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

Transkripsi

1 Sifat Fisik Pangan dan Hasil Pertanian (TPP-1712) Prof.Dr.Ir. Haryadi, M.App.Sc. Dr. Yudi Pranoto,STP.,MP. 1

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 ) 2

3 Referensi Mohsenin, N.N., Physical Properties of Plant and Animal Materials. Lewis, M.J., Physical Properties of Foods and Food Processing Systems Rahman, S., Food Properties Handbook Rao, M.A. and Rizvi, S.S.H., Engineering Properties of Foods Bourne, M., Food Texture and Viscosity 3

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. 4

5 Sifat Sistem SI Sistem cgs Sistim British (Imperial) Massa kilogram (kg) gram (g) pound (lb) Panjang metre (m) centimetre (cm) foot (ft) Waktu second (s) second (s) second (s) hour (s) Suhu kelvin (K) atau degree Celsius ( o C) kelvin (K) degree Celcius ( o C) Fahrenheit ( o F) 5

6 Volume, Densitas dan Spesific Gravity by Dr. Yudi Pranoto 6

7 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 (pemindahan air) 7

8 Platform Scale Teknik sederhana yang diterapkan pada obyek berukuran besar seperti buah-buahan dan sayuran adalah platform scale, digambarkan pada Fig 3.7 8

9 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 ) = Densitas air (kg/m3 ) 9

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. 10

11 Densitas suatu bahan setara dengan massa bahan dibagi dengan volume yang melingkupinya densitas = massa 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 ) 11

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 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

13 13

14 14

15 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 15

16 16

17 Densitas Padatan Untuk bahan partikel (seperti pea, kacangkacangan, 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 17

18 Densitas konstituen padatan, dengan mengabaikan pori-pori internal telah dirangkum seperti pada Tabel

19 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 = m1 /ρ 1 + m 2 /ρ 2 + m 3 /ρ m n /ρ n 19

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 ).hasil = 1064 kg m -3 20

21 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 21

22 Apabila fraksi densitas dan volume diketahui, densitas dapat dievaluasi dari ρ f = V 1 ρ 1 + V 2 ρ 2 + V 3 ρ 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 22

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 23

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 24

25 25

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 26

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 ditentukan volume bulk 27

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 28

29 29

30 Tabel 2.7 memperlihatkan beberapa nilai bulk density untuk buah dan sayuran 30

31 Tabel 2.8 mencakup densitas padatan, bulk density dan kadar air untuk serealia terpilih. Nilai kisaran menggambarkan varietas berbeda yang diukur 31

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

33 Hubungan antara porositas, bulk density dan densitas padatan Hubungannya diberikan dengan porositas ε = volume udara volume sampel bulk = Volume sampel bulk volume padatan sebenarnya Volume sampel bulk 33

34 = 1 Volume padatan Volume bulk Massa padatan dan massa bulk adalah setara, sehingga bulk density porositas = 1 densitas padatan 34

35 ρ b = 1 ρs ρ s ρ b = ρ s Porositas dapat dinyatakan sebagai fraksi atau persentase. Persamaan ini dapat dipakai untuk padatan atau tanpa pori-pori internal 35

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 36

37 Namun demikian, sering lebih tepat untuk mengukur spesific gravity SG suatu cairan massa cairan SG = massa air dengan volume setara densitas cairan ρ L = densitas air ρw 37

38 Caution. Densitas = berat jenis Specific gravity = bobot jenis 38

39 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 ρ L = (SG) T x ρ w 39

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 atau hydrometer 40

41 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 ketika cairan ditambahkan ke padatan. 41

42 Pembacaan berikut diambil w 1 berat botol kosong w 2 berat botol penuh dengan air w 3 berat botol penuh dengan cairan w 4 berat botol plus padatan w 5 berat botol plus padatan plus cairan untuk mengisi Specific gravity cairan sebanding dengan w 3 w 1 w 2 w 1 42

43 Berat padatan adalah w 4 w 1, dan Berat cairan memiliki volume setara dengan padatan adalah w 3 w 1 (w 5 w 4 ) Sehingga specific gravity padatan setara dengan w 4 w 1 w 3 w 1 w 3 w 1 (w 5 w 4 ) w 2 w 1 Berat padatan x specific gravity cairan Berat cairan dng volume setara Toluene direkomendasikan sebagai solven yang cocok untuk penentuan specific gravity bahan 43

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 skala batangannya 44

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 45

46 3. Nilai densitas cairan Spesific gravity larutan sukrosa jika kekuatan berbeda terlihat pada Tabel

47 Tabel 2.12 menunjukkan spesific gravity dan gliserol 47

48 Tabel 2.13 menunjukkan specific gravity garam sodium chloride dan calcium chloride 48

49 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 49

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

51 4. Densitas susu Densitas susu sapi biasanya berkisar 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 Juga disajikan tabel koreksi suhu 51

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 52

53 Sehingga susu pada 26 o C dengan kadar lemak 3,5% dan specific gravity 1,032 akan dikoreksi dengan nilai 1,0322 pada 20 o 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 evaporasi dan krem telah dipelajari 53

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 (m 3 kmol -1 ) adalah volume molar, R=8,314 kj kmol -1 K -1 adalah konstanta gas, T (K) adalah suhu 54

55 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 55

56 Pada 100 o C dan 1 atm, V 1 V 2 = T 1 T 2 Sehingga 373 volume baru = 22,4 x = 30,605 m massa densitas baru = volume 29 = 30,605 =0,945 kg m -3 56

57 Densitas beberapa gas umum diberikan pada Tabel 2.15 Nilai sesuai dengan yang dihitung menggunakan persamaan gas ideal 57

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 (100 o C) memiliki volume spesifik 1,67 m 3 kg -1, sedangkan pada 10 o C akan memiliki volume spesifik 106,43 m 3 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 58

59 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 59

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 60

61 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 61

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 memberikan produk soggy heavy 62

63 Untuk krim olesan, diinginkan over-run % 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 63