Perencanaan dan Pendugaan Umur Simpan Produk Pangan: Aplikasi Prinsip Arrhenius Feri Kusnandar

Perencanaan  dan  Pendugaan  Umur  Simpan   Produk  Pangan:  Aplikasi  Prinsip  Arrhenius   Feri  Kusnandar   Departemen  Ilmu  dan  Teknologi  Pangan   Fakultas  Teknologi  Pertanian   Ins6tut  Pertanian  Bogor  

Metode  Pendugaan  Umur  Simpan  Secara  Akselerasi   Metode     ASLT  

Model     Arrhenius  

Model   Kadar  Air  Kri6s  

Pendekatan  Kurva     Sorpsi  Isothermis  

Pendekatan  Kadar  Air     Kri6s  Termodifikasi  

Laju kerusakan

Ekstrapolasi  data  Dalam  ASLT  

Data Ekstrapolasi

Kondisi penyimpanan

Accelerating Factors

Metode  ASLT:  Model  Arrhenius   §  Digunakan  untuk  melakukan  pendugaan  umur   simpan  produk  pangan  yang  sensi6f  oleh   perubahaan  suhu.   §  Reaksi  kimia  yang  dipengaruhi  suhu:  oksidasi  lemak,   reaksi  Maillard,  dan  oksidasi  vitamin  C   §  Perubahan  yang  dapat  diama6:  intensitas  warna,   kandungan  komponen  kri6s,  perubahan   organolep6k  

Contoh  Aplikasi  Model  Arrhenius   §  Makanan  kaleng  steril   komersial   §  Susu  UHT   §  Susu  bubuk/formula   §  Produk  chips/snack   §  Jus  buah   §  Mie  instan  

§  Frozen  meat/shrimp/   fish   §  Saus  sambal/tomat   §  Bumbu  dan  kondimen   §  Jem   §  Produk  pasta   §  Tepung-­‐tepungan   §  Kacang  goreng  

Percobaan  Model  Arrhenius   §  Menentukan  konstanta  laju  reaksi  (kT)  untuk   parameter  mutu  kri6s  pada  masing-­‐masing  suhu   akselerasi  (ordo  0  atau  1)   §  Melakukan  ekstrapolasi  untuk  menentukan  nilai  k   pada  suhu  penyimpanan  dimana  umur  simpan   produk  ingin  ditentukan  (persamaan  Arrhenius).   §  Menghitung  perkiraan  umur  simpan.  

Tahapan  Percobaan   Iden6fikasi  Karakteris6k   Produk   Iden6fikasi  Parameter   Mutu  Kri6s   Tentukan  Metode   Analisis  

Analisis  Data:  Tentukan  Orde   Reaksi  (0  atau  1)   Tentukan  Konstanta  Laju   Reaksi  (kT)   Pilih  Parameter  Mutu  yang   Berubah  Nyata  

Percobaan:     T,  t  Percobaan  

Tentukan  kT  pada  suhu   penyimpanan     (model  Arrhenius)  

Pengumpulan  Data  

Hitung  Self-­‐life  

Menentukan  Qo     dan  Qc  

Verifikasi  

IdenBfikasi  KarakterisBk  Produk  Pangan     §  Iden6fikasi  ingredien  yang  ada  dalam  produk.  Mana   ingredien  yang  kri6s  yang  berpotensi  untuk   mengalami  interaksi  dengan  komponen  lain  atau   berubah/rusak  selama  penyimpanan.   §  Iden6fikasi  kondisi  suhu  distribusi  dari  pabrik  ke   pasar,  suhu  penyimpanan  di  toko  (lokasi  penjajaan),   serta  suhu  penyimpanan  oleh  konsumen.  

IdenBfikasi  Faktor  Mutu  KriBs  Penentu  Umur  Simpan     §  Tentukan  atribut  mutu  apa  yang  berdasarkan   pengalaman  sangat  mempengaruhi  penolakan   produk  oleh  konsumen.     §  Apakah  perubahan  mutu  dipengaruhi  oleh  suhu???   §  Bila  belum  diketahui  secara  pas6,  bisa  dipilih   beberapa  atribut  mutu  yang  ‘dicurigai’   berkontribusi  pada  penolakan  produk.  

