KARAKTERISTIK FISIKO-KIMIA DAN POTENSI PREBIOTIK PATI SAGU (Metroxylon rumphii) FOSFAT

Febby J. Polnaya, Prof. Dr. Ir. Haryadi, M.App.Sc.

2013 | Disertasi | S3 Ilmu Pangan

Pati sagu mengandung fosfor sebagai komponen minor dengan konsentrasi < 0,01 %, utamanya terikat pada molekul amilopektin sebagai gugus fosfat. Gugus fosfat mempengaruhi sifat fungsional pati sagu seperti resistansi enzimatis. Untuk meningkatkan kadar fosfor, dapat dilakukan dengan fosforilasi sehingga menghasilkan pati sagu fosfat (PSF). Pati fosfat dapat dibagi menjadi dua kelas yaitu monostarch phosphate (MSP) dan distarch phosphate (DSP). MSP dihasilkan dengan mereaksikan pati menggunakan natrium tripolifosfat (STPP, Na5P3O10), sedangkan DSP menggunakan fosforous oksiklorida (POCl3). Fosforilasi dapat meningkatkan substitusi gugus fosfat atau derajat substitusi (DS) dan gugus tersebut dapat menghambat migrasi molekul pada bagian sisi pengikatan dengan α-amilase sehingga dapat meningkatkan kadar pati resistan (RS) bahan pangan. RS sangat penting karena berpotensi terhadap peningkatan kesehatan manusia. RS dikenali sebagai komponen karbohidrat yang tidak tercerna, selanjutnya hampir seluruhnya terfermentasi dalam kolon, menghasilkan asam lemak rantai pendek (SCFA), dan dapat menurunkan pH. Karena kemampuan RS untuk mendorong pertumbuhan bakteri yang menguntungkan, RS disebut juga sebagai prebiotik. Prebiotik dapat menstimulasi peningkatan kelompok bakteri Bifidobacteria dan Lactobacilli dan kemudian menekan pertumbuhan Bacteroides dan Clostridia. Hal ini menjadi penting untuk dapat diterapkan pada pati sagu sebagai bahan pangan lokal sehingga dapat dikembangkan sebagai sumber prebiotik yang baru. Tujuan umum penelitian adalah untuk meningkatkan pemanfaatan pati sagu, mendapatkan metode fosforilasi pati sagu dan mengetahui sifat fungsional RS dari PSF bagi kesehatan. Tujuan khusus penelitian ini adalah untuk: 1) mengetahui faktorfaktor yang berpengaruh terhadap fosforilasi; 2) mengetahui karakteristik fisiko-kimia PSF; 3) mengetahui karakteristik kimia RS dari PSF; dan 4) mengetahui potensi prebiotik RS dari PSF. Penelitian dilakukan dalam empat tahapan. Penelitian tahap pertama adalah karakterisasi sifat-sifat fisiko-kimia pati sagu. Penelitian tahap kedua adalah sintesis PSF dengan reagen modifikasi STPP (PSF1) atau POCl3 (PSF2) pada empat kondisi pH reaksi (8-11), serta mengkarakterisasi sifat-sifat fisiko-kimianya. Penelitian tahap ketiga adalah preparasi dan karakterisasi sifat kimia RS dari PSF berdasarkan formasi gugus fosfat dengan DS tertentu. Penelitian tahap keempat adalah pengujian potensi prebiotik RS dari PSF. Karakteristik pati sagu dan PSF yang dianalisis meliputi kadar fosfor, abu, protein, lemak, dan amilosa, kemampuan menggelembung dan