Sifat Fisik Pangan dan Hasil Pertanian (TPP-1712) Prof.Dr.Ir. Haryadi, M.App.Sc. Dr. Yudi Pranoto,STP.,MP.

Sifat Fisik Pangan dan Hasil Pertanian

(TPP-1712)

Prof.Dr.Ir. Haryadi, M.App.Sc. Dr. Yudi Pranoto,STP.,MP.

2

Pokok Bahasan

 Volume, densitas dan spesifik gravity

 Luas Permukaan

 Reologi bahan pangan

 Tekstur  Viskositas  Warna  Kristalisasi  Sifat termal/DSC  Emulsi  Aktifitas air (a_w)

Referensi

 Mohsenin, N.N., 1970. Physical Properties of

Plant and Animal Materials.

 Lewis, M.J., 1987. Physical Properties of Foods

and Food Processing Systems

 Rahman, S., 1995. Food Properties Handbook  Rao, M.A. and Rizvi, S.S.H., 1995. Engineering

Properties of Foods

4

Satuan Dasar



Dimensi dasar untuk sistem utama

pengukuran adalah massa (M), panjang

(L), waktu (T) dan suhu (θ).



Satuan dasar dalam sistem utama,

bersama-sama dengan singkatannya di

dalam kurung seperti pada Tabel 1.

Sifat Sistem SI Sistem cgs Sistim British (Imperial) Massa Panjang Waktu Suhu kilogram (kg) metre (m) second (s) kelvin (K) atau degree Celsius (o_C) gram (g) centimetre (cm) second (s) kelvin (K) degree Celcius (o_C) pound (lb) foot (ft) second (s) hour (s) Fahrenheit (o_F)

6

Volume, Densitas dan

Spesific Gravity

by

Pengantar

• Bentuk yang tidak teratur pada kebanyakan produk pertanian dan pangan, bahan-bahan

berukuran kecil seperti bijian, dan bahan berpori seperti pellet pakan dan wafer menghadirkan

masalah tertentu dalam pengukuran volume dan densitas

• Karena bentuk produk tidak beraturan, volume biasanya ditentukan dengan water displacement

8

Platform Scale

• Teknik sederhana yang diterapkan pada obyek

berukuran besar seperti buah-buahan dan sayuran adalah platform scale, digambarkan pada Fig 3.7

• Buah-buahan pertama kali ditimbang

dalam udara dan ditekan kedalam air

dengan sinker rod.

• Pembacaan kedua pada skala dengan

buah dicelupkan dikurangi berat wadah

dan air adalah berat air dipindahkan yang

akan dipakai dalam pernyataan untuk

menghitung volume

Berat air dipindahkan (kg)

Volume (m

3

_{) =}

10

• Dengan mengetahui berat dalam udara dan

volume, densitas buah selanjutnya diperoleh dari rasio berat terhadap volume

• Densitas cairan adalah lurus kedepan,tetapi

padatan dalam bentuk partikel, seperti pea atau powder memiliki bulk density dan juga densitas padatan sendiri yang dipertimbangkan.

• Gas dan uap, tidak seperti padatan dan cairan adalah dapat dimampatkan (compressible), dan beberapa pangan seperti es krim mengandung udara terperangkap ketika preparasi.

11

• Densitas suatu bahan setara dengan

massa bahan dibagi dengan volume yang

melingkupinya

massa

densitas =

volume

• Densitas memiliki dimensi [ML

-3

_]

• Dalam satuan sistem SI, diukur dalam

kilogram per kubik meter (kg m

-3

)

• Biasanya dinyatakan dengan simbol

Yunani rho (

ρ

)

12

• Air memiliki densitas maksimum 1000 kg

m

-3

_{pada suhu 4}

o

_C

10

3

x 10

3

g

10

3

kg m

-3

=

= 1 g ml

-1

10

6

_ml

• Dalam sistem imperial, densitas diukur

dalam pound per cubic foot (lb ft

-3

)

• Densitas beberapa padatan dan cairan

umum seperti dalam Tabel 2.1 dan Tabel

2.2.

