SIFAT FISIK BAHAN PANGAN IV. RHEOLOGI PENGANTAR Rheologi berasal dari bahasa Yunani yaitu rheo dan logos. Rheo berarti mengalir, dan logos berarti ilmu. Sehingga rheologi adalah ilmu yang mempelajari tentang aliran zat cair dan deformasi zat padat. Selain itu, rheologi mempelajari hubungan antara tegangan geser (shearing stress) dengan shearing rate pada cairan, atau hubungan antara strain dan stress pada benda padat. Rheologi erat kaitannya dengan viskositas. Viskositas merupakan suatu pernyataan tahanan dari suatu cairan untuk mengalir. Semakin tinggi viskositas, semakin besar tahanannya untuk mengalir. Viskositas dinyatakan dalam simbol η. Data rheologi diperlukan dalam evaluasi kualitas produk, perhitungan rekayasa, dan desain proses. Model rheologi yang diperoleh dari pengukuran eksperimental dapat berguna dalam desain proses rekayasa makanan jika digunakan bersama dengan daya gerak, energi, dan keseimbangan massa. Namun pengaruh pengolahan terhadap sifat rheologi harus diketahui selama proses pengendalian. TUJUAN 1. Tujuan Instruksional Umum (TIU) Setelah mempelajari materi dalam modul ini diharapkan mahasiswa dapat memahami tentang dasardasar reology 2. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) •
Mahasiswa memahami tentang viskositas dinamis dan kinematis.
•
Mahasiswa dapat menjelaskan perbedaan benda plastic dan viscous
•
Mahasiswa dapat menjelaskan fenomena benda dalam klasifikasi rheology, yaitu pengaruh tegangan geser dan ketergantungan terhadap waktu
4.1. PENDAHULUAN “Rheology” pertama kali digunakan untuk Eugene C Bingham yang menjelaskan motto subyek sebagai (“panta rhei’” ) yang berarti “segala sesuatu mengalir (Reiner, 1964). Pemahaman tentang rheology merupakan hal yang kritis dalam usaha pengembangan optimasi produk, metode pengolahan dan kualitas produk akhir. Terdapat beberapa area dimana data rheology diperlukan dalam industry pangan, yaitu: a. Perhitungan teknik proses yang melibatkan peralatan yang luas seperti perpipaan, pompa, ekstruder, mixer, pelapis, heat exchanger, homgenizer, dll b. Menentukan komposisi fungsional dalam pengembangan produk SFBP: RHEOLOGY
38
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN c. Pengendalian kualitas bahan setengah jadi dan bahan jadi d. Pengujian umur simpan e. Evaluasi tekstur makanan hubugannya dengan data sensori f.
Analisis persamaan rheology Klasifikasi rheologi dapat ditunjukan pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1. Klasifikasi Rheologi
Penggolongan aliran bahan dibagi menjadi 4, yaitu: (1) Hukum Newton – Viskositas, (2) Viscous Fluids, (3) Plastic Fluids, dan (4) Time Dependency.
4.2. HUKUM NEWTON - VISKOSITAS Hukum aliran dari Newton diilustrasikan oleh Gambar 4.2. Diasumsikan gambar tersebut adalah sebuah balok cairan yang terdiri dari lapisan-lapisan molekul paralel, bagaikan setumpuk kartu. Jika bidang cairan paling atas bergerak dengan suatu kecepatan konstan, setiap lapisan di bawahnya akan bergerak dengan suatu kecepatan yang berbanding lurus dengan jarak dari lapisan dasar yang diam.
SFBP: RHEOLOGY
39
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
Gambar 4.2. Hukum Aliran Newton
Hal tersebut dapat digunakan istilah sebagai berikut, yaitu Rate of shear () = dv/dy untuk menyatakan perbedaan kecepatan (dv) antara dua bidang cairan yang dipisahkan oleh jarak yang sangat kecil (dy) dan Shearing stress (τ ) = F/A untuk menyatakan gaya per satuan luas yang diperlukan untuk menyebabkan aliran.
