2.1 Tipe-tipe Fermentasi dan Reaksinya
Fermentasi adalah proses produksi energi dalam sel dalam keadaan anaerobik (tanpa oksigen). Secara umum, fermentasi adalah salah satu bentuk respirasi anaerobik, akan tetapi, terdapat definisi yang lebih jelas yang mendefinisikan fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik dengan tanpa akseptor elektron eksternal.
Gula adalah bahan yang umum dalam fermentasi. Beberapa contoh hasil fermentasi adalah etanol, asam laktat, dan hidrogen. Akan tetapi beberapa komponen lain dapat juga dihasilkan dari fermentasi seperti asam butirat dan aseton. Ragi dikenal sebagai bahan yang umum digunakan dalam fermentasi untuk menghasilkan etanol dalam bir, anggur dan minuman beralkohol lainnya. Respirasi anaerobik dalam otot mamalia selama kerja yang keras (yang tidak memiliki akseptor elektron eksternal), dapat dikategorikan sebagai bentuk fermentasi yang menghasilkan asam laktat sebagai produk sampingannya. Akumulasi asam laktat inilah yang berperan dalam menyebabkan rasa kelelahan pada otot.
Adapun tipe-tipe fermentasi dan reaksinya adalah sebagai berikut:
1. Fermentasi Alkohol
Beberapa jasad renik seperti ragi, glukosa dioksidasi menghasilkan etanol dan CO2 dalam proses yang disebut fermentasi alkohol. Jalur metabolisme proses ini sama dengan glikolisis sampai dengan terbentuknya piruvat. Dua tahap reaksi enzim berikutnya adalah reaksi perubahan asam piruvat menjadi asetaldehida, dan reaksi reduksi asetaldehida menjadi alkohol. Dalam reaksi pertama piruvat didekarboksilasi diubah menjadi asetaldehida dan CO2 oleh piruvat dekarboksilase, suatu enzim yang tidak terdapat dalam hewan. Reaksi dekarboksilase ini merupakan reaksi yang tak reversible, membutuhkan ion Mg2+ dan koenzim tiamin pirofosfat. Reksi berlangsung melalui beberapa senyawa antara yang terikat secara kovalen pada koenzim. Dalam reaksi terakhir, asetaldehida direduksi oleh NADH dengan enzim alkohol dehidrogenase, menghasilkan etanol. Dengan demikian etanol dan CO2 merupakan hasil akhir fermentasi alkohol, dan jumlah energi yang dihasilkan sama dengan glikolisis anaerob, yaitu 2 ATP.
2. Fermentasi Asam Laktat
Fermentasi asam laktat banyak dilakukan oleh fungi dan bakteri tertentu digunakan dalam industri susu untuk membuat keju dan yoghurt. Aseton dan methanol merupakan beberapa produk samping fermentasi mikroba jenis lain yang penting secara komersil. Dalam fermentasi asam laktat, piruvat direduksi langsung oleh NADH untuk membentuk laktat sebagai produk limbahnya, tanpa melepaskan CO2. Pada sel otot manusia, fermentasi asam laktat dilakukan apabila suplay oksigen tubuh kurang. Laktat yang terakumulasi sebagai produk limbah dapat menyebabkan otot letih dan nyeri, namun secara perlahan diangkut oleh darah ke hati untuk diubah kembali menjadi piruvat.
Bakteri asam laktat mampu mengebah glukosa menjadi asam laktat. Bakeri tersebut adalah Laktobbacillus, Streptococcus, Leuconostoc, Pediococcus dan Bifidobacterium. Ada 2 kelompok fermentasi asam laktat, yaitu homofermentatif dan heterofermentatif. Homofermentatif menggunakan glikolisis melalui jalur EMP dan heterofermentatif menggunakan glikolisis melalui jalur HMP.
a. Fermentasi Asam Laktat Homofermentatif
Bakteri asam laktat homofermentatif menghasilkan mayoritas asam laktat dengan sedikit produk samping, yaitu gliserol, etanol, asetat, format dan CO2. Bakteri asam laktat homofermentatif mengoksidasi glukosa menjadi 2 asam piruvat melalui jalur EMP. Pada jalur itu menghasilkan 2 ATP. NADH yang dihasilkan pada jalur itu dipakai untuk mereduksi piruvat menjadi asam laktat. Reaksi keseluruhan sebagai berikut.
