Fermentasi MSG dan Biokimianya

1. Proses pembuatan (produksi) MSG serta perubahan biokimia yang terjadi selama proses pembuatan MSG

Gambar 1. Metabolisme oleh sel 

(Glikolisis dan Siklus Krebs)

1.1 Proses Pembuatan

Pada pembuatan Monosodium Glutamat melalui proses fermentasi dengan menggunakan bakteri tertentu sampai terbentuk kristal-kristal bumbu penyedap. Proses pembuatan diawali dengan pengumpulan bahan dasar yang bisa berasal dari tebu, tapioka, singkong dan jagung yang diambil cairan tetesnya. Prinsipnya semua bahan dasar itu mempunyai gula sehingga bisa diproses dalam fermentasi. Fermentasi menggunakan medium nutrisi untuk memperbanyak mikroba atau bakteri. Selanjutnya setelah tumbuh, bakteri dipindahkan ke media cair yang akan dipindahkan lagi ke tangki produksi asam glutamat. Asam glutamat yang dihasilkan harus melalui proses pemisahan dan pemurnian serta kristalisasi agar menjadi MSG.

Fermentasi ini dikembangkan di Jepang pada tahun 1956 oleh Shukuo dan Kinoshita yang menggunakan mikroorganisme Micrococcus glutamicus, untuk menghasilkan asam glutamat dari medium yang mengandung glukosa dan amonia. Organisme lain yang dapat digunakan untuk fermentasi adalah strain-strain tertentu dari Brevibacterium, Microbacterium dan sebagainya. Umumnya organisme yang digunakan dalam fermentasi asam glutamat memiliki ciri-ciri umum, yaitu bersel tunggal coccus atau rod, gram positif, aerobik, tidak bersporulasi, tidak berflagela, memerlukan biotin untuk faktor pertumbuhan esensialnya, pada pembiakan aerobik dapat menghasilkan sejumlah besar asam glutamat dari karbohidrat.

Setelah tetes tebu dan glukosa difermentasi oleh bakteri akan menjadi asam glutamat cair. Selanjutnya asam glutamat ditambah alkali (NaOH) atau natrium karbonat (Na₂CO₃) yang kemudian berubah menjadi natrium glutamat atau yang biasa disebut dengan monosodium glutamat (MSG). Karena MSG masih berbentuk cairan dan berwarna keruh, perlu proses dekolorisasi atau penghilangan warna dengan arang aktif. Setelah jernih melalui proses kristalisasi dan pengeringan.

Kristalisasi adalah proses dengan suhu untuk memisahkan bahan padat berbentuk kristal dari suatu larutan atau suatu lelehan. Kristal yang terbentuk harus dipisahkan dari sebagian besar larutan dengan cara penjernihan atau penyaringan. Bila perlu proses dilanjutkan dengan pencucian dan pengeringan. Agar kristal terbentuk dari larutan, larutan harus dalam keadaan lewat jenuh (unsaturated). Konsentrasi bahan yang dikristalkan harus lebih tinggi dari pada kelarutannya pada suhu tertentu.

1.2 Perubahan Biokimia Selama Proses Pembuatan

                  a.      Pada Proses Treatmen Molase

Bakteri tidak dapat langsung memecah makromolekul seperti polisakarida, tapi makromolekul harus diubah dahulu menjadi bentuk yang lebih sederhana dan menjadi monosakarida.

Sebelum difermentasi, tetes tebu harus dilakukan proses Pretreated Cane Molases (PCM) untuk menghilangkan garam-garam anorganik dan bahan koloid dalam molase, menghilangkan kotoran yang dapat menyebabkan timbulnya kerak pada peralatan, menghilangkan ion Ca²⁺ yang dapat merapuhkan kristal MSG.

Kandungan Ca molase berasal dari proses pengolahan gula di pabrik gula pada tahap pemurnian gula. Tahap ini ditambahkan susu kapur (Ca(OH)₂) dan gas CO₂ pada nira sehingga terbentuk endapan CaCO_3. Penurunan kadar Ca²⁺ direaksikan dengan H₂SO₄ menghasilkan Ca₂SO₄ sampai pH 3, penambahan LS (Low Steam) untuk meningkatkan suhu cane molasses menjadi 60⁰C sebagai katalis reaksi pengikatan Ca²⁺ oleh H₂SO₄.

