III. TINJAUAN PUSTAKA
A. PRODUK SUSU Salah satu sumber pangan protein hewani yang memiliki peranan strategis dalam kehidupan manusia adalah susu. Susu didefinisikan sebagai hasil sekresi kelenjar susu induk mamalia betina yang menyusui anaknya dan salah satu sumber protein hewani yang memiliki vitamin esensial dan mineral lebih banyak dibandingkan bahan pangan lainnya (Patton 2005). Susu merupakan bahan pangan bernilai gizi tinggi karena mengandung protein, lemak, karbohidrat, vitamin, dan mineral yang diperlukan oleh tubuh manusia (Vaclavic & Christian 2008). Menurut Vaclavic & Christian (2008), komposisi susu umumnya terdiri atas 87% air, 4% laktosa (karbohidrat), 4% protein, 3% lemak, serta 2% campuran vitamin dan mineral. Vitamin yang terkandung dalam susu berupa vitamin larut lemak (A, D, E, K) dan vitamin larut air (B1, B2, B6, B12, niasin, folat, asam pantotenat, dan C). Kandungan dan komposisi gizi yang hampir sempurna dibandingkan bahan pangan lainnya menyebabkan susu menjadi salah satu pilihan utama masyarakat untuk dikonsumsi. Menurut Gagné (2008), tingginya kandungan nutrisi pada susu menyebabkan susu menjadi media yang sangat baik bagi pertumbuhan mikroba. Hal ini menyebabkan susu dikategorikan sebagai bahan pangan yang tidak tahan lama dan mudah rusak (perishable food). Oleh sebab itu, untuk memperpanjang umur simpannya, susu diolah menjadi berbagai produk seperti susu kental manis, susu cair (Ultra High Temperature (UHT) dan pasteurisasi), susu bubuk, keju, mentega, yoghurt, dan es krim (Ariningsih 2007). Terdapat dua jenis produk susu pada kegiatan magang ini, yaitu susu kental dan susu cair.
1. Susu Kental Manis Berbagai teknik pengolahan dilakukan untuk memperpanjang umur simpan susu. Salah satu teknik pengolahan yang digunakan adalah mengurangi kadar air dan aktivitas air (a w) melalui pemekatan susu (Oliveira et al. 2009). Produk hasil pemekatan susu disebut susu kental. Menurut Oliveira et al. (2009), susu kental terdiri atas dua tipe, yaitu susu kental tidak manis (unsweetened condensed milk) dan susu kental manis (sweetened condensed milk). Susu kental tidak manis sering disebut juga double concentrated milk atau evaporated milk. Susu kental tidak manis merupakan produk susu sterilisasi yang memiliki warna cerah dan terlihat seperti krim. Susu Kental Manis (SKM) merupakan susu segar atau susu evaporasi yang telah dipekatkan dengan menguapkan sebagian airnya dan ditambahkan sukrosa sebagai pengawet. Akibat penambahan gula, susu kental manis memiliki aw sekitar 0.83 (Oliveira et al. 2009) atau aw < 0.86 (0.80-0.85) (Beutler & Groux 2008) sehingga menghambat pertumbuhan kebanyakan jenis kapang (Penicillium mikotoksigenik) dan kebanyakan Saccharomyces spp. (S. bailii, Derbayomyces) (Taoukis & Richardson 2007). Menurut SNI 2971: 2011, susu kental manis adalah produk susu berbentuk cairan kental yang diperoleh dari campuran susu dan gula dengan menghilangkan sebagian airnya hingga mencapai tingkat kepekatan tertentu atau hasil rekonstruksi susu bubuk dengan penambahan gula dengan/tanpa penambahan bahan pangan lain dan bahan tambahan pangan yang diizinkan. Bahan-bahan yang digunakan dalam
8
pembuatan susu kental manis rekonstitusi antara lain susu segar, susu bubuk skim, gula pasir, lemak susu (anhidrous milk fat), vitamin A, vitamin B1, vitamin D3, serta laktosa. Menurut Bylund (2003), susu kental manis adalah susu yang dipekatkan dan ditambahkan gula. Produk ini memiliki warna kekuningan dan terlihat seperti mayonnaise. Konsentrasi gula dalam fase air pada susu kental manis tidak boleh kurang dari 62.5% atau lebih dari 64.5%. Susu kental manis dapat dibuat dari susu skim (whole milk) atau dari susu rekombinasi berbasis Skim Milk Powder (SMP), Anhydrous Milk Fat (AMF), dan air. Susu kental manis mempunyai kadar lemak 8%, gula 45%, padatan non lemak 20%, dan air 27% (Bylund 2003). Pengemasan susu kental manis dapat berupa tong besar untuk digunakan dalam skala industri (industri es krim dan coklat) dan dikemas dalam kaleng untuk penjualan retail. Akhir-akhir ini kemasan susu kental manis dapat berupa sachet dan pouch seperti yang diproduksi di PT Frisian Flag Indonesia.
