Production of Bacterial Cellulose from Expired Cordial Beverages and Their Potential Use as Anti-Bright Cellulose Gel

Sains Malaysiana 51(5)(2022): 1399-1410 http://doi.org/10.17576/jsm-2022-5105-11

ABSTRACT Cellulose is a carbohydrate polymer that is readily available from plant and produced by variety of bacteria such as Komagataeibacter xylinus through fermentation. However, bacterial cellulose has higher purity and water holding capacity than plant-based cellulose and can potentially be used as an active gel in food applications such as anti-browning gel. Expired cordial drinks could be an excellent fermentation medium for bacterial cellulose production due to its high sugar content and simultaneously mitigate wastewater issues. Therefore, the objective of this research was to produce bacterial cellulose as anti-browning gels from expired cordial drinks in fresh apple juice model system. The first stage of the study was to compare the production of bacterial cellulose from expired cordial drinks without and with the addition of yeast extract. Results of cordial with the addition of yeast extract showed the highest wet weight of cellulose with 140 g/L, decreased in pH value by 1.72, and decreased of sugar and protein concentrations by 12.44 mg/ mL and 0.93 mg/mL, respectively, after 14 days. The produced cellulose pellicle was then used as anti-browning gel (addition of 0.1 % ascorbic acid) in the second stage of this study. Results showed that the browning index in apple juice containing the anti-browning cellulose gel has successfully prevented browning in apple juice (15.01) compared to the browning index in a control apple juice (25.58). In conclusion, bacterial cellulose can be produced from expired cordial drinks and has potential as an anti-browning gel to reduce enzymatic browning in fresh apple juice.

PENGENALAN Selulosa secara asasnya adalah polisakarida organik linear yang terdiri daripada rantaian panjang monosakarida glukosa dengan formula kimia (C6 H10O5 )n yang boleh diperoleh daripada tumbuhan dan dihasilkan oleh bakteria (Naomi et al. 2020). Selulosa bakteria boleh dihasilkan daripada beberapa genus bakteria seperti Acetobacter, Azotobacter, Komagataeibacter, Rhizobium, Pseudomonas, Salmonella dan Alcaligenes. Komagataeibacter xylinus (sebelum ini dikenali sebagai Acetobacter xylinum dan Gluconacetobacter xylinus) adalah sejenis bakteria aerobik Gram-negatif yang sering digunakan bagi menghasilkan selulosa bakteria kerana sistem penghasilannya yang cekap (Raghavendran et al. 2020). Dalam masa sejam, bakteria ini mampu menukar 108 molekul glukosa menjadi rantai selulosa (Betlej et al. 2021). Selain itu, K. xylinus juga dapat hidup dengan baik di bawah keadaan ekstrem seperti kepekatan gula yang tinggi bagi menghasilkan selulosa bakteria. Hal ini telah menarik minat penyelidik daripada pelbagai bidang untuk mengkaji biosintesis selulosa untuk digunakan dalam pelbagai aplikasi (Quijano 2017). Selulosa daripada bakteria terdiri daripada mikrofibril yang lebih tulen berbanding selulosa daripada tumbuhan kerana bebas daripada kandungan lignin dan hemiselulosa. Mikrofibril ini disusun dalam struktur jaringan 3D yang membentuk geometri berliang dan mempunyai kekuatan mekanikal yang tinggi (Betlej et al. 2021). Selulosa bakteria juga mempunyai kapasiti kristal (80-90%), kapasiti penyerapan air dan darjah pempolimeran (sehingga 8000 dp) yang lebih tinggi berbanding selulosa tumbuhan. Ciri-ciri ini, bersama biokompatibiliti, menjadikan selulosa bakteria sebagai bahan yang menarik untuk dieksploitasi dalam pelbagai bidang, terutamanya yang berkaitan dengan industri makanan, kosmetik, bioperubatan dan bioteknologi (Moniri et al. 2017).

Penghasilan selulosa bakteria oleh K. xylinus menggunakan sumber karbon glukosa adalah berdasarkan mekanisma berikut: 1) fosforilasi glukosa oleh glukokinase menjadi glukosa-6-fosfat, 2) isomerisasi glukosa-6-fosfat menjadi glukosa-1-fosfat oleh fosfoglukomutase, 3) penukaran glukosa-1-fosfat menjadi glukosa difosfat uridin (UDP-glukosa) oleh UDP-glukosa pirofosforilase, 4) sintesis selulosa daripada UDP-glukosa oleh selulosa sintase. UDP-glukosa adalah prekursor untuk menghasilkan selulosa dan memainkan peranan penting dalam sintesis selulosa. Aktiviti UDPase adalah kira-kira 100 kali lebih aktif dalam bakteria yang menghasilkan selulosa berbanding daripada bakteria yang tidak menghasilkan selulosa (Sheltami et al. 2012).