kelarutan, kejernihan pasta, DS, viskositas, kristalinitas dan struktur molekul. Gugus fungsional, derajat ikat silang relatif, kadar RS, dan derajat kristalinitas RS terseleksi juga dianalisis. RS dipersiapkan secara enzimatis untuk menghidrolisis pati sagu dan PSF dan selanjutnya difermentasi menggunakan inokulum dari feses manusia. Produksi SCFA diukur secara kromatografi. Pertumbuhan bakteri diidentifikasi menggunakan media selektif untuk menghitung jumlah Bifidobacteria, Lactobacilli, Bacteroides dan Clostridia dan digunakan untuk menghitung indeks prebiotik. Kadar fosfor PSF1 yang difosforilasi pada pH 9 menunjukkan nilai tertinggi dibandingkan pada pH lainnya, sedangkan PSF2 yang difosforilasi pada pH 11 menunjukkan nilai tertinggi dibandingkan pada pH lainnya. Kemampuan menggelembung PSF lebih tinggi dibandingkan pati sagu, sedangkan daya larutnya lebih rendah. Kejernihan pasta PSF1 lebih tinggi dibandingkan pati sagu sedangkan PSF2 adalah rendah. DS PSF1 yang dipreparasi pada pH 9 adalah 0,008, menunjukkan nilai tertinggi dibandingkan yang difosforilasi pada pH lainnya. Sedangkan fosforilasi menggunakan POCl3, kadar DS meningkat seiring meningkatnya pH reaksi dari 8 sampai 11. Sifat menggelembung pati mengindikasikan bahwa PSF1 menunjukkan kemampuan menggelembung yang tinggi sedangkan PSF2 adalah keterbatasan penggelembungan. Terbatasnya penggelembungan berhubungan dengan formasi jembatan inter-molekular oleh gugus fosfat. Fosforilasi pati sagu menghasilkan derajat kristalinitas adalah 22,96-24,76% dan tipe kristalinitas adalah tipe C. Spektra 31P NMR dari PSF1 (DS 0,008) mengindikasikan bahwa fosforilasi dengan STPP menghasilkan formasi MSP dan ditunjukkan oleh gugus fosfat tersubstitusi pada C-6 dan C-3, sedangkan PSF2 (DS 0,018) mengindikasikan bahwa fosforilasi dengan POCl3 menghasilkan formasi DSP dengan sedikit cyclic-MSP. Spektra FT-IR menunjukkan bahwa setelah hidrolisis, RS menghasilkan α,-dekstrin yang mengandung gugus fosfat. Jika dibandingkan dengan pati sagu, kadar RS dari MSP dan DSP meningkat berturut-turut menjadi 20 sampai 40%. Pola XRD mengindikasikan bahwa derajat kristalinitas RS mengalami kerusakan. Kadar RS dari PSF lebih dipengaruhi oleh gugus fosfat. RS dari PSF2 yang diinkubasi selama 24 jam mampu meningkatkan populasi Bifidobacteria dan Lactobacilli dan menghasilkan nilai indeks prebiotik tertinggi (1,19) dan berpotensi sebagai prebiotik, dan relatif sama dengan inulin sebagai pembanding (1,15) pada lama waktu inkubasi 24 jam. RS dari pati sagu dan MSP lebih cepat mengalami fermentasi dalam 24 jam, sedangkan RS dari DSP menunjukkan waktu fermentasi yang lebih lama yaitu 48 jam. Meningkatnya jumlah Bifidobacteria dan Lactobacilli selama fermentasi RS, mempengaruhi peningkatan konsentrasi SCFA dan pH yang rendah.

