Sayuran segar seberat 3 ton harus didinginkan dari suhu ruangan (25°C) ke suhu pendingin truk (-10°C) selama distribusi berlangsung selama 48 jam. Jumlah panas yang harus dilepaskan adalah sekitar 1,2 juta kJ.
2. q Menurut Tambunan (1999), pembekuan berarti pemindahan
panas dari bahan yang disertai dengan perubahan fase dari cair
ke padat, dan merupakan salah satu proses pengawetan yang
umum dilakukan untuk penanganan bahan pangan.
q Pada proses pembekuan, penurunan suhu akan menurunkan
aktifitas mikroorganisma dan sistem enzim, sehingga mencegah
kerusakan bahan pangan.
q Selain itu, kristalisasi air akibat pembekuan akan mengurangi
kadar air bahan dalam fase cair di dalam bahan pangan tersebut
sehingga menghambat pertumbuhan mikroba atau aktivitas
sekunder enzim.
PENGERTIAN
3. PEMBEKUAN
Tujuan
menurunkan suhu sampai batas titik tertentu
yang dapat menghambat proses deteriorasi
oleh mikroba sehingga diperoleh produk yang
lebih awet.
4. Mekanisme Pembekuan :
1. Panas bahan diambil à suhu turun hingga
titik beku
2. Energi panas terus dilepaskan à air dan
bahan pangan membeku
3. Energi panas terus dilepaskan à hingga
suhu yang dikehendaki
PEMBEKUAN
5. q Dengan membekunya sebagian kandungan air bahan atau
dengan terbentuknya es (ketersediaan air menurun), maka
kegiatan enzim dan jasad renik dapat dihambat atau dihentikan
sehingga dapat mempertahankan mutu bahan pangan.
q Mutu hasil pembekuan masih mendekati buah segar walaupun
tidak dapat dibandingkan dengan mutu hasil pendinginan.
q Pembekuan dapat mempertahankan rasa dan nilai gizi bahan
pangan yang lebih baik daripada metoda lain, karena
pengawetan dengan suhu rendah (pembekuan) dapat
menghambat aktivitas mikroba mencegah terjadinya reaksi-
reaksi kimia dan aktivitas enzim yang dapat merusak
kandungan gizi bahan pangan.
MANFAAT
6. Pengaruh dari
Pembekuan
a. Pengaruh Pembekuan terhadap Jaringan
Umumnya telah diketahui bahwa pada tahapan ini terjadi
kerusakan sel dan struktur yang irreversible yang mengakibatkan
mutu menjadi jelek setelah pencairan, terjadi khususnya sebagai hasil
pembentukan kristal es yang besar dan perpindahan air selama
pembekuan dari dalam sel ke bagian luar sel yang dapat
mengakibatkan kerusakan sel karena pengaruh tekanan osmotis.
Pembekuan yang cepat dan penyimpanan dengan fluktuasi suhu
yang tidak terlalu besar, akan membentuk kristal-kristal es kecil di
dalam sel dan akan mempertahankan jaringan dengan kerusakan
minimum pada membran sel.
7. b. Pengaruh Pembekuan terhadap Mikroorganisme
Pertumbuhan mikroorganisme dalam makanan pada suhu di
bawah kira-kira -12oC belum dapat diketahui dengan pasti. Jadi
penyimpanan makanan beku pada suhu sekitar 18oC dan di
bawahnya akan mencegah kerusakan mikrobologis, dengan
persyaratan tidak terjadi perubahan suhu yang besar.
Pembekuan yang cepat dan penyimpanan dengan fluktuasi suhu
yang tidak terlalu besar, akan membentuk kristal-kristal es kecil di
dalam sel dan akan mempertahankan jaringan dengan kerusakan
minimum pada membran sel.
8. Pengaruh dari
Pembekuan
b. Pengaruh Pembekuan terhadap Mikroorganisme
Pertumbuhan mikroorganisme dalam makanan pada suhu di
bawah kira-kira -12oC belum dapat diketahui dengan pasti. Jadi
penyimpanan makanan beku pada suhu sekitar 18oC dan di
bawahnya akan mencegah kerusakan mikrobologis, dengan
persyaratan tidak terjadi perubahan suhu yang besar.
