II. TINJAUAN PUSTAKA
A. UBI JALAR Ubi jalar (Ipomoea batatas L.) merupakan tanaman yang termasuk ke dalam famili Convolvulaceae. Ubi jalar termasuk tanaman tropis, tumbuh baik di daerah yang memenuhi persyaratan tumbuhnya, yaitu hawa panas dengan udara yang lembab, suhu optimumnya 27oC dan lama penyinaran 11-12 jam per hari. Ubi jalar dapat tumbuh sepanjang tahun di dataran rendah maupun di pegunungan sampai 1000 m. Tidak seperti tanaman palawija lainnya, ubi jalar tidak memerlukan tanah yang subur (Soemartono, 1984). Tanaman ini menyimpan cadangan makanannya di dalam batang. Bagian batang yang berada di dalam tanah dan mengandung cadangan makanan ini disebut umbi batang. Pada umumnya umbi-umbian merupakan sumber karbohidrat terutama pati atau sumber citarasa dan aroma karena mengandung oleoresin. Pembentukan umbi secara cepat dimulai satu bulan setelah tanam dan mengembang setelah dua bulan. Umbi yang ideal adalah lonjong agak panjang dan beratnya mencapai 200250 gram (Soemartono, 1984). Tanaman ubi jalar mempunyai beberapa kelebihan bila dibandingkan dengan tanaman sumber pati lainnya. Kelebihan-kelebihan tersebut adalah dapat
bertahan
hidup
dalam
kondisi
iklim
yang
kurang
baik,
petumbuhannya tidak tergantung dari jenis atau tipe tanah khusus, tidak membutuhkan input produk yang intensif, dan umur tanaman yang pendek (3.5-4 bulan) sehingga mudah diperbanyak. Ubi jalar bermacam-macam jenisnya. Berdasarkan warna daging umbinya, terdapat ubi jalar putih, ubi jalar merah, dan ubi jalar ungu. Kulit ubi jalar lebih tipis dibandingkan dengan kulit ubi kayu. Bentuk umbi ubi jalar sering tidak seragam (bulat, lonjong, benjol-benjol). Warna dagingnya putih, krem, kuning, merah muda, dan jingga bergantung pada jenis dan banyaknya pigmen yang terdapat di dalamnya.
5
Sebagian besar umbi ubi jalar terdiri atas air dan karbohidrat, yaitu sebesar 72.8% dan 24.3%. Karbohidrat pada ubi jalar terdiri atas pati, gula, selulosa, pektin, dan hemiselulosa. Sebagian besar karbohidrat pada ubi jalar terdapat dalam bentuk pati. Pati ubi jalar terdiri dari 60-70% amilopektin dan sisanya adalah amilosa. Sukrosa merupakan gula yang banyak terdapat dalam ubi jalar. Selain karbohidrat, ubi jalar putih juga mengandung lemak dan protein (Soemartono, 1984). Ubi jalar varietas Sukuh memiliki rendemen yang tinggi dengan kandungan pati yang tinggi dibandingkan dengan varietas yang lainnya. Tanaman ubi jalar tersebut memiliki karakteristik semi kompak dengan panjang 75-150 cm, tidak memiliki umbi yang kembar pada satu tanaman, dan daunnya secara umum berbentuk hati. Ubi jenis ini dapat tumbuh dengan stabil pada tiga daerah dengan iklim yang berbeda, yaitu Bogor, Lembang, dan Malang. Bogor adalah daerah dengan iklim tropis lembab dengan keadaan tanah yang kurang subur. Lembang memiliki iklim yang lebih dingin dan berdataran tinggi, sedangkan Malang memiliki tanah yang sangat subur. Masa panen yang ideal terjadi pada hari ke-120 setelah penanaman (di dataran rendah) dan hari ke-150 (di dataran tinggi) (Tjintokohadi et al., 2001).