Ca²⁺ + H₂SO₄ CaSO₄ + 2 H⁺

Reaksi pengikatan Ca²⁺ oleh H₂SO₄ (Fenemma, 1996)

      b.      Pada Proses Fermentasi

Skala industri main fermentor sebagai tangki fermentasi utama, yaitu tempat terjadinya fermentasi. Pada main fermentor dilakukan sterilisasi menggunakan steam bersuhu 125^oC selama 30 menit. Media dalam main fermentor sama komposisinya dengan media dalam seed, namun pada main fermentor tidak ditambah biotin, karena biotin berfungsi merangsang pertumbuhan awal bakteri (menegakkan fase log pertumbuhan bakteri), sehingga penambahan biotin cukup ditambahkan pada seed media.

Suhu dijaga konstan 31,5-37^oC dengan cara mengalirkan process water melalui cooling coil di dalam tangki main fermentor. Suhu 31,5^oC adalah suhu optimum saat fermentasi, serta merupakan suhu adaptasi bakteri pada lingkungan baru dan pH dijaga sekitar 7,7 dengan penambahan NH_3. Proses ini berlangsung selama holding time 28-30 jam disertai dengan pengadukan karena waktu fermentasinya lama maka perlu dilakukan penambahan media atau feeding. Hal tersebut juga disebabkan oleh media yang ditambahkan pada awal fermentasi sudah habis. Penambahan feeding bertujuan sebagai sumber makanan dari bakteri, karena bakteri pada usia dewasa sehingga bakteri dapat menghasilkan GA secara maksimal. Tangki juga dilengkapi dengan pipa aerasi untuk suplai O_2. Reaksi yang terjadi adalah:

C₂H₁₂O₆ + O₂ + NH₃                                    Glutamic Acid + CO₂ + panas

Reaksi Pembentukan Asam Glutamat

Untuk membuang CO₂ yang terbentuk, tangki juga dilengkapi dengan cyclon separator untuk memisahkan cairan yang terikut bersama CO_2. Selain itu pada tangki main fermentor ditambahkan anti foam agent (AF) guna mencegah timbulnya busa akibat pengadukan karena busa dapat mengakibatkan bakteri kesulitan untuk mendapatkan oksigen. Tangki main fermentor ini berjumlah 3 unit dengan kapasitas masing-masing 250 kL dan volume kerja fermentor 200 kL. Seperti halnya dengan tangki seed, setiap 2 jam dilakukan analisa Optical Density (OD), Packed Cell Volume (PCV), Total Sugar (TS), Dissolved Oxygen (DO) dan GA. Pada akhir proses fermentasi ini akan dihasilkan broth yang terdiri dari bangkai bakteri, lumpur, sisa media, kotoran dan asam glutamate yang akan diproses lebih lanjut pada Refinery I.

c.       Pada Proses Pengendalian Fermentasi

Selama proses fermentasi, kontrol dilakukan terhadap beberapa faktor yakni O₂, NH₄⁺, pH, asam phosphate dan biotin. Apabila aerasi selama fermentasi cukup akan terbentuk asam glutamate sedangkan apabila kurang akan terbentuk asam laktat atau suksinat. Ammonia (NH₄⁺) dimanfaatkan oleh mikroba sebagai sumber nitrogen. Apabila jumlahnya kurang maka akan terbentuk asam α-ketoglutarat sedangkan apabila berlebih akan terbentuk glutamin.

Pengaturan pH juga berpengaruh pada hasil fermentasi, dimana pH yang asam akan membentuk glutamin dan N-acetoglutamin. Sedangkan pada pH netral atau basa lemah, asam glutamate akan terbentuk optimal. Penambahan asam phosphate yang kurang akan menghasilkan valin sedangkan adanya biotin yang berlebih akan membentuk asam laktat dan asam suksinat.

