HUBUNGAN PENYUSUTAN LUAS PERMUKAAN TERHADAP KARAKTERISTIK PENGERINGAN LAPISAN TIPIS SINGKONG (Manihot esculenta Crantz) SKRIPSI

HUBUNGAN PENYUSUTAN LUAS PERMUKAAN TERHADAP

KARAKTERISTIK PENGERINGAN LAPISAN TIPIS

SINGKONG (Manihot esculenta Crantz)

SKRIPSI

DHEA SELLY A. HUTABARAT

F14080009

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2012

THE RELATIONSHIP OF SHRINKAGE AREA WITH THIN LAYER DRYING

CHARACTERISTICS OF CASSAVA (Manihot esculenta Crantz)

Dhea Selly A. Hutabarat and Armansyah H. Tambunan

Departement of Mechanical and Biosystem Engineering, Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Darmaga PO BOX 220, Bogor, West Java,

Indonesia.

Phone +62 813 80856512, e-mail: dhea.hutabarat@yahoo.com

ABSTRACT

This study presents the thin layer drying of cassava sliced, which was conducted under controlled conditions of temperature and relative humidity (RH). The drying experiments were carried out on a laboratory dryer at temperatures from 40 to 70 °C and RH from 30 to 60 %. The drying process took place in the falling rate period, but the constant rate period was only on 50 °C with 60 % RH in short time. Drying curves from the experimental data were fitted to the different semi theoretical and empirical thin layer drying models. All of the models were investigated by comparing the coefficient of determination (R2), reduced chi-square (χ2) and root mean square error (RMSE) between the observed and the predicted moisture ratios. The Page model was the best to describe the drying characteristics of cassava slices based on this experiment. The shrinkage during drying played an important role to indicate the best quality of the dried product. Image acquisition system was used to capture and to process the changes in shape (area) of the dried products. It consists of a webcam, illumination, computer hardware, and software. The area of cassava slices was found to be decreasing in line with the decreasing moisture content almost linearly. Drying conditions, i.e. temperature and RH might affect the shrinkage but needs further study to find the relationship.

DHEA SELLY A. HUTABARAT. F14080009. Hubungan Penyusutan Luas Permukaan Terhadap Karakteristik Pengeringan Lapisan Tipis Singkong (Manihot esculenta Crantz.). Di bawah bimbingan Armansyah H. Tambunan. 2012.

RINGKASAN

Singkong (Manihot esculenta Crantz.) merupakan salah satu tanaman umbi - umbian yang dapat dimanfaatkan untuk keperluan konsumsi manusia, sebagai pakan ternak, dan bahan dasar untuk keperluan industri. Tetapi, disamping memiliki banyak manfaat, singkong merupakan komoditi pertanian yang mudah rusak dan mengandung komponen toksik dalam bentuk glukosida sianogenik. Oleh karena itu, diperlukan suatu metode pengawetan produk dan penurunan kadar glukosida sianogenik sehingga dapat memperpanjang masa simpan produk dan aman untuk dikonsumsi. Salah satu metode yang dapat diterapkan adalah pengeringan. Pengeringan merupakan suatu proses pengeluaran air bahan sampai seimbang dengan keadaan udara di sekelilingnya atau sampai tingkat kadar air dimana kerusakan akibat mikroba dan reaksi kimia dapat diminimalisasi, sehingga kualitas produk keringnya dapat dipertahankan. Proses pengeringan singkong tidak lepas dari konsep pengeringan lapisan tipis. Pengeringan lapisan tipis digunakan untuk menggambarkan karakteristik pengeringan singkong melalui simulasi dari beberapa model semi teoritis dan empiris yang dipilih. Adapun, model yang dipilih tersebut, yaitu model Lewis, Henderson & Pabis, dan Page. Pengeringan dapat menyebabkan penyusutan. Penyusutan yang terjadi selama pengeringan perlu dipertimbangkan, karena dalam berbagai model pengeringan, penyusutan selalu diabaikan. Selain itu, penyusutan bahan yang dikeringkan mempunyai dampak negatif terhadap kualitas produk keringnya. Besarnya tingkat penyusutan bahan termasuk dampak negatif akibat pengeringan dapat diketahui dengan bantuan pengolahan citra. Hasil pengamatan penyusutan bahan yang diperoleh dengan bantuan pengolahan citra, kemudian akan dikaji secara bersamaan dengan karakteristik pengeringannya.

Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji karakteristik pengeringan lapisan tipis dari irisan singkong yang meliputi perubahan kadar air dan perubahan laju pengeringan, menentukan model persamaan matematis yang sesuai, mempelajari perubahan bentuk fisik akibat penyusutan bahan selama proses pengeringan lapisan tipis dari irisan singkong dengan menggunakan pengolahan citra (image processing), serta mengkaji keterkaitan antara karakteristik pengeringan dengan penyusutan luas permukaan irisan singkong.

Penelitian dilakukan menggunakan mesin pengering laboratorium terkendali-terakuisisi. Singkong diiris dengan ketebalan sekitar 3 mm, diameter irisan 4 - 6 cm, dan dikeringkan secara lapisan tipis (one layer) pada suhu pengering 40, 50, 60, dan 70 C dengan RH 30, 40, 50, dan 60 %. Kecepatan udara pengering yang digunakan berada pada selang (0.5 - 0.7) m/detik. Pengeringan berlangsung dari kisaran kadar air awal 55.00 %bb - 67.74 %bb hingga mencapai kadar air keseimbangan. Besarnya tingkat penyusutan bahan termasuk dampak negatif yang ditimbulkan selama pengeringan dapat diketahui dengan bantuan sistem akuisisi citra yang terdiri atas webcam, penerangan, dan seperangkat komputer beserta software pendukung untuk pengolahan citra.

Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa pengeringan singkong berlangsung pada periode laju pengeringan menurun, kecuali pada perlakuan suhu 50 °C untuk RH 60 % terjadi periode laju pengeringan konstan yang berlangsung singkat. Kenaikan suhu pengering 40 - 70 C atau penurunan tingkat RH 30 - 60 % akan meningkatkan laju pengeringan singkong. Hasil gambaran karakteristik pengeringan dari irisan singkong kemudian diperoleh dengan membandingkan dan memilih secara statistik dari ketiga model semi teoritis dan empiris pengeringan lapisan tipis. Adapun kriteria pembanding yang ditentukan adalah koefisien determinasi (R2), root mean square error (RMSE), dan

reduced chi square (χ2). Model Page merupakan model yang dapat menggambarkan karakteristik pengeringan lapisan tipis singkong dengan baik, dimana nilai R2, RMSE, dan χ2 berturut - turut berada pada kisaran 0.9995-0.9999, 0.002051-0.010040, dan 0.000004-0.000107. Nilai konstanta pengeringan dari masing - masing model kemudian diperoleh secara bersamaan dari penormalisasian kurva pengeringan menjadi persamaan linier sederhana.

Penyusutan pada sampel irisan singkong disebabkan oleh menguapnya air selama berlangsungnya proses pengeringan. Pengeringan menyebabkan rongga - rongga yang sebelumnya diisi oleh air menjadi saling terhubung dan menyatu. Akibatnya, permukaan terluar dari suatu bahan akan mengerut ke dalam dan memberikan suatu kenampakan yang berkerut - kerut. Hal ini tentu saja

akan mengurangi luasan permukaan dari bahan tersebut. Hasil perekaman citra dengan menggunakan

webcam menunjukkan bahwa selain terjadi perubahan dimensi permukaan, ditemukan juga adanya perubahan bentuk fisik yang drastis seperti pengerutan yang disertai dengan pembengkokan pada bahan seperti pada perlakuan suhu 50 °C untuk RH 30 % dan RH 50 %. Sehingga, semakin besar air bahan yang diuapkan maka semakin memungkinkan untuk terjadi perubahan bentuk fisik seperti pengerutan yang disertai dengan pembengkokan disamping perubahan dimensi permukaan yang terjadi.

Hasil analisis penyusutan menunjukkan bahwa kondisi pengeringan yang meliputi faktor suhu dan RH dapat mempengaruhi penyusutan luas permukaan sampel irisan singkong. Tetapi, penyusutan luas permukaan selama proses pengeringan tidak menunjukkan adanya pengaruh yang konsisten berdasarkan tingkat suhu dan RH. Kondisi perlakuan yang menghasilkan susut luas permukaan bahan yang paling kecil, susut air bahan yang paling besar, dan tidak mengalami perubahan bentuk fisik yang drastis dapat mengindikasikan kualitas suatu produk kering tersebut baik. Hal tersebut terjadi pada sampel untuk kondisi suhu 60 °C dengan RH 40 %, dimana susut luas permukaan yang terjadi 22.25 % dan susut air bahan sebesar 93.77 %. Adapun, hal yang diduga menjadi penyebab luas permukaan sampel hanya menyusut sedikit pada kondisi ini adalah serat singkong yang lebih banyak yang menyebabkan struktur bahan menjadi lebih padat; sebagai akibat dari umur tanaman yang lebih tua.

