Volume 17, No 2, Agustus 2015
ISSN 2088-6497Korespondensi penulis: hp. +62 8174767372 27
Arda dkk/Pemodelan konsentrasi ISSN 2088-6497
29-34|Jurnal Agrotekno Vol. 17, No. 2 Agustus 2015
Gases concentration modeling of closed packaging of fresh Oyster mushrooms (Pleurotus ostreatus )
Gede Arda1, P.K. Diah Kencana1
1Program Studi Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Udayana
INFO ARTIKEL: diterima 10 Agustus 2015;disetujui 30 Agustus 2015
Abstract
The aim of this research was to obtain the mathematical model of head space s concentration of oxygen and carbon dioxide of fresh oyster mushrooms on three storage temperatures that was 5oC, 15oC and room temperature. The gases concentration profile was obtained through simulating the storage model which is built by combining the respiration and diffusion through permeable medium model. Michaelis-menten model was applied to build respiration model and Fick s Law to construct diffusion model. Data analysis resulted that Michaelis-Menten model was better to model the respiration rate of Oyster Mushrooms than initial model had proposed that was Michaelis-Menten Uncompetitive. Simulation also indicated that combination model of Michaelis-Menten and Fick s Law able to predict the head space s gas concentration of Osyter Mushroom
Keywords: Michaelis-Menten model, respiration model, Fick s Law, Oyster mushroom
Abstrak
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memperoleh model matematis konsentrasi gas oksigen dan karbon dioksida dari ruang kosong disekitar jamur tiram pada penyimpanan bersuhu 5oC, 10oC dan suhu ruang. Profil konsenterasi gas diperoleh melalui simulasi model yang dibentuk dengan menggabungkan model respirasi dan difusi melalui medium permeable. Model Michaelis-Menten digunakan untuk membangun model respirasi dan hukum difusi Fick untuk menyusun model difusinya. Hasil analisis data menghasilkan bahwa model Michaelis-Menten lebih baik digunakan untuk memodelkan laju respirasi dari jamur Tiram dibandingkan dengan model awal yang direncanakan yaitu model Michaelis-Menten Uncompetitive. Hasil simulasi juga mengindikasikan bahwa kombinasi model Michaelis-Menten dan Hukum Fick dapat memprediksi konsentrasi gas ruang kosong disekitar jamur tiram.
Kata kunci: Model Michaelis-Menten, model respirasi, hukum Fick, jamur Tiram
PENDAHULUAN
Penanganan komoditas sayuran mengalami banyak kendala karena sayuran bersifat sangat ringkih, mempunyai umur simpan yang relative singkat (Utama,dkk 2009). Sayuran mempunyai laju res-pirasi yang tinggi, juga dengan mudah kehilang-an air yang dikandungnya sehingga meng-akibatkan kehilangan kesegaran dengan cepat pula. Laju respirasi mengakibatkan kehilangan nutrisi dan kehilangan kandungan air meng-akibatkan kehilangan massa. Kehilangan massa sebesar 5% pada sayuran cukup untuk mengurangi penampilan sehingga menjadi tidak layak jual (Kader, 2002). Laju kehilangan ini sangat tergantung pada sistem pengemasan dan penyimpanan yang diterapkan. Faktor terpenting dalam penyimpanan sayuran segar adalah suhu penyimpanan. Suhu mampu menekan atau juga sebaliknya memicu laju respirasi. Reaksi kimia yang terjadi di dalam jaringan merupakan reaksi enzimatis dimana enzim berperan sebagai katalisator (Sun, 2002). Kinerja enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya suhu reaksi, pH, serta konsentrasi enzim. Menurunkan suhu sampai titik tertentu mampu menekan aktivitas enzim sehingga reaksi yang berlangsung juga melambat. Namun suhu tersebut
