Dehidrasi (dehydration)

Pengeringan (drying)/ Dehidrasi (dehydration) Purwiyatno Hariyadi • Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fateta, IPB • Director of Southeast Asian Food & Agricultural Science & Technology (SEAFAST) Center, Bogor Agricultural University, BOGOR, Indonesia • www.seafast.ipb.ac.id

Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id

ITP530 2015

Pengeringan (drying)/ Dehidrasi (dehydration) • Teknik pengawetan pangan  kuno  modern • Operasi mengurangi/mengambil air dari suatu bahan (pangan) melalui proses evaporasi (penguapan) atau sublimasi. • Pengawetan?  mengurangi akivitas air (aw). ITP530 2015

Purwiyatno Hariyadi.


phariyadi.staff.ipb.ac.id 1

Teori-Diagram Fase Air & Pengendalian Pengeringan

Tekanan (atm)

mendidih cair gas

Suhu (oC)


membeku

Tekanan (atm)

cair padat gas

Suhu (oC)




Tekanan (atm) padat

cair

menyublim gas

Suhu (oC)


Tekanan (atm)

1 atm

padat

cair

Pengeringan biasa, Pada tek atmosfir, terjadi pd suhu tinggi (1 atm  100oC)

gas 100oC (212oF)


Suhu (oC)



Tekanan (atm)

1 atm

? Atm (<1atm)

padat

cair Pengeringan vacuum, (pd tek < atmosfir, terjadi pd suhu lbh rendah)

gas ? oC (<100oC)

PENGERINGAN

Suhu (oC)

… contoh produk kering

Peach ITP530 2015




PENGERINGAN

… contoh produk kering

Spinach Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id

ITP530 2015

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan?

Kenapa mengawetkan? • Menurunkan kadar air  menurunkan ketersediaan/aktivitas air  Menurunkan aktivitas mikroba  Menurunkan reaksi perubahan (stabil selama penyimpanan)

ITP530 2015





0.0

Zone I

Zone II

Zone III

(air terikat)

(mono layer)

(air bebas)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Water Activity

ITP530 2015

0.9

Kadar Air

Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan

1.0


PENGERINGAN … kenapa mengawetkan? Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan Zone I

Zone II

Zone III

Oksidasi lemak

Kadar Air

Reaksi hidrolisis

Reaksi nonenzimatis browning 0.0

0.1

0.2

0.3

ITP530 2015


0.4

0.5

0.6

0.7

Water Activity

0.8

0.9

1.0





ITP530 2015

PENGERINGAN … kenapa mengawetkan? Aktivitas (kadar) air memegang peranan penting dalam menentukan keawetan pangan 1

aw

Produk “mudah rusak”: Biasanya rusak karena perubahan/aktivitas mikrobiologi 0,55 - 0,65

Produk “awet”: Biasanya rusak karena perubahan kimia & fisik 0 ITP530 2015




Nilai aktivitas Air (aw), mikroba, dan contoh produk pangan Nilai aw minimum

Jenis Mikroorganisme yang terhambat pada kondisi aw tsb

Contoh produk pangan dgn aw min tsb

0,950

Pseudomonas, Eschericia, Proteus, Shigela, Klebsiella, Bacillus, Clostridium perfringents, beberapa ragi

Daging dan ikan segar, susu segar, berbagai buah dan sayuran segar, dan berbagai produk olahannya (sosis); kadar air lebih dari 40% (b/b)

0,910

Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, C. botulinum, Seratia, Lactobacillus, Pediococcus, beberapa kapang, Rhodotrula, Pichia

Aneka keju, aneka olaha daging kiuring, dan konsentrat dengan kadar sukrosa ~55%, atau kadar NaCl ~ 12%

Berbagai ragi Sosis fermentasi (salami), sponge cake (kue bolu), keju (Candida, Torulopsis, kering, margain, dan bahan bangan lain dengan kadar gula Hansenula), tinggi (~ 65% sukrosa (b/b; jenuh) atau kadar garam, NaCl Reference: Micrococcus) ~ 15% Purwiyatno Hariyadi Water Activity of Some Foods and Susceptibility to Spoilage by Microorganisms Adapted ITP530 0,870

from Beuchat (1981). 2015

Phariyadi.staff.ipb.ac.id

Nilai aktivitas Air (aw), mikroba, dan contoh produk pangan Nilai aw minimum



0,800

Kebanyakan kapang (mycotoxigenic penicllia), Staphylococcus aureus, kebanyakan Saccharomyces (bailii) spp, Debaryomyces

