Bab 3. Air Dalam Bahan Pangan

5/28/2018 Bab 3. Air Dalam Bahan Pangan

1/16

BAB III. AIR DALAM BAHAN PANGAN

3.1 Peranan Air

Air mempunyai peranan penting di dalam suatu bahan pangan. Air

merupakan faktor yang berpengaruh terhadap penampakan, tekstur, cita rasa, nilai

gizi bahan pangan, dan aktivitas mikroorganisme. Karakterisitik hidratasi bahan

pangan merupakan karakterisitk fisik yang meliputi interaksi antara bahan pangan

dengan molekul air yang terkandung di dalamnya dan molekul air di udara

sekitarnya.

Gambar 3.1. Struktur Molekul Air

Menurut Wirakartakusumah, dkk (1989) bahwa air dibagi atas empat tipe

moleku air berdasarkan derajat keterikatan air dalam bahan pangan, sebagai

berikut:

1. Tipe I, yaitu moleku air yang terikat secara kimia dengan molekul-molekullain melalui ikatan hidrogen yang berenergi besar. Derajat pengikatan air

ini sangat besar sehingga tidak dapat membeku pada proses pembekuan

dan sangat sukar untuk dihilangkan dari bahan. Molekul air membentuk

hidrat dengan molekul-molekul lain yang mengandung atom-atom oksigen

dan nitrogen seperti karbohidrat, protein dan garam.

2. Tipe II, yaitu molekul air yang terikat secara kimia membentuk ikatanhidrogen dengan molekul air lainnya. Jenis air ini terdapat pada


2/16

mikrokapiler dan sukar dihilangkan dari bahan. Jika air tipe ini

dihilangkan seluruhnya, maka kadar air bahan berkisar antara 37%.

3. Tipe III, yaitu molekul air yang terikat secara fisik dalam jaringan jaringan matriks bahan seperti membran, kapiler, serat, dan lain lain. Air

tipe ini mudah dikeluarkan dari bahan, dan bila diuapkan seluruhnya,

kadar air bahan mencapai 12 25%. Air ini dimanfaatkan untuk

pertumbuhan jasad renik dan merupakan media bagi reaksi kimiawi.

4. Tipe IV, yaitu air bebas yang tidak terikat dalam jaringan suatu bahan atauair murni, dengan sifat-sifat air biasa dan keaktifan penuh.

Peranan air dalam berbagai produk hasil pertanian dapat dinyatakan sebagai

kadar air dan aktivitas air. Sedangkan di udara dinyatakan dalam kelembaban

relatif dan kelembaban mutlak.

Air dalam bahan pangan berperan sebagai pelarut dari beberapa komponen

disamping ikut sebagai bahan pereaksi. Dalam suatu bahan pangan, air

dikategorikan dalam 2 tipe yaitu air bebas dan air terikat. Air bebas menunjukan

sifat-sifat air dengan keaktifan penuh, sedangkan air terikat menunjukan air yang

terikat erat dengan komponen bahan pangan lainnya. Air bebas dapat dengan

mudah hilang apabila terjadi penguapan dan pengeringan, sedangkan air terikat

sulit dibebaskan dengan cara tersebut. Sebenarnya air dapat terikat secara fisik,

yaitu ikatan menurut sistem kapiler dan air terikat secara kimia, antara lain air

kristal dan air yang terikat dalam sistem disperse.

Air terikat (bound water) merupakan interaksi air dengan solid atau bahan

pangan. Ada beberapa definisi air terikat adalah sejumlah air yang berinteraksi

secara kuat dengan solute yang bersifat hidrofilik. Air terikat adalah air yangtidak dapat dibekukan lagi pada suhu lebih kecil atau sama dengan -40C,

merupakan subtansi nonaqueousdan mempunyai sifat yang berbeda dengan air

kamba. Air dalam bahan pangan terikat secara kuat pada sisi-sisi kimia komponen

bahan pangan misalnya grup hidroksil dari polisakarida, grup karbonil dan amino

dari protein dan sisi polar lain yang dapat memegang air dengan ikatan hidrogen.