harus di atas suhu yang mengakibatkan enzim menjadi tidak aktif (Bisswanger, 2008). Faktor lain yang memengaruhi laju respirasi komoditas segar adalah komposisi gas di sekitar produk (Fronseca, 2002). Komposisi gas oksigen yang rendah meng-akibatkan difusi oksigen ke dalam sel menjadi terbatas sehingga membatasi juga substrat untuk reaksi dalam proses respirasi. Konsentrasi karbon dioksida yang tinggi pada sisi yang lain menekan difusi gas CO2keluar sel
sehingga menjadi inhibitor (penghambat) reaksi respirasi. Enzim juga akan mengalami penurunan kemampuannya karena terjadi penurunan pH larutan dalam sel akibat CO2 yang larut ke dalam cairan sel
pada suhu rendah (Brandenburg and Devon, 2009) Dengan demikian komposisi oksigen yang rendah dan gas karbon dioksida yang tinggi memengaruhi laju respirasi. Setiap komoditas mempunyai kebutuhan konsen-trasi gas yang berbeda-beda sehingga dapat disimpan dalam jangka waktu yang lebih lama. Jamur tiram biasanya diperdagangkan dalam kemasan. Untuk itu, penelitian ini ditujukan untuk mengkaji profil komposisi gas di dalam head space pengemas yang menggunakan plastik Poly Ethylen 0.3 mm dan memperoleh model komposisi gas O2 dan CO2 pada penyimpanan dengan
29-34|Jurnal Agrotekno Vol. 17, No. 2 Agustus 2015
dibentuk meng-integrasikan faktor komposisi gas dan suhu penyimpanan. Dari model yang diperoleh dapat dijadikan pedoman bagi rekayasa pengemas yang tepat sehingga komposisi gas di dalam head space
memenuhi kebutuhan komoditi yang disimpan.
Identifikasi sistem model
Model yang akan dimodelkan adalah sesuai dengan skema pada Gambar 1. Jamur tiram mengkonsumsi oksigen yang tersedia di dalam ruang kosong (head space) dan memproduksi gas CO2. Respirasi
mengubah komposisi gas di dalam head space. Perubahan komposisi ini memicu terjadinya difusi gas melalui pengemas plastik. Akumulasi gas [O2]t dan
[CO2]tadalah konsentrasi konsentrasi gas yang tersisa
selama difusi dalam rentang waktu tertentu. Dengan demikian model komposisi gas merupakan gabungan dari model laju respirasi dan model difusi melalui bahan permeabel.
Gambar 1.Skema sistem pemodelan
METODE
Pengukuran perubahan komposisi gas di dalam ruang penyimpanan digunakan Combination Combustible Gas/Oxygen/Toxic Gas Detector Model XPO-317 Cosmotector, New Cosmos Electric Co.Ltd dan Combination Combustible Detector, model Cosmotector XP-314, New Cosmos Electric Co.,Ltd. Sedangkan suhu diguna-kan Thermohygrometer, Model SK-90TRH (SK Sato Keiryoki MFG.Co.Ltd. Japan). Jamur tiram diperoleh dari petani lokal di daerah Cangkringan dan dikumpulkan setiap hari oleh UD. Agro Mandiri, Yogyakarta. Bahan pengemas yang digunakan adalah plastik PE 0.3 mm. Prinsip kerja dari penelitian ini adalah mengukur konsen-trasi gas O2 dan CO2 setiap saat ([O2]t dan [CO2]t) pada
penyimpanan jamur tiram tertutup tanpa membuka tutup toples secara periodik. Data yang diperoleh kemudian dianalisis menggunakan regresi linier untuk memperoleh parameter modelMichaelis-Mentenyaitu
Vmax, Km dan K1.ParameterVmax, adalah laju respirasi
maksimal pada saat subtrat (O2) melimpah,Kmadalah
konstanta disosiasi enzim atau konsentrasi substrat (O2) ketika nilai Vmax sebesar 0,5Vmax,serta K1adalah
konstanta inhibisi oleh inhibitor dalam hal ini
konsentrasi gas CO2. Linierisasi terhadap persama-an
Michaelis-Menten Uncompetitive dilakukan
menggunakan metodeDouble-Reciprocal (Burg-Line-weaver)seperti pada persamaan-(1).
