Pengeringan (drying)/ Dehidrasi (dehydration)

Transkripsi

1 Pengeringan (drying)/ Dehidrasi (dehydration) Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fateta, IPB Director of Southeast Asian Food & Agricultural Science & Technology (SEAFAST) Center, Bogor Agricultural University, BOGOR, Indonesia 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 ).. 1

2 Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan Tekanan (atm) cair mendidih gas Suhu ( o C) Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan Tekanan (atm) padat membeku cair gas Suhu ( o C). 2

3 Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan Tekanan (atm) padat cair menyublim gas Suhu ( o C) Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan Tekanan (atm) 1 atm padat cair Pengeringan biasa, Pada tek atmosfir, terjadi pd suhu tinggi (1 atm 100 o C) gas 100 o C (212 o F) Suhu ( o C). 3

4 Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan Tekanan (atm) 1 atm? Atm (<1atm) padat gas cair Pengeringan vacuum, (pd tek < atmosfir, terjadi pd suhu lbh rendah)? o C (<100 o C) Suhu ( o C) PENGERINGAN contoh produk kering Peach. 4

5 PENGERINGAN contoh produk kering Spinach PENGERINGAN kenapa mengawetkan? Kenapa mengawetkan? Menurunkan kadar air menurunkan ketersediaan/aktivitas air Menurunkan aktivitas mikroba Menurunkan reaksi perubahan (stabil selama penyimpanan). 5

6 PENGERINGAN kenapa mengawetkan? Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan Zone I (air terikat) Zone II (mono layer) Zone III (air bebas) Kadar Air Water Activity PENGERINGAN kenapa mengawetkan? Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan Zone I Zone II Oksidasi lemak Reaksi hidrolisis Zone III Kadar Air Reaksi nonenzimatis browning Water Activity. 6

7 PENGERINGAN kenapa mengawetkan? PENGERINGAN kenapa mengawetkan? Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan a w 1 0,55-0,65 0 Produk mudah rusak : Biasanya rusak karena perubahan/aktivitas mikrobiologi Produk awet : Biasanya rusak karena perubahan kimia & fisik. 7

8 Nilai aktivitas Air (a w ), mikroba, dan contoh produk pangan Nilai a w minimum Jenis Mikroorganisme yang terhambat pada kondisi a w tsb 0,950 Pseudomonas, Eschericia, Proteus, Shigela, Klebsiella, Bacillus, Clostridium perfringents, beberapa ragi 0,910 Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, C. botulinum, Seratia, Lactobacillus, Pediococcus, beberapa kapang, Rhodotrula, Pichia Contoh produk pangan dgn a w min tsb Daging dan ikan segar, susu segar, berbagai buah dan sayuran segar, dan berbagai produk olahannya (sosis); kadar air lebih dari 40% (b/b) Aneka keju, aneka olaha daging kiuring, dan konsentrat dengan kadar sukrosa ~55%, atau kadar NaCl ~ 12% 0,870 Berbagai ragi Sosis fermentasi (salami), sponge cake (kue bolu), keju (Candida, Torulopsis, kering, margain, dan bahan bangan lain dengan kadar gula Hansenula), tinggi (~ 65% sukrosa (b/b; jenuh) atau kadar garam, NaCl Reference: Water Micrococcus) ~ 15% Activity of Some Foods and Susceptibility to Spoilage by Microorganisms Adapted from Beuchat (1981). Nilai aktivitas Air (a w ), mikroba, dan contoh produk pangan Nilai a w minimum Jenis Mikroorganisme yang terhambat pada kondisi a w tsb 0,800 Kebanyakan kapang (mycotoxigenic penicllia), Staphylococcus aureus, kebanyakan Saccharomyces (bailii) spp, Debaryomyces 0,750 Kebanyakan bakteria Halofilik, Aspergilli Mycotoxingenik 0,650 Jamur xerophilik (Aspergillus chevalieri., A candidus, Wallemia sebi), Saccharomyces bisporus Ragi osmophilic (Saccharaomyces rouxii), bebeberapa jamur Reference: (Aspergillus ecbinulutas, Water Activity of Some Foods and Susceptibility to Spoilage by Microorganisms Adapted from Beuchat (1981). Monascus bisporus) Contoh produk pangan dgn a w min tsb Susu kental manis, sirup coklat, sirup maple, sirup buah, tepung, beras, kacang-kavangan (kadar air ~ 15-17%), fruits cake, dan aneka bolu manis Jem, marmalade, marzipan, dll Rolled oats (kadar air ~10%), nugget, jeli, molases, gula mentah (raw sugar), dan berbagai buah-buahan kering Buah/sayur kering dengan kadar air 15-20%, produk karamel cair, madu. 8

