Modul 1
Air Prof. Dr. Ir. Dedi Fardiaz, M.Sc.
PEN D A HU L UA N
M
odul ini membahas tentang air, yaitu senyawa yang paling banyak terdapat pada bahan pangan. Pembahasan akan meliputi struktur molekul, sifat-sifat fisiko-kimianya. Peranan dan fungsi air dalam bahan pangan juga akan dibahas secara agak mendalam. Modul ini hanya terdiri dari dua (2) Kegiatan Belajar, yaitu Kegiatan Belajar 1 membahas topik-topik seperti sifat fisiko-kimia air (meliputi struktur molekul, ikatan hidrogen, air dan es, serta sifat-sifat fisiko-kimia lainnya) dan Kegiatan Belajar 2 kadar air, keawetan bahan pangan dan sumbernya. Dengan memahami materi-materi di atas diharapkan Anda mengetahui pentingnya keberadaan air, menjelaskan struktur kimia molekul air, dan membahas sifat-sifat fisiko-kimia air. Selanjutnya, mahasiswa diharapkan juga dapat menjelaskan peran dan fungsi air dalam bahan pangan, dan mengetahui sumber air di alam serta mikrobiologi air.
1.2
kimia pangan
Kegiatan Belajar 1
Sifat Fisiko Kimia Air dalam Bahan Pangan
K
iranya tidak berlebihan bila terdapat ungkapan bahwa tiada kehidupan tanpa air. Air memang sangat penting bagi kehidupan, khususnya manusia. Hampir dalam semua segi kehidupan, manusia memerlukan air. Secara kuantitatif air merupakan komponen paling penting dalam tubuh manusia. Rata-rata sekitar 66% dari berat badan orang dewasa atau bahkan sekitar 75% dari berat bayi manusia yang baru lahir terdiri dari air. Air mempunyai beberapa peranan penting di dalam tubuh antara lain adalah: 1. Air membantu membentuk, membangun serta memperbaharui jaringanjaringan tubuh. 2. Air bertindak sebagai pelarut dan pembawa zat gizi yang diperlukan oleh tubuh dalam bentuk larutan. 3. Air juga membawa sisa-sisa pembakaran yang berupa kotoran ke tempattempat pembuangan. 4. Merupakan media bagi berbagai macam reaksi penting dalam tubuh. Tabel 1.1 di bawah ini mencoba memberi gambaran tentang bagaimana penyebaran air sebagai komponen tubuh manusia. Terlihat bahwa air terdapat pada hampir semua bagian tubuh manusia. Tabel 1.1. Kandungan air dalam berbagai jaringan dan organ tubuh manusia
Nama organ dan jaringan tubuh Air ludah, keringat Darah Paru-paru Otot Kulit Lemak Tulang
Kandungan air (%) 99,5 79,0 79,0 76,0 72,0 30,0 20,0
PANG4213/MODUL 1
1.3
Air juga merupakan komponen penting dalam bahan pangan. Hampir semua jenis makanan mengandung air dengan proporsi yang berbeda-beda. Kandungan air dalam bahan makanan ini ikut menentukan mutu, tingkat penerimaan (acceptability) dan daya awet bahan makanan yang bersangkutan. Dalam hal ini, air dalam bahan pangan merupakan komponen utama yang mempengaruhi rupa, tekstur maupun cita rasa bahan makanan. Mengingat pentingnya peranan air dalam tubuh dan juga dalam menentukan mutu suatu bahan pangan, maka perlu diketahui secara lebih detail sifat-sifat fisiko-kimia air, seperti akan diuraikan dalam kegiatan belajar ini. 1.
Molekul Air Secara kimia, molekul air ini cukup sederhana, yaitu H 2O. Bentuk geometri molekul air ini cukup unik, dua ikatan kovalen antara O dan H membentuk sudut HOH yang besarnya sekitar 105°, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1.1.
Gambar 1.1 Geometri molekul air
Dari sudut distribusi elektron, oksigen pada molekul air jauh lebih kaya elektron daripada hidrogen. Hal ini dapat pula dijelaskan dari adanya perbedaan elektronegativitas. Oksigen mempunyai elektronegativitas yang lebih tinggi daripada hidrogen. Sebagai akibatnya, inti atom hidrogen menjadi relatif terbuka, karena elektronnya lebih tertarik pada atom O. Kondisi distribusi elektron yang tidak merata ini menyebabkan atom H mempunyai muatan positif lokal dan atom O mempunyai muatan negatif lokal. Dengan kata lain, Ikatan kovalen antara O dan H merupakan ikatan dengan karakteristik ionik secara parsial, karena oksigen mempunyai elektronegativitas yang jauh lebih tinggi daripada hidrogen. Dalam literatur sering dinyatakan bahwa ujung atom hidrogen (H, d +) merupakan suatu kutub yang lebih positif daripada atom O (d-) pada pusat molekul air (lihat Gambar 1.1). Karena itu sering dikatakan bahwa molekul air merupakan molekul berkutub ganda (dwikutub, dipole). Sifat dwikutub ini menyebabkan molekul
1.4
kimia pangan
air dapat berasosiasi satu dengan yang lain melalui ikatan hidrogen, membentuk suatu kerumunan molekul-molekul air yang teratur.
Gambar 1.2 Bentuk asosiasi antarmolekul air melalui ikatan hidrogen
Pada Gambar 1.2. terlihat bahwa secara geometris, molekul air ini akan berasosiasi dengan empat molekul air lainnya membentuk suatu bentuk tetrahedral. Ikatan hidrogen yang terbentuk, yaitu antara inti hidrogen dari molekul air yang satu dengan pasangan elektron pada atom oksigen dari molekul air yang lain, sangat lemah dibandingkan dengan kekuatan ikatan kovalen. Ikatan hidrogen umumnya mempunyai energi ikatan (atau energi dissosiasi) sebesar 25 kJ/mol atau 4.5 kkal/ mol. Hal ini berarti bahwa ikatan hidrogen tersebut hanya mempunyai energi dissosiasi sekitar 4% dari energi ikatan kovalen antara O-H pada air (yaitu sekitar 110 kkal/mol). Walaupun demikian, ikatan hidrogen ini penting dalam menjaga struktur suatu senyawa biologi, karena ikatan hidrogen ini dapat terbentuk dalam jumlah yang banyak. Gambar 1.2 dapat pula disajikan dalam bentuk lain, di mana molekul air digambarkan dengan menggunakan model sebagaimana terlihat pada Gambar 1.3.
