Pemanfaatan Teknologi Membran dalam Produksi Peptida Bioaktif sebagai Ingridien Pangan Fungsional

Oleh Azis Boing Sitanggang
Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB University

Perubahan pola konsumsi masyarakat dewasa ini memicu transformasi industri pangan. Konsumen kini lebih sadar akan kesehatan dan kelestarian lingkungan, mendorong permintaan terhadap pangan fungsional, yang tidak hanya bergizi dan menyehatkan, tetapi juga diproduksi secara berkelanjutan (sustainable). Hal ini membuka peluang bagi pengembangan teknologi pangan yang inovatif dan ramah lingkungan.

Pangan fungsional adalah pangan yang memberikan manfaat terhadap kesehatan selain efek zat gizi secara umum. Untuk mendukung produksi pangan fungsional, berbagai teknologi ingridien dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan pangan masyarakat yang bersifat personal (personalized nutrition). Salah satu dari teknologi yang ramah lingkungan dan dapat dimanfaatkan dalam memproduksi ingridien pangan fungsional adalah teknologi membran yang dikombinasikan dengan reaksi enzimatik. 

Peptida bioaktif merupakan fragmen protein spesifik (2-20 asam amino) yang memiliki dampak positif pada tubuh (Sánchez et al., 2017). Fungsionalitas dari peptida bioaktif ditentukan oleh berat molekul, komposisi asam amino, dan letak asam amino spesifik pada N- dan C-terminal. Resisten terhadap enzim pencernaan, peptida bioaktif dianggap sebagai regulator bioaktif yang mencegah oksidasi, penghambat kerja enzim pengkonversi angiotensin (ACE), antimikroba dan lainnya. Peptida bioaktif berada dalam bentuk inaktif dalam sekuens protein induk (“parent”), dan untuk melepaskan peptida bioaktif dapat dilakukan melalui: (1) hidrolisis oleh enzim pencernaan, (b) hidrolisis oleh mikroorganisme proteolitik, (c) hidrolisis melalui enzim yang didapatkan dari mikroorganisme atau tumbuhan dan (d) pengolahan pangan (Sitanggang et al., 2020). 

Sebagai bagian dari teknologi membran, reaktor membran enzimatik (enzymatic membrane reactor/EMR) merupakan suatu desain reaktor yang dapat memfasilitasi secara simultan reaksi katalitik dan pemisahan produk. Dengan pemilihan berat molekul retensi membran (cut-off) yang tepat, di mana molekul enzim dapat tertahan di dalam reaktor, maka hidrolisis makromolekul atau sintesis suatu ingridien pangan fungsional dapat dilakukan secara kontinu. Dalam hal ini, produksi peptida bioaktif lewat hidrolisis protein induk dari bahan pangan, dapat dilakukan. 

Proses produksi suatu senyawa secara kontinu dapat meningkatkan produktivitas volumetrik dibandingkan dengan operasi bets yang memiliki potensi proses yang kurang efisien dan fluktuasi kualitas produk antar bets. Penggunaan EMR untuk produksi kontinu peptida bioaktif dapat mengatasi beberapa masalah, termasuk: (i) reaksi dan pemisahan dapat terjadi dalam satu unit operasi, (ii) penggunaan biokatalis (enzim) yang terdispersi, menghilangkan biaya dan waktu nonproduktif untuk imobilisasi enzim, dan (iii) penggunaan membran dengan ukuran yang tepat dapat meningkatkan proses separasi dan selektivitas pemisahan, sehingga meningkatkan aktivitas biologis peptida yang dihasilkan.

Reaktor membran enzimatik untuk produksi peptida bioaktif
Sitanggang et al. (2021) mendesain sistem EMR untuk memproduksi peptida bioaktif secara kontinu (Gambar 1). Bagian atas dan bawah reaktor terbuat dari baja nirkarat, dan badan reaktor terbuat dari kaca borosilikat. Konfigurasi antara diameter tangki dan pengaduk (D/d) sebesar 1.175, unbaffled, dan reaktor stabil pada tekanan maksimal 6 bar. Membran yang digunakan merupakan ultrafiltrasi membran dengan luas permukaan efektif 1.24 x 10-3 m2 yang diletakkan di bagian bawah reaktor (posisi dead-end). Nitrogen (N2) digunakan untuk memompa substrat keluar dari tangki substrat masuk ke dalam reaktor. Pelepasan gas nitrogen dikontrol dengan menggunakan regulator tekanan MPPES-3-1/4-6-010. Permeat kemudian dikumpulkan pada wadah yang diletakkan di atas neraca analitik. Pengendali PID dikembangkan menggunakan LabVIEWTM. Melalui sistem reaktor yang dikembangkan, maka, hidrolisis kontinu protein serta separasi peptida dapat dilakukan pada nilai fluks membran dan waktu tinggal reaksi yang konstan. Untuk evaluasi proses, studi dengan menggunakan reaktor yang terkait dapat menghubungkan kesenjangan antara skala laboratorium tahap bets dan operasi kontinu pada skala industri.

