Pengeringan (drying)/ Dehidrasi (dehydration)

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Purwiyatno Hariyadi

• Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fateta, IPB

• Director of Southeast Asian Food & Agricultural Science &

Technology (SEAFAST) Center, Bogor Agricultural University, BOGOR, Indonesia

• www.seafast.ipb.ac.id

Pengeringan (drying) / Dehidrasi (dehydration)

• Teknik pengawetan pangan  kuno  modern

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

• Pengawetan?  mengurangi akivitas air (a

_w

).

Pengeringan (drying) /

Dehidrasi (dehydration)

Suhu (

^o

C) Tekanan

(atm)

mendidih cair

gas

Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan

Suhu (

^o

C) Tekanan

(atm)

gas membeku

cair padat

Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan

Suhu (

^o

C) Tekanan

(atm)

cair

menyublim gas

Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan

padat

Tekanan (atm)

cair

gas padat

1 atm

Pengeringan biasa, Pada tek atmosfir, terjadi pd suhu tinggi

(1 atm  100^oC)

Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan

Suhu (

^o

C) Tekanan

(atm)

cair

gas padat

1 atm

? Atm (<1atm)

? ^oC (<100^oC)

Pengeringan vacuum,

(pd tek < atmosfir, terjadi pd suhu lbh rendah)

Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Peach

PENGERINGAN … contoh produk kering

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Spinach

PENGERINGAN … contoh produk kering

Kenapa mengawetkan?

• Menurunkan kadar air  menurunkan ketersediaan/aktivitas air

 Menurunkan aktivitas mikroba

 Menurunkan reaksi perubahan (stabil selama penyimpanan)

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

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

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Zone I

(air terikat)

Zone II

(mono layer)

Zone III

(air bebas)

Kadar Air

Water Activity

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Zone

I Zone

II Zone

III

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

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

Reaksi hidrolisis Oksidasi lemak

Reaksi non- enzimatis browning

Kadar Air

Water Activity

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

1

a

_w

Produk “awet”:

Biasanya rusak karena perubahan kimia & fisik

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

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

0,55 - 0,65

Produk “mudah rusak”:

Biasanya rusak karena

perubahan/aktivitas mikrobiologi

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Nilai aktivitas Air (a _w ), mikroba, dan contoh produk pangan

Reference:

Water Activity of Some Foods and Susceptibility to Spoilage by Microorganisms Adapted from Beuchat (1981).

Nilai a_w minimum

Jenis Mikroorganisme yang terhambat pada kondisi a_wtsb

Contoh produk pangan dgn a_wmin tsb

0,950 Pseudomonas, Eschericia, Proteus, Shigela, Klebsiella, Bacillus, Clostridium perfringents, beberapa ragi

Daging dan ikan segar, susu segar, berbagai buah dan sayuran segar, dan berbagai produk olahannya (sosis);

kadar air lebih dari 40% (b/b)

0,910 Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, C. botulinum, Seratia, Lactobacillus, Pediococcus, beberapa kapang, Rhodotrula, Pichia

Aneka keju, aneka olaha daging kiuring,

dan konsentrat dengan kadar sukrosa ~55%, atau kadar NaCl ~ 12%

0,870 Berbagai ragi (Candida, Torulopsis, Hansenula), Micrococcus)

Sosis fermentasi (salami), sponge cake (kue bolu), keju kering, margain, dan bahan bangan lain dengan kadar gula tinggi (~ 65% sukrosa (b/b; jenuh) atau kadar garam, NaCl

~ 15%

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Nilai aktivitas Air (a _w ), mikroba, dan contoh produk pangan

Reference:

Water Activity of Some Foods and Susceptibility to Spoilage by Microorganisms Adapted from Beuchat (1981).