PANG4213/MODUL 1
1.5
Gambar 1.3. Bentuk asosiasi antar molekul air melalui ikatan hidrogen, di mana molekul-molekul air membentuk struktur heksagonal
2.
Air, Es dan Uap Di alam, air dapat dijumpai, paling tidak, dalam tiga bentuk; yaitu bentuk cair (air), bentuk padat (es) dan bentuk gas (uap). Ada bentuk-bentuk lain; misalnya bentuk salju. Masing-masing bentuk air tersebut mempunyai karakteristik yang khas. Pada dasarnya, karena adanya kecenderungan molekul air untuk berasosiasi dengan molekul air lainnya melalui ikatan hidrogen, maka baik dalam bentuk cair (air) ataupun beku (es), struktur air ini sangat beraturan mengikuti suatu pola tertentu seperti terlihat di Gambar 1.2 dan 1.3. Adanya ikatan hidrogen itu pulalah yang menyebabkan air mempunyai sifat cair dan dapat mengalir sebagaimana yang kita kenal seharihari. Salah satu representasi susunan molekul air ini dapat dilihat pada Gambar 1.3, di mana molekul-molekul air saling berasosiasi sehingga terbentuk suatu struktur yang berbentuk heksagonal. Susunan demikian umumnya diketemukan jika air terdapat dalam bentuk es. Jumlah molekulmolekul air yang berasosiasi dengan satu molekul air melalui ikatan hidrogen ini disebut sebagai bilangan koordinasi. Bilangan koordinasi ini ternyata sangat dipengaruhi oleh suhu. Pada suhu 0°C dan 1 atmosfer, di mana air berada dalam bentuk beku (es), masing-masing molekul air secara geometris akan berasosiasi (melalui ikatan hidrogen) dengan empat molekul air lainnya (lihat Gambar 1.2 dan 1.3). Jadi bilangan koordinasi molekul air pada kondisi beku (0°C) adalah 4. Pada kondisi cair, satu molekul air dapat berasosiasi dengan lebih dari empat molekul air. Sedangkan pada suhu 1.5°C, bilangan koordinasi molekul air adalah 4.4, pada suhu 83°C adalah 4.9.
1.6
kimia pangan
Selain perbedaan pada bilangan koordinasinya, perbedaan lain antara air dan es adalah pada jarak atau panjang ikatan hidrogen (O-H-O) pada es (suhu 0°C) adalah 2.76 Å, sedangkan pada air dengan suhu 1.5°C adalah 2.9 Å, dan suhu 83°C adalah 3.05 Å (1 Å =1010 m = 0.1 nm). Jika bilangan koordinasi dan jarak atau panjang ikatan hidrogen (O-H-O) pada molekul air selama proses pembekuan dari bentuk cair ke bentuk es menurun, hal ini menyebabkan es mempunyai densitas atau kerapatan yang lebih rendah daripada air (air mengapung di permukaan air). Pada proses pembekuan itu terjadi peningkatan volume, di mana volumen air dalam bentuk es bertambah sebesar 1/11 dari volume air dalam bentuk cair. Jika air dipanaskan, maka molekul-molekul air akan mulai merenggang satu sama lain. Misalnya, pada suhu 83°C jarak atau panjang ikatan hidrogen (O-H-O) adalah 3.05 Å. Jika air terus dipanaskan maka akhirnya ikatan hidrogen tersebut akan putus dan masing-masing molekul air menjadi sangat bebas bergerak, sehingga tekanan uap air menjadi sama atau lebih besar daripada tekanan atmosfer. Kondisi inilah yang disebut dengan mendidih; di mana hal ini terjadi pada suhu 100°C dan tekanan 1 atmosfer atau 760 millimeter air raksa (760 mm Hg). Perubahan bentuk beku (es) menjadi cair (air) dan akhirnya gas (uap) ini sering disebut sebagai perubahan fase; yaitu dari fase cair, fase padat ke fase gas. Secara skematis, perubahan fase ini dapat disajikan dalam bentuk diagram fase, seperti terlihat pada Gambar 1.4; yaitu suatu pemetaan fasefase air dalam hubungannya dengan suhu dan tekanan. Pada Gambar 1.4, garis A-C dan garis A-D berturut-turut menunjukkan kondisi kesetimbangan antara cairan dan uap, serta antara cairan dan padat. Garis A-B menunjukkan kesetimbangan antara fase padat dan fase gas. Titik A, di mana terjadi kesetimbangan antara ketiga fase (fase padat, cair dan gas) pada suatu suhu dan tekanan tertentu disebut sebagai titik tripel (triple point). Pada tekanan 1 atmosfer, titik tripel ini terjadi pada suhu 0°C. Titik C disebut titik kritis; di mana jika air pada kondisi di atas titik ini, maka fase cair tidak dapat dibedakan lagi dengan fase gas.
1.7
PANG4213/MODUL 1
Gambar 1.4. Diagram fase untuk air
3.