Hubungan antara penyusutan luas permukaan irisan singkong dengan penurunan kadar air pada masing - masing perlakuan dinyatakan menggunakan persamaan linier, dimana penyusutan (perubahan) irisan singkong sebagai fungsi dari rasio kadar air.

HUBUNGAN PENYUSUTAN LUAS PERMUKAAN TERHADAP

KARAKTERISTIK PENGERINGAN LAPISAN TIPIS

SINGKONG (Manihot esculenta Crantz)

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem,

Fakultas Teknologi Pertanian,

Institut Pertanian Bogor

Oleh

DHEA SELLY A. HUTABARAT

F14080009

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2012

Judul Skripsi : Hubungan Penyusutan Luas Permukaan Terhadap Karakteristik

Pengeringan Lapisan Tipis Singkong (Manihot esculenta Crantz)

Nama

: Dhea Selly A. Hutabarat

NIM

: F14080009

Menyetujui,

Pembimbing Akademik,

(Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan)

NIP. 19620918 198703 1 001

Mengetahui,

Ketua Departemen,

(Dr. Ir. Desrial, M.Eng.)

NIP. 19661201 199103 1 004

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI

Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Hubungan Penyusutan Luas Permukaan Terhadap Karakteristik Pengeringan Lapisan Tipis Singkong

(Manihot esculenta Crantz) adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Dosen Pembimbing

Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Bogor, Agustus 2012

Yang membuat pernyataan

Dhea Selly A. Hutabarat F14080009

© Hak Cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2012

Hak Cipta dilindungi Undang-Undang

Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari

Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun, baik cetak,

fotocopy, microfilm, dan sebagainya

BIODATA PENULIS

Dhea Selly A. Hutabarat. Lahir di Medan, 4 Maret 1991 dari ayah G.M. Hutabarat dan ibu Ridwilisna Sinaga, sebagai putri pertama dari empat bersaudara. Pada tahun 2002, penulis menyelesaikan pendidikannya dari SD Negeri 064967 Medan, kemudian melanjutkan pendidikan di SMP Negeri 11 Medan. Penulis menamatkan SMA pada tahun 2008 dari SMA Negeri 3 Medan, dan pada tahun yang sama diterima di IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Penulis memilih Program Studi Teknik

Pertanian, Departemen Teknik Mesin & Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian dan menyelesaikan pendidikan sarjananya pada tahun 2012.

Selama kuliah di IPB, penulis juga aktif di Unit Kegiatan Mahasiswa Persekutuan Mahasiswa Kristen (PMK) IPB. Penulis menerima Beasiswa Peningkatan Prestasi Akademik (PPA) IPB tahun 2011 dan 2012. Selama proses menyelesaikan studinya di IPB, penulis telah melaksanakan Praktik Lapang di PT Saung Mirwan, Bogor pada tahun 2011 dengan mengambil topik Aspek Pendinginan pada Penanganan Produk Hortikultura di PT Saung Mirwan, Bogor, Jawa Barat.

iii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas berkat, anugerah, dan penyertaanNya sehingga penulis dapat menyelesaikan studi dan penelitian yang berjudul “Hubungan Penyusutan Luas Permukaan Terhadap Karakteristik Pengeringan Lapisan Tipis Singkong (Manihot esculenta

Crantz)”. Penulis berharap penelitian ini dapat bermanfaat dalam hal penerapan metode untuk

membuat desain rancangan proses pengeringan hasil pertanian khususnya singkong. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terimakasih kepada:

1. Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan sebagai dosen pembimbing akademik yang telah memberikan bimbingan dan arahan selama penulis menyelesaikan studi.

2. Dr. Ir. Rokhani Hasbullah, M.Si dan Dr. Ir. Dyah Wulandani, M. Si sebagai dosen penguji, atas kesediaannya untuk menguji dan memberikan saran - saran kepada penulis.

3. Rekan - rekan satu bimbingan, Bapak Kiman Siregar, Bapak Bayu, Bapak Amar Maruf, Ibu Rosmeika, Fuad Insan, Saidong, Johannes Sipangkar, Agustino Aritonang, Christian Solany, Agus Ginting.

4. Kedua orang tua penulis (Bapak G.M. Hutabarat dan Ibu R. Sinaga) beserta adik penulis (Shinta Christina Hutabarat, Ghentary Hutabarat, dan Alberth Loeis Hutabarat) yang selalu memberikan semangat dan bantuannya baik moril maupun materi.

5. Tante Rusdiana, Tante Erlina, Tulang Omen yang juga selalu memberikan semangat dan bantuannya selama penulis di Bogor.

6. Yulfi, Ernawati, Ninggar Pramitasari, Trio Andrelov, Imanuel Zega, Panji Laksamana, Yuliana, Fajri, Derry, dan Selvina atas bantuannya selama penelitian.

7. Bapak Harto, Mas Darma, dan Mas Firman yang telah membantu dalam pelaksanaan teknis penelitian.

8. BPPT atas fasilitas mesin pengering terkendali - terakuisisi.

9. Program kerjasama penelitian antara IPB dengan Chung Yuan Christian University (CYCU) atas dukungan dana penelitian.

10. Teman - teman kos “Pondok Delima”, terutama Selvina, Priskila, Pingkan S.Stat, Eni Winarti, Selly Maurina yang selalu memberikan semangat dan menjadi sahabat terbaik.

11. Komisi Kesenian PMK IPB yang sudah menjadi keluarga kedua penulis.

12. Teman - teman satu angkatan 45 Teknik Mesin dan Biosistem atas dukungan, kenangan, dan kebersamaan selama perkuliahan tiga tahun ini.

Penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan dalam penulisan hasil penelitian ini. Oleh karena itu, dengan segala keterbukaan, saran dan kritik yang bersifat membangun untuk penyempurnaan penelitian ini sangat diharapkan.

Bogor, Agustus 2012 Dhea Selly A. Hutabarat

iv

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR TABEL ...vi

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR LAMPIRAN ... viii

DAFTAR SIMBOL ...ix

I. PENDAHULUAN ... 1

1.1 LATAR BELAKANG ... 1

1.2 TUJUAN ... 2

II. TINJAUAN PUSTAKA ... 3

2.1 SINGKONG ... 3

2.2 PROSES PENGOLAHAN SINGKONG ... 4

2.3 TEORI PENGERINGAN ... 5

2.4 MODEL MATEMATIKA PENGERINGAN LAPISAN TIPIS ... 7

2.5 KONSTANTA PENGERINGAN ... 9

2.6 PENYUSUTAN DAN PENGOLAHAN CITRA ... 10

III. METODOLOGI PENELITIAN ... 12

3.1 WAKTU DAN TEMPAT ... 12

3.2 BAHAN DAN ALAT ... 12

3.3 PROSEDUR PERCOBAAN... 13

3.4 ANALISIS DATA ... 15

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 21

4.1 KARAKTERISTIK PENGERINGAN LAPISAN TIPIS SINGKONG ... 21

4.2 PENYUSUTAN IRISAN SINGKONG ... 34

V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 40

5.1 KESIMPULAN ... 40

v DAFTAR PUSTAKA ... 42 LAMPIRAN ... 44

vi

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. Model-model persamaan matematis pengeringan lapisan tipis ... 9

Tabel 2. Kondisi percobaan pengeringan lapisan tipis singkong ... 14

Tabel 3. Model matematika pengeringan lapisan tipis ... 17

Tabel 4. Data kadar air dan lama pengeringan pada suhu 50 C ... 21

Tabel 5. Data kadar air dan lama pengeringan pada RH 40 % ... 21

Tabel 6. Laju pengeringan rata - rata irisan singkong pada suhu 50 °C ... 23

Tabel 7. Laju pengeringan rata - rata irisan singkong pada RH 40 % ... 24

Tabel 8. Hasil analisis statistikal model pengeringan irisan singkong pada suhu 50 °C ... 28

Tabel 9. Hasil analisis statistikal model pengeringan irisan singkong pada RH 40 % ... 28

Tabel 10. Nilai konstanta model pengeringan irisan singkong pada suhu 50 °C ... 32

Tabel 11. Nilai konstanta model pengeringan irisan singkong pada RH 40 % ... 32

Tabel 12. Hubungan antara konstanta hitung dan konstanta model Page terhadap suhu dan RH ... 34

Tabel 13. Nilai k dan n percobaan dengan hasil perhitungan pada suhu 50 °C ... 34

Tabel 14. Nilai k dan n percobaan dengan hasil perhitungan pada RH 40 % ... 34

Tabel 15. Penyusutan selama pengeringan pada perlakuan suhu 50 °C ... 38

vii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1. Singkong ... 3

Gambar 2. Kurva penurunan kadar air terhadap waktu ... 6

Gambar 3. Kurva karakteristik pengeringan ... 7

Gambar 4. Skema sistem fungsional pengering laboratorium ... 13

Gambar 5. Diagram alir prosedur percobaan dan pengambilan data ... 15

Gambar 6. Bagan alir proses analisis data pengeringan untuk setiap perlakuan ... 19

