BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Plasma 1. Pengertian Plasma Plasma merupakan substansi yang mirip dengan gas dengan bagian tertentu dari partikel terionisasi. Adanya pembawa muatan yang cukup banyak membuat plasma bersifat konduktor listrik sehingga bereaksi dengan kuat terhadap medan elektromagnet. Oleh karena itu, plasma memiliki sifat-sifat unik yang berbeda dengan padatan, cairan maupun gas dan dianggap merupakan wujud zat yang berbeda. Mirip dengan gas, plasma tidak memiliki bentuk atau volume yang tetap kecuali jika terdapat dalam wadah, tetapi berbeda dengan gas, plasma membentuk struktur seperti filamen, pancaran dan lapisan-lapisan jika dipengaruhi medan elektrommagnet (Thonk., 1967) Dalam setiap atom gas biasa berisi jumlah yang sama muatan positif dan negatif. Gas menjadi plasma ketika penambahan panas atau energi yang menyebabkan sejumlah besar atom untuk melepaskan beberapa atau semua elektron. Bagian dari atom yang tersisa dengan muatan positif, dan elektron negatif terlepas bebas untuk bergerak. Jika cukup
banyak
atom
terionisasi
secara
karakteristik listrik dari gas. Secara
signifikan
mempengaruhi
sederhana plasma didefinisikan
sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi ke empat setelah fase padat, cair dan gas (Arifin, et al., 2009).
Gambar 1. Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat, Cair dan Gas.
4
Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikel-partikel yang terdapat dalam gas tersebut (Nicholson, 1983). Salah satu cara pembangkitan plasma dilakukan melalui lucutan listrik (Sigmond,1982; Czech, et al., 1995). Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona (Champman,1990; Chang, 1991). Plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada tahun1928. Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik (Chang, 1991). Ketika medan listrik di kenakan pada gas, elektron energetik akan mentransferkan energinya pada spesies gas melalui proses tumbukan, eksitasi molekul, tangkapan elektron, disosiasi, dan ionisasi sperti pada gambar 2.
Gambar 2. Proses elementer pada plasma dingin dalam skala waktu (Prieto, et al., 2002) Plasma terjadi ketika terbentuk percampuran kuasinetral dari elektron, radikal, ion positif dan ion negatif (Tseng, C.H., 1999). Kondisi kuasinetral merupakan daerah dimana terdapat kerapatan ion (ni) yang hampir sama dengan kerapatan elektron (ne) sehingga dapat dikatakan ni ne n, dengan n menyatakan kerapatan secara umum yang disebut kerapatan plasma (Francis, 1974).
5
Gambar 3. Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda (Chen dan Davidson, 2002) Korona merupakan proses pembangkitan arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut sehingga membentuk plasma di sekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya seperti tampak pada Gambar 2. Proses terjadinya lucutan pijar korona dalam medan listrik diawali dengan lucutan townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan arc discharge
(Reizer,
1997).
Lucutan
pijar
korona
dibangkitkan
menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya (Rutgers dan Van, 2002). Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif (Spyrout, et al., 1994). 2. Aplikasi Plasma Lucutan Pijar Korona Lucutan pijar korona bisa terjadi dalam medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya keadaan arc (arc discharge) pada gas. Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif. Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) atau korona (corona discharge) dan berakhir dengan lucutan arc. Lucutan pijar korona ini termasuk 6
jenis plasma non thermal. Penerapan plasma lucutan pijar korona di bidang komersial dan industri adalah : a. Pembuatan ozon, sterilisasi air kolam, menghilangkan berbagai organik teruap yang tak diinginkan, seperti pestisida kimia, pelarut atau bahan kimia dari atmosfer. b. Pengion udara yang baik buat kesehatan. c. Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik. d. Laser nitrogen. Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion. 3. Plasma Lucutan Pijar Korona sebagai Sistem Sterilisasi Plasma lucutan pijar korona sebagai sistem sterilisasi seperti yang dilakukan oleh Nur et al., (2005) dengan diujikan pada bakteri E coli yang ditanam pada media agar menunjukan penurunan jumlah yang signifikan. Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen, gugus hidroksil yang radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel (Black,1999). Montie, et al. (2000) Menyatakan pecahnya membran bakteri dikarenakan oleh perubahan membran lipid yang di sebabkan asam lemak peroksida.
(a)
(b)
Gambar 4. Pemindaian dengan microskop elektron menunjukan kerusakan sel setelah perlakuan penyinaran plasma. (a) kontrol (b) setelah perlakuan ( M. Laroussi, et.al. 2002) Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNA/deoxcyribonucleid acid) 7
dan protein. Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan
pecahnya
ikatan
polimer.