Air dalam Bahan Pangan Seperti telah dikemukakan di muka, air dalam bahan pangan mempunyai peranan penting dalam menentukan mutu produk pangan tersebut. Air terutama akan menentukan kesegaran, warna, kualitas permukaan (mengkerut atau tidak, mengkilat atau tidak), dan daya awet bahan pangan tersebut. Tabel 1.2 berikut ini memperlihatkan kandungan air dari beberapa bahan pangan. Sering pula bahan pangan yang kita anggap kering, seperti tepungtepungan, beras giling dan kacang hijau kering, ternyata masih juga mengandung air sebagaimana diperlihatkan pada Tabel 1.2. Tabel 1.2. Kandungan air dari berbagai bahan makanan (Direk. Gizi, Depkes, 1981)
Bahan Pangan Tomat Semangka Kol Daging sapi Telur ayam Ikan asin Ikan teri kering
Kadar air 94% 93% 92% 66% 74% 40% 38%
Bahan Pangan Roti Susu bubuk Kecipir, biji Kedele Kacang hijau Tepung terigu Beras giling
Kadar air 40% 14% 9,7% 7,5% 10% 12% 12%
1.8
kimia pangan
Air sebagaimana terlihat pada Tabel 1.2, adalah komponen penting dari bahan pangan. Air berperan sebagai media berbagai reaksi kimia dan khususnya juga berperan sebagai pereaksi/reaktan proses hidrolitik. Karena itu, upaya mengurangi kadar air (pengeringan atau dehidrasi) ataupun usaha untuk mengurangi ketersediaan air dengan cara mengikat air oleh penambahan garam atau gula diharapkan akan menghambat laju berbagai reaksi kimia dan menghambat pertumbuhan mikroorganisme. Sehingga akan memperpanjang daya awet produk pangan. Kandungan air suatu bahan pangan, terutama bagi hasil pertanian (buah dan sayuran) segar juga merupakan indeks kesegaran yang penting. Di samping itu, interaksi antara air dengan protein, karbohidrat, lipid dan komponen lain (garam-garaman) juga akan mempengaruhi sifat tekstur bahan pangan. Secara garis besar, air dalam bahan pangan dapat dibedakan menjadi dua macam; yaitu air terikat (bound water) dan air bebas (free water). Istilahistilah tersebut dipandang kurang tepat mengingat bahwa pada dasarnya air mempunyai derajat keterikatan tertentu, yang besarnya bertingkat-tingkat. Ada air dalam bahan pangan yang mempunyai derajat keterikatan yang tinggi dan ada pula air yang mempunyai keterikatan rendah. Air yang mempunyai derajat keterikatan yang sangat rendah atau tidak terikat sama sekali sehingga air tersebut mempunyai sifat seperti air murni disebut sebagai air bebas. Air bebas tidak mengalami penurunan titik beku. Sedangkan air terikat; sesuai dengan derajat keterikatannya dapat dibagi lebih lanjut menjadi tiga (3) tipe, seperti terlihat pada Gambar 1.5 dan Tabel 1.3.
Ganbar 1.5. Hubungan kecepatan reaksi dengan water activicy dalam bahan makanan (Labuza, 1971)
1.9
PANG4213/MODUL 1
Tabel 1.3. Keterikatan molekul air dalam bahan pangan Tipe Keterikatan
Kisaran aw
Daerah III
0.8-0.99
Daerah II
0.25-0.8
Daerah I
< 0.25
Keterangan Molekul air berada di dalam jaringan atau di dalam kapiler makro (diameter > 0.1 mm), mempunyai mobilitas tinggi tetapi masih mengalami sedikit penurunan titik beku. Molekul air telah mempunyai mobilitas yang terbatas, karena berada di dalam kapiler mikro (meter < 0.1 mm) sehingga mengalai penurunan titik beku secara jelas Molekul air tidak mempunyai mobilitas dan terikat dengan molekul-molekul lain dengan ikatan hidrogen ber energi tinggi sehingga tidak bisa dibekukan (non freezeable water).
LAT IH A N Untuk memperdalam pemahaman Anda mengenai materi di atas, kerjakanlah latihan berikut! 1) Apa yang Anda ketahui tentang molekul air? 2) Ikatan apa yang bertanggung jawab pada pembentukan kerumusan molekul-molekul air secara teratur? 3) Apa yang dimaksud dengan bilangan koordinasi? 4) Apa yang dimaksud dengan titik tripel? 5) Apa yang Anda ketahui tentang air terikat? Petunjuk Jawaban Latihan Untuk Jawaban soal-soal latihan di atas, Anda harus mempelajari kembali materi mengenai: - Pengertian molekul air - Air, es dan uap - Air dalam bahan pangan dan - Keterikatan air
1.10
kimia pangan
R A NG KU M AN 1.
2.
3.
4.
5.
6.
Secara kimia, susunan molekul air ini cukup sederhana, yaitu H 2O. Bentuk geometri molekul air ini cukup unik, dua ikatan kovalen antara O dan H membentuk sudut H-O-H yang besarnya sekitar 105o Distribusi elektron pada molekul air tidak merata sehingga menyebabkan atom H mempunyai muatan positif lokal dan atom O mempunyai muatan negatif lokal. Hal ini disebabkan karena oksigen mempunyai elektronegativitas lebih tinggi daripada hidrogen. Sebagai akibatnya, inti atom hidrogen menjadi relatif terbuka, karena elektronnya lebih tertarik pada atom O. Karena itu molekul air merupakan molekul berkutub ganda (dwikutub atau dipole). Sifat dwikutub molekul air menyebabkan molekul air dapat berasosiasi satu dengan yang lain melalui ikatan hidrogen membentuk suatu kerumunan molekul-molekul air dengan struktur yang unik. Jumlah molekul-molekul air yang berasosiasi dengan satu molekul air melalui ikatan hidrogen disebut sebagai bilangan koordinasi. Bilangan koordinasi molekul air pada kondisi beku adalah 4. Sedangkan dalam bentuk cair pada suhu 1.5 oC bilangan koordinasi molekul air adalah 4.4, pada suhu 83oC adalah 4.9. Air dapat mengalami perubahan fase, dari fase beku (es) menjadi cair (air) dan akhirnya gas (uap). Titik di mana terjadi kesetimbangan antara ketiga gase (fase padat, cair dan gas ) pada suatu suhu dan tekanan tertentu disebut sebagai titik tripel (triple point). Pada tekanan 1 atmosfer, titik tripel ini terjadi pada suhu 0 oC. Secara garis besar, air dalam bahan pangan dapat dibedakan menjadi dua macam: yaitu air terikat (bound water) dan air bebas (free water). TES F OR M AT IF 1 Pilihlah satu jawaban yang paling tepat!