2. Susu Cair Susu cair merupakan hasil olahan susu segar dengan menggunakan pemanasan sebagai salah satu cara untuk memperpanjang umur simpannya. Gedam et al. (2007) menyatakan proses pemanasan pada pengolahan susu terdiri atas thermization, pasteurisasi LTLT (Low Temperature Long Time), pasteurisasi HTST (High Temperature Short Time), dan sterilisasi, dan perlakuan UHT (Ultra Hgh Temperature). Thermization adalah perlakuan panas pada susu dengan suhu 63-65°C selama 15 detik untuk menurunkan jumlah mikroorganisme di susu terutama jenis bakteri psikrotropik. Pasteurisasi LTLT (Low Temperature Long Time) umumnya digunakan pada metode batch dimana susu dipanaskan pada suhu 63°C selama 30 menit. Pasteurisasi HTST (High Temperature Short Time) adalah proses pemanasan susu pada suhu 72-75°C selama 15-20 detik sebelum didinginkan (Gedam et al. 2007). Berdasarkan proses sterilisasinya, susu cair yang diproduksi di PT Frisian Flag Indonesia terdiri atas dua jenis kemasan, yaitu kemasan carton pack/pillo flex dan botol steril. Susu cair dalam kemasan carton pack/pillo flex merupakan jenis produk yang dihasilkan dari proses sterilisasi Ultra High Temperature (UHT). Sementara itu, susu cair dalam kemasan botol steril merupakan jenis produk yang dihasilkan dari proses sterilisasi batch. Susu cair yang diproses secara UHT merupakan produk susu yang diperoleh dari susu segar atau susu rekonstitusi atau susu rekombinasi yang disterilkan pada suhu tidak kurang dari 135-138°C selama 2 detik dan dikemas segera dalam carton pack/pillo flex yang steril secara aseptis (BPOM 2006). Susu cair yang diproses secara sterilisasi batch atau sterilisasi dalam botol adalah produk susu yang diperoleh dari susu segar atau susu rekonstitusi atau susu rekombinasi yang telah distandardisasi lemak, dihomogenisasi, dan dipanaskan dengan metode UHT. Kemudian produk tersebut didistribusikan ke dalam botol dalam keadaan masih panas, di sealing, dan disterilisasi pada suhu 115-120°C selama 20-30 menit. Metode hot filling ini bertujuan menghasilkan kondisi hermetis pada botol (Gedam et al. 2007). Produk susu cair yang diproduksi di PT Frisian Flag terdiri atas dua jenis, yaitu yaitu minuman susu berperisa (cokelat, strawberry, dan vanila) dan minuman asam laktat berperisa buah (Lactic Acid Drink, LAD). Menurut BPOM (2006), minuman asam laktat adalah produk susu yang diperoleh dari susu segar atau susu pasteurisasi atau susu rekonsitusi atau susu rekombinasi yang diasamkan tanpa penambahan mikroba. Jenis asam yang dapat digunakan adalah asam seperti asam asetat, asam adipat, asam sitrat, asam fumarat, asam glukono delta lakton, asam hidroklorat, asam laktat, asam malat, asam fosfat, asam suksinat, dan asam tartarat.
9
B. BAHAN-BAHAN PEMBUATAN PRODUK SUSU Bahan baku yang digunakan dalam pembuatan produk susu tersebut terdiri atas bahan baku utama dan bahan baku tambahan. Bahan baku utama yang digunakan adalah susu segar (fresh milk), Skim Milk Powder (SMP), gula (sukrosa), dan air. Susu segar (fresh milk) merupakan bahan pangan bernilai gizi tinggi dan merupakan bahan baku utama yang sangat penting dalam pembuatan produk susu. Susu segar diproses lebih lanjut menjadi susu pasteurisasi yang digunakan sebagai pelarut dalam pembuatan produk susu Frisian Flag. Selain susu pasteurisasi, susu segar juga diproses menjadi susu evaporasi yang digunakan sebagai pelarut dalam pembuatan SKM Frisian Flag. Pelarut lain yang digunakan dalam pembuatan produk susu adalah air. Penggunaan air pada pembuatan Lactic Acid Drink (LAD) lebih dominan dibandingkan susu segar. Air yang digunakan harus memiliki syarat baku air minum, bebas dari mikroorganisme berbahaya, dan menunjukkan kadar hardness berupa kalsium karbonat (CaCO3) < 100 mg/l (Bylund 2003). PT Frisian Flag Indonesia telah melakukan beberapa perlakuan untuk mencapai persyaratan tersebut. Beberapa perlakuan tersebut di antaranya adalah pengendapan, penyaringan, dan penyinaran dengan sinar UV untuk membunuh mikroorganisme. Susu bubuk skim (Skim Milk Powder, SMP) adalah produk susu yang diperoleh dengan menghilangkan sebagian air dan lemak dengan cara pengeringan, tetapi masih mengandung laktosa, protein, mineral, vitamin yang larut air, dan vitamin yang larut lemak. SMP memiliki kandungan padatan 9.25% dari total padatan yang terdapat pada susu. Kandungan lemak pada SMP kurang dari 1.5%. SMP berfungsi sebagai penambah kadar padatan bukan lemak (milk solid non fat) (Bylund 2003) dan sebagai sumber protein dalam pembuatan susu olahan (Deeth & Hartanto 2009). Gula yang digunakan dalam pembuatan produk susu adalah gula pasir (sukrosa). Gula memiliki fungsi utama sebagai pemanis dalam pembuatan produk susu. Selain sebagai pemanis, gula juga berfungsi sebagai pengental dan pengawet dalam pembuatan SKM. Sifat higroskopis yang dimiliki gula mampu menyerap kandungan air pada SKM, sehingga menghasilkan tekanan osmosis yang tinggi dan mengakibatkan terjadinya dehidrasi pada sel mikroorganisme (Saparinto & Hidayati 2006). Sifat inilah yang dapat menghambat pertumbuhan bakteri dan fermentasi yang terjadi pada SKM. Bahan baku tambahan yang digunakan pada kedua jenis produk susu tersebut berbeda, sehingga penjelasan fungsi bahan baku tambahan diuraikan berdasarkan jenis produk susunya.
