Smart Packaging: Pengembangan Teknologi Pengemas Keju Antibakteri Menggunakan Nanofiber dan Nanopartikel

Oleh: Venisa Yosephi

Keju merupakan salah satu panganan favorit yang terkenal akan kepraktisannya dan kaya akan nutrisi serta mudah diserap oleh tubuh. Jumlah konsumsi keju selalu meningkat setiap tahun mulai dari 1.9 kg hingga 28.1 kg per kapita secara global¹. Namun, keju dapat dengan mudah dikontaminasi oleh bakteri penyebab penyakit seperti Listeria monocytogenes terutama pada proses produksi dan penyimpanan. Listeria monocytogenes merupakan salah satu bakteri penyebab penyakit listeriosis, dimana listeriosis merupakan salah satu penyakit dengan penyumbang kasus kematian akibat makanan tertinggi. Di sisi lain, bakteri ini sangat sulit dihilangkan karena kemampuannya dalam beradaptasi pada lingkungan yang ekstrim, sehingga diperlukan pengawet alami yang mampu menjaga ketahanan pangan seperti bacteriocin (antibakteri). Salah satu bacteriocin adalah nisin dengan kelebihan berupa GRAS (Generally Recognized As Safe) atau aman untuk dikonsumsi dan memiliki kemampuan antibakteria pada berbagai bakteri. Namun kemampuan antibakteria nisin akan berkurang apabila diaplikasikan langsung pada makanan.

Adapun chitosan (CS) merupakan polisakarida bermuatan positif yang terkenal dengan kemampuan antibakterinya. Poly-ɣ-glutamic acid (ɣ-PGA) merupakan polipeptida bermuatan negatif yang diproduksi oleh Bacillus sp yang aman digunakan pada makanan³. Nanopartikel merupakan sebuah partikel dengan ukuran 1-100 nm. Chitosan dan ɣ-PGA dapat saling membentuk nanopartikel satu sama lain dalam keadaan asam. Kemampuan tersebut dapat dimanfaatkan untuk memerangkap (enkapsulasi) molekul bermuatan positif seperti nisin. Namun penggunaan nanopartikel secara langsung pada makanan memiliki beberapa kelemahan, seperti kecenderungan nanopartikel untuk membentuk agregat dan terpengaruhnya stabilitas makanan. Salah satu inovasi yang dapat dilakukan adalah menggunakan nanofiber untuk menjaga stabilitas nanopartikel dengan cara memasukkan nanopartikel ke dalam nanofiber. Nanofiber merupakan fiber/serat dengan ukuran diameter sekitar 50-1000 nm. Polimer PEO (Polyethylene Oxide) merupakan polimer yang sangat cocok diterapkan pada makanan karena tidak memiliki sifat beracun. Penelitian nanopartikel nisin-loaded poly-ɣ-glutamic acid/chitosan (NGC) pada nanofiber PEO dilakukan pada aplikasi pengemasan makanan untuk menguji aktivitas antibakteri pada keju dan sifat akhir sensoris keju.

Bahan-bahan yang diperlukan dalam pengujian dan pembuatan pengemas keju yaitu keju, nisin, chitosan, ɣ-PGA, PEO, Listeria Chromogenic Medium, dan L. monocytogenes yang ditumbuhkan pada media peptone-yeast-glucose broth (PYG) pada 37°C selama 48 jam.  Preparasi nanopartikel nisin-loaded poly-ɣ-glutamic acid/chitosan (NGC) dilakukan dengan melarutkan chitosan pada larutan asam asetat 1% dan ddH2O. Kemudian nisin yang telah dilarutkan dicampurkan dengan ɣ-PGA untuk membentuk nanopartikel nisin-ɣ-PGA. Setelah itu nanopartikel nisin-ɣ-PGA ditambahkan pada larutan chitosan. Nanopartikel NGC diambil dengan sentrifugasi. Sedangkan nanofiber PEO dibuat dengan menggunakan teknik electrospinning yang akan memberikan muatan listrik bervoltase tinggi pada larutan polimer yang akan membentuk nanofiber⁴. Larutan PEO yang mengandung nanopartikel NGC dimasukkan ke dalam syringe dan diberikan listrik bervoltase 26 kV.

Gambar 1. Skema pembuatan pengemas keju dengan nanofiber dan nanopartikel

Karakterisasi nanopartikel NGC dilakukan dengan menguji ukuran partikel, polydispersity (PDI), zeta potential, efisiensi enkapsulasi (EE) dan load capacity (LC). Morfologi dari nanofiber dilihat menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). Aktivitas anti-listeria di uji pada tiga kondisi, yaitu pada keju, pada nanofiber secara in vitro, dan pada keju menggunakan nanofiber. Pengujian terakhir adalah hasil akhir sensoris keju meliputi warna, rasa, tekstur, off-flavor, dan penerimaan konsumen dengan 20 panelis. Karakterisasi nanopartikel NGC berupa ukuran partikel menunjukkan ukuran partikel sebesar 214.3 mm hingga 402.1 nm seiringan dengan meningkatnya konsentrasi enkapsulasi nisin. Nilai PDI sebesar 0.134 hingga 0.196 yang menandakan bahwa nanopartikel memiliki jarak antar partikel yang sempit. Zeta potential (ʐ) sebesar 35.8 mV hingga 46.1 mV (>30 mV) yang menandakan bahwa nanopartikel lebih stabil karena meningkatnya interaksi repulsive yang dapat mengurangi frekuensi tubrukan antar nanopartikel. Efisiensi enkapsulasi (EE) sebesar 27.1% hingga 49.3%. Efisiensi enkapsulasi nisin pada nanopartikel NGC memiliki nilai maksimum sebesar 5 mg/ml yang disebabkan  karena terbatasnya jumlah adsorpsi nisin pada nanopartikel chitosan- ɣ-PGA. Load capacity (LC) sebesar 5.4% hingga 17.0% dengan kenaikan konsentrasi nisin (3mg/ml hingga 6 mg/ml) yang menandakan bahwa nanopartikel chitosan- ɣ-PGA memiliki kapasitas penampungan yang baik serta nisin dapat dimuat pada nanopartikel NGC.

