PENGERTIAN PROSES PENGERINGAN Tujuan Instruksional Khusus : Mahasiswa dapat menjelaskan prinsip proses pengeringan pada bahan pangan Mahasiswa dapat menjelaskan metode-metode pengeringan pada bahan pangan, jenis-jenis alat pengering Mahasiswa dapat menjelaskan pengaruh pengeringan panas terhadap karakteristik bahan pangan Proses pengeluaran atau menghilangkan sebagian air dari suatu bahan sampai kadar air keseimbangan dengan udara lingkungan atau sampai kadar air tertentu dimana jamur, enzim dan serangga yang merusak tidak dapat aktif (Hall, 1957, Henderson and Perry, 1976) Proses yang menggunakan panas dengan kondisi terkendali untuk mengeluarkan sebagian besar air yang secara normal terdapat pada bahan pangan, melalui proses penguapan atau sublimasi (pada pengeringan beku) (Fellows, 1990) Geankoplis (1983) Beda pengeringan Vs Evaporasi : Pada pengeringan air yang dikeluarkan lebih sedikit dan dikeluarkan sebagai uap air oleh udara pengering Pada evaporasi air dikeluarkan dalam bentuk uap pada kondisi titik didih air dan dalam jumlah lebih banyak DASAR PROSES PENGERINGAN Proses penguapan air dari bahan dapat dicapai melalui : Penggunaan energi panas (pengeringan suhu tinggi Dehumidifikasi (penurunan RH) sehingga terjadi keseimbangan RH Terjadinya penguapan air dari bahan ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara dengan bahan yang dikeringkan Menyangkut perpindahan massa (uap) dari bahan dan energi ke bahan secara simultan Proses pindah panas pada pengeringan tergantung pada : Suhu Kelembaban udara Laju aliran udara Permukaan bahan yang langsung berhubungan dengan udara tekanan 1
DASAR PROSES PENGERINGAN Laju perpindahan uap air dari bahan ke udara tergantung pada : Suhu bahan Komposisi bahan Kadar air awal Alat pengering menggunakan proses konduksi, konveksi atau radiasi pada proses pindah panas dari sumber panas ke bahan yang dikeringkan. DASAR PROSES PENGERINGAN.. 6 mekanisme fisik pergerakan air di dalam bahan : 1. Gerakan cairan karena gaya permukaan (aliran kapiler) 2. Difusi cairan karena perbedaan konsentrasi 3. Difusi permukaan 4. Difusi uap air dari dalam pori-pori yang berisi udara 5. Aliran karena adanya perbedaan tekanan 6. Aliran karena terjadinya penguapan dan kondensasi DASAR PROSES PENGERINGAN. Penguapan air dari biji-bijian meliputi : 1. Pelepasan ikatan air dari biji 2. Difusi air dan uap air ke permukaan 3. Perubahan fase dari air menjadi uap air 4. Perpindahan uap air dari permukaan ke udara sekitar 5. Perpindahan uap air di udara UDARA PENGERING Suhu, RH dan kecepatan aliran udara pengering mempengaruhi proses pengeringan >>Suhu udara pengering perbedaan suhu bahan Vs suhu udara pengering >> faktor pendorong pindah panas dari udara pengering ke bahan. >> suhu udara pengering laju pindah panas 2