B. PATI UBI JALAR Menurut Greenwood dan Munro (1979) yang diacu dalam Muchtadi et al. (1987), pati memegang peranan penting dalam bidang pangan, terutama dalam hal penyediaan kebutuhan energi manusia di dunia dengan porsi yang tinggi. Lebih dari 80% tanaman pangan terdiri atas biji-bijian atau umbi-umbian dan tanaman sumber pati lainnya. Pati merupakan polimer glukosa dengan ikatan α-glikosida yang berperan sebagai cadangan makanan yang terdapat dalam biji-bijian atau umbi-umbian. Pati atau karbohidrat secara umum merupakan bahan organik pertama yang diproduksi, yaitu reaksi antara karbondioksida dari udara dan air dari dalam tanah, pada suatu proses fotosintesis dengan menggunakan energi kimia menjadi suatu substansi atau zat yang dapat
6
dimakan oleh manusia ataupun hewan pada umumnya (Greenwood dan Munro, 1979). Kadar pati ubi jalar dipengaruhi oleh umur tanaman ubi tersebut saat dipanen. Semakin tua umur ubi dipanen, maka kadar patinya semakin kecil, sedangkan serat kasar dan kadar abunya tidak dipengaruhi oleh tanaman ubi saat dipanen. Dalam bentuk aslinya secara alami, pati merupakan butiran-butiran kecil yang disebut granula. Bentuk dan ukuran granula merupakan karakteristik setiap jenis pati, karena itu dapat digunakan untuk identifikasi. Selain ukuran granula, karakteristik lain adalah bentuk, keseragaman granula, lokasi hilum, serta permukaan granulanya (Hodge dan Osman, 1976). Pati ubi jalar memiliki dianmeter granula yang berukuran antara 15 μm sampai 55 μm (Fennema, 1976). Karbohidrat yang terdapat pada ubi jalar umumnya sekitar 80-90% dari bobot kering ubi jalar. Pati ubi jalar merupakan bagian terbesar karbohidrat dalam ubi jalar dan amilopektin merupakan bagian terbesar dari pati ubi jalar. Pati tersusun paling sedikit oleh tiga komponen utama, yaitu amilosa, amilopektin, dan material antara seperti protein dan lemak. Umumnya pati ubi jalar mengandung 60%-70% amilopektin, 10%-25% amilosa, dan 5%-10% material antara (Banks dan Greenwood, 1975). Amilosa merupakan polimer linier yang terdiri atas unit glukosa yang dihubungkan melalui ikatan glikosida α-D-(1,4) membentuk rantai lurus dengan bobot molekul 106 (Gambar 1 (a)) (Fennema, 1976). Tiap rantai pati dapat mengandung 200 sampai 2000 unit glukosa. Amilopektin merupakan polimer bercabang dimana terdiri dari ± 4000 unit glukosa dan tiap unit glukosa dihubungkan dengan ikatan glikosida α-D-(1,4) pada rantai lurusnya serta ikatan glikosida α-D-(1,6) pada titik percabangannya (Gambar 1 (b)). Tiap cabangnya mengandung 20-30 unit glukosa (Fennema, 1976;Wurzburg, 1989). Percabangan ini menyusun sekitar 45% dari seluruh ikatan pada amilopektin. Bobot molekul amilopektin sebesar 107-5.108 (Fennema, 1976).
7
Secara mikroskopik, dalam granula pati, campuran molekul berstruktur linier dan bercabang membentuk lapisan-lapisan tipis yang berbentuk cincin atau lamela, dimana lamela tersebut terpusat mengelilingi titik awal yang disebut hilum atau hilus (Bouwkamp, 1985). Antara molekul amilosa yang berdekatan atau bagian luar cabang amilopektin dapat mengadakan hubungan paralel melalui ikatan hidrogen membentuk daerah kristal atau misel. Diantara misel-misel terdapat daerah amorf (daerah yang kurang padat) yang mempunyai sifat mudah menyerap air (Hodge dan Osman, 1976). Misela menyebabkan granula pati memiliki sifat birefringence, yaitu sifat yang dapat merefleksikan atau memantulkan cahaya terpolarisasi sehingga granula akan tampak berwarna-warni di bawah mikroskop (Gambar 17) (Whistler et al., 1984) Penampakan amilosa dan amilopektin di dalam granula pati dapat dilihat pada Gambar 1.
(a)
(b)
((((((
(c) Gambar 1.
