KINETIKA REAKSI Kimia Fisik Pangan
Ahmad Zaki Mubarok Materi: ahmadzaki.lecture.ub.ac.id
Bahan pangan merupakan sistem yang sangat reaktif. Reaksi kimia dapat terjadi secara terusmenerus antar komponen dalam bahan pangan dan atau antara bahan pangan dengan lingkungannya. Sejumlah tipe reaksi kimia dan biokimia juga terjadi selama proses pengolahan pangan.
1
Contoh aplikasi penting kinetika reaksi dalam pengolahan pangan antara lain: 1.Perhitungan proses termal untuk membunuh mikroba 2.Optimasi proses termal berkaitan dengan kualitas produk 3.Optimasi proses berkaitan dengan biaya produksi 4.Prediksi umur simpan produk pangan berkaitan dengan kondisi penyimpanan
Orde Reaksi Bila reaksi kimia antara molekul A dan B menghasilkan molekul E dan F: +
+
Laju dari suatu reaksi didefinisikan sebagai laju dimana jumlah molekul dari komponen yang bereaksi meningkat atau menurun terhadap waktu. Dalam suatu proses dengan volume konstan, nilai jumlah molekul dapat digantikan dengan konsentrasi.
2
Berdasarkan hukum kekekalan massa, laju dari suatu reaksi dalam waktu tertentu proporsional terhadap konsentrasi dari komponen yang bereaksi. Konstanta proporsionalitas tersebut dinamakan ‘konstanta laju reaksi’, diberi simbol k. Dengan demikian, laju reaksi hilangnya komponen A adalah: −
=
dimana C adalah konsentrasi dari masing-masing komponen yang bereaksi.
Konsentrasi salah satu reaktan umumnya lebih besar daripada reaktan lainnya, sehingga tidak memberikan efek penting terhadap reaksi yang terjadi. Dengan demikian, laju reaksi dapat dituliskan:
−
=
Eksponen n dalam persamaan diatas disebut dengan ‘orde reaksi’.
3
Orde Reaksi Reaksi orde nol: hubungan linier antara konsentrasi reaktan atau produk dengan waktu reaksi. Reaksi orde satu: perubahan secara logaritmis antara konsentrasi reaktan terhadap waktu reaksi Reaksi orde dua: hubungan hiperbolik antara konsentrasi reaktan atau produk dengan waktu reaksi
Zero order reactions: r=-
dA =k dt
A = Ao - kt
4
First order reactions:
r=-
dA = kA dt
ln
A = - kt Ao
Second order reactions:
r=-
dA = kA2 dt
1 1 = kt Ao A
5
Kinetika Penurunan Mutu -dQ/dt = kQn Q = kualitas (mutu) t = waktu k = konstanta laju penurunan mutu n = ordo reaksi penurunan mutu
Penurunan Mutu Ordo Nol (n=0) -dQ/dt = k
Qt = Q0 - kt
atau
Kualitas (mutu) relatif
100 80 60 40 20 0 0
2
4
6
8
10
Waktu penyimpanan (bulan)
6
Penurunan Mutu Ordo Satu (n=1) -dQ/dt = kQ
atau
ln (Qt/Q0) = - kt
Kualitas (mutu) relatif
100 80 60 40 20 0 0
2
4
6
8
10
Waktu penyimpanan (bulan)
Beberapa Contoh Penurunan Mutu Produk Pangan Selama Penyimpanan Orde Nol: • Mutu (overall quality) pangan beku • Pencoklatan Non-enzimatis Orde Satu: • Kehilangan/kerusakan vitamin • Inaktivasi/pertumbuhan mikroba • Kerusakan warna oksidatif • Kerusakan tekstur karena panas
7
Pengaruh Suhu terhadap Kinetika Reaksi Arrhenius Equation: Relates reaction rate constant to absolute temperature. The Q10 value: the number of times a reaction rate changes with a 10oC change in temperature. Z value: the temperature change needed to change the reaction rate by a factor of 10.
Arrhenius Equation Laju reaksi kimia akan meningkat ketika suhu reaksi meningkat.
