PENENTUAN UMUR SIMPAN BAHAN PANGAN Tujuan Instruksional Khusus Mahasiswa mampu menjelaskan metode peramalan umur simpan bahan pangan yang dikemas UMUR SIMPAN atau MASA KADALUARSA Lamanya penyimpanan pada kondisi penyimpanan yang normal/sesuai) dimana produk masih memiliki atau memberikan daya guna seperti yang diharapkan SESUAI STANDAR Masih memberikan manfaat kesehatan Masih mengandung komposisi seperti yang diharapkan Masih memiliki sifat fisik, sensori, kimia atau mikrobiologi yang baik. 1
UMUR SIMPAN atau MASA KADALUARSA Tanggal kadaluarsa (Expiration date) Tanggal (waktu) dimana sampai tanggal tersebut produk masih memberikan daya guna seperti yang diharapkan (jika produk tersebut disimpan pada kondisi penyimpanan yang tepat). Batas akhir umur simpan menyimpang dari standar UMUR SIMPAN Cara-cara menetapkan umur simpan di industri : - secara intuisi (dari pengalaman) - secara analisis ilmiah Dasar untuk menentukan kriteria/batas rusak secara umum di industri : - Cara politis : ditentukan oleh pimpinan perusahaan - Cara teknis : berdasarkan analisa yang cermat 2
Dasar politis untuk menentukan kriteria rusak : 1. Berdasarkan konvensi : pimpinan meminta pendapat/rekomendasi R&D atau bagian pemasaran berdasarkan pengalaman mereka kemudian ditentukan oleh pimpinan 2. Kebijaksanaan yang didasarkan pada intuisi pimpinan 3. Analisa ekonomi : kalkulasi antara mutu dan lama simpan pada mutu tertentu sesuai dengan optimalisasi dan nilai ekonominya 4. Musyawarah pimpinan dengan bagian yang relevan kemudian diadakan konsensus tentang kriteria rusak 5. Aspek kesehatan : kapan produk masih aman untuk dikonsumsi Dasar teknis untuk menentukan kriteria rusak : - berdasarkan mutu inderawi - berdasarkan analisa2 objektif (kriteria daya awet) Kriteria daya awet : 1. kelas mutu 2. % loss atau % yang baik/utuh 3. % kandungan zat aktif yang masih bisa diterima 4. Mutu inderawi tentang rusak/tidak rusak 5. Mengandung zat/potensi bahaya yang berhubungan dengan kesehatan, misal : toksin atau mikroba patogen. 3
MASA SIMPAN : Ditentukan oleh faktor kritis pengolahan : Bahan mentah bermutu rendah Mutu rendah, dan penanganan sembarangan Kondisi pengolahan yang jelek Pemilihan bahan baku tidak baik, sanitasi kurang baik, dan praktek pengolahan kurang baik Kondisi pengemasan yang tidak baik Pemilihan pengemas salah, dan proses pengemasan kurang baik Kondisi penyimpanan/distribusi/penjajaan kurang baik Pengendalian suhu tidak baik, pengendalian kelembaban tidak baik, dan penanganan tidak baik Tabel 1. Contoh kriteria mutu produk pada kadar air kritis Macam Kriteria 1. Biji-bijian Tidak hancur, tidak berjamur, keras 2. Biskuit, produk kering Tidak lembek, renyah 3. Roti tawar Tidak keras, tidak berjamur 4. Gula Keras, tidak lengket 5. Bumbu-bumbu Tidak lengket, berbentuk bubuk, tidak berjamur 4