Susu kental manis, sirup coklat, sirup maple, sirup buah, tepung, beras, kacang-kavangan (kadar air ~ 15-17%), fruits cake, dan aneka bolu manis

0,750

Kebanyakan bakteria Halofilik, Aspergilli Mycotoxingenik

0,650

Jamur xerophilik (Aspergillus chevalieri., A candidus, Wallemia sebi), Saccharomyces bisporus

Jem, marmalade, marzipan, dll Rolled oats (kadar air ~10%), nugget, jeli, molases, gula mentah (raw sugar), dan berbagai buah-buahan kering

0.600

Ragi osmophilic Buah/sayur kering dengan kadar air 15-20%, (Saccharaomyces rouxii), produk karamel cair, madu bebeberapa jamur Reference: (Aspergillus ecbinulutas, Purwiyatno Hariyadi Water Activity of Some Foods and Susceptibility to Spoilage by Microorganisms Adapted ITP530 Monascus bisporus) Phariyadi.staff.ipb.ac.id from Beuchat (1981). 2015



Nilai aktivitas Air (aw), mikroba, dan contoh produk pangan Nilai aw Minimum


0,5

0,400 0,300 0,030


Aneka pasta (mie, spaghetti, dll) dgn kadar air ~ 12,5% Rempah-rempah kering dgn kadar air ~10%. Umumnya; Iidak dapat ditumbuhi oleh mikroorganisme

Tepung telor; kadar air ~5% Kukis, kreker, bread crust dll (dgn kadar air ~ 3-5%). Bubuk susu utuh dgn kada air 2-3%, Bubuk MPASI (ka ~ 1-3%), Bubuk sup (ka ~ 2-3%) Sayuran kering (ka~5%), Emping jagung (cornflake, ka~5%)

Reference: Water Activity of Some Foods and Susceptibility to Spoilage by Microorganisms Adapted ITP530 from Beuchat (1981). 2015


Nilai aktivitas air (aw) pada beberapa jenis produk pangan Jenis Produk Daging dan ikan segar Roti Keju Chedar Aneka Jem dan jeli Aneka pudding Buah kering Kukis Susu bubuk Kopi Instant

ITP530 2015


Nilai Aktivitas Air (aw) 0.99 0.95 0.85 0.8 0.8 0.6 0.3 0.2 0.2




ITP530 2015

Konsep Dasar Pengeringan • Kadar air = massa air/satuan massa padatan kering • Kadar air keseimbangan = f (suhu, kelembaban) • Isoterm Sorpsi Air (ISA) = Moisture Sorption isotherms(MSI): – kurva hubungan antara RH udara penyimpanan dan kadar air kesetimbangan yang diperoleh jika produk selama penyimpanan . ITP530 2015




Konsep Dasar Pengeringan • ISA: kurva hubungan antara RH udara penyimpanan dan kadar air kesetimbangan yang diperoleh jika produk selama penyimpanan


ITP530 2015

Konsep Dasar Pengeringan ISA  dipengaruhi oleh suhu : • Perlu kontrol suhu dalam melakukan percobaan penentuan ISA

ITP530 2015




Percobaan penentuan Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (1)


ITP530 2015

Percobaan penentuan Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (2) Lakukan : penyimpanan produk pada berbagai kondisi RH penyimpanan yang berbeda-beda.