Selain itu juga seperti halnya proses fermentasi pada umumnya, suhu fermentasi diatur atau di set sesuai dengan suhu optimum dari mikroba yang digunkan agar mikroba tersebut dapat lebih optimum berperan dalam proses fermentasi tadi.

1.3 Penjelasan Letak Biokimia dengan Gambar

Jika kita kembali pada materi proses pemecahan (katabolisme) dan anabolisme (pembentukan) senyawa-senyawa kimia seperti pada gambar 1 di atas yang sering disebut metabolisme sel khususnya pada proses glikolisis, dan masuk pada siklus krebs. Sudah dijelaskan sebelumnya bahwa fermentasi MSG dibuat dari glukosa dan hal ini melalui proses dalam biokimia sering disebut glikolisis. Kemudian masuk proses siklus krebs agar terbentuk asam glutamat, yang mana asam ini terbentuk dari senyawa turunan dari glukosa yang membutuhkan beberapa bahan tambahan seperti pada gambar, yaitu senyawa turunan dari protein dan lainnya seperti, NH₄⁺, asam phosphate, biotin, pH dan juga oksigen yang sama pada gambar siklus krebs pada umumnya. Dalam siklus krebs ada bagian yang akan membentuk asam laktat maupun suksinat sampai asam α-ketoglutarat, yang mana ketiga senyawa ini bukan produk yang dikehendaki dalam pembuatan MSG dan untuk mengendalikannya dengan menambahkan senyawa lain secara tepat saat turunan glukosa memasuki siklus krebs agar produksi menjadi asam glutamat dapat terjadi.

2. Bahan yang dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan MSG

Dahulu di Cina senyawa pembangkit cita rasa yang kini dikenal sebagai MSG diproduksi dari rumput laut. Tapi kini MSG dibuat dan diproduksi secara besar-besaran dengan menggunakan bahan mentah gluten dari gandum, jagung, kedelai, serta dari hasil samping pembuatan gula bit atau molase. MSG juga dapat dibuat dari hasil samping fermentasi karbohidrat. Secara komersial MSG biasanya dibuat dari gluten gandum, hasil samping gula bit, atau molase.

2.1 Tetes Tebu

Bahan baku pembuatan MSG adalah tetes tebu, dextrose, dan raw sugar. Gula yang dimanfaatkan bakteri sebagai substrat adalah fermentable sugar. Fermentable sugar merupakan total gula yang dapat difermentasi oleh bakteri, yaitu sukrosa, fruktosa dan glukosa.

1. Sukrosa karena merupakan sumber karbon sebagai substrat oleh bakteri. Kandungannya 38% dan batas minimalnya 30%. Jika kurang dari 30% merupakan sumber substrat yang tidak sesuai sehingga pertumbuhan bakteri tidak maksimal.  
2. Fruktosa dan Glukosa juga digunakan oleh bakteri sebagai substrat dalam proses fermentasi. Kadar glukosa 6% dan fruktosa 7%.

2.2 Selain Tetes Tebu

Selain molase untuk bahan baku, tepung tapioka yang merupakan pati dan raw sugar juga bisa digunakan. Dextrouse (glukosa) terbuat dari tepung tapioka (polisakarida). Polisakarida harus dihidrolisis oleh enzim spesifik sehingga menjadi monosakarida. Proses pemecahan tersebut dilakukan pada proses SOD (Solution of dextrouse). Secara umum SOD terdiri dari 3 tahap, yaitu:

1. Preparasi, tahap ini dilakukan persiapan bahan baku yaitu tepung tapioka ditambah air, serta perlakuan pendahuluan dengan mengatur komposisi larutan antara tepung tapioka, hot water (HW) dan Process Water (PW) sehingga didapat suhu sekitar 48⁰C.
2. Tahap Liquifikasi, tahap ini digunakan enzim amylase (liquozyme) untuk memecah ikatan α-1,4 glikosidik. Enzim ini memecah pati menjadi maltosa, maltotriosa, dekstrin dan sebagian kecil menjadi glukosa.
3. Sakarifikasi, pada tahap ini digunakan enzim glukoamilase (dextrozyme) dengan merk dagang enzim AMG. Enzim ini mampu memecah disakarida menjadi monosakarida.