Mikroorganisme psikofilik mempunyai kemampuan untuk tumbuh
pada suhu lemari es terutama di antara 0o dan 5oC. Jadi
penyimpanan yang lama pada suhu-suhu ini baik sebelum atau
sesudah pembekuan dapat mengakibatkan terjadinya
kerusakan oleh mikroba.
9. Pengaruh dari
Pembekuan
c. Pengaruh Pembekuan terhadap Protein
Oleh karena pembekuan hanya menyebabkan sedikit perubahan
nilai gizi protein, maka dimungkinkan untuk mendenaturasi protein
dengan perlakukan demikian. Hal ini dapat dilihat dalam proses
pendadihan bahan-bahan yang berprotein terutama selama
pembekuan dan pencairan yang berulang-ulang.
Walaupun nilai biologis protein yang mengalami denaturasi, sebagai
bahan pangan manusia, tidak banyak berbeda dengan protein asli,
kenampakan dan kualitas bahan pangan tersebut mungkin akan
berubah sama sekali karena perlakuan-perlakuan yang demikian.
10. Pengaruh dari
Pembekuan
d. Pengaruh Pembekuan terhadap Enzim
Aktivitas enzim tergantung pada suhu. Aktivitas enzim mempunyai pH
optimum dan dipengaruhi oleh kadar substrat. Aktivitas suatu enzim atau system
enzim dapat dirusakan pada suhu mendekati 200oF. Enzim masih mempunyai
sebagian aktivitasnya pada suhu serendah –100oF. Walaupun kecepatan reaksinya
sangat rendah pada suhu tersebut. Sistem enzim hewan cenderung mempunyai
kecepatan reaksi optimum pada suhu sekitar 98oF.
Sistem enzim tanaman cenderung mempunyai suhu optimum pada suhu yang
sedikit lebih rendah. Pembekuan menghentikan aktivitas mikrobiologis. Aktivitas
enzim hanya dihambat oleh suhu pembekuan. Pengendalian enzim yang termudah
dapat dikerjakan dengan merusak dengan perlakuan pemanasan yang pendek
(balansing) sebelum pembekuan dan penyimpanan.
11. Pengaruh dari
Pembekuan
e. Pengaruh Pembekuan terhadap Lemak
Deteriorasi oksidatif lemak dan minyak bukanlah hal yang asing lagi pada
bahan pangan. Lemak dalam jaringan ikan cenderung lebih cepat menjadi tengik
daripada lemak dalam jaringan hewan.
Pada suhu –10oC ketengikan yang berkembang dalam jaringan berlemak yang
beku sangat berkurang. Lemak yang tengik cenderung mempunyai nilai gizi yang
lebih rendah daripada lemak yang segar. Untuk mencegah proses tersebut maka
proses pembekuan merupakan pencegahan yang sangat baik hampir pada semua
makanan berlemak.
12. METODE
PEMBEKUAN
- Penggunaan udara dingin yang ditiupkan atau gas lain dengan suhu rendah
kontak langsung dengan makanan, misalnya dengan alat-alat pembeku tiup
(blast), terowongan (tunnel), bangku fluidisasi (fluidised bed), spiral, tali (belt)
dan lain-lain.
Kontak langsung misalnya alat pembeku lempeng (plate freezer), di mana
makanan atau cairan yang telah dikemas kontak dengan permukaan logam
(lempengan, silindris) yang telah didinginkan dengan mensirkulasi cairan
pendingin (alat pembeku berlempeng banyak).
Perendaman langsung makanan ke dalam cairan pendingin, atau
menyemprotkan cairan pendingin di atas makanannya (misalnya nitrogen cair dan
freon, larutan gula atau garam).
13. àwaktu yang diperlukan untuk menurunkan suhu
pusat dari suhu awal produk tersebut menjadi suhu
yang diinginkan (Muchtadi dan Fitriyono, 2010).
Waktu pembekuan (Freezing Time)
14. Ø Persamaan Plank
Persamaan ini menggambarkan periode perubahan
fase pada proses pembekuan untuk air.