1) Besar sudut H-O-H pada molekul air adalah .... A. 105° B. tergantung dari suhu, semakin tinggi suhu semakin besar sudutnya C. 110o D. 115°
PANG4213/MODUL 1
1.11
2) Molekul air mempunyai sifat dwikutub disebabkan oleh .... A. adanya distribusi elektron pada molekul air yang tidak merata B. adanya atom H dan atom O C. adanya ion-ion garam D. elektronegativitas atom hidrogen yang lebih besar daripada elektronegativitas oksigen 3) Ikatan yang bertanggung jawab atas terbentuknya kerumunan molekul air yang teratur dan khas adalah ikatan .... A. hidrogen B. ionik C. elektron D. air 4) Bilangan koordinasi adalah tertentu pada suatu kondisi yaitu .... A. jumlah molekul-molekul air yang berasosiasi dengan satu molekul air melalui ikatan hidrogen B. molekul air pada kondisi beku (0°C) adalah 4,9 C. molekul air pada kondisi cair pada suhu 1.5°C adalah 4 D. molekul air pada kondisi cair pada suhu 83°C adalah 3.0 5) Titik triple adalah titik di mana terjadi .... A. kesetimbangan antara ketiga fase air (fase padat, cair dan gas) pada suhu dan tekanan terentu) B. perubahan fase padat ke cair C. perubahan fase padat ke gas D. perubahan fase cair ke gas 6) Air terikat adalah air dalam bahan .... A. pangan yang tidak mengalami penurunan titik beku B. pangan yang mempunyai mobilitas terbatas dan mengalami penurunan titik beku C. pangan yang mempunyai mobilitas terbatas dan tidak mengalami penurunan titik beku D. pangan 7) Aktivitas air adalah .... A. sama dengan kelembaban relatif (RH) B. suatu angka yang menunjukkan ketersediaan air bebas dalam bahan pangan C. nilai aW berkisar 0 sampai 100 D. sama dengan kadar air
1.12
kimia pangan
Cocokkanlah jawaban Anda dengan Kunci Jawaban Tes Formatif 1 yang terdapat di bagian akhir modul ini. Hitunglah jawaban yang benar. Kemudian, gunakan rumus berikut untuk mengetahui tingkat penguasaan Anda terhadap materi Kegiatan Belajar 1.
Tingkat penguasaan =
Jumlah Jawaban yang Benar
100%
Jumlah Soal
Arti tingkat penguasaan: 90 - 100% = baik sekali 80 - 89% = baik 70 - 79% = cukup < 70% = kurang Apabila mencapai tingkat penguasaan 80% atau lebih, Anda dapat meneruskan dengan Kegiatan Belajar 2. Bagus! Jika masih di bawah 80%, Anda harus mengulangi materi Kegiatan Belajar 1, terutama bagian yang belum dikuasai.
1.13
PANG4213/MODUL 1
Kegiatan Belajar 2
Kadar Air, Sumbernya dan Keawetan Bahan Pangan
K
adar air bahan pangan mempunyai peranan penting dalam menentukan keawetannya. Hal ini disebabkan oleh kadar air mempunyai pengaruh yang erat pada (i) laju pertumbuhan mikroorganisme pembusuk dan (ii) laju reaksi-reaksi kimia/biokimia yang dapat menyebabkan kerusakan bahan pangan. Pertumbuhan mikroorganisme pada bahan pangan biasanya sangat dipengaruhi oleh aktivitas air (aw), yang mana aw dapat diartikan sebagai indeks jumlah air yang dapat dimanfaatkan oleh mikroorganisme untuk pertumbuhannya. Semakin tinggi nilai aw, maka semakin besar ketersediaan air sehingga semakin besar peluang ditemukannya mikroorganism. A. ISOTERM SORPSI Kurva hubungan antara kadar air dan aktivitas air (water activity; aw) suatu bahan pangan disebut sebagai kurva isoterm sorpsi. Aktivitas air adalah suatu angka yang menunjukkan ketersediaan air bebas dalam bahan pangan dan didefinisikan sebagai berikut: aw = P/ Po = RH/100, di mana P adalah tekanan parsial uap air dalam bahan pangan pada suhu T, P o adalah tekanan uap air murni pada suhu T, dan RH (relative humidity) adalah kelembaban relatif udara dalam keseimbangannya dengan bahan pangan dalam suatu ruangan penyimpanan pada suhu T. Dengan demikian nilai a w mempunyai kisaran antara 0 (sangat kering, tidak terdapat air) sampai 1 (nilai aw untuk air murni). Isoterm sorpsi bahan pangan secara umum dapat diperlihatkan seperti pada Gambar 1.6. Karena itu, isoterm sorpsi produk pangan biasanya digambarkan dalam dua kondisi secara tersendiri: yaitu pada kondisi kadar air tinggi (Gambar 1.6 A) dan pada kondisi bahan pangan dengan kadar air yang rendah (Gambar 1.6 B).
