Prinsip Fisika Kimia dalam Pembekuan Shanti Dwita Lestari

Pengantar Air merupakan komponen utama bagi sebagian besar makanan yang mempengaruhi kalitas dan kestabilan umur simpan Teknik pembekuan telah dikenal sebagai salah satu metode terbaik dalam pengawetan makanan jangka panjang Selama pembekuan, air dikonversi menjadi es sehingga aW makanan menurun Reaksi kimia dan pertumbuhan mikroba dapat ditekan

Struktur Air dan Es Molekul air berbentuk huruf V yang tersusun dari 2 atom H yang ringan dan 1 atom O yang relatif lebih berat dan terhubung melalui ikatan kovalen Oksigen lebih elektronegatif dari H dan menarik elektron lebih kuat sehingga terbentuk struktur geometri yang tidak seimbang

Ikatan Hidrogen Sebagai senyawa polar, air dapat berinteraksi dengan senyawa polar lainnya melalui ikatan hidrogen Ikatan hidrogen antara molekul air satu dengan yang lainnya 20x lebih lemah dibandingkan dengan ikatan kovalen

Es Heksagonal (Ih) Setiap molekul air berperan dalam 4 ikatan hidrogen Pada fase liquid, ikatan hidrogen terlemah akan putus sehingga memungkinkan molekul air untuk berpindah Pada fase es, ikatan H lebih stabil Ikatan H tersusun secara tetrahedral di sekitar atom O dan ikatan tersebut bersifat statis

Molekul air pada es tidak dapat berpindah, namun hanya bergetar Kekuatan 4 ikatan H serta kemampuan air untuk membentuk ikatan H menentukan titik cair es (semakin kuat semakin tinggi) Densitas es lebih kecil dibandingkan air pada suhu yang sama

Proses Pembekuan Pembekuan mencakup penurunan suhu suatu bahan dari suhu refrigerasi (0-2oC) ke suhu yang jauh lebih rendah dari titik beku Faktor yang berperan dalam konversi air menjadi es: Faktor thermodinamika : karakteristik sistem dala kondisi equilibrium Faktor kinetik : kecepatan saat terjadinya equilibrium

Proses pembekuan terdiri dari 2 tahapan utama,yaitu: Pembentukan kristal es (nukleasi) Penambahan ukuran kristal

Titik Equilibrium Ketika titik lebur es = titik beku air maka tercapailah titik keseimbangan (equilibrium) pada tekanan atmosfir 1 atm dan suhu 0oC Air hanya akan membeku bila suhu lingkungan di bawah 0oC (supercooling temperature) dan pada suhu inilah nukleasi akan dimulai Air terikat (air yang merupakan bagian integral penyusun struktur kimia pada jaringan) hanya akan membeku pada suhu yang sangat dingin (-55oC)

Nukleasi Proses pembentukan kristal Pada proses ini panas laten pembekuan dilepaskan Molekul-molekul air beragregasi membentuk partikel beraturan Pada permukaan kristal terjadi interchange yang konstan pada molekul air antara fase solid dan liquid

Penambahan Ukuran Kristal (Crystal Growth) Setelah terbenuk nukleus es yang stabil, terjadi penambahan molekul pada interface solid-liquid Penambahan kristal tidak terjadi secara instan. Proses tersebut dikontrol oleh: Kecepatan pelepasan panas laten selama perubahan fase Kecepatan perpindahan massa pada bahan (difusi molekul air ke permukaan kristal es)

Kecepatan Pembekuan (Freezing Rate) Menentukan ukuran kristal es yang terbentuk Semakin cepat, semakin banyak nukleasi yang terjadi Merupakan kecepatan rata-rata pembentukan kristal es dalam kaitannya dengan pengeluaran panas dari bahan Didefinisikan juga sebagai rasio antara jarak minimum dari permukaan hingga ke pusat produk dengan waktu yang diperlukan oleh permukaan untuk mencapai suhu 0oC dengan suhu pusat 10o lebih rendah dari suhu dimulainya pembentukan kristal es (Int’l institute of Refrigeration)

Contoh: FR untuk produk yang dibekukan dengan metode Quick Freezing (ABF/CPF) : 0,5-3 cm/h metode Rapid Freezing (IQF) : 5-10 cm/h Metode ultra rapid freezing (Cryogenic freezing dengan Nitrogen atau CO2 cair) : 10-100cm/h

Waktu Pembekuan (Freezing time) Merupakan parameter penting dalam proses pembekuan Waktu yang diperlukan untuk menurunkan suhu pusat produk dari suhu awal ke suhu akhir yang diinginkan untuk pembekuan Karena distribusi suhu di setiap bagian tubuh berbeda- beda, maka suhu pusat produk dijadikan acuan utama Freezing time dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya , suhu awal dan suhu akhir produk, jumlah panas yang dipindahkan, ukuran (ketebalan) dan bentuk ikan, proses pindah panas dan suhu

3 Tahapan Pembekuan (The International Institute of Refrigeration) Pembagian dilakukan berdasarkan perubahan suhu pada beberapa bagian dari bahan yang dibekukan prefreezing stage the food is subjected to the freezing process until the appearance of the first crystal. freezing period; a phase change occurs, transforming water into ice The last stage starts when the product temperature reaches the point where most freezable water has been converted to ice, and ends when the temperature is reduced to storage temperature (Persson and Lohndal, 1993).

Pure Water the freezing temperature will be 0 °C and, up to this temperature, there will be a subcooling until the ice formation begins temperature at the freezing stage is constant

Practical definition of the freezing process for foods (Mallett, 1993) STAGE 1 : the temperature decreases to below freezing temperature and, with the formation of the first ice crystal, increases to freezing temperature STAGE 2 : temperature decreases slightly in foods, due to the increasing concentration of solutes in the unfrozen water portion

3 Tahapan dalam Freezing (Venugopal, 2006) INITIAL STAGE : suhu turun secara cepat sedikit di bawah 0oC THERMAL ARREST PERIIOD (2nd stage) : Suhu konstan -1oC Sebagian besar air pada bahan mulai membeku Merupakan titik kritis (untuk memperoleh kualitas pembekuan yang baik maka ikan harus melewati tahapan ini secepat mungkin) Lebih dari 50% energi panas dilepaskan dari ikan

..lanjutan 3rd Stage : hampir 75 % air dalam otot/jaringan berubah menjadi es dan penurunan suhu terus berlanjut