Native sago starch (NSS) contains chemically bound phosphorus which were < 0.01%, and mainly linked to amylopectin molecules as phosphate groups. The phosphate groups affect the properties of the sago starch on starch functional properties such as resistant to enzyme. To obtain higher phosphorus content, starch might be chemically phosphorylated. Phosphorylated starch might be grouped into two classes: monostarch phosphate (MSP) and distarch phosphate (cross-linked starch) (DSP). MSP can be obtained by esterification of native starch using sodium tripolyphosphate (STPP), while DSP obtained by using phosphorous oxychloride (POCl3). Phosphorylation can increase the substitution of phosphate groups or degree of substitution (DS) and this group can inhibit the migration of the molecules into a combining site with α-amylase and then increase the level resistant starch (RS). RS were of particular interest because of possible potential health benefits for human. RS were recognized as one component of nondigestible carbohydrates in human, where they had been shown to be almost totally fermented in the colon to short-chain fatty acids (SCFA), and to reduce pH. Because of their ability to promote beneficial bacteria, RS were also called \"prebiotic\" nutrients. Prebiotic could stimulate the increase of bifidobacteria and lactobacilli groups and then suppressed the growing of bacteroides and clostridia groups. It was interesting to apply the sago starch as local food that can be developed as a novel prebiotic. The general purposes of this study were to know the physico-chemical of PSS related to the functional properties of RS and prebiotic potential. The specific objectives of the research are: 1) to know the effect of phosphorylation on the chemical composition; 2) to know the physico-chemical characteristics of PSS related to the characteristics of RS; 3) to know the characteristics of RS from PSS; and 4) to know the prebiotic potential of RS from PSS. The research was divided into four stages. The first stage, to characterize the physicho-chemical properties of native sago starch. The second stage, to shyntesize of PSS with STPP or POCl3 at various pH levels (from 8 to 11) and to characterize the physico-chemical properties of PSS. The third stage, to prepare and to characterize physico-chemical properties of RS from PSS with spesific DS. The fourth stage, to determine the potential of RS from PSS for health. The NSS and PSS were characterized for their phosphorus, ash, protein, fat, and amylose contents, swelling power and solubility, paste clarity, DS, pasting properties, crystallinity and molecular structure. Molecular structure, relative degree of crosslinking, RS content, and degree of crystallinity of selected RS samples were also investigated. The RS were prepared by exhaustive enzymic hydrolysis of NSS and PSS, and fermented using fecal inoculum. The production of SCFA was chromatographically characterized. The growth of bacteria were identified by using the selective media to enumerate bifidobacteria, lactobacilli, clostridia and bacteroides, and to calculate the prebotic index. The phosphorus content of PSS1 was prepared at pH 9 and higher than that prepared at other pH values, while that of PSS2 was prepared at pH 11 and higher than that prepared at other pH values. The swelling power of PSS was higher than those of NSS, while the solubility was lower than that of NSS. The paste clarity of PSS1 was higher than that of NSS, while that of PSS2 was lower. The DS of STPP treated sago starch prepared at pH 9 was 0.008, which was the highest value among those prepared at any other pH. For POCl3 treated sago starch, the increase in the pH of the reaction mixture resulted in the increase of DS. The swelling properties indicated the unrestriction swelling of STPP treated sago starch, while that of POCl3 treated sago starch show the restriction to swell. The restriction to swell might be related to the formation of inter-molecular bridges by phosphate group. The phosphorylated sago starches had the degree of crystallinity ranging from 22.96- 24.76% and had a C-type of X-ray diffraction pattern. The 31P NMR spectrum of MSP (DS 0.008) indicated that the phosphorylation resulted in monostarch phosphate showing that the phosphate groups attached at C-6 and C-3, while that of DSP (DS 0.018) showed a signal for distarch phosphate with a small proportion of cyclic monostarch phosphate. FT-IR spectra showed that after hydrolyzed, RS contain α,- dextrin enriched with phosphate groups. Compared with native sago starch, RS content of mono- and distarch phosphate were increased by 20 to 40%, respectively. XRD pattern indicated that degree of crystalline structure of RS was destroyed. RS content of phosphorylated starches were affected by the substitution of phosphate group more than their degree of crystallinity. The RS from DSP enhanced the growth of bifidobacteria and lactobacilli, resulting in a higher prebiotic index (1.19) and relatively the same to the value of inulin (1.15) following the incubation for 24 h. The fermentation of RS from NSS and MSP were faster than that of RS from DSP. The increase in the number of bifidobacteria and lactobacilli during fermentation of RS gave higher SCFA production with a consequent of lower pH.

Kata Kunci : Fosforilasi, pati sagu, derajat substitusi, struktur molekul, resistant starch, asam lemak ranti pendek, indeks prebiotik