Gambar 7. Diagram alir proses pengolahan citra ... 20

Gambar 8. Kurva penurunan rasio kadar air terhadap waktu pada suhu 50 °C ... 22

Gambar 9. Kurva penurunan rasio kadar air terhadap waktu pada RH 40 % ... 23

Gambar 10. Kurva laju pengeringan terhadap waktu pada suhu 50 °C ... 25

Gambar 11. Kurva laju pengeringan terhadap waktu pada RH 40 % ... 25

Gambar 12. Kurva laju pengeringan terhadap kadar air pada suhu 50 °C ... 26

Gambar 13. Kurva laju pengeringan terhadap rasio kadar air pada RH 40 % ... 27

Gambar 14. Kurva MR percobaan dan perhitungan dengan model Lewis ... 29

Gambar 15. Kurva MR percobaan dan perhitungan dengan model Henderson & Pabis ... 30

Gambar 16. Kurva MR percobaan dan perhitungan dengan model Page ... 31

Gambar 17. Pengaruh suhu pengeringan terhadap k dan n pada RH 40 % ... 33

Gambar 18. Pengaruh RH pengeringan terhadap k dan n pada suhu 50 °C ... 33

Gambar 19. Penyusutan area citra terhadap waktu pengeringan pada suhu 50 °C ... 35

Gambar 20. Penyusutan area citra terhadap waktu pengeringan pada RH 40 % ... 35

Gambar 21. Penyusutan area sampel irisan singkong terhadap waktu pengeringan pada suhu 50 °C ... 36

Gambar 22. Penyusutan area sampel irisan singkong terhadap waktu pengeringan pada RH 40 % ... 36

Gambar 23. Penyusutan area sampel irisan singkong terhadap rasio kadar air pada suhu 50 °C ... 37

viii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Tampilan mesin pengering terkendali ... 45

Lampiran 2. Data hasil pengeringan ... 46

Lampiran 3. Tampilan program pengolahan citra ... 53

Lampiran 4. Hubungan antara k, n model dengan k, n persamaan (6) dan (7) ... 55

Lampiran 5. Penentuan nilai k, a, n dari model Lewis, Henderson & Pabis, dan Page ... 57

ix

DAFTAR SIMBOL

Simbol Satuan

A Area, Luas permukaan (m2)

a, b, c Konstanta pada persamaan (6) dan (7) (tak berdimensi) b Setengah tebal benda lempeng tak terbatas (m) C1 C2 Konstanta pada persamaan (20) (tak berdimensi) D Koefisien difusi (m2detik-1) Def DL Difusivitas efektif (m

2 detik-1) K1.1 K1.2 Konstanta

K2.1 K2.2 Konstanta

k Konstanta pengeringan (menit-1) M Kadar air dalam basis kering (desimal, %) m Kadar air dalam basis basah (desimal, %) mr Nilai rata - rata dari rasio kadar air (tak berdimensi) N Jumlah pengamatan pada persamaan (17) dan (18) (tak berdimensi)

n a Konstanta pengeringan (tak berdimensi) RH Kelembaban relatif (desimal, %) R2 Koefisien determinasi

S Shrinkage, Penyusutan luas permukaan (tak berdimensi) SE Standard Error

T Suhu (°C)

t Waktu (detik)

W Massa total bahan (gram)

w Massa (gram)

z Jumlah konstanta dalam model pengeringan (tak berdimensi) Operator diferensial vector

Diameter irisan singkong (cm)

Subskrip

0 Awal, Waktu ke-0

a Air

e Equlibrium, Keseimbangan exp Experiment, Percobaan f Final, Akhir

i Initial, Awal

n Suku ke-n pada persamaan (4)

p Padatan

pre Predicted, Model

t Waktu ke-t

t+dt Waktu ke-t+dt

1

I.

PENDAHULUAN

1.1.

LATAR BELAKANG

Singkong (Manihot esculenta Crantz.) merupakan salah satu tanaman umbi - umbian yang dibudidayakan secara ekstensif dan menjadi makanan pokok bagi jutaan orang yang berada pada wilayah tropis, seperti Afrika, Amerika Latin, dan Asia. Tanaman singkong menempati urutan ke empat sebagai tanaman pangan utama setelah beras, gandum, dan jagung. Adapun hal - hal yang membuat tanaman singkong menjadi salah satu bahan pangan yang valuable untuk keamanan pangan adalah karena kemampuannya untuk dapat tumbuh pada lahan yang terbatas, sangat berpotensial untuk menghasilkan pati yang tinggi, dan sangat tahan terhadap hama dan penyakit (Nambisan, 2011). Selain digunakan untuk keperluan konsumsi manusia, singkong juga digunakan sebagai pakan ternak dan bahan dasar untuk keperluan industri. Hal yang lebih penting lagi, dalam menghadapi krisis pangan dan energi, singkong dapat digunakan dalam industri energi terbarukan, seperti pembuatan etanol.

Tetapi, singkong merupakan komoditi pertanian yang mudah rusak. Apabila tidak diolah secara langsung, maka tiga hari setelah panen, singkong akan mengalami kerusakan (ditunjukkan dengan warna daging kebiru-biruan dan rasanya tidak enak) (Sudarmadji 1997). Selain itu, singkong mengandung komponen toksik dalam bentuk glukosida sianogenik. Oleh karena itu, diperlukan suatu metode pengawetan produk dan penurunan kadar glukosida sianogenik yang bertujuan agar bahan pangan tetap terjaga kualitasnya selama dalam proses penyimpanan sampai siap untuk memenuhi syarat - syarat pengolahan lanjut dan memberikan rasa aman untuk dikonsumsi. Salah satu metode yang dapat diterapkan adalah pengeringan. Pengeringan merupakan salah satu proses pengolahan pangan yang sudah lama dikenal. Adapun tujuan dasar dari pengeringan adalah untuk mengurangi kadar air bahan secara termal sampai ke tingkat tertentu, dimana kerusakan akibat mikroba dan reaksi kimia dapat diminimalisasi, sehingga kualitas produk keringnya dapat dipertahankan (Rizvi 2005). Selain itu, pengeringan juga akan memperkecil volume bahan sehingga memudahkan dalam pengangkutan, pengemasan, dan penyimpanan.

Pengeringan singkong bertujuan untuk mengurangi kadar airnya dari sekitar 65 % hingga kurang dari 15 %. Mengacu pada Wenlapatit (2004), International Starch Institute (1999), dan IITA (2005), bahwa kadar air akhir produk yang direkomendasikan berada pada kisaran 9 % - 15 %. Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi pengeringan dapat digolongkan menjadi dua, yaitu faktor yang berhubungan dengan sifat bahan yang dikeringkan atau disebut faktor internal (ukuran bahan, kadar air awal bahan, dan tekanan parsial di dalam bahan) dan faktor yang berhubungan dengan udara pengering atau disebut faktor eksternal (suhu, kelembaban, dan kecepatan volumetrik aliran udara pengering). Pengeringan untuk bahan - bahan pertanian dengan kadar air awal bahan tinggi biasanya menggunakan pengeringan lapisan tipis.

Hall (1980) mendefinisikan bahwa pengeringan lapisan tipis adalah pengeringan bahan dimana semua bagian bahan yang terdapat dalam lapisan tersebut dapat menerima langsung panas yang berasal dari udara pengering. Beragam penelitian mengenai pengeringan lapisan tipis telah dilakukan untuk memperoleh model matematis yang sesuai dengan kondisi pengeringan. Model yang digunakan didasarkan pada model difusi, perpindahan panas dan massa, empiris dan semi teoritis. Model difusi yang berasal dari hukum II Fick dikembangkan untuk berbagai bentuk geometris padatan, dengan asumsi koefisien difusi konstan, distribusi kadar air awal seragam, serta mengabaikan tahanan luar, gradien suhu, dan penyusutan dari ketebalan bahan.

2 Penelitian eksperimental umumnya menggunakan model semi teoritis untuk mendapatkan model pengeringannya. Beberapa dari model semi teoritis tersebut kemudian akan dibandingkan untuk memperoleh satu model yang paling sesuai dengan error paling minimum.

Selama berlangsungnya proses pengeringan, bahan dapat mengalami perubahan - perubahan yang tidak diinginkan seperti penyusutan. Penyusutan bahan yang dikeringkan mempunyai dampak negatif terhadap kualitas produk keringnya, terutama untuk keperluan komersial. Perubahan bentuk, pengurangan volume, dan perubahan tingkat elastisitas bahan adalah hal - hal yang kurang disukai konsumen. Menurut Manalu (2011) keretakan, pengerutan bahan yang dikeringkan adalah salah satu fenomena lain yang dapat terjadi selama proses pengeringan. Hal ini dapat terjadi bila penyusutan yang terjadi tidak seragam dan laju pengeringan terlalu tinggi. Yadollahinia & Jahanggiri (2009) menyatakan bahwa penyusutan telah dipelajari dengan cara pengukuran secara langsung menggunakan mistar atau mikrometer atau secara tidak langsung dengan mengukur parameter yang terkait dengan penyusutan seperti porositas dan massa jenis. Besarnya tingkat penyusutan bahan termasuk dampak negatif yang ditimbulkan terhadap kualitas produk selama pengeringan dapat diketahui dengan bantuan pengolahan citra menggunakan kamera digital. Pengolahan citra merupakan proses pengolahan piksel - piksel dalam citra digital untuk suatu tujuan tertentu. Alasan dilakukannya pengolahan citra antara lain untuk memperoleh citra dengan karakteristik tertentu dan cocok secara visual untuk tahap pemrosesan analisis citra, yang kemudian akan ditransformasikan dalam suatu representasi numerik.

