Minggu 4 4. Emulsifikasi dan homogenisasi 4.1. Emulsi Emulsi adalah suatu larutan yang terdiri dari fase disperse dan fase continue. Ada dua tipe emulsi yaitu air dalam lemak dan lemak dalam air. Contoh adalah emulsi lemak dalam air pada susu, mayonnaise dan butter serta margarine. Globula dalam emulsi dapat dengan mudah diperkecil ukurannya dan dapat mengalami coalesensi yaitu penggabungan dua atau lebih globula kecil sehingga menjadi globula yang lebih besar. Table 4.1 adalah beberapa karakteristik dari emulsi.
Tabel 4.1. Karakteristik dari emulsi Parameter
Symbol
Besaran -7
Diameter partikel (m)
D
2x10 – 10-5
Perbedaan densitas (kg/m3)
ρc-ρd
10 – 100
Shear stress (N/m)
γ
10-4 – 10-2
Tekanan Laplace (N/m2)
4γ
~ 104
Konsentrasi dispers fase
Φ
0,01 – 0,8
Emulsi dapat dibuat dengan mencampurkan bahan yang akan didispersikan kedalam fase kontinue dan menambahkan emulsifier kedalam campuran tersebut. Tahap selanjutnya adalah memasukkan campuran tersesbut kedalam homogenizer pada kecepatan putaran tinggi. Adapun tujuan dan homogenisasi dan campuran tersebut adalah untuk mendapatkan globula (partikel) yang kecil sehingga fase terdispersi menjadi stabil. Adapaun fungsi dan emulsifier adalah: a. Penurunan tegangan permukaan dan tekanan Laplace. Oleh sebab itu, pada energy density yang sama maka akan diperoleh partikel dispersi yang kecil. Dengan kata lain: energi yang diperlukan untuk mendapatkan partikel tertentu akan lebih kecil jika menggunakan emulsifier. b. Menghindari coalesensi. Emulsifikasi adalah suatu proses yang melibatkan shearing partikel yang diikuti oleh proses coalesensi dan partikel-partikel sehingga didapatkan emulsi yang stabil. Emulsifier dapat menghasilakan partikel kecil sehingga akan lebih stabil daripada partikel besar terhadap proses coalesensi.
Universitas Gadjah Mada
Selain itu, angka HLB ( hydrophil-liophil balance) seringkali digunakan untuk mengkarakterisasi emulsifier. Jika angka HLB emulsifier tinggi maka emulsifier akan lebih mudah larut dalam air, sedangkan jika angka HLB rendah maka emulsifier akan mudah larut dalam minyak. Angka HLM emulsifier didefinisikan bahwa untuk angka HLB adalah 7 maka kelarutan emulsifier didalam air dan didalam minyak adalah sama. Tabel 4.2 menunjukkan angka HLB beberapa emulsifier.
Angka
Penggunaan
HBL Non-ionic Monoglycerida
Glycerol-monostearat
Polyglycerol mono- Tetraglycerol-monostearat
3,8
Ice cream, roti
9,1
asam lemak Tween 60
Polyoxyethylene sorbitan-
14,9
Chocolat
monostearat Tween 65
Polyoxyethylene sorbitan- tristearat
10,5
Ice cream
Tween 80
Polyoxyethylene sorbitan-
15,8
Ice cream
Sorbitan monostearat
4,7
Produk roti
Sabun
Natrium oleat
18
Asam susu ester
Na-stearoyl-2-lactoyl- laktat
21
Fosfatida
Lecithine
Sangat Margarine
monooleat Span 60 Anionic
Produk roti
tinggi
Instabilitas dari emulsi adalah sebagai berikut : a. Disproportioning atau Ostwald growing. Proses ini adalah terjadinya globula atau gelembung yang lebih besar karena bergabungnya globula kecil b. Pemisahan fase diaperse dan fase continue. Hal ini disebabkan oleh perbedaan densitas dari globula dan continue fase. Kecepatan pemisahan ini dapat dihitung menggunakan hokum Skotes.
