Materi kuliah Kimia Pangan-AIR.pdf

A

A

I

I

R

R

����� ������ ����� ������ ������� ����� ���� ������� ����� ���� ��� ���� ��������� �������� ������������ ����������� ������� ����� ����� ��������� ����������� ������� ����� ����� ��������� ����� � ����� � ����� �������������� ������ ������ ����� ����� �������������� ������ ������ �����

Pendahuluan

• Arti penting air bagi manusia

• pembawa oksigen, nutrisi, hasil

metabolisme

• media reaksi metabolisme tubuh • Arti penting air bagi bahan pangan

• menentukan bentuk, kenampakan,

kesegaran, cita rasa

Batasan

• Air  suatu molekul yang terdiri dari 1 atom O

dan 2 atom H yang saling berikatan secara kovalen (atom-atom mengadakan ikatan saling memberikan elektron untuk dipergunakan bersama, sehingga diperoleh susunan elektron seperti gas mulia)

• Es  molekul air yang tersusun sedemikian rupa

sehingga 1 atom H dari suatu molekul air terletak di antara atom O molekul yang lainnya sehingga membentuk suatu ‘heksagonal simetris’

Struktur Molekul Air

• Molekul air terdiri atas 1 atom O dan 2 atom H

 yang berikatan secara kovalen, ikatan ini

terbentuk sebagai akibat pemakaian elektron

bersama di mana atom H memiliki 1 elektron pada kulit terluar, sedang atom O memiliki 6 elektron pada kulit terluar

• Atom O pada kulit terluar memerlukan 8 elektron

dan atom H memerlukan 2 elektron 1 atom O memerlukan 2 elektron dari 2 atom H sehingga 2 elektron dapat dipakai secara bersama-sama oleh 1 atom O dan 2 atom H

• Dalam 1 molekul air terdapat 2 ikatan kovalen

Struktur Molekul Air

• Posisi pemakaian elektron menyebabkan molekul

air berbentuk seperti ‘kepala kelinci’ dengan dua telinga di mana atom O sebagai kepala, dan atom H sebagai telinganya. Apabila dari inti atom O ditarik garis lurus ke kedua inti H terbentuk sudut 104’45’ (105º)

• Akibat lain dari pemakaian elektron bersama ini

adalah terjadinya polarisasi molekul air di mana pada atom O cenderung bermuatan negatif dan pada daerah atom H cenderung bermuatan positif, karena itu molekul air dapat berikatan dengan

molekul lain yang bermuatan negatif maupun positif

Sifat Fisik dan Kimia Air

• Sifat fisik dan kimia air antara lain :

• Cohesion  kecenderungan molekul air untuk saling

melekat satu sama lain

• Adhesion  kecenderungan molekul air untuk melekat

dengan molekul lain

• Capillarity  kemampuan bahan cair untuk bergerak ke

atas dalam kolom/diameter yang sempit (merupakan gabungan kedua sifat di atas ‘capillary adhesion ’)

• Surface tension  kecenderungan molekul air untuk

saling tarik-manarik, tetapi tidak terjadi saling tarik dengan udara (tolak-menolak antara air dengan udara)

• Specific heat  jumlah panas yang dibutuhkan untuk

menaikkan suhu air pada volume tertentu (akibat adanya ikatan hidrogen, specific heat  air besar)

Sifat Fisik dan Kimia Air

• Sifat kimia air yang menonjol  kemampuannya

dalam melarutkan bahan lain yang bersifat polar

• Hal ini disebabkan oleh adanya ikatan hidrogen

(ikatan yang terjadi antara hidrogen dengan unsur-unsur yang elektronegatifitasnya tinggi misalnya F, O, dan N pada molekul yang terpisah) baik antar molekul-molekul air maupun molekul air dengan bahan lain

Air Dalam Bahan Pangan

• Keberadaan air dalam bahan pangan dapat dibagi

sebagai berikut:

1.) Air bebas; yaitu air yang terdapat dalam sitoplasma, ruang antar sel, dan semua air yang terlibat dalam proses sirkulasi dalam jaringan bahan, berpengaruh terhadap proses kerusakan  bahan pangan melalui reaksi enzimatik, proses

mikrobiologis, biokimiawi , membeku pada suhu 0ºC dan mudah teruapkan pada 71ºC

Air Dalam Bahan Pangan

2.) Air terikat ; yaitu air yang terdapat di sekitar bahan yang terlarut maupun bahan yang bukan bersifat cairan dan

menunjukkan mobilitas molekuler yang lebih rendah

dibandingkan jenis air yang lain dalam sistem yang sama (Fennema, 1985), sedangkan Meyer (1973) berpendapat

bahwa air terikat terbagi menjadi dua jenis yaitu, air terikat kuat (air yang berikatan secara kuat pada suatu bahan dan membentuk hidrat dengan bahan tersebut, sukar diuapkan dan tidak membeku pada suhu 0ºF) dan air terikat lemah (air yang teradsorpsi pada permukaan makromolekul, juga terdispersi di antara makromolekul sebagai pelarut dalam sel).

