang berasal dari mikroorganisme seperti ganggang, bakteri, ragi, kapang dan jamur tinggi yang ditumbuhkan dalam kultur skala besar. Protein ini dipakai untuk konsumsi manusia atau hewan. Produksi protein sel tunggal  juga berisi bahan nutrisi lain, seperti karbohidrat, lemak, vitamin mineral dan senyawa nitrogen nonprotein. Penerapan bioteknologi pada industri ini adalah bagaimana cara menghasilkan mikroorganisme dalam jumlah besar untuk digunakan sebagai sumber protein.

Mikroorganisme yang dibiakkan untuk protein sel tunggal dan digunakan sebagai sumber protein untuk hewan atau pangan harus mendapat perhatian secara khusus. Mikroorganisme yang cocok antara lain memiliki sifat tidak menyebabkan penyakit terhadap tanaman, hewan, dan manusia. Selain itu, nilai gizinya baik, dapat digunakan sebagai bahan pangan atau pakan, tidak mengandung bahan beracun serta biaya produk yang dibutuhkan rendah. Mikroorganisme yang umum digunakan sebagai protein sel tunggal, antara lain alga Chlorella, Spirulina, dan Scenedesmus; dari khamir Candida utylis; dari kapang berfilamen Fusarium gramineaum; maupun dari bakteri.

Protein sel tunggal yang berasal dari kapang berfilamen disebut mikroprotein. Di Amerika Serikat, mikroprotein telah diproduksi secara komersial bernama quorn. Quorn dibuat dengan cara menanam kapang ditempat peragian yang berukuran besar. Setelah membuang air dari tempat peragian, makanan berharga yang tertinggal dicetak menjadi balok-balok yang mudah dibawa.

Kemajuan ilmu pengetahuan dalam bidang fisiologi, nutrisi, dan genetika mikroba telah banyak memperbaiki metode untuk menghasilkan protein sel tunggal dari berbagai macam mikroba dan bahan mentah.

Perkembangan Protein Sel Tunggal

Mengkonsumsi mikroba sebagai bagian makanan manusia bukan peristiwa baru. Sejak zaman purba, penduduk telah memakannya dalam bentuk lain. Misalnya, sel ragi yang merupakan komponen dalam adonan roti; bakteri asam laktat terkandung dalam keju; susu yang di fermentasi seperti yoghurt; dan saus yang difermentasi; dan kapang yakni bahan yang digunakan untuk membuat makanan dari kedelai dan ikan yang diragikan seperti tempe, oncom, dan pindang.

Teknologi modern untuk membuat protein sel tunggal berasal dari tahun 1879 di Inggris, diperkenalkannya adonan yang dianginkan untuk membuat ragi roti ( Saccharomyces cerevisiae ). Semasa Perang Dunia I di Jerman, ragi roti dihasilkan untuk konsumsi sebagai tambahan protein penduduk. Molasse ( tetes ) dipakai sebagai sumber karbon dan energi untuk membiakkan ragi, sedangkan garam amonium dipakai sebagai sumber nitrogen.

Pada tahun-tahun lebih akhir, kemajuan ilmu pengetahuan dalam bidang fisiologi, nutrisi dan genetika mikroba telah banyak memperbaiki metoda untuk menghasilkan protein sel tunggal dari berbagai macam mikroba dan bahan mentah. Umpamanya, bakteri dengan kandungan protein yang tinggi sampai 72 persen atau lebih dapat dihasilkan terus menerus dengan menggunakan metanol sebagai bahan mentah, dan mikrobanya berupa ragi yang dibiakkan dalam media yang kadar selnya tinggi sekali, sehingga ini dapat mengurangi biaya energi untuk pengeringan.

Faktor Pendukung Perkembangbiakan Protein Sel Tunggal

Produk protein sel tunggal sangat bergantung pada perkembangbiakan skala besar dari mikroorganisme tertentu yang diikuti dengan proses pendewasaan dan pengolahan menjadi bahan pangan. Ada dua factor pendukug pengembangbiakan mikroorganisme untuk protein sel tunggal, yaitu:

a.    Laju pertumbuhan sangat cepat jika dibandingkan dengan sel tanaman atau sel hewan dan waktu yang diperlukan untuk penggandaan relatif singkat;

b.    Berbagai macam substrat yang digunakan bergantung pada jenis mikroorganisme yang digunakan.