IdenBfikasi  Faktor  Mutu  KriBs  Penentu  Umur  Simpan     §  Untuk  klaim  tertentu  dari  produknya,  perlu  dijadikan  faktor   mutu  kri6s  bila  memang  akan  berkurang  kandungannya   selama  penyimpanan.   §  Misal:  Bila  ada  klaim  kandungan  kaya  DHA/EPA,  maka   atribut  mutu  ini  perlu  dimasukkan  sebagai  faktor  mutu   kri6s.   §  Produk  makanan  kaleng  sterilisasi  komersial:  harus  dipas6kan   bahwa  kecukupan  proses  panas  sudah  tercapai  sehingga  6dak   ada  pengaruh  mikrobiologis  yang  akan  mempengaruhi   perubahan  mutu  produk.  

Tentukan  Metode  Analisis   §  Metode  analisis  dapat  secara  obyek6f  (analisis  kimia   atau  fisik)  atau  secara  subyek6f  (uji  organolep6k).   Misal:   §  Untuk  analisis  kerusakan  lemak,  dapat  berdasarkan   uji  bilangan  TBA  (analisis  kimia)  atau  uji  sensori  (uji   6ngkat  ketengikan).     §  Untuk  derajat  perubahan  warna  akibat  reaksi   pencoklatan  dapat  menggunakan  analisis  secara   spektrofometrik  atau  dengan  colourimeter  atau   secara  organolep6k.    

Tetapkan  Suhu  Penyimpanan  &  Pengamatan   §  Per6mbangkan  kondisi  penyimpanan  yang  umum  dilakukan.   §  Minimal  3  suhu  percobaan  yang  lebih  6nggi  dibanding  suhu   penyimpanan  normal.   §  Contoh  suhu  penyimpanan  dan  waktu  pengamatan  untuk   percobaan  umur  simpan  beberapa  produk  pangan     Jenis/Tipe  Produk  

Suhu  (°C)  

Pengamatan  (minggu)  

Makanan  kaleng,  juice,  susu  UHT,   mie,  produk  gorengan,  saus  

35,  45,  55  

0,  7,  14,  21,  28,  35  

Chilled  Products  

5,  10,  15,  20  

0,  7,  14,  21,  28,  35  

Pangan  beku  

-­‐5,  -­‐10,  -­‐15  

1,  2,  3,  4,  5,  8,  12,     14,  16,  20  

Percobaan  dan  Pengumpulan  Data   §  Jumlah  contoh:  memper6mbangkan  variasi  suhu   penyimpanan,  frekuensi  pengambilan  contoh  untuk  analisis,   jenis  analisis  yang  akan  dilakukan,  serta  ulangan.  Contoh   untuk  analisis  kimia/fisik  harus  berbeda  dari  contoh  untuk  uji   organolep6k.      ∑Contoh  =  ∑Suhu*∑Waktu  pengamatan/suhu*        ∑ulangan*∑sampel  per  periode  analisis   §  Kemasan:  Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan  kemasan   yang  aslinya  dan  dalam  kondisi  sealing  masih  tertutup  rapat.    

Percobaan  dan  Pengumpulan  Data   §  Inkubator  harus  dapat  diatur  suhunya  sesuai  dengan   kebutuhan  suhu  percobaan.  Diperlukan  minimal  3  buah   inkubator  yang  dapat  menampung  semua  contoh  yang   mendapat  perlakuan  suhu  yang  sama.     §  Kontrol  (pembanding):  Disimpan  pada  suhu  penyimpanan   normal.   §  Contoh  diambil  secara  periodik  dan  dilakukan  analisis   sesuai  dengan  disain  percobaan.  Contoh  yang  sudah   diambil  6dak  boleh  digunakan  untuk  analisis  berikutnya.  