........................................................................................................................... (1) Bentuk mikroskopis persamaan ini merupakan hukum newton viskositas.
...................................................................................................... (2) Dimana: τyz = shear stress (N/m2), μ = viscosity (Pa·s), γ˙yz = shear rate (1/s). (z menunjukkan arah gaya, y menyajikan arah normal terhadap permukaan dimana gaya bekerja). Contoh Soal: Dua plat paralel terpisah 0.1 m. Plat bawah diam sementara bagian atas bergerak dengan kecepatan V. Fluida diantara plat adalah air yang memiliki viskositas 1 cp. a) Hitung fluks momentum yang diperlukan untuk mempertahankan gerakan plat atas pada kecepatan 0.30 m/s, b) Jika air diganti dengan fluida dengan viskositas 100 cp, fluks momentum tetap konstan, temukan kecepatan baru plat atas.
SFBP: RHEOLOGY
40
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
Penyelesaian: a. µw = 1 cp = 1 x 10-3 Pa.s Hukum newton viskositas digunakan untuk menentukan shear stress.
Viskositas µ merupakan perbandingan antara Shearing stress F/A dan Rate of shear dv/dy, Satuan viskositas adalah poise atau dyne detik cm -2, Fluiditas merupakan kebalikan dari viskositas. Satuan fluiditas adalah centipoise (cps). 1 cps= 0,01 poise. Viskositas bervariasi dengan suhu. Perbedaan dalam pengaruh temperatur terhadap viskositas cairan dan gas berhubungan dengan perbedaan dalam struktur molekul tersebut. Viskositas dari sebagian besar cairan menurun dengan meningkatnya suhu. Menurut teori Eyring, ada kekosongan dalam bentuk cair (Bird, Stewart, & Lightfoot, 1960). Molekul terus bergerak ke dalam kekosongan. Proses ini memungkinkan aliran tetapi membutuhkan energi. Energi aktivitas ini lebih mudah tersedia pada suhu yang lebih tinggi dan aliran fluida dengan mudah. 1. Fluida Viscous Sistem cair bersifat untuk merubah bentuk terus menerus dalam pengaruh suatu tegangan. Hal tersebut dapat digolongkan menjadi 2, yaitu: a. Newtonian b. Non – Newtonian Pemilihan tergantung pada sifat – sifat alirannya, sesuai atau tidak dengan hukum aliran dari newton. a. Sistem Newtonian Pada sistem Newtonian, hubungan antara shearing rate dengan shearing stress adalah linear, dimana suatu tetapan yang dikenal dengan viskositas atau koefisien viskositas. Tipe aliran ini SFBP: RHEOLOGY
41
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN umumnya dimiliki oleh zat cair tunggal serta larutan dengan struktur molekul sederhana dengan volume molekul kecil. Tipe aliran yang memenuhi hukum sistem Newton dapat disebut dengan sistem Newtonian, dimana viskositasnya tetap pada suhu dan tekanan tertentu dan tidak tergantung pada kecepatan geser, sehingga viskositasnya cukup ditentukan pada satu kecepatan geser seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3. Kemiringan Tegangan Geser
Kemiringan tegangan geser terhadap grafik laju geser yang merupakan viskositas konstan dan independen dari tingkat geser dalam Sistem Newtonian. Contoh bahan Newtonian adalah gas, minyak, air, dan sebagian besar cairan yang mengandung air lebih dari 90%. Contoh: teh, kopi, bir, minuman berkarbonasi, jus buah, dan susu menunjukkan perilaku Newtonian. b. Sistem Non Newtonian Pada sistem non-Newtonian, shearing rate dan shearing stress tidak memiliki hubungan linear, hal tersebut dikarenakan viskositasnya berubah – ubah tergantung dari besarnya tegangan yang diberikan. Tipe aliran yang tidak memenuhi hukum sistem Newton dapat disebut dengan sistem Non – Newtonian, dimana fluida shear thinning atau shear thickening mengikuti persamaan Ostwald-de Waele.