Langkah-langkah Produksi Protein Sel Tunggal

Langkah-langkah produksi protein sel tunggal sebagai berikut.

a.       Pemilihan dan penyiapan sumber karbon, beberapa perlakuan fisik dan kimiawi terhadap bahan dasar yang diperlukan
b. Penyiapan media yang cocok dan mengandung sumber karbon, sumber nitrogen, fosfor, dan unsur-unsur lain yang penting
c. Pencegahan kontaminasi media
d. Pembiakan mikroorganisme yang diperlukan
e. Pemisahan biomassa microbial dari cairan fermentasi
f. Penanganan lanjut biomassa

Produksi Protein Sel Tunggal

Mikroba yang berfotosintesis dan yang tidak berfotosintesis dapat sama-sama dipakai untuk memproduksi protein sel tunggal. Sekurangnya mikroba ini memerlukan sumber karbon dan energi, sumber nitrogen, dan suplai unsur nutrisi lain, seperti fosfor, sulfur, besi, kalsium, magnesium, mangan, natrium, kalium dan unsur jarang, untuk tumbuh dalam lingkungan air. Beberapa mikroba tidak dapat mensintesa asam amino, vitamin, dan kandungan seluler lain dari sumber karbon dan nitrogen sederhana. Dalam hal demikian, bahan-bahan tersebut harus juga disuplai agar mereka bias tumbuh.

Mikroba yang berfotosintesis

Ganggang dan bakteri tergolong mikroba berfotosintesis yang digunakan untuk memproduksi protein sel tunggal. Pertumbuhan berfotosintesis ganggang yang diingikan, seperti Chlorella, Scenedesmus, dan Spirulina (pada Tabel), adalah menurut reaksi sebagai berikut :

 

Tabel proses pilihan untuk membuat protein sel tunggal pada ganggang

Organisme	Bahan Mentah	Produksi	Produsen atau Pengembang
Chlorella sp.	CO₂ (dengan foto-2 sintesa); sirup tebu, tetes (non-fotosintesa)	2 metrik ton/hari	Taiwan Chlorella Manufacture Co. Ltd, Taipei
Scenedesmus acutus	CO₂, urea (dengan fotosintesa)	20mg/m2/hari	Central Food Technological Research Institute, mysore, India
Spirulina maxima	CO₂, atau NaHCO3 (dengan fotosintesa)	320 metrik ton/tahun	Sosa Texcoco, SA, Mexico City

Bakteri yang berfotosintesis digunakan untuk menghasilkan protein sel tunggal ialah seperti bakteri dari genus Rhodopseudomnas, dan ini dapat pula ditumbuhkan dalam air buangan kota atau limbah industri. Di Jepang dan hasilnya digunakan sebagai pakan ternak. Bakteri ini ditumbuhkan dalam kultur campuran dengan bakteri nitrogen dan bakteri lain yang hidup aerobis. Kultur ini harus disuplai dengan bahan organik sebagai sumber karbon dan energi. Mereka tidak akan dapat tumbuh mengandalkan CO₂ dan cahaya, seperti dapat dilakuakan oleh ganggang. Kepadatan kultur bakteri adalah sekitar 1 sampai 2 gram bahan kering tiap liter.

Mikroba tidak berfotosintesa

Mikroba tidak berfotosintesa yang dibiakkan untuk memproduksi protein sel tunggal ialah seperti bakteri, kapang, ragi, dan jenis jamur lain. Mikroba ini hidup aerobosis dan karena itu harus cukup suplai oksigen agar bisa tumbuh karena termasuk karbon organis dan sumber energi. Selain itu juga merupakan sumber nitrogen, fosfor, sulfur, dan unsur mineral, yang sebelumnya disebut-sebut hanya diperlukan untuk pertumbuhan ganggang.

Karbon organik + nitrogen + mineral bahan nutrisi + oksigen → Protein sel tunggal + karbon dioksida + air panas

 Pengubahan senyawa organik menjadi protein sel tunggal oleh mikroba yang tidak berfotosintesa dapat dibuat skemanya dengan persamaan reaksi berikut :

a.    Bakteri

Banyak spesies bakteri yang baik untuk memproduksi protein sel tunggal. Salah satu ciri bakteri yang cocok untuk ini ialah tumbuhnya cepat, waktu berbiakannya pendek, masa selnya kebanyakan dapat jadi dua kali lipat dalam waktu 20 menit sampai 2 jam. Sebagai bandingan, waktu berbiak ragi adalah 2 sampai 3 jam, dan kapang serta jamur tinggi 4 sampai 16 jam.

Bakteri juga dapat tumbuh pada berbagai bahan mentah, mulai dari karbohidrat seperti pati dan gula, sampai hidrokarbon dalam bentuk gas atau cairan seperti metan dan fraksi minyak bumi, sampai pada petrokimia seperti metanol dan etanol. Sumber nitrogen yang baik bagi pertumbuhan bakteri ialah seperti amonia, garam aminium, urea nitrat, dan nitrogen organik dalam limbah. Harus ada tambahan bahan mineral ditambahkan ke dalam pembiakan, agar bahan nutrisi dapat menutupi kekurangan yang dalam air alami mungkin kadarnya tidak cukup menunjang pertumbuhan.