3/16

Menurut Nagashima dan Suzuki (1981), air terikat meliputi:

- Air hidratasi- Air dalam mikrokapiler atau air yang terjebak dalam mikrokapiler- Air yang terabsorbsi pada permukaan solid.Air terikat berhubungan dengan energi pengikatan yang tinggi. Energi

pengikatan merupakan istilah termodinamika yang menyatakan perbedaan antara

panas absorbsi air oleh solid dengan panas kondensasi uap air pada suhu yang

sama. Berdasarkan tingkat energi pengikatan, air terikat terbagi atas tiga fraksi

yaitu:

- Fraksi air terikat primer- Fraksi air terikat sekunder- Fraksi air terikat tersierProses pengawetan produk pertanian dititikberatkan kepada kandungan air

pada bahan. Kebanyakan pengawetan bahan bertujuan untuk mengurangi sebagian

kadar air pada bahan seperti pengeringan, evaporasi, dan sebagainya. Dengan

berkurangnya air dan berubahnya wujud air pada bahan maka pertumbuhan

mikroorganisme dan reaksi enzimatis dapat dihambat atau dihentikan, sehingga

bahan lebih awet. Selain air yang terdapat pada bahan, yang menjadi ancaman

pada bahan adalah air yang terdapat di udara dalam bentuk uap air. Hal ini

menjadi ancaman bahan pada saat penyimpanan. Perbedaan tekanan uap air antara

bahan dan lingkungan dapat menyebabkan air berpindah dari lingkungan ke bahan

atau sebaliknya. Hal ini dapat menyebabkan kandungan air pada bahan bertambah

atau berkurang.

Produk pertanian banyak diawetkan dalam bentuk bubuk dan tepung, Bubuk

dan tepung memiliki kadar air yang rendah dan porositas yang tinggi sehingga

bersifat higroskopis dimana produk dapat menyerap uap air dari lingkungan atau

melepaskan air dari bahan ke lingkungan. Penurunan mutu pada produk berbentuk

bubuk atau tepung dapat dilihat secara visual seperti produk menggumpal dan

berair, atau reaksi enzimatis seperti perubahan warna. Pada umumnya

penyimpanan bahan pertanian dilakukan pada lingkungan yang suhu dan

kelembaban relatif (RH) yang tidak terkendali, hal ini menyebabkan bahan akan

mengalami adsorpsi maupun desorpsi secara bergantian setiap waktu.


4/16

3.2 Kadar AirKadar air merupakan salah satu sifat fisik dari bahan yang menunjukkan

banyaknya air yang terkandung di dalam bahan. Kadar air biasanya dinyatakan

dengan persentase berat air terhadap bahan basah atau dalam gram air untuk setiap

100 gram bahan yang disebut dengan kadar air basis basah (bb) yang dinyatakan

dengan persamaan dibawah ini:

%100xWW

Wm

dm

m

(3.1)

Dimana:

m : Kadar air basis basah (%)

Wm : Berat air dalam bahan (gr)

Wm : Berat padatan (gr)

Cara lain yang digunakan untuk mengukur kadar air adalah kadar air basis

kering (bk) yaitu berat air yang diuapkan dibagi dengan berat padatan

%100xW

W

Md

m

(3.2)

Dimana:

M : Kadar air basis kering (%)

Berat bahan kering atau padatan adalah berat bahan setelah mengalami

pemanasan beberapa waktu tertentu sehingga beratnya tetap (konstan).

Hubungan antara kadar air basis basah (m) dan kadar air basis kering (M)

adalah sebagai berikut:


5/16

Kemudian pembilang dan penyebut dari persamaan tersebut dibagi dengan

masa padatan kering sehingga diperoleh:

(3.3)

Hubungan diatas digunakan untuk menghitung kadar air basis basah (m)

jika kadar air basis kering (M) diketahui. Dan sebaliknya, jika kadar air basis

basah (m) yang diketahui maka kadar basis keringnya (M) adalah sebagai berikut.

(3.4)

Contoh soal 1.

Tentukan kadar air basis kering dari ikan tuna yang memiliki kadar air basis basah

sebesar 70% bb.

