Optimasi Konsentrasi dari Nira Sorgum, Urea, dan Biotin pada Proses Fermentasi Asam Glutamat oleh Corynebacterium glutamicum

Abstract

Sorgum manis merupakan sumber substrat potensial untuk dikembangkan di Indonesia. Sorgum manis termasuk tanaman C4 dan mempunyai produktivitas biomassa yang tinggi. Siklus panen tanaman ini sekitar 120 hari atau empat bulan. Batang tanaman sorgum mengandung air dan sejumlah gula terlarut yang dapat dimanfaatkan sebagai media fermentasi, terutama untuk fermentasi asam glutamat. Nira sorgum memiliki jumlah gula yang lebih tinggi dibandingkan dengan nira tanaman tebu. Molase yang merupakan produk samping produksi gula tebu umumnya digunakan dalam fermentasi asam glutamate, namun ketersediaan molase semakin berkurang akibat semakin menurunnya produksi gula tebu. Hal ini menyebabkan nira sorgum memiliki prospek untuk dikembangkan sebagai media fermentasi asam glutamat. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik dari nira sorgum dan melakukan optimasi kondisi proses fermentasi asam glutamat menggunakan analisis Response Surface Methodology (RSM). Variabel faktor yang dipilih yaitu konsentrasi nira sorgum (X1), konsentrasi nitrogen (X2) dan konsentrasi biotin (X3). Variabel respon yang dianalisis yaitu kadar asam glutamat, total gula habis terpakai, dan jumlah sel mikroba. Uji pendukung lainnya yaitu analisis Ultra Performance Liquid Chromatography (UPLC) untuk mengetahui asam amino lainnya yang dihasilkan dari fermentasi asam glutamat. Penelitian dilakukan dengan memeriksa kandungan gula pada nira sorgum segar menjadi sirup sorgum melalui proses evaporasi atau penguapan. Setelah dilakukan penguapan sebagian kandungan air di dalam larutan nira sorgum, kualitas nira sorgum terhadap kandungan gula mengalami peningkatan yang terlihat secara signifikan. Kondisi optimum untuk fermentasi asam glutamat yang diberikan oleh aplikasi yaitu konsentrasi nira sorgum 40%, konentrasi nitrogen 1% dan konsentrasi biotin 0,0175%. Hasil variabel respon optimum adalah kadar asam glutamat 5,90 g/L, total gula habis terpakai sebesar 24,09 g/L, dan jumlah sel mikroba sebesar 7,00 x 109 CFU/mL. Analisis UPLC/PDA-MS/MS mengidentifikasikan sebanyak empat asam amino yang terbentuk dalam fermentasi asam glutamat diantaranya asam glutamat, asam aspartat, alanin, dan glisin. Kadar asam glutamat mempunyai nilai yang paling tinggi dibanding asam amino lainnya. Kondisi optimal yang direkomendasikan oleh RSM yaitu konsentrasi nira sorgum sebesar 42,44 %, konsentrasi urea sebesar 0,916% dan konsentrasi biotin sebesar 0,01785%. Selanjutnya dilakukan uji validasi terhadap hasil fermentasi yang diperoleh kadar asam glutamat sebesar 5,61 g/L, total gula habis terpakai 36,43 g/L, dan jumlah sel mikroba sebesar 5,66 x 109 yang memiliki nilai desirability sebesar 0,939 yang artinya formula ini akan menghasilkan produk yang memiliki karakteristik sesuai dengan target sebesar 93,90 %. Solusi optimasi yang direkomendasikan dapat menghasilkan kadar asam glutamat dengan rendemen yang lebih tinggi.

Sweet sorghum is a potential substrate source to be developed in Indonesia. Sweet sorghum is a C4 plant and has high biomass productivity. The harvest cycle of this plant is about 120 days or four months. The stem of the sorghum plant contains water and many dissolved sugars that can be used as a fermentation medium, especially for glutamic acid fermentation. The amount sugar of Sorghum juice has a higher than sugar cane. Molasses, a by-product of cane sugar production, is generally used in glutamic acid fermentation. However, the availability of molasses is decreasing as a result of the increasingly difficult production of cane sugar Therefore, sorghum sap can be developed as a medium for glutamic acid fermentation. This study aims to determine the characteristics of sorghum juice and to optimize the conditions of the glutamic acid fermentation process using Response Surface Methodology (RSM) analysis. Factor variables analyzed were sorghum juice concentration (X1), nitrogen concentration (X2), and biotin concentration (X3). Response variables analyzed levels of glutamic acid, the used total sugar used, and the number of microbial cells. Another supporting test is Ultra Performance Liquid Chromatography (UPLC) analysis to determine other amino acids produced in glutamic acid fermentation. The research examined the sugar content in sorghum juice into sorghum syrup through evaporation. After evading some of the sorghum juice solution's water content, the sorghum juice's quality sugar content increased significantly. Based on the result, the optimum conditions for glutamic acid fermentation given by the application were 40% sorghum juice concentration, 1% nitrogen concentration, and 0.0175% biotin concentration. The results of the optimum response variable were the glutamic acid content of 5.90 g/L, the total sugar consumed was 24.09 g/L, and the number of microbial cells was 7.00 x 109 CFU/mL. The UPLC/PDA-MS/MS analysis identified at least four amino acids formed in the fermentation of glutamic acid, including aspartic acid, glutamic acid, alanine, and glycine. Glutamic acid levels have the highest value compared to other amino acids. The optimal conditions recommended by RSM are sorghum juice concentration of 42.44%, urea concentration of 0.916%, and biotin concentration of 0.01785%. Furthermore a validation test was carried out on the fermentation results, which obtained glutamic acid levels of 5.61 g/L, total sugar used up 36.43 g/L, and the number of microbial cells of 5.66 x 109, which had a desirability value of 0.939 which means the formula will produce a product that has the characteristics by the target of 93.9%. The recommended optimization solution can produce higher levels of glutamic acid.