ITP530 2015




Percobaan penentuan Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (3) Buat kurva kenaikan kadar air  menuju ke kadar air kesetimbangan

(selama penyimpanan pada berbagai kondisi RH)


ITP530 2015

Catatan ttg Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (1) Fenomena Histerisis Pada Kurva ISA

ITP530 2015




Catatan ttg Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (2) Fenomena Histerisis Pada Kurva ISA

Hysteresis: loss of H20 binding sites


ITP530 2015

Catatan ttg Isoterm Sorpsi Air (ISA) ... (3)

ITP530 2015




Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -1 • Bahan pangan basah; dikeringkan dengan menggunakan udara kering, panas, pada suhu dan RH yang konstan. • Udara kering, panas akan • memberikan panas (sensible dan laten) yang diperlukan untuk proses pengeringan (evaporasi)  secara konveksi • Membawa uap air

Udara kering, panas

Udara basah, dingin

BAHAN PANGAN d Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id

ITP530 2015

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -2

Mekanisme Pengeringan  3 tahap pengeringan :

• • •

Tahap “penyesuaian” (settling down stage)  ( A-B ) Tahap pengeringan dengan laju pengeringan konstan (Constant drying rate stage)  ( B-C ) Tahap pengeringan dengan laju pengeringan menurun (Falling drying rate stage)  ( C-D )

ITP530 2015





Tahap “penyesuaian” (A-B) Tahap awal; dimana permukaan bahan akan menyesuaian/ mencapai kesetimbangan dengan udara pengering  suhu permukaan meningkat mencapai suhu bola basah dari udara pengering. Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id

ITP530 2015

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -4 Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Konstan (Constant Rate Periode; CRP)  (B-C) • Permukaan bahan selalu dalam keadaan basah (jenuh dengan air) • Laju perpindahan air dari dalam bahan menuju permukaan > laju pengurangan air dari permukaan (oleh evaporasi) • T permukaan tetap dipertahankan pada suhu bola basah udara pengering.

• (dw/dt )c = - Kg A ( ps-pa) • • • • •

(dw/dt)c = laju pengeringan Kg = koeff pindah massa A = luas area pengeringan ps = tekanan uap air di permukaan, dan pa = tekanan parsial uap air di udara pengering.

ITP530 2015




Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -5 Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Konstan (Constant Rate Periode; CRP)  (B-C)

• (dw/dt)c = - Kg A ( ps-pa) Bisa dinyatakan dgn menggunakan nilai kelembahan absolute  kelembahan absolute = (berat uap air/satu satuan berat udara) H = Mw pv /Ma (P-pv) karena pv << P  P-pv  P H = ( Mw/Ma) ( pv/P ) •

(dw/dt)c = - Kg1 A(Hs - Ha), dimana Kg1 = Kg( Ma P/ Mw) Hs kelembaban pada permukaan (kelembaban jenuh pd suhu permukaan), Ha kelembaban udara pengering Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id

ITP530 2015

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -6 Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Konstan (Constant Rate Periode; CRP)  (B-C)

• (dw/dt)c = - Kg A ( Laju pindah panas di permukaan :

ps-pa)

• (dQ/dt)c = hc A (a - s) (dQ/dt)c = laju pindah panas hc = koef pindah panas konveksi a = suhu udara pengering (suhu bola kering), dan s = suhu permukaan (suhu bola basah).

Panas yang ditransfer ke permukaan akan digunakan untuk menguapkan air dari permukaan : • (dw/dt)c L = -(dQ/dt), dimana L = panas laten evaporasi. • (dw/dt)c = - (hc A/L)(a - s) ITP530 2015




Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -7 Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Konstan (Constant Rate Periode; CRP)  (B-C) • (dw/dt)c = - (hc A/L)(a - s) Jika A’ adalah luas area pengeringan effektif per satu satuan masa bahan, maka 

(dW/dt )c = - (hc A'/L)(a - s)

Untuk pengeringan pada bak pengering dengan ketebalan d, dimana proses penguapan hanya terjadi melalui permukaan atas (asumsi tdk terjadi pengkerutan/shrinkage), maka laju perubahan kadar air : Waktu pengeringan selama CRP ( dW/dt)c = - (hc/s L d) (a - s) ........CRP  integrasikan persamaan (CRP) dengan batas W: (W0Wc), dan t: Dimana : s = desnitas kamba produk kering. (0tc). Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id

ITP530 2015

Penentuan Waktu Pengeringan (drying time) -8 Tahap Pengeringan dengan Laju Pengeringan Menurun (Falling Rate

Periode; FRP - (C-D) •

Mulai terjadi jika transfer uap air di dalam bahan mulai terhambat; shg tidak lagi cukup untuk mempertahan permukaan bahan tetap jenuh permukaan mulai mengering.