1.14
kimia pangan
Gambar 1.6 Isoterm Sorpsi Air A: Bahan pangan dengan kadar air tinggi; B: Bahan pangan dengan kadar air rendah. Seperti terlihat pada Garnbar 1.6, pada kadar air yang rendah (kurang dari 50%) sedikit perubahan pada kadar akan menyebabkan perubahan yang besar pada aw. Pada Gambar 1.6.B terlihat bahwa kurva isoterm sorpsi dapat dibedakan menjadi isoterm desorpsi (yaitu pada proses pengeringan atau dehidrasi; di mana makin lama kadar air dan aw semakin turun) dan isoterm adsorpsi (yaitu pada proses pembasahan atau adsorpsi; di mana makin lama kadar air dan a w semakin meningkat). Kedua macam kurva isoterm sorpsi tersebut akan terlihat secara jelas jika kondisi bahan pangan telah mencapai kadar air kurang dari 50%. Pada umumnya, kurva isoterm desorpsi berada sedikit di
PANG4213/MODUL 1
1.15
sebelah atas daripada kurva isoterm adsorpsi. Fenomena ini disebut sebagai fenomena histerisis. Secara umum, pada kurva isoterm sorpsi dapat dibedakan menjadi 3 daerah berdasarkan pada sifat-sifat air yang terlibat pada proses adsorpsi ataupun desorpsi. Misalnya pada proses adsorpsi: Pada daerah A, air yang diserap oleh bahan pangan akan digunakan untuk membasahi permukaanpermukaan bahan pangan yang kering sampai akhirnya terbentuk satu lapisan molekul air (disebut sebagai lapisan monomolekuler atau monomolecular layer of water). Setelah melewati daerah A dan memasuki daerah B, air yang diserap digunakan untuk menambah ketebalan lapisan monomolekular, sehingga akhirnya akan terbentuk suatu lapisan hidrasi yang cukup tebal; terdiri lebih dari monomolekular. Molekul-molekul air yang membentuk lapisan hidrasi ini termasuk sebagai air terikat tipe I (Tabel 1.3); tidak mempunyai mobilitas dan tidak dapat dibekukan. Selanjutnya, pada daerah C, air mulai terkondensasi dan mengisi pori-pori dan lubang kapiler yang terdapat pada bahan pangan. Pada kondisi ini molekul air mempunyai mobilitas yang tinggi, sehingga termasuk dalam air terikat tipe III. B. AKTIVITAS AIR Pada praktiknya, berbagai mikroorganisme mempunyai nilai a w minimum, di mana pada kondisi aw bahan pangan lebih besar daripada aw minimum, maka mikroorganisme tersebut mampu tumbuh dan berkembang dengan baik. Sebaliknya; pada kondisi aw lebih kecil daripada nilai aw minimumnya, maka mikroorganisme tersebut tidak akan mampu tumbuh dengan baik karena tidak tersedia air yang cukup untuk pertumbuhannya. Bakteri umumnya mempunyai persyaratan aw minimum yang lebih besar daripada persyaratan aw minimum untuk kapang dan khamir. Nilai aw minimum untuk bakteri biasanya adalah sekitar 0,9, sedangkan khamir mempunyai persyaratan aw minimum antara 0,8-0,9. Dan kapang mempunyai persyaratan aw minimum sebesar 0,6-0,7. Dengan demikian dapat diduga bahwa untuk produk pangan yang mempunyai nilai aw lebih besar daripada 0,9, maka kemungkinan besar produk pangan tersebut dapat ditumbuhi baik oleh kapang, khamir ataupun bakteri. Sebaliknya, untuk produk pangan dengan aw sekitar 0,6-0,7 kemungkinan besar produk tersebut akan ditumbuhi oleh kapang, tetapi tidak oleh bakteri. Namun demikian perlu diingat bahwa selalu ada kekecualian-kekecualian yang perlu dipertimbangkan; misalnya
1.16
kimia pangan
beberapa bakteri khusus juga masih mampu tumbuh pada kondisi a w sekitar 0.7. Laju reaksi-reaksi kimia dan biokimia dalam bahan pangan juga sangat dipengaruhi oleh kadar air (khususnya oleh aktivitas air). Dengan demikian maka aktivitas air bahan pangan dapat dikendalikan untuk mendapatkan tingkat keawetan bahan pangan yang optimal. Hubungan antara aktivitas air dan kecepatan atau laju reaksi-reaksi ini dapat diperlihatkan pada Gambar 1.7.
Gambar 1.7 Hubungan kecepatan reaksi dengan water activity dalam bahan makanan (Labuza, 1971)
Sebagaimana telah dikemukakan terdahulu, penurunan aw akan menghambat pertumbuhan mikrooragnisme. Di samping itu, penurunan aw juga akan menghambat laju reaksi enzimatis (reaksi-reaksi yang dikatalisis oleh aktivitas enzim), reaksi pencoklatan (terbentuknya warna coklat/browning sebagai akibat reaksi antara gula dan asam amino) dan reaksi-reaksi hidrolisis (Gambar 1.7). Dari Gambar 1.7 pula dapat dilihat adanya kekecualian; di mana penurunan aw tidak selalu menurunkan laju reaksi oksidasi lipida (reaksi yang dapat menyebabkan ketengikan bahan pangan yang mengandung lemak). Reaksi oksidasi lipida atau lemak ini akan menurun jika aw diturunkan sampai sekitar 0,3; namun penurunan aw lebih lanjut (kurang dari 0,3) justru akan meningkatkan laju oksidasi lipida. Karena itu, produk pangan yang mempunyai nilai aw di sekitar 0,3 (antara 0,2 dan 0,4) biasanya mempunyai daya awet yang maksimal (lihat Gambar 1.7).
1.17
PANG4213/MODUL 1
Produk pangan dengan aw antara 0.6 dan 0.9 sering disebut sebagai makanan semibasah (intermediate moisture foods). Produk-produk pangan semibasah ini (misalnya produk-produk dodol atau jenang) perlu dilindungi dari kerusakan karena pertumbuhan mikroorganisme. Salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan menurunkan nilai aw-nya (yang berarti menekan laju reaksi kerusakan dan laju pertumbuhan mikroorganisme). Penurunan aw ini dapat dilakukan dengan penambahan bahan-bahan tambahan makanan (food additives) yang mempunyai kapasitas mengikat air yang tinggi. Bahan-bahan demikian disebut sebagai humektan; contohnya antara lain adalah garam, gliserol, sorbitol dan sukrosa atau gula pasir (Tabel 1.4). Dari Tabel 1.4 diketahui bahwa gula pasir dengan kadar air 56% mempunyai nilai aw sama (mempunyai tingkat ketersediaan air yang sama) dengan pati kentang dengan kadar air 20 %. Terlihat pula bahwa penambahan sejumlah garam pada produk pangan akan lebih efektif untuk menurunkan nilai aw daripada penambahan gula pasir dengan jumlah yang sama. Hal ini disebabkan oleh garam mempunyai kapasitas mengikat air yang jauh lebih tinggi daripada gula. Tabel 1.4 Kadar air beberapa produk pangan dan bahan tambahan
makanan Jenis Pati kentang Kasein (protein susu) Gliserol Sorbitol Sukrosa (gula pasir) Garam-garam
pada kondisi aw = 0,8 Kadar air 20 19 108 67 56 332
Namun demikian penambahan bahan-bahan tambahan terserbut perlu memperhatikan pengaruhnya terhadap citarasa. Penambahan garam, misalnya, walaupun sangat efektif untuk menurunkan nilai aw, namun akan memberikan rasa asin yang sangat tinggi. Dengan demikian maka penambahan bahan-bahan tersebut perlu disesuaikan dengan kebiasaan makan yang ada. Itulah sebabnya pada proses pembuatan dodol dan jenang banyak ditambahkan gula pasir, sehingga diperoleh produk dengan a w yang
1.18
kimia pangan
cukup rendah yang akan mampu bertahan segar pada waktu yang relatif lama dan dengan citarasa yang disukai. 1.