(1)
Parameter model yang diperoleh dimasukkan ke dalam model enzimatis Michaelis-Menten Un-competitiveseperti pada persamaan (2).
(2)
dimana nilai .
Persamaan (2) merupakan persamaan laju respirasi pada berbagai komposisi gas O2 dan CO2. Variablev
adalah laju respirasi (ml/kg.jam) dan [O2],[CO2]
masing-masing adalah konsentrasi oksigen dan karbon dioksida. Akumulasi gas ditentukkan dengan menggabungkan model difusi (Hukum Fick) gas pada bahan permeabel seperti pada persamaan (3).
(3)
adalah perubahan konsentrasi gas i(ml), Di
adalah permeabilitas bahan pengemas
(ml.µm/cm2.jam.kPa) dan adalah tekanan parsial
gasiyang lebih tinggi. Nilai adalah tekanan parsial gas idi lingkungan luar apabila i adalah gas oksigen dan sebaliknya adalah tekanan gas parsial di dalam ruang penyimpanan apabila i adalah gas karbon dioksida. Pengaruh suhu terhadap parameter model dapat diintegrasikan ke dalam model dengan menggunakan model persamaan Arrhenius pada setiap parameter model yang diperoleh seperti pada persamaan (4).
(4)
Arda dkk/Pemodelan konsentrasi ISSN 2088-6497
30-34|Jurnal Agrotekno Vol. 17, No. 2 Agustus 2015
Dengan demikian pada saat penyimpanan merupakan sistem tertutup (close system) sedangkan pada saat mengukur konsentrasi udara adalah sistem aliran (flow system). Asumsi yang digunakan dalam penelitian ini adalah volume udara tidak mengalami pengurangan akibat pengukuran, konsentrasi yang terukur adalah konsentrasi gas selama rentang res-pirasi aero-bic, laju resres-pirasi semata-mata ditentukkan oleh oksigen sebagai substrat dan karbohidrat (glukosa) tidak terbatas selama pengukuran.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Laju respirasi
Gambar 2 dan 3 menunjukkan bahwa pengaruh suhu terhadap perubahan konsentrasi gas O2 dan CO2 yang
merupakan hasil respirasi sangat besar. Rentang waktu menunjukkan bahwa konsentrasi 2-3% oksigen tercapai dalam waktu 12jam, 18jam dan 52jam masing-masing untuk suhu 5oC, 15oC dan suhu ruang. Fenomena yang sama juga tampak pada perubahan konsentrasi gas CO2. Pengaruh suhu terhadap laju
respirasi sangat tampak pada Gambar 4. Laju respirasi melambat bahkan nilai awal penyimpanan pada suhu yang lebih rendah tidak melebihi laju respirasi pada akhir penyimpanan pada suhu yang lebih tinggi.
Gambar 2.Konsentrasi gas O2pada suhu
Penyimpanan
Nilai rasio respirasi (respiratory quotient) dihitung untuk memastikan bahwa respirasi berjalan secara aerobik pula. Nilai rasio respirasi yang diperoleh berada pada rentang 0.8 > 1.3 sehingga dapat dipastikan bahwa laju respirasi berjalan secara aerobik.
Gambar 3. Konsentrasi gas CO2pada suhu
penyimpanan
Gambar 4.Laju respirasi pada berbagai suhu penyimpanan
Parameter model
Hasil analisis terhadap data laju respirasi menghasilkan nilaiVmaxdanKmseperi pada Table 1. Namun nilai yang diperoleh dari hasil regresi
sangat kecil sehingga nilai K1 menjadi sangat besar.
Apabila nilai K1 dimasukkan ke dalam persamaan
akan menghasil-kan nilai yang
men-dekati 1. Nilai alpha tidak mengubah hasil perhitungan menggunakan Persamaan (2). Hasil analisis yang diperoleh menun-tun pada kesimpulan awal bahwa menggunakan model Michaelis-Menten Un-competitivetidak terlalu tepat dikarenakan inhibisi gas CO2 terhadap laju respirasi sangat rendah.