UDARA PENGERING. Besarnya suhu udara pengering tergantung pada : jenis dan tujuan penggunaan bahan yang dikeringkan Penggunaan suhu tinggi merusak bahan yang peka terhadap suhu tinggi Pada RH udara pengering rendah perbedaan tekanan parsial uap air pada permukaan bahan dengan udara pengering >> jumlah massa uap air yang pindah dari bahan ke udara pengering > Kecepatan aliran udara waktu pengeringan cepat UDARA PENGERING. >>suhu pengeringan pada RH konstan waktu pengeringan << >> RH pada suhu udara konstan waktu pengeringan semakin panjang 3 faktor yang menentukan kemampuan udara pengering untuk mengeluarkan air dari bahan : Jumlah uap air pada udara pengering Suhu udara Jumlah udara yang melewati bahan pangan UDARA PENGERING. Jumlah uap air di udara dinyatakan dengan : - kelembaban mutlak (absolute humidity, H) - kelembaban relatif (RH) Psychrometry : mempelajari hubungan sifatsifat udara-uap air psychrometric chart UDARA PENGERING 3 karakteristik udara yang baik untuk pengeringan bahan pangan : - suhu bola kering tinggi - RH rendah - kecepatan aliran udara tinggi Jika pada bahan pangan dihembuskan udara panas maka uap air akan berdifusi melalui boundary film di sekitar bahan dan dibawa keluar oleh udara driving forcenya : perbedaan tekanan uap air pada bahan pangan dengan udara kering. 3
ENERGI PENGERINGAN Gambar 1. Pergerakan air selama pengeringan bahan Diperlukan untuk memanaskan udara pengering dan menguapkan air bahan. Energi untuk memanaskan udara : Q( h ho q1 V d ) Energi untuk menguapkan air pada bahan : q w xh 2 a fg h d = entalpi udara pengering (kj/kg udara kering) ho = entalpi udara lingkungan (kj/kg udara kering) hfg = panas laten penguapan air (kj/kg) q1 = energi panas untuk memanaskan udara pengering (kj/jam) q2 = energi panas untuk menguapkan air dari bahan (kj/jam) V = volume spesifik udara pada titik pengukuran (m 3 /kg udara kering) W a = laju penguapan air bahan (kg/jam) Q = laju aliran udara (m 3 /jam) ENERGI PENGERINGAN.. Pada pengeringan dengan alat mekanis energi dibutuhkan untuk : - memanaskan alat pengering - mengimbangi radiasi panas yang keluar dari alat - memanaskan bahan - menguapkan air bahan - menggerakkan udara ENERGI PENGERINGAN.. Sumber energi panas : Energi matahari Biomassa Bahan bakar lain : minyak bumi, batubara, energi listrik Energi kapur api (CaO) Energi matahari murah dan mudah diaplikasikan dengan suhu rendah, tapi tergantung cuaca diatasi dengan membuat ruang pengumpul energi panas 4
ENERGI PENGERINGAN.. Bahan biomassa yang dapat digunakan sebagai sumber energi : limbah hasil pertanian (jerami, tongkol jagung) Cara merubah biomassa menjadi energi : Pemanasan langsung dalam tanur Mengubahnya menjadi gas (pirolisis atau gasifikasi) Memproduksi gas melalui perombakan anaerob Melalui produksi etanol secara fermentasi atau destilasi LAJU PENGERINGAN Menggambarkan kecepatan pengeringan Dinyatakan dengan berat air yang diuapkan per satuan berat kering per jam Air yang diuapkan dari bahan tdd : air bebas dan air terikat Air bebas : berada di permukaan bahan dan yang pertama kali mengalami penguapan Laju penguapan air bebas perbedaan tekanan uap pada permukaan air terhadap tekanan uap udara pengering laju pengeringan konstan (waktu singkat pada biji-bijian) LAJU PENGERINGAN.. KURVA LAJU PENGERINGAN Setelah air permukaan habis terjadi difusi uap air dari bagian dalam karena perbedaan konsentrasi atau tekanan uap di bagian dalam dan bagian luar Laju pengeringan perbedaan tekanan uap antara bagian dalam dan luar biji Laju Pengeringan Menurun Kadar Air A B C D Waktu Pengeringan 5
