Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
Pembangkit Tegangan Tinggi Pada Pasteurisasi Susu Dengan Pulse Electric Field (PEF) Ratna Ika Putri, ST MT Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang
[email protected] ABSTRAK Susu merupakan bahan pangan yang banyak mengandung nutrisi yang dibutuhkan oleh tubuh. Di dalam susu terkandung mikroorganisme yang berkembang dengan pesat sehingga dapat menyebabkan kerusakan susu tersebut, sehingga dibutuhkan proses pasteurisasi untuk penyimpanan yang lama. Selama ini pasteurisasi dilakukan secara termal. Pemanasan pada pengolahan menyebabkan kehilangan kandungan gizi dan penurunan kualitas susu. Pulse electric field (PEF) merupakan pengolahan susu dengan pulsa tegangan tinggi. Dengan PEF memberikan kualitas yang lebih segar dan kandungan gizi yang lebih tinggi dibandingkan dengan pasteurisasi termal. Pada penelitian ini dirancang rangkaian pembangkit pulsa tegangan tinggi dengan flyback transformer untuk pasteurisasi PEF pada susu yang dikendalikan oleh mikrokontroller. Dari hasil pengujian tegangan keluaran dengan metode sela bola schwaiger menghasilkan pulsa tegangan tinggi sebesar 17,5kV. Kandungan susu yang di pasteurisasi dengan rangkaian pembangkit pulsa tegangan tinggi tersebut memiliki kandungan nutrisi yang sesuai dengan syarat mutu SNI. Kata Kunci : PEF, Pembangkit Pulsa Tegangan Tinggi, Flyback transformator 1.
Salah satu pilihan teknologi pengawetan yang ditawarkan adalah pengolahan pangan dengan metoda non termal yang menggunakan kejutan listrik tegangan tinggi (Pulse Electric Field atau PEF), yaitu sistem pengolahan bahan pangan yang didasarkan pada aplikasi denyut pendek pada tegangan tinggi (antara 20 – 80 kV/cm) ke bahan makanan yang ditempatkan diantara dua elektroda pada suhu kamar atau di bawahnya selama beberapa detik. Dibandingkan dengan pasteurisasi dengan UHT, PEF memiliki beberapa keunggulan. Keunggulan metode PEF, susu tidak tidak mendapatkan perlakuan panas dan oleh karena itu PEF manjanjikan pemeliharaan kualitas susu agar tetap segar setelah proses pasteurisasi. Suhu pada proses Pasteurisasi dengan metode PEF lebih rendah dibandingkan dengan proses pasteurisasi konvensional yaitu antara suhu 300 - 400 C. Dengan suhu yang rendah maka enzim essensial yang ada pada susu tidak akan ikut rusak. (Aguilar, 2002) Selain itu metode ini sangat efektif karena dapat menginaktifkan mikroorganisme sampai 99% tanpa merubah warna, rasa dan bau dan kandungan gizi dalam waktu yang sangat singkat (Barbosa et al, 1999). Sehingga dengan metode tersebut akan didapatkan susu yang berkualitas, dari segi rasa maupun kesegarannya tanpa merubah fisik dan tidak menghilangkan enzim – enzim essensial yang terdapat pada susu . Mengacu pada masalah di atas, maka dapat dirancang suatu alat pasteurisasi susu dengan metode yang baru yaitu pasteurisasi dengan metode PEF (Pulsed Electric Fields) dengan menggunakan tegangan 20kV dan memberikan variasi jumlah
Latar Belakang
Susu merupakan bahan pangan yang mengandung segala kebutuhan nutrisi bagi manusia. Di dalam susu terkandung mikroorganisme dalam bentuk kultur campuran. Kultur ini mampu berkembang dengan cepat, sehingga dalam beberapa jam akan ditemui kerusakan mikrobiologi yang memacu kerusakan sensorik maupun fisik. Pada umumnya pengolahan susu saat ini menggunakan suhu tinggi (metoda thermal) yaitu proses pengolahan pangan dengan menggunakan pemanasan antara 60 C-100 C seperti sterilisasi dan pasteurisasi. Pengolahan jenis ini sering disebut dengan UHT (Ultra High Temperature). Proses ini digunakan untuk memperpanjang umur simpan dengan menginaktifkan enzim dan menekan jumlah mikroorganisme di dalam susu. Tetapi pasteurisasi menggunakan UHT memiliki beberapa kerugian. Menurut Aguilar(2002) immunoglobulins, enzim lipase, phospor dan Vitamin B6, merupakan komponen penting dari susu akan ikut mati akibat pemanasan yang tinggi ( pasteurisasi dengan metode UHT ). Selain itu juga waktu yang dibutuhkan dalam proses Pasteurisasi menggunakan UHT memebutuhkan waktu yang lama. Tinggi rendahnya enzim maupun vitamin yang terkandung dalam susu akan sangat dipengaruhi oleh metode Pasteurisasi yang digunakan. Jika komponen tersebut ikut hilang, maka kualitasnya bisa dinilai rendah. Produk susu demikian ini memiliki harga jual dan daya saing yang rendah di pasaran.