................................................................................................... (3) Dimana: k : koefisien konsistensi (Pa.sn) n : indeks periaku aliran SFBP: RHEOLOGY
42
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN Untuk perbedaan shear rate, diamati viskositas yang berbeda. Oleh karena itu, viskositas semu atau istilah konsistensi digunakan untuk sistem Non – Newton.Variasi viskositas semu dengan shear rate untuk berbagai jenis sistem Non – Newton yang dapat ditunjukan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4. Viskositas Semu
Tipe aliran non-Newtonian terjadi pada dispersi heterogen antara padatan dengan cairan seperti pada emulsi, koloid, dan suspense cair, salep. Fluida Shear Thinning (Pseudoplastis) Fluida Shear Thinning (Pseudoplastis) diperlihatkan oleh polimer-polimer dalam larutan, hal ini berkebalikan dengan sistem plastis, yang tersusun dari partikel-partikel tersuspensi dalam emulsi. Kurva untuk aliran pseudoplastis dimulai dari (0,0) , tidak ada yield value, dan bukan suatu harga tunggal.
SFBP: RHEOLOGY
43
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
Gesekan antar lapisan menurun dengan meningkatnya shear rate. Geseran menyebabkan perlibatan, molekul rantai panjang lurus dan selaras mengikuti aliran sehingga vikositas menurun. Rheogram lengkung untuk bahan – bahan pseudoplastis ini disebabkan adanya aksi shearing terhadap molekul – molekul polimer (atau suatu bahan berantai panjang). Dengan meningkatnya shearing stress, molekul-molekul yang secara normal tidak beraturan, mulai menyusun sumbu yang panjang dalam arah aliran. Pengarahan ini mengurangi tahanan dari dalam bahan tersebut dan mengakibatkan rate of shear yang lebih besar pada tiap shearing stress berikutnya. Seperti cat dan tinta serta seperti produk pisang murni dan konsentrat jus buah. Menurut Krokida (2001), menyatakan bahwa koefisien konsistensi k meningkat secara eksponensial sementara indeks perilaku aliran (n) sedikit menurun terhadap konsentrasi (n ≈ 0.5 untuk produk pulpy, n ≈ 1 untuk jus jernih). Eksponen n meningkat pada saat aliran meningkat hingga seperti aliran newton. Jika N=1 aliran tersebut sama dengan aliran newton.
Fluida Shear – Thickening Fluida Shear – Thickening terjadi pada suspensi yang memiliki presentase zat padat terdispersi dengan konsentrasi tinggi. Terjadi peningkatan gesekan internal dan viskositas semu dengan meningkatnya shear rate. Jika stress dihilangkan, suatu Fluida Shear – Thickening akan kembali ke keadaan fluiditas aslinya.
SFBP: RHEOLOGY
44
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
Pada keadaaan istirahat, partikel – partikel tersebuat tersususn rapat dengan volume antar partikel pada keadaan minimum. Tetapi jumlah pembawa dalam suspensi ini cukup untuk mengisi volume ini dan membentuk ikatan lalu memudahkan partikel-partikel bergerak dari suatu tempat ke tempat lainnya pada shear rate yang rendah. Pada saat shear stress meningkat, bulk dari system itu mengembang atau memuai (dilate). Hal itu menyebabkan volume antar partikel menjadi meningkat dan jumlah pembawa yang ada tidak cukup memenuhi ruang kosong tersebut. Oleh karena itu hambatan aliran meningkat karena partikel-partikel tersebut tidak dibasahi atau dilumasi dengan sempurna lagi oleh pembawa. Akhirnya suspense menjadi pasta yang kaku. Dianalogikan orang yang jatuh dalam rawa akan mencoba untuk melepaskan diri sesegera mungkin, bergerak dalam kepanikan sehingga terjadi geseran tiba-tiba. Dimana semakin mencoba untuk melepaskan diri, maka gaya yg diperlukan semakin besar. Selain itu, dapat diilustrasikan dengan berjalan dalam pasir basah di pantai, jika suspensi air – pasir ada untuk beberapa waktu, maka fraksi kosong yg ditempati air minimal. Namun ada beberapa geseran akan menggangu di dekat bagian yg padat dan fraksi kosong meningkat. Serta air tidak akan cukup mengisi ruang antara butiran pasir dan pelumasan yang kurang akan menyebabkan peningkatan ketahanan untuk mengalir. Seperti pati yang belum dimodifikasi (jagung, gandum, beras, kentang, dll).