KURVA LAJU PENGERINGAN.. KURVA LAJU PENGERINGAN Laju Pengeringan (kg air/jam m 2 ) Laju pengeringan menurun E D C Laju pengeringan konstan B A A Periode antara A (atau A ) B : singkat dan dapat diabaikan dalam analisa waktu pengeringan B-C : laju pengeringan konstan yang mewakili proses pengeluaran air tidak terikat dari produk yang terdapat di permukaan (a w mendekati 1) pada pengeringan apel tidak terdapat Periode laju pengeringan menurun I dimulai dari C dibatasi oleh kadar air kritis (M c ) : terjadi jika permukaan mulai mengering Periode laju pengeringan menurun II dimulai dari D : jika permukaan sudah mengering sempurna M c Kadar Air PERHITUNGAN LAJU PENGERINGAN KURVA LAJU PENGERINGAN. Waktu (jam) W Benih (g) Ka benih (%BB) Ka Benih (%BK) W air (g) 0 104.6 44.9 81.6 47.1 2 95.6 39.7 66.0 38.0 Waktu yang dibutuhkan bahan untuk melewati ke-4 periode berbeda-beda tergantung ka awal bahan dan kondisi pengeringan 4 88.7 35.1 54.0 31.1 6 82.0 29.8 42.4 24.4 8 77.1 25.3 33.9 19.5 10 72.4 20.4 25.7 14.8 12 68.3 15.7 18.6 10.7 14 66.4 13.3 15.3 8.8 16 64.7 11.0 12.3 7.1 18 63.7 9.6 10.6 6.1 20 62.8 8.3 9.0 5.2 22 61.9 6.9 7.5 4.3 24 61.5 6.3 6.8 3.9 26 61.2 5.9 6.3 3.6 28 60.9 5.4 5.7 3.3 30 60.7 5.1 5.4 3.1 32 60.5 4.8 5.0 2.9 34 60.4 4.6 4.9 2.8 36 60.2 4.3 4.5 2.6 38 60.2 4.3 4.5 2.6 40 60.1 4.2 4.3 2.5 45 59.8 3.7 3.8 2.2 6
90.0 PERHITUNGAN LAJU PENGERINGAN Kadar Air (% bk) 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 Model matematik pengeringan lapis tipis : M M e M M o e A kt atau M M e ln ln A kt M M o e Pers.1 20.0 10.0 0.0 0 6 12 18 24 30 36 42 48 Waktu (jam) Pola penurunan kadar air benih cabai merah selama pengeringan Asumsi dalam penggunaan model matematis pengeringan lapis tipis : - suhu dan RH selama proses tetap - bahan yang dikeringkan sangat tipis sehingga pengaruh difusi air dapat diabaikan PERHITUNGAN LAJU PENGERINGAN -dm/dt (%bk/jam) (M-Me)/(Mo-Me) [A] ln[a] 0.00 1.0000 0.0000 7.81 0.8004-0.2226 5.99 0.6464-0.4363 5.82 0.4969-0.6993 4.25 0.3876-0.9478 4.08 0.2827-1.2634 3.56 0.1912-1.6544 1.65 0.1488-1.9051 1.48 0.1109-2.1993 0.87 0.0886-2.4240 0.78 0.0685-2.6812 0.78 0.0484-3.0283 0.35 0.0395-3.2322 0.26 0.0328-3.4180 0.26 0.0261-3.6465 0.17 0.0216-3.8342 0.17 0.0172-4.0654 0.09 0.0149-4.2048 0.17 0.0105-4.5601 0.00 0.0105-4.5601 PERHITUNGAN LAJU PENGERINGAN Pada percobaan ini asumsi untuk pengeringan lapis tipis dipenuhi setelah 8 jam proses pengeringan. Dengan menggunakan Pers (1) dibuat plot antara ln (M-Me)/(Mo-Me) Vs Waktu. Dari Hasil plot diperoleh 4 periode laju pelepasan kandungan air dari benih yaitu : Periode I : 0-8 jam : laju pengeringan cepat Periode II : 8-16 jam : laju pengeringan sangat cepat Periode III : 16-33 jam : laju pengeringan lambat Periode IV : 33-42 jam : laju pengeringan sangat lambat 0.09 0.0082-4.8000 0.10 0.0015 7