• Pada kebanyakan kasus engineering,

padatan dan cairan dianggap tidak dapat

dimampatkan (incompressible), seperti

densitas sedikit dipengaruhi oleh suhu dan

tekanan

• Pada kenyataannya, densitas air dan bahan

lain berubah dengan perubahan suhu

• Pada kebanyakan kasus, densitas menurun

ketika suhu naik.

• Tabel 2.3 memperlihatkan perubahan

densitas untuk air, alkohol, dan variasi

minyak goreng pada kisaran suhu dari -20

hingga 80

o

_C

Densitas Padatan

• Untuk bahan partikel (seperti pea,

kacang-kacangan, biji-bijian, tepung dan powder), susu, kopi dan pati, yang menarik adalah densitas

partikel individu atau satuan atau densitas bulk (ruah) dari bahan yang memperhitungkan

volume celah antara satuan individu

• Densitas padatan atau partikel akan mengacu densitas satuan individu

• Satuan ini mungkin tidak mengandung pori-pori internal.

• Densitas padatan dinyatakan sebagai massa

partikel dibagi dengan volume partikel dan akan diperhitungkan adanya pori-pori

18

• Densitas konstituen padatan, dengan

mengabaikan pori-pori internal telah dirangkum seperti pada Tabel 2.4.

• Kebanyakan buah dan sayuran

mengandung air 75

– 95%, sehingga

beberapa densitasnya seharusnya tidak

jauh dari nilai densitas air 1000 kg m

-3

• Teorinya, apabila komposisi pangan

diketahuai, densitas

ρ

_f

dapat diestimasi

1

ρ

_f

=

20

• Dimana ρ

_f

adalah densitas pangan,

m

₁

hingga m

_n

adalah fraksi massa

konsituen 1 hingga n, dan

ρ

₁

hingga

ρ

_n

adalah densitas konsituen 1

hingga n (n adalah jumlah konstituen)

• Contoh, untuk apel mengandung air 84,4%,

gula 14,55%, lemak 0,6% dan protein 0,2%

(densitas adalah dalam kg m

-3

₎

• Tetapi, nampak ada keganjilan disini,

karena apel biasanya mengapung pada air.

• Mohsenin (1970) menyatakan angka 846

kg m

-3

_{pada 29}

o

_C

• Sehingga, ada jumlah udara terperangkap

dalam pori-pori yang harus diperhitungkan.

• Udara ini akan hilang ketika blanching

22

• Apabila fraksi densitas dan volume

diketahui, densitas dapat dievaluasi dari

ρ

_f

= V

₁

ρ

₁

+ V

₂

ρ

₂

+ V

₃

ρ

₃

+ ….+ V

_n

ρ

_n

Dimana V

₁

hingga V

_n

adalah fraksi volume

konstituen 1 hingga n dan

ρ

₁

hingga

ρ

_n

adalah densitas konstituen 1

hingga n

23

• Densitas buah-buahan dan sayuran beku adalah lebih rendah daripada segarnya

• Densitas padatan dapat ditentukan dengan prinsip flotasi, menggunakan cairan yang diketahui

densitasnya.

• Densitas padatan berguna pada proses

pemisahan/separasi dan transportasi pneumatic dan hydraulic powder dan partikel

24

Bulk Density

• Ketika pencampuran, pemindahan,

penyimpanan dan pengemasan bahan partikel seperti pea dan tepung, adalah penting untuk mengetahui sifat bahan meruah (bulk)

• Ketika padatan dituangkan kedalam wadah,

volume total terambil akan mengandung bagian proporsi udara

• Porositas (ε) bahan terwadahi adalah fraksi volume total yang diisi oleh udara

26

Volume udara

Volume total

• Porositas akan dipengaruhi oleh geometri,

ukuran, dan sifat permukaan bahan

• Ketika wadah diketuk-ketuk, volume total

dan juga porositas akan menurun, hingga

akhirnya sistem mencapai volume

kesetimbangan

• Densitas bahan bulk pada kondisi ini

umumnya disebut bulk density

27

• Bulk density bahan selanjutnya akan

tergantung sejumlah faktor, meliputi

densitas padatan, geometri, ukuran dan

sifat permukaan dan serta metoda

pengukurannya.