4.2. FLUIDA PLASTIK Pada fluida plastik dapat digolongkan menjadi 2 bagian, yaitu Fluida plastik bingham dan Fluida plastik non – bingham.
a. Fluida Plastik Bingham Fluida plastik bingham adalah suatu model pendekatan fluida Non – Newtonian, dimana viskositas akan sangat tergantung pada shear stress dari fluida tersebut, maka semakin lama viskositasnya akan menjadi konstan. Fluida tetap rigid ketika shear stress sedikit lebih kecil dari yield stress (τ0), tetapi mengalir seperti fluida newtonian ketika shear stress melebihi τ0. seperti misalnya: Pasta gigi, saos tomat, mayonnaise dan kecap. Persamaan untuk fluida plastik bingham ini ditunjukan oleh persamaan berikut ini:
............................................................................................................. (5) Viskositas semu untuk fluida bingham plastik dapat ditentukan dengan mengambil rasio shear stress terhadap shear rate yang sesuai
SFBP: RHEOLOGY
45
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN ............................................ ................................................ (6)
b. Fluida Plastik Non – Bingham Dalam jenis fluida, sebuah shear stress terendah dikenal sebagai stress yield yang harus dilampaui sebelum aliran dimulai, seperti dalam kasus fluida bingham plastik. Jadi sama dengan bingham, namun shear stress vs shear rate tidak linier (bisa shear thinning atau shear thickening). Namun, grafik shear stress terhadap shear rate tidak linear. Fluida jenis ini baik secara shear thinning atau shear thickening dengan yield stress. Persamaan untuk fluida plastik non –bingham dalam model Herschel – Bulkley ini ditunjukan oleh persamaan berikut ini:
............................................................................................................. (7) Menurut Mukprasirt, dkk (2000) menyatakan bahwa aliran tingkah laku dari tepung beras berbasis adonan yang digunakan dalam produk gorengan mengikuti model Herschel – Bulkley. Selain itu yang mengikuti model Herschel – Bulkley, yaitu pasta daging ikan halus, pasta kismis. Persamaan untuk fluida plastik non – bingham dalam model Casson ini ditunjukan oleh persamaan berikut ini:
................................................................................................... (8) Contoh dari model Casson adalah lelehan susu coklat, dimana Casson dapat menghasilkan nilai stress yang menghubungkan dengan diameter dan luas permukaan spesifik dari padatan tanpa lemak pada karakteristik aliran lelehan susu coklat, ketika pengaruh pembagian ukuran partikel padatan tanpa lemak. 2. Time Dependency (Ketergantungan Waktu) Fluida akan berubah menjadi lebih tipis atau tebal dengan seiring berjalannya waktu, ketika beberapa fluida tersebut dikenakan shear stress yang konstan. Fluida yang menunjukkan penurunan shear stress dan viskositas semu terhadap waktu pada shear rate tetap dapat disebut dengan fluida thixotropic (geseran menipis terhadap waktu). Hal tersebut mungkin dapat disebabkan oleh kerusakan pada struktur bahan seiring dengan terusnya geseran berlangsung, seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.7. Misalkan sebagai contoh dari jenis fluida, yaitu gelatin, putih telur dan mentega.