H-53
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
pulsa (frekuensi) untuk menghasilkan susu pasteurisasi dengan kualitas sesuai dengan SNI susu pasteurisasi. 2.
(Aguilar dkk, 2002). Selain itu PEF manjanjikan pemeliharaan kualitas makanan agar tetap segar setelah proses pasteurisasi. Suhu pada proses Pasteurisasi dengan metode PEF lebih rendah dibandingkan dengan proses pasteurisasi konvensional yaitu antara suhu 300 - 400 C. Dengan suhu yang rendah maka enzim essensial yang ada pada susu tidak akan ikut rusak. U. S. Food and Drug Administration Center for Food Safety and Applied Nutrition (1999) menyatakan bahwasanya tegangan 20kV adalah tegangan optimum untuk melakukan PEF. Menurut Fernandez_Molina, dkk (1999) bahwasannya menggunakan tegangan 20 kV/cm dengan 30 pulsa perdetik selama 2 s. Pulsa tegangan tinggi yang diterapkan mengakibatkan suatu medan elektrik yang menyebabkan mikroorganisme atau bakteri menjadi inactivation atau mengalami kematian total dikarenakan rusaknya membran sel dari mikroorganisme atau bakteri pathogen yang terkandung dalam susu. Gambar 1 menunjukkan rangkaian pulsa tegangan tinggi dengan menggunakan kapasitor sebagai penyimpan energi.
Pasteurisasi Pulse Electric Field (PEF)
Pasteurisasi adalah pengolahan panas yang dirancang untuk menonaktifkan sebagai mikroorganisme vegetatif yang terdapat dalam bahan pangan. Sedangkan menurut Kumalaningsih (1995), pasteurisasi adalah perlakuan panas pada suhu sterilisasi dan biasanya dilakukan pada suhu di bawah titik didih air dan disertai dengan cara pengawetan. Pasteurisasi pada produk pangan mempunyai beberapa tujuan antara lain : a) untuk membunuh bakteri-bakteri patogen, yaitu bakteri yang berbahaya karena dapat menimbulkan penyakit pada manusia b) untuk membunuh bakteri tertentu, yaitu dengan mengatur tingginya suhu dan lama waktu pasteurisasi c) untuk mengurangi populasi bakteri dalam bahan d) untuk memperpanjang daya simpan bahan (storage life) (Hadiwiyoto, 1994) Pasteurisasi pada susu biasanya menggunakan pasteurisasi thermal yaitu dengan memberikan perlakuan panas sekitar 63-72 derajat Celcius selama 15 detik yang bertujuan untuk membunuh bakteri patogen. Susu pasteurisasi harus disimpan pada suhu rendah (5-6 derjat Celcius) dan memiliki umur simpan hanya sekitar 14 hari . Semakin tinggi suhu yang digunakan maka kandungan enzim essensial dalam susu akan terurai. Padahal enzim essensial merupakan bagian susu yang tidak bisa diproduksi oleh manusia dan juga enzim ini sangat dibutuhkan oleh tubuh manusia. Sehingga pasteurisasi thermal ini kurang efisien untuk menjaga kerusakan enzim pada makanan cair.(Barbosa&Canovas, 1998) Salah satu cara yang dapat digunakan untuk menjaga agar kandungan enzim essensial tidak ikut rusak adalah dengan cara pasteurisasi pada suhu kamar atau suhu optimum enzim. Suhu 40°Celcius adalah suhu optimum enzim, sehingga enzim tidak mengalami penguraian, lebih dari suhu tersebut enzim essensial telah memulai proses penguraiannya. Metode pasteurisasi lain yang mulai dikembangkan yaitu pasteurisasi non thermal dengan menggunakan Pulse Electric Field (PEF) tegangan tinggi. PEF dengan tegangan tinggi merupakan metode pemrosesan non thermal yang dapat digunakan pada teknologi pengolahan pangan yang berbentuk cair. Penggunaan PEF pada makanan cair dapat meng-non aktifkan mikroorganisme dan emzim hanya dengan suhu rendah dengan waktu singkat sehingga rugi-rugi energi selama pemanasan dapat diminimalkan.