3.3 Kadar Air Keseimbangan

Kadar air keseimbangan adalah kadar air dimana laju perpindahan air dari

bahan ke udara sama dengan laju perpindahan air dari udara ke bahan. Kadar air

keseimbangan dapat digunakan untuk mengetahui kadar air terendah yang dapat

dicapai pada proses pengeringan dengan tingkat suhu dan kelembaban udara

relatif tertentu. Menurut Heldman dan Singh (1981), Kadar air keseimbangan dari

bahan pangan adalah kadar air bahan tersebut pada saat tekanan uap air dari bahan


6/16

seimbang dengan lingkungannya, sedangkan kelembaban relatif pada saat

terjadinya kadar air keseimbangan disebut kelembaban relatif keseimbangan.

Gambar 3.2 Hubungan antara RH dan kadar air keseimbangan

Gambar 3.3Kondisi keterikatan air berdasarkan RH dan Kadar Air

Sifat-sifat kadar air keseimbangan atau Equilibrium ofMoisture Content

(EMC) dari bahan pangan sangat penting dalam penyimpanan dan pengeringan.

Kadar air keseimbangan didefinisikan sebagai kandungan air pada bahan pangan

yang seimbang dengan kandungan air udara sekitarnya. Hal tersebut merupakan

satu faktor yang menentukan sampai seberapa jauh suatu bahan dapat dikeringkan

pada kondisi lingkungan tertentu (aktivitas air tertentu) dan dapat digunakan

T=tetap

Koloid, mengkeruttak-hingga

Koloid

Beronggahigroskopik

Hampir tak-higroskopik

X, kg air / kg padatan kering

Kelembabannisbi

Non-hi rosko ik100

Air bebas

Air tak-terikat

Air terikat

X*kadar airkeseimban an

T=TETAP

KADAR AIR, X

RH

1,0

0,5

0


7/16

sebagai tolak ukur pencegahan kemampuan berkembangnya mikroorganisme yang

menyebabkan terjadinya kerusakan bahan pada saat penyimpanan.

Kadar air keseimbangan (equilibrium moisture content) adalah kadar air

minimum yang dapat dicapai pada kondisi udara pengeringan yang tetap atau pada

suhu dan kelembaban relatif yang tetap. Suatu bahan dalam keadaan seimbang

apabila laju kehilangan air dari bahan ke udara sekelilingnya sama dengan laju

penambahan air ke bahan dari udara di sekelilingya. Kadar air pada keadaan

seimbang disebut juga dengan kadar air keseimbangan atau keseimbangan

higroskopis. Perhitungan empiris untuk menentukan kadar air keseimbangan

adalah (Henderson, 1952 dalam Hall, 1980):

necTMeRH

1 (3.5)

dimana: RH = Kelembaban relatif (%)

T = Suhu absolute (K)

Me = Kadar air keseimbangan (%) b.k.

c dan n = Konstanta (tergantung dari jenis bahan)

Tabel 3.1. Nilai c dan n untuk beberapa jenis bahan

Produk c n

Jagung pipil

Gandum

Kedelai

Kapas

Kayu

51098.1

71006.10

5

1078.5

51084.8

51061.9

1.90

3.30

1.52

1.70

1.41

Sumber: Handerson dan Perry, 1976

Dalam percobaan menentukan kadar air keseimbangan, kondisi

termodinamika udara (suhu dan kelembaban relatif) harus konstan. Penentuan


8/16

kadar air keseimbangan ada dua metode yaitu metode dinamis dan statis. Metode

dinamis, kadar air keseimbangan bahan diperoleh pada keadaan udara yang

bergerak. Metode dinamik biasanya digunakan untuk pengeringan, dimana

pergerakan udara digunakan untuk mempercepat proses pengeringan dan

menghindari penjenuhan uap air disekitar bahan. Sedangkan metode statis, kadar

air keseimbangan bahan diperoleh pada keadaan udara diam. Metode statik

biasanya digunakan untuk keperluan penyimpanan karena umumnya udara

disekitar bahan relatif tidak bergerak.