•

Kadar air dimana mulai terjadi perubahan ini disebut kadar air kritis  critical moisture content Wc.

•

Setelah titik ini; suhu permukaan bahan mulai meningkat mendekati suhu bola kering udara pengering  bahan mulai mngering.

ITP530 2015





Periode; FRP - (C-D)

Laju pengeringan : (dW/dt)f = - K(W - We), dimana We = kadar air kesetimbangan pada suhu dan kelembaban udara pengering (ISA)


ITP530 2015


Periode; FRP - (C-D) Laju pengeringan pd awal FRP = laju pengeringan pada akhir CRP (-dW/dt)f = (-dW/dt)c (dW/dt)f = - K(Wc - We) (dW/dt)c = - (hc/s L d) (a - s)

...... CRP

K = (-dW/dt)c / (Wc - We) (dW/dt)f = -hc (a - s) (W - We) / s L d ( Wc- We ) tFRP  intergrasikan dari t=0, W=Wc sampai t=tFRP, W=Wf Jika pengeringan terjadi dari dua permukaan (atas-bawah) maka d = 1/2 ketebalan lapisan. ITP530 2015





Total waktu pengeringan = tcRP + tfRP


ITP530 2015

Kompleksitas proses pengeringan bahan pangan 1.

2. 3. 4.

Komponen bahan pangan ; protein, karbohidrat, lemak, vitamin, enzim, garam-garam, mempunyai sigat hidrasi yang berbeda-beda (aw, We, mekanisme pengeringan). Selama pengeringan; total padatan terlarut berubah bersamaan berubahnya kadar air (hc, s ) Bahan pangan sering mengalami pengkerutan; shrinkage (hc, s, d) Bahan pangan sering mengalami pengerasan; case hardening (hc)

ITP530 2015




Metoda pengeringan bahan pangan : Cek : www.rpaulsingh.com A. Pengeringan dengan udara kering 1. Kiln drier 2. Cabinet, tray or compartment drier 3. Tunnel drier 4. Conveyor drier 5. Bin drier 6. Fluidized bed drier 7. Pneumatic drier 8. Rotary drier 9. Spray drier B. dengan kontak permukaan panas : 1. Drum drier 2. Vacuum shelf drier 3. Vacuum band drier Purwiyatno Hariyadi Phariyadi.staff.ipb.ac.id

ITP530 2015

Metoda pengeringan bahan pangan : Cek : www.rpaulsingh.com C. Pengeringan dengan energi radiasi, microwave atau dielektrik. 1. Radiant heating drying 2. Continuous infra-red drier 3. Microwave and dielectric heating drying D. Pengeringan beku (pengeringan sublimasi, liofilisasi) 1. Batch freeze-driers 2. Multicabinet freeze-driers 3. Tunnel freeze-driers ITP530 2015




Teori-Pengeringan Beku

Tekanan (atm) padat

cair

gas (uap air) gas

< PT

Suhu (oC)

< TT

PENGERINGAN BEKU = Lyophilization KELEBIHAN • Produk kering • • • •

cost of shipping /transportasion popular bagi “boaters” dan “hikers” tanpa memerlukan referigerasi shipping and storage costs

• Tidak rentan terhadap kontaminasi - awet & aman • Produk porus • lebih higroskopis • mudah direhidrasi/mudah dilarutkan

• Struktur fisik bisa dipertahankan • Proses pengeringan pada suhu rendah mampu mempertahankan warna, bentuk, tekstur, dan flavor



PENGERINGAN BEKU = Lyophilization KELEBIHAN lainnya • Convenient • Little effort needed to prepare • easy to do at home

Kriteria

Pengeringan Biasa/Vakum

Pengeringan Beku

Suhu Pengeringan

37-93oC

Dibawah titik beku

Mekanisme pengeringan

Penguapan (evaporasi)

