Perencanaan dan Pendugaan Umur Simpan Produk Pangan: Aplikasi Prinsip Arrhenius Feri Kusnandar Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan Fakultas Teknologi Pertanian Ins6tut Pertanian Bogor
Metode Pendugaan Umur Simpan Secara Akselerasi Metode ASLT Model Arrhenius Model Kadar Air Kri6s Pendekatan Kurva Sorpsi Isothermis Pendekatan Kadar Air Kri6s Termodifikasi
Ekstrapolasi data Dalam ASLT Laju kerusakan Data Ekstrapolasi Kondisi penyimpanan Accelerating Factors
Metode ASLT: Model Arrhenius Digunakan untuk melakukan pendugaan umur simpan produk pangan yang sensi6f oleh perubahaan suhu. Reaksi kimia yang dipengaruhi suhu: oksidasi lemak, reaksi Maillard, dan oksidasi vitamin C Perubahan yang dapat diama6: intensitas warna, kandungan komponen kri6s, perubahan organolep6k
Contoh Aplikasi Model Arrhenius Makanan kaleng steril komersial Susu UHT Susu bubuk/formula Produk chips/snack Jus buah Mie instan Frozen meat/shrimp/ fish Saus sambal/tomat Bumbu dan kondimen Jem Produk pasta Tepung- tepungan Kacang goreng
Percobaan Model Arrhenius Menentukan konstanta laju reaksi (k T ) untuk parameter mutu kri6s pada masing- masing suhu akselerasi (ordo 0 atau 1) Melakukan ekstrapolasi untuk menentukan nilai k pada suhu penyimpanan dimana umur simpan produk ingin ditentukan (persamaan Arrhenius). Menghitung perkiraan umur simpan.
Tahapan Percobaan Iden6fikasi Karakteris6k Produk Iden6fikasi Parameter Mutu Kri6s Tentukan Metode Analisis Percobaan: T, t Percobaan Pengumpulan Data Analisis Data: Tentukan Orde Reaksi (0 atau 1) Tentukan Konstanta Laju Reaksi (k T ) Pilih Parameter Mutu yang Berubah Nyata Tentukan k T pada suhu penyimpanan (model Arrhenius) Hitung Self- life Menentukan Q o dan Q c Verifikasi
IdenBfikasi KarakterisBk Produk Pangan Iden6fikasi ingredien yang ada dalam produk. Mana ingredien yang kri6s yang berpotensi untuk mengalami interaksi dengan komponen lain atau berubah/rusak selama penyimpanan. Iden6fikasi kondisi suhu distribusi dari pabrik ke pasar, suhu penyimpanan di toko (lokasi penjajaan), serta suhu penyimpanan oleh konsumen.
IdenBfikasi Faktor Mutu KriBs Penentu Umur Simpan Tentukan atribut mutu apa yang berdasarkan pengalaman sangat mempengaruhi penolakan produk oleh konsumen. Apakah perubahan mutu dipengaruhi oleh suhu??? Bila belum diketahui secara pas6, bisa dipilih beberapa atribut mutu yang dicurigai berkontribusi pada penolakan produk.
IdenBfikasi Faktor Mutu KriBs Penentu Umur Simpan Untuk klaim tertentu dari produknya, perlu dijadikan faktor mutu kri6s bila memang akan berkurang kandungannya selama penyimpanan. Misal: Bila ada klaim kandungan kaya DHA/EPA, maka atribut mutu ini perlu dimasukkan sebagai faktor mutu kri6s. Produk makanan kaleng sterilisasi komersial: harus dipas6kan bahwa kecukupan proses panas sudah tercapai sehingga 6dak ada pengaruh mikrobiologis yang akan mempengaruhi perubahan mutu produk.
Tentukan Metode Analisis Metode analisis dapat secara obyek6f (analisis kimia atau fisik) atau secara subyek6f (uji organolep6k). Misal: Untuk analisis kerusakan lemak, dapat berdasarkan uji bilangan TBA (analisis kimia) atau uji sensori (uji 6ngkat ketengikan). Untuk derajat perubahan warna akibat reaksi pencoklatan dapat menggunakan analisis secara spektrofometrik atau dengan colourimeter atau secara organolep6k.
Tetapkan Suhu Penyimpanan & Pengamatan Per6mbangkan kondisi penyimpanan yang umum dilakukan. Minimal 3 suhu percobaan yang lebih 6nggi dibanding suhu penyimpanan normal. Contoh suhu penyimpanan dan waktu pengamatan untuk percobaan umur simpan beberapa produk pangan Jenis/Tipe Produk Suhu ( C) Pengamatan (minggu) Makanan kaleng, juice, susu UHT, mie, produk gorengan, saus 35, 45, 55 0, 7, 14, 21, 28, 35 Chilled Products 5, 10, 15, 20 0, 7, 14, 21, 28, 35 Pangan beku - 5, - 10, - 15 1, 2, 3, 4, 5, 8, 12, 14, 16, 20
Percobaan dan Pengumpulan Data Jumlah contoh: memper6mbangkan variasi suhu penyimpanan, frekuensi pengambilan contoh untuk analisis, jenis analisis yang akan dilakukan, serta ulangan. Contoh untuk analisis kimia/fisik harus berbeda dari contoh untuk uji organolep6k. Contoh = Suhu* Waktu pengamatan/suhu* ulangan* sampel per periode analisis Kemasan: Pengujian dilakukan dengan menggunakan kemasan yang aslinya dan dalam kondisi sealing masih tertutup rapat.