Ionisasi
dan
penurunan
(degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel (Parker, 1997). Pada penelitian ini desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona yang dibuat tampak pada Gambar 3. sistem tersebut terdiri atas sumber tegangan DC (Directing Current) sebagai sumber daya pembangkit plasma dan sistem elektroda titik-bidang (point to plane geometry) tempat fase plasma terjadi. Plasma dibangkitkan pada ruang antar elektroda berkonfigurasi elektroda titik-bidang menggunakan sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) sehingga menimbulkan medan listrik tak seragam pada ruang antar elektroda dan memicu terjadinya proses pembangkitan plasma.
Gambar 5. Desain sistem reaktor plasma lucutan pijar korona (Pandji, et al., 2007) Sumber tegangan tinggi DC (Directing Current) dibuat dengan desain rangkaian seperti tampak pada Gambar 5. Pada rangkaian tersebut, dilakukan peguatan tegangan menggunakan flyback yang dipicu oleh adanya sinyal pulsa yang dibangkitkan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit sinyal astabil dan penguat arus. Penguatan daya dalam peralatan ini mengacu pada rangkaian penguatan darlington.
8
Gambar 6. Skema tegangan tinggi DC dengan cuplikan gambar sinyal keluaran pada tiap bagian rangkaian (Pandji, et al., 2007) B. Susu Susu murni adalah cairan yang berasal dari ambing sapi sehat dan bersih, yang diperoleh dengan cara yang benar yang kandungan alaminya tidak dikurangi atau ditambah sesuatu apapun dan belum mendapat perlakuan apapun. Sedangkan susu segar adalah susu murni yang disebutkan diatas dan tidak mendapat perlakuan apapun kecuali proses pendinginan tanpa mempengaruhi kemurniannya (Standar Nasional Indonesia, 1998). 1. Komposisi Susu Komposisi susu terdiri dari air, lemak, dan bahan kering tanpa lemak (protein, mineral, asam, enzim dan vitamin). Persentase atau jumlah dari komponen tersebut sangat bervariasi, tergantung dari jenis ternak, geografis, musim dan status nutri ternak. Rata-rata komposisi susu untuk semua kondisi dan jenis sapi perah adalah : 3,9% lemak ; 3,25% protein ; 4,6% laktosa ; 0,65% mineral dan 87,3% air (Susilorini dan Manik, 2006). Menurut Susilorini dan Manik (2006) komposisi air susu secara umum sebagai berikut :
9
a. Protein Protein susu tebagi menjadi dua kelompok utama yaitu kasein sebanyak 76% dan whey protein sebanyak 18%. Konsentrasi protein susu tersaji pada Tabel 1. Tabel 1. Konsentrasi Protein Susu No
Konstituen Total Protein Total Kasein - Alfa S1 - Alfa S2 - Beta - Kappa Total Whey Protein - Alfa Laktabumin - Beta Laktabumin - BSA - Imunoglobulin - Proteose peptone
1. 2.
3.
Gram/liter 33 26 10 2,6 9,3 3,3 6,3 1,2 3,2 0,4 0,7 0,8
Total Protein (%) 100 79,5 30,6 8,0 28,4 10,1 19,3 3,7 9,8 1,2 2,1 2,4
Sumber : Anonim 1998
b. Lemak Komponen utama lemak susu adalah trigliserida yang tersusun dari satu molekul gliserol yang berikatan dengan tiga molekul asam lemak dan ikatan ester. Lemak susu terdiri dari 60-70% asam lemak jenuh dan 30-40% asam lemak tidak jenuh. c. Laktosa Laktosa adalah karbohidrat atau gula susu yang hanya dapat dibentuk oleh mamalia. Laktosa merupakan disakarida yang tersusun dari 1 molekul glukosa dan 1 molekul galaktosa. d. Mineral Konsentrasi mineral dalam susu kurang dari 1%, mineral ini larut dalam susu dan kasein. Garam mineral yang penting adalah kalsium, sodium, potasium dam magnesium. e. Vitamin Susu mengandung berbagai macam vitamin-vitamin baik yang larut dalam lemak maupun yang larut dalam air. Vitamin yang larut 10