Analisis yang dilakukan dari data kinetika pengeringan memungkinkan untuk memahami perpindahan air dari dalam bahan, termasuk juga dengan mempertimbangkan penyusutan sampel yang terjadi. Adapun, beragam penelitian percobaan pengeringan telah banyak dilakukan, termasuk untuk singkong. Tetapi, banyak dari penelitian tersebut mengabaikan penyusutan sebagai salah satu parameter yang mempengaruhi pengeringan. Dengan demikian, pada penelitian ini akan dilihat hubungan atau keterkaitan antara karakteristik pengeringan dengan penyusutan sampel yang diwakili dengan luas permukaan irisan singkong selama pengeringan.

1.2.

TUJUAN PENELITIAN

Penelitian ini bertujuan untuk:

1. Mengkaji karakteristik pengeringan lapisan tipis dari irisan singkong dan menentukan model persamaan matematis yang sesuai.

2. Mempelajari perubahan bentuk fisik akibat penyusutan bahan selama proses pengeringan lapisan tipis dari irisan singkong dengan menggunakan pengolahan citra (image processing). 3. Mengkaji keterkaitan antara karakteristik pengeringan dengan penyusutan luas permukaan

3

II.

TINJAUAN PUSTAKA

2.1.

SINGKONG

Singkong merupakan umbi akar dari tanaman pangan berupa perdu yang dikenal dengan nama lain ubi kayu, ketela pohon atau cassava. Singkong berasal dari benua Amerika, tepatnya dari negara Brazil. Singkong mudah ditanam dan dibudidayakan, dapat ditanam di lahan yang kurang subur, risiko gagal panen 5 %, dan tidak mudah terserang hama. Penyebarannya hampir ke seluruh dunia, termasuk ke Indonesia pada tahun 1852. Di Indonesia, singkong menjadi bahan pangan pokok setelah beras dan jagung. Dengan perkembangan teknologi, singkong dijadikan bahan dasar pada industri makanan dan bahan baku industri pakan. Selain itu, digunakan pula dalam industri obat - obatan (Departemen Pertanian 1999).

Gambar 1. Singkong

Secara botani, klasifikasi tanaman singkong adalah sebagai berikut: Kingdom : Plantae atau tumbuh - tumbuhan

Divisi : Spermatophyta Sub Divisi : Angiospermae

Kelas : Dicotyledoneae atau biji berkeping dua Ordo : Euphorbiales

Famili : Euphorbiaceae Genus : Manihot

Spesies : Manihot esculenta Crantz sin.

Tanaman singkong mempunyai umur rata-rata 7-12 bulan. Singkong memiliki umbi berdiameter rata-rata 5 cm - 10 cm dan panjang 50 cm - 80 cm. Singkong mengandung senyawa sianogenik yang dikenal dengan linamarin (93 %) dan lotaustralin (7 %) (Okigbo 1980). Kadar senyawa sianogenik tersebut dapat berbeda-beda tergantung pada jenis tanaman, umur tanaman, dan kondisi lingkungan seperti kondisi tanah, kelembaban, dan suhu.

Produksi singkong di Indonesia merupakan produksi pangan terbesar ke-2 setelah padi, sehingga singkong mempunyai potensi besar sebagai bahan baku yang penting bagi berbagai produk pangan dan industri. Sebagai bahan pangan yang kaya akan pati, singkong memiliki beberapa kekurangan yaitu kadar protein yang rendah (< 2 %) dan nilai gizinya yang tidak seimbang.

4 Disamping itu, ada singkong yang berkemungkinan mengandung kadar HCN yang tinggi dan rasa pahit (Deptan 2011). Sejak dipanen, singkong merupakan komoditi yang mudah rusak yang praktis hanya tahan sekitar 1 - 3 hari, sehingga pemanfaatannya harus secepat mungkin sebelum rusak. Masalah utama singkong setelah dipanen adalah sifatnya yang sangat peka terhadap jamur dan mikroba lain. Oleh karena itu, daya simpan dalam bentuk segar relatif pendek. Melalui proses penanganan sederhana dan telah umum dilakukan seperti pengeringan, akan diperoleh daya simpan yang lebih lama yaitu sekitar 2 - 4 minggu (Ospina & Wheatley 1990).

2.2.

PROSES PENGOLAHAN SINGKONG

Penanganan pascapanen bertujuan untuk mempertahankan mutu produk dan meningkatkan nilai tambah. Agar dapat memperpanjang masa simpan produk, diperlukan proses pengawetan. Salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan melakukan proses pengeringan. Beberapa tahapan proses yang dilakukan yaitu pengupasan, pencucian, pengirisan, blanching, dan pengeringan (Akingbala et al 1991).

2.2.1.

Pengupasan

Pengupasan kulit singkong merupakan tahap terpenting apabila singkong akan dikeringkan. Hal ini dimaksudkan untuk mempercepat proses pengeringan dan meningkatkan kualitas karena kenampakannya akan lebih baik dan bersih. Pengupasan kulit singkong dapat dilakukan dengan menggunakan pisau. Sekitar 22 % dari massa total umbi akan hilang akibat proses pengupasan.

2.2.2.

Pencucian

Proses pencucian dilakukan untuk membersihkan daging singkong dari kotoran seperti tanah yang masih menempel. Pencucian dilakukan di bawah pancuran air kran, atau dengan merendamnya dalam suatu wadah selama beberapa waktu. Apabila kotoran menempel dengan kuat, maka pencucian dapat dikombinasikan dengan penyikatan dan penyemprotan air.

2.2.3.

Pengirisan

Proses pengirisan (perajangan) juga merupakan tahap terpenting agar singkong lebih mudah kering. Semakin tipis bahan yang dikeringkan, semakin cepat penguapan air sehingga mempercepat waktu pengeringan. Sedangkan semakin tebal suatu irisan mengakibatkan pengurangan kadar air dalam bahan agak sulit dan memerlukan waktu yang lama. Proses pengirisan dapat dilakukan dengan menggunakan mesin maupun secara manual memakai pisau dengan tebal irisan sampel sekitar 3 mm (Usman & Idakkwo 2011).

2.2.4.

Blanching

Blanching merupakan proses pemanasan bahan dengan menggunakan uap atau air dengan suhu tinggi dalam waktu singkat. Hal ini bertujuan untuk inaktivasi enzim katalase dan peroksidase, dan mencegah bau dan warna yang tidak dikehendaki selama pengeringan dan penyimpanan. Blanching

5 akan menyebabkan udara dalam jaringan akan keluar dan pergerakan air tidak terhambat, sehingga proses pengeringan menjadi lebih cepat. Proses blanching irisan singkong dilakukan dengan merendam terlebih dahulu dalam air bersuhu 90 C selama 5 menit (Bacelos & Almeida 2011).

2.2.5. Pengeringan

Pengeringan irisan singkong dapat dilakukan di bawah cahaya matahari langsung, alat pengering bertenaga surya, atau dengan mesin pengering. Pengeringan dengan menggunakan cahaya matahari langsung membutuhkan waktu yang agak lama, karena tergantung pada intensitas dan lama penyinaran. Pengeringan dengan alat pengering bertenaga surya juga memiliki ketergantungan pada intensitas dan lama penyinaran, tetapi waktunya relatif lebih singkat. Pengeringan dengan mesin memberikan hasil yang lebih cepat dan mutunya lebih baik, tetapi harus diperhatikan pengontrolan suhu dan kelembaban relatif nya.

2.3.

TEORI PENGERINGAN

Proses pengeringan merupakan proses pengambilan atau penurunan kadar air sampai batas tertentu sehingga dapat menghambat laju kerusakan bahan pertanian akibat aktivitas biologis dan kimia (Henderson & Perry 1989; Brooker et al 1992). Mujumdar & Devahastin (2001) menyatakan bahwa pengeringan adalah sebuah operasi yang rumit meliputi perpindahan panas dan massa transien dengan beberapa laju proses seperti transformasi fisik dan kimia yang pada akhirnya dapat menyebabkan perubahan mutu. Perubahan fisik yang terjadi meliputi penyusutan, penggembungan, proses kristalisasi, dan transisi gelas. Sedangkan perubahan secara kimia menyebabkan perubahan warna, tekstur, bau, dan sifat - sifat bahan lainnya. Pengeringan biasanya menggambarkan proses termal, dimana panas dibutuhkan untuk menguapkan air dari bahan yang dikeringkan, sedangkan media penghantar panas dapat menggunakan udara (Brooker et al. 1974). Panas yang diberikan dapat dilakukan secara konveksi, konduksi, dan radiasi. Mengacu pada Mujumdar & Devahastin (2001), bahwa lebih dari 85 % pengering industri merupakan tipe konveksi dengan medium udara panas atau gas buang. Panas diberikan pada lapisan batas bahan yang dikeringkan dan selanjutnya terdifusi ke dalam bahan secara konduktif. Air dalam bahan akan bergerak ke lapisan batas dan kemudian menguap dan dibawa oleh udara pengeringan.