Spesies bakteri yang tampaknya lebih banyak memproduksi protein sel tunggal, paling baik tumbuh dalam media yang sedikit asam netral, dengan pH 5 smpai 7. Bakteri itu juga harus dapat toleran terhadap suhu dalam rentang 35 sampai 45° C, karena panas dilepaskan selama bakteri itu tumbuh. Pembiakan harus dijaga agar selalu dingin, karena fermentasi disini perlu suhu rendah. Spesies bakteri tak dapat digunakan untuk memproduksi protein sel tunggal, jika itu bersifat patogen bagi tumbuhan, hewan, atau manusia.

Menjaga agar suasana steril selama memproduksi protein sel tunggal, sangat penting, karena mikroba pencemar akan tumbuh sangat cepat dalam media kultur. Udara masuk, media bahan nutrisi dan alat fermentasi, harus disterilkan dalam seluruh proses protein sel tunggal dalam bakteri. Suasana steril pun harus terus dijaga selama seluruh kegiatan produksi.

b.   Ragi

Ragi dapat ditumbuhkan pada beberapa macam substrat, meliputi karbohidrat, baik yang kompleks seperti pati, maupun sederhana seperti gula glukosa, suklrosa, dan laktosa. Dapat pula dipakai bahan mentah yang mengandung gula seperti sirup gula, tetes, dan air diadih keju. Beberapa ragi dapat tumbuh pada karbohidrat rantai lurus, yang dapat bersumber dari minyak bumu; dapat juga tumbuh pada etanolatau metanol.

Selain itu sumber karbon, sumber nitrogen diperlukan pula. Nitrogen diperoleh dengan menambahkan amonia atau garam amonium ke media kultur. Bahan mineral juga perlu sebagai tambahan.

Kebutuhan untuk memproduksi protein sel tunggal oleh ragi sama dengan yang diuraikan untuk memproduksinya oleh baktetri. Ragi harus memiliki waktu tumbuh sekitar 2 sampai 3 jam. Ia juga harus toleran terhadap pH dan suhu. Secara genetis juga harus stabil, sehingga hasilnya memuaskan. Tidak pula menyebabkan penyakit pada tumbuhan, hewan, atau manusia.

Fermentasi ragi dapat beroperasi dalam sistem adonan atau sistem kontinyu atau dengan cara yang disebut “adonan yang disuplai bahan nutrisi”. Ragi memiliki keuntungan dibandingkan dengan bakteri untuk memproduksi protein sel tunggal. Salah satu diantaranya, karena ragi toleran terhadap lingkungan yang lebih asam, dengan pH berkisar antara 3,5 dan 4,5 bukan agak netral seperti yang diperlukan bakteri. Akibatnya, proses ragi dapat berlangsung dalam media bersih tanpa harus steril, pada pH 4,0 sampai 4,5. ini karena kebanyakan bakteri pencemar tak dapat tumbuh dengan baik dalam media asam ini.

Produksi protein sel tunggal pada ragi tergantung pada dipenuhinya kebutuhan oksigen kultur yang sedang tumbuh.

Candida utilis, yang dikenal sebagai ragi torula dan digunakan untuk tambahan pakan ternak dan konsumsi manusia, dibuat dari bahan mentah yang beraneka macam. Diantaranya adalah etanol, cairan limbah sulfit dari pabrik kertas, hidrokarbon berupa parafin normal, dan air dadih keju. Pure Culture Products Division of Hercules, Inc., memiliki pabrik protein tunggal dalam C. Ultis di Hutchinson, Minessota. Pabrik itu berkapasitas 6.800 ton setahun.

Pabrik itu dioperasikan dengan sistem kontinyu dan dalam suasana steril. Sebagai sumber energi dan karbon digunakan etanol. Sel ragi diangkat terus-menerus, dicuci, dan dikeringkan dengan semprotan. Produk ini dipakai untuk makanan. Selanjutnya dapat diproses untuk menghasilkan bumbu penyedap. Hasil biasasekitar 0,7 metrik ton ragi kering untuk tiap metrik ton etanol yang terpakai. Kandungan protein produk itu berkisar antara 50 dan 55 persen.

Pabrik berskala komersial di Amerika Serikat dan Eropa juga menghasilkan C. Ultis dari cairan limbah sulfit. Dalam proses yang biasa, cairan sulfit, yang mengandung campuran gula, dibubuhi kapur. Lalu dididihkan secara terbuka untuk membua sulfur dioksida, sulfit, dan senyawa sulfur lain yang dapat menghambat pertumbuhan ragi. Perngoperasian harus dalam suasana bersih tapi tak perlu steril, seperti diuraikan sebelumnya. Produk diambil dengan sentrifugal, lalu dicuci dan dikeringkan.