9 Nilai aktivitas Air (a w ), mikroba, dan contoh produk pangan Nilai a w Minimum Jenis Mikroorganisme yang terhambat pada kondisi a w tsb Contoh produk pangan dgn a w min tsb 0,5 Aneka pasta (mie, spaghetti, dll) dgn kadar air ~ 12,5% Rempah-rempah kering dgn kadar air ~10%. 0,400 Umumnya; Tepung telor; kadar air ~5% Iidak dapat 0,300 ditumbuhi oleh Kukis, kreker, bread crust dll mikroorganisme (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%) Reference: Water Activity of Some Foods and Susceptibility to Spoilage by Microorganisms Adapted from Beuchat (1981). Nilai aktivitas air (a w ) pada beberapa jenis produk pangan 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

10 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.. 10

11 Konsep Dasar Pengeringan 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. 11

12 Percobaan penentuan Isoterm Sorpsi Air (ISA)... (1) Percobaan penentuan Isoterm Sorpsi Air (ISA)... (2) Lakukan : penyimpanan produk pada berbagai kondisi RH penyimpanan yang berbeda-beda.. 12

13 Percobaan penentuan Isoterm Sorpsi Air (ISA)... (3) Buat kurva kenaikan kadar air menuju ke kadar air kesetimbangan (selama penyimpanan pada berbagai kondisi RH) Catatan ttg Isoterm Sorpsi Air (ISA)... (1) Fenomena Histerisis Pada Kurva ISA. 13

14 Catatan ttg Isoterm Sorpsi Air (ISA)... (2) Fenomena Histerisis Pada Kurva ISA Hysteresis: loss of H 2 0 binding sites Catatan ttg Isoterm Sorpsi Air (ISA)... (3). 14

15 Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -1 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 Udara kering, panas Udara basah, dingin BAHAN PANGAN d Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -2 Mekanisme Pengeringan 3 tahap pengeringan : Tahap penyesuaian (settling down stage) ( A-B ) Tahap pengeringan dengan laju pengeringan konstan (Constant drying rate stage) ( B-C ) Tahap pengeringan dengan laju pengeringan menurun (Falling drying rate stage) ( C-D ). 15

16 Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -3 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) -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.. 16

17 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 ) Bisa dinyatakan dgn menggunakan nilai kelembahan absolute kelembahan absolute = (berat uap air/satu satuan berat udara) H = M w p 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 g1 A(H s -H a ), dimana K g1 = K g ( M a P/ M w ) H s kelembaban pada permukaan (kelembaban jenuh pd suhu permukaan), H a kelembaban udara pengering Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -6 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 c A ( 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) c L = -(dq/dt), dimana L = panas laten evaporasi. (dw/dt) c = - (h c A/L)( a - s ). 17

18 Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -7 Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Konstan (Constant Rate Periode; CRP) (B-C) (dw/dt) c = - (h c A/L)( a - s ) Jika A adalah luas area pengeringan effektif per satu satuan masa bahan, maka (dw/dt ) c = - (h c A'/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 : Waktu pengeringan selama CRP ( dw/dt) c = - (h c / s Ld) ( a - s )...CRP integrasikan persamaan (CRP) dengan batas W: (W 0 W c ), dan t: Dimana : s = desnitas kamba produk kering. (0 t c ). Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -8 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.. 18

19 Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -9 Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Menurun (Falling Rate Periode; FRP - (C-D) 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) -10 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 / s Ld) ( a - s )... CRP K = (-dw/dt) c / (W c -W e ) (dw/dt) f = -h c ( a - s ) (W - W e ) / s L d ( W c -W e ) t FRP intergrasikan dari t=0, W=W c sampai t=t FRP, W=W f Jika pengeringan terjadi dari dua permukaan (atas-bawah) maka d = 1/2 ketebalan lapisan.. 19