2.3 Perbedaan Tetes Tebu dan Beet Molase

Tabel 1. Perbedaan Tetes Tebu dan Beet Molase

3. Bahan selain bahan baku (Bahan Pendukung) dalam pembuatan MSG

3.1 Asam sulfat (H2SO4)

Asam sulfat digunakan dalam proses molases treatment di unit fermentasi yang berfungsi untuk mengendapkan Ca²⁺ yang ada dalam tetes tebu.

3.2 Amoniak (NH3)

Amoniak digunakan dalam proses fermentasi dan isolasi. Penggunaan amoniak berfungsi untuk mendapatkan cairan dengan pH atau derajat keasaman yang diinginkan. Selain itu amoniak juga digunakan sebagai pengganti urea.

3.3 Natrium Hidroksida (NaOH)

NaOH digunakan pada proses isolasi dan refining, berfungsi untuk memperoleh pH yang diinginkan dan mengubah asam glutamat menjadi monosodium glutamat.

3.4 Asam Klorida (HCl)

HCl digunakan pada proses hidrolisa yang berfungsi untuk menghidrolisis asam amino yang ada di Glutamic Mother II (GM II).

3.5 Defoamer CC 222 atau antifoam

Defoamer ditambahkan pada proses fermentasi untuk menghilangkan busa atau gelembung udara yang mengganggu jalannya proses produksi.

3.6 Urea (CO(NH2))

Urea digunakan sebagai sumber nutrien untuk perkembangbiakan bakteri yang ada di tangki seeding dan tangki fermentor.

3.7 Asam phosphat (H3PO4)

Asam phosphat digunakan sebagai sumber nutrien perkembangbiakan bakteri.

 

3.8 Magnesium sulfat (MgSO4)

Magnesium sulfat berfungsi sebagai sumber nutrien perkembangbiakan bakteri yang ada di tangki seeding dan fermentor.

3.9 Mangan sulfat (MnSO4)

Bahan ini memiliki fungsi yang sama dengan asam phosphat, urea dan magnesium sulfat yaitu sebagai sumber nutrien perkembangbiakan.

4.0 Penicillin

Penicillin digunakan untuk membatasi jumlah pertumbuhan bakteri.

4.1 Karbon Aktif

Karbon aktif digunakan pada proses refining yang berfungsi untuk proses penjernihan atau dekolorisasi.

4.2 Aronvis

Bahan ini berfungsi sebagai koagulan dalam proses molasses treatment.

4.3 Asam nitrat

Asam nitrat digunakan pada proses fermentasi sebagai sumber nitrogen bagi perkembangbiakan bakteri.

4.4 Besi sulfat (FeSO4)

Besi sulfat digunakan sebagai bahan penyusun media fermentasi.

4.5 Celite (Celaton)

Celite berfungsi melapisi filter pada proses pembuatan HS (Hydrogen Source).

  

4. Efek Mengonsumsi MSG

4.1 Bahaya MSG pada Skala Eksperimen

Jurnal Neurochemistry International (Maret 2003) melaporkan, pemberian MSG sebanyak 4 mg/g berat badan ke bayi tikus menimbulkan neurodegenerasi berupa jumlah neuron lebih sedikit dan rami dendrit (jaringan antar sel syaraf otak) lebih renggang. Kerusakan ini terjadi perlahan sejak umur 21 hari dan memuncak pada umur 60 hari. Jila disuntikkan tikus dewasa, dosis yang sama menimbulkan gangguan pada neuron dan daya ingat. Pada pembedahan, ternyata terjadi kerusakan pada nucleus arkuatus dihipothalamus (pusat pengolahan impuls syaraf).