Nilai a_w minimum

Jenis Mikroorganisme yang terhambat pada kondisi a_wtsb

Contoh produk pangan dgn a_wmin tsb

0,800 Kebanyakan kapang (mycotoxigenic penicllia), Staphylococcus aureus, kebanyakan Saccharomyces (bailii) spp, Debaryomyces

Susu kental manis, sirup coklat, sirup maple, sirup buah, tepung, beras, kacang-kavangan (kadar air ~ 15-17%), fruits cake, dan aneka bolu manis

0,750 Kebanyakan bakteria

Halofilik, Aspergilli Mycotoxingenik Jem, marmalade, marzipan, dll 0,650 Jamur xerophilik

(Aspergillus chevalieri., A candidus, Wallemia sebi), Saccharomyces bisporus

Rolled oats (kadar air ~10%), nugget, jeli, molases, gula mentah (raw sugar), dan berbagai buah-buahan kering 0.600 Ragi osmophilic

(Saccharaomyces rouxii), bebeberapa jamur (Aspergillus ecbinulutas, Monascus bisporus)

Buah/sayur kering dengan kadar air 15-20%, produk karamel cair, madu

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Nilai aktivitas Air (a _w ), mikroba, dan contoh produk pangan

Reference:

Water Activity of Some Foods and Susceptibility to Spoilage by Microorganisms Adapted from Beuchat (1981).

Nilai a_w Minimum

Jenis Mikroorganisme yang terhambat pada kondisi a_wtsb

Contoh produk pangan dgn a_wmin tsb

0,5

Umumnya;

Iidak dapat ditumbuhi oleh mikroorganisme

Aneka pasta (mie, spaghetti, dll) dgn kadar air ~ 12,5%

Rempah-rempah kering dgn kadar air ~10%.

0,400 Tepung telor; kadar air ~5%

0,300 Kukis, kreker, bread crust dll

(dgn kadar air ~ 3-5%).

0,030 Bubuk susu utuh dgn kada air 2-3%,

Bubuk MPASI (ka ~ 1-3%), Bubuk sup (ka ~ 2-3%) Sayuran kering (ka~5%),

Emping jagung (cornflake, ka~5%)

Jenis Produk Nilai Aktivitas Air (a

_w

)

Daging dan ikan segar 0.99

Roti 0.95

Keju Chedar 0.85

Aneka Jem dan jeli 0.8

Aneka pudding 0.8

Buah kering 0.6

Kukis 0.3

Susu bubuk 0.2

Kopi Instant 0.2

Nilai aktivitas air (a _w ) pada beberapa

jenis produk pangan

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Konsep Dasar Pengeringan

• Kadar air = massa air/satuan massa padatan kering

• Kadar air keseimbangan = f (suhu, kelembaban)

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

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

.

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

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

Konsep Dasar Pengeringan

ISA  dipengaruhi oleh suhu :

• Perlu kontrol suhu dalam melakukan percobaan penentuan ISA

Konsep Dasar Pengeringan

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

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

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

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

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

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Buat kurva kenaikan kadar air  menuju ke kadar air kesetimbangan

(selama penyimpanan pada berbagai kondisi RH)

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

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

Fenomena Histerisis Pada Kurva ISA

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Hysteresis: loss of H₂0 binding sites

Fenomena Histerisis Pada Kurva ISA

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

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

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

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

BAHAN PANGAN d Udara kering,

panas

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -1

Udara basah, dingin

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

• Udara kering, panas akan

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

• Membawa uap air

Mekanisme Pengeringan  3 tahap pengeringan :

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

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

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -2

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Tahap “penyesuaian” (A-B)

Tahap awal; dimana permukaan bahan akan menyesuaian/

mencapai kesetimbangan dengan udara pengering

 suhu permukaan meningkat mencapai suhu bola basah dari

udara pengering.

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -3

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -4

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

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

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

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

• (dw/dt )

_c

= - K

_g

A ( p

_s

-p

_a

)

• (dw/dt)_c= laju pengeringan

• K_g = koeff pindah massa

• A = luas area pengeringan

• p_s= tekanan uap air di permukaan, dan

• p_a= tekanan parsial uap air di udara pengering.

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

• (dw/dt)

_c

= - K

_g

A ( p

_s

-p

_a

)

Bisa dinyatakan dgn menggunakan nilai kelembahan absolute

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

H = M_wp_v/M_a(P-p_v)

karena p_v<< P  P-p_v P H = ( M_w/M_a) ( p_v/P )

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

H_skelembaban pada permukaan (kelembaban jenuh pd suhu permukaan),

H_akelembaban udara pengering

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -5

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

• (dw/dt)

_c

= - K

_g

A ( p

_s

-p

_a

)

Laju pindah panas di permukaan :

• (dQ/dt)_c= h_cA (_a-_s) (dQ/dt)_c= laju pindah panas h_c= koef pindah panas konveksi

_a= suhu udara pengering (suhu bola kering), dan

_s= suhu permukaan (suhu bola basah).