Sitanggang et al. (2021) mempelajari produksi peptida bioaktif secara kontinu dari tempe dengan menggunakan EMR otomatis menggunakan enzim papain. Berdasarkan penelitian yang dilakukan, didapatkan bahwa semakin lama waktu tinggal reaksi (HRT), maka peptida pada permeat yang dihasilkan memiliki sifat inhibisi ACE, total fenol, kadar protein, dan kapasitas antioksidan yang lebih tinggi. Peningkatan kadar protein seiring dengan rendahnya nilai fluks membran diakibatkan oleh waktu kontak yang lebih lama tersedia antara enzim papain dengan protein tempe sehingga peptida yang dihasilkan memiliki berat molekul yang rendah. Sitanggang et al. (2023) memodifikasi sistem reaktor di atas (Gambar 1) untuk mengurangi biaya produksi sistem reaktornya, mempelajari produksi peptida bioaktif dari kacang koro benguk (Mucuna pruriens) terfermentasi. Kondisi operasi optimal untuk hidrolisis kontinu adalah waktu tinggal reaksi sebesar 9 jam, rasio enzim terhadap substrat 10%, dan penggunaan membran PES 5-kDa untuk pemisahan. Kurniadi et al. (2023) juga menggunakan EMR yang serupa untuk memproduksi kontinu peptida bioaktif dari kacang koro benguk nonfermentasi. Fraksinasi permeat yang mengandung peptida bioaktif menggunakan cut-off membran yang lebih kecil (<2-kDa) menghasilkan peningkatan aktivitas antioksidan dan inhibisi ACE. Untuk merepresentasikan sistem produksi industri dengan pengecilan skala, maka operasi jangka panjang produksi petida bioaktif dengan aktivitas penghambatan ACE dilakukan pada kondisi optimal (E/S = 5%; pH 7,5; τ = 12 jam). Aktivitas penghambatan ACE pada 80% dan profil tekanan transmembran stabil selama 72 jam operasi. 



Konsep produksi, separasi dan konsentrasi peptida bioaktif secara kontinu
Berdasarkan berbagai hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, maka konsep produksi kontinu peptida bioaktif, separasi dan pengkonsentrasiannya sebagai ingridien pangan fungsional dengan pemanfaatan teknologi membran dapat ditunjukkan pada Gambar 2. Hal mendasar yang perlu diperhatikan dalam konsep ini adalah adanya (1) pengkondisian bahan baku, (2) produksi, separasi dan pengkonsentrasian peptida bioaktif dan (3) formulasi sediaan peptida pada produk pangan olahan. Untuk bagian awal, protein induk dapat berasal dari beragam sumber. Biasanya, sumber protein induk dipilih berdasarkan konsentrasi awal protein, jenis asam amino yang dominan dalam pembentukan protein induk, serta kemudahan proses isolasinya. Selain itu, pertimbangan untuk meningkatkan nilai ekonomi dari sumber protein induk dapat melibatkan penggunaan produk sampingan atau bahkan limbah dari proses pengolahan. Proses isolasi protein induk harus dilakukan dengan cermat untuk mengurangi kontaminan pada isolat proteinnya. Hal ini juga terkait erat dengan masalah pemampatan pada membran (fouling) selama proses produksi. Pada skala produksi yang lebih besar, sistem reaktor dengan filtrasi crossflow dapat menjadi pilihan karena risiko pemampatan membran lebih rendah daripada filtrasi dead-end. Proses pemisahan dapat dilakukan secara bertahap dengan menggunakan berbagai cut-off membran, untuk meningkatkan aktivitas peptida bioaktif. Pengkonsentrasian peptida bioaktif dapat dilakukan menggunakan membran destilasi tanpa pemanasan, sehingga struktur peptida tetap utuh. Sebagai langkah terakhir, peptida bioaktif yang terkonsentrasi dapat langsung digunakan, terutama dalam formulasi pangan cair. Untuk pemanfaatan pada pangan olahan berwujud padat, peptida bioaktif yang terkonsentrasi dapat diolah lebih lanjut melalui proses pengering semprot (spray drying) atau pengering beku (freeze drying) agar lebih mudah diaplikasikan pada produk olahan berwujud padat maupun cair.

Referensi:
A. Sánchez, A. Vázquez, Bioactive peptides: A Review. Food Quality and Safety. 1, 29–46 (2017). 
A. B. Sitanggang, M. Lesmana, S. Budijanto, Membranebased preparative methods and bioactivities mapping of Tempe-based peptides. Food Chemistry. 329, 127193 (2020). 
A. B. Sitanggang, J. Sumitra, S. Budijanto, Continuous production of tempe-based bioactive peptides using an automated enzymatic membrane reactor. Innovative Food Science and Emerging Technologies. 68, 102639 (2021). 
A. B. Sitanggang, V. V. Dewi, H. Fadhilatunnur, N. Kurniadi, S. Budijanto, Experimental study on the continuous production of velvet bean-based bioactive peptides in a membrane reactor and bioactivity mapping. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 86, 103380 (2023).
N. Kurniadi, S. Yasni, S. Budijanto, A. Boing Sitanggang, Continuous production of velvet bean-based bioactive peptides in membrane reactor with dual enzyme system. Food Chemistry. 423, 136378 (2023).