Menentukan Nilai Me, K, dan A

Persamaan Lewis (Lewis, 1921; Sokhansanj dan Cenkowski, 1988)digunakan untuk menerangkan laju pengeringan pada bahan solid :

)( eMMkdt

dM

(3.6)

Dengan mengintegralkan persamaan 3.6) maka diperoleh:

)(exp ktMR (3.7)

)()(

0 e

e

MMMMMR

(3.8)

Modifikasi persamaan Page (Page, 1949; Overhults et al. 1973) dalam Tan

et al(2001) diperoleh persamaan berikut :

nktMR )(exp (3.9)

Henderson dan Pabis (1961) dalam Sokhansanj dan Cenkowski (1988),

menyatakan bahwa nilai k hanya dipengraruhi oleh suhu udara pengering.Penentuan nilai k dilakukan dengan asumsi bahwa perubahan suhu bahan

terhadap waktu dan suhu udara pengering adalah eksponensial. Untuk menduga

nilai k, model yang digunakan mengikuti persamaan Arhenius :

T

cck 21exp

(3.10)

Menurut Henderson dan Perry (1976), model pengeringan lapisan tipis

adalah :


9/16

)exp( tKAMeMo

MeM

(3.11)

Dimana, konstanta A adalah faktor bentuk tergantung bentuk geometri

bahan yang dikeringkan. Untuk bentuk :

Lempeng : A = 8 -2= 0.81057

Bola : A = (8 -2)-3= 0.53253

Silinder : A = 6 -2 = 0.60793

Sedangkan Me adalah kadar air keseimbangan (% bk) dan K adalah

konstanta pengeringan, yaitu :2

2

V

4

DK

b

, dimana DV= difusifitas massa

persamaan kadar air keseimbangan dapat dibuat dalam bentuk ;

MetKMeMoAM )exp()( (3.12)

dengan : M = ),,(),,( AAKKMeMefMdanAKMef

Nilai deret diabaikandapatdankecilsangat.....................)(2

12

22

Me

fMe

Sehingga persamaan di 3.12) menjadi :

A

fA

K

fK

Me

fMeAKMefAAKKMeMef

),,(),,(

dengan mendiferensialkan persamaan di atas terhadap Me, K dan A, maka

didapatkan:

)exp(1 tKAMe

f

(3.13)

)exp()( tKMeMoAtK

f

(3.14)

)exp()( tKMeMoA

f

(3.15)

Dengan menggunakan metoda kuadrat terkecil (least square), persamaan

(3.12) dapat dinyatakan dalam bentuk :


10/16

minimum),,(),,(1

2

n

i

ii AKMefMAAKKMeMef

dengan syarat minimum adalah : 0 Af

Kf

Mef

Dari persamaan (9), dapat dibuat 3 persamaan simultan dengan 3 bilangan

yang tidak diketahui, yaitu ; AKMe dan, . Adapun bentuk persamaan

simultannya adalah :

n

i

iin

i

iin

i

n

i

iiii

A

f

Me

fA

K

f

Me

fK

Me

fMe

Me

fAKMefM

11

2

1 1

),,(

n

i

iin

i

in

i

n

i

iiiii

A

f

K

fA

K

fK

K

f

Me

fMe

K

fAKMefM

11

2

1 1

),,(

2

111 1

),,(

n

i

in

i

iin

i

n

i

iiiii

A

fA

A

f

K

fK

A

f

Me

fMe

A

fAKMefM

Persamaan (3.16)(3.18) dapat dibuat dalam bentuk yang sederhana, seperti

berikut :

P1Me + Q1 K + R1A = X1 (3.16)

P2Me + Q2 K + R2A = X2 (3.17)

P3Me + Q3 K + R3A = X3 (3.18)

Persamaan (13)(15), dalam bentuk matrik dapat ditulis seperti berikut ini :

333

222

111

RQPRQP

RQP

A

K

Me

=

3

2

1

XX

X

Untuk menyelesaikan matrik persamaan (3.16 -3.18), untuk menentukan

Me, K dan A dengan cara terlebih dahulu menentukan nilai sembarang untuk

Me, K dan A. Perhitungan iterasi untuk nilai variable baru dilakukan dengan

cara trial dan error.

