ITP 210 3(3-0) KIMIA PANGAN AIR DALAM BAHAN PANGAN.

Presentasi berjudul: "ITP 210 3(3-0) KIMIA PANGAN AIR DALAM BAHAN PANGAN."— Transcript presentasi:

1 ITP 210 3(3-0) KIMIA PANGAN AIR DALAM BAHAN PANGAN

2 Tujuan Instruksional Khusus
Materi Kuliah Tujuan Instruksional Khusus Sub Pokok bahasan Mahasiswa mampu menje-laskan sifat-sifat air dan peranannya dalam bahan pangan Air dalam bahan pangan Struktur air Sifat fisikokimia air Interaksi air dengan zat terlarut Aktivitas air dan tekanan uap air Isoterm sorpsi air (ISA) dan kaitannya dengan keawetan bahan pangan

3 Air Dalam Bahan Pangan Penentu mutu bahan pangan
Mempertahankan kesegaran Penentu keawetan dan kestabilan selama penyimpanan

4 Peran Air Dalam Pangan Mempengaruhi tekstur, kesegaran dan keawetan
Pelarut universal (garam, vitamin, gula, pigmen) Dapat berionisasi (H3O+, OH-) Reaksi kimia Aktivitas enzim Pertumbuhan mikroorganisme  menentukan keamanan dan stabilitas pangan Medium pindah panas Tidak mengandung kalori

5 Kandungan Air Bahan Pangan
Tomat 94 Ikan kering 38 Semangka 93 Daging sapi 66 Kol 92 Roti 36 Nenas 85 Buah kering 28 Kacang hijau 88 Susu bubuk 14 Susu sapi 90 Tepung terigu 12

6 Bahan Pangan Berdasarkan Tingkat Keawetannya
Mudah rusak: daging sapi, daging ayam, ikan, susu, telur Agak mudah rusak: sayuran, buah-buahan, roti, kue Awet: biji-bijian, kacang-kacangan, gula

7 Salt dissolution in water

8 Glucose (Soluble in Water)
H H H O O H H : : O CH2 O : H H CH O : H O : : H O CH CH O : H O H CH CH H H : O : H O H : : O H H O H H

9 Dehydration Reaction in the Synthesis of a Polymer

10 Hydrolysis Reaction of a Polymer

11 Water involvement in starch-glucose polymerization

12 Water involvement in lipid synthesis

13 Water involvement in peptide synthesis

14 Water in enzyme activity
The green one is enzyme. Unchanged at the end of the reaction The orange one is substrate molecules acted on by the enzyme. Changed to products. The blue one is water. Involved in the reaction.

15 Sifat Fisik Air Tekanan atmosfir : Cair (suhu > 0oC)
Es/beku (suhu 0oC) Titik beku Uap (suhu 100oC) Titik didih Densitas = 1 g/ml

16 Physicochemical Properties of Water
Physical Constants Molecular weight Melting point at 1 atm 0.0oC Boiling point at 1 atm 100oC Heat of fusion at 0oC 6.012 kJ (1.436 kcal)/mol Phase transition properties Heat of vaporization at 100oC kJ (9.711 kcal)/mol Heat of sublimation at 0oC 50.91 kJ (12.16 kcal)/mol

17 pH value of water and water containing components

18 Effect of Dispersed Particles
The effect of dispersed particles upon the colligative properties in different dispersion systems. Colligative Property Effect of Dispersed Particles Solutions Colloids Suspensions Boiling Point significantly affected by solute slightly affected by dispersed particle no affect of dispersed particle Freezing Point Water Activity Osmosis

19

20 Efek Koligatif Sifat koligatif : sifat pelarut (air) dipengaruhi oleh interaksi dengan zat terlarut Tekanan uap ↓ Titik beku ↓

21 Molekul Air Rumus molekul: H2O
Atom H dan O dihubungkan dengan ikatan kovalen Bersifat polar: H cenderung bermuatan positif (+) O cenderung bermuatan negatif (-)

22

23 Covalent bond Covalent bond

24 The polarity of water Water is a "polar" molecule, meaning that there is an uneven distribution of electron density. Water has a partial negative charge (-) near the oxygen atom due the unshared pairs of electrons, and partial positive charges (+) near the hydrogen atoms. An electrostatic attraction between the partial positive charge near the hydrogen atoms and the partial negative charge near the oxygen results in the formation of a hydrogen bond. The ability of ions and other molecules to dissolve in water is due to polarity. Example, sodium chloride in its crystalline form dissolves in water.

