8

III. TINJAUAN PUSTAKA

A. PRODUK SUSU

Salah satu sumber pangan protein hewani yang memiliki peranan strategis dalam kehidupan

manusia adalah susu. Susu didefinisikan sebagai hasil sekresi kelenjar susu induk mamalia betina

yang menyusui anaknya dan salah satu sumber protein hewani yang memiliki vitamin esensial dan

mineral lebih banyak dibandingkan bahan pangan lainnya (Patton 2005). Susu merupakan bahan

pangan bernilai gizi tinggi karena mengandung protein, lemak, karbohidrat, vitamin, dan mineral

yang diperlukan oleh tubuh manusia (Vaclavic & Christian 2008). Menurut Vaclavic & Christian

(2008), komposisi susu umumnya terdiri atas 87% air, 4% laktosa (karbohidrat), 4% protein, 3%

lemak, serta 2% campuran vitamin dan mineral. Vitamin yang terkandung dalam susu berupa

vitamin larut lemak (A, D, E, K) dan vitamin larut air (B1, B2, B6, B12, niasin, folat, asam

pantotenat, dan C).

Kandungan dan komposisi gizi yang hampir sempurna dibandingkan bahan pangan lainnya

menyebabkan susu menjadi salah satu pilihan utama masyarakat untuk dikonsumsi. Menurut

Gagné (2008), tingginya kandungan nutrisi pada susu menyebabkan susu menjadi media yang

sangat baik bagi pertumbuhan mikroba. Hal ini menyebabkan susu dikategorikan sebagai bahan

pangan yang tidak tahan lama dan mudah rusak (perishable food). Oleh sebab itu, untuk

memperpanjang umur simpannya, susu diolah menjadi berbagai produk seperti susu kental manis,

susu cair (Ultra High Temperature (UHT) dan pasteurisasi), susu bubuk, keju, mentega, yoghurt,

dan es krim (Ariningsih 2007). Terdapat dua jenis produk susu pada kegiatan magang ini, yaitu

susu kental dan susu cair.

1. Susu Kental Manis

Berbagai teknik pengolahan dilakukan untuk memperpanjang umur simpan susu. Salah

satu teknik pengolahan yang digunakan adalah mengurangi kadar air dan aktivitas air (aw)

melalui pemekatan susu (Oliveira et al. 2009). Produk hasil pemekatan susu disebut susu

kental. Menurut Oliveira et al. (2009), susu kental terdiri atas dua tipe, yaitu susu kental tidak

manis (unsweetened condensed milk) dan susu kental manis (sweetened condensed milk). Susu

kental tidak manis sering disebut juga double concentrated milk atau evaporated milk. Susu

kental tidak manis merupakan produk susu sterilisasi yang memiliki warna cerah dan terlihat

seperti krim.

Susu Kental Manis (SKM) merupakan susu segar atau susu evaporasi yang telah

dipekatkan dengan menguapkan sebagian airnya dan ditambahkan sukrosa sebagai pengawet.

Akibat penambahan gula, susu kental manis memiliki aw sekitar 0.83 (Oliveira et al. 2009) atau

aw < 0.86 (0.80-0.85) (Beutler & Groux 2008) sehingga menghambat pertumbuhan kebanyakan

jenis kapang (Penicillium mikotoksigenik) dan kebanyakan Saccharomyces spp. (S. bailii,

Derbayomyces) (Taoukis & Richardson 2007). Menurut SNI 2971: 2011, susu kental manis

adalah produk susu berbentuk cairan kental yang diperoleh dari campuran susu dan gula

dengan menghilangkan sebagian airnya hingga mencapai tingkat kepekatan tertentu atau hasil

rekonstruksi susu bubuk dengan penambahan gula dengan/tanpa penambahan bahan pangan

lain dan bahan tambahan pangan yang diizinkan. Bahan-bahan yang digunakan dalam

9

pembuatan susu kental manis rekonstitusi antara lain susu segar, susu bubuk skim, gula pasir,

lemak susu (anhidrous milk fat), vitamin A, vitamin B1, vitamin D3, serta laktosa.