k = ko [exp] -Ea RT Ea = activation energy ko = the rate constant as T approaches infinity R = Ideal gas constant T = absolute temperature (Kelvin)
8
Arrhenius Model
k
Ln k
Perubahan nilai k terhadap perubahan suhu (T) yang dinyatakan sebagai hubungan Arrhenius
Ea
-
k = koe
RT
(1/T)
(1/T)
Kualitas (mutu) relatif
Ilustrasi Penggunaan Model Arrhenius 100
T1 < T2 < T3 80 60 T1
40 20 T3
0 0
2
T2
4
6
8
10
Waktu penyimpanan (bulan)
9
Ilustrasi Penggunaan Model Arrhenius
Ilustrasi Penggunaan Model Arrhenius
10
Ilustrasi Penggunaan Model Arrhenius
Ilustrasi Penggunaan Model Arrhenius
11
Ilustrasi Penggunaan Model Arrhenius
KINETIKA KEMATIAN MIKROBA Pemusnahan m.o oleh panas ..........> pada T konstan ..........> penurunan jumlah mikroba hidup mengikuti reaksi ordo I dN − = kN dt dimana, N= jumlah mikroba hidup k = konstanta laju reaksi (konstanta laju pemusnahan m.o.) dN = −kdt N dN ∫ = −k ∫ dt N N ln = −kt N N
t
N0
0
0
Ln N
Kemiringan =-k
Ln N = ln No - kt t
Microbial death, like microbial growth, is described by a logarithmic equation.
12
KINETIKA Ingat ! Ln X = 2.303 log X N ln = −kt N
N 2.303 log = −kt N
0
log N = log N 0
0
k t 2.303
Oleh para ahli teknologi pangan (termobakteriologi), persamaan tsb dinyatakan sebagai : log N = log N0 -
t D
atau
N −t log = N0 D
D = Decimal Reduction Time = waktu yg diperlukan u/ mengurangi jml mo dengan faktor 1 desimal = waktu yg diperlukan u/ mengurangi jml mo sebanyak 1 siklus log = waktu yg diperlukan u/ mengurangi jml mo sebanyak 90% populasi
KINETIKA Kurva Kematian Termal pada Suhu Konstant, T1 T1
10,000
1,000
100
D-value 10
D-value
13
Contoh 1 Anggap suatu makanan dalam kaleng. Jika jumlah mo awal sebesar 106 mikroba pembusuk A/kaleng. Nilai D pada suhu 121,1oC = 15 detik. Berapa jumlah mo setelah pemanasan selama 1 menit pada 121,1 oC Berapa jumlah mo setelah pemanasan selama 2 menit pada 121,1 oC Jawab : t Ingat ...........> log N = log N0 D Untuk t = 1 menit : 60 detik log N = log 10 6 15 det ik log N = 6 − 4 = 2 N = 10 = 100 2
Untuk t = 2 menit : 120 detik 15 det ik log N = 6 − 8 = - 2 log N = log 10 6
N = 10 = 0,01 -2
Peluang kebusukan!!
KINETIKA Kurva Kematian Termal pada Suhu Konstant, T1 T1
D1 D1
T2>T1
Bagaimana jika suhu pemanasan pada T2 >T1??? Semakin tinggi T .......> semakin kecil nilai D D=f(T)
14
KINETIKA
............>D
= f(T) Secara empiris:
log
D 121 ,1 - T = D0 Z
D = D 0 10
121,1 - T Z
Nilai Z adalah perubahan suhu (∆ ∆T) yang diperlukan untuk mengubah nilai D sebesar 1 siklus log Nilai Z = 18oF = ? oC
KINETIKA D dan Z
............>
2 parameter kinetika
.................>
perlu selalu diketahui dua-duanya!
Misal Mikroba A mempunyai DA,250F = 0.5 menit Mikroba B mempunyai DB,250F = 1 menit ZA = 10oC; ZB = 20oC 10000
Apa artinya? 80.1 90.1 101.1 111.1 121.1 131.1 141.1 151.1 161.1
5000 500 50 5 0.5 0.05 0.005 0.0005 0.00005
B
1000 DB (Menit) 100 10 1 0.1
DA=DB
DA
A
100
Nilai D (menit)
Suhu (C) DA (menit)
DA>DB
10 1 0.1
0.01 0.001 0.0001
0.01
0.00001
0
50
100
150
200
Suhu (oC)
15
KINETIKA
............>
Latihan soal
Suatu suspensi pangan mempunyai kandungan spora pembusuk A dan B. Spora A sebanyak 3 x 105 dan spora B sebanyak 8 x 106. Pada suhu 121.1oC, nilai D untuk spora A dan spora B adalah 1.5 dan 0.8 menit. Jika suspensi tsb dipanaskan pada suhu konstan 121.1oC, berapa lama untuk memperoleh peluang kebusukan sebesar 10-3. Jawab :
log N = log N0 -
t D
Peluang kebusukan 10-3; artinya N = 10-3. Untuk spora A : 3 x 10 t = 1.5 log 10 t = 1.5 (8.477) = 12.72 menit
No t = D log N
5
-3
Untuk spora B : 8 x 10 t = 0.8 log 10 t = 0.8 (9.903) = 7.92 menit 6
-3
Jadi, untuk mendapatkan peluang kebusukan sebesar 10-3, maka pemanasan 121.1oC harus dilakukan selama 12.72 menit.
Terima Kasih
16