dalam lemak adalah vitamin A, D, E serta sedikit vitamin K. Sedangkan vitamin yang larut dalam air adalah vitamin B kompleks. f. Air Air merupakan komponen terbanyak yang dalam susu dengan jumlah 87,3%. g. Enzim Enzim adalah katalisator biologik yang dapat mempercepat reaksi kimiawi. Susu mengandung beberapa enzim, antara lain lipase, posterase, peroksidase, katalase, dehidrogenase, dan laktase. 2. Sifat Fisik dan Kimia Susu Menurut Buckle, et al., (1987) sifat fisik dan kimia susu adalah sebagai berikut: a. Derajat Keasaman Susu segar mempunyai derajat keasaman (pH) antara 6,6 dan 6,7. Nilai pH ini dapat berubah, baik menurun ataupun meningkat. Kenaikan pH, adalah indikator adanya penyakit mastitis pada sapi yang dapat menyebabkan perubahan keseimbangan mineral dalam air susu yang dihasilkan. Penurunan pH, adalah indikator adanya aktivitas bakteri yang melakukan banyak proses pengasaman terhadap air susu tersebut. Terjadinya pengasaman oleh mikroorganisme ini juga dapat menyebabkan terjadinya penggumpalan susu yang akan mengganggu keseimbangan sistem koloidalnya. b. Berat Jenis (BJ) Berat Jenis (BJ) susu berkisar antara 1,0260 sampai 1,0320 pada suhu 20°C. Perbedaan BJ susu disebabkan oleh perbedaan kandungan lemak dan kandungan zat-zat padat bukan lemak. Semakin banyak bahan kering bukan lemak, maka semakin bertambah berat susu tersebut. Berat jenis susu juga dapat meningkat perlahan secara berangsur-angsur, yang disebabkan oleh terbebaskannya gas-gas yang terdapat di dalam susu yang baru diperah seperti CO2 dan N2. c. Warna Susu
11
Susu mempunyai warna putih kebiru-biruan sampai kuning kecokelat-cokelatan. Warna susu yang dihasilkan dipengaruhi oleh jenis sapi dan jenis makanan yang diberikan. Warna putih pada susu merupakan salah satu akibat yang disebabkan oleh penyebaran butiranbutiran koloidal lemak, kalsium kaseinat, dan kalsium fosfat, sedangkan untuk warna kuning pada susu disebabkan oleh adanya kandungan karoten dan riboflavin. d. Rasa Cita rasa susu yang berasa manis disebabkan oleh kandungan laktosa, dan rasa asin berasal dari kandungan klorida, sitrat, dan garam-garam mineral. 3. Mikrobiologi Susu a. Bakteri Bakteri merupakan mikrobia bersel satu dengan ukuran 0,4-1,5 μm dan mempunyai berbagai macam bentuk mulai berbentuk bulat, panjang dan spiral (Widodo, 2003). Bakteri tersebar luas di lingkungan baik di udara, air dan tanah, dalam usus binatang, dalam lapisan yang lembab pada mulut, hidung atau tenggorokan, pada permukaan tubuh atau tumbuhan (Gaman dan Sherrington,1994). Bakteri dalam susu dapat berasal dari sapi itu sendiri atau dari luar. Adanya aktivitas bakteri dalam susu maka susu menjadi asam, mempunyai rasa dan bau yang kurang baik, tetapi ada bakteri yang menguntungkan sehingga dipilih sebagai kultur untuk fermentasi susu, sehingga diperoleh produk fermentasi susu (Nurliyani et al, 2008). Kelompok bakteri yang sering mengkontaminasi pangan termasuk
susu
meliputi
Pseudomonodaceae,
Bacillaceae,
Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae dan Sreptococcaceae, serta Micrococcaceae. 1) Enterobacteriaceae Golongan bakteri Enterobacteraceae merupakan sekelompok besar dari bakteri Gram negatif, tidak berspora, berbentuk batang kecil. Beberapa genus Enterobacteriaceae penting bagi kesehatan 12
masyarakat karena menimbulkan wabah keracunan pangan dan penyakit infeksi yang ditularkan melalui makanan yang cukup serius. Beberapa genus Enterobacteriaceae meliputi: (a) Escherichia coli Escherichia coli merupakan bakteri Gram negatif berbentuk pendek (kokobasil), berukuran 0,4-0,7μm, bersifat anaerob fakultatif dan mempunyai flagella peritrikal. Bakteri ini banyak ditemukan didalam usus manusia sebagai flora normal. Escherichia coli biasanya juga terdapat dalam alat pencernaan hewan (Bucle et al., 1987). Escherichia coli merupakan bakteri yang banyak ditemukan di dalam usus besar manusia dan hewan. Bakteri ini selalu dihubungkan dengan penyakit diare pada manusia dan sering ditemukan dalam feses sehingga dapat digunakan sebagai indikator pencemaran air dan makanan oleh feses. Bakteri ini juga dapat menimbulkan penyakit infeksi saluran kemih, sepsis dan meningitis (Jawetz et al., 1996).
