Perencanaan dan Pendugaan Umur Simpan Produk Pangan: Aplikasi Prinsip Arrhenius Feri Kusnandar

(1)

Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan Fakultas Teknologi Pertanian Ins6tut Pertanian Bogor

Perencanaan dan Pendugaan Umur Simpan Produk Pangan: Aplikasi Prinsip Arrhenius

(2)

Metode Pendugaan Umur Simpan Secara Akselerasi

Metode ASLT

Model

Arrhenius Kadar Air Kri6s Model

Pendekatan Kurva

(3)

Ekstrapolasi data Dalam ASLT Kondisi penyimpanan Data Ekstrapolasi Laju kerusakan Accelerating Factors

(4)

Metode ASLT: Model Arrhenius

§  Digunakan untuk melakukan pendugaan umur simpan produk pangan yang sensi6f oleh

perubahaan suhu.

§  Reaksi kimia yang dipengaruhi suhu: oksidasi lemak, reaksi Maillard, dan oksidasi vitamin C

§  Perubahan yang dapat diama6: intensitas warna, kandungan komponen kri6s, perubahan

(5)

Contoh Aplikasi Model Arrhenius §  Makanan kaleng steril

komersial §  Susu UHT §  Susu bubuk/formula §  Produk chips/snack §  Jus buah §  Mie instan §  Frozen meat/shrimp/ ﬁsh §  Saus sambal/tomat

§  Bumbu dan kondimen

§  Jem

§  Produk pasta

§  Tepung-‐tepungan §  Kacang goreng

(6)

Percobaan Model Arrhenius

§  Menentukan konstanta laju reaksi (k_T) untuk

parameter mutu kri6s pada masing-‐masing suhu akselerasi (ordo 0 atau 1)

§  Melakukan ekstrapolasi untuk menentukan nilai k

pada suhu penyimpanan dimana umur simpan produk ingin ditentukan (persamaan Arrhenius).

(7)

Tahapan Percobaan Iden6ﬁkasi Karakteris6k Produk Iden6ﬁkasi Parameter Mutu Kri6s Tentukan Metode Analisis Percobaan: T, t Percobaan Pengumpulan Data Menentukan Q_o dan Q_c

Analisis Data: Tentukan Orde Reaksi (0 atau 1)

Tentukan Konstanta Laju Reaksi (k_T)

Tentukan k_T pada suhu penyimpanan (model Arrhenius)

Hitung Self-‐life

Pilih Parameter Mutu yang Berubah Nyata

(8)

IdenBﬁkasi KarakterisBk Produk Pangan

§  Iden6ﬁkasi ingredien yang ada dalam produk. Mana ingredien yang kri6s yang berpotensi untuk

mengalami interaksi dengan komponen lain atau berubah/rusak selama penyimpanan.

§  Iden6ﬁkasi kondisi suhu distribusi dari pabrik ke

pasar, suhu penyimpanan di toko (lokasi penjajaan), serta suhu penyimpanan oleh konsumen.

(9)

IdenBﬁkasi Faktor Mutu KriBs Penentu Umur Simpan §  Tentukan atribut mutu apa yang berdasarkan

pengalaman sangat mempengaruhi penolakan produk oleh konsumen.

§  Apakah perubahan mutu dipengaruhi oleh suhu???

§  Bila belum diketahui secara pas6, bisa dipilih beberapa atribut mutu yang ‘dicurigai’

(10)

§  Untuk klaim tertentu dari produknya, perlu dijadikan faktor mutu kri6s bila memang akan berkurang kandungannya selama penyimpanan.

§ Misal: Bila ada klaim kandungan kaya DHA/EPA, maka

atribut mutu ini perlu dimasukkan sebagai faktor mutu kri6s.

§  Produk makanan kaleng sterilisasi komersial: harus dipas6kan

bahwa kecukupan proses panas sudah tercapai sehingga 6dak ada pengaruh mikrobiologis yang akan mempengaruhi

perubahan mutu produk.