ln (M-Me)/(Mo-Me) 0.0000-1.0000-2.0000-3.0000-4.0000-5.0000-6.0000 y = -0.1186x + 0.0133 R 2 = 0.9983 y = -0.1572x + 0.2928 R 2 = 0.9952 y = -0.1168x - 0.3669 R 2 = 0.9941 y = -0.0912x - 1.154 R 2 = 0.9401 Waktu Pengeringan (Jam) Dari hasil percobaan diketahui yang memenuhi asumsi berlakunya rumus pers (1) adalah periode II-IV, sedang periode I tidak karena suhu dan RH masih berubah-ubah diperoleh 3 persamaan : - Y 2 = -0.1572 x + 0.2928 (R = 0.9983) - Y 3 = -0.1168 x 0.3669 (R = 0.9941) - Y 4 = -0.0912 x 1.154 (R = 0.9401) diperoleh 3 konstanta (b), kadar air (M) dan waktu kritikal atau peralihan periode. Kadar air kritikal (M c ) adalah kadar air peralihan yaitu kadar air pada titik awal pada masing-masing garis lurus (M 2 = kadar air awal garis lurus periode 2, M 3 = kadar air awal garis lurus periode 3, dan M 4 = kadar air awal garis lurus periode 4). Waktu kritikal = waktu peralihan dari periode satu ke periode berikutnya. - Waktu kritis pada periode 2 dan 3 ditentukan dengan mencari titik potong Pers (2) dan (3) : -0.1572 x + 0.2928 = -0.1168 x 0.3669 0.0404 x = 0.6597 x 2-3 = 16.3 jam - Waktu kritis pada periode 3 dan 4 (x 3-4) = 30.7 jam Untuk mendapatkan kadar air kritis pada periode ke-3, maka nilai x 2-3 dimasukkan ke pers garis ke-2 : Y 2 = -0.1572 x + 0.2928 Y 2 = -0.1572 (16.3) + 0.2928 Y 2 = -2.26956 Y 2 = M M e ln ln A = kt -2.26956 M o M e (M-M e ) sehingga = 0.1034, M e = 3.8% bk dan M o = 81.6% bk, (M o -M e ) maka : (M-3.8)/(81.6-3.8) = 0.1034 M = 11.85% bk Dengan cara yang sama diperoleh M untuk peralihan periode 3 dan 4 = 5.29% bk Tabel. Hasil analisis regresi laju pengeringan benih cabai merah Parameter Garis Linier Periode I Garis Linier Periode II Garis Linier Periode III Garis Linier Periode IV bi - -0.1572-0.1168-0.0912 a i - 0.2928 0.3669 1.154 t c (jam) - 8.0 16.3 30.7 M c (% bk) 81.6 33.9 11.85 5.29 8
ALAT PENGERING ALAT PENGERING.. 1. Hot-Air Driers Bin Driers Cabinet driers (tray driers) Tunnel driers Conveyor driers (belt driers) Fludized Bed Driers Kiln Driers Pneumatic Driers Rotary Driers Spray Driers Sun and Solar Drying 2. Heated Surface (Contact) Driers Drum Driers (rollers driers) Vacuum band and vacuum shelf driers Tray dryer Kiln Dryer Tunnel Dryer 9
SPRAY DRYER Digunakan untuk mengeringkan bahan berbentuk larutan yang sangat kental atau pasta Misal : pengeringan susu menjadi susu bubuk, telur menjadi tepung telur. Cara : Larutan/pasta dimasukkan ke dalam alat dan melalui lubang kecil (nozzle) larutan tersebut disemprotkan ke dalam ruang pengering Di dalam ruang pengering dialirkan udara panas Arah udara panas di dalam ruang pengering dapat searah atau berlawanan arah dengan jatuhnya bahan. Digunakan pemanas uap Udara digerakkan dengan kipas Untuk membersihkan udara digunakan penyaring Pindah panas cepat karena luas permukaan bahan kecil butuh waktu 1-10 detik SPRAY DRYER. Ukuran diameter tepung yang dihasilkan 10-200 Suhu tinggi, tapi pada bahan suhu < titik didih Misal : pada susu suhu udara pengering 160 o C tapi suhum susu < 100 o C. Kadar air bahan yang dihasilkan 3-5% Tekanan semprot yang digunakan 125-350 kg/cm 2. SPRAY DRYER Komponen utama alat : Alat pemanas Alat pemutar udara Penyemprot Wadah penampung hasil pengeringan Sumber pemanas : pemanas uap Gambar. Siklus spray drying 10