Gambar 1 Rangkaian Elektrik Untuk menghasilkan Gelombang Eksponensial Pada rangkaian kedua seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, tidak jauh berbeda dengan rangkaian pertama di atas. Yang membedakan adalah pada rangkaian kedua menggunakan 3 macam kapasitor dan induktor dan menghasilkan gelombang keluaran persegi .
Gambar 2 Rangkaian Pulsa Generator Persegi menggunakan 3 kapasitor dan induktor 2.1 Efek Biologis Pulsed Electric Fields (PEF)
H-54
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
Perlakuan sterilisasi listrik tegangan tinggi dilakukan di Jepang pada tahun 1960 sampai sekarang untuk proses pengurangan jumlah bakteri, jamur dan khamir pada jus jeruk dan selai. Pada penelitian yang dilakukan oleh Aguilar, dkk (2002) telah berhasil membuktikan terjadinya peningkatan metabolisme pada mikroba yang dialiri listrik pada media dan dibarengi dengan laju kematian yang cukup tajam pada beberapa detik perlakuan. Fenomena yang dihasilkan dari arus listrik tersebut adalah : 1. Panas, merupakan hasil produksi berbagai energi listrik yang diaplikasikan 2. Elektrolisis produk, hal ini disebabkan karena pengaruh bahan elektroda sel yang digunakan 3. Destruksi membran sel, merupakan efek elektrik dan kejutan. Kejutan listrik dengan tegangan tinggi menyebabkan terjadinya modifikasi permukaan sel dimana dengan pengamatan mikroskop elektron ditemukan adanya lubang pada dinding sel, sedangkan pada sel yang tidak dialiri listrik tidak ditemui hal ini. Pengamatan dengan mikroskop elektron terhadap kondisi sel setelah diberi perlakuan kejutan listrik bahwa sel-sel kapang yang telah diberi perlakuan pengaliran listrik memiliki perbedaan dibandingkan sel-sel kapang yang tidak diberi kejutan listrik. Hal ini menyimpulkan bahwa kejutan listrik dengan tegangan tinggi memberikan pengaruh terhadap kerusakan fisik sel (Gould, 1995). Jumlah kejutan yang diberikan mengakibatkan tingkat kematian yang semakin besar pula. Berdasarkan penelitian Fang J dkk (2006), secara sistematis jumlah energi yang lebih besar memiliki kemampuan membunuh yang lebih besar pula. Pemberian tegangan tinggi dengan jumlah kejutan yang rendah memiliki kemampuan membunuh kultur mikroba yang lebih rendah dibandingkan dengan tegangan lebih rendah dengan jumlah kejutan yang lebih tinggi. Mekanisme kematian yang nyata terhadap mikroba dengan adanya kejutan listrik bertegangan tinggi diduga dikarenakan kegagalan dalam sintesa dinding sel sebagi akibat terganggunya kerja dari enzim permease yang bekerja pada membran sitoplasma. Diduga enzim permease mengalami proses mutasi sehingga sel tidak dapat menyerap senyawa tertentu yang diperlukan untuk sintesa sel. Kematian spora dengan perlakuan pengaliran listrik dibatasi oleh kekuatan medan listrik yang dihasilkan, lama kejutan, jumlah kejutan yang diterapkan dan ukuran sel. Sedangkan menurut Sakuaruchi dan Kondo dalam Gould (1995), pengaliran listrik dengan tegangan tinggi dalam waktu lama dan jumlah pulsa yang diberikn setiap detik memberikan pengaruh yang lebih besar dalam menurunkan jumlah spora yang terkandung dalam media.