Aspartam akan mengalami perubahan, menjadi kurang manis dan berubah rasa : pada produk diet. Vitamin C akan mengalami kerusakan selama penyimpanan : pada produk buah Lipid akan mengalami oksidasi dan ketengikan : pada produk snack dan gorengan. Polifenoloksidase akan menyebabkan pembentukan noda hitam pada udang dan pencoklatan pada apel iris. Retrogradasi pati akan menyebabkan tekstur roti menjadi keras : disebut staling. Peningkatan kadar air (penyerapan air) pada biskuit, cracker, dan makanan ringan lainnya akan menyebabkan tekstur menjadi lembek. 5
6
DUA CARA PENENTUAN KADALUARSA EMPIRIS - Produk segar - umur simpan pendek - penyimpanan kondisi normal ESS (extended storage studies) PERMODELAN MATEMATIKA - Produk dikemas - Kondisi dipercepat ASLT ( accelerated shelf life testing), ASS (accelerated storage studies) - Asumsi mutu EMPIRIS O C TERIGU (kriteria : log jumlah kapang/g = 4,5) 40 35 30 25 20 15 10 hari 60 30 15 15 17 20 H 2 O % 7
EMPIRIS KOPI BIJI (kriteria : jumlah kapang lebih kecil dari = 10 4 /g) HR % 95 90 85 80 75 Lama Penyimpanan - Hari 10 30 50 100 70 15 20 25 30 35 O C Penentuan Umur Simpan Pengemasan Produk Beberapa bungkus produk dengan berat sama, disimpan pada beberapa desikator yang diatur RH (dibuat beragam). Diamati perubahan yang terjadi dan kadar airnya Keburukan : - waktu lama - memerlukan jumlah banyak 8
Penentuan Umur Simpan dengan Metode Akselerasi (accelerated Shelf Life Testing) Menyimpan produk pada lingkungan yang menyebabkannya cepat rusak pada suhu atau RH tinggi Data perubahan mutu selama penyimpanan diubah dalam bentuk model matematika umur simpan ditentukan dengan cara ekstrapolasi persamaan pada kondisi penyimpanan normal. Pendekatan metode kadar air kritis untuk produk pangan yang mudah rusak akibat penyerapan air selama penyimpanan Data percobaan yang diperoleh dapat mensimulasi umur simpan produk dengan permeabilitas kemasan dan kelembaban relatif ruang penyimpanan yang berbeda Penentuan Umur Simpan dengan Metode Akselerasi (accelerated Shelf Life Testing)...2) Persamaan untuk menyatakan umur simpan (Me Mo) ln (Me Mc) k x A Ws Po b θ = waktu perkiraan umur simpan (hari) M e = kadar air keseimbangan produk (g H 2 O/g padatan) M o = kadar air awal produk (g H 2 O/g padatan) b = slope kurva sorpsi isotermis M c = kadar air kritis (g H 2 O/g padatan) k/x = konstanta permeabilitas uap air kemasan g/m 2.hari.mmHg) A = luas permukaan kemasan (m 2 ) Ws = berat kering produk dalam kemasan (g padatan) Po = tekanan uap jenuh (mmhg)...1) 9
Pada persamaan (1) perlu informasi kurva isoterm sorpsi air (ISA) dari produk pangan yang diuji untuk menentukan kadar air kesetimbangan pada kelembaban relatif (RH) penyimpanan (Me) dan slope kurva (b) Pendekatan ini dapat digunakan bila kurva ISA berbentuk sigmoid. Penentuan kadar Air Kritis Kadar air kritis : nilai kadar air pada kondisi dimana produk pangan mulai tidak diterima oleh konsumen secara organoleptik Caranya : produk disimpan pada suhu kamar dengan kondisi terbuka, dan kadar air dan nilai kerenyahan dan skor kesukaan diamati secara periodik hingga produk mengalami kehilangan kerenyahan Kadar air produk dimana nilai kerenyahannya sudah tidak disukai oleh panelis merupakan kadar air kritis 10