Diagram Alir co-current nozzle spray dryer untuk teh SPRAY DRYER YANG DIGUNAKAN PADA PRODUK HASIL TERNAK PENGARUH TERHADAP BAHAN PANGAN Diagram Alir Spray Drier untuk Produk Tepung Telur Texture Perubahan tekstur merupakan hal penting dalam penurunan mutu Untuk mencegah penurunan mutu tejstur diberikan perlakuan pendahuluan misalnya penambahan CaCl 2 pada air blansir Pengecilan ukuran dan pengupasan mempengaruhi tekstur dari buah dan sayur yang direhidrasi. Kehilangan tekstur disebabkan karena gelatinisasi pati, kristalisasi selulosadan adanya lokalisasi air pada produk selama pengeringan yang menyebabkan stress internal. 11
Tekstur..: Laju pengeringan cepat dan suhu tinggi lebih banyak merubaha tekstur daripada laju pengeringan dan suhu rendah terjadinya case hardening Karakteristik tekstur dari produk tepung ditentukan oleh densitas, dan densitas tergantung pada ukuran partikel ditentukan oleh sifat alami dan komposisi bahan. Bahan dengan kandungan lemak rendah (misal jus buah) lebih mudah dibentuk menjadi tepung yang mudah mengalir daripada susu atau ekstrak daging. Tekstur..: Untuk membuat produk tepung instan, maka partikel-partikel secara individu diberi perlakuan sehingga dapat membentuk aglomerat permukaan tiap partikel mudah dibasahi ketika direhidrasi dan aglomerat akan pecah, tenggelam di bawha permukaan dan terdispersi dengan cepat pada larutan karakteristik ini disebut : wettability, sinkability, dispersibility dan solubility Untuk produk tepung instan, maka ke-4 tahapan karakteristik ini harus dilalui dalam waktu beberapa detik. Aglomerasi dapat diperoleh dengan cara membasahi kembali (remoistening) partikel di dalam uap bertekanan rendah dalam sebuah aglomerator kemudian dikeringkan kembali (redrying). Flavor dan Aroma : Panas tidak hanya menguapkan air selama pengeringan tapi juga komponen volatil sehingga bahan kehilangan flavor dan aroma. Besarnya kehilangan flavor dan aroma tergantung pada suhu, kadar air bahan dan tekanan uap dari komponen volatil serta kelarutannya dalam uap air. Komponen volatil dengan volatilitad dan difusivitas yang tinggi akan hilang pada tahap awal pengeringan. Bahan pangan yang nilai ekonomisnya tinggi karena flavornya, dikeringkan dengan pengeringan suhu rendah. Terbukanya struktur pori pada bahan pangan kering memungkinkan masuknya oksigen yang menyebabkan kehilangan aroma karena oksidasi komponen aroma dan lemak selama penyimpanan. Laju kerusakan ditentukan oleh suhu penyimpanan dan a w. Flavor dan Aroma :.. Pada susu bubuk oksidasi lemak menghasilkan flavor tengik karena terbentuknya -lakton. Pada buah dengan kandungan lemak rendah, oksidasi asam lemak tidak jenuh menghasilkan hidroperoksida yang akan berpolimerisasi, dehidrasi atau oksidasi membentuk aldehid, keton dan asam menyebabkan ketengikan dan bau tidak enak. Pada wortel oksidasi karoten membentuk - ionone dan menimbulkan bau violet 12