Gambar 3 Hubungan kekuatan medan listrik dan lama perlakuan terhadap kematian spora Ketahanan mikroba dari kejutan listrik dipengaruhi oleh nutrisi dari media, pengaliran listrik dengan media yang kaya protein menyebabkan terjadinya penurunan nilai efektivitas kematian dari mikroba yang terkandung. Faktor lain yang memberi pengaruh pada kematian mikroba yaitu keberadaan protein yang memberikan pengaruh perlindungan kepada mikroba dari kejutan listrik. Semakin lama kejutan listrik diterapkan maka nilai efektivitas pembunuhan mikroba akan semakin besar, hal ini diduga karena komponen nutrisi susu semakin menurun dalam memberikan perlindungan terhadap mikroba. Terjadi koagulasi protein pada elektroda dengan semakin lama kejutan listrik, sehingga semakin tinggi tingkat koagulasi akan sebanding dengan tingkat kematian dari mikroba (Gould, 1995). 3 . Pembangkit Pulsa Tegangan Tinggi 20 KV Untuk PEF Pembangkit tegangan tinggi menggunakan transformador flyback sebagai penghasil teganmngan tinggi, mikrokontroller IC AT89S52 sebagai pembangkit pulsa, LCD, sensor suhu, ADC (Analog to Digital Converter), motor DC sebagai pengadukdan heater sebagai pemanas. Blok diagram sistem secara keseluruhan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Sensor Suhu
PS & ADC
Keypad
MCU
FlyBack Transformer
Heater
Pengaduk
Display
Gambar 4. Blok Diagram Sistem Pasteurisasi dengan metode PEF dapat dilakukan dengan cara mengalirkan pulsa tegangan tinggi ke susu. Pulsa tegangan tinggi yang H-55
Chamber
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
dihasilkan alat ini sebesar 20kV. Susu pada awalnya dimasukkan ke dalam penampung susu pada box pasteurisasi, kemudian nyalakan alat pasteurisasi atur jumlah pulsa yang akan dikeluarkan oleh alat dengan menggunakan keypad. Masuk ke menu aktifasi alat untuk mengaktifkan sensor suhu, pengaduk dan heater. Sensor suhu akan terus memantau temperatur dalam box pasteurisasi agar tidak melebihi 40°C. LCD akan menampilkan perubahan suhu yang terjadi pada susu. Pada saat suhu susu telah mencapai 40 C maka penembak tegangan tinggi akan mengeluarkan pulsa tegangan tinggi sesuai dengan berapa banyak pulsa yang telah ditentukan.
fasilitas yang dimiliki AT89S52 cukup untuk mengkontrol alat ini. Dalam proses pengisisan juga mudah, karena AT89S52 memiliki tipe EEPROM. Mikrokontroler AT89S52 merupakan IC mikrokontroler yang sudah dilengkapi dengan ROM (internal). Sistem memori pada AT89S52 terbagi menjadi dua yaitu memori program dan memori data. Untuk memori data menggunakan RAM internal sebesar 128 byte, sedangkan untuk memori program menggunakan ROM internal yaitu EPROM sebesar 8Kbyte. Oleh sebab itulah, perangkat lunak untuk mikrokontroler tidak boleh melebihi kapasitas memori yang ada. Rangkaian mikrokontroller terdiri dari komponen kapasitor 20 pF sampai 40 pF untuk krista, kapasitor 30 pF sampai 50 pF untuk keramik resonansi dan kristal 3 MHz sampai 24 MHz. Rangkaian mikrokontroller seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.