20 Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -11 Total waktu pengeringan = t crp + t frp 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 ). 20

21 Metoda pengeringan bahan pangan : Cek : 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 Metoda pengeringan bahan pangan : Cek : 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 3. Tunnel freeze-driers. 21

22 Teori-Pengeringan Beku Tekanan (atm) padat cair < P T gas gas(uap air) < T T Suhu ( o C) 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. 22

23 PENGERINGAN BEKU = Lyophilization KELEBIHAN lainnya Convenient Little effort needed to prepare easy to do at home Kriteria Suhu Pengeringan Mekanisme pengeringan Laju pengeringan Pengeringan Biasa/Vakum o C Penguapan (evaporasi) Lambat dan tidak komplit Pengeringan Beku Dibawah titik beku Sublimasi Cepat, dan lebih komplit Tekanan atmosfir Vakuum Tekanan Tekanan vakuum (dibawah P (diatas P triple ) triple ) Mutu Produk Sering menghasilkan permukaan yang keriput, kurang porus, densitas tinggi, Kurang mudah dibasahkan (disegarkan) kembali, warna kegelapan, mutu flavor, nilai gizi berkurang Tidak menyebabkan permukaan yang keriput, lebih porus, densitas lebh rendah, Mudah disegarkan kembali, Warna normal, Mutu flavor dan nilai gizi lebih dapat dipertahankan normal Biaya Kegunaan umum Lebih murah Untuk pengeringan umum, cocok untuk sayur-sayuran dan bijibijian, Kurang/tidak cocok untuk daging dan produk daging Lebih mahal Untuk produk dengan nilai ekonomi cukup tinggi, mikroenkapsulasi, produk instant, cocok untuk daging dan produk daging. 23

24 PENGERINGAN BEKU Contoh Produk Instant Coffee PENGERINGAN BEKU mampu lebih mempertahankan struktur fisik air es Ruang kosong/ prorous Bekukan Sublimasi Produk Segar Produk Beku Produk Kering-Beku. 24

25 PENGERINGAN BEKU mampu lebih mempertahankan struktur fisik Beku sublimasi Beku Kering sublimasi Proses pengeringan/ Sublimasi (terjadi pada suhu dingin) Kering-beku PENGERINGAN BEKU pengeringan biasa umumnya akan menyebabkan pengerutan/case hardening uap air basah Basah sublimasi Proses pengeringan/ evaporasi (terjadi pada suhu panas/tinggi) Difusi air dan uap air. 25

26 PENGERINGAN BEKU Contoh Produk Tomato Soup Sebelum direhidrasi Sesudah direhidrasi PENGERINGAN BEKU Contoh Produk Mixes MIXED VEGETABLES WITH PASTA Sesudah direhidrasi Sebelum direhidrasi. 26

27 Basic PENGERINGAN elements of a freeze-drying BEKU system prinsip peralatan PENGERINGAN BEKU prinsip peralatan. 27

28 PENGERINGAN BEKU prinsip peralatan PENGERINGAN BEKU prinsip peralatan. 28

29 PENGERINGAN BEKU komponen2-nya Shelves Condenser Valve Vacuum Pump Temp control PENGERINGAN BEKU parameter proses Alpha-1 MP 1g in molded vial Freezing--> < Sublimation > < Desorption Shelf temp Temperature (C) Product temp Prod temp 1-20 Prod temp Shelf Temperature Condenser Temp -40 Vapor Pressure (mbar) 200 Pressure Pressure (mtorr) Pressure (mb or mt) -60 Condenser temp Vapor pressure Cycle time. 29

30 PENGERINGAN BEKU tahap freezing Profile suhu produk pd proses pembekuan PENGERINGAN BEKU tahap freezing Slow freezing (~ 40 o C) quick freezing (~ 40 o C). 30

31 PENGERINGAN BEKU tahap freezing Proses pembekuan cepat Quick freezing, laju pergerakan permukaan beku sekitar 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 cm/jam pembeku kriogenik/immersion Freezer Pengeringan (drying)/ Dehidrasi (dehydration) Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fateta, IPB Director of Southeast Asian Food & Agricultural Science & Technology (SEAFAST) Center, Bogor Agricultural University, BOGOR, Indonesia TERIMAKASIH. 31