Hasil dari proses pengeringan adalah bahan kering yang mempunyai kadar air setara dengan kadar air keseimbangan udara (atmosfir) normal atau setara dengan nilai aktivitas air (aw) yang aman dari kerusakan enzimatis, mikrobiologis, dan kimiawi (Henderson & Perry 1976). Dasar proses pengeringan biasanya akan melibatkan dua kejadian yaitu panas yang harus diberikan pada bahan dan air yang harus dikeluarkan dari bahan. Dua fenomena ini menyangkut pindah panas dan pindah massa air yang terjadi secara simultan. Yang dimaksudkan dengan pindah panas adalah peristiwa perpindahan energi dari udara ke dalam bahan yang dapat menyebabkan berpindahnya sejumlah massa (kandungan air) karena gaya dorong untuk keluar dari bahan (pindah massa). Air yang diuapkan terdiri atas (1) air bebas, yang disebut juga free water dan mempunyai sifat air normal dan mudah terlepas. Selain itu, (2) air terikat secara fisik, air yang terikat pada rongga - rongga kapiler dari bahan dan yang terikat pada permukaan bahan sehingga memiliki daya ikat lemah dan mudah diputuskan. (3) Air terikat secara kimia, yaitu air yang terikat pada senyawa lain (bagian dari senyawa bahan itu sendiri) seperti protein dan karbohidrat. Air bebas dapat dengan mudah diuapkan pada proses pengeringan karena diperlukan energi yang lebih kecil daripada air terikat. Kadar air suatu

6 bahan menunjukkan jumlah air yang dikandung bahan tersebut, baik berupa air bebas maupun air terikat yang berada di dalam bahan (Henderson & Perry 1976). Selama proses pengeringan, yang pertama kali mengalami penguapan adalah air bebas. Laju penguapan air bebas sebanding dengan perbedaan tekanan uap air pada permukaan dengan tekanan uap pada udara pengering (Henderson & Pabis 1961). Bila konsentrasi air pada permukaan cukup besar, sehingga permukaan bahan tetap basah maka akan terjadi laju penguapan yang tetap. Periode ini disebut dengan laju pengeringan konstan. Setelah air bebas menguap karena pengeringan, maka akan terjadi perpindahan air dan uap secara difusi dari bagian dalam ke permukaan bahan. Hal ini terjadi akibat perbedaan konsentrasi atau tekanan uap antara bagian dalam dan bagian luar bahan. Pola penurunan kadar air bahan dapat diilustrasikan sebagai berikut.

Gambar 2. Kurva penurunan kadar air terhadap waktu (Hall 1957)

Seperti terlihat pada Gambar 2 dan Gambar 3, bahwa selama proses pengeringan terdapat dua laju pengeringan, yaitu laju pengeringan konstan dan laju pengeringan menurun. Laju pengeringan adalah banyaknya air yang diuapkan (satuan berat) per satuan waktu tertentu. Laju pengeringan konstan (B-C) terjadi setelah proses inisiasi yaitu pemanasan bahan (A-B). Laju pengeringan menurun (C-E) terjadi setelah akhir laju pengeringan konstan. Laju pengeringan ini sebanding dengan perbedaan tekanan uap air antara dalam dan luar bahan. Semakin kecil kandungan air di bagian dalam maka tekanan uapnya juga semakin kecil sehingga laju pengeringan semakin menurun. Laju pengeringan menurun sering dikelompokkan menjadi dua tahap, yaitu tahap laju pengeringan menurun pertama dan laju pengeringan menurun kedua. Laju pengeringan menurun pertama: pada titik C, dimulai saat kadar air berada pada akhir periode laju pengeringan konstan (critical moisture content). Pada titik ini, permukaan dari bahan (solid) tidak jenuh dan laju pengeringan menurun seiring menurunnya kandungan air. Pada titik D, kandungan air yang berada pada lapisan permukaan sudah teruapkan sepenuhnya dan lebih lanjut, laju pengeringan dikontrol oleh laju dari pergerakan uap dari dalam bahan (Rizvi & Mittal 1992). Laju pengeringan menurun kedua: pada periode (D-E) menunjukkan kondisi bahwa penguapan terjadi di bagian dalam bahan dan uap air kemudian berdifusi ke permukaan.

7 Gambar 3. Kurva karakteristik pengeringan (Hall 1957)

Selama proses pengeringan, laju pengeringan semakin lama akan semakin menurun. Besarnya laju pengeringan berbeda-beda pada setiap bahan. Faktor - faktor yang mempengaruhi laju pengeringan tersebut adalah:

1. Bentuk bahan, ukuran, volume, dan luas permukaan.

2. Sifat termofisik bahan, seperti: panas laten, panas jenis spesifik, konduktivitas termal, dan emisivitas termal.

3. Komposisi kimia bahan, misalnya kadar air awal.

4. Keadaan di luar bahan, seperti suhu, kelembaban udara, dan kecepatan aliran udara pengering.

2.4.

MODEL MATEMATIKA PENGERINGAN LAPISAN TIPIS

Hall (1980) menyatakan bahwa pengeringan lapisan tipis adalah pengeringan bahan dimana semua bagian bahan yang terdapat dalam lapisan tersebut dapat menerima langsung panas yang berasal dari udara pengering. Pengeringan lapisan tipis menyebabkan semua bahan pada lapisan tersebut mengalami pengeringan secara seragam. Perubahan kadar air bahan selama pengeringan lapisan tipis dapat diduga dengan mengembangkan model matematis baik secara teoritis, semi teoritis, dan empiris.

2.4.1.

Model Teoritis

Mengacu pada Luikov (1966) dalam Brooker et al. (1992) telah mengembangkan model matematis dalam bentuk persamaan diferensial untuk menggambarkan proses pengeringan dari produk hasil pertanian seperti biji - bijian. Disertai dengan hukum kekekalan massa dan energi, diperoleh persamaan untuk kadar air dan suhu pada pengeringan satu dimensi sebagai berikut:

= +

8 dimana dan adalah koefisien fenomenologis (misalnya = D dan = 1/ ), dan nilai K

lainnya menunjukkan koefisien gabungannya. Koefisien gabungan tersebut merupakan perpaduan dari kadar air dan gradien suhu pada transfer uap dan energi. Umumnya, pengeringan bahan-bahan biologik mengikuti periode laju pengeringan menurun. Pada periode ini, perpindahan air atau migrasi uap air melibatkan satu atau lebih mekanisme transport seperti difusi cair, difusi uap, difusi Knudsen, difusi permukaan, perbedaan tekanan hidrostatik, dan kombinasi dari mekanisme - mekanisme yang ada (Mujumdar & Devahastin 2001). Difusivitas efektif ( ) didefinisikan untuk menggambarkan laju perpindahan air di dalam bahan tanpa memandang mekanisme transport yang terjadi, biasanya dinyatakan dalam m2/detik. Persamaan difusi diturunkan dari hukum Fick kedua,

= (2)

dengan mengasumsikan koefisien difusivitas konstan untuk seluruh proses pengeringan, kadar air bahan seragam dengan anggapan bahwa resistensi perpindahan air tersebar secara merata di dalam bahan yang homogen, dan tidak terjadi perubahan volume akibat penyusutan maka persamaan (2) dapat ditulis menjadi:

= (3)

Apabila persamaan (3) dilakukan pemecahan dengan menggunakan kondisi batas sesuai bentuk masing - masing untuk berbagai bentuk standar (slab, silinder, dan bola) (Pakowski & Mujumdar 1995). Adapun, persamaan umum untuk bentuk datar (slab) dapat dituliskan sebagai berikut:

MR =

= exp

(4)

Persamaan (4) tersebut, kemudian disederhanakan lagi dengan cara hanya mempertimbangkan suku pertama dari ruas kanan persamaan tersebut. Kemudian, melalui pendekatan yang dilakukan dengan cara semi - teoritis dan empiris, maka akan diperoleh suatu model pengeringan yang sesuai dengan data percobaan.

2.4.2. Model Semi Teoritis dan Empiris

Persamaan pengeringan lapisan tipis diturunkan pula secara semi teoritis dan empiris untuk menyederhanakan penyelesaian persamaan difusi dan pengeringan. Model semi - teoritis pada umumnya diperoleh dari penyederhanaan deret umum dari hukum Fick kedua atau modifikasi dari penyederhanaan model dan berlaku pada selang suhu, RH, dan kecepatan udara dimana model dibangun (Ozdemir & Derves 1999). Beberapa model persamaan matematis yang dapat digunakan dalam perhitungan pengeringan lapisan tipis untuk produk hasil pertanian dapat dilihat pada Tabel 1.