Adanya produk samping, karena bakteri asam laktat homofermentatif mempunyai berbagai enzim yang dapat mengubah piruvat menjadi etanol dan CO2, asetat, format, serta laktat. Jika piruvat tidak segera diubah menjadi produk di atas, NADH dipakai untuk mereduksi dihidroksi aseton fosfat menjadi gliserol.
b. Fermentasi asam laktat Heterofermentatif
Pada fermentasi asam laktat heterofermentatif bakteri yang dikibatkan adalah bakteri gram positif yang tidak membentuk spora dan dapat memfermentasikan karbohidrat untuk menghasilkan asam laktat, yakni umumnya menggunakan bakteri Leuconostoc dan Streptococcus. Bakteri asam laktat heterofermentatif selain menghasilkan asam laktat juga menghasilakn CO2, etanol (umumnya), dan asam asetat. Hal tersebut disebabkan karena mereka mengoksidasi glukosa menjadi asam piruvat dan asetil fosfat melalui HMP. Piruvat kemudian direduksi menjadi asam laktat, sedangkan asetil fosfat kemudian direduksi menjadi etanol. Pada heterofermentatif, tidak ada aldolase dan heksosa isomerase tetapi menggunakan enzim fosfoketolase dan menghasilkan CO2. Metabolisme heterofermentatif dengan menggunakan heksosa (golongan karbohidrat yang terdiri dari 6 atom karbon) akan melalui jalur heksosa monofosfat atau pentosa fosfat Pada jalur berikut menghasilkan 1 ATP. Reaksi keseluruhannya sebagai berikut. (Anonim, 2011)
Urutan reaksi pada jalur tersebut yaitu pertama-tama glukosa akan difosforilasi menjadi Glukosa 6-fosfat dengan bantuan heksokinase. Glukosa 6-fosfat menjadi 6-Fosfoglukonolakton dengan bantuan 6-fosfat dehidrogenase (terjadi pembentukan NADPH). 6-Fosfoglukonolakton direduksi (didehidrasi) menjadi 6-fosfoglukonat dengan bantuan laktanase. 6-Fosfoglukonat didekarboksilasi menjadi Ribulosa 5-fosfat yang dibantu oleh 6-Fosfoglukonat dehidrogenase (terjadi pembentukan NADPH). Kemudian, Ribulosa 5-fosfat diisomerasi menjadi Xilulosa 5-fosfat dengan bantuan Ribulosa 5-fosfat epimerase. Xilulosa 5-fosfat dipecah menjadi Gliseraldehid 3-fosfat dan Asetil fosfat yang dibantu oleh fosfoketolase. Pada Gliseraldehid 3-fosfat akan diubah menjadi piruvat kemudian akan menjadi asam laktat yang dibantu oleh laktat dehidrogenase, sedangkan pada Asetil fosfat akan dipecah menjadi Asetaldehid dan Asetat (jarang terjadi). Pada Asetaldehid fosfat akan kembali dipecah menjadi Etanol.
Bakteri Streptococcus mutans mempunyai kemampuan dalam memfermentasi glukosa menjadi asam laktat (heterofermentatif) dalam suasana aerob. Pada kondisi aerob NADH dioksidasi menjadi NAD+ dengan bantuan oksigen dan NADH oksidase. Oleh karena itu, terdapat perubahan produk, etanol diubah menjadi asetil KoA dan kemudian menjadi asetat. Perubahan asetil KoA menjadi asam asetat menghasilkan ATP. Jamur Rhizopus oryzae juga mempunyai kemampuan memfermentasi karbohidrat (pati dan glukosa) menjadi etanol dan asam laktat secara aerob. (Purwoko, 2007)
3. Fermentasi Propionat
Propionat merupakan produk akhir fermentasi gula dan pati. Sebagian besar energi yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan produksi laktosa diperoleh dari propionat. Bahan dengan kandungan karbohidrat mudah terfermentasi sehingga menghasilkan propionat dan butirat relatif lebih tinggi daripada asetat. Propionat dianggap lebih efisien sebagai sumber energi karena fermentasi dalam produksi propionat menghasilkan lebih sedikit gas metan dan karbondioksida. Propionat, asetat, dan karbon dioksida merupakan produk utama dari fermentasi laktat, glukosa dan gliserol oleh Propionibacterium, Veillonella, Bacteroides, dan beberapa Clostridium spp. Hipotesis awal menyatakan bahwa langkah awal fermentasi propionat adalah dehidrasi laktat menjadi akrilat. Akrilat kemudian diredukasi menjadi propionat. Rute tersebut teramati pada Clostridium propionicum, Bacteroides rumocola, dan Peptostreptococcus. Pada Propionibacterium dan Veillonella pembentukan propionat melalui rute yang lebih kompleks. (Purwoko, 2007)
a. Pada Clostridium propionicum
Clostridium propionicum mampu memfermentasi asam laktat menjasi asetat (melalui jalur asetil KoA) dan propionat (memlalui jalur akrilil KoA) dan menghasilkan 1 ATP. Satu molekul laktat didehidrogenasi menjasi piruvat oleh laktat dehidrogenase. Piruvat didehidrogesi dan dekarboksilasi menjadi asetil KoA oleh piruvatferedoksin oksidoreduktaase. Gugus fosfat menggantikan gugus KoA oleh fosfotransasetilase, sehingga Asetil KoA diubah menjadi asetil fosfat. Asetil fosfat didefosforilasi (dikopling dengan sintesis ATP) menjadi asetat oleh asetatkinase. Pada jalur tersebut 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 itu dikatalis oleh akrililase. Akrilil KoA direduksi menjadi propionil KoA oleh pripionil KoA dehidrogenase. Propionil KoA diubah menjadi propionat.