Proses iterasi dilakukan terus sampai diperoleh hasil yang konvergen antara

nilai variabel yang lama dengan nilai variable yang baru. Untuk mendapatkan


11/16

hasil yang konvergen, maka harus dipenuhi syarat tertentu, yaitu nilai dari

elemen-elemen diagonalnya tidak boleh mengandung nilai nol dan harga mutlak

dari nilai elemen dari diagonal utamanya harus lebih besar dari harga mutlak

jumlah nilai elemen-elemen yang lainnya. iia >

N

ij

ija dimana N = jumlah

persamaan, i = 1,2,N.

3.4 Aktivitas AirDalam bahan pangan, air berperan sebagai pelarut yang digunakan selama

proses metabolisme, dimana kandungan air suatu bahan pangan tidak dapat

digunakan sebagai petunjuk nyata dalam menentukan ketahanan simpan. Tingkat

mobilitas dan peranan air dalam bahan pangan bagi proses kehidupan biasanya

dinyatakan dengan aktivitas air atau water activity (Aw) yaitu jumlah air bebas

yang dapat digunakan oleh mikroorganisme untuk pertumbuhannya. Berbagai

jenis mikroorganime yang yang dapat hidup pada nilai Aw tertentu dapat dilihat

pada Tabel 3.2:

Tabel 3.2Nilai Awyang dapat ditumbuhi mikroorganisme

Mikroorganisma Aktivitas air

Organisma penghasil lendir pada daging 0,98

SporaPseudomonas, Bacillus cereus 0,97

SporaB. subtilis, C. botulinum 0,95

C. botulinum, Salmonella 0,93

Bakteri pada umumnya 0,91

Ragi pada umumnya 0,88

Aspergillus niger 0,85

Jamur pada umumnya 0,80

Bakteri halofilik 0,75

Jamur Xerofilik 0,65

Ragi Osmofilik 0,62


12/16

Aktivitas air juga dinyatakan sebagai potensi kimia yang nilainya bervariasi

dari 0 sampai 1. Pada nilai aktivitas air sama dengan 0 berarti molekul air yang

bersangkutan sama sekali tidak dapat melakukan aktivitas dalam proses kimia.

Sedangkan nilai aktivitas air sama dengan 1 berarti potensi air dalam proses kimia

dalam kondisi maksimal.

Aktivitas air merupakan salah satu parameter hidratasi yang sering diartikan

sebagai air dalam bahan yang digunakan untuk pertumbuhan jasad renik. Scott

(1957) dalam Purnomo (1995), pertama kali menggunakan aktivitas air sebagai

petunjuk adanya sejumlah air dalam bahan pangan yang dibutuhkan bagi

pertumbuhan mikroorganisme. Aktivitas air ini juga terkait erat dengan adanya air

dalam bahan pangan.

Aktivitas air didefinisikan sebagai perbandingan antara tekanan uap air dari

larutan dengan tekanan uap air murni pada suhu yang sama.

o

w

P

Pa

(3.19)

Dimana :

P : tekanan uap air dari larutan pada suhun T

Po : tekanan uap air murni pada suhu T

Aktivitas air dapat juga dinyatakan sebagai jumlah molekul dalam larutan,

menurut hukum Raoult, aw berbanding lurus dengan jumlah molekul di dalam

pelarut (solvent) dan berbanding terbalik dengan jumlah molekul di dalam larutan

(solution).

21

2

nn

nA

w

(3.20)

Dimana:

n1 = jumlah molekul zat yang dilarutkan

n2 = jumlah molekul air

Parameter ini juga dapat didefinisikan sebagai kelembaban relatif berimbang

(equilibrium relative humidity= ERH) dibagi 100.

100

ERH

Aw

(3.21)


13/16

Aktivitas air mengambarkan sifat dari bahan pangan itu sendiri sedangkan

ERH menggambarkan sifat lingkungan atmosfir yang berada dalam keadaan

seimbang dengan bahan tersebut. Bertambah atau berkurangnya kandungan air

sesuatu bahan pangan pada suatu keadaan lingkungan yang diberikan tergantung

pada ERH. Aktivitas air dari bahan adalah untuk mengukur terikatnya air pada

bahan pangan atau komponen bahan pangan tersebut dimana awdari bahan pangan

cenderung untuk berimbang dengan aw lingkungan sekitarnya. Grafik hubungan

antara kadar air dengan awpada berbagai produk pangan.