Namun, air terikat (bound water) ini secara terminologis memiliki keterbatasan dan sukar didefinisikannya sehingga belum ada konsensus yang terbaik dari beberapa pendapat  yang ada (Fennema, 2008)

Air Dalam Bahan Pangan

• Menurut derajat keterikatan air, air terikat dapat dibagi atas empat tipe, yaitu tipe I (berikatan sangat kuat, membentuk hidrat, tidak membeku pada proses pembekuan), tipe II (membentuk ikatan hidrogen

dengan molekul air lain, terdapat dalam mikrokapiler, memiliki sifat seperti air bebas) tipe III (secara fisik terikat dalam jaringan matriks bahan seperti membran, mudah diuapkan dan dapat dimanfaatkan untuk

pertumbuhan mikrobia dan sebagai media reaksi kimia dan biokimia), tipe IV ( tidak terikat dalam jaringan)

Air Dalam Bahan Pangan

3.) Air imbibisi; yaitu air yang berasal dari luar bahan yang kemudian masuk ke dalam bahan dan

akan menyebabkan pengembangan volume, tetapi air ini tidak merupakan penyusun bahan tersebut. Air tersebut berikatan dengan komponen bahan melalui ikatan hidrogen

4.) Air kristal; yaitu air yang terikat dalam semua bahan (pangan maupun non pangan yang berbentuk kristal)

Air Dalam Bahan Pangan

• Penambahan bahan ke dalam air akan

mempengaruhi sifat-sifat air maupun bahan yang ditambahkan itu sendiri. Bahan yang bersifat

‘suka terhadap air’ (hydrophilic) akan berinteraksi secara kuat dengan air melalui interaksi ion-dipole atau dipole-dipole. Jika bahan yang ditambahkan bersifat ‘tidak suka terhadap air’ (hydrophobic) maka bahan tersebut akan berinteraksi (secara lemah) melalui ikatan hydrophobic

Air Dalam Bahan Pangan

• Dalam membicarakan interaksi bahan dengan air maka perlu dipahami beberapa istilah seperti :

hidrasi (hydration)

air terikat (bound water)

kemampuan mengikat air (water holding capacity)

• Pengertian water binding dan hidrasi hampir sama di mana keduanya menunjukkan kecenderungan air untuk bergabung dengan bahan yang bersifat hydrophilic • Tingkat kekuatan hidrasi maupun water binding

tergantung pada beberapa faktor antara lain komposisi garam, pH, dan suhu

• Sedang, istilah water-holding capacity menunjukkan kemampuan makromolekul dalam jaringan bahan untuk mengikat/memerangkap air

 ��������� ���

• Ada hubungan antara kadar air dalam bahan

pangan dengan kecepatan kerusakannya

• Bahan pangan menjadi lebih awet apabila sebagian

kandungan airnya dihilangkan melalui pengeringan

• Namun, kemudian diketahui bahwa bahan pangan

 yang memiliki kadar air yang sama belum tentu memiliki kecepatan kerusakan yang sama pula 

dengan demikian kadar air saja belum cukup untuk indikator mudah rusaknya suatu bahan pangan

• Hal ini disebabkan oleh adanya faktor lain yang

berpengaruh yaitu keterikatan antara molekul air dengan substansi lain dalam bahan

 ��������� ���

• Air yang terikat kuat ini tidak bisa digunakan oleh mikrobia untuk pertumbuhan maupun untuk melakukan aktifitas yang merusak bahan pangan. Dengan demikian timbullah konsep “aktifitas air” (Aw)

• Aktifitas air didefinisikan sebagai tingkat kadar air di mana mikrobia dapat melakukan aktifitas dan

pertumbuhannya atau dengan kata lain dapat

didefinisikan menunjukkan jumlah air bebas yang dibutuhkan mikrobia untuk melakukan pertumbuhan

 ��������� ���

• Aw = p/po;

di mana ‘p’ adalah tekanan parsial air di permukaan bahan (tekanan uap larutan) dan ‘po’ adalah tekanan uap air murni pada suhu yang sama (tekanan uap pelarut, biasanya air)

• Aw = ERH/100

ERH = Aw x 100 ( di mana ERH: equilibrium relative humidity, kelembaban relatif pada saat terjadinya kesetimbangan

antara kondisi di dalam dengan di luar bahan) mis: ERH =95%  Aw : 0,95

�

RH _ERH

 ��������� ���

•

 Basic :

Air bebas >>



Aw >>



keawetan <<

Air bebas <<



Aw <<



keawetan >>

• Meskipun Aw lebih baik dipergunakan sebagai indikator tingkat mudah rusaknya bahan pangan

dibandingkan dengan kadar air, akan tetapi masih ada beberapa faktor lain yang juga berpengaruh dan perlu diperhatikan dalam kaitannya dengan kerusakan bahan pangan yaitu oksigen, pH, jenis bahan terlarut maupun mobilitas air

