Pengeringan (drying)/ Dehidrasi (dehydration)

(1)

Pengeringan (drying) / Dehidrasi (dehydration)

Purwiyatno Hariyadi

• Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fateta, IPB

• Director of Southeast Asian Food & Agricultural Science &

Technology (SEAFAST) Center, Bogor Agricultural University,

Purwiyatno Hariyadi [email protected] ITP530

2011

gy ( ) , g g y,

BOGOR, Indonesia

• www.seafast.ipb.ac.id

Pengeringan (drying) / Dehidrasi (dehydration)

• Teknik pengawetan pangan Æ kuno Æ modern

• Operasi mengurangi/mengambil air dari suatu bahan (pangan) melalui proses evaporasi (penguapan) atau sublimasi.

Purwiyatno Hariyadi ITP530

(penguapan) atau sublimasi.

• Pengawetan? Æ mengurangi akivitas air (a _w ).

(2)

PENGERINGAN … contoh produk kering

2011

Nuts

PENGERINGAN … contoh produk kering

(3)

PENGERINGAN … contoh produk kering

2011

Apple

PENGERINGAN … contoh produk kering

Peach

(4)

PENGERINGAN … contoh produk kering

2011

Spinach

Kenapa mengawetkan?

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Kenapa mengawetkan?

• Menurunkan kadar air Æ menurunkan ketersediaan/aktivitas air

9 Menurunkan aktivitas mikroba

9 Menurunkan reaksi perubahan (stabil Menurunkan reaksi perubahan (stabil

selama penyimpanan)

(5)

Zone

I Zone

II Zone

III

Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

(air

terikat) (Mono

layer) (air

bebas)

Kadar Air

2011

Water Activity

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Zone

I Zone

II Zone

III

Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan

Reaksi hidrolisis Oksidasi lemak

Kadar Air

Reaksi non- enzimatis browning

Water Activity

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

(6)

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

2011

Produk dgn

1 a _w

Produk pangan yang biasanya rusak

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan

Produk dgn aw < 0.75

g a

_w

>0.75

0.75

karena aktivitas mikrobiologi

Produk pangan yang biasanya rusak karena perubahan kimia & fisik

0

kimia & fisik

(7)

Produk dgn Resiko Resiko Keamanan Pangan

1 a _w

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan

Produk dgn aw < 0.75

g a

_w

>0.75

g Tinggi

Resiko Sedang Sedang

Resiko Rendah

0.75

2011

g

pH

14 10

0

4.5

(8)

Konsep Dasar Pengeringan

• Kadar air = massa air/satuan massa padatan kering

• Kadar air keseimbangan = f (suhu, kelembaban)

• Isoterm Sorpsi Air (ISA) = Moisture Sorption isotherms(MSI):

2011

( )

– kurva hubungan antara RH udara penyimpanan dan kadar air kesetimbangan yang diperoleh jika produk selama penyimpanan

.

• ISA: kurva hubungan antara RH udara penyimpanan dan kadar air kesetimbangan yang diperoleh jika produk selama penyimpanan

Konsep Dasar Pengeringan

(9)

ISA Æ dipengaruhi oleh suhu :

• Perlu kontrol suhu dalam melakukan percobaan

Konsep Dasar Pengeringan

p penentuan ISA

2011

Percobaan penentuan Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (1)

(10)

Lakukan : penyimpanan produk pada berbagai kondisi RH penyimpanan yang berbeda-beda.

Percobaan penentuan Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (2)

2011

Buat kurva kenaikan kadar air Æ menuju ke kadar air kesetimbangan

(selama penyimpanan pada berbagai kondisi RH)

Percobaan penentuan Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (3)

(11)

Catatan ttg Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (1)

Fenomena Histerisis Pada Kurva ISA

2011

Fenomena Histerisis Pada Kurva ISA

Catatan ttg Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (2)

Hysteresis:

loss of H

₂

0 binding sites

(12)

Catatan ttg Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (3)

2011

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -1

• Bahan pangan basah; dikeringkan dengan menggunakan udara kering, panas, pada suhu dan RH yang konstan.