• Biasanya bulk density ditentukan dengan

menempatkan jumlah powder diketahui

beratnya (20 g atau 50 g kedalam silinder

pengukur, diketuk-ketuk silinder dan

28

Massa

Bulk density =

Volume bulk

• Namun demikian, prosedur disarankan

menerapkan kondisi agak berbeda, dan

sehingga nilai pada literatur harus

diperlakukan dengan seksama

• Tabel 2.6 memperlihatkan rerata nilai bulk

density untuk kisaran luas bahan pangan

dalam bentuk powder

30

• Tabel 2.7 memperlihatkan beberapa nilai bulk density untuk buah dan sayuran

• Tabel 2.8 mencakup densitas padatan, bulk density dan kadar air untuk serealia terpilih.

• Nilai kisaran menggambarkan varietas berbeda yang diukur

32

• Bulk density produk spray drying dipengaruhi oleh kandungan padatan feed, saat sebelum

pengeringan, dan suhu udara inlet dan outlet. Contoh beberapa data seperti gambar 2.9.

Hubungan antara porositas, bulk density

dan densitas padatan

Hubungannya diberikan dengan

volume udara

porositas ε =

volume sampel bulk

Volume sampel bulk – volume padatan sebenarnya

=

34

Volume padatan

= 1

–

Volume bulk

Massa padatan dan massa bulk adalah

setara, sehingga

bulk density

porositas = 1

–

ρ

_b

= 1

–

ρ

_s

ρ

_s

– ρ

_b =

ρ

_s

• Porositas dapat dinyatakan sebagai fraksi

atau persentase.

• Persamaan ini dapat dipakai untuk

padatan atau tanpa pori-pori internal

36

Densitas Cairan dan Spesific Gravity

• Air memiliki densitas maksimum 1000 kg

m

-3

_{pada 4}

o

_C

• Suhu naik diatas 4

o

_{C, densitas akan turun}

• Penambahan padatan pada air akan

menaikkan densitas (kecuali lemak)

• Pengukuran densitas dapat dipakai untuk

substansi murni sebagai indikasi padatan

total

• Namun demikian, sering lebih tepat untuk

mengukur spesific gravity SG suatu cairan

massa cairan

SG =

massa air dengan volume setara

densitas cairan

ρ

_L

=

38

Caution ….

Densitas = berat jenis

• Spesific gravity adalah tidak berdimensi

“dimensionless”

• Spesific gravity suatu fluida berubah lebih

sedikit dibandingkan densitas, ketika suhu

berubah

• Apabila specific gravity bahan diketahui

pada suhu T

o

_{C, densitas pada T}

o

_{C adalah}

40

• Dimana

ρ

_L

adalah densitas cairan pada T

o

C

(SG)

_T

adalah specific gravity pada T

o

C,

ρ

_w

adalah densitas air pada T

o

C (Tabel)

• Specific gravity diukur dengan tepat

menggunakan botol densitas,

pycnometer

1. Botol densitas

• Botol densitas (gambar samping) dapat dipakai untuk menentukan specific gravity cairan yang tidak

diketahui dan padatan partikel yang disediakan bahwa padatan tidak larut di dalam cairan.