SFBP: RHEOLOGY
46
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
Gambar 4.7. Perilaku fluida terhadap ketergantungan waktu Perilaku Thixotropic kemungkinan berubah, baik berubah secara sebagian atau tidak dapat dirubah sama sekali, ketika shear yang diterapkan dihapus (fluida dalam kondisi istirahat). Thixotropy yang tidak dapat dirubah disebut dengan rheomalaxis atau rheodestruction. Seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.8.
Gambar 4.8. Perilaku thixotropic pada kurva torsi pembusukan Perilaku Thixotropic dalam suatu produk dapat dipelajari dengan meningkatkan shear stress atau shear rate yang disertai oleh penurunan. Jika shear stress diukur sebagai fungsi dari shear rate, maka nilai awal dari shear rate akan meningkat dan kemudian menurun. Seperti yang ditunjukan dalam kurva shear stress terhadap shear rate pada Gambar 4.9.
SFBP: RHEOLOGY
47
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN
Gambar 4.9. Shear stress terhadap shear rate Dalam fluida rheopectic (shear thickening terhadap waktu), shear stress dan viskositas semu meningkat seiring dengan waktu, yaitu struktur dibangun sebagaimana geseran terus berlangsung. Bentonit-liat suspensi menunjukkan jenis perilaku aliran. Hal ini jarang diamati dalam sistem pangan. Contoh yang menunjukan ketergantungan waktu, yaitu pati, gula dan susu. Jadi jika diproses pada suhu 85 dan 95°C, maka dalam keadaan thixotropic terjadi pada shear stress tinggi diatas 50 Pa. Dan jika diproses pada suhu 75°C, maka dalam keadaan rheopectic terjadi pada shear stress rendah dibawah 45 Pa. Ketika protein kedelai ditambahkan ke jus tomat, terjadi perilaku thixotropic dengan shear rate tingkat rendah tetapi disertai dengan transisi ke perilaku rheopectic dengan shear rate pada tingkat yang lebih tinggi (Tiziani & Vodovotz, 2005). Menurut Isikli dan Karababa (2005), menyatakan bahwa pasta fenugreek yang merupakan makanan lokal di Turki, memperlihatkan perilaku rheopectic. Referensi Bird, R.B., Stewart, W.E., & Lightfoot, E.N. (1960). Transport Phenomena. New York: John Wiley & Sons. Isikli, N.D., & Karababa, E.A. (2005). Rheological characterization of fenugreek paste (cemen). Journal of Food Engineering, 69, 185–190. Krokida, M.K., Karathanos, V.T., & Maroulis, Z.B. (2000). Effect of osmotic dehydration on viscoelastic properties of apple and banana. Drying Technology, 18, 951–966. Mukprasirt, A., Herald, T.J., & Flores, R.A. (2000). Rheological characterization of rice flour-based batters. Journal of Food Science, 65, 1194–1199.
SFBP: RHEOLOGY
48
SIFAT FISIK BAHAN PANGAN Tiziani, S., & Vodovotz, Y. (2005). Rheological effects of soy protein addition to tomato juice. Food Hydrocolloids, 19, 45–52.
Propagasi A. Latihan dan Diskusi (Propagasi vertical dan Horizontal) 1. Jelaskan perbedaan benda plastic dan viscous B. Pertanyaan (Evaluasi mandiri) 1. Apa yang dimaksud dengan fluida newtonian dan non newtonian 2. Apa yang dimaksud dengan fluida bingham dan non bingham 3. Jelaskan klasifikasi flida berdasarkan pada ketergantungan terhadap waktu C. QUIZ -mutiple choice (Evaluasi) D. Proyek Pilihlah satu jenis produk bahan pangan, kemudian carilah jurnal / literature yang menjelaskan tentang perilaku alirannya, dan review literature tersebut.
SFBP: RHEOLOGY
49
