1/14/2014
FREEZE DRYING PROSES PENGERINGAN BEKU
Tujuan Instruksional Khusus : Mahasiswa dapat menjelaskan proses pengolahan pangan pengeringan beku Mahasiswa dapat menjelaskan pengaruh pengeringan beku terhadap karakteristik bahan pangan
= Liofilisasi Air yang dikeluarkan adalah air dalam bentuk padat dan langsung diuapkan melalui proses sublimasi. Tahapan dasar dalam Freeze Drying : Proses pembekuan Sublimasi es menghasilkan produk kering. Proses pengeringan terdiri dari 2 tahap : Tahap I : air dikeluarkan melalui sublimasi Tahap II : penguapan molekul air yang tidak membeku (cair)
Fig. 1. Schematic Operation of Freeze Dryer Tekanan
Vakum Heater
Fresh Product
Freezing
Vakum Heater
Air 4.58 Torr
Es
Uap Triple Point
Sublimasi Primary Drying Stage (Sublimation)
Secondary Drying Stage
0 oC
Suhu
Gambar 2. Diagram fase air yang menunjukkan sublimasi es
1
1/14/2014
FREEZE DRYING………….
Gambar 3. Prinsip Sistem Freeze Drying
Keuntungan : dapat mempertahankan Struktur Flavor Mutu produk lebih tinggi daripada metode pengeringan lain Kelemahan : biaya mahal 2 kali vacuum belt drying 5 kali spray drying diimbangi dengan harga yang tinggi karena mutu yang bagus.
Tabel 1. Perbedaan pengeringan konvensional dan freeze drying Pengeringan Konvensional
Pengeringan Beku
Untuk produk yang mudah dikeringkan (sayur dan Untuk produk pangan yang sulit biji-bijian) dikeringkan dengan pengeringan konvensional Tidak baik untuk daging
Baik untuk pengeringan daging
Suhu 37-93oC
Suhu < titik beku
Tekanan atmosfir
Tekanan rendah (27-133 Pa)
Penguapan air dari permukaan bahan
Sublimasi air dari permukaan es
Stress pada bahan pangan padat menyebabkan kerusakan struktur dan penyusutan
Perubahan struktur dan penyusutan minimal
Rehidrasi lambat dan tidak sempurna
Rehidrasi cepat
Produk kering mempunyai densitas > dari pada bahan awalnya
Densitas <
Aroma dan flavor sering abnormal
Aroma dan flavor normal
Warna lebih gelap
Warna normal
Nilai gizi menurun
Nilai gizi dapat dipertahankan
Biaya rendah
Biaya tinggi
TAHAPAN DALAM FREEZE DRYING 1. Freezing
Untuk menghasilkan produk pangan yang porous maka kristal es yang terbentuk harus kecil Pembekuan cepat seperti pencelupan dalam nitrogen cair atau CO2. Plate freezer digunakan untuk bahan pangan dengan bentuk yang seragam Air blast freezer : untuk bahan padat berukuran kecil atau tipis Drum freezer untuk bahan pangan cair Produk dibekukan hingga kondisi freeze concentrated (Tg’) volume es yang terbentuk maksimum dan jumlah air yang dalam keadaan cair (Wg’) minimum air yang dikeluarkan melalui sublimasi >>.
2
1/14/2014
TAHAPAN DALAM FREEZE DRYING
TAHAPAN DALAM FREEZE DRYING……….
Gambar . Pengeluaran air selama proses freeze drying
Kristal es yang terbentuk selama proses pembekuan harus berhubungan (membentuk jaringan) satu dengan yang lainnya penting pada saat pengeringan tahap I dan II pada produk cair pembentukan jaringan kristal es ini tergantung pada teknologi pembekuan yang digunakan. Pada produk pangan cair, digunakan pembekuan lambat untuk membentuk kisi-kisi kristal es (terbentuk saluran yang porous) sehingga memudahkan untuk proses penguapan air
Pada bahan pangan padat dan bahan dengan struktur gel atau seluler, pada pembekuan lambat akan terbentuk kristal es individu yang terpisah satu dengan lainnya sehingga tidak terbentuk jaringan porous uap air berdifusi melalui struktur padat sehingga waktu pengeringan lebih lama. Jika pembekuan terlalu cepat terjadi keretakan kristal uap menjadi saluran untuk difusi uap tapi berpengaruh negatif terhadap karakteristik produk akhir.