Percobaan dan Pengumpulan Data Inkubator harus dapat diatur suhunya sesuai dengan kebutuhan suhu percobaan. Diperlukan minimal 3 buah inkubator yang dapat menampung semua contoh yang mendapat perlakuan suhu yang sama. Kontrol (pembanding): Disimpan pada suhu penyimpanan normal. Contoh diambil secara periodik dan dilakukan analisis sesuai dengan disain percobaan. Contoh yang sudah diambil 6dak boleh digunakan untuk analisis berikutnya.
Inkubator Untuk Penyimpanan Contoh
Percobaan dan Pengumpulan Data Data ditabulasi dalam bentuk tabel. Tabel disusun sedemikian rupa sehingga memudahkan dalam plot ke dalam bentuk grafik. Mis: Hari (sb x), Parameter Mutu (sb y) Gunakan tabel yang terpisah untuk se6ap parameter mutu yang dianalisis (dalam worksheet Excel). Hitung nilai rata- rata untuk masing- masing parameter mutu. Nilai rata- rata inilah yang akan digunakan dalam perhitungan selanjutnya.
Contoh Format Data Hasil Pengamatan
IdenBfikasi Nilai Mutu Awal dan Batas KriBsnya Nilai mutu awal untuk faktor mutu kri6s dapat diketahui dari penyimpanan hari ke- 0. Gunakan sampel yang baru diproduksi. Batas kri6s mutu atau batas mutu akhir (Q s ): Batas mutu dimana akan dilakukan keputusan penolakan terhadap produk.
IdenBfikasi Nilai Mutu Awal dan Batas KriBsnya Untuk klaim kandungan tertentu dalam produk: tentukan batas kri6s berdasarkan persentase penurunan kandungan yang dapat ditolerir. Misal: Bila kehilangan kandungan Vitamin C yang ditolerir selama penyimpanan adalah 20%, maka batas mutu kri6snya adalah 80% dari kandungan awalnya. Batas kri6s dapat juga ditentukan berdasarkan hasil uji organolep6k. Misal: Batas kri6s uji bilangan TBA ditentukan berda- sarkan hubungan antara nilai bilangan TBA dengan skor sensori terhadap ketengikan.
Perhitungan KarakterisBk KineBka Penurunan Mutu Buat plot data hubungan antara nilai mutu (Q t ) untuk masing- masing suhu terhadap waktu pengamatan (t, hari) menurut reaksi Orde 0 dan 1. Q Ordo 0 Ordo 1 Slope = - k T Ln Q Slope = - k T T3 T2 T1 T3 T2 T1 t t
Perhitungan KarakterisBk KineBka Penurunan Mutu Berdasarkan plot data tersebut, tentukan model persamaan dari masing- masing orde reaksi 0 dan 1. Orde 0 Orde 1 : Q t = Q o k T t : LnQ t = LnQ o k T t dimana: Q o = nilai mutu awal penyimpanan Q t = nilai mutu pada waktu penyimpanan t k T = konstanta laju reaksi/penurunan mutu pada suhu T t = waktu penyimpanan (hari)
Perhitungan KarakterisBk KineBka Penurunan Mutu Tentukan konstanta penurunan mutu (k T ) untuk 6ap suhu percobaan dan nilai R 2 - nya. R 2 menunjukkan kedekatan persamaan dalam memprediksi nilai mutu pada waktu penyimpanan tertentu. Tentukan orde reaksi yang paling cocok. Pilih model yang secara umum memberikan R 2 yang 6nggi. Apabila baik model orde 0 dan orde 1 memiliki R 2 yang 6nggi, bisa dipilih salah satu. Bila dipilih model Orde 0, hasil perhitungan umur simpan akan lebih pendek dari model orde 1.