• Harus diperhatikan bahwa udara harus dihilangkan dari dalam botol

42

• Pembacaan berikut diambil w₁ berat botol kosong

w₂ berat botol penuh dengan air

w₃ berat botol penuh dengan cairan w₄ berat botol plus padatan

w₅ berat botol plus padatan plus cairan untuk mengisi

Specific gravity cairan sebanding dengan

w

₃

– w

₁

w

₂

– w

₁

43

• Berat padatan adalah w₄ – w₁, dan

• Berat cairan memiliki volume setara dengan padatan adalah w₃ – w₁ – (w₅ – w₄)

• Sehingga specific gravity padatan setara dengan w₄ – w₁ w₃ – w₁

w₃ – w₁ – (w₅ – w₄) w₂ – w₁

Berat padatan

x specific gravity cairan

Berat cairan dng volume setara

• Toluene direkomendasikan sebagai solven yang cocok untuk penentuan specific gravity bahan

44

2. Hidrometer

• Hidrometer berat konstan bekerja dengan prinsip bahwa badan

mengapung menggantikan berat fluidanya

• Diagram hidrometer sebagaimana pada gambar

• Instrumen diletakkan dalam fluida dan densitas fluida dibaca dari

45

Volume dasar batang adalah V

Luasan penampang melintang batangan A Berat hidrometer W

Ketika dicelupkan kedalam cairan dengan densitas ρ,

panjang batangan tercelup x

Sehingga, volume cairan digantikan adalah Ax + V

Berat cairan tergantikan setara dengan ρ(Ax + V),

dengan menggunakan prinsip flotasi setara dengan W Sehingga,

W

ρ =

Ax + V

Hidrometer adalah mudah penggunaan, dan tersedia dengan kisaran ukuran 1,00-1,100 dan 1,100-1,200 untuk apliasi yang berbeda

46

3. Nilai densitas cairan

• Spesific gravity larutan sukrosa jika kekuatan berbeda terlihat pada Tabel 2.10.

• Tabel 2.12 menunjukkan spesific gravity dan gliserol

48

• Tabel 2.13 menunjukkan specific gravity garam sodium chloride dan calcium chloride

• Informasi mengenai hubungan densitas

dan specific gravity terhadap konsentrasi

dapat dipakai untuk membuat larutan

dengan densitas berbeda untuk

menentukan densitas bahan pangan

padat, menggunakan prinsip flotasi

• Densitas fluida dimana padatan nampak

tidak tenggelam atau mengapung dicatat

50

• Nilai densitas rerata dan kandungan padatan total diberikan untuk varietas juice buah-buahan, pada Tabel 2.14

4. Densitas susu

• Densitas susu sapi biasanya berkisar 1025-1035 kg m-3

• Densitas penyusun padatan masing-masing

terdiri dari lemak (930 kg m-3_{), air (1000 kg m}-3_),

MSNF (1614 kg m-3)

• British Standar 734 memberikan informasi

hidrometer densitas untuk penggunaan pada susu

• Ada tabel untuk menentukan padatan total susu, mengetahui specific gravity dan kandungan

lemak

52

• Kandungan lemak berkisar antara 1% dan 10%, dan penentuan padatan total berdasarkan

persamaan

C_T = 0,25D + 1,21F + 0,66

dan,sesuai dengan British Standard 734 = 0,25D + 1,22F + 0,72

Dimana,C_T adalah konsentrasi padatan total (w/w), D = 1000 (SG – 1),

SG adalah specific gravity dan F adalah persentase lemak

• Sehingga susu pada 26o_{C dengan kadar lemak}

3,5% dan specific gravity 1,032 akan dikoreksi dengan nilai 1,0322 pada 20o_{C, dan memiliki}

padatan total 13,05 sesuai dengan British Standard 734.