25 Water – Solute Interactions

26 Hydrogen Bond The bond is formed due to the affinity of electro-positive hydrogen atoms for electro-negative atoms such as O. Binding energy of hydrogen bond is about 10% of covalent bond. H-bond strength = 10 Kcal/mol. H-bond results in the high boiling point of water and water flowability.

27

28

29 Physical properties of water
High heat of vaporization Strong surface tension High specific heat Nearly universal solvent H – bond

30

31

32 Ikatan Hidrogen Air Ikatan Hidrogen terbentuk karena sifat elektropositif dari atom H dan elektronegatif dari O Besarnya energi ikatan hidrogen adalah sebesar 10% dari ikatan kovalen (10 Kcal/mol). Adanya ikatan H menyebabkan air mempunyai titik didih yang tinggi (100oC, pada 1 atm) dan bersifat mengalir

33 Diagram Fase Air (Cair – Uap – Padat)

34 Diagram Fase Air (Cair – Uap – Padat)
Suhu (oC) 100 (Td) 0 (Tb) Tekanan Mendidih Kondensasi Titik Beku Triple point Sublimasi Deposisi 0.0098oC 4.6 Torr Gas Cair Padat 1 atm 375oC 218 atm

35 Proses Pengeringan di Industri Pangan

36 Sifat Fisik Es Struktur: Hexagonal (1 molekul H2O dapat mengikat 4 molekul H2O yang berdekatan) Densitas: 0.92 g/ml (mengapung dalam air) Volume: 1/11 kali lebih besar dibandingkan air

37

38 Three States of Water and Their Molecular Mobility
Gas Liquid Solid

39 Perubahan Fase Air Dipengaruhi oleh tekanan udara
Pada kondisi standar (1 atm): titik beku (0oC), titik didih (100oC) Pada kondisi tidak standar: P< 1 atm: Td < 100oC; Tb > 0oC P> 1 atm: Td > 100oC, Tb < 0oC

40 Latent and Sensible Heating and Cooling Curves for Water
Ice Liquid H2O Steam Heating direction Cooling direction V C M F Temperature (oC) Heat energy (joules) 63 397 816 3076 Zone I Zone II Zone III Zone IV Zone V 100 Sensible heat : Heat energy due to temperature change Latent energy : heat energy due to change of state

41 Prinsip Sublimasi pada Proses Pengeringan
Freeze Dryer Suhu produk diturunkan sehingga air membeku. Tekanan diturunkan sehingga dapat menye- babkan sublimasi es menjadi uap. Freeze dryer digunakan untuk pengeringan produk pangan, meng- hasilkan produk yang bermutu baik

42 Mendefinisikan Air Kadar air: Menggambarkan kandungan air yang terdapat dalam bahan pangan (dalam persen). Tidak menggambarkan aktivitas biologisnya. Kelembahan relatif (RH): Menggambarkan kandungan air di udara (dalam persen). Aktivitas air (aw): menggambarkan derajat aktivitas air dalam bahan pangan, baik reaksi kimia maupun biologis. Nilai: 0 – 1 (tanpa satuan). Aw=1 (air murni)

43 Derajat Keterikatan Air
Air yang terikat secara fisik Air kapiler: air terikat dalam rongga-rongga jaringan kapiler yang halus dari bahan pangan. Air terlarut: Air seakan-akan larut dalam bahan padat, contoh air gula, air garam. Air adsorbsi: Terikat pada permukaan. Daya ikatnya lemah dan mudah terlepas

44 Derajat Keterikatan Air
Air yang terikat secara kimia Air konstitusi: Terikat pada senyawa lain (bagian dari senyawa lain), seperti pada protein, karbohidrat. Bila terurai maka akan keluar air (proses hidrolisis) Air kristal: air terikat sebagai molekul dalam bentuk H2O. Contoh CaSO4.5H2O Air bebas (mobile or Free Water) Mempunyai sifat air normal. Mudah terlepas

45 Jenis Air Dalam Pangan Air kapiler (ERH>98%)
H2O Zat lain Air kapiler (ERH>98%) Air terlarut (ERH:24-100% Air adsorpsi (ERH:15-68%) Air konstitusi/ Air kristal (ERH:0-34%)

46 Air Dalam Bahan Pangan Tipe 1:
Air terikat yang sebenarnya (bound water) Molekul air yang terikat pada molekul lain melalui ikatan hidrogen. Molekul air membentuk hidrat dengan molekul-molekul lain yang mengandung atom O dan N, seperti karbohidrat, protein dan garam. Tidak dapat membeku, sebagian dapat dihilangkan dengan pengeringan