(a) Sruktur kimia amilosa; (b) Struktur kimia amilopektin; (c) Penampakan amilosa dan amilopektin di dalam granula pati (Banks dan Greenwood, 1975)
8
C. MODIFIKASI PATI Pati termodifikasi adalah pati yang diperlakukan secara fisik atau kimia untuk mengubah salah satu atau lebih sifat fisik atau kimianya yang penting. Definisi pati termodifikasi lainnya adalah pati yang diberi perlakuan tertentu yang bertujuan untuk menghasilkan sifat yang lebih baik untuk memperbaiki sifat sebelumnya atau untuk mengubah beberapa sifat lainnya menjadi sifat yang diinginkan. Beberapa keunggulan pati modifikasi dibandingkan dengan pati alami, antara lain: (1) pati modifikasi dapat memiliki sifat fungsional yang tidak terdapat pada pati alami, (2) pati modifikasi dapat lebih luas penggunaannya dalam skala industri besar dan lebih baik daripada pati alami. Pati alami memiliki viskositas yang tidak stabil, penampakan yang kurang baik serta memiliki stabilitas gel yang rendah. Pati modifikasi juga memiliki sifat yang lebih konsisten dibandingkan pati alami sehingga memudahkan pengontrolan dan pembuatan produk dengan kualitas yang dapat dipercaya.
1. Modifikasi Kimia Menurut Langan (1989), modifikasi kimia yang biasa digunakan dalam industri pangan adalah ikatan silang, stabilisasi, pemutihan, hidrolisis, oksidasi, substitusi lipofilik, dan teknik hidrofobik. Pati ikatan silang dapat tahan terhadap suhu yang tinggi, pH yang rendah, dan gesekan yang keras serta dapat meningkatkan viskositas (Nabeshima dan Grossmann, 2001). Modifikasi dengan stabilisasi terdiri atas reaksi esterifikasi dan eterifikasi. Modifikasi ini menghasilkan pati dengan tingkat retrogradasi yang lebih rendah dan stabilitas yang meningkat serta dapat mengurangi pembentukan gel. Modifikasi pemutihan berguna untuk menghilangkan noda-noda yang secara alami terdapat pada pigmen sehingga dapat meningkatkan derajat keputihan. Selain itu, modifikasi pemutihan dapat menurunkan populasi mikroba pada pati (Langan, 1989). Hidrolisis asam merupakan modifikasi yang dapat menurunkan viskositas, tetapi pati
9
menjadi mudah membentuk gel. Modifikasi oksidasi juga dapat menurunkan viskositas serta dapat menghasilkan gel yang lembut. Substitusi lipofilik digunakan untuk modifikasi yang berkaitan dengan emulsi minyak dalam air dan pati, sedangkan modifikasi hidrofobik digunakan untuk membuat produk pati yang tahan terhadap air (Langan, 1989). Berdasarkan kegunaan masing-masing modifikasi yang telah dijelaskan sebelumnya, maka untuk membentuk bubur gel pati yang memiliki tingkat gel dan stabilitas yang baik, pada penelitian ini dilakukan dual modifikasi, yaitu modifikasi kimia metode hidrolisis asam yang dilanjutkan metode ikatan silang dan modifikasi fisik dengan pre-gelatinisasi.
a) Hidrolisis Asam Hidrolisis asam adalah salah satu bentuk modifikasi asam yang dapat merubah sifat fisik dan kimia pati tanpa merubah struktur granulanya (Shi dan Seib, 1992). Jika hidrolisis asam dilakukan dengan menggunakan asam kuat, maka berat molekul dari komponen
pati
akan
semakin
rendah
karena
asam
akan
menghidrolisis ikatan glikosida sehingga memperpendek rantai ikatan kimia pada pati (Wurzburg, 1989). Menurut French (1984) yang diacu dalam Whistler et al. (1984), potongan yang memiliki berat molekul rendah akan memudahkan penggabungan dari rantai molekul
linier.
Penggabungan
tersebut
akan
menghasilkan
pembentukan gel pati melalui pembentukan jaringan tiga dimensi dari molekul pati, terutama tarik-menarik antara rantai lurus dari amilosa dan antara molekul dengan ikatan hidrogen pada molekul air (Meyer, 1973). Kerr (1950) diacu dalam Wurzburg (1989) menyatakan bahwa daerah amorf yang mengandung cabang pada ikatan glikosida β-D(1,6) lebih mudah mengalami hidrolisis oleh asam dibandingkan daerah amorf pada ikatan α-D-(1,4) sehingga cabang tersebut dapat
10
mudah menjadi fraksi linier. Oleh karena itu, pada tahap awal modifikasi ini, jumlah amilosa atau fraksi linier dari pati tersebut lebih
tinggi
dibandingkan
pati
tanpa
modifikasi.