(11)

Tentukan Metode Analisis

§  Metode analisis dapat secara obyek6f (analisis kimia

atau ﬁsik) atau secara subyek6f (uji organolep6k). Misal:

§  Untuk analisis kerusakan lemak, dapat berdasarkan

uji bilangan TBA (analisis kimia) atau uji sensori (uji 6ngkat ketengikan).

§  Untuk derajat perubahan warna akibat reaksi

pencoklatan dapat menggunakan analisis secara spektrofometrik atau dengan colourimeter atau secara organolep6k.

(12)

Tetapkan Suhu Penyimpanan & Pengamatan

§  Per6mbangkan kondisi penyimpanan yang umum dilakukan.

§  Minimal 3 suhu percobaan yang lebih 6nggi dibanding suhu

penyimpanan normal.

§  Contoh suhu penyimpanan dan waktu pengamatan untuk

percobaan umur simpan beberapa produk pangan

Jenis/Tipe Produk Suhu (°C) Pengamatan (minggu)

Makanan kaleng, juice, susu UHT,

mie, produk gorengan, saus 35, 45, 55 0, 7, 14, 21, 28, 35

Chilled Products 5, 10, 15, 20 0, 7, 14, 21, 28, 35

(13)

Percobaan dan Pengumpulan Data

§  Jumlah contoh: memper6mbangkan variasi suhu

penyimpanan, frekuensi pengambilan contoh untuk analisis, jenis analisis yang akan dilakukan, serta ulangan. Contoh

untuk analisis kimia/ﬁsik harus berbeda dari contoh untuk uji organolep6k.

∑Contoh = ∑Suhu*∑Waktu pengamatan/suhu*

∑ulangan*∑sampel per periode analisis

§  Kemasan: Pengujian dilakukan dengan menggunakan kemasan

(14)

§  Inkubator harus dapat diatur suhunya sesuai dengan

kebutuhan suhu percobaan. Diperlukan minimal 3 buah inkubator yang dapat menampung semua contoh yang mendapat perlakuan suhu yang sama.

§  _{Kontrol
(pembanding):
Disimpan
pada
suhu
penyimpanan}

normal.

§  _{Contoh
diambil
secara
periodik
dan
dilakukan
analisis}

sesuai dengan disain percobaan. Contoh yang sudah

diambil 6dak boleh digunakan untuk analisis berikutnya.

(15)

(16)

§  _{Data
ditabulasi
dalam
bentuk
tabel.
Tabel
disusun}

sedemikian rupa sehingga memudahkan dalam plot ke dalam bentuk graﬁk. Mis: Hari (sb x), Parameter Mutu (sb y)

§  _{Gunakan
tabel
yang
terpisah
untuk
se6ap
parameter}

mutu yang dianalisis (dalam worksheet Excel).

§  _{Hitung
nilai
rata-‐rata
untuk
masing-‐masing
parameter}

mutu. Nilai rata-‐rata inilah yang akan digunakan dalam perhitungan selanjutnya.

(17)

(18)

IdenBﬁkasi Nilai Mutu Awal dan Batas KriBsnya §  Nilai mutu awal untuk faktor mutu kri6s dapat

diketahui dari penyimpanan hari ke-‐0. Gunakan sampel yang baru diproduksi.

§  Batas kri6s mutu atau batas mutu akhir (Q_s): Batas mutu dimana akan dilakukan keputusan penolakan terhadap produk.

(19)

§  Untuk klaim kandungan tertentu dalam produk: tentukan batas kri6s berdasarkan persentase penurunan kandungan yang dapat ditolerir.

§  Misal: Bila kehilangan kandungan Vitamin C yang ditolerir

selama penyimpanan adalah 20%, maka batas mutu kri6snya adalah 80% dari kandungan awalnya.

§  Batas kri6s dapat juga ditentukan berdasarkan hasil uji organolep6k.

§  Misal: Batas kri6s uji bilangan TBA ditentukan berda-‐sarkan

hubungan antara nilai bilangan TBA dengan skor sensori terhadap ketengikan.