47 Air Dalam Bahan Pangan Tipe 2:
Molekul-molekul air membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air lain, terdapat pada mikrokapiler. Sifatnya berbeda dari air murni. Lebih sukar dihilangkan dibandingkan air bebas. Apabila dihilangkan, kadar air bahan akan mencapai 3-7%

48 Air Dalam Bahan Pangan Tipe 3:
Air yang secara fisik terikat dalam jaringan matriks bahan, seperti membran, kapiler, serat, dll. Bersifat sebagai air bebas. Mudah diuapkan dan dapat dimanfaatkan untuk pertumbuhan mikroba dan media bagi reaksi-reaksi kimiawi. Apabila dihilangkan, kadar air bahan akan mencapai 12-25% dengan Aw ~ 0.8

49 Air Dalam Bahan Pangan Tipe 4:
Air yang tidak terikat dalam jaringan suatu bahan. Bersifat air murni (air biasa) dengan keaktifan penuh.

50 Aktifitas Air (Aw) Aktifitas air paling umum digunakan sebagai kriteria untuk keamanan pangan dan kualitas pangan. Air tidak terdistribusi secara merata (homogen) dalam bahan pangan: derajat keterikatan berbeda-beda Aktifitas air merupakan indeks yang lebih baik dari kadar air untuk pertumbuhan mikroba, karena mikroba hanya dapat menggunakan air bebas untuk pertumbuhannya. Nilai Aw: (tanpa satuan). Aw=0 (absolutely dry); Aw=1 (pure water)

51 Pengertian Aktivitas Air (Aw)
Apabila air murni disimpan dalam ruangan tertutup, maka akan terbentuk kesetimbangan dengan udara sekitar. Tekanan udara adalah Po. Apabila air berisi garam disimpan dalam ruangan tertutup: Tekanan udara akan menurun (P) Molekul air akan lebih sulit berubah fase dari cair ke uap (kenaikan titik didih) dan dari cair ke es (penurunan titik beku) Garam yang berbeda memiliki kelarutan yang berbeda: besarnya perubahan tekanan (P) berbeda P T Bahan Po Aw = P/Po = ERH/100 ERH = equilibrium Relative Humidity P = Tekanan uap bahan Po = Tekanan uap air murni

52 Menentukan Aktivitas Air
Equilibrium Relative Humidity (ERH) adalah persentase dari rasio P dan Po Apabila bahan pangan disimpan dalam desikator berisi larutan garam jenuh, maka kadar air dan Aw-nya akan berubah sehingga mencapai kondisi kesetimbangan. Bila Aw produk > ERH, air akan dilepaskan ke udara (kadar air menurun) Bila Aw produk < ERH, air dari udara akan masuk ke bahan pangan (kadar air meningkat)

53 Aw pangan akan membentuk kesetimbangan dengan RH lingkungannya
K2Cr2O7 0.97 K2CrO4 NaCl 0.86 0.75 NaI LiCl 0.11 MgCl2 0.33 0.38 Bahan pangan yang disimpan pada larutan garam jenuh yang berbeda akan memiliki kadar air dan Aw yang berbeda Aw pangan akan membentuk kesetimbangan dengan RH lingkungannya Kondisi kesetimbangan tercapai apabila kadar air bahan tidak berubah lagi (tidak ada perpindahan air lagi), sehingga tercapai Aw=ERH/100

54 Contoh Chamber Berisi Garam Jenuh

55 Nilai Aktivitas Air pada Beberapa Bahan Pangan
Aw Daging, ikan, buah 1.00 – 0.95 Sirup buah, skm 0.87 – 0.80 Selai buah 0.80 – 0.75 Susu bubuk 0.2 Roti 0.72 Ready-to-eat cereal 0.30 Dried fuit 0.62

56 Kadar Air dan Aktivitas Air pada Beberapa Bahan Pangan
Aw Es pada 0oC 100 1.00 Daging segar 70 0.985 Roti 40 0.96 Tepung 14.5 0.72 Makaroni 10 0.45 Potato chips 1.5 0.08

57

58 Hubungan Aw dengan Kadar Air
Peningkatan Aw selalu diikuti peningkatan kadar air, tetapi tidak linear. Hubungan antara aktifitas air dan kadar air digambarkan dengan Moisture Sorption Isotherm (MSI). Kurva ini dibuat secara eksperimental. Kurva MSI umumnya berbentuk sigmoidal. Kurva MSI spesifik untuk setiap produk pangan dan dipengaruhi oleh suhu. Untuk produk pangan yang sangat higroskopis (seperti permen), kurva MSI tidak berbentuk sigmoid pada Aw tinggi, karena akan terus menyerap air dan larut (tidak mencapai kadar air kesetimbangan