Inkubator  Untuk  Penyimpanan  Contoh  

Percobaan  dan  Pengumpulan  Data   §  Data  ditabulasi  dalam  bentuk  tabel.  Tabel  disusun   sedemikian  rupa  sehingga  memudahkan  dalam  plot  ke   dalam  bentuk  grafik.  Mis:  Hari  (sb  x),  Parameter  Mutu   (sb  y)   §  Gunakan  tabel  yang  terpisah  untuk  se6ap  parameter   mutu  yang  dianalisis  (dalam  worksheet  Excel).     §  Hitung  nilai  rata-­‐rata  untuk  masing-­‐masing  parameter   mutu.  Nilai  rata-­‐rata  inilah  yang  akan  digunakan  dalam   perhitungan  selanjutnya.  

Contoh Format Data Hasil Pengamatan

IdenBfikasi  Nilai  Mutu  Awal  dan  Batas  KriBsnya   §  Nilai  mutu  awal  untuk  faktor  mutu  kri6s  dapat   diketahui  dari  penyimpanan  hari  ke-­‐0.  Gunakan   sampel  yang  baru  diproduksi.   §  Batas  kri6s  mutu  atau  batas  mutu  akhir  (Qs):   Batas  mutu  dimana  akan  dilakukan  keputusan   penolakan  terhadap  produk.    

IdenBfikasi  Nilai  Mutu  Awal  dan  Batas  KriBsnya   §  Untuk  klaim  kandungan  tertentu  dalam  produk:   tentukan  batas  kri6s  berdasarkan  persentase   penurunan  kandungan  yang  dapat  ditolerir.     §  Misal:  Bila  kehilangan  kandungan  Vitamin  C  yang  ditolerir   selama  penyimpanan  adalah  20%,  maka  batas  mutu  kri6snya   adalah  80%  dari  kandungan  awalnya.    

§  Batas  kri6s  dapat  juga  ditentukan  berdasarkan  hasil  uji   organolep6k.     §  Misal:  Batas  kri6s  uji  bilangan  TBA  ditentukan  berda-­‐sarkan   hubungan  antara  nilai  bilangan  TBA  dengan  skor  sensori   terhadap  ketengikan.  

Perhitungan  KarakterisBk  KineBka  Penurunan  Mutu     §  Buat  plot  data  hubungan  antara  nilai  mutu  (Qt)   untuk  masing-­‐masing  suhu  terhadap  waktu   pengamatan  (t,  hari)  menurut  reaksi  Orde  0  dan  1.   Ordo  1  

Ordo  0   Q  

Ln  Q  

Slope  =  -­‐  kT  

T3   T2   T1   t  

Slope  =  -­‐  kT  

T3   T2   T1   t  

Perhitungan  KarakterisBk  KineBka  Penurunan  Mutu     §  Berdasarkan  plot  data  tersebut,  tentukan  model   persamaan  dari  masing-­‐masing  orde  reaksi  0  dan  1.    

     Orde  0  :  Qt  =  Qo  –  kTt        Orde  1  :  LnQt  =  LnQo  –  kTt        dimana:      Qo=    nilai  mutu  awal  penyimpanan    Qt  =    nilai  mutu  pada  waktu  penyimpanan  t    kT  =    konstanta  laju  reaksi/penurunan  mutu  pada    suhu  T    t  =    waktu  penyimpanan  (hari)  

Perhitungan  KarakterisBk  KineBka  Penurunan  Mutu     §  Tentukan  konstanta  penurunan  mutu  (kT)  untuk  6ap  suhu   percobaan  dan  nilai  R2-­‐nya.  R2  menunjukkan  kedekatan   persamaan  dalam  memprediksi  nilai  mutu  pada  waktu   penyimpanan  tertentu.     §  Tentukan  orde  reaksi  yang  paling  cocok.  Pilih  model  yang   secara  umum  memberikan  R2  yang  6nggi.     §  Apabila  baik  model  orde  0  dan  orde  1  memiliki  R2  yang   6nggi,  bisa  dipilih  salah  satu.  Bila  dipilih  model  Orde  0,  hasil   perhitungan  umur  simpan  akan  lebih  pendek  dari  model   orde  1.    