3
1/14/2014
Pada beberapa produk pangan cair misalnya jus buah dan ekstrak kopi terbentuknya keadaan gelas pada pembekuan menyebabkan pengeluaran uap menjadi sulit diatasi dengan : Cairan dibekukan dalam bentuk foam (vacuum puff freeze drying) Jus dikeringkan bersama-sama dengan pulp kedua metode ini menghasilkan saluran pada bahan pangan sebagai tempat pengeluaran uap dari bahan Jus beku dihaluskan hingga terbentuk granula pengeringan lebih cepat dan ukuran partikel produk dapat diatur.
Selama fase primer ini es sebagian berkurang. Batas antara produk beku dan kering disebut “sublimation front” Front
Wi Moisture Content
Wf
2. Primary Drying (Pengeringan Tahap I) Kristal es yang terbentuk pada proses pembekuan (freezing) disublimasikan pada tekanan vakum Semakin tinggi tingkat kevakuman (tekanan absolut<) maka laju sublimasi akan meningkat. Tekanan yang dibutuhkan 1-2 Torr. Untuk terjadinya sublimasi ditambahkan panas dari luar untuk mensuplai panas laten sublimasi (284 MJ/kg atau 1220 BTU/lb) panas ditambahkan dari luar Penambahan panas harus hati-hati agar tidak meningkatkan suhu produk (suhu harus< titik leleh produk). Panas diberikan melalui konduksi atau radiasi.
Ice
Dried Product
Fig 3. Probable moisture gradients at the sublimation front during freeze drying.
Tidak semua air yang ada dalam produk dapat dibekukan pada tahap I pengeringan tahap I hanya mengurangi kadar air pada batas antara titik beku dan transisi gelas (pada Wg’ dan Tg’ pada Fig.4) besarnya tergantung komposisi produk Besarnya kadar air yang diturunkan biasanya 15-20% pada tahap I dan sisanya adalah air yang tidak membeku yang akan dikeluarkan pada pengeringan tahap II.
4
1/14/2014
Temperature
Dilute liquid
Supersaturated Solution
Ice Glass
Fig 4. State diagram for a simple binary mixture
Solute concentration
Penambahan panas dapat menyebabkan suhu produk > suhu kolapsnya. Suhu kolaps = suhu dimana produk menjadi mudah untuk mengalir Selama kolaps kantung tempat kristal es yang terbentuk selama sublimasi menghilang dan digantikan oleh produk yang mengalir ke daerah ini sehingga produk kering beku yang dihasilkan mempunyai densitas > dan mengurangi kemampuannya untuk direhidrasi
Tabel 2. Suhu kolaps untuk beberapa produk Bahan Pangan
Suhu Kolaps (oC)
Jus buah
(-37) – (-43)
Strawberry
(-33) – (-41)
Apel
(-41) – (-42)
Tomat Jagung manis Kentang Es krim (vanilla) Keju Cheddar Ikan Daging Sapi
-41 (-8) – (-15) -12
(-31) – (-33) -24 (-6) – (-12)
-12
Pada pengeringan tahap II suhu harus < suhu transisi gelas untuk mencegah terjadinya kolaps. Jika terjadi kolaps maka suhu pemaas dan tekanan harus diturunkan. Struktur produk pangan beku menentukan waktu yang dibutuhkan untuk pengeringan tahap II, karena proses pengeringan hanya terjadi melalui proses difusi molekul air dari produk. Pada produk pangan berbentuk padat dimana tidak ada saluran pada pori-pori es, pengeringan lebih lama karena air menguap melalui bahan pangan ke permukaan, dan jika terdapat saluran pada pori-pori kristal es maka proses pengeringan lebih cepat. Akhir proses pengeringan beku ditunjukkan oleh suhu dan berat produk. Pengukuran suhu pada satu titik dapat digunakan untuk menduga kadar air pada titik tersebut perlu pengetahuan mengenai hubungan antara suhu dan kadar air.