3.1 Rangkaian Pembangkit Pulsa Tegangan Tinggi Dengan Transformator Flyback Transformator flyback adalah transformator dengan inti ferit yang membangkitkan tegangan tinggi pada tabung sinar katoda (CRT) baik pada televisi maupun pada monitor. Fungsi utama dari transformator ini untuk memicu (menembakkan) elektron dalam tabung CRT. Umumnya disebut Line Output Transformer. Transformator flyback agak berbeda dengan transformator yang biasa karena pada transformator flyback dirancang khusus untuk menyimpan energi pada rangkaian magnetnya dengan inti ferit, yang mana merupakan karakteristik utama yang membedakan dengan transformator biasa. Seperti transformator yang lain transformator flyback juga mempunyai aliran arus primer dan sekunder. (PowerLabs Flyback Driver, 2000) Rangkaian pembangkit pulsa tegangan tinggi ini menggunakan transformador flyback yang dikendalikan oleh mikrokontroller. Rangkaian ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5
VCC
10pF
10K
C1
4.
14V
IN4007 D2 IN4007
39nF
R3 390 OHM
GND 24V
JP?
L? Inductor 10m H
2 1 HEADER 2
GND
R4 560 OHM
R6
TR2 D 1885
1W 82 OHM
39 38 37 36 35 34 33 32
ENABLE RS RELAY/HEATER
10 11 12 13 14 15 16 17
P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RST XTAL2 XTRAL1
P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7
VCC GND
21 22 23 24 25 26 27 28
KEYPAD
VCC
40 20
33pF
Hasil dan Pembahasan.
Pada pengujian tegangan tinggi ini yang diukur adalah tegangan tinggi rata-rata yang dikeluarkan oleh flyback. Untuk menghitung berapa besarnya rata-rata tegangan tinggi tersebut digunakan metode pengujian Sela Bola Schwaiger yang dilakukan pada tanggal 20 Maret 2008 bertempat di Fakultas Teknik Elektro Universitas Brawijaya. Gambar 7 menunjjukkan alat uji tegangan tinggi
C5 100uF 2KV
16V
Trans BB
P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7
Gambar 6. Rangkaian Mikrokontroller
115V
D1
ADC ON
33pF
ZENER
C3 1nF 2KV
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
12MHz 1 2
R12 5W 82 OHM
R2 120K
SW
9 18 19
?
R1 120K
1 2 3 4 5 6 7 8
LCD
D?
DIODE
ADC
R7 3K R5 1K
R8
TR3 D 400
1K5
TR1
VR 500 OHM
ZENER D3 R11 22K
A 373
C2 10nF
R9 8K2
C4 470nF
IN4007
R10 22K
Gambar 5. Pembangkit Pulsa Tegangan Tinggi Pada rangkaian control ini, komponen utamanya adalah mikrokontroler tipe AT89S52. komponen ini merupakan single chip yang digunakan sebagai pusat pengkontrol data dan pengontrolan alat. Pemilihan mikrokontroller jenis AT89S52 pada alat ini, karena komponen ini sangat mudah didapatkan di pasaran dan memiliki harga yang relative lebih murah dibanding dengan jenis mikrokontroller yang lainnya. Di samping itu,
Gambar 7 Alat Uji Tegangan Tinggi Pengujian dilakukan pada kondisi suhu ruang 26 o C, tekanan 986 mbar, sehingga dari 3 kali
H-56
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
pengujian disapatkan tegangan output rata-rata sebesar 17,5 KV. Pengujian kandungan susu hasil pasteurisasi dengan PEF ini dilakukan di KUD beji Kota Batu. Alat yang digunakan dalam pengujian ini dinamakan Lacto Scan. Metode yang digunakan adalah Reduktase Methylen Blue. Standart ini menetapkan metode untuk menentukan adanya kuman – kuman di dalam susu segar dalam waktu cepat dengan menggunakan pereaksi warna indikator. Di dalam susu segar terdapat enzim reduktase yang dibentuk oleh kuman yang mereduksi zat warna indikator menjadi larutan yang tidak berwarna. Tabel 1 menunjukkan perbandingan hasil pengujian kandungan susu hasil pasteurisasi PEF dengan kandungan susu yang disyaratkan SNI 01-3141-1998.