 ��������� ���

• Nilai Aw sangat dipengaruhi suhu  pada suhu

 yang semakin rendah tekanan uap air di dalam maupun di luar bahan semakin rendah; akan tetapi turunnya tekanan uap air dalam bahan lebih kecil dibandingkan dengan turunnya

tekanan uap air di permukaan bahan sehingga sebagian air dalam bahan akan ke luar dan akhirnya akan menurunkan nilai Aw

• Dengan demikian, bahan pangan yang disimpan

pada suhu -5 ºC akan memiliki nilai Aw yang

lebih rendah dibandingkan dengan bahan pangan  yang sama apabila disimpan pada suhu 0 ºC

 ��������� ���

• Beberapa hal yang harus diperhatikan pada saat

membandingkan nilai Aw suatu bahan di bawah dan di atas suhu beku yaitu :

1) di atas suhu beku, nilai Aw merupakan fungsi dari komposisi bahan dan suhu; tetapi di bawah suhu beku, nilai Aw tidak tergantung pada komposisi bahan tetapi hanya tergantung pada suhu

2) pada nilai Aw yang sama, maka bahan pangan yang disimpan pada suhu -15ºC akan lebih awet dibandingkan pada suhu 20ºC

3) nilai Aw di atas suhu beku tidak dapat digunakan untuk memprediksikan nilai Aw pada bahan yang sama dibawah suhu beku

 ��������� ���

• Dalam mempelajari Aw dalam kaitannya dengan kadar air

suatu bahan, maka dikenal suatu kurva yang disebut dengan kurva isotermis (Isoterm Sorpsi Lembab, ISL atau MSI (moisture sorption isotherm ). Kurva ini mencerminkan

interelasi antara kadar air suatu bahan dengan nilai Awnya pada suhu yang konstan

• Kurva ini penting dalam 1) menentukan proses pengeringan

dan pemekatan suatu bahan, 2) menilai stabilitas bahan pangan

• Dalam kurva tersebut dikenal “Sorption phenomena ”:

• adsorption  : terjadi pada saat bahan pangan menerima air

dari luar bahan (produk-produk higroskopis)

• desorption  : terjadi pada saat air dari dalam bahan ke

 ��������� ���

Bentuk umum kurva isoterm sorpsi air (pada bahan pangan)

Pengawetan Pangan dengan

Pengendalian Air dalam Bahan

• Salah satu prinsip pengawetan bahan pangan adalah dengan mengurangi jumlah air bebasnya sampai dengan batas tertentu atau dengan kata lain mengurangi Aw dalam bahan

• Teknik penurunan Aw dapat dilakukan dengan:

• Pengurangan kadar air (pengeringan, penguapan)

• Mengubah bentuk (fase) cair menjadi padat (pembekuan)

• Amobilisasi air dalam jaringan (misalnya dalam bentuk gel)

• Pengikatan air bebas dalam bahan ( penambahan gula atau garam)

Pengawetan Pangan dengan

Pengendalian Air dalam Bahan

• Pengendalian air (misal: pengeringan) 

Mengapa pengawetan?

• Menurunkan kadar air menurunkan

ketersediaan/aktifitas air

• Menurunkan aktifitas mikrobia

• Menurunkan reaksi perubahan (stabil selama

penyimpanan)

• Aw most fresh food : 0.99

• Most spoilage bacteria do not grow below Aw 0.91 • Spoilage mold can grow as low as 0.80

• S. aureus grow at Aw 0.86; C. botulinum  does not grow

below 0.95

Ketahanan Mikroorganisme terhadap

Aktivitas Air Rendah

• Salah satu cara untuk menghambat pertumbuhan sel

vegetatif mikroorganisme adalah dengan menurunkan

aktivitas air, yaitu dengan cara pengeringan, penambahan garam, gula, atau bahan-bahan lainnya meskipun sebagian mikroorganisme mungkin akan mati selama proses

pengeringan

• Bakteri memerlukan Aw relatif tinggi untuk pertumbuhan,

sedangkan khamir memerlukan Aw minimal lebih rendah daripada bakteri, kapang memerlukan Aw minimal paling rendah

• Bakteri memerlukan Aw lebih dari 0.90 untuk

pertumbuhannya, oleh karena itu pada bahan pangan dengan Aw sekitar 0,90 mikroba yang sering tumbuh terutama adalah kapang dan khamir

• Kerusakan pangan (busuk) dapat dicegah salah satunya

Pengawetan Pangan dengan

Pengendalian Air dalam Bahan

Beberapa bahan pangan yang diolah melalui penurunan Aw

Nilai Aw Bahan Pangan Jenis Pengolahan

>0,98 - Ikan dan daging segar - Buah dan sayur segar - Susu - Tidak diolah - Tidak diolah - Tidak diolah 0,93-0,98 - Pasta tomat - Roti

- Buah kaleng dg sirup kental

- Amobilisasi

- Pengeringan, penambahan gula - Penambahan gula

0,85-0,93 - Daging sapi dikeringkan - Susu kental manis

- Pengeringan

- Penambahan gula, evaporasi 0,60-0,85 - Tepung terigu

- Jam dan jelly - Pengeringan- Penambahan gula <0,60 - Biskuit