Perhitungan  KarakterisBk  KineBka  Penurunan  Mutu     §  Plot  nilai  kT  untuk  masing-­‐masing  orde  (atau  setelah  memilih   salah  satu  orde)  terhadap  suhu  percobaan  (misalnya  T1,  T2,  T3)   menurut  model  persamaan  Arrhenius:            kT  =  ko.exp(-­‐Ea/RT)        dimana:      kT    =  konstanta  laju  reaksi/penurunan  mutu    ko    =  konstanta  (faktor  frekuensi,  6dak  tgt  suhu)    Ea  =  energi  ak6vasi    T  =  suhu  mutlak  (K):  ToK=  273+  ToC    R    =  konstanta  gas  (8.314  J/mol.K)  

Perhitungan  KarakterisBk  KineBka  Penurunan  Mutu     §  Model  Arrhenius  dibuat  dalam  bentuk  persamaan  logaritmik.   Plot  hubungan  antara  LnkT  (sumbu  y)  versus  1/T  (sumbu  x).      

 

 LnkT  =  Lnko  –  Ea/RT    

Ln  K  

       

Slope  (K)  =  -­‐  Ea/R  

1/T  

Perhitungan  Umur  Simpan  pada  Suhu  yang  Diinginkan   §  Umur  simpan  (ts)  pada  suhu  penyimpanan  tertentu   dihitung  dengan:     §  Reaksi  Ordo  0  :  ts  =  (Qo-­‐Qs)/kT   §  Reaksi  Ordo  1  :  ts  =  [ln(Qo/Qs)]/kT     §  kT  pada  suhu  penyimpanan  tertentu  dihitung  dengan   menggunakan  persamaan  model  Arrhenius     §  Lakukan  pendugaan  umur  simpan  pada  kondisi   distribusi  dan  penyimpanan  yang  aktual  (secara   ekstrapolasi)    

Perhitungan  Umur  Simpan  pada  Suhu  yang  Diinginkan  

Umur  Simpan  (hari)  

•  Plot  hubungan  antara  hubungan  umur  simpan   (sumbu  x)  dengan  suhu  penyimpanan  (sumbu  y)    

Suhu  Penyimpanan  (oC)  

Evaluasi  dan  Rekomendasi  Umur  Simpan   §  Dengan  persamaan  matema6ka  model  umur  simpan,   dapat  ditentukan  umur  simpan  pada  berbagai  suhu.     §  Keputusan  manajemen  yang  akan  menentukan  pada   suhu  berapa  umur  simpan  produk  akan  ditentukan,   apakah  pada  suhu  penyimpanan  normal,  suhu   distribusi  atau  suhu  di  6ngkat  konsumen.   §  Dimungkinkan  produsen  mencantumkan  umur   simpan  pada  beberapa  suhu  penyimpanan.  

Verifikasi  dan  Monitoring   §  Untuk  verifikasi  antara  pendugaan  dan  aktual,   industri  perlu  mempelajari/  mengama6/monitoring   kondisi  distribusi  dan  penyimpanan  baik  ritel   maupun  di  6ngkat  konsumen  secara  tepat,  sehingga   pendugaan  yang  dilakukan  betul-­‐betul  mempunyai   dasar  yang  baik  dan  akurat.    

Case  Study:  Shelf-­‐life  DeterminaBon  of  Instant  Noodles   §  Product  characterisBcs:   §  Fried  instant  noodles   §  Cheese  flavor   §  IdenBfied  quality  loss  factors   §  Rancid  odour:  fat  oxida6on   §  Color  changes:  Maillard  reac6on   §  Loss  of  cheese  flavor  

Experimental  Design   §  §  §  §  § 

Storage  temperatures:    45,  51,  60oC   Period  of  data  collec6on:  0,  7,  14,  21,  27,  35  days   Control  sample:  30oC   Samples  analyzed:  noodles  and  seasoning   Parameter  of  analyses   §  Peroxide  value   §  Lab  colorimeter:  Lightness  (L,  a,  b  value)   §  Sensory  tes6ng:  ra6ng  difference  method  (8  trained   panelists)  à  to  determine  quality  limit  (Qc)  