1. Susu Kental Manis Selain bahan baku utama, pembuatan SKM juga menggunakan bahan baku tambahan. Bahan baku tambahan yang digunakan antara lain Anhydrous Milk Fat (AMF), Butter Milk Powder (BMP), minyak sawit (palm oil), laktosa, dan vitamin. Anhydrous Milk Fat (AMF) merupakan produk lemak susu murni yang diperoleh dari susu segar, krim, atau mentega tanpa tambahan penetral (Bylund 2003). AMF berfungsi sebagai sumber lemak dalam pembuatan SKM (Bylund 2003). Butter Milk Powder (BMP) merupakan hasil pemisahan dari krim evaporasi atau hasil samping pembuatan mentega yang dikeringkan menggunakan spray drying. Fungsi BMP adalah untuk menambah kadar lemak dan total padatan pada proses pembuatan produk susu olahan. BMP mengandung fosfolipid dalam jumlah yang tinggi (Deeth & Hartanto 2009) dan merupakan sumber lemak hewani pada proses pembuatan SKM.
10
Minyak sawit (palm oil) merupakan sumber lemak pada susu kental manis yang berasal dari tumbuhan. Minyak sawit ditambahkan dalam pembuatan SKM untuk mencapai kadar lemak yang diinginkan. Jenis lemak ini dipilih sebagai pengganti lemak susu karena lebih ekonomis, memiliki sifat yang serupa dengan lemak susu, dan lebih disukai oleh masyarakat Indonesia. Selain itu, minyak sawit juga berfungsi sebagai pelarut vitamin A dan D3 yang ditambahkan dalam pembuatan susu kental manis. Laktosa merupakan golongan disakarida yang terdiri atas satu molekul glukosa dan satu molekul galaktosa. Laktosa ditambahkan pada awal dan akhir proses pembuatan SKM. Laktosa jenis edible lactose ditambahkan pada tahap awal proses pembuatan SKM. Laktosa jenis ini berfungsi untuk mengurangi atau menstandarisasi kadar protein. Laktosa jenis seeding lactose ditambahkan pada akhir proses pembuatan SKM. Laktosa jenis seeding lactose berfungsi untuk mencegah kristalisasi susu yang tidak beraturan dengan cara mengkristalisasi susu dalam kristal-kristal kecil sehingga rasanya tidak berpasir (sandiness) (Oktaviani 2011). Menurut Muchtadi et al. (2009), vitamin merupakan senyawa esensial yang diperlukan oleh tubuh untuk membantu kelancaran penyerapan zat gizi dan proses metabolisme tubuh tetapi tidak dapat disintesis oleh tubuh. Oleh karena itu, vitamin penting keberadaanya dalam makanan. Berdasarkan kelarutannya, vitamin terdiri atas vitamin larut lemak dan vitamin larut air. Vitamin yang digunakan untuk fortifikasi produk SKM di PT Frisian Flag Indonesia adalah vitamin A, B1, dan D3 dalam bentuk bubuk premiks.
2. Susu Cair Bahan tambahan yang digunakan dalam pembuatan produk susu cair secara umum antara lain penstabil nabati, perisa, pewarna makanan, vitamin, dan mineral. Pada produk Lactic Acid Drink (LAD) ditambahkan pula pengatur keasaman dan sekuestran. Menurut Peraturan Pemerintah No 28 tahun 2004 tentang Keamanan, Mutu, dan Gizi Pangan, bahan tambahan pangan merupakan bahan yang biasanya tidak digunakan sebagai makanan dan biasanya bukan merupakan ingredien khas makanan, mempunyai atau tidak mempunyai nilai gizi, yang dengan sengaja ditambahkan kedalam makanan untuk maksud teknologi (termasuk organoleptik) pada pembuatan, pengolahan, penyiapan, perlakuan, pengepakan, pengemasan, penyimpanan, atau pengangkutan makanan untuk menghasilkan atau diharapakan menghasilkan suatu komponen atau mempengaruhi sifat makanan tersebut, baik secara langsung atau tidak langsung. Penstabil (stabilizer) adalah bahan tambahan pangan yang membantu terbentuknya atau memantapkan sistem dispersi yang homogen pada makanan. Contoh penstabil nabati yang digunakan pada makanan antara lain gum arab, karagenan, pektin, amilosa, gelatin, dan Carboxymethyl cellulose (CMC) (Saparinto & Hidayati 2006). Penstabil nabati yang digunakan pada produk susu cair adalah pektin. Pektin merupakan senyawa polimer asam Dgalakturonat yang dihubungkan oleh ikatan β-1,4 glikosidik yang diekstraksi dari buah-buahan (Schols et al. 2009). Pektin