Gambar 2. Gambar SEM pada nanofiber murni (a) dan nanopartikel NGC (b)

Karakterisasi nanofiber PEO murni dan NGC nanopartikel pada nanofiber PEO menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope) dengan hasil nanofiber PEO murni memiliki struktur yang halus dan seragam, sedangkan nanopartikel NGC pada nanofiber PEO memiliki struktur yang kasar dan terdapat benjolan-benjolan kecil pada nanofiber yang mengindikasikan adanya nanopartikel NGC yang termuat dalam nanofiber. Aktivitas anti-listeria pada keju terhadap L.monocytogenes memberikan hasil kenaikan jumlah koloni bakteri pada kontrol dengan suhu penyimpanan 25°C dan 40°C. Keju dengan sampel nisin dan nanopartikel chitosan-ɣ-PGA tumbuh lebih lambat hingga 2 hari, kemudian jumlah koloni mengalami kenaikan hingga 7.44 log CFU/ml pada hari ke tujuh. Sampel nisin perlahan menghilang setelah satu hari masa inkubasi yang menandakan bahwa nisin dapat terikat pada komponen keju seperti protein dan lemak. Sedangkan koloni bakteri pada nanopartikel NGC hanya mengalami kenaikan dari 3.16 log CFU/ml hingga 5.93 log CFU/ml. Sedikitnya kenaikan jumlah koloni disebabkan karena nisin dienkapsulasi pada nanopartikel NGC sehingga akan meningkatkan stabilitas dan bioaktivitasnya. Hal tersebut mengindikasikan bahwa nanopartikel NGC memiliki aktivitas antibakteri terhadap L.monocytogenes pada keju.

Gambar 3. Pengujian penghambatan pertumbuhan L.monocytogenesis metode difusi agar,(a) merupakan kontrol, (b) merupakan nanofiber murni, (c) ɣ-PGA/CS yang dimasukkan ke dalam polimer PEO, (d) NGC nanopartikel dalam polimer PEO.

Aktivitas anti-listeria dengan nanopartikel NGC pada nanofiber PEO secara in vitro dilakukan menggunakan pengujian difusi agar dengan pelapisan sampel kontrol, nanofiber PEO murni, NGC nanopartikel pada nanofiber PEO dengan hasil paling signifikan pada NGC nanopartikel pada nanofiber PEO dengan nilai zona hambat yang ditunjukkan dengan adanya zona bening sebesar 26-41 mm (diameter). Kemudian pengujian dilakukan dengan menginkubasi sampel NGC nanopartikel pada nanofiber PEO dan chitosan- ɣ-PGA nanopartikel pada nanofiber PEO. Terjadi pengurangan jumlah koloni yang signifikan pada NGC nanopartikel, yaitu 5.52 log CFU/ml menjadi 3.41 log CFU/ml. Aktivitas anti-listeria dari nanopartikel NGC pada nanofiber PEO diamati pada suhu 25°C dan 4°C pada keju. Jumlah koloni pada nanopartikel NGC pada nanofiber PEO mengalami pengurangan dari 3.19 log CFU/g menjadi 1.43 log CFU/g setelah tujuh hari pengamatan baik pada penyimpanan suhu 25°C dan 4°C. Pada analisa sensoris, tidak terdapat perbedaan yang signifikan pada kualitas sensoris keju, baik pada temperature 25°C dan 4°C, dan pada masa penyimpanan yang sama. Kualitas sensoris dari keju tidak terpengaruh oleh fiber dan dapat dipertahankan.

Aktivitas anti-listeria menggunakan nanopartikel NGC berkonsentrasi 5 mg/ml nisin memiliki nilai PDI, zeta potential, efisiensi enkapsulasi (EE), dan load capacity (LC) yang sesuai. NGC nanopartikel pada nanofiber PEO menunjukkan aktivitas anti bakteri terhadap L.monocytogenes yang sangat signifikan dengan dampak yang amat sedikit terhadap kualitas sensoris keju. Nanopartikel NGC pada nanofiber PEO memiliki potensi yang sangat besar untuk diaplikasikan sebagai bahan pengemas makanan dengan kemampuan antibakteria, sehingga dapat secara tidak langsung memperpanjang umur simpan makanan dan meningkatkan mutu serta keamanan makanan terhadap kemungkinan hadirnya bakteri pathogen penyebab penyakit yang disebabkan oleh makanan/food borne disease.

DAFTAR PUSTAKA

1. Canadian Dairy Information Centre. 2016. Global Cheese Consumption (Kg per kapita). www.dairyinfo.gc.ca. diakses pada 22 Mei 2018
2. Cui, Haiying., Juan W., Changzhu L., Lin L. 2017. Improving anti-listeria activity of cheese packaging via nanofiber containing nisin-loaded nanoparticles. Journal of Food Science and Technology. Vol (81): 233-242
3. Luana P. Moraes, Priscila N. Brito, Ranulfo M. Alegre. 2013. The Existing Studies on Biosynthesis of Poly(ɣ-glutamic acid) by Fermentation. Journal of Food and Public Health.Vol 3(1):28-36
4. Ren, Cheng. 2013. PAN Nanofibers and Nanofiber Reinforced Composites. Mechanical (and Materials) Engineering. Dissertations, Theses, and Student Research. 59.