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

• (dw/dt) L = -(dQ/dt),

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -6

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

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

• (dw/dt)_c= - (h_cA/L)(_a-_s)

Jika A’ adalah luas area pengeringan effektif per satu satuan masa bahan, maka

 (dW/dt )_c= - (h_cA'/L)(_a-_s) Untuk pengeringan pada bak pengering dengan ketebalan d, dimana proses penguapan hanya terjadi melalui permukaan atas (asumsi tdk terjadi

pengkerutan/shrinkage), maka laju perubahan kadar air :

( dW/dt)_c= - (h_c/_sL d) (_a-_s) ...CRP Dimana : _s= desnitas kamba produk kering.

Waktu pengeringan selama CRP

 integrasikan persamaan (CRP) dengan batas W: (W₀W_c), dan t:

(0t_c).

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -7

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

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

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

• Mulai terjadi jika transfer uap air di dalam bahan mulai terhambat; shg tidak lagi cukup untuk mempertahan permukaan bahan tetap jenuh

permukaan mulai mengering.

• Kadar air dimana mulai terjadi perubahan ini disebut kadar air kritis  critical moisture content W_c.

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

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -8

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Laju pengeringan :

(dW/dt)

_f

= - K(W - W

_e

), dimana

W

_e

= kadar air kesetimbangan pada suhu dan kelembaban udara pengering (ISA)

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -9

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

Laju pengeringan pd awal FRP = laju pengeringan pada akhir CRP

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

(dW/dt)_c= - (h_c/_sL d) (_a-_s) ... CRP K = (-dW/dt)_c / (W_c- W_e)

(dW/dt)_f = -h_c(_a-_s) (W - W_e) / _sL d ( W_c- W_e)

t_FRP intergrasikan dari t=0, W=W_csampai t=t_FRP, W=W_f

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -10

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

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Total waktu pengeringan

= t

_cRP

+ t

_fRP

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -11

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Kompleksitas proses pengeringan bahan pangan

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

_w

, W

_e

,

mekanisme pengeringan).

2. Selama pengeringan; total padatan terlarut

berubah bersamaan berubahnya kadar air (h

_c

, 

_s

) 3. Bahan pangan sering mengalami pengkerutan;

shrinkage (h

_c

, 

_s

, d)

4. Bahan pangan sering mengalami pengerasan;

case hardening (h

_c

)

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id ITP530

2015

Metoda pengeringan bahan pangan : Cek : www.rpaulsingh.com

A. Pengeringan dengan udara kering 1. Kiln drier

2. Cabinet, tray or compartment drier 3. Tunnel drier

4. Conveyor drier 5. Bin drier

6. Fluidized bed drier 7. Pneumatic drier 8. Rotary drier 9. Spray drier

B. dengan kontak permukaan panas : 1. Drum drier

2. Vacuum shelf drier 3. Vacuum band drier

C. Pengeringan dengan energi radiasi, microwave atau dielektrik.

1. Radiant heating drying 2. Continuous infra-red drier

3. Microwave and dielectric heating drying D. Pengeringan beku (pengeringan sublimasi,

liofilisasi)

1. Batch freeze-driers 2. Multicabinet freeze-driers

Metoda pengeringan bahan pangan :

Cek : www.rpaulsingh.com

Suhu (

^o

C) Tekanan

(atm)

cair

gas padat

< P_T

< T_T

gas (uap air) Teori-Pengeringan Beku

PENGERINGAN BEKU

= Lyophilization

KELEBIHAN

• Produk kering

• cost of shipping /transportasion

• popular bagi “boaters” dan “hikers”