berfungsi menjaga kestabilan emulsi produk susu agar tidak mudah terpisah. Perisa adalah bahan tambahan pangan yang dapat memberikan, menambah, atau mempertegas rasa dan aroma buah pada produk. Perisa yang digunakan antara lain perisa cokelat dan perisa buah (anggur, strawberry, apel, jeruk, dan tutty fruty). Pewarna makanan adalah bahan tambahan pangan yang dapat memberikan dan memperbaiki warna pada makanan. Pewarna makanan yang digunakan merupakan pewarna makanan sintetik atau pewarna makanan buatan yang diizinkan oleh pemerintah yang diatur dalam PP No 28 Tahun 2004 tentang Keamanan, Mutu, dan Gizi Pangan. Pewarna makanan
11
sintetik digunakan karena harganya yang ekonomis dan warnanya yang lebih stabil dibandingkan pewarna makanan alami. Pewarna makanan yang digunakan dalam pembuatan antara lain Ponceau 4R Cl 16255 (untuk produk berperisa strawberry) dan Biru Berlian Cl 42090 (untuk produk berperisa anggur). Pengatur keasaman yang digunakan dalam pembuatan LAD adalah asam sitrat dan asam laktat. Pengatur keasaman adalah bahan tambahan makanan yang dapat mengasamkan, menetralkan, dan rnemertahankan derajat keasaman. Asam sitrat ditambahkan dalam bentuk bubuk, sedangkan asam laktat ditambahkan dalam bentuk cair. Selain sebagai pengatur keasaman, asam sitrat juga berfungsi sebagai sekuestran pada produk LAD. Sekuestran adalah bahan tambahan makanan yang dapat mengikat ion logam dalam makanan. Menurut Muchtadi et al. (2009), vitamin dan mineral merupakan senyawa esensial yang diperlukan oleh tubuh untuk membantu kelancaran penyerapan zat gizi dan proses metabolisme tubuh tetapi tidak dapat disintesis oleh tubuh. Oleh karena itu, vitamin dan mineral penting keberadaanya dalam makanan. Berdasarkan kelarutannya, vitamin terdiri atas vitamin larut lemak dan vitamin larut air. Vitamin yang digunakan untuk fortifikasi produk susu cair di PT Frisian Flag Indonesia adalah vitamin A, B1, B2, B3, B12, dan D3. Mineral yang digunakan adalah kalsium karbonat, besi fosfat, dan natrium hexametafosfat. Vitamin dan mineral yang ditambahkan dalam bentuk bubuk premiks.
C. METODE SPEKTROSKOPI INFRAMERAH Spektroskopi inframerah merupakan salah satu teknik analisis yang paling penting saat ini (Stuart 2004). Metode spektroskopi inframerah merupakan salah satu metode sekunder yang dapat digunakan untuk mengevaluasi mutu bahan pangan (Osborne 2000) dan mampu menganalisis hampir seluruh jenis sampel. Panjang gelombang yang digunakan oleh metode spektroskopi inframerah berkisar antara 780 –100000 nm (Stuart 2004). Prinsip kerja spektroskopi inframerah adalah menganalisis getaran (vibrasi) atom dalam sebuah molekul. Spektroskopi inframerah menggunakan metode kemometrik untuk menganalisis spektrum sampel. Kemometrik adalah disiplin ilmu kimia yang menggunakan metode matematika dan statistik yang digunakan untuk (a) merancang atau memilih pengukuran yang optimal pada prosedur dan eksperimen dan (b) menyediakan informasi kimia secara maksimum dengan menganalisis data kimia (Otto 2007). Menurut Cen & He (2007), kemometrik pada spektroskopi inframerah meliputi tiga aspek sebagai berikut (1) data spektra pra-pengolahan, (2) membuat kalibrasi model analisis kualitatif dan kuantitatif, dan (3) transfer model. Tahapan analisis spektrum spektroskopi inframerah berdasarkan metode kemometrik dijelaskan oleh Gambar 3.
12
Gambar 3. Tahapan analisis spektrum metode spektroskopi inframerah (Cécillon & Brun 2010) Radiasi sinar inframerah merupakan radiasi elektomagnetik yang dapat dinyatakan dalam bentuk frekuensi (v), panjang gelombang (λ), atau bilangan gelombang (v1) yaitu ciri gelombang yang berbanding lurus dengan energi. Bentuk umum yang digunakan adalah bentuk panjang gelombang dengan satuan nanometer (nm) dan jumlah gelombang dalam satuan sepercentimeter (cm-1). Kedua satuan tersebut dapat dikonversi dengan menggunakan persamaan (1).