• Udara kering, panas akan

• memberikan panas (sensible dan laten) yang diperlukan untuk

Udara kering,

panas Udara basah,

dingin

• memberikan panas (sensible dan laten) yang diperlukan untuk proses pengeringan (evaporasi) Æ secara konveksi

• Membawa uap air

BAHAN PANGAN d

(13)

Mekanisme Pengeringan Æ 3 tahap pengeringan : Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -2

2011

• Tahap “penyesuaian” (settling down stage) Æ ( A-B )

• Tahap pengeringan dengan laju pengeringan konstan (Constant drying rate stage) Æ ( B-C )

• Tahap pengeringan dengan laju pengeringan menurun (Falling drying rate stage) Æ ( C-D )

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -3

Tahap “penyesuaian” (A-B)

Tahap awal; dimana permukaan bahan akan menyesuaian/

mencapai kesetimbangan dengan udara pengering

Æ suhu permukaan meningkat mencapai suhu bola basah dari

udara pengering.

(14)

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -4

Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Konstan (Constant Rate Periode; CRP) Æ (B-C)

• Permukaan bahan selalu dalam keadaan basah (jenuh dengan air)

(jenuh dengan air)

• Laju perpindahan air dari dalam bahan menuju permukaan > laju pengurangan air dari permukaan (oleh evaporasi)

• T permukaan tetap dipertahankan pada suhu bola basah udara pengering.

• (dw/dt )

_c

= - K

_g

A ( p

_s

-p

_a

)

• (dw/dt) laju pengeringan

2011

• (dw/dt)_c= laju pengeringan

• K_g= koeff pindah massa

• A = luas area pengeringan

• p_s= tekanan uap air di permukaan, dan

• p_a= tekanan parsial uap air di udara pengering.

• (dw/dt)

_c

= - K

_g

A ( p

_s

-p

_a

)

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -5

Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Konstan (Constant Rate Periode; CRP) Æ (B-C)

( )

_c _g

( p

_s

p

_a

)

Bisa dinyatakan dgn menggunakan nilai kelembahan absolute

Æ kelembahan absolute = (berat uap air/satu satuan berat udara)

H = M_wp_v/[M_a(P-p_v)]

karena p_v<< P Æ P-p_v≅ P H = ( M /M ) ( p /P ) H = ( M_w/M_a) ( p_v/P )

• (dw/dt)_c= - K_g¹A(H_s- H_a), dimana K_g¹= K_g( M_aP/ M_w)

H_skelembaban pada permukaan (kelembaban jenuh pd suhu permukaan),

(15)

• (dw/dt) = - K A ( p -p )

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -6

Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Konstan (Constant Rate Periode; CRP) Æ (B-C)

(dw/dt) _c K _g A ( p _s p _a )

Laju pindah panas di permukaan :

• (dQ/dt)

_c

= h

_c

A (θ

_a

- θ

_s

)

(dQ/dt)_c = laju pindah panas h_c= koef pindah panas konveksi

θ_a= suhu udara pengering (suhu bola kering), dan θ_s= suhu permukaan (suhu bola basah).

Panas yang ditransfer ke permukaan akan

2011

Panas yang ditransfer ke permukaan akan digunakan untuk menguapkan air dari permukaan :

• (dw/dt)

_c

L = -(dQ/dt),

dimana L = panas laten evaporasi.

• (dw/dt)

_c

= - (h

_c

A/L)(θ

_a

- θ

_s

)

• (dw/dt)_c= - (h_cA/L)(θa-θs)

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -7

Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Konstan (Constant Rate Periode; CRP) Æ (B-C)

Jika A’ adalah luas area pengeringan effektif per satu satuan masa bahan, maka Æ (dW/dt )_c= - (h_cA'/L)(θa-θs) Untuk pengeringan pada bak pengering dengan ketebalan d, dimana proses penguapan hanya terjadi melalui permukaan atas (asumsi tdk terjadi

pengkerutan/shrinkage) maka laju

pengkerutan/shrinkage), maka laju perubahan kadar air :

( dW/dt)_c= - (h_c/ρ_sL d) (θ_a-θ_s) ...CRP Dimana : ρ_s= desnitas kamba produk kering.

Waktu pengeringan selama CRP Æ integrasikan persamaan (CRP)

dengan batas W: (W₀→W_c), dan t:

(0→t_c).

(16)

Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Menurun ( Falling Rate Periode; FRP - (C-D)

• Mulai terjadi jika transfer uap air di

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -8

Mulai terjadi jika transfer uap air di dalam bahan mulai terhambat; shg tidak lagi cukup untuk mempertahan permukaan bahan tetap jenuhÆ permukaan mulai mengering.

• Kadar air dimana mulai terjadi perubahan ini disebut kadar air kritis Æ critical moisture content W

_c

.

• Setelah titik ini; suhu permukaan bahan

2011

• Setelah titik ini; suhu permukaan bahan mulai meningkat mendekati suhu bola kering udara pengering Æ bahan mulai mngering.