Penentuan Kadar Air Kritis... Contoh : nilai kadar air pada berbagai RH RH 32% k.a. 4.5% Kadar air kritis RH 44% k.a. 6.5% Ka>ka kritis RH 90% k.a. 10% Lembek dan berjamur Penentuan kadar Air Kritis...2) Data kadar air, nilai kerenyahan pada setiap periode pengamatan diplotkan dengan nilai kesukaannya masingmasing grafik hubungan antara skor kesukaan dengan kadar air dan hubungan antara skor kesukaan dengan nilai kerenyahan. Hubungan tersebut dinyatakan dalam persamaan regresi linear. Berdasarkan regresi linear yang diperoleh, maka kadar air kritis dihitung pada saat skor kesukaan panelis berada pada skala penolakan (misal skor 3 = agak tidak suka) 11
Skor Kesukaan 09/01/2013 Contoh Perubahan kadar air, nilai kerenyahan, dan skor kesukaan produk selama periode pengamatan Waktu (jam) Kadar air (g H 2 O/g padatan) Kerenyahan (gf) Skor kesukaan 0 0,018 496,78 6,3 1 0,033 452,88 6,0 2 0,043 333,85 5,3 3 0,064 194,93 3,2 4 0,075 94,73 1,7 5 0,083 75,90 1,3 Kadar Air g H 2 O/g padatan Nilai kadar air kritis untuk biskuit adonan lunak dan adonan keras berturut-turut adalah 0,064 g H 2 O/g padatan dan 0,069 g H 2 O/g padatan. 12
Nilai kerenyahan pada saat produk ditolak =194,286 gf untuk biskuit adonan lunak dan 351,763 gf untuk biskuit adonan keras. Pembuatan Kurva Isotermi Sorpsi Air Penyimpanan produk pada berbagai nilai RH RH dapat diatur dengan menggunakan larutan garam jenuh Kurva Isotermi Sorpsi Air (ISA) : a w (RHE) Vs Kadar air keseimbangan (M e ) 13
Kurva kadar air pada berbagai nilai RH menuju kadar air keseimbangan 14
Kurva Isotermi Sorpsi Air Penentuan Nilai a w untuk kadar air kritis Didasarkan pada kurva isotermi sorpsi air Perlu menguji ketepatan model ISA yang digunakan Model untuk penentuan kadar air keseimbangan dan a w berdasarkan kurva isotermis sorpsi air : 1. Model GAB (Guggenheim Anderson deboer) rentang a w yang besar (hingga 0.9) 2. Model Hasley 3. Model Chen-Clayton 4. Model Henderson 5. Model Caurie 6. Model Oswin 15
Persamaan kurva isotermi sorpsi air pada berbagai model Model Persamaan Linearisasi Persamaan Hasley a P(1) exp w ) P(2 M e log ln 1 log P(1) P(2) log M a e w Chen- Clayton Henderson Caurie Oswin a w P(1) exp exp P 2 M e ln ln 1 a w ln P(1) P(2) M n log ln 1 log K nlog M 1 aw exp KM e 1 a e w ln M ln P(1) P(2) M e e a w aw P(1) 1 a w P(2) ln M ln P(1) P(2) a ln M e e aw ln P(1) P(2)ln 1 a w w e Pengujian ketepatan model dilakukan dengan menggunakan persamaan : MRD 100 n i 1 Mi Mpi Mi MRD = Mean Relative Determination Mi = Kadar air hasil percobaan Mpi = Kadar air hasil perhitungan n = Jumlah data MRD < 5 : model tepat 5 < MRD < 10 : model agak tepat MRD > 10 : model tidak tepat 16