Gambar 3.4. Hubungan Nilai awdan Kadar Air pada berbagai bahan pangan

Contoh Soal 3.1

Ikan teri kering diberada pada lingkungan yang RH 30% pada suhu 15 oC selama

5 jam tanpa perubahan berat. Kadar air yang diukur adalah 7.5% bb. Produk

dipindahkan ke lingkungan yang RH 50%. Dan pertambahan berat menjadi 0.1

kgH2O/kg produk sebelum keseimbangan dicapai. Tentukan:

a. Aktivitas air produk pada lingkungan pertama dan kedua.b. Hitung kadar air produk basis kering pada kedua lingkungan.

Jawab

RH keseimbangan 30% pada lingkungan pertama dengan kadar air produk

7.5%bb. Untuk lingkungan dengan RH 30% akan jadi kadar air 0.075 kg H2O/kg

produk

aw

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

00 1,0 2,0 3,0

Kadar air basis kering

Bahan pangankering

Keju, sosis, permen

Bahan panganberkadar air sedang,


14/16

a. Kadar air bahan pangan adalah kelembaban relatif keseimbangan(moisture content equilibrium) dibagi 100. Pada lingkungan petama

aktivitas airnya adalah 0.3, dan pada lingkungan kedua aktivitas airnya

adalah 0.5.

b. Kadar air basis kering 7.5 %bb adalah 8.11% bk. Terjadi pertambahanberat pada RH 50%.

Atau dalam basis keringnya adalah:

Dalam mengontrol aktivitas air atau kelembaban relatif dapat digunakan

berbagai jenis garam seperti tercantum dalam tabel berikut:

Tabel 3.3 Nilai Awyang terbentuk dari larutan garam jenuh

Garam jenuhWater Activity (Aw)

5 oC 15 oC 25 oC 35 oC

LiBr 0.074 0.069 0.064 0.597

LiCl 0.113 0.113 0.113 0.113

KCH3CO2 0.291 0.234 0.225 0.216

MgCl2 0.336 0.333 0.328 0.321

K2CO3 0.431 0.432 0.432 0.436

Mg(NO3)2 0.589 0.559 0.529 0.499

NaNO2 0.732 0.693 0.654 0.628

SrCl2 0.771 0.741 0.709 -

NaCl 0.757 0.756 0.753 0.749

(NH4)2SO4 0.824 0.817 0.803 0.803

KCl 0.877 0.859 0.843 0.830

BaCl2 - 0.910 0.903 0.895

K2SO4 0.985 0.979 0.973 0.967


15/16

DAFTRA PUSTAKA

Adawiyah, D.R. 2006. Hubungan sorpsi air, suhu tansisi gelas dan mobilitas air

serta pengaruhnya terhadap stabilitas produk pada model pangan. Disertasi.

Sekolah Pasca Sarjana. IPB

Brunauer,S., P.H. Emmett dan E. Teller .1938. Adsorption of gasses in

multimolecular layers. J. Am. Chem. Soc. 60:309.

Hall. C.W. 1980. Drying and storage of agricultural crops. The AVI Publishing

Company Inc. Westport, Connecticut.

Purwadaria, H.K dan H.R. Heldman. 1980. Computer simulation of vitamindegradation in a dry model food system during strorage. J. of Food Process

Engineering. Vol. 3(1) : 7-28.

Purnomo, Hari. 1995. Aktivitas air dan peranannya dalam pengawetan pangan.

UI-Press. Jakarta.

Somantri, A.S. 2003. Persamaan korelasi kadar air keseimbangan untuk lada.

Buletin Keteknikan Pertanian. IPB

Wirakartakusumah, M.A dkk .1989. Prinsip teknik pangan. Pusat Antar

Universitas (PAU). IPB


16/16

Documents

Bab 3. Air Dalam Bahan Pangan