Dari cairan sulfit dapat diperoleh produk untuk makanan manusia atau pakan ternak, tergantung pada sistem proses dan kontrol kualitas produk yang diberlakukan.

c.    Kapang dan Jamur Tinggi

Produksi protein sel tunggal pada kapang sekarang ini memakai metoda yang sama dengan yang dipakai untuk membuat bahan sama pada ragi. Gula sederhana atau bahan mentah yang mengandungnya cocok sebagai substrat bagi berbagai macam kapang. Konsentrasi karbohidrat dalam media biakan biasanya sekitar 10 persen. Sebagai  sumber nitrogen dan tambahan mineral yang dimasukkan kedalam media, biasa dipakai amonia atau garam amonium. Angka pertumbuhan kapang dan jamur  tinggi. Waktu tumbuh mereka antara 4 sampai 16 jam, biasanya lebih rendah daripada bakteri dan ragi. Kapang dan jamur tinggi tumbuh subur pada suhu 25 sampai 36⁰C dan pada pH 3,0 samapai 7,0. Namun kebanyakan ditanam pada pH dibawah 5,0. Ini perlu untuk mengurangi sebanyak mungkin pencemaran bakteri.

2.1    Keuntungan dan Kelemahan Penggunaan Mikroorganisme Sebagai Sumber Protein Sel Tunggal

Penggunaa mikroorganisme sebagai sumber protein memberikan banyak keuntunga diantaranya sebagai berikut:

a.       Kadar protein yang di hasilkan lebih tinggi di bandingkan protein yang berasal dari kedelai dan hewan

b.      Mikroorganisme memiliki masa pertumbuhan yang cepat, sehingga proses produksinya juga berlangsung cepat dan dapat di hasilkan dalam jumlah besar.

c.       Produksi PST tidak bergantung iklim dan musim

d.      Biaya yang di keluarkan untuk proses produksinya tidak besar, karena medium yang digunakan untuk mikroorganisme kebanyakan berasal dari limbah.

Selain memiliki keuntungan, penggunaan mikroorganisme sebagai sumber protein juga memiliki kelemahan diantaranya yaitu:

a.       Adanya dinding sel yang mengandung selulosa yang merupakan bahan yang sulit di cerna manusia.

b.      Adanya kandungan asam nukleat yang cukup tinggi. Asam nukleat juga sulit di cerna sehingga dapat menyebabkan terjadinya asam urat.

2.2    Nilai Ekonomi Produksi Protein Sel Tunggal

Faktor yang mempengaruhi kelayakan produksi protein sel tunggal dari segi ekonomi meliputi:

a.    Biaya mendirikan fasilitas produksi.

b.    Biaya mnyediakan bahan mentah, energi tenaga kerja, pemeliharaan, penanggulangan limbah, dan turunnya harga tahunan.

c.    Jauhnya letak pabrik dari pemasok bahan mentah serta untuk pemasaran produk.

Pada pertengahan tahun 1970-an biaya untuk memproduksi protein sel tunggal untk makanan dengan menggunakan bahan mentah metanol, berkisar anatara $ 660 sampai $ 1.000 per metrik ton kapasitas tahunan bagi pabrik yang memproduksi 50.000 sampai 100.000 metrik ton per tahun.

Perluasan pasar untuk produk protein sel tunggal sebagai makanan ternak tergantung pada harga produk dan bagaimana efisiennya meningkatkan pertumbuhan ayam broiler, banyak ayam dan kalkun bertelur, serta pertumbuhan babi, dibandingkan dengan yang ditampilkan oleh protein alam untuk makanan ternak sekarang ini, seperti kedelai dan ikan.

Kelezatan dan tekstur, sebagai tambahan terhadap nilai nutrisinya merupakan penentu yang penting untuk dapatnya protein sel tunggal dijjadikan makana manusia. Pada masa ini, pemasaran utama produk untuk manusia ialah sebagai bumbu penyedap atau untuk meragikan bahan makanan. Seperti, derivat protein ragi telah digunakan sebagai penyedap makana sejak lama. Seperti ragi torula yang ditambahkan ketika mengolah daging membuatnya jadi labih gurih. Dan ragi roti, tentu saja, dipakai untuk membuat roti dan produk peragian lain. Selain itu, produk baru protein sel tunggal lain haruslah memenuhi persyaratan yang disebutkan dalam peraturan yang dikeluarkan badan pemerintah, sebelum dapat dipasarkan untuk makanan manusia atau hewan.