(20)

Perhitungan KarakterisBk KineBka Penurunan Mutu §  Buat plot data hubungan antara nilai mutu (Q_t)

untuk masing-‐masing suhu terhadap waktu

pengamatan (t, hari) menurut reaksi Orde 0 dan 1.

t Q Slope = -‐ k_T Ordo 0 T1 T2 T3 t Ln Q Slope = -‐ k_T Ordo 1 T1 T2 T3

(21)

§  Berdasarkan plot data tersebut, tentukan model

persamaan dari masing-‐masing orde reaksi 0 dan 1.

Orde 0 : Q_t = Q_o – k_Tt

Orde 1 : LnQ_t = LnQ_o – k_Tt

dimana:

Q_o= nilai mutu awal penyimpanan

Q_t = nilai mutu pada waktu penyimpanan t

k_T = konstanta laju reaksi/penurunan mutu pada suhu T

t = waktu penyimpanan (hari)

(22)

§  _{Tentukan
konstanta
penurunan
mutu
(k}_T_{)
untuk
6ap
suhu}

percobaan dan nilai R2_{-‐nya.
R}2_{menunjukkan
kedekatan}

persamaan dalam memprediksi nilai mutu pada waktu penyimpanan tertentu.

§  _{Tentukan
orde
reaksi
yang
paling
cocok.
Pilih
model
yang}

secara umum memberikan R2_{yang
6nggi.}

§  _{Apabila
baik
model
orde
0
dan
orde
1
memiliki
R}2_yang

6nggi, bisa dipilih salah satu. Bila dipilih model Orde 0, hasil perhitungan umur simpan akan lebih pendek dari model

orde 1.

(23)

§  Plot nilai k_T untuk masing-‐masing orde (atau setelah memilih salah satu orde) terhadap suhu percobaan (misalnya T₁, T₂, T₃) menurut model persamaan Arrhenius:

k_T = k_o.exp(-‐E_a/RT)

dimana:

k_T = konstanta laju reaksi/penurunan mutu

k_o = konstanta (faktor frekuensi, 6dak tgt suhu) E_a = energi ak6vasi

T = suhu mutlak (K): To_{K=
273+
T}o_C

R = konstanta gas (8.314 J/mol.K)

(24)

§  _{Model
Arrhenius
dibuat
dalam
bentuk
persamaan
logaritmik.}

Plot hubungan antara Lnk_T (sumbu y) versus 1/T (sumbu x).

Lnk_T = Lnk_o – E_a/RT Ln K _{Slope
(K)
=
-‐
E} a/R 1/T

(25)

Perhitungan Umur Simpan pada Suhu yang Diinginkan §  Umur simpan (t_s) pada suhu penyimpanan tertentu

dihitung dengan:

§  Reaksi Ordo 0 : t_s = (Q_o-‐Q_s)/k_T

§  Reaksi Ordo 1 : t_s = [ln(Q_o/Q_s)]/k_T

§  k_T pada suhu penyimpanan tertentu dihitung dengan menggunakan persamaan model Arrhenius

§  Lakukan pendugaan umur simpan pada kondisi distribusi dan penyimpanan yang aktual (secara ekstrapolasi)

(26)

Um ur Sim pan (har i) Suhu Penyimpanan (o_C)

•  Plot hubungan antara hubungan umur simpan (sumbu x) dengan suhu penyimpanan (sumbu y)

(27)

Evaluasi dan Rekomendasi Umur Simpan

§  Dengan persamaan matema6ka model umur simpan,

dapat ditentukan umur simpan pada berbagai suhu.

§  Keputusan manajemen yang akan menentukan pada suhu berapa umur simpan produk akan ditentukan, apakah pada suhu penyimpanan normal, suhu

distribusi atau suhu di 6ngkat konsumen.

§  Dimungkinkan produsen mencantumkan umur

(28)

Veriﬁkasi dan Monitoring

§  Untuk veriﬁkasi antara pendugaan dan aktual,

industri perlu mempelajari/ mengama6/monitoring kondisi distribusi dan penyimpanan baik ritel

maupun di 6ngkat konsumen secara tepat, sehingga pendugaan yang dilakukan betul-‐betul mempunyai dasar yang baik dan akurat.