Laju pengeringan

Lambat dan tidak komplit

Cepat, dan lebih komplit

Tekanan

Tekanan atmosfir – Vakuum (diatas Ptriple)

Tekanan vakuum (dibawah Ptriple)

Mutu Produk

• Sering menghasilkan permukaan yang keriput, kurang porus, densitas tinggi, • Kurang mudah dibasahkan (disegarkan) kembali, • warna kegelapan, • mutu flavor, nilai gizi berkurang

Sublimasi

• Tidak menyebabkan permukaan yang keriput, lebih porus, densitas lebh rendah, • Mudah disegarkan kembali, • Warna normal, • Mutu flavor dan nilai gizi lebih dapat dipertahankan normal

Biaya

Lebih murah

Lebih mahal

Kegunaan umum

Untuk pengeringan umum, cocok untuk sayur-sayuran dan bijibijian, Kurang/tidak cocok untuk daging dan produk daging

Untuk produk dengan nilai ekonomi cukup tinggi, mikroenkapsulasi, produk instant, cocok untuk daging dan produk daging



PENGERINGAN BEKU … Contoh Produk

Instant Coffee

PENGERINGAN BEKU

… mampu lebih mempertahankan struktur fisik

air

Ruang kosong/ prorous

es Sublimasi

Bekukan

Produk Segar


Produk Beku

Produk Kering-Beku


PENGERINGAN BEKU

… mampu lebih mempertahankan struktur fisik sublimasi

Beku

Proses pengeringan/ Sublimasi (terjadi pada suhu dingin)

sublimasi

Beku Kering

Kering-beku

PENGERINGAN BEKU

… pengeringan biasa umumnya akan menyebabkan pengerutan/case hardening

sublimasi

basah

Proses pengeringan/ evaporasi (terjadi pada suhu panas/tinggi)

uap air

Basah Difusi air dan uap air



PENGERINGAN BEKU … Contoh Produk Tomato Soup

Sebelum direhidrasi

Sesudah direhidrasi

PENGERINGAN BEKU … Contoh Produk MIXED VEGETABLES WITH PASTA

Mixes Sesudah direhidrasi

Sebelum direhidrasi



Basic elements of a freeze-drying system PENGERINGAN BEKU … prinsip

peralatan

PENGERINGAN BEKU … prinsip peralatan







PENGERINGAN BEKU … komponen2-nya Shelves

Condenser

Valve

Vacuum Pump

Temp control

PENGERINGAN BEKU … parameter proses Alpha-1 MP 1g in molded vial Freezing-->|<---------------Sublimation------------------>|<-------------Desorption 40

600 Shelf temp 500

0

400 0

-20

5

10

15

20

25

Product temp

30

35

40

Prod temp 1 Prod temp 2

45 300

Shelf Temperature Condenser Temp

-40

Vapor Pressure (mbar)

Pressure

200

Pressure (mB or mT)

Temperature (C)

20

Pressure (mTorr)

-60 Condenser temp -80

Vapor pressure

100

0 Cycle time



PENGERINGAN BEKU … tahap freezing Profile suhu produk pd proses pembekuan

PENGERINGAN BEKU … tahap freezing

Slow freezing (~ – 40oC)

quick freezing (~ – 40oC)



PENGERINGAN BEKU … tahap freezing Proses pembekuan cepat • Quick freezing, laju pergerakan permukaan beku sekitar 0.5-3 cm/jam • Air Blast Freezer dan Plate Freezer . • Rapid freezing, laju pergerakan permukaan beku sekitar 5-10 cm/jam • Fluidized bed Freezer

• Ultra rapid freezing, laju pergerakan permukaan beku sekitar 10-100 cm/jam • pembeku kriogenik/Immersion Freezer

Pengeringan (drying)/ Dehidrasi (dehydration) Purwiyatno Hariyadi • Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fateta, IPB • Director of Southeast Asian Food & Agricultural Science & Technology (SEAFAST) Center, Bogor Agricultural University, BOGOR, Indonesia • www.seafast.ipb.ac.id

TERIMAKASIH ITP530 2015




Dehidrasi (dehydration)

Recommend Documents