λ (nm) =
(1)
Radiasi sinar inframerah dapat diserap oleh semua bahan organik yang terdiri atas atom karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N), phosphor (P), dan sulfur (S) dengan sejumlah kecil elemen lain. Atom-atom ini berkombinasi melalui ikatan kovalen atau elektrokovalen sehingga membentuk molekul (Stuart 2004). Atom dan molekul tersebut memiliki gaya elektrostatik karena sifat ikatannya. Gerakan molekul yang konstan menyebabkan molekul tersebut dalam keadaan stabil. Molekul bervibrasi pada frekuensi yang sesuai dengan panjang gelombang daerah sinar inframerah (Osborne 2000). Informasi utama yang dapat diekstrak dari penyerapan radiasi sinar inframerah oleh molekul adalah vibrasi stretching dan bending pada ikatan kimia C-H (seperti bahan organik turunan minyak bumi), O-H (seperti kadar air, karbohidrat, dan lemak), C-N, dan N-H (seperti protein dan asam amino) yang merupakan ikatan dasar dari semua ikatan kimia bahan-bahan organik. Vibrasi stretching adalah pergerakan atom yang teratur sepanjang ikatan antara dua atom sehingga jarak antara atom dapat bertambah atau berkurang. Vibrasi bending adalah pergerakan atom yang menyebabkan perubahan sudut ikatan antar dua atau pergerakan dari sekelompok atom terhadap atom lainnya. Radiasi inframerah tidak mempunyai energi yang cukup untuk mengeksitasi elektron pada senyawa tetapi dapat menyebabkan senyawa organik mengalami rotasi dan getaran (vibrasi) ikatan inter-atomik (Osborne 2000). Contoh terjadinya vibrasi stretching dan bending dapat dilihat pada Gambar 4.
13
Gambar 4. Vibrasi streching dan bending pada molekul H2O (Stuart 2004) Radiasi yang mengenai partikel-partikel sampel dapat diserap (absorbed), diteruskan (transmitted), atau dipantulkan (reflected). Pada saat radiasi inframerah mengenai sampel padat, beberapa sinar mengalami pemantulan (specular reflectance) pada permukaan sampel. Beberapa bagian sinar yang lain diserap oleh sampel sekitar 2 mm. Radiasi yang tidak terserap akan ditransmisikan atau diteruskan melalui sampel atau dipantulkan dari dalam sampel (diffuse reflectance) (Dryden 2003). Intensitas radiasi sinar inframerah yang diteruskan oleh sampel dapat dinyatakan sebagai transmitan dengan persamaan (2).
T=
(2)
nilai I menunjukkan intensitas energi yang keluar dari sampel, dan I0 adalah energi yang mengenai sampel. Nilai radiasi yang diteruskan (transmittance) dapat ditransformasikan menjadi radiasi yang diserap (absorbance) dengan persamaan (3). A = Log10 (
= Log10 (
(3)
Berdasarkan Hukum Beer-Lambert, hubungan antara konsentrasi dengan jumlah sinar yang diserap oleh molekul dapat ditunjukkan (Dryden 2003). Hukum Beer-Lambert ditunjukkan dengan persamaan (4). A = abc
(4)
dimana nilai A adalah absorbansi, a adalah konstanta proporsi, b adalah jarak antara sumber energi ke sampel, dan c adalah konsentrasi penyerapan molekul. Nilai yang terukur juga dapat berupa nilai radiasi pantulan (reflectance) yang dapat ditransformasikan ke dalam radiasi yang diserap (absorbance) dengan persamaan (5). A = Log10 (
(5)
Frekuensi radiasi sinar inframerah yang sesuai dengan jenis ikatan molekul menyebabkan vibrasi molekul dalam bahan. Vibrasi molekul tersebut mengakibatkan terjadinya transfer energi dari radiasi ke molekul dan dapat diukur sebagai hubungan antara energi penyerapan sinar dengan panjang gelombang yang disebut spektrum (Osborne 2000). Setiap bahan pangan memiliki komposisi yang beragam (Dryden 2003). Setiap komposisi tersebut memiliki spektrum gabungan pantulan yang unik dan beragam yang dihasilkan dari penyebaran, pantulan, dan penyerapan cahaya oleh bahan penyusun komposisi tersebut (Osborne 2000). Spektrum inilah yang merupakan aspek pertama dalam metode kemometrik.
14
Aspek kemometrik kedua adalah membuat model kalibrasi kualitatif dan kuantitatif dengan menggunakan metode kalibrasi. Pada aspek ini diperlukan data metode konvensional untuk pembuatan model kalibrasi. Model kalibrasi tersebut merupakan hubungan antara data analisis metode konvensional dan data yang diperoleh menggunakan metode spektroskopi inframerah (Restaino et al. 2009). Metode kalibrasi yang digunakan terdiri atas dua kategori, yaitu metode kalibrasi untuk panjang gelombang terpilih (metode lokal) dan metode yang melibatkan seluruh spektrum (metode global) atau sering disebut metode kalibrasi spektrum penuh (full spectrum calibration methods). Principal Component Regression (PCR) dan Partial Least Squares (PLS) termasuk dalam metode global. Setelah dilakukan pembuatan model kalibrasi, aspek selanjutnya adalah transfer model. Transfer model adalah penggunaan model kalibrasi yang telah terbentuk untuk menentukan komposisi kimia dalam suatu bahan. Instrumen spektroskopi inframerah menerapkan ketiga aspek metode kemometrik tersebut untuk mengevaluasi mutu bahan secara cepat dan efisien. Instrumen spektroskopi inframerah yang digunakan untuk mengevaluasi mutu bahan dikelompokkan berdasarkan daerah spektrum sinar inframerah (Stuart 2004). Spektrum sinar inframerah dapat dibagi menjadi tiga daerah, yaitu inframerah jauh (400 – 100 cm-1), inframerah menengah (4000-400 cm-1), dan inframerah dekat (13000 – 4000 cm-1). Pada kegiatan magang ini digunakan dua daerah spektrum untuk menganalisis sampel recovery produk susu, yaitu daerah spektrum inframerah dekat dan daerah spektrum inframerah tengah. Daerah spektrum inframerah dekat dikenal dengan metode Near Infrared Reflectance (NIR). Sementara itu, daerah spektrum inframerah tengah dikenal dengan metode spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR). Menurut O'Sullivan et al. (1999) keuntungan menggunakan metode spektroskopi inframerah antara lain proses kontrol lebih cepat dan konsisten, tidak merusak lingkungan karena tidak menggunakan bahan kimia dalam analisisnya, mengurangi biaya analisis, persiapan sampel yang mudah dan tidak merusak (non-destructive), dan dapat diaplikasikan pada bahan baku dan produk jadi (finish product). Kelemahan metode spektroskopi inframerah di antaranya mahal dan sulit dalam kalibrasinya.