• Nilainya sedikit lebih rendah menggunakan persamaan sebelumnya

• Padatan total biasanya dinyatakan terdekat dengan 0,05%

• Komposisi dan faktor lain, seperti rasio lemak padat dengan cair, dan tingkat hidrasi protein, yang mempengaruhi densitas susu, susu

54

Gas dan Vapor (uap)

• Gas dan uap adalah

compressible

, dan

densitasnya dipengaruhi oleh suhu dan

tekanan

• Pada kondisi moderat, kebanyakan gas

memenuhi persamaan gas ideal

pV

_m

= RT

Dimana;

p (N m-2_{) adalah tekanan,}

V_m (m3 _kmol-1_{) adalah volume molar,}

R=8,314 kJ kmol-1_K-1 _{adalah konstanta gas,}

• Berat molekul gas dinyatakan dalam

kilogram (1 kmol), menempati 22,4 m

3

pada 273 K dan 1 atm

• Contoh, udara 29 kg menempati volume

22,4 m

3

_{pada 273 K dan 1 atm, sehingga}

massa

densitas udara =

volume

29

=

22,4

= 1,29 kg m

-3

56

• Pada 100o_{C dan 1 atm,}

V₁ V₂ = T₁ T₂ • Sehingga 373 volume baru = 22,4 x = 30,605 m3 273 massa densitas baru = volume 29 = 30,605 =0,945 kg m-3

• Densitas beberapa gas umum diberikan pada Tabel 2.15

• Nilai sesuai dengan yang dihitung menggunakan persamaan gas ideal

58

• Dengan fluida termodinamika seperti steam dan refrigeran, sering dibuat referensi pada volume spesifik V_g

• Ini adalah volume diisi oleh massa unit uap air, yang merupakan kebalikan densitas

• Uap air jenuh pada 1,013 bar (100o_{C) memiliki}

volume spesifik 1,67 m3 _kg-1_{, sedangkan pada}

10oC akan memiliki volume spesifik 106,43 m3 kg

-1

• Ini menunjukkan bahwa uap memiliki volume spesifik sangat besar pada tekanan berkurang • Konsekuensinya, pada operasi melibatkan

penghilangan uap air pada tekanan rendah, seperti evaporasi vakum atau freeze drying, pompa vakum diperlukan cukup besar untuk menangani produk bervolume besar

Densitas Produk Teraerasi:

Overrun

• Beberapa pangan yang dikenal baik dibuat

dengan inkorporasi udara kedalam cairan dan membentuk busa

• Pada sistem ini, udara adalah fase terdispersi dan cairan fase kontinyu

• Busa terstabilisasi oleh agen aktif permukaan yang mengumpul pada interface

• Contoh foam adalah campuran cake, krim, dessert

• Memasukkan udara akan mengurangi densitas produk

60

• Jumlah udara terinkorporasi dinyatakan dengan istilah over-run, biasanya sebagai persentase, peningkatan volume

over-run = x 100

volume asli

volume busa – volume asli cairan

= x 100

volume cairan

• Sebagai contoh, dengan es krim, volume busa

mengacu pada volume akhir es krim, dan volume cairan terhadap volume campuran asli

• Pada prakteknya, over-run adalah paling mudah

ditentukan dengan mengambil wadah dengan volume tertentu, menimbangnya penuh dengan cairan dan busa akhir

• Pada kasus ini over-run ditentukan sebagai berikut berat cairan asli – berat busa dng volume yg sama

over-run = x 100 berat busa dng volume yg sama

• Faktor-faktor yang mempengaruhi over-run pada es krim termasuk seperti padatan total dan tipe freezer dipakai • Secara umum, semakin tinggi kandungan padatan total,

semakin besar kemungkinan over-run

• Beberapa orang berpendapat, over-run harus diantara 2 dan 3 kali kadar padatan total

62

• Nilai untuk es krim, umumnya berkisari antara 40% (lunak) 100% (keras)

• Beberapa nilai ditampilkan pada Tabel 2.16

• Terlalu banyak udara akan menghasilkan produk

snowy fluffy unpalatable, dan terlalu sedikit

• Untuk krim olesan, diinginkan over-run

100-120%

• Selain over-run, juga penting mengukur

kstabilan busa pada periode waktu

• Perlu dicatat, bahwa es krim dijual dalam

volume, daripada dalam berat

• Sehingga produsen tertarik untuk

memperoleh over-run semaksimal

mungkin