Gambar. Kurva sorpsi isotermis biskuit adonan lunak model GAB Persamaan GAB : Persamaan kurva sorpsi isotermis biskuit adonan lunak dan adonan keras menurut model GAB beserta nilai % MRD-nya Jenis Biskuit Persamaan %MRD Adonan lunak Me = 0,5744 a w /(1 0,9481a w )(1 + 13,8569a w ) 5,87 Adonan keras Me = 0,1023 a w /(1 0,8441a w )(1 + 0,3655a w ) 2,19 Untuk biskuit adonan lunak, nilai a w pada saat kadar air kritis tercapai (0,0641 g H 2 O/g padatan) adalah 0,464, sedangkan untuk biskuit adonan keras pada kadar air kritis 0,0688 g H 2 O/g padatan) adalah 0,474. 17
Dengan model GAB ditentukan kadar air keseimbangan pada berbagai nilai RH Contoh Biskuit adonan lunak Biskuit adonan keras Kadar air kesetimbangan (Me) 1 RH 75% RH 80% RH 85% 0,1309 0,1574 0,1968 0,1641 0,1950 0,2348 1 Dinyatakan sebagai g H 2 O/g padatan Penentuan Permeabilitas Kemasan Misal permeabilitas kemasan terhadap uap air metode ASTM F1249-01 Jenis Biskuit Biskuit adonan lunak Biskuit adonan keras Kemasan Metallized plastic Metallized plastic Permeabilitas kemasan (g H 2 O/ m 2.hari. mmhg 2 0,0136 0,0180 18
Penentuan Umur Simpan Produk Biskuit Data-data untuk perhitungan umur simpan model kadar air kritis Parameter Biskuit adonan lunak Biskuit adonan keras Kadar air awal (M o, g H 2 O/ g padatan) 0,0183 0,0249 Kadar air kritis (M c, g H 2 O/ g padatan) 0,0641 0,0688 Kemiringan kurva ISA (b) 0,1180 0,2185 Berat padatan (W s, g) 216,00 122,62 Luas kemasan (A, m 2 ) 0,0588 0,0359 Tekanan uap air murni pada 30 o C (Po, mmhg) 31,820 31,820 Umur simpan biskuit adonan lunak dan adonan keras dalam kemasan metallized plastic pada berbagai kondisi kelembaban relatif ruang penyimpanan Umur Simpan (Hari/Bulan) Kelembaban Relatif (%) Biskuit adonan lunak Biskuit adonan keras 75 522 (17,4) 494 (16,5) 80 399 (13,3) 389 (13,0) 85 296 (9,9) 306 (10,2) 19
KADALUARSA BERDASARKAN SORPSI ISOTERMIK S = (M c M i ) x M x 1,5 x 10.000 (PxAx150) (75 + E) S = daya simpan (hari) M c = kdr air kritis produk (% bk) M i = kdr air kesetimbangan (% bk) M = berat produk (g) P = daya tembus uap air bahan pengemas g/m 2 d) pd 25 o C, 75% RH atau 37 o C, 90%RH E = ERH produk dalam kemasan (%) A = Luas permukaan kemasan (cm 2 ) Contoh : Biskuit 1 kg, kadar air kritis 15 % bk,kadar air kesetimbangan 6 % bk,erh 75 %. Dibungkus plastik PE, permeabilitas air 876 g/m 2 d, luas bungkusan 30 cm. S = (M c M i ) x M x 1,5 x 10.000 (PxAx150) (75 + E) (15-6) x 1000 x 1,5 x 10.000 (876 x 30 x 150) (75 +75) = 26,6 hari 20
Q 10 = Model Q 10 (Arrhenius) Laju penurunan mutu (T+10) Laju penurunan mutu pada suhu T ts(t) Q 10 = ts (T+10) Q 10 = Percepatan reaksi T = Suhu penyimpanan ( o C) T s(t) = Kadaluarsa jika disimpan pd suhu T t s(t+10) = Kadaluarsa jika disimpan pd suhu T+10 21