1. Spektroskopi Near Infrared Reflectance (NIR) Metode spektroskopi inframerah dekat atau yang lebih dikenal dengan Near Infrared Reflectance Spectroscopy (NIRS) merupakan salah satu metode sekunder yang digunakan untuk evaluasi mutu bahan pangan yang bersifat cepat dan tidak merusak (Osborne 2000). Beberapa tahun terakhir, metode spektroskopi NIR sudah sering digunakan untuk mengevaluasi mutu bahan pangan contohnya susu. Metode spektroskopi NIR diutamakan sebagai teknik kuantitatif dibandingkan kualitatif karena sangat cocok untuk analisis bahan pangan secara cepat, tanpa persiapan sampel, dan dengan satu kali scan dapat menganalisis beberapa parameter sekaligus (O'Sullivan et al. 1999). Industri susu menggunakan metode spektroskopi NIR untuk memantau kadar air, lemak, protein, dan laktosa (Šašić & Ozaki 2001). Analisis menggunakan instrumen spektroskopi NIR (instrumen NIRS) berdasarkan refleksi radiasi sinar inframerah dekat dari permukaan sampel sehingga dapat diukur oleh detektor. Rentang spektra yang digunakan oleh NIRS adalah 780-2500 nm (13000-4000 cm-1) (Gambar 5) dan menyediakan informasi struktural yang lebih komplek berhubungan dengan sifat getaran dari ikatan kombinasi (Cen & He 2007).
15
Gambar 5. Panjang gelombang metode spektroskopi NIR (FOSS 2004) Menurut O'Sullivan et al. (1999), instrumen NIR umumnya terdiri atas tiga bagian, yaitu flow cell, bagian badan instrumen, dan komputer (Gambar 6). Bagian badan instrumen dapat langsung melekat pada flow cell atau terhubung dengan flow cell melalui kabel fiber optic. Bagian badan instrumen merupakan tempat bagi pemancar NIR, detektor NIR, dan komunikasi yang diperlukan untuk menyediakan link ke komputer. Sumber cahaya yang digunakan oleh instrumen NIR pada umumnya adalah lampu tungsten halogen karena harganya yang murah dan menghasilkan intensitas cahaya yang tinggi. Flow cell ditempatkan di lini produk dan menyediakan sarana untuk sinar inframerah melewati produk. Flow cell umumnya terdiri atas badan yang terbuat dari stainless steel dengan lensa polysulfone yang mengizinkan radiasi sinar inframerah masuk dan keluar flow cell.
Gambar 6. Komponen dasar instrumen spektroskopi NIR (O'Sullivan et al. 1999) Proses perubahan sinyal pada instrumen spektroskopi NIR diawali dengan radiasi sinar inframerah dari sumber cahaya yang dilewatkan melalui sistem beam splitter terlebih dahulu. Sistem beam splitter berfungsi sebagai penyaring cahaya dari banyak warna menjadi satu warna. Selanjutnya sinar tersebut ditransmisikan melalui sampel dan diterima oleh detektor solid state yang secara langsung mengubah energi sinar inframerah menjadi sinyal analog. Detektor solid state merupakan perangkat optoelectronic yang digunakan untuk mengonversi insiden foton menjadi sinyal elektronik. Sinyal tersebut selanjutnya dikonversi ke bentuk digital oleh analog-to-digital converter dengan nilai sesungguhnya yang kemudian disimpulkan oleh hardware khusus sebagai produk total penyerapan sinar inframerah oleh sampel. Data absorbansi ini kemudian dikirim ke komputer untuk diproses lebih lanjut dan menghasilkan spektrum yang menjelaskan dua parameter, yaitu panjang gelombang dalam nanometer dan amplitude dengan tinggi puncak gelombang yang menjelaskan intensitasnya seperti yang terlihat pada Gambar 7.
16
Gambar 7. Contoh spektrum NIR susu dan air (Frankhuizen 2008) Cahaya inframerah dekat yang mengenai bahan memiliki energi yang kecil dan hanya menembus sekitar satu milimeter permukaan bahan tergantung komposisi bahan tersebut. Meskipun cahaya inframerah mengalami penyebaran, spektrum yang terbaca tetap mengandung informasi contoh penyerapan permukaan bahan tetapi terjadi distorsi pada puncak gelombang (Dryden 2003). Variasi pantulan spektrum pada metode spektroskopi NIR umumnya dipengaruhi oleh radiasi non spesifik yang menyebar, jarak antara sumber energi ke sampel, dan komposisi kimia sampel (Dryden 2003). Menurut Cen & He (2007), pemilihan daerah panjang gelombang, solusi, scan kecepatan, jumlah, modus dan interval pengambilan sampel akan mempengaruhi presisi dan pengulangan percobaan. Salah satu instrumen yang menerapkan prinsip spektroskopi NIR adalah NIRSystems 5000. NIRSystems 5000 dapat menganalisis komponen utama dan komponen spesial dalam produk seperti gula, lemak, protein, total padatan. Spektrum pada NIRSystems 5000 memiliki semua spektra analisis yang dikombinasikan dengan presisi dan stabilitas metode konvensional (FOSS 2004).
2. Spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR) Spektroskopi inframerah merupakan salah satu teknik analisis yang sering digunakan akhir-akhir ini. Selain teknologi Near Infrared Reflectance Spectroscopy (NIRS) terdapat pula teknik analisis yang sering digunakan oleh industri susu, yaitu Fourier Transform Infrared (FTIR). Sama halnya seperti NIRS, FTIR juga membutuhkan waktu yang singkat untuk menganalisis komponen sampel. Prinsip kerja metode spektroskopi FTIR serupa dengan prinsip kerja spektroskopi inframerah pada umumnya. Perbedaan metode spektroskopi FTIR dengan spektroskopi inframerah lainnya terletak pada panjang gelombang yang digunakan. Panjang gelombang inframerah yang digunakan berada dalam rentang spektrum menengah sinar inframerah, yaitu 2500-30000 nm (Stuart 2004). Menurut Stuart (2004), instrumen FTIRS umumnya terdiri atas lima bagian, yaitu sumber cahaya, interferometer, sampel, detektor, dan komputer (Gambar 8). Sumber cahaya yang digunakan pada instrumen spektroskopi FTIR adalah Globar atau Nernst. Interferometer yang paling umum digunakan pada instrumen spektroskopi FTIR adalah Michelson interferometer yang terdiri atas dua cermin datar tegak lurus. Detektor yang digunakan umumnya terdiri atas dua jenis, yaitu detektor normal untuk penggunaan rutin (penggabungan alat pyroelectric dengan deuterium tryglycine sulfate (DTGS) pada suhu yang tahan alkali halida) dan detektor untuk analisis yang lebih sensitif (mercury cadmium telluride (MCT))
17
yang harus didinginkan pada suhu nitrogen cair) (Stuart 2004). Detector tersebut khusus didesain untuk mengukur sinyal interferogram. Interferogram adalah sinyal yang dihasilkan sebagai fungsi dari perubahan panjang jalur antara dua berkas sinar. Beam splitter yang digunakan adalah germanium atau oksida besi yang dilapisi substrat „inframerah-transparan‟ seperti kalium bromida atau iodida cesium.
Gambar 8. Komponen dasar instrumen spektroskopi FTIR (Stuart 2004) Proses perubahan sinyal pada instrumen spektroskopi FTIR (Gambar 9) diawali dengan radiasi sinar inframerah dari sumber cahaya yang dilewatkan melalui interferometer sebagai tempat menyandikan spektra. Setelah melalui interferometer, sinar diubah menjadi sinyal interferogram yang selanjutnya mengenai sampel dan diterima oleh detektor. Sinyal kemudian diamplifikasi sehingga sinyal dengan frekuensi tinggi akan dihilangkan dengan filter. Sinyal tersebut selanjutnya dikonversi ke bentuk digital oleh analog-to-digital converter dan dipindahkan ke komputer untuk Fourier-Transformation. Hasil Fourier-Transformation berupa spektrum inframerah yang yang menjelaskan dua parameter, yaitu panjang gelombang dalam nanometer dan intensitasnya. Ukuran puncak pada spektrum adalah indikasi langsung dari jumlah komposisi yang ada di dalam bahan tersebut (TNC 2001). Adanya software alogaritma modern menjadikan spektroskopi inframerah sebagai alat yang sangat baik untuk analisis kuantitatif.
Gambar 9. Proses perubahan sinyal pada instrumen spektroskopi FTIR (TNC 2001) Salah satu instrumen yang menerapkan prinsip spektroskopi FTIR adalah FOSS MilkoScan FT120. FOSS MilkoScan FT120 dapat menganalisis komponen utama dan komponen spesial dalam produk seperti gula, lemak, protein, total padatan, bahkan penurunan titik beku dapat dianalisis. Interferometer pada FOSS MilkoScan FT120 memiliki semua spektrum analisis yang dikombinasikan dengan presisi dan stabilitas metode konvensional (FOSS 2004). FOSS MilkoScan FT120 umumnya digunakan pada industri produk olahan susu.