Flavor dan Aroma :.. Perubahan flavor dan aroma dikurangi dengan : Pengemasan vakum atau gas Penyimpanan suhu rendah Mencegah dari sinar Ultra violet dan cahaya tampak Mempertahankan kadar air Penambahan antioksidan sintesis Pengawetan antioksidan alami Penggunaan enzim glukosa oksidase pada kemasan bahan pangan yang permiable terhadap O 2 tapi tidak terhadap uap air. Penyimpanan dengan modifikasi atmosfir (kandungan CO 2 10%) Untuk mencegah perubahan flavor pada buah yang disebabkan oleh oksidasi atau enzim hidrolitik, ditambahkan SO 2, asam askorbat atau asam sitrat, pasteurisasi atau blansing produk susu dan buah. Flavor dan Aroma :.. Metode lain untuk mempertahankan flavor dan aroma : Recovery komponen volatil dan dikembalikan ke produk selama pengeringan Mencampur Volatil yang direcovery dengan komponen pengikat aroma kemudian digranulasi dan ditambahkan kembali ke dalam produk kering (misal pada produk tepung daging). Penambahan enzim atau aktivasi enzim alami untuk menghasilkan flavor dari prekursor flavor dalam bahan pangan (misal : bawang merah atau bawang putih dikeringkan pada kondisi yang dapat melindungi enzim yang mengeluarkan flavor. Warna : Perubahan warna pada bahan pangan kering disebabkan oleh : Pengeringan merubah karakteristik permukaan bahan sehingga merubah reflektivitas dan warna Pada buah dan sayuran perubahan kimia pada pigmen karotenoid dan klorofil disebabkan oleh panas dan oksidasi selama pengeringan Residu enzim polifenoloksidase menyebabkan pencoklatan selama penyimpanan dicegah dengan blansing atau menambahkan asam askorbat atau SO 2 Nilai Gizi : Perubahan nilai gizi dipengaruhi oleh : Prosedur preparasi bahan Suhu dan waktu pengeringan Kondisi penyimpanan Pada buah dan sayur kehilangan karena proses preparasi > dari proses pengeringan Misal : kehilangan vitamin C pada apple flakes : 8% selama pengirisan, 62% pada proses blansing, 10% pada proses pureeing dan 5% pda proses drum drying. 13
Nilai Gizi :. Kehilangan vitamin tergantung pada kelarutan vitamin di dalam air Misal : Riboflavin akan menjadi superjenuh dan berpresipitasi di dalam larutan sehingga kehilangan riboflavin < Vitamin C dan thiamin = sensitif terhadap panas kehilangan > Vitamin larut lemak (A,D,E,K) biasanya terdapat di dalam bagian kering pada bahan pangan tidak terkonsentrasi selama pengeringan Vitamin larut lemak hilang karena interaksi dengan peroksida yang dihasilkan dari proses oksidasi lemak. Kehilangan lemak selama pengeringan dikurangi dengan mengurangi konsentrasi O 2, suhu penyimpanan dan cahaya Nilai Gizi : Nilai biologis dan daya cerna protein tidak banyak berubah, tetapi protein susu sebagian terdenaturasi pada pengeringan dengan drum dryer mengurangi kelarutan susu. Spray drying tidak mempengaruhi nilai biologis protein susu Nilai biologis protein susu menurun jika terjadi reaksi Maillard. REHIDRASI Air yang dikeluarkan pada saat pengeringan tidak dapat dikembalikan dengan cara yang sama jika produk direhidrasi (rehidrasi bukan kebalikan dari pengeringan). Hilangnya tekanan osmotik seluler, perubahan permeabilitas membran sel, migrasi solute, kristalisasi polisakarida dan koagulasi protein seluler berkontribusi terhadap perubahan tekstur dan kehilangan komponen volatil merupakan reaksi yang irreversible. Panas mengurangi derajat hidrasi dari pati dan elastisitas dinding sel,serta protein yang berkoagulasi mengurangi kapasitas menahan air (water holding capacity). Laju dan tingkat rehidrasi dapat digunakan sebagai indikator mutu produk. 14