9 Tabel 1. Model-model persamaan matematis pengeringan lapisan tipis (Akpinar EK 2006; Hii et al.

2009; Kaleemullah & Kailappan 2006; Ojediran & Raji 2010; Shen et al. 2011) No Model Persamaan

1 Lewis MR = exp (- kt)

2 Henderson-Pabis MR = a exp (- kt)

3 Page MR = exp (- ktn)

4 Modified Page MR = exp (- kt)n

5 Logarithmic MR = a exp (- kt) + c

6 Two-term MR = a exp (- t) + b exp (- t) 7 Midilli-Kucuk MR = a exp (- t)n + b.t

8 Wang and Singh MR = 1+ a t + b t2

Setiap produk hasil pertanian memiliki model persamaan yang berbeda. Penelitian karakteristik pengeringan lapisan tipis telah banyak dilakukan pada berbagai jenis bahan pertanian dan mendapatkan beragam model persamaan yang sesuai pada masing-masing bahan tersebut. Seperti yang telah dilakukan oleh Mohammadi et al. (2008) dan Hulasare (1997) menggunakan persamaan Page untuk pengeringan masing-masing produk kiwi dan gandum. Selain itu, Ojediran & Raji (2010) mendapatkan bahwa model Modified Page merupakan model yang paling sesuai dibandingkan beberapa model lainnya untuk jawawut, Shen et al. (2011) mendapatkan bahwa model Wang & Singh merupakan model terbaik untuk batang sorgum.

Adapun, beberapa model pengeringan lapisan tipis yang dipilih karena biasa digunakan oleh para peneliti dalam menggambarkan karakteristik pengeringan lapisan tipis dari berbagai produk pertanian (Kashaninejad 2007):

1. Lewis model

Model ini mengasumsikan bahwa tahanan dalam (internal resistance) dapat diabaikan. Hal ini berarti tidak ada perlawanan untuk bergeraknya air dari dalam bahan menuju ke permukaan bahan. Model ini paling umum digunakan karena sederhana.

2. Henderson & Pabis model

Model ini merupakan salah satu pendekatan dan variasi dari model difusi yang telah digunakan oleh para peneliti dalam pemodelan karakteristik produk pertanian.

3. Page model

Page mengusulkan bahwa ada dua konstanta empiris sebagai modifikasi dari model eksponensial (model Lewis) untuk memperbaiki kekurangannya dan menghasilkan model yang sesuai untuk berbagai bahan pertanian.

2.5.

KONSTANTA PENGERINGAN

Konstanta pengeringan merupakan karakteristik bahan dalam mempertahankan air yang terkandung didalamnya terhadap pengaruh udara panas. Konstanta pengeringan dinyatakan sebagai persatuan waktu (1/menit atau 1/jam). Semakin tinggi nilai konstanta pengeringan, semakin cepat suatu bahan membebaskan airnya. Konstanta pengeringan (k) dalam sistem pengeringan lapisan tipis

10 tergantung pada kondisi bahan (kadar air, suhu, dan geometri bahan) dan kondisi pengeringan (suhu, kelembaban, dan laju udara pengeringan).

Secara empiris, konstanta - konstanta pengeringan dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (5) atau dikenal juga dengan model Page (Mohammadi et al. 2008).

MR =

= exp (- kt

n_{) (5)}

Konstanta pengeringan merupakan koefisien yang berkaitan dengan nilai difusivitas bahan sehingga nilai konstanta pengeringan juga merupakan fungsi dari suhu dan RH udara pengeringan. Semakin tinggi suhu, maka semakin tinggi nilai konstanta pengeringannya. Hubungan antara konstanta pengeringan (k dan n pada model Page) dan suhu pengeringan dapat dinyatakan menggunakan persamaan berikut (Mohammadi et al. 2008):

k, n = a + bT + cT2 ₍₆₎ Demikian juga, hubungan antara konstanta pengeringan dan RH pengeringan dapat dinyatakan secara empiris menggunakan persamaan sebagai berikut:

k, n = a + b(RH) + c(RH)2 ₍₇₎ dimana a, b, dan c merupakan konstanta persamaan yang diperoleh dengan regresi non-linier, T adalah suhu pengeringan dan RHmerupakan kelembaban relatif udara pengeringan.

2.6.

PENYUSUTAN DAN PENGOLAHAN CITRA

Berkurangnya air karena proses pengeringan menyebabkan penyusutan pada bahan. Penyusutan biasanya merupakan karakteristik yang dapat diketahui dengan menentukan perubahan yang terjadi pada volume dan atau dimensi bahan (Wang et al. 2007). Penyusutan pada bahan juga menyebabkan pengerutan, peretakan, dan pembengkokan. Difusivitas pada bahan akan berkurang sejalan dengan berkurangnya kadar air. Pada kasus yang ekstrim, difusivitas air terhalang oleh kulit yang kedap air, sehingga kadar air pada bagian dalam bahan tidak berubah (tetap). Hal ini disebut dengan case hardening. Semua hal tersebut dapat diminimalkan dengan penurunan laju pengeringan, sehingga penyusutan pada permukaan bahan berkurang dan difusivitas bahan akan mendekati konstan. Oleh karena itu, perlu mengontrol laju pengeringan dengan mengontrol kelembaban udara pengering.

Pengolahan citra adalah suatu cara yang mudah diterapkan untuk melihat perubahan bentuk bahan. Fernandez et al (2005) menggunakan analisis citra untuk mengetahui perubahan warna, bentuk, dan penyusutan selama pengeringan buah apel berlangsung. Semua parameter yang berhubungan dengan bentuk (area, perimeter, fourier energy) diteliti dengan menggunakan sistem standar pengambilan citra, seperti camera digital, iluminasi, komputer (hardware dan software).

Pengolahan citra merupakan suatu metode yang digunakan untuk memproses atau memanipulasi gambar dalam bentuk dua dimensi. Secara umum, tujuan dari pengolahan citra adalah mentransformasikan atau menganalisis suatu gambar, sehingga informasi baru tentang gambar yang dibuat lebih jelas. Mengacu pada Niblack (1986) dalam Manalu (2011), terdapat empat klasifikasi dasar dalam pengolahan citra yaitu, point, area, geometri, dan frame. Pada operasi point, pemrosesan nilai piksel suatu citra dilakukan berdasarkan nilai dan posisi dari piksel tersebut. Hal - hal yang termasuk dalam operasi ini adalah pengaturan brightness, kontras, color balance, negatif, gray scaling, serta sephia. Pada operasi area, pemrosesan nilai piksel suatu citra dilakukan berdasarkan nilai piksel tersebut beserta nilai piksel sekelilingnya. Hal yang termasuk dalam operasi area ini adalah

sharpening dan smoothing. Operasi geometri digunakan untuk mengubah posisi dari sebuah piksel menjadi posisi lain yang dikehendaki. Hal yang termasuk dalam operasi ini adalah translasi, scaling, rotasi, dan flip.

11 Kebanyakan kamera menangkap citra dalam bentuk gelombang analog yang kemudian dilakukan pengambilan sampel dan dikuantisasi untuk mengkonversikannya ke dalam bentuk citra digital. Pada proses selanjutnya representasi tersebut yang akan diolah secara digital oleh komputer. Pengolahan citra pada umumnya sangat erat kaitannya dengan computer aided analysis yang bertujuan untuk mengolah suatu objek citra dengan cara mengekstrasi informasi penting yang terdapat didalamnya. Sehingga, dari informasi tersebut dapat dilakukan proses analisis dan klasifikasi secara cepat memanfaatkan algoritma perhitungan komputer. Pengolahan citra sangat berhubungan dengan teknologi komputer dan algoritma matematik untuk mengenali, membedakan, serta menghitung gambar yang terdiri dari langkah perolehan citra dan segmentasi.

Sistem pengambilan citra (gambar) terdiri atas empat komponen dasar, yaitu iluminasi, kamera,

hardware, dan software. Format data citra digital berhubungan erat dengan warna. Hal ini berkaitan untuk keperluan penampilan secara visual. Format citra digital yang banyak dipakai adalah citra biner (monokrom), citra skala keabuan (gray scale), citra warna (true color), dan citra warna berindeks.

Proses segmentasi suatu objek citra dilakukan dengan menerapkan threshold dan mengurangi latar belakang untuk memperoleh citra biner, serta memperkecil nilai noisy (gangguan) pada gambar (Da Fontoura & Marcondes 2001). Thresholding atau binerisasi yaitu pengelompokan piksel-piksel dalam citra berdasarkan batas nilai intensitas tertentu. Pada operasi ini hasil proses suatu titik atau piksel tidak tergantung pada kondisi piksel-piksel disekitarnya dan dalam operasi binerisasi, satu piksel pada citra asal akan dipetakan menjadi piksel objek atau latar belakang. Operasi thresholding

dapat dilakukan dengan hanya melihat nilai-nilai intensitas sinyal merah, sinyal hijau, atau sinyal biru, atupun dengan citra grayscale yang dihasilkan dengan merata-ratakan nilai intensitas ketiga sinyal di atas. Keempat cara thresholding ini digunakan untuk memberi keleluasaan kepada pengguna untuk menghasilkan citra terbaik berdasarkan kondisi citra warna yang akan diproses. Cahaya di dalam ruang, harus datang dari segala arah agar tidak menimbulkan bayangan dan harus kuat agar tidak menimbulkan efek pantulan pada permukaan objek, terutama untuk objek yang mempunyai permukaan licin. Adanya pantulan pada permukaan objek akan menghilangkan informasi warna karena permukaan akan menjadi putih atau sangat terang (warna telah dinetralkan) (Ahmad 2005).