Perhitungan KarakterisBk KineBka Penurunan Mutu Plot nilai k T untuk masing- masing orde (atau setelah memilih salah satu orde) terhadap suhu percobaan (misalnya T 1, T 2, T 3 ) menurut model persamaan Arrhenius: k T = k o.exp(- E a /RT) dimana: k T = konstanta laju reaksi/penurunan mutu k o = konstanta (faktor frekuensi, 6dak tgt suhu) E a = energi ak6vasi T = suhu mutlak (K): T o K= 273+ T o C R = konstanta gas (8.314 J/mol.K)
Perhitungan KarakterisBk KineBka Penurunan Mutu Model Arrhenius dibuat dalam bentuk persamaan logaritmik. Plot hubungan antara Lnk T (sumbu y) versus 1/T (sumbu x). Lnk T = Lnk o E a /RT Ln K Slope (K) = - E a /R 1/T
Perhitungan Umur Simpan pada Suhu yang Diinginkan Umur simpan (t s ) pada suhu penyimpanan tertentu dihitung dengan: Reaksi Ordo 0 Reaksi Ordo 1 : t s = (Q o - Q s )/k T : t s = [ln(q o /Q s )]/k T k T pada suhu penyimpanan tertentu dihitung dengan menggunakan persamaan model Arrhenius Lakukan pendugaan umur simpan pada kondisi distribusi dan penyimpanan yang aktual (secara ekstrapolasi)
Perhitungan Umur Simpan pada Suhu yang Diinginkan Plot hubungan antara hubungan umur simpan (sumbu x) dengan suhu penyimpanan (sumbu y) Umur Simpan (hari) Suhu Penyimpanan ( o C)
Evaluasi dan Rekomendasi Umur Simpan Dengan persamaan matema6ka model umur simpan, dapat ditentukan umur simpan pada berbagai suhu. Keputusan manajemen yang akan menentukan pada suhu berapa umur simpan produk akan ditentukan, apakah pada suhu penyimpanan normal, suhu distribusi atau suhu di 6ngkat konsumen. Dimungkinkan produsen mencantumkan umur simpan pada beberapa suhu penyimpanan.
Verifikasi dan Monitoring Untuk verifikasi antara pendugaan dan aktual, industri perlu mempelajari/ mengama6/monitoring kondisi distribusi dan penyimpanan baik ritel maupun di 6ngkat konsumen secara tepat, sehingga pendugaan yang dilakukan betul- betul mempunyai dasar yang baik dan akurat.
Case Study: Shelf- life DeterminaBon of Instant Noodles Product characterisbcs: Fried instant noodles Cheese flavor IdenBfied quality loss factors Rancid odour: fat oxida6on Color changes: Maillard reac6on Loss of cheese flavor
Experimental Design Storage temperatures: 45, 51, 60 o C Period of data collec6on: 0, 7, 14, 21, 27, 35 days Control sample: 30 o C Samples analyzed: noodles and seasoning Parameter of analyses Peroxide value Lab colorimeter: Lightness (L, a, b value) Sensory tes6ng: ra6ng difference method (8 trained panelists) à to determine quality limit (Q c )
Experimental Findings: SelecBon CriBcal Parameter Significant changes of quality parameters by storage temperatures and 6mes Peroxide value of noodles Lightness (L value) of powder Other parameters did not change consistently during experimental periods. Peroxide value and lightness were selected as cri6cal parameters for shelf- life determina6on
ReacBon Rate Constant (k T ) for Peroxide Value and Lightness Parameter Temp ( o C) ReacBon order 0 ReacBon order 1 Slope (k T ) Intercept R 2 Slope (k T ) Intercept R 2 Peroxide value 45 0,0118 0,904557 0,980 0,0109 0,094 0,959 51 0,0171 0,956614 0,936 0,0144 0,039 0,890 60 0,1272 0,311312 0,835 0,0504 0,147 0,957 Lightness (L) 45-0,2293 71,50467 0,921-0,0033-4,270 0,925 51-0,5602 70,106 0,925-0,0089-4,251 0,943 60-0,9911 67,75 0,893-0,0178-4,219 0,926 Overall: reac6on order 1 is beser model for both parameters
DeterminaBon of Quality Limit Peroxide value posi6vely correlated with the degree of rancid odour and ater taste. Lightness nega6vely correlated with degree of darkness. Criteria for product rejec6on by panelist: Rancid odor: ini6ally detectable rancid odor Colour : darker
DeterminaBon of Quality Limit Parameter Qo Qc ΔQ=Qo- Qc Peroxide value 0.87 1.50 0.63 Lightness 72.17 57 15.17
Arrhenius Model for Peroxide Value (ReacBon Order 1) 0.0030 0.0030 0.0030 0.0030 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031 0.0032-3.00 Ln K -3.50-4.00-4.50 y = -11090x + 30.22 R² = 0.93772 Y = ln k x = (1/T) Slope = Ea/R=11090 Intercept=lnk o =30.22-5.00 1/T Ln k T = Ln k o - E a /RT)
Arrhenius Model for Lightness (ReacBon Order 1) 0.0030 0.0030 0.0031 0.0031 0.0032 0.0032-3.00 Ln K -3.50-4.00-4.50-5.00 y = -11602x + 30.892 R² = 0.96171 Y = ln k x = (1/T) Slope = Ea/R= 11602 Intercept=Lnk o =30.892-5.50-6.00 1/T Ln k T = Ln k o - E a /RT)
Shelf- life of Instant Noodles (Cheese flavor) CriBcal Parameter ReacBon Order Shelf- life (months) 20 o C 25 o C 30 o C Peroxide value 0* 230.2 85.7 32.9 1 37,4 19.8 10.7 Lightness 0 29.5 16.6 9.5 * Over predic6on 1 47.5 24.4 12.8 Shelflife = t s = [ln(q o /Q s )]/k T (ordo 1)
RecommendaBon The shelf- life of cheese flavor instant noodles can be based on peroxide value or lightness Shelf- life at 30 o C, reac6on order 1: Based on peroxide value: 10.7 months Based on lightness: 12.8 months Shelf- life declare on product label can be based on the shortest one: 10.7 months