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -9

Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Menurun ( Falling Rate Periode; FRP - (C-D)

Laju pengeringan :

(dW/dt)

_f

= - K(W - W

_e

), dimana

W

_e

= kadar air kesetimbangan

pada suhu dan kelembaban

udara pengering (ISA)

(17)

Laju pengeringan pd awal FRP = laju pengeringan pada akhir CRP

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -10

Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Menurun ( Falling Rate Periode; FRP - (C-D)

j p g g p

(-dW/dt)_{f =}(-dW/dt)_c (dW/dt)_f= - K(W_c- W_e)

(dW/dt)_c= - (h_c/ρsL d) (θa-θs) ... CRP K = (-dW/dt)_c/ (W_c- W_e)

(dW/dt) [ h (θ θ ) (W W )] / [ L d ( W W )]

2011

(dW/dt)_f = [-hc(θa-θs) (W - W_e)] / [ρsL d ( W_c- W_e)]

tFRP Æ intergrasikan dari t=0, W=W_csampai t=t_FRP, W=W_f

Jika pengeringan terjadi dari dua permukaan (atas-bawah) maka d = 1/2 ketebalan lapisan.

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -11

Total waktu pengeringan

= t

_cRP

+ t

_fRP

(18)

Kompleksitas proses pengeringan bahan pangan

1. Komponen bahan pangan ; protein, karbohidrat, lemak vitamin enzim garam-garam mempunyai lemak, vitamin, enzim, garam garam, mempunyai sigat hidrasi yang berbeda-beda (a

_w

, W

_e

,

mekanisme pengeringan).

2. Selama pengeringan; total padatan terlarut

berubah bersamaan berubahnya kadar air (h

_c

, ρ

_s

) 3. Bahan pangan sering mengalami pengkerutan;

shrinkage (h ρ d)

2011

shrinkage (h

_c

, ρ

_s

, d)

4. Bahan pangan sering mengalami pengerasan;

case hardening (h

_c

Pengeringan (drying)/ Dehidrasi (dehydration)

Pengeringan (drying) / Dehidrasi (dehydration)

Purwiyatno Hariyadi

• Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fateta, IPB

• Director of Southeast Asian Food & Agricultural Science &

Technology (SEAFAST) Center, Bogor Agricultural University,

gy ( ) , g g y,

BOGOR, Indonesia

• www.seafast.ipb.ac.id

Pengeringan (drying) / Dehidrasi (dehydration)

• Teknik pengawetan pangan Æ kuno Æ modern

• Operasi mengurangi/mengambil air dari suatu bahan (pangan) melalui proses evaporasi (penguapan) atau sublimasi.

(penguapan) atau sublimasi.

• Pengawetan? Æ mengurangi akivitas air (a w ).

PENGERINGAN … contoh produk kering

Nuts

PENGERINGAN … contoh produk kering

PENGERINGAN … contoh produk kering

Apple

PENGERINGAN … contoh produk kering

Peach

PENGERINGAN … contoh produk kering

Spinach

Kenapa mengawetkan?

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Kenapa mengawetkan?

• Menurunkan kadar air Æ menurunkan ketersediaan/aktivitas air

9 Menurunkan aktivitas mikroba

9 Menurunkan reaksi perubahan (stabil Menurunkan reaksi perubahan (stabil

selama penyimpanan)

Zone

I Zone

II Zone

III

Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Kadar Air

Water Activity

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Zone

I Zone

II Zone

III

Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan

Kadar Air

Water Activity

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Produk dgn

1 a w

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan

Produk dgn aw < 0.75

g a

>0.75

0.75

0

Produk dgn Resiko Resiko Keamanan Pangan

1 a w

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan

Produk dgn aw < 0.75

g a

>0.75

g Tinggi

Resiko Sedang Sedang

Resiko Rendah

0.75

g

pH

14 10

0

4.5

Konsep Dasar Pengeringan

• Kadar air = massa air/satuan massa padatan kering

• Kadar air keseimbangan = f (suhu, kelembaban)

• Isoterm Sorpsi Air (ISA) = Moisture Sorption isotherms(MSI):

( )

– kurva hubungan antara RH udara penyimpanan dan kadar air kesetimbangan yang diperoleh jika produk selama penyimpanan

.

• ISA: kurva hubungan antara RH udara penyimpanan dan kadar air kesetimbangan yang diperoleh jika produk selama penyimpanan

• Pengawetan? Æ mengurangi akivitas air (a _w ).

1 a _w

1 a _w

(dw/dt) _c K _g A ( p _s p _a )