Terdapat dua substansi pendekatan yang berbeda dalam membuat model persamaan penyusutan bahan pangan selama pengeringan. Pertama, disusun berdasarkan model empiris dari data penyusutan sebagai fungsi kadar air. Pendekatan yang kedua, didasarkan pada interpretasi fisik dari sistem pangan yang kemudian digunakan untuk menduga perubahan bentuk bahan berdasarkan hukum kekekalan massa dan volume. Pada kedua pendekatan tersebut dihasilkan baik model linier maupun non-linier untuk menjelaskan perilaku penyusutan terhadap kadar air (Mayor & Sereno 2004). Perubahan dimensi dan bentuk bahan terjadi secara simultan dan difusi air mempengaruhi laju kehilangan air pada saat pengeringan. Pada umumnya, model penyusutan didasarkan pada geometri standar, yaitu bentuk bola, silinder, kubus, dan datar (slab). Sedangkan dimensi yang dikaitkan dengan perubahan kadar air bahan, yaitu ketebalan, diameter, luas permukaan, atau volume.

12

III.

METODOLOGI PENELITIAN

Penelitian dilakukan secara eksperimental dengan melakukan pengukuran terhadap parameter pengeringan dan penyusutan selama proses pengeringan. Adapun, metode pengeringan yang diterapkan pada penelitian ini adalah pengeringan lapisan tipis untuk bentuk datar (slab). Pengeringan lapisan tipis dilakukan dengan mengeringkan irisan singkong dalam satu lapisan, sehingga seluruh bagian bahan dapat terselimuti udara pengeringan. Dengan demikian, pengeringan lapisan tipis menyebabkan semua bagian bahan pada lapisan tersebut mengalami pengeringan secara seragam. Adapun, perlakuan pada proses pengeringan lapisan tipis dari irisan singkong ini terdiri atas dua faktor, yaitu faktor suhu dan faktor RH.

Pada penelitian ini, karakteristik pengeringan lapisan tipis singkong yang diamati meliputi perubahan rasio kadar air irisan singkong terhadap waktu pengeringan, laju pengeringan irisan singkong terhadap waktu pengeringan, dan perubahan laju pengeringan terhadap kadar air. Data yang diperoleh kemudian digunakan untuk menentukan nilai konstanta pengeringan dan menentukan pilihan model yang sesuai untuk pengeringan lapisan tipis singkong. Selain itu, penyusutan luas permukaan irisan singkong yang terjadi selama pengeringan diamati melalui perubahan rasio area terhadap waktu dan perubahan rasio area terhadap rasio kadar air. Sedangkan keterkaitan antara karakteristik pengeringan dengan penyusutan luas permukaan irisan singkong hanya dilakukan sampai penyusunan model persamaan empiris dari data penyusutan sebagai fungsi kadar air.

3.1.

WAKTU DAN TEMPAT

Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Pindah Panas dan Massa serta Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB pada bulan Februari 2012 - April 2012.

3.2.

BAHAN DAN ALAT

Bahan yang dipakai dalam penelitian ini adalah singkong (Manihot esculenta Crantz) yang berasal dari petani di daerah Cikarawang. Alat - alat yang digunakan antara lain: pengering laboratorium terkendali-terakuisisi, timbangan digital model AQT 200 (kapasitas 200 gram dengan ketelitian 0.01 gram), oven Ikeda Scientific SS204D, desikator, seperangkat komputer, anemometer Kanomax A541, dan webcam.

Pengering Laboratorium Terkendali - Terakuisisi

Mesin pengering laboratorium terkendali - terakuisisi memanfaatkan udara yang dipanaskan oleh elemen listrik berkapasitas 2000 W. Udara panas yang dihembuskan ke ruang pengering memiliki kelembaban relatif dan suhu yang terkontrol dan dapat diatur sesuai kebutuhan. Pengontrolan RH menggunakan humidifier. Udara panas yang basah dari ruang air heater akan didorong oleh blower ke dalam ruang pengering. Apabila suhu dan RH yang dicapai lebih tinggi dari

setpoint, maka dilakukan pembuangan kalor dan pembuangan uap air melalui dehumidifier yang memiliki efek pendinginan dan pengembunan. Pengontrolan kondisi pengeringan dilakukan dengan kondisi PID dengan akurasi suhu 1 C dan RH 2 % sesuai dengan standar (ASABE 2006).

13 Kondisi pengeringan yang dapat dilakukan berada pada selang suhu 30 C - 80 C dan RH 20 % - 90 %. Kecepatan aliran udara bervariasi dari (0.1 – 1) m/detik. Kecepatan udara yang masuk ke dalam ruang pengering yang berdimensi 35 cm x 35 cm x 35 cm dapat diatur dengan menarik atau mendorong tuas secara manual pada bagian flow controller.

Pengendali utama dari mesin pengering ini menggunakan dua buah mikrokontroler AVR dari Atmel untuk merealisasikan fungsi yang ingin dicapai. Adapun beberapa sensor yang digunakan pada mesin ini yaitu, (1) suhu dan kelembaban, menggunakan SHT15 dari Sensirion dan (2) timbangan digital, menggunakan timbangan digital A&D seri GF-3000 dengan kapasitas maksimum 3 kg (termasuk baki bahan), dengan ketelitian 0.01 gram.

Gambar 4. Skema sistem fungsional pengering laboratorium

3.3.

PROSEDUR PERCOBAAN

Kegiatan penelitian ini terdiri atas beberapa tahapan, yaitu persiapan bahan, persiapan peralatan, pengoperasian mesin pengering, dan pengambilan data.

3.3.1.

Persiapan Bahan

Persiapan bahan dilakukan berdasarkan pengolahan pascapanen singkong yaitu, proses pengupasan, pencucian, pengirisan, dan blanching. Singkong yang sebelumnya telah dikupas kulit arinya, kemudian dicuci dan diiris melintang dengan ketebalan sekitar 3 mm. Lalu, irisan singkong tersebut direndam dalam air bersuhu 90 C selama 5 menit sebelum dilanjutkan dengan proses pengeringan.

14

3.3.2.

Pengoperasian Alat

Pada setiap percobaan, alat pengering dihidupkan sekitar setengah hingga satu jam sebelum percobaan dimulai untuk menstabilkan ruang pengering sesuai dengan kondisi percobaan yang diinginkan. Kondisi percobaan pengeringan lapisan tipis singkong yang dilakukan adalah pada level suhu 40, 50, 60, dan 70 C dengan kondisi RH 30, 40, 50, dan 60 %, serta laju udara pengering (0.5 - 0.7) m/detik. Kondisi percobaan yang dilakukan pada penelitian ini dijelaskan pada Tabel 2, dimana perlakuan pada proses pengeringan lapisan tipis dari irisan singkong terdiri atas dua faktor, yaitu faktor suhu dan faktor RH.

Tabel 2. Kondisi percobaan pengeringan lapisan tipis singkong

Suhu RH 30 % 40 % 50 % 60 % 40 C 50 C 60 C 70 C = dilakukan

Massa, suhu, dan kelembaban udara pengering dimonitor secara kontinu dan direkam datanya setiap 5 menit selama percobaan. Perubahan massa sampel diukur langsung secara otomatis dengan menggunakan timbangan digital GF-3000 A&D (kapasitas sampai dengan 3000 gram dengan ketelitian 0.01 gram). Pada saat penimbangan, blower akan mati sehingga tidak ada udara yang masuk ke ruang pengering. Percobaan dihentikan setelah massa sampel konstan. Data massa, suhu, dan kelembaban yang terekam, dicatat secara manual hingga pengeringan berakhir.

Demikian juga perekaman citra diukur setiap 5 menit dengan kamera yang ditempatkan pada bagian atas pengering dengan jarak sekitar 15 cm dari bahan. Selama pengeringan berlangsung, citra irisan singkong direkam secara konsisten oleh komputer dengan resolusi 640 x 480 pixels; faktor skala dari 36 cm2 sama dengan 61297 pixels. Citra irisan singkong yang telah direkam, kemudian disimpan dalam bentuk .jpeg dan dikumpulkan menjadi sebuah arsip (file). Secara umum, pemrograman pengolahan citra dibedakan menjadi dua, yaitu program tunda, dimana program yang dibuat melakukan manipulasi dan analisis citra yang sudah direkam atau disimpan dalam bentuk file sebelumnya yang langsung ditangkap kamera. Jenis program lainnya adalah real-time program, yaitu program yang menangkap citra, memindahkan bingkai ke dalam memori komputer, melakukan analisis, dan menghasilkan citra lain tergantung tujuannya.