v
d 2 ( p 1 ) g 18
Universitas Gadjah Mada
Proses ini dapat dipercepat jika terjadi agregasi dari globula atau partikel. Table 4.3 adalah tentang kecepatan pemisahan fase disperse. Table 4.3. Kecepatan pemisahan fase disperse pada produk susu. Persentase lemak yang terdapat pada fase lemak (q) per hari. q Produk
Stokes
Koreksi
(% per hari)
(% per hari)
12 – 60
8 – 40
Homogenisasi susu
0,4
0,2
Evaporasi susu
0,4
0,1
0,1 – 0,3
0,4 – 0,12
Pasteurisasi susu
Susu kental
c. Koalesensi. Bergabungnya globula atau partikel kecil menjadi partikel besar disebut coalesensi. Kecepatan koalesensi dipengaruhi oleh: -
ukuran partikel (globula). Kecepatan coalesensi meningkat dengan kenaikan diameter dan globula.
-
jenis emulsifier. Low molekul emulsifier akan menurunkan stabilitas dan emulsi
-
suhu, pH dan ion strength
Minggu 5 4.3 Homogenisasi Homogenisasi adalah suatu proses untuk mengecilkan ukuran dari globula atau partikel yang terdispers dalam larutan. Tujuan homogenisasi adalah: a. untuk menghindari terjadinya fase disperse, missal: pemisahan lemak cacao, pemisahan lemak dalam susu b. memperbaiki stabilitas emulsi terhadap koalesensi c. memperbaiki rheologi bahan Alat yang digunakan adalah homogenisator yang terdiri dari pompa bertekanan tinggi
untuk
menekan
cairan
melewati
lubang
kecil.
Adapun
prinsip
dari
hamogenasisasi adalah cairan dipompa dengan kecepatan tinggi sehingga klep homogenisator yang menghalangi keluarnya cairan akan tertekan dan terbuka sedikit. Hal ini menyebabkan kecepatan aliran cairan (v2) tinggi. Menurut hokum Bernouli maka
1 1 P1 v12 P2 v22 2 2 v : kecepatan aliran
Universitas Gadjah Mada
ρ : densitas larutan index 1 dan 2 : sesudah dan sebelum klep homogenisator P1 : tekanan homogenisasi P1 >> P2 dan v1 << v2 maka
1 2 P1 vmax 2 Dari persamaan tersebut diatas maka untuk P =20 Mpa, kecepatan maksimum yang melewati lubang klep adalah 200 m/s. -
potensial energi cairan akan diubah menjadi energi kinetic. Energi kinetic ini berubah menjadi energi panas dan turbulensi.
-
Jika energi dissipasi ini adalah sama dengan P maka kenaikan suhu yang disebabkan oleh proses homogenisasi adalah
-
T
P mc p
Tabel 4.4. adalah efek homogenisasi pada susu Tekanan homogenisasi (Mpa)
-
5
10
20
40
-
1,2
2,5
5
10
Jumlah globula lemak (µm )
0,015
2,8
6,9
16
40
Diameter rata-rata dvs (µm)
3,3
0,7
0,47
0,31
0,22
Maksimum diameter (µm)
10
3,1
2,3
1,6
1,1
Luas permukaan A (m /ml susu)
0,08
0,38
0,64
0,88
1,2
Distribusi factor Cs (-)
0,44
0,89
0,85
0,83
0,85
o
Kenaikan suhu ( C) -3
2
Faktor yang mempengaruhi ukuran globula lemak adalah: a. Tipe homogenisator, terutama konstruksi dari klep homogenisator. Untuk tekanan homogenisasi yang sama maka lama tinggal bahan dalam klep homogenisator (tp) dapat berbeda tergantung dari besar lubang klep yang dilalui. Energi density ε dapat dihitung:
P tp
b. Tekanan homogenisasi. Diameter rata-rata (dvs) dapat dihitung dari persamaan berikut : log dvs = konstanta – 0,6 log P sedangkan parameter pemisahan (H) apat dihitung sebagai berikut : log H = konstanta – 1,2 log P
Universitas Gadjah Mada
c. Perbandingan antara lemak dan emulfiser. Jika emulfiser tidak cukup untuk menutup seluruh permukaan globula lemak maka diameter rata-rata globula lemak (dvs) dan relative distribusi factor (cs) besar. d. Suhu. Suhu homogenisasi biasanya antara 40 – 75 oC. homogenisasi pada suhu rendah mengakibatkan terjadinya Kristal lemak sehingga emulsi yang didapat akan jelek.
Universitas Gadjah Mada