Pendugaan Laju Pembekuan
15. • Jumlah pindah panas,q, yang melewati dua
lapisan beku secara konduksi dan konveksi :
• Karena semua panas yang dilepas pada saat pembekuan
harus dilepaskan ke sekelilingnya maka :
( )
kf
x
h
T
T
dt
dx
L a
F
f
+
-
=
1
r
( )
1
kf
x
h
T
T
A
q A
F
+
-
=
16. r f = the density of the frozen material
L f = the change in the latent heat of the food (kJ/kg)
T f = the freezing temperature (°C)
T a = the freezing air temperature (°C)
h = the convective heat transfer coefficient at the surface of the
material (W/(m2 °C))
k = the thermal conductivity of the frozen material (W/m °C)
• sehingga, waktu pembekuan, tF adalah:
( ) ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
+
-
=
f
a
F
f
F
k
R’a
h
P’a
T
T
L
t
2
r
17. • Panas Laten Bahan:
L
m
L m
f =
L = 333,2 kJ/(kg K)
P’= 1/2 , R’= 1/8 à infinite plate
P’= 1/4 , R’= 1/16 à infinite cylinder
P’= 1/6 , R’= 1/24 à sphere
18. Ø Metode Pham
• Metode ini dapat digunakan untuk bahan yang bentuk
tidak beraturan dengan pendekatan elipsoidal.
• Keunggulan dari metode ini adalah mudah digunakan
dengan tingkat keakuratan yang dapat dipercaya
• Metode ini menggunakan asumsi sebagai berikut:
- kondisi lingkungan adalah konstan
- suhu awal , Ti, konstan
- nilai suhu akhir, Tc, tetap
- konveksi pada permukaan bahan
mengikuti hukum Newton tentang
pendinginan.
20. • Suhu rata-rata pembekuan (T fm )membagi
pembekuan menjadi dua bagian yaitu pre cooling dan
post cooling
• Dari data penelitian Pham (1986) maka ditemukan :
dimana Tc : suhu akhir (°C) dan
Ta : suhu medium pembekuan (°C).
Persamaan tersebut cocok untuk bahan pangan yang
banyak mengandung air.
a
c
fm T
T
T 105
,
0
263
,
0
8
,
1 +
+
=
21. • Waktu pembekuan untuk beberapa bentuk beraturan :
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
ú
û
ù
ê
ë
é
D
D
+
D
D
=
2
1
2
2
1
1 Bi
f
N
T
H
T
H
h
E
dc
t
dc = a characteristic dimension or radius (m)
h = the convective heat transfer coefficient (W/m2 K)
E f = the shape factor, an equivalent heat transfer heat transfer
dimension
E f = 1 à infinite slab
E f = 2 à infinite cylinder
E f = 3 à sphere
22. • DH1 adalah perubahan enthalpi secara volumetrik
untuk periode pre cooling (J/m3).
cu = panas spesifik untuk bahan yang tak terbekukan
(J/[kg.K]),
Ti = suhu awal bahan (°C)
• DH2 adalah perubahan enthalpi secara volumetrik
pada periode perubahan fase dan post cooling .
( )
[ ]
c
fm
f
f
f T
T
c
L
H -
+
=
D r
2
cf = panas spesifik untuk bahan beku(J/[kg.K])
Lf = panas laten pembekuan (J/kg)
rf = massa jenis bahan beku
( )
fm
i
u
u T
T
c
H -
=
D r
1
23. ú - Ta
û
ù
ê
ë
é +
=
2
fm
i T
T
Tfm = mean freezing temperature
T a = freezing medium temperature
DT1
Tfm - Ta
=
DT2
24. KURVA HUBUNGAN ANTARA SUHU DAN
WAKTU SELAMA PEMBEKUAN
Pelepasan panas
sensibel air
Supercooling
Pelepasan panas laten
Suhu eutectic
Panas
sensibel es
25. A-S
• Produk atau bahan pangan didinginkan sampai suhu di bawah titik beku θf (bergantung
jenis bahan), dengan pengecualian air murni, selalu di bawah 0 oC.
• Pada titik S, air tetap cair, walaupun di bawah titik beku. Gejala ini disebut sebagai
kondisi lewat dingin, biasanya 10 oC di bawah titik beku.
• Periode lewat dingin dipengaruhi oleh jenis bahan dan kecepatan pengambilan panas.
S-B
• Suhu meningkat secara cepat sampai titik beku ketika kristal es mulai terbentuk dan panas
laten kristalisasi dilepaskan.
• Jumlah inti kristal yang terbentuk dipengaruhi oleh kecepatan pindah panas. Pindah panas
tinggi menghasilkan sejumlah besar inti kristal.
B-C
• Panas dilepaskan dari bahan pangan.
• Panas laten diambil dan es terbentuk, tetapi suhu tetap hampir konstan.