59 Zone III Zone II Zone I

60 Tipe Kurva Sorpsi Isotermis Air
Moisture Content Water Activity 1 2 3 Zone I Zone II Zone III 1 - Highly hygroscopic 2 - Medium hygroscopic 3 - Low hygroscopic, sensitive to high air humidity

61 Pengelompokan Pangan Berdasarkan Kandungan Air dan Aktivitas Air
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 Aktivitas Air Kadar Air (g/100 g ds) High moisture foods Medium moisture foods Low moisture foods

62 Desorpsi vs Adsorpsi Kurva MSI Adsorpsi: Kurva dimulai dari kondisi kering hingga kondisi basah (misal: proses rehidrasi/ penyerapan air). Kurva MSI desorpsi: Kurva dimulai dari kondisi basah ke kondisi kering (misal: proses dehidrasi/proses pengeringan). Zone I Zone II Zone III Moisture Content Water Activity 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 Adsorpsi Desorpsi

63 Desorpsi vs Adsorpsi Kurva MSI Adsorpsi dan kurva MSI Desorpsi tidak melalui garis yang sama Fenomena perbedaan kurva MSI dari proses adsorpsi dengan proses desorpsi disebut moisture sorption hysteresis. Secara umum terjadi pada bahan pangan. Zone I Zone II Zone III Moisture Content Water Activity 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 Adsorpsi Desorpsi

64 Mengapa Aw penting?

65 Laju Reaksi pada Produk Pangan Akibat Perubahan Aktifitas Air
Zone I Zone II Zone III Reaksi browning non-enzimatis Oksidasi lemak Reaksi hidrolisis Moisture sorption isotherm Aktifitas enzim Mold growth Yeast growth Bacteria growth Relative Reaction Rate Moisture Content Water Activity 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

66 Pentingnya Aktivitas Air (Aw)
Mempengaruhi pertumbuhan mikroba Pada Aw rendah (<0.6): Menghambat pertumbuhan mikroba Pada Aw tinggi (>0.6): mikroba tumbuh (semakin tinggi Aw, semakin mudah mikroba tumbuh) Mempengaruhi keawetan produk pangan Produk pangan dengan Aw>0.95 mudah rusak Mempengaruhi tingkat resiko keamanan produk pangan Semakin tinggi Aw, semakin beresiko

67 Most mold, no growth of pathogenic bacteria
Hubungan Antara Aktivitas Air Dengan Pertumbuhan Mikroba Pada Berbagai Produk Pangan Most bacteria, some yeasts, pathogenic and spoilage organisms aw Fresh meat, fish, vegetables, etc. Foods with <40% (w/w) sucrose or <7%(w/w) NaCl >0.95 Most cocci, lactobacilli, some molds, Salmonella lactic acid bacteria is major spoilage flora Bread, cooked sausages, medium aged cheese Most yeasts, mycotoxin-producing molds, spoilage often by molds and yeast Salami, old cheese, foods with 65% (w/w) sucrose or 15% NaCl Dried beef, sweet condensed milk, cereals with 15% water Staphylococcus aureus may grow >0.86 Microbial growth Most mold, no growth of pathogenic bacteria Jam, marmalade, old salami, foods with 26% (w/w) NaCl Most halophilic bacteria Growth Flour, cereals, nuts Xerophilic mold Caramels, honey Osmophilic yeast Breakfast cereals, snack foods, food powders No growth <0.65 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Water Activity

68 Example of the effect of Aw on growth of microorganism
Typical food items Genera m.o. which grow under this Aw Fresh foods and meats, breads, approximately 40% sucrose, 8% NaCl Pseudomonas, Escherchia, Proteus, Bacillus, Klebsiella Medium cheeses, cured meat (ham), retail fruit juice concen-trate, 55% sucrose, 7% NaCl Salmonella, Vibrio, Serratia, Lactobacillus, yeast – Rhodotorula Fermented hard sausage, dry cheese, margarine, 65% sucrose, 15% NaCl Most yeast – Candida, Torulopsis, Hansenula, Micrococcus Commercial fruit juice concentrate, chocolate syrup, maple amd fruit syrup, flour, fruit cake, fondants, high-ratio cake Saccharomyces, mycotoxi-genic penicilia, Staphylo-coccus aureus