Hal
ini
mengindikasikan bahwa amilopektin lebih mudah terhidrolisis daripada amilosa.
b) Ikatan Silang Menurut Wurzburg (1989), senyawa kimia yang biasa digunakan untuk membuat pati terikat silang ini adalah asam adipat, fosfor oksiklorit, sodium trimetafosfat (STMP), epiklorohidrin, dan sodium tripolifosfat (STPP). Pereaksi asam adipat merupakan asam dikarboksilat (C6H11O4), hasil oksidasi dari berbagai jenis lemak, digunakan bersama-sama dengan senyawa anhidrid sehingga menghasilkan pati adipat. Fosfor oksiklorit, STMP, dan STPP akan menghasilkan
pati
fosfat,
sedangkan
epiklorohidrin
akan
menghasilkan pati gliserol. Akan tetapi, dalam membuat pati modifikasi untuk bidang pangan hanya dapat menggunakan pati adipat dan pati fosfat (Wurzburg, 1989). Reaksi yang terjadi dengan menggunakan fosfor oksiklorit atau asam adipat yang dicampur dengan anhidrid akan berlangsung sangat cepat. Bagian yang tidak bereaksi dengan pati akan dapat dengan cepat terhidrolisis. Kecepatan reaksi dengan menggunakan STMP dan STPP berjalan lebih lambat dibandingkan dengan reaksi menggunakan
pereaksi
fosfor
oksiklorit
dan
asam
adipat.
(Wurzburg, 1989). Pada pati adipat, ikat silang dikombinasikan dengan hidroksil pada pati melalui ikatan organik ester. Pati tersebut tahan terhadap kondisi asam. Pati fosfat terjadi melalui ikatan antara pati dengan ikatan ester anorganik. Pati tersebut tahan terhadap kondisi asam. (Wurzburg, 1989).
11
Metode ikatan silang dapat menghasilkan ikatan sintetik yang dapat menggantikan ikatan hidrogen yang secara alami terdapat dalam pati dan berperan dalam menjaga bentuk pati (Langan, 1989). Dengan adanya pemanasan, maka granula pati akan mengembang seiring melemahnya ikatan hidrogennya yang kemudian terjadi perpecahan ikatan hidrogen tersebut. Akan tetapi, bentuk granula tetap dapat dipertahankan karena adanya ikatan kimia akibat reaksi ikatan silang yang membentuk jembatan antar molekul di dalam pati sehingga menghasilkan keutuhan yang cukup untuk menjaga bentuk granula yang sedang mengalami pembengkakan. Dengan demikian, reaksi ikatan silang ini dapat meminimalkan atau mencegah kehilangan viskositas (Wurzburg, 1989). Jika dibandingkan dengan pati yang tidak dimodifikasi, viskositas pati akan meningkat sampai mencapai puncak tertentu karena masih adanya ikatan hidrogen, meskipun dalam kondisi melemah akibat pemanasan. Akan tetapi, ketika pemanasan terjadi secara kontinyu, maka ikatan hidrogen yang menjaga bentuk granula akan bersama-sama pecah dan hancur dengan bentuk granula tersebut sehingga viskositas menjadi menurun (Wurzburg, 1989). Penambahan sodium sulfat atau sodium klorida sebelum pengkondisian pH basa pada modifikasi ikatan silang berfungsi menghambat pati tergelatinisasi secara awal. Mudahnya pati menjadi tergelatinisasi tersebut akibat kondisi pH yang terlalu basa sehingga mempercepat amilosa dan amilopektin keluar dari granula. Selain itu, bahan kimia tersebut berfungsi mempercepat reaksi fosforilasi (Woo dan Seib, 2002).