Contoh : Q dt/10 = ts(t1)/ts(t2) Bila Q 10 = 3, pd suhu 35 o C kadaluarsa 6 bulan. Berapa lama kadaluarsa produk tersebut jika disimpan pada suhu 20 o C t20=t35q 10 dt/10 = 6 x 3 (15/10) = 31,2 bulan KINETIKA PENURUNAN MUTU -dq/dt = kq n Q = Qualitas (mutu) t = waktu k = konstanta laju penurunan mutu n = ordo reaksi penurunan mutu 22
Penurunan mutu ordo nol (n = 0) -dq/dt = k atau Q t = Q 0 kt Penurunan mutu ordo satu (n = 1) -dq/dt = kq atau ln (Q t /Q 0 ) = kt Penurunan mutu ordo nol (n = 0) -dq/dt = k atau Q t = Q 0 kt Jika ditentukan bahwa Q s adalah mutu akhir (mutu produk saat harus ditarik dari pasaran), maka : Q s = Q 0 kt atau t s = (Q 0 -Qs)/k dimana t s adalah waktu kadaluwarsa 23
Penurunan mutu ordo satu (n = 1) -dq/dt = kq atau ln (Q 0 /Q t )= kt Jika ditentukan bahwa Q s adalah mutu akhir (mutu produk saat harus ditarik dari pasaran), maka : ln (Q 0 /Q s )= kt atau t s = (ln(q 0 /Q s ))/k atau t 1/2 = 0.639/k dimana t s adalah waktu kadaluwarsa BEBERAPA PENURUNAN MUTU PRODUK PANGAN SELAMA PENYIMPANAN Ordo Nol Mutu (overall quality) pangan beku Pencoklatan non enzimatis Ordo Satu Kehilangan/kerusakan vitamin Inaktivasi/pertumbuhan mikroba Kerusakan warna oksidatif Kerusakan tekstur karena panas 24
UJI UMUR SIMPAN YANG DIPERCEPAT (Accelerated Shelf Life Test) Berdasarkan suhu Model Arrhenius : mempercepat umur simpan dengan Meningkatkan suhu secara terukur Rumus umum penurunan mutu : -dq/dt = kq n Nilai k dipengaruhi suhu : k = k o exp -Ea/RT k = konstanta laju penurunan mutu k o = konstanta (faktor frekuensi, tidak tergantung suhu) Ea = energi aktivasi T = suhu mutlak (K) R = konstanta gas; 1,986 kal/mol (8.314 J/mol K0 Rumus-rumus yang digunakan Persamaan Ordo 0 : Q t = Q o kt Persamaan Ordo 1 : ln(q t ) = ln(qo) kt Pers. Arrhenius : ln k = lnko (Ea/R)(1/T) Q Slope = - k Ln Q Slope = - k Ln k Slope = - Ea/R t t 1/T Ordo 0 Ordo 1 Arrhenius 25
Desain Percobaan dan Analisis Data Dalam Pendugaan Umur Simpan Model Arrhenius (Studi kasus) Langkah Pendugaan Umur Simpan Dengan Kinetika Reaksi 1. Identifikasi faktor-faktor kritis yang menentukan umur simpan produk. 2. Tentukan batas awal mutu dan batas mutu minimum yang diharapkan/dijanjikan atau masih layak pajang/jual. 3. Produk disimpan pada suhu akselerasi, minimum 3 suhu yang dapat meningkatkan kecepatan penurunan mutu produk. 4. Dari studi penyimpanan, prediksi tingkah laku penurunan mutu dengan memplot grafik kinetika reaksi untuk ordo 0 dan ordo 1. Lakukan untuk semua faktor kritis terpilih. 26