Sumber Air Secara garis besar, sumber air dapat dibedakan berdasarkan asalnya. Paling tidak terdapat tiga jenis air di alam, yaitu (1) air permukaaan (2) air bawah tanah atau air sumber, dan (3) air hujan. Di samping itu, telah pula kita ketahui salah satu sumber air yang sangat potensial adalah air dalam bahan pangan seperti yang telah didiskusikan di bagian terdahulu (lihat Tabel 1.2). Termasuk air permukaan adalah air laut, danau, sungai dan air selokan atau kanal. Air laut mengandung berbagai jenis garam 3-4 % yang mana paling tidak 3/4 dari garam-garam tersebut adalah NaCl (Natrium klorida). Air sungai, danau ataupun air kanal mengandung berbagai zat, tergantung dari asalnya. Perlu diingat bahwa cukup banyak pabrik dan kegiatan kota lainnya yang sampai saat ini masih membuang limbahnya ke sungai-sungai ini. Kemurnian air tanah atau air sumber sangat tergantung pada kedalaman dan jenis tanahnya. Air sumber sering mengandung gas dan barbagai zat terlarut lainnya. Air yang paling murni yang terdapat dari alam adalah air hujan. Pada kenyataannya, air hujan merupakan air murni yang akhirnya dikondensasi dan jatuh sebagai air hujan. Namun demikian, pada saat jatuh inilah air hujan mulai melarutkan gas-gas dari atmosfer (O2, N2 dan CO2) dan juga partikel-partikel debu sehingga tidak murni lagi. 2.
Air Minum Peranan air memang sangat peting bagi kehidupan manusia, karena itu penting pula untuk berdiskusi tentang sifat-sifat air minum dan hal-hal yang berhubungan dengan mutu air minum. Air mempunyai sifat pelarut yang baik. Karena sifatnya itulah maka berbagai zat dapat dengan mudah terlarut dalam air, sehingga mempengaruhi sifat dan mutu air. Air pada umumnya mengandung berbagai unsur kimia, seperti zat besi, zat kapur, garam-garam mineral, dan kuman (bakteri, ragi dan jamur). Mungkin saja air akan mengandung zat racun yang berbahaya sehingga mengganggu kehidupan manusia. Secara garis besar untuk menilai mutu air, terdapat 3 kriteria utama yang harus diperhatikan. Ketiga kriteria itu adalah (1) kriteria fisik (2) kriteria
1.19
PANG4213/MODUL 1
kimia dan (3) kriteria mikrobiologi. Kriteria fisik meliputi bau, warna, rasa, adanya endapan, adanya kekeruhan dan lain-lain yang umumnya dapat diamati secara organoleptik, yaitu dengan cara melihat dan mencicipi. Kriteria kimia adalah kandungan zat besi, zat kapur, nitrat, mangan, amoniak, bahan-bahan organik, adanya logam berat berbahaya dan lain-lain. Sedangkan kriteria mikrobiologi adalah kandungan mikroorganisma dengan mendeteksi adanya kuman. Dari berbagai penelitian, yang bertujuan untuk menetapkan standar air (khususnya air minum) yang aman bagi manusia, maka Menteri Kesehatan Republik Indonesia melalui Peraturannya, No. 01/BIRHUKMAS/I/1975 menetapkan standar air minum seperti pada Tabel 1.5. Tabel 1.5. Standar Baku untuk Air Minum (Menkes P.P. No.1/Birhukmas/I/1975)
Maksimum yang dianjurkan Kriteria Fisik 1. Warna 2. Kekeruhan 3. Bau 4. Rasa 5. Daya hantar listrik Kriteria Kimia 6. pH 7. Zat padat 8. Zat organik 9. Karbon dioksida bebas 10. Alkalinitas 11. Total kesadahan a. Kesadahan Kalsium b. Kesadahan Magnesium 12. Besi 13. Mangan 14. Sulfat 15. Phosfat 16. Ammonium 17. Nitrit 18. Chlorida
5
STANDAR Maksimum yang diperoleh 50 tak berbau tak berbau
6,5 500 5 75 30 0,1 0,05 200 200
9,2 1500 10 0,0 10 200 150 1,0 0,5 400 0.0 600 600
Satuan (ppm) Pb-Co SiO2
KMnO4 CO2 CaCO3 °D Ca++ Mg ++ Fe++ Mn++ SO4 PO4 NH4 N++ Cl-
Secara awam, cukup sulit menetapkan apakah air kita memenuhi standar atau tidak. Yang jelas bahwa air bening, bening belum tentu aman, karena
1.20
kimia pangan
baru dilihat dari kriteria fisika saja, belum diketahui unsur-unsur kimianya. Ada contoh yang menarik. Air laut misalnya, secara fisik, air laut jernih dan bening, tetapi ternyata asin rasanya yang disebabkan adanya kandungan klorida yang tinggi. Karena itulah dipandang perlu untuk menyarankan kepada pemakai air, supaya menganalisis airnya di laboratorium. Sebagai pedoman umum, ada baiknya diketahui pula beberapa petunjuk praktis berikut ini. a. Warna, bau dan rasa air pada umumnya dengan mudah dapat diamati oleh indera. Demikian pula dengan kekeruhan. Jika dideteksi adanya warna, bau dan rasa yang menyimpang, maka perlu dicurigai bahwa air tersebut tercemar. b. Kesadahan yang disyaratkan adalah 5-20°D. 1°D adalah 1 derajat kesehatan Jerman yang menyatakan kandungan CaO sebanyak 10 mg/liter air. Berdasarkan tingkat kesadahan itu, maka air dibagi menjadi: air sangat lunak : 0 - 4°D air lunak : 4 - 8°D air dengan kesadahan sedang : 8 -18°D air sadah : 18 - 30°D air sangat sadah : di atas 30°D. Jadi, air yang baik untuk air minum termasuk air lunak sampai sedang. Tanda-tanda organoleptik (inderawi) yang dapat digunakan adalah (1) jika kesadahan terlalu tinggi, air terasa lengket atau bila dimasak akan terjadi endapan berupa kerak putih, (2) jika terlalu rendah, air terasa licin jika digunakan untuk cuci tangan atau mandi. c.