Experimental  Findings:  SelecBon  CriBcal  Parameter   §  Significant  changes  of  quality  parameters  by  storage   temperatures  and  6mes   §  Peroxide  value  of  noodles   §  Lightness  (L  value)  of  powder   §  Other  parameters  did  not  change  consistently  during   experimental  periods.   §  Peroxide  value  and  lightness  were  selected  as  cri6cal   parameters  for  shelf-­‐life  determina6on  

ReacBon  Rate  Constant  (kT)  for  Peroxide  Value  and  Lightness   Parameter  

Peroxide   value  

Lightness   (L)  

Temp   (oC)  

ReacBon  order  0  

ReacBon  order  1  

Slope  (kT)  

Intercept  

R2  

Slope  (kT)  

Intercept  

R2  

45  

0,0118  

0,904557  

0,980  

0,0109  

0,094  

0,959  

51  

0,0171  

0,956614  

0,936  

0,0144  

0,039  

0,890  

60  

0,1272  

0,311312  

0,835  

0,0504  

0,147  

0,957  

45  

-­‐0,2293  

71,50467  

0,921  

-­‐0,0033  

-­‐4,270  

0,925  

51  

-­‐0,5602  

70,106  

0,925  

-­‐0,0089  

-­‐4,251  

0,943  

60  

-­‐0,9911  

67,75  

0,893  

-­‐0,0178  

-­‐4,219  

0,926  

Overall:  reac6on  order  1  is  beser  model  for  both  parameters  

DeterminaBon  of  Quality  Limit   §  Peroxide  value  posi6vely  correlated  with  the  degree   of  rancid  odour  and  ater  taste.   §  Lightness  nega6vely  correlated  with  degree  of   darkness.   §  Criteria  for  product  rejec6on  by  panelist:   §  Rancid  odor:  ini6ally  detectable  rancid  odor   §  Colour  :  darker  

DeterminaBon  of  Quality  Limit  

Parameter   Peroxide  value   Lightness  

Qo   0.87   72.17  

Qc   1.50   57  

ΔQ=Qo-­‐Qc   0.63   15.17  

Arrhenius  Model  for  Peroxide  Value  (ReacBon  Order  1)   0.0030 0.0030 0.0030 0.0030 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031 0.0031 0.0032 -3.00

Ln  K  

-3.50 y = -11090x + 30.22 R² = 0.93772 -4.00

-4.50

-5.00

1/T   Ln kT = Ln ko - Ea/RT)

Y  =  ln  k     x  =  (1/T)   Slope  =  Ea/R=11090   Intercept=lnko=30.22  

Arrhenius  Model  for  Lightness    (ReacBon  Order  1)  

0.0030 -3.00

0.0030

0.0031

0.0031

0.0032

Ln  K  

-3.50 -4.00 -4.50

y = -11602x + 30.892 R² = 0.96171

-5.00 -5.50 -6.00

1/T   Ln kT = Ln ko - Ea/RT)

0.0032

Y  =  ln  k     x  =  (1/T)   Slope  =  Ea/R=  11602   Intercept=Lnko=30.892  

Shelf-­‐life  of  Instant  Noodles  (Cheese  flavor)   Shelf-­‐life  (months)  

CriBcal   Parameter  

ReacBon   Order  

20oC  

25oC  

30oC  

Peroxide  value  

0*  

230.2  

85.7  

32.9  

1  

37,4  

19.8  

10.7  

0  

29.5  

16.6  

9.5  

1  

47.5  

24.4  

12.8  

Lightness   *  Over  predic6on  

Shelflife  =  ts  =  [ln(Qo/Qs)]/kT  

 (ordo  1)    

RecommendaBon   §  The  shelf-­‐life  of  cheese  flavor  instant  noodles  can  be   based  on  peroxide  value  or  lightness   §  Shelf-­‐life  at  30oC,  reac6on  order  1:   §  Based  on  peroxide  value:  10.7  months   §  Based  on  lightness:  12.8  months   §  Shelf-­‐life  declare  on  product  label  can  be  based  on   the  shortest  one:  10.7  months