5
1/14/2014
PERALATAN FREEZE DRYING Temperature
A D B
C
Glass
Fig 5. Processing trajectory on a state diagram for optimal freeze drying. Product starts at point A, freezes at point B, ice is removed by sublimation to point C, and product is dried further to point D.
Solute Concentration
JENIS-JENIS FREEZE DRIER
Contact (or conduction) Freeze Driers : Bahan diletakkan di atas trays yang terletak di atas plate pemanas Laju pengeringan lama karena proses pindah panas melalui konduksi hanya pada satu sisi dari bahan pangan. Kontak antara produk pangan beku dan permukaan panas tidak rata sehingga mengurangi laju pindah panas
Freeze drier tdd : Ruangan vakum yang terdiri dari trays tempat bahan yang akan dikeringkan Pemanas untuk menyediakan panas laten sublimasi Refrigeration coil untuk mengkondensasikan uap secara langsung menjadi es yang dihubungkan dengan alat defrosting otomatis untuk menjaga agar coil bebas dari kristal es penting karena sebagian besar energi digunakan untuk mendinginkan kondensor. Pompa vakum untuk mengeluarkan uap yang tidak berkondensasi Pengering ada beberapa tipe tergantung pada metode yang digunakan untuk menyediakan panas di permukaan produk (konduksi atau radiasi).
JENIS-JENIS FREEZE DRIER…………..
Accelerated Freeze Driers Pada type ini produk pangan diletakkan di antara 2 lapisan logam yang berlubang dan mendapatkan tekanan dari 2 sisi. Pemanasan melalui konveksi, tapi pindah panas ke bahan pangan lebih cepat dari pada dengan plate yang padat. Uap lebih cepat dikeluarkan dari permukaan produk Waktu pengeringan lebih cepat daripada metode kontak.
6
1/14/2014
JENIS-JENIS FREEZE DRIER………….
Radiation Freeze Driers : Digunakan radiasi infrared dari pemanas radian untuk memanaskan lapisan bahan pangan yang tipis pada trays datar. Pemanasan lebih seragam daripada tipe konduksi karena pengaruh permukaan yang tidak teratur terhadap laju pindah panas kecil.
JENIS-JENIS FREEZE DRIER……….
Microwave and Dielectric Freeze Driers : Penggunaan pemanas dengan frekwensi radio berpotensi dikembangkan dalam dreeze drying tapi jarang digunakan pada skala komersial. Sulit dikontrol karena air memiliki loss factor yang besar daripada es dan terdapatnya es yang mencair di beberapa tempat menyebabkan pemanasan yang berlebihan.
Fig 6. Freeze drying methods : (a) conduction throuh ribbed tray; (b) expanded mesh for accelerated freeze drying; © radiant heating of flat trays.
(a)
Heating Plate
Mesh (b) Heating Plate
VIBRATIONAL FREEZE DRYER
(c)
7
1/14/2014
HULL ®FREEZE DRYING SYSTEM WITH EXTERNAL CONDENSOR
VIRTIS ®FREEZE DRYING SYSTEM
CONTINIOUS CIRCULAR PLATE FREEZE DRYER
PENGARUH TERHADAP BAHAN PANGAN
Krakteristik sensori dan nilai gizi dapat dipertahankan Masa simpan > 12 bulan jika dikemas dengan baik Komponen aroma yang volatil tidak keluar bersama uap tapi tetap berada pada matriks bahan pangan aroma retention 80-100%. Tekstur dapat dipertahankan (penyusutan sedikit) Tidak terjadi case hardening Struktur pori yang terbuka memungkinkan rehidrasi yang cepat dan sempurna tapi ini mudah pecah sehingga harus dilindungi dari kerusakan mekanis Perubahan protein, pati dan karbohidrat lain sedikit Adanya struktur pori yang terbuka memungkinkan masukya oksigen yang dapat mengoksidasi lemak produk harus dikemas dengan kemasan yang inert terhadap gas Terdapat sedikt penurunan kandungan tiamin dan asam askorbat tapi vitamin lain hampir tidak berubah. Kehilangan gizi mungkin terjadi pada saat proses misal pada proses blansing
8