DAFTAR PUSTAKA
Tabel 1 Perbandingan antara SNI dengan Hasil Uji Kandungan Susu Syarat mutu susu Hasil susu yang telah di menurut SNI 01lacto scan 3141-1998 Lemak = 3.0 Lemak = 4.24 Berat Jenis= 1.0280 Berat Jenis = 1.0267 Lactus = 4.60 Lactus = 4.60 Kadar Bahan Kering Kadar Bahan Kering tanpa Lemak = 8.0 tanpa Lemak = 8.71 Protein = 2.7 Protein = 3.3
Barbosa-Cánovas, G. V., Gongora-Nieto, M. M., Pothakamury, U. R., Swanson, B. G. 1999. Preservation of foods with pulsed electric fields. Academic Press Ltd. London
5.
Anonymous B .2000. PowerLabs Flyback Driver Aguilar-Rossa, dkk. 2002. Thermal and pulsed electric field pasteurization of aplle juice: Effect on physicochemical properties and flavour compound. Food and chemical programme, Autonomous university of Chihuahua. Lleida, Spain Barbosa-Cánovas, G. V ,Raso, J., Calderon, M. L., Gongora, M., and Swanson, B. G. 1998. Inactivation of Zygosaccharomyces Bailii in fruit juices by heat, high hydrostatic pressure and pulsed electric fields. J Food Sci. 63(6):1042-1044
Fernandez-Molina, J. J., Barkstrom, E., orstensson, P., Barbosa-Cánovas, G. V. and Swanson, B. G. 1999. Shelf-life extension of raw skim milk by combining heat and pulsed electric fields. Food Res Int. Fang, J., Z. Piao ， ,X. Zhang. 2006. Study on High-voltage Pulsed Electric Fields Sterilization Mechanism Experiment. The Journal of American Science 2 (2) : 39 – 43
Kesimpulan Dan Saran
1. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian ini dapat disimpulkan 1.
2.
Gould, G.W. 1995. New Methods Food Preservatives. Chapman Hall. New York.
Dengan menggunakan rangkaian mikrontroller dan transformator flyback dapat menghasilkan pulsa tegangan tinggi berbentuk impuls dengan tegangan keluaran rata-rata sebesar 17,5KV
Hadiwiyoto, S. 1994. Teknik Uji Mutu Susu dan Hasil Olahannya. Penerbit Liberty. Yogyakarta.
Kandungan susu hasil pasteurisasi PEF dengan flyback transformator memiliki kandungan lemak, berat jenis dan protein yang memenuhi syarat mutu SNI.
Kumalaningsih, S. dan N. Hidayat. 1995. Mikrobiologi Hasil Pertanian. Penerbit IKIP Malang. Malang.
2. Saran 1.
Rangkaian pembangkit tegangan dapat dikembangkan untuk menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi. Karena pada proses PEF semakin besar tegangan tinggi maka waktu yang dibutuhkan untuk pengolahan akan semakin singkat sehingga hasil produk akan semakin baik dan efektifita in aktivasi mikrobiologi semakin tinggi.
2.
Rangkaian pembangkit pulsa tegangan tinggi dapat diaplikasikan pada pengolahan pangan lain, terutama yang berbentuk cair dan semi padat.
H-57