• tanpa memerlukan referigerasi

• shipping and storage costs

• Tidak rentan terhadap kontaminasi - awet & aman

• Produk porus

• lebih higroskopis

• mudah direhidrasi/mudah dilarutkan

• Struktur fisik bisa dipertahankan

• Proses pengeringan pada suhu rendah mampu

mempertahankan warna, bentuk, tekstur, dan flavor

PENGERINGAN BEKU

KELEBIHAN lainnya

• Convenient

• Little effort needed to prepare

• easy to do at home

= Lyophilization

• Tidak menyebabkan permukaan yang keriput, lebih porus, densitas lebh rendah,

• Mudah disegarkan kembali,

• Warna normal,

• Mutu flavor dan nilai gizi lebih dapat dipertahankan normal

• Sering menghasilkan permukaan yang keriput, kurang porus, densitas tinggi,

• Kurang mudah dibasahkan (disegarkan) kembali,

• warna kegelapan,

• mutu flavor, nilai gizi berkurang Mutu Produk

Cepat, dan lebih komplit Lambat dan tidak komplit

Laju pengeringan

Dibawah titik beku 37-93^oC

Suhu Pengeringan

Pengeringan Beku Pengeringan Biasa/Vakum

Kriteria

Sublimasi Mekanisme

pengeringan Penguapan (evaporasi)

Tekanan atmosfir – Vakuum (diatas P_triple)

Tekanan Tekanan vakuum (dibawah P_triple)

Lebih murah

Biaya Lebih mahal

Instant Coffee

PENGERINGAN BEKU … Contoh Produk

PENGERINGAN BEKU … mampu lebih mempertahankan struktur fisik

Produk Segar

air

Bekukan

Produk Beku

es

Produk Kering-Beku

Sublimasi

Ruang kosong/

prorous

PENGERINGAN BEKU … mampu lebih mempertahankan struktur fisik

Beku

Kering

Beku

Kering-beku

Proses pengeringan/

Sublimasi

(terjadi pada suhu dingin)

sublimasi

sublimasi

PENGERINGAN BEKU … pengeringan biasa umumnya akan menyebabkan pengerutan/case hardening

basah pengeringan/ ^Proses evaporasi

(terjadi pada suhu panas/tinggi)

uap air

sublimasi

Basah

Difusi air dan

PENGERINGAN BEKU … Contoh Produk

Sebelum direhidrasi Sesudah direhidrasi

Tomato Soup

MIXED VEGETABLES WITH PASTA

Sebelum direhidrasi

Sesudah direhidrasi

Mixes

PENGERINGAN BEKU … Contoh Produk

Basic elements of a freeze-drying system

PENGERINGAN BEKU … prinsip peralatan

PENGERINGAN BEKU … prinsip peralatan

PENGERINGAN BEKU … prinsip peralatan

PENGERINGAN BEKU … prinsip peralatan

Shelves

Condenser

Temp control

Valve

Vacuum Pump

PENGERINGAN BEKU … komponen2-nya

Alpha-1 MP 1g in molded vial

-40 -20 0 20 40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Temperature (C)

200 300 400 500 600

Pressure (mB or mT)

Prod temp 1 Prod temp 2 Shelf Temperature Condenser Temp Vapor Pressure (mbar) Pressure (mTorr) Freezing-->|<---Sublimation--->|<---Desorption

Shelf temp

Pressure Product temp

PENGERINGAN BEKU … parameter proses

PENGERINGAN BEKU … tahap freezing

Profile suhu produk pd proses pembekuan

PENGERINGAN BEKU … tahap freezing

Slow freezing (~ – 40

^o

C)

quick freezing

(~ – 40

^o

C)

Proses pembekuan cepat

• Quick freezing, laju pergerakan permukaan beku sekitar 0.5-3 cm/jam

• Air Blast Freezer dan Plate Freezer .

• Rapid freezing, laju pergerakan permukaan beku sekitar 5-10 cm/jam

• Fluidized bed Freezer

• Ultra rapid freezing, laju pergerakan permukaan beku sekitar 10-100 cm/jam

• pembeku kriogenik/ Immersion Freezer

PENGERINGAN BEKU … tahap freezing

Purwiyatno Hariyadi

• Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fateta, IPB

• Director of Southeast Asian Food & Agricultural Science & Technology (SEAFAST) Center, Bogor Agricultural University, BOGOR, Indonesia

•www.seafast.ipb.ac.id

TERIMAKASIH

Pengeringan (drying) /

Dehidrasi (dehydration)