Biosensor Etanol Menggunakan Komponen Pengenal Konsorsium Mikrob Saccharomyces cerevisiae dan Bacillus megaterium: Mekanisme dan Kinerja Analitik

Abstract

Alkohol khususnya etanol sering ditemukan dalam makanan yang dikonsumsi manusia. Menurut WHO, konsumsi etanol merupakan faktor resiko terbesar ketiga di dunia dalam menimbulkan penyakit degeneratif dan kecacatan. Selain itu, di Indonesia khususnya bagi muslim sangat memerlukan informasi produk halal yang salah satu indikatornya ditentukan kandungan etanol dalam makanan dan minuman. Persyaratan sertifikasi halal bagi produk yang dikonsumsi langsung kandungan etanol < 0,5 %. Oleh karena itu diperlukan metode penentuan etanol yang sensitif dan selektif. Berbagai jenis metode telah banyak dikembangkan untuk mengukur kadar etanol, seperti metode titrasi redoks, kromatografi, dan spektroskopi. Namun, metode-metode tersebut memiliki kelemahan di antaranya biaya yang mahal, waktu yang lama, terkendala oleh kekeruhan contoh yang diukur karena tingginya konsentrasi analit dan sensitivitas yang rendah. Oleh karena itu dibutuhkan alternatif metode yang lebih tepat, mudah, cepat dan sensitif untuk mengukur kandungan etanol. Biosensor elektrokimia merupakan metode alternatif yang dikembangkan. Dalam biosensor etanol, enzim yang telah banyak digunakan adalah alkohol dehidrogenase (ADH) dan alkohol oksidase (AOX) (Park et al. 2013). Namun demikian, enzim ADH dan AOX mahal, maka sangat penting menggunakan mikrob yang menghasilkan enzim tersebut, sehingga biayanya murah karena tidak memerlukan pemurnian enzim. Biosensor etanol dengan pembentukan biofilm mikrob tunggal sudah diteliti, tetapi rentang liniernya masih sempit. Maka perlu ditingkatkan rentang linier konsentrasi etanol. Penggunaan konsorsium mikrob dapat digunakan untuk memecahkan masalah tersebut. Selain itu untuk meningkatkan kinerja dari biosensor dapat juga dilakukan modifikasi dengan penambahan supporting material seperti glutaraldehida. Glutaraldehida merupakan zat pengikat silang dengan sifat perekat dan pengikatan yang unggul untuk protein dan enzim. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan mengembangkan biosensor etanol tanpa dan dengan modifikasi supporting material glutaraldehida untuk memperlebar rentang linier konsentrasi etanol terukur berdasarkan konsorsium mikrob Saccharomyces cerevisiae dan Bacillus megaterium sehingga akan dihasilkan model biosensor etanol yang selektif, sensitif, valid dan stabil beserta mekanisme kerja dan pemodelan secara matematis. Penapisan 14 isolat khamir S. cerevisiae dan 5 isolat Bacillus sp. menunjukkan S. cerevisiae penghasil enzim ADH adalah satu isolat dengan kode SCRF sedangkan Bacillus sp. yang berpotensi adalah semua kelima isolat Bacillus sp. dengan kode B. megaterium 29/9/14, B. megaterium 23/6/22, Bacillus 6, Bacillus 53 dan Bacillus 55. Berdasarkan data arus oksidasi pada potensiostat, B. megaterium 23/6/22 menghasilkan arus yang paling tinggi dibandingkan isolat Bacillus lainnya. Teknik konsorsium yang memberikan arus paling tinggi adalah teknik konsorsium dengan metode pencampuran suspensi mikrob S. cerevisiae dan B. megaterium 23/6/22 dengan perbandingan volume suspensi mikrob 1:1 pada nilai OD 0,348. Konsorsium mikrob yang menghasilkan biofilm optimal berdasarkan response surface methode box behnken adalah usia optimum biofilm 10 hari, pH optimum 7,5 dan volume penetesan suspensi mikrob sebesar 75 µL. Kinerja biosensor dievaluasi menggunakan metode voltametri siklik. Hasil penelitian menunjukkan rentang linier 0,2-6,0 %, linieritas 0,9977, koefisien determinasi 0,9954, sensitivitas 81,809 µA(%)-1 , dan waktu respon 11 detik. Nilai limit deteksi (LD) dan limit kuantitasi (LK) metode secara teoritis yang diperoleh pada reaksi oksidasi etanol masing-masing sebesar 0,060 % dan 0,182 %. Biosensor memiliki nilai %RSD masing-masing sebesar 0,568 %, 1,338 %, dan 4,632 % untuk konsentrasi etanol tinggi, sedang, dan rendah. Akurasi yang tercermin dari persentase pemulihan berada pada kisaran 90,27-111,07 %. Nilai KM yang diperoleh sebesar 0,56 % dan Vmaks yang setara dengan Imaks sebesar 263,16 µA. Stabilitas yang diperoleh dengan biofilm konsorsium mikrob menunjukkan kestabilan 88 % dalam waktu 70 hari atau 10 minggu. Modifikasi biofilm konsorsium dengan glutaraldehida 0,1-0,3 %v/v memberikan arus oksidasi yang lebih tinggi 20 % dibandingkan dengan biofilm konsorsium tanpa supporting material glutaraldehida. Penelitian ini membuktikan bahwa biofilm konsorsium mikrob S. cerevisiae dan B. megaterium mampu memperlebar rentang linier konsentrasi etanol terukur dibandingkan dengan biofilm mikrob tunggal. Hal ini ditunjukkan dengan rentang linier konsentrasi etanol yang diperoleh berada pada rentang 0,2-6,0 %v/v. Hasil kinerja analitik biofilm konsorsium mikrob menunjukkan bahwa biofilm konsorsium mikrob merupakan biosensor etanol yang selektif, sensitif, valid dan mempunyai stabilitas yang tinggi. Penambahan supporting material glutaraldehida pada biofilm konsorsium mikrob mampu meningkatkan 20 % arus oksidasi etanol. Hasil simulasi numerik dari model biosensor berbasis satu enzim dengan menggunakan metode beda hingga eksplisit menunjukkan bahwa konservasi massa terjadi pada reaksi substrat dan produk.