Zat besi. Jika air megandung zat besi dalam jumlah yang cukup besar, air yang mula-mula terlihat jernih setelah beberapa waktu akan berubah menjadi coklat kekuning-kuningan, atau membentuk kekeruhan. Bila kandungan zat besi sangat tinggi dapat menimbulkan endapan coklatkekuningan. Kadang-kadang air kelihatan seperti berminyak, terdapat lapisan kaca-kaca dipermukaan air, closet porselen atau lantai akan menjadi kekuningan dan bila dicampur dengan air teh akan berubah menjadi warna kehitaman.
PANG4213/MODUL 1
d. e.
1.21
Adanya zat mangan (Mn) akan mempunyai ciri-ciri seperti zat besi, tetapi perubahan warnanya adalah coklat kehitam-hitaman. Adanya zat organik, amoniak dan nitrit dalam jumlah yang cukup akan dapat dideteksi dengan bau ataupun warna yang khas.
Jika telah diketahui adanya penyimpangan dari kondisi normal, maka perlu segera dilakukan langkah penyelamatan, atau konsultasikan pada laboratorium yang berwenang, misalnya kepada instansi PAM. 3.
Mikrobiologi Air Bagaimana dengan kriteria mikrobiologi? Dalam Tabel 1.5 di atas (tentang standar mutu air minum) ternyata tidak tercantum tentang adanya standar mikrobiologi. Oleh Laboratorium Ilmu Kesehatan Teknik Bandung, Departemen Kesehatan mensyaratkan bahwa angka kuman dalam 1 ml air minum hendaknya kurang dari 100 kuman, serta dalam 100 ml air minum tidak terdapat bakteri coli. Untuk memenuhi syarat mikrobiologi ini, cara yang mudah dapat dilakukan adalah dengan cara memasak air minum sampai mendidih sebelum diminum. Air memang mengandung bermacam-macam bakteri yang dapat berasal dari berbagai sumber misalnya udara, tanah, sampah, lumpur, tanaman atau hewan yang mati, kotoran manusia atau hewan dan bahan organik lainnya. Tetapi sebagian dari bakteri tersebut ada yang tidak tahan hidup lama karena lingkungan hidupnya yang tidak cocok. Beberapa bakteri yang mungkin terdapat di dalam air dapat menyebabkan beberapa penyakit terutama penyakit perut. Penyakit-penyakit perut ini dapat ditularkan melalui kotoran manusia dan hewan. Oleh karena itu, air yang mengandung kotoran sangat berbahaya karena kemungkinan besar mengandung bakteri-bakteri penyebab penyakit tersebut. Bakteri yang mungkin terdapat di dalam air misalnya beberapa spesies dari Pesudomonas, Chromobacterium, Proteus, Achromobacter, Micrococcus, Bacillus, Flavobacterium, Streptococcus (enterococci) Clostridium, Serratia, Enterobacter dan Escherichia. Enterobacter terutama E. aerogenes biasanya tumbuh pada tanaman atau hewan yang telah mati (saprofit) di permukaan air atau tanah, sedangkan Escherichia yang dapat hidup di dalam usus biasanya berasal dari kontaminasi dengan kotoran. Escherichia coli pertama diisolasi oleh Escherich pada tahun 1985 dari kotoran bayi. Kemudian diketahui bahwa
1.22
kimia pangan
bakteri ini biasanya hidup dalam usus manusia atau hewan, dan merupakan bakteri yang lebih tahan hidup di dalam air bila dibandingkan dengan bakteri patogen yang biasanya terdapat di dalam saluran pencernaan (usus). Oleh karena itu uji mikrobiologi air pada umumnya didasarkan atas ada atau tidaknya E. coli, yaitu untuk mengetahui apakah air tersebut mengalami kontaminasi dengan kotoran. Adanya bakteri ini di dalam air tidak selalu menandakan bahwa air tersebut mengandung bakteri penyebab penyakit, tetapi kemungkinan besar memang ada. LAT IH A N Untuk memperdalam pemahaman Anda mengenai materi di atas, kerjakanlah latihan berikut! 1) 2) 3) 4)
Apa yang dimaksud dengan aktivitas air (aw)? Uraikan mengenai 3 sumber air berdasarkan asalnya? Bagaimana hubungan antara kadar air dan keawetan produk pangan? Bagaimana hubungan antara aktivitas air (aw) dan pertumbuhan mikroorganisme? 5) Apa pengaruh penurunan aw dengan laju atau kecepatan reaksi kimia dan biokimia dalam bahan pangan? 6) Apa yang Anda ketahui tentang makanan semibasah? Petunjuk Jawaban Latihan Untuk menjawab soal-soal latihan di atas, Anda harus mempelajari kembali materi yang telah disajikan pada Kegiatan Belajar 2, terutama bagian-bagian tenttang Sumber Air, Air Minum dan Kriteria Kimia (baku), serta Mikrobiologi Air. R A NG KU M AN 1.
Kurva isoterm sorpsi adalah kurva hubungan antara kadar air dan aktivitas air (water activity; aw) suatu bahan pangan. Pada kadar air yang rendah (kurang dari 50%), sedikit perubahan pada kadar akan menyebabkan perubahan yang besar pada aw. Kurva isoterm sorpsi
PANG4213/MODUL 1
2).