Langkah Pendugaan Umur Simpan dengan Kinetika Reaksi : 5. Tentukan nilai k untuk tiap suhu penyimpanan terhadap semua faktor kritis yang dipilih. Nilai k meningkat dengan makin tinggi suhu. 6. Buat persamaan Arhennius yang menunjukkan hubungan antara 1/T dan Ln k (untuk 3 suhu pengamatan). 7. Hitung nilai k pada suhu penyimpanan atau distribusi yang dikehendaki. Nilai k dari persamaan ini merupakan laju penurunan mutunya per hari (penurunan unit mutu organoleptik per hari atau k) pada suhu tersebut. 8. Tentukan dugaan umur simpan produk. Selisih skor awal produk dan skor pada saat produk tidak disukai dibagi laju penurunan mutu (k) pada suhu distribusi merupakan umur simpan produk. Rumus-rumus yang digunakan Persamaan Ordo 0 Persamaan Ordo 1 Pers. Arrhenius : Q t = Q o kt : ln(q t ) = ln(qo) kt : ln k = lnko (Ea/R)(1/T) Q Slope = - k Ln Q Slope = - k Ln k Slope = - Ea/R t t 1/T Ordo 0 Ordo 1 Arrhenius 27
Kasus 1 : Pendugaan Umur Simpan Makanan Sapihan Produk dalam bentuk kemasan akhirnya (polibag) disimpan pada suhu 40, 50 dan 55 o C selama 1 bulan. Pada setiap minggu atau hari ke 0, 7, 14, 21 dan 28 pada setiap suhu penyimpanan dilakukan pengamatan organoleptik yang meliputi: (1) Aroma sebelum diseduh, (2) Aroma setelah diseduh, (3) Rasa, dan (4) warna, menggunakan 16 orang panelis semi-terlatih. Jumlah sampel untuk organoleptik saja = 3x4x4x5=240 bungkus. Penilaian metode skor 1 5. Nilai yang tidak dapat diterima adalah skor = 3. Analisis Organoleptik Menggunakan Uji Skoring Parameter Organoleptik : Aroma sebelum diseduh Aroma setelah diseduh Warna Rasa Skor 5 = Sesuai dengan standar (warna bintik hijau dan merah cerah) 4 = Sedikit berbeda dengan standar, tapi masih diterima (bintik hijau & merah agak cerah) 3 = Mulai tercium aroma tengik/apek (bintik hijau dan merah kurang cerah) 2 = Tengik dan apek (warna agak pucat gelap) 1 = Sangat tengik dan apek (pucat/gelap) Skor Mulai Tidak Diterima = 3 28
Skor Skor Skor 09/01/2013 Aroma sebelum diseduh SUHU HARI KE- Skor Rata2 Perhitungan Nilai K Ln Skor Nilai Slope, K dan korelasi Slope Intersept Korelasi 40 0 5.0 1.61 ORDO O 7 5.0 1.61-0.024 5.07 0.89 14 4.7 1.54 ORDO 1 21 4.7 1.54-0.005 1.62 0.89 28 4.3 1.47 50 0 5.0 1.61 ORDO 0 7 4.9 1.59-0.047 5.18 0.85 14 4.7 1.54 ORDO 1 21 4.4 1.49-0.011 1.65 0.82 28 3.6 1.27 55 0 5.0 1.61 ORDO 0 7 4.4 1.49-0.067 4.81 0.86 14 3.4 1.23 ORDO 1 21 3.3 1.18-0.017 1.57 0.87 28 3.3 1.18 Grafik Ordo 0 Suhu 40 C ordo 0 5.2 5 4.8 4.6 4.4 4.2 y = -0.0239x + 5.068 R 2 = 0.8913 0 10 20 30 Waktu Penyimpanan Suhu 50 ordo 0 Suhu 55 ordo 0 6 5 4 3 2 1 0 y = -0.0474x + 5.176 R 2 = 0.8478 0 10 20 30 Waktu Penyimpanan 6 5 4 3 2 1 0 y = -0.067x + 4.812 R 2 = 0.8578 0 5 10 15 20 25 30 Waktu Penyimpanan 29
Ln Skor Ln Skor Ln Skor 09/01/2013 Grafik Ordo 1 Suhu 40 C ordo 1 1.650 1.600 1.550 1.500 y = -0.0051x + 1.6246 R 2 = 0.8867 1.450 0 5 10 15 20 25 30 Waktu Penyimpanan Suhu 50 C ordo 1 Suhu 55 ordo 1 2.000 2.000 1.500 1.500 1.000 0.500 y = -0.011x + 1.6543 R 2 = 0.8161 1.000 0.500 y = -0.0168x + 1.5727 R 2 = 0.8668 0.000 0 5 10 15 20 25 30 Waktu Penyimpanan 0.000 0 5 10 15 20 25 30 Waktu Penyimpanan 30