Menurut Bylund (2003), susu kental manis adalah susu yang dipekatkan dan

ditambahkan gula. Produk ini memiliki warna kekuningan dan terlihat seperti mayonnaise.

Konsentrasi gula dalam fase air pada susu kental manis tidak boleh kurang dari 62.5% atau

lebih dari 64.5%. Susu kental manis dapat dibuat dari susu skim (whole milk) atau dari susu

rekombinasi berbasis Skim Milk Powder (SMP), Anhydrous Milk Fat (AMF), dan air. Susu

kental manis mempunyai kadar lemak 8%, gula 45%, padatan non lemak 20%, dan air 27%

(Bylund 2003). Pengemasan susu kental manis dapat berupa tong besar untuk digunakan dalam

skala industri (industri es krim dan coklat) dan dikemas dalam kaleng untuk penjualan retail.

Akhir-akhir ini kemasan susu kental manis dapat berupa sachet dan pouch seperti yang

diproduksi di PT Frisian Flag Indonesia.

2. Susu Cair

Susu cair merupakan hasil olahan susu segar dengan menggunakan pemanasan sebagai

salah satu cara untuk memperpanjang umur simpannya. Gedam et al. (2007) menyatakan

proses pemanasan pada pengolahan susu terdiri atas thermization, pasteurisasi LTLT (Low

Temperature Long Time), pasteurisasi HTST (High Temperature Short Time), dan sterilisasi,

dan perlakuan UHT (Ultra Hgh Temperature). Thermization adalah perlakuan panas pada susu

dengan suhu 63-65°C selama 15 detik untuk menurunkan jumlah mikroorganisme di susu

terutama jenis bakteri psikrotropik. Pasteurisasi LTLT (Low Temperature Long Time)

umumnya digunakan pada metode batch dimana susu dipanaskan pada suhu 63°C selama 30

menit. Pasteurisasi HTST (High Temperature Short Time) adalah proses pemanasan susu pada

suhu 72-75°C selama 15-20 detik sebelum didinginkan (Gedam et al. 2007).

Berdasarkan proses sterilisasinya, susu cair yang diproduksi di PT Frisian Flag

Indonesia terdiri atas dua jenis kemasan, yaitu kemasan carton pack/pillo flex dan botol steril.

Susu cair dalam kemasan carton pack/pillo flex merupakan jenis produk yang dihasilkan dari

proses sterilisasi Ultra High Temperature (UHT). Sementara itu, susu cair dalam kemasan

botol steril merupakan jenis produk yang dihasilkan dari proses sterilisasi batch. Susu cair

yang diproses secara UHT merupakan produk susu yang diperoleh dari susu segar atau susu

rekonstitusi atau susu rekombinasi yang disterilkan pada suhu tidak kurang dari 135-138°C

selama 2 detik dan dikemas segera dalam carton pack/pillo flex yang steril secara aseptis

(BPOM 2006). Susu cair yang diproses secara sterilisasi batch atau sterilisasi dalam botol

adalah produk susu yang diperoleh dari susu segar atau susu rekonstitusi atau susu rekombinasi

yang telah distandardisasi lemak, dihomogenisasi, dan dipanaskan dengan metode UHT.

Kemudian produk tersebut didistribusikan ke dalam botol dalam keadaan masih panas, di

sealing, dan disterilisasi pada suhu 115-120°C selama 20-30 menit. Metode hot filling ini

bertujuan menghasilkan kondisi hermetis pada botol (Gedam et al. 2007).

Produk susu cair yang diproduksi di PT Frisian Flag terdiri atas dua jenis, yaitu yaitu

minuman susu berperisa (cokelat, strawberry, dan vanila) dan minuman asam laktat berperisa

buah (Lactic Acid Drink, LAD). Menurut BPOM (2006), minuman asam laktat adalah produk

susu yang diperoleh dari susu segar atau susu pasteurisasi atau susu rekonsitusi atau susu

rekombinasi yang diasamkan tanpa penambahan mikroba. Jenis asam yang dapat digunakan

adalah asam seperti asam asetat, asam adipat, asam sitrat, asam fumarat, asam glukono delta

lakton, asam hidroklorat, asam laktat, asam malat, asam fosfat, asam suksinat, dan asam

tartarat.