(29)

(30)

Case Study: Shelf-‐life DeterminaBon of Instant Noodles

§  Product characterisBcs:

§  Fried instant noodles

§  Cheese ﬂavor

§  IdenBﬁed quality loss factors

§  Rancid odour: fat oxida6on

§  Color changes: Maillard reac6on §  Loss of cheese ﬂavor

(31)

Experimental Design

§  Storage temperatures: 45, 51, 60o_C

§  Period of data collec6on: 0, 7, 14, 21, 27, 35 days

§  Control sample: 30o_C

§  Samples analyzed: noodles and seasoning §  Parameter of analyses

§  Peroxide value

§  Lab colorimeter: Lightness (L, a, b value)

§  Sensory tes6ng: ra6ng diﬀerence method (8 trained panelists) à to determine quality limit (Q_c)

(32)

Experimental Findings: SelecBon CriBcal Parameter §  Signiﬁcant changes of quality parameters by storage

temperatures and 6mes

§  Peroxide value of noodles

§  Lightness (L value) of powder

§  Other parameters did not change consistently during experimental periods.

§  Peroxide value and lightness were selected as cri6cal parameters for shelf-‐life determina6on

(33)

ReacBon Rate Constant (k_T) for Peroxide Value and Lightness

Parameter Temp ₍_o_C)

ReacBon order 0 ReacBon order 1

Slope (k_T) Intercept R2 _{Slope
(k}

T) Intercept R2 Peroxide value 45 ₅₁ 0,0118 _0,0171 0,904557 0,980 _{0,956614
0,936} 0,0109 _0,0144 0,094 _0,039 0,959 _0,890 60 0,1272 0,311312 0,835 0,0504 0,147 0,957 Lightness (L) 45 ₅₁ -‐0,2293 71,50467 0,921 -‐0,0033 -‐4,270 0,925 -‐0,5602 70,106 0,925 -‐0,0089 -‐4,251 0,943 60 _-‐0,9911 _67,75 _0,893 _-‐0,0178 _-‐4,219 _0,926

(34)

DeterminaBon of Quality Limit

§  Peroxide value posi6vely correlated with the degree

of rancid odour and ater taste.

§  Lightness nega6vely correlated with degree of darkness.

§  Criteria for product rejec6on by panelist:

§  Rancid odor: ini6ally detectable rancid odor

(35)

DeterminaBon of Quality Limit

Parameter Qo Qc ΔQ=Qo-‐Qc

Peroxide value 0.87 1.50 0.63 Lightness 72.17 57 15.17

(36)

Arrhenius Model for Peroxide Value (ReacBon Order 1) y = -11090x + 30.22 R² = 0.93772 -5.00 -4.50 -4.00 -3.50 -3.00 0.0030 0.0030 0.0030 0.0030 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031 0.0032 Ln K 1/T Ln k_T = Ln k_o - E_a/RT) Y = ln k x = (1/T) Slope = Ea/R=11090 Intercept=lnk_o=30.22

(37)

Arrhenius Model for Lightness (ReacBon Order 1) Y = ln k x = (1/T) Slope = Ea/R= 11602 Intercept=Lnk_o=30.892 y = -11602x + 30.892 R² = 0.96171 -6.00 -5.50 -5.00 -4.50 -4.00 -3.50 -3.00 0.0030 0.0030 0.0031 0.0031 0.0032 0.0032 Ln K 1/T Ln k_T = Ln k_o - E_a/RT)

(38)

Shelf-‐life of Instant Noodles (Cheese ﬂavor)

CriBcal

Parameter ReacBon Order

Shelf-‐life (months) 20o_C ₂₅o_C ₃₀o_C Peroxide value 0* 230.2 85.7 32.9 1 37,4 19.8 10.7 Lightness 0 29.5 16.6 9.5 1 47.5 24.4 12.8 * Over predic6on Shelﬂife = t_s = [ln(Q_o/Q_s)]/k_T (ordo 1)

(39)

RecommendaBon

§  The shelf-‐life of cheese ﬂavor instant noodles can be

based on peroxide value or lightness

§  Shelf-‐life at 30o_{C,
reac6on
order
1:}

§  Based on peroxide value: 10.7 months

§  Based on lightness: 12.8 months

§  Shelf-‐life declare on product label can be based on