69 Example of the effect of Aw on growth of microorganism
Typical food items Genera m.o. which grow under this Aw Fruit and berry preserves, marma-lade, marshmallows, meat jerky Halophilic bacteria, mycoto-xigenic, Aspergillus sp. Rolled oats, fudge, raisins, fruit preserves, molasses, nuts Xerophilic molds (Aspergillus candidus, A. chevalieri) Dried fruit (<20% water), toffee, caramels, honey Osmophilic yeasts, molds, Monascus bisporus Pasta (12% water), spices No microbial growth Whole egg powder (5% water) Cookies, crackers, bread crusts Whole milk powder, dried vege-tables, ready-to-eat cereals, hard cookies

70 Aktivitas Air vs pertumbuhan mikroba
Bakteri (0.91) Bakteri halofilik (0.75) Khamir (0.88) Khamir osmofilik (0.60) Kapang (0.80) Kapang Serofilik (0.65)

71 Faktor yang mempengaruhi pertumbuhan mikroba
Mikroorganisme Suhu (oC) pH Aw Vibrio parahaemolyticus 12.8 – 40 5 – 9.6 >0.94 Clostridium perfringens 6 – 52 5.5 – 8 > 0.93 Bacillus cereus 4.9 – 9.3 > 0.95 Escherchia coli 2.5 – 45 4.6 – 9.5 > 0.935 Streptococcus pyogenes >10 - < 45 4.8 - < 9.2 NR

72 Aw vs pH Aw kritis: 0.85 pH kritis: 4.6 Clostridium botulinum
Resiko bahan pangan: Resiko rendah (low risk): pH<4.6, Aw<0.85 Produk kering dengan pH rendah Resiko sedang (medium risk): pH<4.6, Aw>0.85 atau pH>4.6, Aw<0.85 Asinan, daging kering, ikan asin, biskuit Resiko tinggi (high risk): pH>4.6, Aw>0.85 (low acid food) Mie basah, daging/ayam segar, bakso, susu Clostridium botulinum

73 Pentingnya Aktivitas Air (Aw)
Mempengaruhi tekstur (crispiness, crunchiness), misal produk chips, cracker The sound produced by 'crunching' breakfast cereal disappearing above about Aw = 0.65 Mempengaruhi kecepatan penggumpalan (aglomerasi) produk yang mudah menyerap air, misal susu bubuk

74 Perubahan mutu (secara subjektif maupun secara objektif) dikaitkan dengan perubahan kadar air produk

75 Pentingnya Aktivitas Air (Aw)
Mempengaruhi reaksi kimia Oksidasi lemak Reaksi kecoklatan non-enzimatis (reaksi Maillard) Reaksi enzimatis

76 Maillard Reaction vs Aw
A reaction of prime importance with regard to quality of foods as it affects colour, flavour and taste, and nutritional quality. Involves the reaction of an aldehyde (usually a reducing sugar) and an amine (usually a protein or amino acid) in its initial stages. As a result of the initial interaction of sugars and amines, volatile food flavors and aromas are produced and dark-colored polymeric materials arise. The details of the reaction are still poorly understood.

77 Non-enzymatic Browning Reactions vs Aw
Moisture directly impacts the Maillard reaction primarily by dissolving and/or diluting reactants. Water is produced during the Maillard reaction. As a consequence of the law of mass action, the reaction occurs less readily in foods with a high Aw value. In addition, the reactants are diluted at high Aw. At low Aw (<0.2), the mobility of reactants is limited, despite their presence at increased concentration. In practice, the Maillard reaction occurs most rapidly at intermediate Aw values ( ), and aw is of most significance to the reaction in dried and intermediate-moisture foods (IMFs), which have Aw values in this range.

78 Enzymatic Reaction vs Aw
At low Aw (<0.2), freely mobile water is not available to carry out the reaction, and so enzymatic reactions tend to be surpessed in the lower regions of the sorption isotherm. At high aw, free water is available for the enzymatic reaction. For example: lipoxygenase starts to be active after dry soybean (MC=14%) is soaked in water, hydrolyzed unsaturatted fatty acid  off-flavor reaction chain development

79 Lipid oxidation vs Aw At low Aw (<0.2), free radical reactions (auto-oxidative reaction) occurs rapidly. By increasing Aw, the formation of free radicals is inhibited due to the ability of water molecules to dislodge oxygen from the dried tissues. At Aw>0.4, oxidation becomes increasingly rapid. The hydration causes physical swelling of protein and carbohydrate and exposure of additional oxidizable sites, causing the increase of oxidation rates

80 Pentingnya Aktivitas Air (Aw)
Dalam pengolahan pangan Proses pengeringan Proses pemekatan Proses rehidrasi Penentuan umur simpan: Accelerated testing method (ASLT) Metode Kadar Air Kritis