Sedangkan menurut Jurnal Brain Research, pemberian MSG 4 mg/g terhadap tikus hamil hari ke 17-21 menunjukkan bahwa MSG mampu menembus plasenta dan otak janin menyerap MSG dua kali lipat daripada otak induknya. Juga 10 hari setelah lahir, anak-anak tikus ini lebih rentan mengalami kejang daripada induknya yang tidak mendapat MSG. Pada usia 60 hari, keterampilan mereka juga kalah dari kelompok lain yang induknya tidak mendapat MSG. Tetapi kelompok anak-anak tikus yang mendapat MSG pada penelitian diatas justru lebih gemuk. Ternyata, MSG juga meningkatkan ekskresi insulin sehingga tikus-tikus tersebut cenderung menderita obesitas. Pada penelitian lain, bila diteruskan sampai 3 bulan, ternyata akan terjadi resistensi terhadap insulin dan berisiko menderita diabetes.

Penelitian lain di Journal of Nutritional Science Vitaminologi bulan April 2003, pemberian MSG terhadap tikus juga mengganggu metabolisme lipid dan aktivitas enzim antioksidan di jaringan pembuluh darah, menjadikan risiko hipertensi dan penyakit jantung. Kerusakan enzim antioksidan ini ternyata yang juga menimbulkan kerusakan kronis di jaringan syaraf. Secara umum, antioksidan memang berperan penting bagi kesehatan di seluruh bagian tubuh.

4.2 Kasus dalam Berita tentang MSG dan Penderita Autis

Katherine Reid seorang biokimia sudah melakukan berbagai upaya mengobati anaknya yang autis. Mulai dari menerapkan pola makan bebas tepung, minum suplemen minyak ikan dan vitamin B Kompleks. Tapi tidak memberikan perubahan signifikan. Namun ia melihat perbedaan yang mengejutkan dari perilaku putrinya setelah ia menghilangkan penggunaan MSG.

"Kami mendapatkan kelimpahan MSG, ada dalam 95% dari makanan olahan, dan kita tidak perlu dalam diet kita," kata Reid dari San Francisco Chronicle seperti melansir nydaily, Sabtu (22/3/2014).

Tidak ada studi yang membuktikan klaim Reid. Tapi orang tua dari anak-anak autis kini semakin berfokus pada membatasi makanan olahah dari pola makan sehari-hari sebagai upaya pengobatan. Reid dan suaminya mulai mencurigai ada masalah kesehatan dengan putrinya, Brooke ketika ia berusia dua tahun. Brooke tidak bisa fokus pada kontak mata, memiliki masalah perut yang parah dan tenggelam dalam aktivitas yang sama berjam-jam. Ia sudah melakukan berbagai upaya termasuk menjaga asupan makanan. Hingga akhirnya ia menemukan sebuah artikel di internet dari orang tua yang mengurangi penggunaan MSG dari makanan anaknya yang autis.

Reid setuju dan yakin kalau jumlah terlalu banyak MSG dalam tubuh menyebabkan kekacauan neurologis dan bertindak sebagai neurotransmitter. Brooke kata Reid, kini sudah bisa terlibat dalam situasi sosial yang umum, bukan lagi pada pendidikan khusus anak-anak autisme.

4.3 Bahaya pada Manusia

a. Penambahan MSG pada makanan dapat menurunkan kandungan zat gizi makanan tersebut, sehingga nilai gizinya pun menurun.

b.  Penambahan MSG memang dapat meningkatkan kadar natrium dalam makanan. Dalam 1 gram MSG, kira-kira mengandung 200 mg natrium. Natrium merupakan zat yang harus dibatasi oleh kelompok usia lanjut, terutama mereka yang mengidap penyakit jantung, hipertensi, dan ginjal. Asam glutamat bebas ini bersifat eksitotoksik sehingga dihipotesiskan akan bisa merusak neuron otak bila sudah melebihi kemampuan otak mempertahankannya dalam kadar rendah.

c.  Pada kelompok orang yang sensitif terhadap MSG, yang berakibat muncul keluhan berupa : rasa panas di leher, lengan dan dada, diikuti kaku-kaku otot dari daerah tersebut menyebar sampai ke punggung. Gejala lain berupa rasa panas dan kaku di wajah diikuti nyeri dada, sakit kepala, mual, berdebar-debar dan kadang sampai muntah. Gejala ini mirip dengan Chinese Restaurant Syndrome, tetapi kemudian lebih tepat disebut MSG Complex Syndrome. Sindrom ini terjadi segera atau sekitar 30 menit setelah konsumsi, dan bertahan selama sekitar 3 - 5 jam. Berbagai survei dilakukan, dengan hasil persentase kelompok sensitif ini sekitar 25% dari populasi.