• Titik beku turun akibat peningkatan konsentrasi solut pada cairan yang tidak beku. Saat
tersebut sebagian kristal es terbentuk.
26. C-D
• Saat sebagian solut menjadi lewat jenuh dan mengkristal.
• Panas laten kristalisasi dilepaskan dan suhu meningkat.
D-E
• Kristalisasi air dan solut berlanjut.
• Waktu total yang diperlukan, tf, ditentukan berdasarkan kecepatan pengambilan panas.
E-F
• Suhu campuran air-es turun sampai suhu pembeku (freezer).
• Sebagian air tetap tidak membeku pada saat suhu yang digunakan pada
pembekuan komersial.
• Proporsi es yang terbentuk bergantung pada jenis dan komposisi bahan pangan
dan suhu penyimpanan.
• Misalnya, pada suhu penyimpanan -20 oC persentase es pada daging kambing
sebesar 85%, pada ikan sebesar 91%, dan pada albumin telur sebesar 93%.
30. Contoh 1
Sayuran segar didistribusikan dengan menggunakan truk berpendingin. Total waktu yang
diperlukan hingga sampai pasar adalah 48 jam. Hitunglah jumlah panas yang harus
dilepaskan, jika sayuran segar (kapasitas panas 4,02 kJ kg-1 oC-1) beratnya 3 ton, suhu
pendingin 2 oC, suhu sayur pada saat siap dimasukkan ke dalam truk adalah 5 oC, dan
panas respirasi sayuran pada kisaran suhu ini adalah 0,035 J detik-1 kg-1!
Jawab
Panas yang dapat dihitung adalah panas sensibel untuk menurunkan suhu dari 5 oC menjadi 2 oC:
Q 1 = m Cp ∆T = (3000 kg) (4,02 kJ kg-1 oC-1) (5 – 2) oC = 36,180 kJ
Panas respirasi yang ditimbulkan sayuran:
Q2 = m qresp = (3000 kg) (0,035 J detik-1 kg-1) (1 kJ/1000 J) (48 jam) (3600 detik/jam) = 18,144 kJ
Panas yang harus dihilangkan:
Q1 + Q2 = 36,180 + 18,144 = 54,324 kJ
31. Waktu Pembekuan
Waktu yang diperlukan untuk menurunkan suhu dari bahan
pangan dari suhu awalnya ke suhu di bawah titik beku yang
diinginkan di bagian pusatnya
Penting diketahui untuk disain proses pembekuan, antara lain untuk memperkiran
ukuran sistem dan evaluasi beban refrigerasi
Waktu yang diperlukan untuk membekukan bahan sangat tergantung berbagai
faktor, yaitu (a) ukuran dan bentuk bahan, (b) konduktivitas panas bahan, (c) luas
bahan tempat terjadinya pindah panas, (d) koefisien pindah panas permukaan dari
medium, (e) perbedaan panas antara bahan dan media pembeku, (f) jenis
pengemas yang digunakan
Perhitungan waktu pembekuan pada kenyataannya cukup sulit. Hal ini disebabkan
adanya perbedaan suhu pembekuan dan laju pembentukan kristal es pada bagian
yang berbeda dari bahan dan terjadinya perubahan densitas, konduktivitas panas,
panas jenis, dan difusivitas panas bahan selama penurunan suhu
32. Perkiraan waktu pembekuan dengan menggunakan metode waktu-suhu
dikembangkan oleh Plank
Waktu efektif pembekuan didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan untuk
menurunkan suhu bahan dari suhu awal ke suhu tertentu yang diinginkan
pada titik pusat bahan yang dianggap paling lambat melepskan panas
Asumsi yang dikembangkan Plank:
• Seluruh air dalam bahan pangan berada pada fase air pada awal pembekuan
• Kehilangan panas sensibel diabaikan
• Pindah panas terjadi secara lambat dalam kondisi steady state
• Pembekuan tidak memengaruhi bentuk bahan (bulat, silinder, kubus, dsb.)