Perubahan model dilakukan untuk disesuaikan dengan hasil perhitungan yaitu menggunakan model
Michaelis-Menten tanpa inhibisi, dimana persamaan model adalah seperti pada Persamaan (2) dengan menghilangkan parameter alpha seperti pada Persamaan (5). Akibat dari perubahan model adalah konsentrasi CO2 tidak memiliki peranan dalam
31-34|Jurnal Agrotekno Vol. 17, No. 2 Agustus 2015
Perubahan model ini juga menunjukkan rendahnya sensitivitas jamur tiram terhadap konsentrasi CO2
yang tinggi.
Pengaruh suhu
Pengaruh suhu terhadap laju respirasi
Gambar 4 menunjukkan pengaruh suhu terhadap laju respirasi jamur tiram. Pengaruh suhu memiliki pengaruh yang lebih besar apabila dibandingkan dengan komposisi gas. Bahkan pada suhu rendah pengaruh suhu sudah tampak mulai pada awal penyimpanan. Meskipun komposisi gas O2 terus
menurun dan sebaliknya gas CO2 semakin meningkat, laju respirasi sepanjang penyimpanan tidak mengalami perubahan yang nyata. Gambar 4 juga menunjukkan penyimpanan pada komposisi udara
bebas berbeda akibat suhu penyimpanan. Nilai energi aktivasi yang diperoleh disajikan dalam Tabel-2.
Pengaruh suhu terhadap parameter model
Pengaruh konsentrasi terhadap laju respirasi pada analisis laju respirasi menunjukkan pengaruh yang kecil. Fenomena ini akan berpengaruh pada nilai Km
yang diperoleh. Nilai Vmax dapat diperkirakan mempunyai pola yang mirip dengan pola laju respirasi pada berbagai suhu yaitu semakin tinggi pada suhu penyimpanan yang semakin tinggi. Namun nilai Km
justru menunjukkan pola yang terbalik. Nilai Km
menunjukkan awal terjadinya perlambatan laju respirasi karena pada konsentrasi di bawah nilai Km, orde laju respirasi berubah dari orde 0 (nol) menjadi orde 1, yaitu berubah secara eksponensial. Penurunan nilai Km dari suhu 5oC memperkuat bukti bahwa jamur tiram termasuk sangat resisten terhadap komposisi gas ekstrim. Laju respirasi tetap tinggi meskipun konsentrasi gas O2 sangat rendah. Respirasi
mulai mengalami hambatan pada konsentrasi oksigen 2.54% pada suhu 15oC dan 2.35% pada suhu ruang. Nilai ini sangat jauh dibandingkan dengan nilai Km
pada suhu 5oC. Perlambatan respirasi terjadi dengan cepat ketika suhu penyimpanan rendah. Respirasi yang tertekan oleh suhu rendah ditambah lagi oleh ketersediaan oksigen yang menipis mengakibatkan nilai Km pada suhu penyimpanan rendah mempunyai
-nilai-lebih-tinggi.
Table 2
Laju respirasi pada komposisi udara bebas dan energi aktivasi
Laju produksi O2 Laju konsumsi CO2 Energi Aktivasi
(ml O2/jam.kg) (ml CO2/jam.kg) (kJ/kmol)
50C 150C Ruang 50C 150C Ruang O2 CO2
56.38 174.46 507.49 63.36 168.5 419.82 61016.5 52491.3
Model respirasi
Model respirasi pada berbagai komposisi gas dan berbagai suhu penyimpanan ( ) dapat dibentuk dari gabungan Persamaan (2) dan
Persamaan (4) sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut:
(6)
Persamaan (6) adalah model laju konsumsi oksigen, sedangkan model laju produksi CO2 dinyatakan oleh
Persamaan (7).
(7)
Model komposisi gas
Arda dkk/Pemodelan konsentrasi ISSN 2088-6497
32-34|Jurnal Agrotekno Vol. 17, No. 2 Agustus 2015
(8)
Dimana
(9)
Dimana pengemas.adalah tekanan parsial gas O2 di dalam ruang
Patmadalah tekanan atmosfer (101.325 kPa).