2. Modifikasi Fisik Modifikasi fisik merupakan perubahan karakteristik pati yang disebabkan perlakuan fisik, biasanya dikenal dengan pre-gelatinisasi. Alat yang umumnya digunakan dalam pre-gelatinisasi adalah spray dryer atau drum dryer sehingga dapat menghasilkan produk yang
12
mudah larut dalam air dingin (Langan, 1989). Produk pre-gelatinisasi ini biasanya digunakan untuk produk-produk yang menggunakan pati gel yang dibuat dalam basis instan. Nama lain pati pregelatinisasi adalah precooked starch, pregelled starch, instant starch, cold water starch, dan cold water swellable starch. Mekanisme dari pre-gelatinisasi sama prinsipnya dengan gelatinisasi. Akan tetapi, pre-gelatinisasi tersebut menyebabkan pati yang telah mengalami gelatinisasi terhidrasi. Sifat inilah yang menyebabkan pati pre-gelatinisasi dapat larut dalam air dingin. Pada proses gelatinisasi, granula pati akan mengembang dalam air panas atau hangat. Pembengkakan granula pati tersebut bersifat reversible jika tidak melewati suhu gelatinisasi dan akan menjadi irreversible jika telah mencapai suhu gelatinisasi (Greenwood dan Munro, 1979). Mekanisme gelatinisasi pati, yaitu ketika suspensi pati dipanaskan, molekul-molekul air akan berpenetrasi masuk ke dalam granula dan terperangkap pada susunan molekul-molekul amilosa dan amilopektin. Dengan naiknya suhu suspensi pati dalam air, maka pembengkakan granula semakin besar. Hal ini disebabkan karena ikatan-ikatan
hidrogen
yang
menahan
molekul
amilosa
dan
amilopektin semakin lemah (Hodge dan Osman, 1976). Pembengkakan tersebut bersifat reversible, artinya granula pati yang telah mengalami pembengkakan dapat kembali seperti kondisi semula. Jika pemanasan diteruskan, maka setelah mencapai suhu tertentu, maka sifat pembengkakan granula menjadi irreversible. Pada akhirnya, granula pati akan pecah sehingga molekul-molekul pati akan keluar terlepas dari granula masuk ke dalam sistem larutan. Proses itulah yang disebut gelatinisasi, sedangkan suhu dimana proses gelatinisasi berlangsung disebut suhu gelatinisasi (Winarno, 1984). Menurut Hodge dan Osman (1976), suhu gelatinisasi merupakan suatu kisaran karena granula dari tiap jenis pati memiliki bentuk dan ukuran yang bervariasi sehingga energi yang diperlukan untuk
13
pembengkakan granula juga berbeda. Selain itu, proses gelatinisasi juga menyebabkan terjadinya perubahan-perubahan seperti viskositas, peningkatan kejernihan pasta, larutnya molekul amilosa, dan hilangnya sifat birefringence pati. Menurut BeMiller dan Whistler (1996), ubi jalar memiliki suhu gelatinisasi sekitar 82-83oC. Suhu gelatinisasi ini berhubungan dengan sifat granula pati seperti diameter, densitas, dan jumlah senyawa yang diserap. Menurut Chiu et al. (1982), dalam membuat gel instan dari pati atau pati yang dapat membentuk gel hanya dengan mencampurkan air dingin, dapat menggunakan metode modifikasi gabungan antara hidrolisis asam dan ikatan silang dengan tambahan modifikasi fisik untuk membuat produk menjadi instan, yaitu dengan pre-gelatinisasi. Kombinasi tersebutlah yang digunakan dalam penelitian ini. Kombinasi antara modifikasi asam (metode hidrolisis asam) dan ikatan silang tersebut digunakan karena adanya hidrolisis asam dapat mengontrol jumlah amilosa yang keluar dari granula, sedangkan ikatan silang dapat menjaga bentuk granula tetap utuh agar tidak mudah kehilangan viskositas. Selain itu, ikatan silang dapat meningkatkan daya tahan granula akibat gesekan akibat tahap pre-gelatinisasi. Tepung bubur gel pati ubi jalar ini merupakan produk akhir yang diinginkan. Penyajian yang digunakan pada tepung bubur ini adalah dilakukan penambahan air panas dengan takaran tertentu selama beberapa menit (tergantung hasil penelitian) hingga dihasilkan penyerapan 100%. Penyajian berikutnya adalah penggunaan media pelengkap untuk bubur tersebut yang berupa cairan, yaitu dapat digunakan susu atau santan, dimana disesuaikan dengan selera. Adanya media susu atau santan yang digunakan dalam penyajiannya, maka tepung bubur instan ini diharapkan memiliki sifat yang minimum terhadap penyerapan akibat penambahan media tersebut sehingga tidak merusak tekstur gel yang telah terbentuk.
14