• Terdapat hanya satu suhu pembekuan
• Konduktivitas panas dan pindah panas dari bahan konstan (tidak dipengaruhi
oleh penurunan suhu selama pembekuan)
33. Waktu pembekuan bahan pangan
berbentuk kubus:
Tf (detik) = waktu pembekuan
L (m) = panjang kubus
h (Wm-2K-1) = koefisien transfer panas permukaan
θf (oC) = titik beku bahan pangan
θa (oC) = suhu medium pembekuan
λ (J kg-1) = panas laten kristalisasi
ρ (kg m-3) = densitas bahan pangan
x (m) = tebal pengemasan
k1 (Wm-1K-1) = konduktivitas panas pengemasan
k2 (Wm-1K-1) = konduktivitas panas daerah beku
Angka 6 dan 24 merupakan faktor. Bentuk atau dimensi bahan yang lain
memerlukan faktor yang berbeda yang mewakili jarak terdekat dari pusat ke
permukaan bahan pangan à 2 dan 8 untuk bentuk lempeng (slab), 4 dan 6
untuk bentuk silinder, 6 dan 24 untuk bentuk bulat
34. Contoh 2
Potongan kentang berbentuk kubus dengan sisi 5 cm dikeringkan dengan cepat
menggunakan blast freezer pada suhu -40 oC dengan koefisien transfer panas
permukaan 30 Wm-2K-1. Jika titik beku kentang adalah -1 oC, dan densitasnya 1180
kgm-3, dugalah waktu pembekuan tiap kubusnya. Apabila kubus tersebut dikemas
dalam kardus berukuran 20 x 10 x 10 cm, hitunglah waktu pembekuannya. Diketahui
bahwa tebal kardus 1,5 mm, konduktivitas panas kardus 0,07 Wm-1K-1, konduktivitas
panas kentang 2,5 Wm-1K-1 dan panas laten kristalisasi 2,74 x 105 J kg-1
Jawab
Tanpa pengemasan:
= 2648 detik = 44 menit
(2,74 x 105) 1180
-1 – (-40)
0,05
6
1
30
+ 0 +
0,052
24 x 2,5
tf =
35. Bahan dikemas dalam kardus,
sehingga membentuk lempeng setebal
10 cm:
(2,74 x 105)
1180
-1 – (-40)
0,1
2
1
30
+ 0,0015
0,07
+
0,12
8 x 2,5
tf =
= 25462,94 detik
= 7,07 jam
36. Sifat Koligatif Bahan Pangan
Air murni pada tekanan 1 atm umumnya memeku pada 0 oC, sedangkan air
dalam bentuk larutan membeku di bawah 0 oC
Sifat penurunan titik beku larutan dikenal sebagai sifat koligatif larutan à
dipengaruhi oleh jenis pelarut dan tekanan udara
Penurunan titik beku larutan untuk pelarut air pada tekanan atmosfer:
di mana:
m = molalitas (mol solut/1000 g pelarut)
TAo = titik beku pelarut murni (untuk air 0 oC atau K)
Rg = konstanta gas = 8,314 J mol-1k-1
λ = panas laten pembekuan, kJ kg-1 (untuk air 335 kJ kg-1)
BMA = berat molekul pelarut
37. Bila titik beku larutan diketahui, maka fraksi mol air dalam larutan
tersebut dapat dihitung dengan persamaan:
Contoh 3
Suatu adonan es krim memiliki komposisi: 10% butterfat, 12% solid non-fat (54,5% dari solid
non-fat adalah laktosa), 15% sukrosa, 0,22% stabilizer, dan 62,78% air. Berapakah
penurunan titik beku es krim tersebut?
Jawab
Asumsikan bahwa hanya gula (laktosa dan sukrosa) yang mempunyai efek
menurunkan titik beku larutan
BM sukrosa = BM laktosa = 342 g mol-1
Fraksi gula = 0,15 + 0,12(0,545) = 0,2154
Fraksi air = 0,6278
38. Konsentrasi gula dalam air = 0,2154/0,6278 = 0,3431 g gula/g air = 343,1 g gula/1000 g air
m =
343,1/342 mol gula
1000 g air
= 1,003 m
∆Tf =
(8,314 J mol -1K-1) (273)2 (18 g mol-1) (1,003 mol kg-1)
(1000)(335) J kg-1
= 33,39 K
39. Contoh 4
Buah anggur diketahui memiliki kadar air 84,7%, titik beku (Tf) -1,08 oC
dan panas laten (λ) 6003 J mol-1. Hitunglah berapa fraksi mol airnya!
Jawab
6003 J mol-1
8,314 J mol-1 K-1
1 1
_
273 K 271,2 K
= ln XA
ln XA = -0,01755
XA = 0,9826 (fraksi mol air yang terdapat dalam buah anggur)