3.3.3. Pengambilan Data

Pada pengujian menggunakan pengering laboratorium terkendali - terakuisisi ini, parameter yang diukur meliputi massa dan kadar air, suhu (ruang pengering dan bahan), kelembaban relatif (RH) ruang pengering, waktu pengoperasian alat, dan data perekaman citra menggunakan webcam.

15 Gambar 5. Diagram alir prosedur percobaan dan pengambilan data

3.4.

ANALISIS DATA

Data - data hasil pengamatan yang diperoleh kemudian digunakan untuk menentukan: 1. Laju penurunan kadar air untuk masing - masing perlakuan

2. Hubungan perubahan rasio kadar air terhadap waktu untuk masing - masing perlakuan 3. Hubungan laju pengeringan terhadap waktu untuk masing - masing perlakuan

4. Hubungan laju pengeringan terhadap kadar air untuk masing - masing perlakuan

5. Model persamaan matematis yang dapat menggambarkan secara tepat karakteristik pengeringan lapisan tipis singkong

6. Hubungan konstanta pengeringan terhadap faktor suhu dan faktor RH

7. Perubahan luas permukaan sampel irisan singkong untuk masing - masing perlakuan 8. Perubahan rasio area terhadap waktu untuk masing - masing perlakuan

9. Perubahan rasio area terhadap rasio kadar air untuk masing - masing perlakuan 10. Penyusunan model persamaan empiris dari data penyusutan sebagai fungsi kadar air

Persiapan peralatan

Singkong umur 9 bulan, 4-6 cm

Pengupasan dan pencucian

(10 menit) Waktu

Pengirisan dengan ketebalan sekitar 3 mm

(15 menit)

Blanching dengan air bersuhu 90 C

(5 menit)

Penimbangan massa awal bahan

(2 menit) Menstabilkan ruang

pengering sesuai kondisi percobaan 30 menit Start pengeringan Perekaman data: suhu, RH, massa tiap 5 menit Perekaman citra Analisis data pengeringan Analisis data

penyusutan Analisis data Penirisan

16

3.4.1. Analisis Data Pengeringan

1.

Perhitungan Perubahan Kadar Air

Pengukuran kadar air dilakukan dengan mengukur massa bahan sesudah dikeringkan dengan menggunakan oven drying. Data hasil penimbangan massa bahan selama proses pengeringan diolah untuk mengetahui kadar air bahan selama proses pengeringan. Persamaan yang digunakan:

= (8)

=

(9) m = x 100 % (10) M = x 100 % (11) Penentuan kadar air untuk mendapatkan mutu singkong yang sesuai dengan standar (SNI 01-345-1994) dilakukan dengan cara menimbang dengan teliti kira - kira 5 gram sampel, kemudian menempatkannya dalam cawan porselen, silika, atau platina untuk dipanaskan dalam oven dengan suhu (105 ± 1) °C selama 5 jam. Didinginkan dalam desikator sampai tercapai suhu kamar, lalu ditimbang hasilnya. Kemudian dipanaskan lagi 30 menit dan didinginkan dalam desikator. Pekerjaan tersebut diulangi 3 - 4 kali sampai diperoleh selisih hasil penimbangan berturut-turut lebih kecil dari 0.001 gram.

Besarnya nilai kadar air yang diperoleh dari setiap percobaan, kemudian dikonversi ke dalam bentuk rasio kadar air dengan persamaan sebagai berikut:

MR =

(12)

2.

Perhitungan Laju Pengeringan

Laju pengeringan selama percobaan dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:

Laju Pengeringan =

(13)

dimana dan masing - masing adalah kadar air pada saat t dan kadar air pada saat t+dt

(dalam kg uap air/kg bahan kering), t adalah waktu pengeringan (dalam menit), dt adalah selang waktu pengeringan (menit).

3.

Pemodelan Pengeringan Lapisan Tipis

Pemodelan pengeringan lapisan tipis dilakukan dengan menentukan model persamaan yang sesuai dengan hasil uji keabsahan model. Model persamaan digambarkan pada grafik MR terhadap waktu dan membandingkannya dengan grafik hasil percobaan. Nilai k, a, dan n hasil pemodelan digunakan untuk menghasilkan nilai MR model.

17 Adapun, persamaan pengeringan lapisan tipis yang diturunkan secara semi teoritis untuk menyederhanakan penyelesaian persamaan difusi dan pengeringan. Beberapa model persamaan yang digunakan dapat dilihat pada tabel di bawah ini:

Tabel 3. Model matematika pengeringan lapisan tipis

No Model Persamaan

1 Lewis MR = = exp (- kt)

2 Henderson & Pabis MR =

= a exp (- kt)

3 Page MR =

= exp (- kt n₎

Ketiga model dipilih sebagai pembanding dengan data percobaan karena model - model tersebut merupakan model yang umum digunakan untuk menggambarkan karakteristik pengeringan lapisan tipis dan merupakan penyederhanaan model teoritis yang diperoleh dari persamaan difusi (Hukum II Fick). Dimana MR (moisture ratio) mewakili data kadar air, M merupakan kadar air saat t

pengeringan berlangsung, M0 merupakan kadar air awal, Me adalah kadar air keseimbangan, k adalah

konstanta pengeringan, serta n dan a adalah konstanta.

Konstanta - konstanta dari model pengeringan lapisan tipis kemudian ditentukan secara eksperimental dari penormalisasian kurva pengeringan, kemudian dievaluasi berdasarkan koefisien determinasinya (R2). Konstanta pengeringan (k) merupakan suatu besaran yang dapat digunakan sebagai indikator seberapa cepat proses pengeringan dapat berlangsung pada suatu bahan. Menurut Wartono (1997), konstanta pengeringan (k) merupakan suatu besaran yang menyatakan tingkat kecepatan air atau massa air untuk terdifusi keluar meninggalkan bahan yang dikeringkan.

Berikut adalah bentuk persamaan model Lewis yang dinormalisasi

ln (MR) = - kt (14)

dan bentuk persamaan dari model Henderson & Pabis

ln (MR) = - kt + ln a (15)

dimana, k dan a berturut - turut ditentukan sebagai slope dan intercept dari ln (MR) terhadap waktu (t). Pada persamaan Lewis, intercept diatur sama dengan 0.

Sedangkan bentuk persamaan model Page yang dinormalisasi

ln [-ln (MR)] = ln (k) + n ln (t) (16)

dimana, k dan n berturut-turut ditentukan sebagai intercept dan slope dari ln [-ln (MR)] terhadap ln (t). Pemodelan yang dilakukan dalam hal mengetahui perilaku pengeringan dari produk pertanian yang berbeda - beda sering memerlukan metode statistikal yang berupa analisis regresi dan analisis korelasi (Yadollahinia et al. 2008). Adapun, model regresi linier dan non lnier dapat menjadi suatu

tools yang penting untuk menemukan hubungan diantara variabel - variabel yang berbeda, terutama yang tidak mempunyai hubungan secara empiris. Oleh karena itu, data percobaan yang diperoleh akan dianalisis menggunakan regresi secara linier dan non linier dengan harapan koefisien - koefisien pada persamaan empiris (Tabel 3) diperkirakan dapat memposisikan secara tepat untuk data hasil pengeringan percobaan.

Kriteria pembanding yang dipakai untuk menentukan model persamaan yang terbaik selain koefisien determinasi (R2), yaitu reduced chi - square χ2, root mean square error (RMSE) (Yadollahinia et al.2008; Shen et al. 2011). Nilai R2 digunakan sebagai kriteria pembanding untuk menentukan ketepatan model. Reduced chi - square merupakan kuadrat rata - rata dari penyimpangan

18 antara hasil percobaan dengan hasil perhitungan model. Nilai RMSE merupakan deviasi antara nilai prediksi dari model dengan nilai hasil percobaan. Semakin tinggi nilai R2 dan semakin rendah nilai

reduced chi - square χ2, root mean square error (RMSE) maka model akan semakin tepat. Kriteria pembanding tersebut dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:

R2 = (17) χ2 ₌ (18) RMSE = (19)

dimana: MRexp,i merupakan rasio kadar air percobaan ke-i; MRpre,i merupakan rasio kadar air model

ke-i; mrexp adalah nilai rata - rata dari rasio kadar air percobaan; mrpreadalah nilai rata - rata dari rasio

kadar air model; N adalah jumlah pengamatan; z adalah jumlah konstanta dalam model pengeringan. Analisis regresi linier dan non linier dilakukan dengan bantuan Microsoft Excel spreadsheet

19 Gambar 6. Bagan alir proses analisis data pengeringan untuk setiap perlakuan

Mulai

Perhitungan kadar air

M = x 100 %

= MR =

Penentuan nilai k dan konstanta n, a (pendekatan model Lewis, Henderson &

Pabis, Page)

MR Lewis MR H & P MR Page

MR: MR Lewis MR: MR H & P MR: MR Page

R2, χ2, RMSE (Lewis) R2, χ2, RMSE (H & P) R2, χ2, RMSE (Page)

Jika R2 mendekati 1; χ2 _{dan RMSE} mendekati 0 ya Tidak Model Terbaik Selesai Bukan model terbaik