V adalah volume total kemasan.
W adalah massa jamur tiram yang digunakan.
Gambar 6.[O2]tnuntuk PE 0.3 pada suhu 50C Gambar 7. Regresi [O2]tnuntuk PE 0.3 pada suhu
50C
Gambar 8. [O2]tnuntuk PE 0.3 pada suhu 15 0
C Gambar 9.Regresi [O2]tnuntuk PE 0.3 pada suhu
33-34|Jurnal Agrotekno Vol. 17, No. 2 Agustus 2015 Gambar 9
[O2]tn untuk PE 0.3 pada suhu ruang
Gambar 10
Regresi [O2]tn untuk PE 0.3 pada suhu ruang
Gambar 11. [CO2]tnuntuk PE 0.3 pada
suhu 50C
Gambar 12. Regresi [CO2]tnuntuk PE 0.3 pada
suhu 50C
Gambar 13. [CO2]tnuntuk PE 0.3 pada
suhu 150C
Gambar 14.Regresi [CO2]tnuntuk PE 0.3 pada
suhu 150C
Gambar 15. [CO2]tn untuk PE 0.3 pada
suhu ruang
Gambar 16.Regresi [CO2]tn untuk PE 0.3 pada
suhu ruang
DISKUSI
Pemodelan laju respirasi produk segar mempunyai pola yang berbeda antara satu produk dengan produk yang lain. Fronseca (2000) menyajikan rangkuman yang lengkap mengenai pemodelan laju respirasi. Model laju respirasi secara umum dapat dibedakan menjadi tipe linier, polynomial, eksponensial serta model Michaelis-Menten. Meskipun demikian, terkadang beberapa model dapat diterapkan pada satu produk. Model Michaelis-Menten memodelkan laju respirasi sebagai sebuah reaksi enzimatis yang diseder-hanakan yaitu substrat oksigen sebagai satu-satunya faktor pembatas reaksi. Namun Peppelenbos
and Leven (1996) membuktikan bahwa model
Arda dkk/Pemodelan konsentrasi ISSN 2088-6497
34-34|Jurnal Agrotekno Vol. 17, No. 2 Agustus 2015 KESIMPULAN
Model Michaelis-Menten dapat memodelkan laju respirasi jamur tiram dengan validitas lebih tinggi pada suhu 15oC dan suhu ruang. Konsentrasi gas O2
dan CO2 setiap saat dapat diprediksi dengan baik
menggunakan gabungan model laju respirasi dan model difusi.
Daftar pustaka
Brandenburg, Jeffrey S. and Devon Zagory. 2009.
Modified and Controlled Atmosphere Packaging Technology and Applications. in Modified and Controlled Atmospheres for the Storage, Transportation, and Packaging of Horticultural Commodities. Edited by Elhadi M. Yahia. CRC Press. USA.
Bisswanger, Hans. 2008. Enzyme Kinetics, Principles and Methods. 2nd Edition. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Germany
Fronseca, Susana C.et al. 2002.Modeling Respiration Rate of Fresh Fruit and Vegetables for Modified Atmosphere Packages: a Review. Journal of Food Engineering 52; 99-119
Kader, A.A. 2002. PostHarvest Technology of Horticultural Crops. Third Edition.Regent of University of California, Divison of Agriculture and Natural Resources. Publication 3311 USA Peppenlenbos, H.W and Johan Van t Leven. 1996.
Evaluation of Four Types of Inhibition for Modelling the Influence of Carbon Dioxide Consumption of Fruits and Vegetables. Postharvest Biology and Technology 7; 72-40 Sun, Dae Wen. 2005. Emerging of Technologies for
Food Processing. Elsevier Ltd. USA
![Gambar 11. [CO2]tn untuk PE 0.3 padasuhu 50C](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/413645.225865/8.595.147.515.104.583/gambar-co-tn-untuk-pe-padasuhu-c.webp)