b. Pada Propionibacterium
Propionibacterium memfermentasi laktat, triosa, dan heksana menjadi propionat (jalur suksinat propionat), asetat (jalur asetil KoA), dan karbon dioksida. Tiga molekul laktat diubah menjadi tiga molekul piruvat oleh laktat dehidrogenase. Satu molekul piruvat diubah menjadi satu molekul asetat sama seperti C. propionicum. Fermentasi laktat menjadi asetat menghasilkan 2 elektron dan perubahan 2 molekul laktat menjadi 2 molekul piruvat menghasilkan 6 elektron. Delapan electron tersebut 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 itu dikatalis oleh suksinil KoA transferase. Rearansemen suksinil KoA menjadi metal malonil KoA oleh transkarboksilase, sehingga menjadi propionil KoA. Propionil KoA diubah menjadi propionat. Secara teoritis rasio
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 gas CO2 diturunkan.
4. Fermentasi Butirat
Fermentasi butirat dilakukan oleh Clostridium sp. yang merupakan bakteri penghasil spora heterogenus sebagai sakarolitik dan proteolitik. Tergolong bakteri anaerob. Berbentuk batang lurus atau agak bengkok dengan ujung bulat, herukuran 0,7 mikron x 5,0 terpisah-pisah, berpasangan dalam rantai pendek; kadang-kadang membentuk filamen pañjang, dapat bergerak secara aktif. Spora berbentuk bulat telur, eksentrik atau sub-terminal membentuk clostridium. Bersifat gram positif yang dapat berubah menjadi gram negatif. Mengubah susu lakmus menjadi asam, cepat menggumpal dan kehilangan warna. Tumbuh baik pada suhu antara 30° dan 37° C. Dapat dikucilkan dan keju, susu yang asam, bahan-bahan nabati berpati yang mengalami fermentasi Asam butirat dan dan tanah. Dalam fermentasi menghasilkan asam butirat, asam cukak, butanol dan isopropanol.
Clostridium proteolitik sangat penting untuk mendekomposisi anaerob yang disebut putrefaction. Clostridium butyricum mampu memfermentasi karbohidrat menjadi butirat dengan produk lain seperti gas hidrogen, karbon dioksida, dan sedikit asetat.
Glukosa dipecah menjadi piruvat melalui EMP (menghasilkan 4 elektron dan 2 ATP). Piruvat didekarboksilasi oleh piruvatferedoksi eksidoreduktase menjadi asetil KoA dan CO2 . H2 diperoleh dari aktivitas oksidasi hidrogenase terhadap feredoksin. Dua molekul asetil KoA dan CO2 berkondensasi menghasilkan asetoasetil KoA dengan bantuan asetil KoA asetiltransferase. Asetoasetil KoA direduksi menjadi Beta-hidroksibutiril KoA oleh dehidrogenase. Beta-Hidroksibutiril KoA didehidrasi menjadi krotonil KoA oleh krotonase. Krotonil KoA direduksi menjaadi butiril KoA oleh butiril KoA dehidrogenase. Penggantiaan gugus KoA oleh fosfat mengakibatkan butiril KoA menjadi butiril fosfat. Reaksi tersebut dikatalisis oleh fosfotransbutirilase. Butiril fosfat didefosforilasi menjadi butirat oleh butirat kinase.
Clostridium tyrobutyricum mampu memproduksi butirat dan asetat dari glukosa. Untuk menurunkan produksi asetat, gen pta yang mengkode aseta kinase dapat dihilangkan. Meskipun gen pta dihilangkan tetapi Clostridium tyrobutyricummasih mampu menghasilkan asetat.