18
D. KALIBRASI SPEKTROSKOPI INFRAMERAH Kalibrasi merupakan dasar untuk meyakinkan keakuratan dan kekonsistenan pengukuran. Kalibrasi menurut EMEA (2012) adalah proses pembuatan model yang menghubungkan dua jenis data pengukuran. Kalibrasi dalam teknik spektroskopi diperoleh dengan mengukur hubungan antara absorbansi dan reflektan dari panjang gelombang yang dihasilkan oleh spektrometer dengan konsentrasi larutan unsur yang dianalisis. Osborne (2000) menyatakan instrumen spektroskopi inframerah dapat menentukan komposisi kimia suatu sampel dengan menggunakan nilai pantulan (reflectance, R) dan absorbansi (log (1/R)). Instrumen spektroskopi inframerah harus melalui proses kalibrasi agar dapat mengenal komposisi kimia sampel yang akan dianalisis (Mark & Campbell 2008). Kesulitan dalam mengkalibrasi menurut Osborne (2000) adalah masalah informasi alam yang kompleks dalam spektrum inframerah. Contohnya setiap puncak spektrum hampir selalu tumpang tindih oleh satu atau lebih puncak-puncak yang lain. Prosedur kalibrasi spektroskopi inframerah diawali dengan pengukuran spektrum sampel. Hasil analisis kimiawi metode konvensional diperlukan untuk penentuan spektrum absorbansi dan pantulan pada spektroskopi inframerah. Hasil spektrum dan data kimia metode konvensional sampel dilanjutkan dengan perhitungan menggunakan software bawaan instrumen spektroskopi inframerah. Hasil pengolahan data tersebut menunjukkan hubungan antara spektrum sampel dengan komposisi kimianya yang disebut model kalibrasi (Mark & Campbell 2008). Selanjutnya sistem komputer mengaplikasikan model kalibrasi yang telah dihasilkan untuk mengukur spektrum sampel yang terukur oleh instrumen dan menentukan komposisi kimianya (Mark & Campbell 2008). Metode kalibrasi spektrum spektroskopi inframerah dibagi dalam dua kategori yaitu metode kalibrasi untuk panjang gelombang terpilih (metode lokal) dan metode yang melibatkan seluruh spektrum (metode global) atau sering disebut metode kalibrasi spektrum penuh (full spectrum calibration methods). Principal Component Regression (PCR) dan Partial Least Squares (PLS) termasuk dalam metode global. Pada pembuatan model kalibrasi spektrum spektroskopi inframerah kali ini hanya digunakan metode Partial Least Squares (PLS). Metode Partial Least Squares (PLS) atau metode regresi kuadrat terkecil parsial pertama kali dikembangkan oleh Herman Wold pada tahun 1960. Metode ini merupakan salah satu dari analisis multivariate. Menurut Esbensen (2002), analisis multivariate merupakan salah satu jenis analisis statistik yang digunakan untuk menganalisis data dimana data yang digunakan memiliki banyak peubah bebas (independent variabels) dan peubah terikat (dependent variabels). Analisis ini memperlihatkan bentuk hubungan antara beberapa variabel bebas terhadap satu variabel terikat. Metode PLS merupakan metode yang digunakan untuk membuat prediksi model ketika terdapat banyak faktor dan kolinearitas yang tinggi (Tobias 2012). Pada dasarnya metode PLS adalah penggabungan model pendugaan sebagai pengembangan model-model kalibrasi yang melibatkan lebih dari dua peubah laten (bebas dan tidak bebas). Metode tersebut tidak memiliki formula tertutup untuk ragam koefisien regresi. Metode PLS digunakan untuk memperoleh pendugaan bagi Y sebagai fungsi peubah-peubah Xn yang terpilih. Persamaan regresi kalibrasi antara peubah Y dengan a dan b sebagai konstanta kuadrat terkecil parsial X terpilih dinyatakan sebagai berikut:
19
Y = a + b1X1 + b2X2 + ...... + bnXn dimana: Y a b1, b2,bn
(6)
= hasil perkiraan alat = intercept persamaan garis = slope yang berhubungan dengan perubahan X1, X2, Xn (panjang gelombang) nilai penyerapan Y
Model kalibrasi yang dihasilkan dari pengolahan data menggunakan metode PLS selanjutnya dievaluasi berdasarkan koefisien determinasi kalibrasi (R2), standard error of calibration (SEC), standard error of cross validation (SECV), dan koefisien determinasi pada cross validation (1VR) (Decandia et al. 2009). Selain metode PLS, pembuatan model kalibrasi juga dapat dilakukan dengan metode adjustment slope and intercept. Metode ini merupakan metode untuk pembuatan model kalibrasi baru dengan menyesuaikan slope dan intercept model kalibrasi yang telah ada sebelumnya dengan set kalibrasi sampel yang akan dibuat model kalibrasinya (FOSS 2005). Umumnya metode ini digunakan apabila sampel yang dianalisis memiliki spektrum, sifat fisik, dan komposisi kimia yang hampir sama dengan sampel yang digunakan untuk pembuatan model kalibrasi sebelumnya. Metode adjustment slope and intercept biasanya terdapat pada instrumen Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy. Menurut DCT (2008), slope merupakan ukuran kemiringan dari suatu garis. Slope adalah koefisien regresi untuk variabel X (variabel bebas). Selain itu, dalam konsep statistika slope merupakan suatu nilai yang menunjukkan seberapa besar kontribusi yang diberikan suatu variabel X terhadap variabel Y. Intercept adalah suatu titik perpotongan antara suatu garis dengan sumbu Y pada sumbu kartesius pada saat nilai X = 0. Intercept hanyalah suatu konstanta yang memungkinkan munculnya koefisien lain di dalam model regresi (DCT 2008). Model kalibrasi baru tersebut selanjutnya dievaluasi berdasarkan koefisien determinasi kalibrasi (R2) dan standard error of calibration (SEC) (Decandia et al. 2009).
20