3)
4)
5)
1.23
dapat dibedakan menjadi isoterm desorpsi, (yaitu pada proses pengeringan atau dehidrasi, di mana makin lama kadar air dan a w semakin turun) dan isoterm adsorpsi, (yaitu pada proses pembasahan atau adsorpsi, di mana makin lama kadar air dan aw, semakin meningkat). Kadar air bahan pangan mempunyai peranan penting dalam menentukan keawetannya, karena air secara langsung akan mempengaruhi (i) laju pertumbuhan mikroorganisme pembusuk dan (ii) laju reaksi-rekasi kimia/biokimia yang dapat menyebabkan kerusakan bahan pangan. Berbagai mikroorganisme mempunyai nilai aw minimum, di mana pada kondisi aw bahan pangan lebih besar daripada aw minimum, maka mikroorganisme tersebut mampu tumbuh dan berkembang dengan baik. Sebaliknva, pada kondisi aw lebih kecil daripada nilai aw minimumnya, maka mikroorganisme tersebut tidak akan mampu tumbuh dengan baik karena tidak tersedia air yang cukup untuk pertumbuhannya. Nilai aw minimum untuk bakteri biasanya adalah sekitar 0,9, sedangkan khamir mempunyai persyaratan a w minimum antara 0,8-0,9, dan kapang mempunyai persyaratan aw minimum sebesar 0,6-0,7. Penurunan aw juga akan menghambat laju reaksi kimia dan biokimia bahan pangan; antara lain reaksi-reaksi enzimatis (reaksi-reaksi yang dikatalisis oleh aktivitas enzim), reaksi pencoklatan (terbentuknya warna coklat/browing sebagai akibat reaksi antara gula dan asam amino) dan reaksi-reaksi hidrolisis. Sebagai kekecualian adalah reaksi oksidasi lipida reaksi yang dapat menyebabkan ketengikan bahan pangan yang mengandung lemak. Reaksi oksidasi lipida atau lemak ini akan menurun jika a w diturunkan sampai sekitar 0,3; namun penurunan a w lebih lanjut (kurang dari 0,3) justru akan meningkatkan laju oksidasi lipida. Produk pangan dengan aw antara 0.6 dan 0.9 disebut sebagai makanan semi basah (intermediate moisture foods). Produk-produk pangan semibasah ini (misahnya produk-produk dodol atau jenang) perlu dilindungi dari kerusakan karena pertumbuhan mikroorganisme. Salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan menurunkan nilai aw yang dapat dilakukan dengan penambahan bahan-bahan yang mempunyai kapasitas mengikat air yang tinggi. Bahan-bahan demikian disebut sebagai humektan, contohnya antara lain adalah garam, gliserol, sorbitol dan sukrosa atau gula pasir.
1.24
kimia pangan
TES F OR M AT IF 2 Pilihlah satu jawaban yang paling tepat! 1) Kurva isoterm sorpsi adalah kurva hubungan antara .... A. pertumbuhan mikroorganisme dengan aktivitas air (water activity a w) B. keawetan bahan pangan dengan aktivitas air C. kadar air dan aktivitas air suatu bahan pangan D. keawetan bahan pangan dengan kadar air 2) Pertumbuhan mikroorganisme dipengaruhi oleh aktivitas air, berkaitan dengan itu pernyataan mana yang benar .... A. berbagai mikroorganisme mempunyai nilai aw minimum, di mana pada kondisi aw bahan pangan lebih kecil daripada aw minimum tersebut, mikroorganisme mampu tumbuh dan berkembang dengan baik B. berbagai mikroorganisme mempunyai nilai aw minimum, di mana pada kondisi aw lebih besar daripada nilai aw minimum tersebut mikroorganisme tidak akan mampu tumbuh dengan baik karena tidak tersedia air yang cukup untuk pertumbuhannya C. nilai aw minimum untuk bakteri biasanya adalah sekitar 0,9, sedangkan khamir mempunyai aw minimum 0,8-0,9 dan kapang mempunyai persyaratan aw minimum sebesar 0,6-0,7 D. nilai aw minimum untuk bakteri biasanya adalah sekitar 0,6-07, sedangkan khamir mempunyai aw minimum 0,8-0,9, dan kapang mempunyai persyaratan aw minimum sebesar 0,9 3) Penurunan aw bahan pangan akan berpengaruh terhadap laju reaksi tertentu, manakah dari pernyataan di bawah ini yang benar .... A. akan selalu menghambat laju reaksi-reaksi enzimatis, reaksi pencoklatan dan reaksi-reaksi hidrolisis B. akan selalu menghambat laju reaksi oksidasi lipida atau lemak C. akan menghambat laju pertumbuhan mikroorganisme pada a w tertentu, tetapi penurunan aw lebih lanjut akan mempercepat pertumbuhan mikroorganisme D. akan selalu meningkatkan laju reaksi oksidasi lipida atau lemak
1.25
PANG4213/MODUL 1
4) Makanan semi basah adalah .... A. produk pangan yang umumnya mempunyai aw antara 0.6 dan 0.9 B. peningkatan nilai aw yang dapat dilakukan dengan penambahan humektan C. keawetan akan maksimum jika aw-nya maksimum D. produk pangan yang mengandung gula 5) Reaksi pencoklatan terjadi antara .... A. gula dan asam amino dengan reaksi hidrolisis B. monosakarida dengan disakarida C. logam dan sifat keaktifan air D. monosakarida dengan air 6) Perubahan air menjadi coklat kehitam-hitaman menandakan adanya kandungan kimia cukup banyak (relatif banyak) yaitu .... A. phosfor B. sulfur C. mangan D. amonia
Cocokkanlah jawaban Anda dengan Kunci Jawaban Tes Formatif 2 yang terdapat di bagian akhir modul ini. Hitunglah jawaban yang benar. Kemudian, gunakan rumus berikut untuk mengetahui tingkat penguasaan Anda terhadap materi Kegiatan Belajar 2.
Tingkat penguasaan =
Jumlah Jawaban yang Benar
100%
Jumlah Soal Arti tingkat penguasaan: 90 - 100% = baik sekali 80 - 89% = baik 70 - 79% = cukup < 70% = kurang Apabila mencapai tingkat penguasaan 80% atau lebih, Anda dapat meneruskan dengan modul selanjutnya. Bagus! Jika masih di bawah 80%, Anda harus mengulangi materi Kegiatan Belajar 2, terutama bagian yang belum dikuasai.
1.26
kimia pangan
Kunci Jawaban Tes Formatif Tes Formatif 1 1) A 2) A 3) A 4) A 5) A 6) B 7) B
Tes Formatif 2 1) C 2) C 3) A 4) A 5) A 6) C
PANG4213/MODUL 1
1.27
Daftar Pustaka Secretin, M.C. (1974). The Basic Component of Food, Nestle Products Technical Assistance Co. Ltd., Lausane (Switzerland). Belitz, H.D. and Grosch, W. (1987). Food Chemistry, Springer-Valag, Berlin. Zumdahl, S.S. (1989). Chemistry, 2nd. Ed. DC., Heath & Co., Lexington MA.