(b) Shigella Shigella merupakan bakteri Gram negatif, berbentuk batang, berukuran 0,5-0,7μm x 2-3μm dan tidak berflagel, tidak membentuk spora, bila ditanam pada media agar akan tampak koloni yang konveks, bulat, transparan dengan pinggirpinggir utuh. Shigella biasanya terdapat dalam alat pencernaan hewan, selain itu shigella juga dapat menyebabkan kerusakan pada susu melalui udara, debu, alat pemerahan, maupun dari manusia (Buckle et al., 1987). Biasanya disentri basiler atau shigellosis adalah penyakit infeksi usus akut yang disebabkan oleh shigella (Vollk dan Wheeler, 1993). (c) Klebsiella Klebsiella merupakan kelompok bakteri Gram negatif, berbentuk batang, non motil, mempunyai kapsul, dan koloni 13
sangat berlendir, koloni besar sangat mukoid dan cenderung bersatu pada pergerakan yang lama, meragikan laktosa dan banyak karbohidrat, negatif terhadap tes merah motil (Jawetz et al., 2001). 2) Pseudomonodaceae Pseudomonas
adalah
bakteri
aerob
tetapi
dapat
mempergunakan nitrat dan arginin sebagai elektron dan tumbuh sebagai anaerob yang berbentuk batang, Gram negatif, bergerak dengan flagel polar, satu atau lebih, ukuran 0,8-1,2μm. Beberapa galur memproduksi pigmen larut air, tumbuh baik pada 37°C-42°C (Jawetz et al., 2001). Bakteri Pseudomonas biasanya terdapat dalam air susu mentah yang belum dipasteurisasi (Vollk dan Wheeler, 1993). Selain itu juga sebagai sumber kontaminasi pada puting susu secara langsung oleh manusia (Supardi dan Sukamto, 1999). Pseudomonas terdapat dalam flora usus normal dan kulit manusia dalam jumlah kecil. Bakteri ini dapat menyebabkan infeksi pada orang yang mempunyai ketahanan tubuh yang menurun, yaitu penderita luka bakar, orang yang sakit berat atau dengan penyakit metabolik atau orang yang sebelumnya memakai alat-alat bantu kedokteran seperti kateter ( pada penderita infeksi saluran kemih ) dan respirator ( pada penderita pneumonia ) (Anonim,1994). 3) Micrococcaceae Spesies dari famili ini adalah gram positif, tidak berspora, bersifat katalase positif yang dapat tersusun secara tunggal, berpasangan, tetrad atau kelompok kecil. Dua genus yang penting dalam bahan pangan adalah Micrococcus dan Staphylococccus. Kelompok Staphylococci yang terpenting dalam makanan adalah Staphylococcus aureus. Pada waktu pertumbuhan, organisme ini mampu memproduksi suatu enterotoksin yang cukup berbahaya yang menyebabkan terjadinya peristiwa keracunan makanan (Buckle et al., 1987). 14
Staphylococcus merupakan bakteri Gram positif berbentuk bulat biasanya tersusun dalam bentuk kluster (menggerombol) yang tidak teratur seperti anggur. Staphylococcus bertambah dengan cepat pada beberapa tipe media dengan aktif melakukan metabolisme, melakukan fermentasi karbohidrat dan menghasilkan bermacammacam
pigmen
Staphylococcus
dari cepat
warna menjadi
putih
hingga
resisten
kuning
terhadap
gelap.
beberapa
antimikroba (Jawetz et al., 2001). Staphylococcus tumbuh dengan baik pada berbagai media bakteriologi di bawah suasana aerobik atau mikroaerofilik. Tumbuh dengan cepat pada temperatur 20ºC-35ºC. Koloni pada media padat berbentuk bulat, lambat dan mengkilat (Jawetz et al., 2001). Staphylococcus aureus sering ditemukan sebagai kuman flora normal pada kulit dan selaput lendir manusia. Dapat menjadi penyebab infeksi baik pada manusia maupun hewan. Beberapa jenis bakteri ini dapat membuat enterotoksin yang dapat menyebabkan keracunan makanan. Bakteri Staphylococcus aureus juga merupakan salah satu penyebab penyakit mastitis (radang kelenjar susu). Bakteri ini masuk melalui puting susu dan berkembangbiak dalam saluran susu. b. Subletal bakteri pada saat pengolahan Subletal mikroorganisme merupakan sesuatu keadaan yang menunjukkan terjadinya sel-sel yang mengalami luka akibat perlakuan fisik atau kemik. Misalnya karena pengaruh pemanasan atau zat kimia yang tidak sampai menyebabkan kematian/kerusakan pada seluruh sel yang ada. Bila bahan makanan disimpan yang memungkinkan untuk kehidupan mikroba yang mengalami luka tersebut, akan terjadi penyembuhan pada sel-sel yang luka dan untuk selanjutnya terjadi pertumbuhan dan perkembangbiakan sel bakteri dalam susu selama penyimpanan (Supardi dan Sukamto, 1999).
15