Bakteri rumen Butyrivibrio fibrisolvens mampu memfermentasi glukosa menjadi butirat. Fermentasi glukosa menjadi butirat oleh Butyrivibrio fibrisolvensmelalui jalur yang sama dengan Clostridium. Pada fase pertumbuhan tinggi (fase eksponensial) glukosa difermentasi menjadi butirat, asetat, H2, dan CO2 . Asetat merupakan produk samping dan diperoleh dari fosforilasi asetil KoA menjadi asetil fosfat oleh fosfotransasetilase. Asetil fosfat kemudian didefosforilasi menjadi asetat oleh asetat kinase.
Ketika sel masuk ke fase statis dan kandungan butirat tinggi, terjadi fermentasi glukosa dan pentosa menjadi aseton. Selain itu, terjadi konsumsi butirat asetaat menjadi butanol dan etanol.
Glukosa dan pentosa diglikolisis menjadi piruvat yang kemudian didekarboksilasi menjadi asetil KoA oleh piruvatferedoksin oksidoreduktase. Kondensasi 2 molekul asetil KoA menjadi asetoasetil KoA oleh 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 tersebut dikatalisis oleh asetoasetil KoA-butirat atau asetat-KoA transferase. Butiril KoA direduksi menjadi butiraldehid oleh butiraldehid dehidrogenase, kemuadian direduksi menjadi butanol oleh butanol dehidrogenase. Sedangkan asetil KoA direduksi menjadi asetildehid oleh asetildehid dehidrogenase, kemudian direduksi menjadi etanol.
Peran Fermentasi Butirat untuk menghambat pertumbuhan kanker kolorektal. Kolon (usus besar) merupakan bagian akhir dari saluran pencernaan yang terletak setelah usus halus, terdiri dari kolon sebelah kanan (kolon asenden), kolon sebelah tengah atas (kolon transversum) dan kolon sebelah kiri (kolon desenden). Rektum merupakan saluran diatas dubur. Bagian kolon yang berhubungan dengan usus halus disebut caecum, sedangkan bagian kolon yang berhubungan dengan rektum disebut kolon sigmoid. Kolon berbentuk sebuah tabung (lumen) yang dilapisi oleh sel-sel khusus yang disebut sel-sel epitel kolonik. Sel-sel ini selalu membelah diri secara teratur, dan kanker kolon mungkin terjadi jika proses pembelahan sel-sel epithelial mengalami penyimpangan. Kanker yang menyerang kolon disebut kanker kolon dan kanker yang menyerang rectum disebut kanker rectum (rectal). Kanker yang menyerang kedua bagian ini disebut kanker kolorektal. Seperti kanker lainnya, kanker kolorektal tumbuh relatif cepat, dapat menyusup (infiltrasi) dan merusak jaringan disekitarnya serta menyebar (metastasis) ke organ yang lebih jauh dari tempat asal tumbuhnya melalui kelenjar getah bening maupun pembuluh darah. Penanganan yang tidak tepat pada akhirnya akan menyebabkan kematian. Di Amerika Serikat, kanker kolorektal menempati urutan ke-4 dari kanker yang paling sering menyerang pria setelah kanker kulit, prostat dan paru-paru. Pada wanita, kanker kolorektal juga menempati urutan ke-4 setelah kanker kulit, payudara dan kanker paru-paru (National Cancer Institute – NCI, 2006). Fermentasi prebiotik oleh mikroflora di dalam saluran pencernaan akan menghasilkan berbagai komponen yang bermanfaat terhadap kesehatan inangnya. Salah satu dari komponen tersebut adalah asam butirat, yang masuk dalam kelompok asam lemak rantai pendek (short chain fatty acid – SCFA).
Butirat menunjukan kemampuan untuk menghambat pertumbuhan kanker kolorektal. Beberapa penelitian menyebutkan bahwa butirat dapat menghambat pertumbuhan sel-sel kanker kolorektal dengan cara menghambat proliferasi sel, serta meningkatkan kemampuan diferensiasi dan apoptosis sel. Jenis karbohidrat akan mempengaruhi jumlah produksi SCFA. Secara in vitro diketahui bahwa peningkatan konsumsi pangan kaya serat seperti fraksi kulit atau sekam (bran) dari gandum, oat, barley, jagung dan beras, serat kedelai ekstrak sayuran, dan serat pea akan meningkatkan produksi SCFA pada fekal manusia. Kemampuan fermentasi (tingkat dan kecepatan fermentasi karbohidrat sangat beragam). Sebagai contoh, pektin dilaporkan tingkat fermentasi pektin mencapai 97% sementara tingkat fermentasi selulosa dan kulit (sekam, bran) maizena hanya 6-7%. Komponen wheat bran yang terfermentasi kurang dari 50%, sementara psyllium berkisar antara 20 – 50% dan oat bran mencapai 96%. Makin besar (sempurna) tingkat fermentasi dari suatu polisakarida, maka jumlah SCFA yang dihasilkan akan semakin besar. Inkubasi fluida yang mengandung 30 mg glukosa, pectin dan selulosa/ml akan menghasilkan total SCFA berturut-turut sebesar 220, 172, dan 23 mmol/l. Selain itu, tingkat fermentasi yang tinggi biasanya memiliki waktu fermentasi yang lebih cepat.