Antara potensi penggunaan selulosa bakteria dalam industri makanan adalah sebagai pembawa (carrier) aditif makanan. Dengan kapasiti pegangan air yang tinggi, selulosa bakteria mampu menyerap bahan aktif seperti agen anti-pemerangan, anti-mikrobial dan anti-oksida. Matriks serat selulosa bakteria yang padat terbentuk melalui ikatan inter dan intra-kimia yang kuat terutamanya ikatan hidrogen di antara rangkaian selulosa. Tahap ikatan hidrogen yang tinggi ini juga menghasilkan rongga yang mempunyai cas ion terbentuk di dalam selulosa. Oleh hal demikian, agen aktif seperti agen anti-pemerangan yang mempunyai cas ion dapat diserap ke dalam rangkaian selulosa bakteria dan kemudiannya akan berfungi sebagai satu mekanisme pelepasan terkawal apabila dimasukkan ke dalam larutan akueus yang lain (Swingler et al. 2021). Selulosa bakteria dengan penambahan agen anti-pemerangan berbeza berbanding agen anti-pemerangan yang biasa kerana gel selulosa aktif tersebut mampu melepaskan agen anti-pemerangan secara berperingkat dan berterusan untuk jangka masa yang lebih lama. Penambahan agen anti-pemerangan kepada selulosa bakteria berpotensi mengatasi masalah utama yang berlaku pada jus buah-buahan segar iaitu pemerangan enzim (Ali et al. 2014). Pemerangan enzim berlaku disebabkan oleh pengoksidaan sebatian fenolik dalam jus buah-buahan oleh enzim polifenol oksidase (PPO) yang menghasilkan pigmen perang apabila terdedah kepada udara sekeliling yang akhirnya menurunkan kualiti dan nilai pemakanan jus tersebut (Mansor et al. 2020). Pemerangan enzim juga menyebabkan kerugian ekonomi yang besar apabila produk tidak dapat dijual kepada pengguna (Al Qadr Imad Wan-Mohtar et al. 2021). Jus epal segar terutamanya, sering mengalami kerugian ekonomi yang signifikan kerana berlaku penurunan kualiti akibat daripada pemerangan enzim (Kaanane & Labuza 2012). Oleh sebab itu, kajian ini dijalankan bagi mengkaji potensi selulosa bakteria sebagai gel selulosa antipemerangan. Walau bagaimanapun, penghasilan selulosa bakteria melibatkan kos yang tinggi disebabkan oleh penggunaan media fermentasi komersial yang mahal serta penggunaan glukosa daripada sumber berasaskan makanan seperti kentang, jagung dan gandum sebagai substrat (Alabbosh et al. 2021). Oleh itu, untuk mengurangkan kos pengeluaran, media fermentasi yang mudah diperoleh, mempunyai sumber karbon seperti glukosa atau sukrosa yang tinggi, sumber yang tidak terhad dan murah perlu digunakan bagi menghasilkan selulosa bakteria (Revin et al. 2018). Sisa minuman seperti kordial minuman yang telah melepasi tarikh tamat tempoh mempunyai potensi sebagai media fermentasi kerana mengandungi kandungan gula yang tinggi, di samping dapat mengatasi masalah pembaziran sisa makanan atau minuman serta menerapkan strategi sisa sifar (zero waste) untuk mencapai pemulihan sumber yang optimum daripada sisa sampah (Garg 2019; Rodzi et al. 2018). Justeru, objektif kajian ini adalah untuk menghasilkan selulosa bakteria daripada minuman manis komersial yang telah tamat tempoh dan mengenal pasti potensi selulosa bakteria sebagai gel selulosa aktif dengan penambahan agen anti-pemerangan serta menilai kesan penambahan gel selulosa aktif kepada kadar pemerangan jus buah epal.

Sains Malaysiana 51(5)(2022): 1399-1410 http://doi.org/10.17576/jsm-2022-5105-11