d. Pada penderita asma, yang banyak mengeluh meningkatnya serangan setelah mengkonsumsi MSG. Munculnya keluhan dikedua kelompok tersebut terutama pada konsumsi sekitar 0,5-2,5 gram MSG. Sementara untuk penyakit-penyakit kelainan syaraf seperti Alzheimer dan Hungtinton chorea, tidak didapatkan hubungan dengan konsumsi MSG.

e.   MSG dapat memicu penyakit kanker

Bila MSG itu dipanaskan, seperti digoreng dengan minyak, apa lagi kalau dengan cara deep fried  dan alat pressure cooker maka ia akan pecah menjadi 2 zat kimia baru yang sangat berbeda dengan zat aslinya, yakni Glutamic pyrlosied 1 (Glu-P-1, Amino-methyl dipyrido imidazole) dan Glu-P-2 (amino dipyrido imidazole). Kedua zat bersifat mutagenik (menyebabkan kelainan genetik) dan karsinogenik (menyebabkan kanker). Dengan Uji Ame's, kedua zat ini secara konsisten mengakibatkan mutagenik pada kuman Salmonellaty phimurium dan pada tikus dan mencit menyebabkan kanker kerongkongan, lambung, usus, hati, otak, mammae dll. Kedua zat tadi jauh lebih potensi dibandingkan dengan Aflatoksin yang hanya menyebabkan kanker hati saja.

f.    Hipertensi

Mekanisme terjadinya hipertensi adalah melalui terbentuknya angiotensin II dari angiotensin I-converting enzyme (ACE). ACE memegang peran fisiologis penting dalam mengatur tekanan darah. Darah mengandung angiotensinogen yang diproduksi di hati. Selanjutnya oleh hormon, renin (diproduksi oleh ginjal) akan diubah menjadi angiotensin I. Oleh ACE yang terdapat di paru-paru, angiotensin I diubah menjadi angiotensin II. Angiotensin II inilah yang memiliki peranan kunci dalam menaikkan tekanan darah melalui dua aksi utama.

Aksi pertama, meningkatkan sekresi hormon antidiuretik (ADH) dan rasa haus. Dengan meningkatnya ADH, sangat sedikit urin yang disekresikan ke luar tubuh, sehingga menjadi pekat dan tinggi osmolalitasnya. Untuk mengencerkannya, volume cairan ekstraseluler akan ditingkatkan dengan cara menarik cairan dari bagian intraseluler. Akibatnya, volume darah meningkat, yang pada akhirnya akan meningkatkan tekanan darah.

Aksi kedua, merangsang sekresi aldosteron dari korteks adrenal. Aldosteron merupakan hormon steroid yang memiliki peranan penting pada ginjal, untuk mengatur volume cairan ekstraseluler, aldosteron akan mengurangi sekresi NaCl (garam) dengan cara mengabsorpsi dari tubulus ginjal. Naiknya konsentrasi NaCl dan sodium (natrium) dalam MSG akan diencerkan kembali dengan cara meningkatkan volume cairan ekstraseluler yang pada akhirnya akan meningkatkan volume dan tekanan darah.

Seperti yang telah dijelaskan, natrium memegang peranan penting terhadap timbulnya hipertensi. Konsumsi natrium (pada garam dapur dan dalam MSG) yang berlebihan menyebabkan konsentrasi natrium di dalam cairan ekstraseluler meningkat. Untuk menormalkannya, cairan intraseluler ditarik ke luar, sehingga volume cairan ekstraseluler meningkat, hal ini menyebabkan meningkatnya volume darah, sehingga berdampak kepada timbulnya hipertensi.

g.   MSG juga dapat menimbulkan berbagai masalah seperti kegemukan dan depresi. Jika MSG digunakan secara berlebihan dapat menimbulkan efek negatif bagi tubuh, 12 gram MSG per hari dapat menimbulkan gangguan lambung, gangguan tidur, dan mual-mual.