5. Fermentasi Asam Campuran
Enterobacteriaceae (Escherichia, Enterobacter, Salmonella, Klebsiella, dan Shigella) memfermentasikan glukosa menjadi campuran asam asetat, format, suksinat, etanol, CO2, dan H2. Semua produk diperoleh dari fosfoenol piruvat (PEP) atau lebih tepatnya suksinat dari PEP, sedang yang lainnya dari piruvat (piruvat diperoleh dari PEP).
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 pada fermentasi propionat untuk bakteri Propionibacterium. Laktat diperoleh langsung dari reduksi piruvat oleh laktat dehidrogenase. Format diperoleh dari pemecahan piruvat (hasil lain adalah asetil KoA), kemudian dapat diubah menjadi CO2 dan H2. Asetil KoA dapat diubah menjadi etanol maupun asetat.
Lactobacillus 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 terdektesi pada produk fermentasi Lactobacillus helveticus. Produksi asetat dari piruvat (hasil konversi sitrat) diperantai oleh NADH oksidase, bukan asetat kinase.
6. Fermentasi Anaerob
Dalam keadaan normal, respirasi seluler organisme dilakukan melalui proses fosforilasi oksidatif yang memerlukan oksigen bebas. Sehingga hasil ATP respirasi sangat tergantung pada pasokan oksigen yang cukup bagi selnya. Tanpa oksigen elektronegatif untuk menarik elektron pada rantai transport elektron, fosforilasi oksidatif akan terhenti. Akan tetapi, fermentasi memberikan suatu mekanisme sehingga sebagian sel dapat mengoksidasi makanan dan menghasilkan ATP tanpa bantuan oksigen. Misalnya, pada tumbuhan darat yang tanahnya tergenang air sehingga akar tidak dapat melakukan respirasi aerob karena kadar oksigen dalam rongga tanah sangat rendah.
Secara prosedural, fermentasi merupakan suatu perluasan glikolisis yang dapat menghasilkan ATP hanya dengan fosforilasi tingkat substrat sepanjang terdapat pasokan NAD+ yang cukup untuk menerima elektron selama langkah oksidasi dalam glikolisis. Mekanisme fermentasi tidak dapat mendaur ulang NAD+ dari NADH karena tidak mempunyai agen pengoksidasi (kondisi anaerob). Sehingga yang terjadi adalah NADH melakukan transfer elektron ke piruvat atau turunan piruvat. Berikut bahasan terhadap dua macam fermentasi yang umum yaitu fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat.
a. Fermentasi alkohol
Fermentasi alkohol biasanya dilakukan oleh ragi dan bakteri yang banyak digunakan dalam pembuatan bir dan anggur. Pada Fermentasi alkohol, piruvat diubah menjadi etanol dalam dua langkah. Langkah pertama menghidrolisis piruvat dengan molekul air sehingga melepaskan karbondioksida dari piruvat dan mengubahnya menjadi asetaldehida berkarbon dua. Dalam langkah kedua, asetaldehida direduksi oleh NADH menjadi etanol sehingga meregenerasi pasokan NAD+ yang dibutuhkan untuk glikolisis.
b. Fermentasi asam laktat
Fermentasi asam laktat banyak dilakukan oleh fungi dan bakteri tertentu digunakan dalam industri susu untuk membuat keju dan yogurt. Aseton dan methanol merupakan beberapa produk samping fermentasi mikroba jenis lain yang penting secara komersil. Dalam fermentasi asam laktat, piruvat direduksi langsung oleh NADH untuk membentuk laktat sebagai produk limbahnya, tanpa melepaskan CO2. Pada sel otot manusia, fermentasi asam laktat dilakukan apabila suplay oksigen tubuh kurang. Laktat yang terakumulasi sebagai produk limbah dapat menyebabkan otot letih dan nyeri, namun secara perlahan diangkut oleh darah ke hati untuk diubah kembali menjadi piruvat.