10

B. BAHAN-BAHAN PEMBUATAN PRODUK SUSU

Bahan baku yang digunakan dalam pembuatan produk susu tersebut terdiri atas bahan baku

utama dan bahan baku tambahan. Bahan baku utama yang digunakan adalah susu segar (fresh

milk), Skim Milk Powder (SMP), gula (sukrosa), dan air.

Susu segar (fresh milk) merupakan bahan pangan bernilai gizi tinggi dan merupakan bahan

baku utama yang sangat penting dalam pembuatan produk susu. Susu segar diproses lebih lanjut

menjadi susu pasteurisasi yang digunakan sebagai pelarut dalam pembuatan produk susu Frisian

Flag. Selain susu pasteurisasi, susu segar juga diproses menjadi susu evaporasi yang digunakan

sebagai pelarut dalam pembuatan SKM Frisian Flag.

Pelarut lain yang digunakan dalam pembuatan produk susu adalah air. Penggunaan air pada

pembuatan Lactic Acid Drink (LAD) lebih dominan dibandingkan susu segar. Air yang digunakan

harus memiliki syarat baku air minum, bebas dari mikroorganisme berbahaya, dan menunjukkan

kadar hardness berupa kalsium karbonat (CaCO3) < 100 mg/l (Bylund 2003). PT Frisian Flag

Indonesia telah melakukan beberapa perlakuan untuk mencapai persyaratan tersebut. Beberapa

perlakuan tersebut di antaranya adalah pengendapan, penyaringan, dan penyinaran dengan sinar

UV untuk membunuh mikroorganisme.

Susu bubuk skim (Skim Milk Powder, SMP) adalah produk susu yang diperoleh dengan

menghilangkan sebagian air dan lemak dengan cara pengeringan, tetapi masih mengandung

laktosa, protein, mineral, vitamin yang larut air, dan vitamin yang larut lemak. SMP memiliki

kandungan padatan 9.25% dari total padatan yang terdapat pada susu. Kandungan lemak pada

SMP kurang dari 1.5%. SMP berfungsi sebagai penambah kadar padatan bukan lemak (milk solid

non fat) (Bylund 2003) dan sebagai sumber protein dalam pembuatan susu olahan (Deeth &

Hartanto 2009).

Gula yang digunakan dalam pembuatan produk susu adalah gula pasir (sukrosa). Gula

memiliki fungsi utama sebagai pemanis dalam pembuatan produk susu. Selain sebagai pemanis,

gula juga berfungsi sebagai pengental dan pengawet dalam pembuatan SKM. Sifat higroskopis

yang dimiliki gula mampu menyerap kandungan air pada SKM, sehingga menghasilkan tekanan

osmosis yang tinggi dan mengakibatkan terjadinya dehidrasi pada sel mikroorganisme (Saparinto

& Hidayati 2006). Sifat inilah yang dapat menghambat pertumbuhan bakteri dan fermentasi yang

terjadi pada SKM. Bahan baku tambahan yang digunakan pada kedua jenis produk susu tersebut

berbeda, sehingga penjelasan fungsi bahan baku tambahan diuraikan berdasarkan jenis produk

susunya.

1. Susu Kental Manis

Selain bahan baku utama, pembuatan SKM juga menggunakan bahan baku tambahan.

Bahan baku tambahan yang digunakan antara lain Anhydrous Milk Fat (AMF), Butter Milk

Powder (BMP), minyak sawit (palm oil), laktosa, dan vitamin. Anhydrous Milk Fat (AMF)

merupakan produk lemak susu murni yang diperoleh dari susu segar, krim, atau mentega tanpa

tambahan penetral (Bylund 2003). AMF berfungsi sebagai sumber lemak dalam pembuatan

SKM (Bylund 2003).

Butter Milk Powder (BMP) merupakan hasil pemisahan dari krim evaporasi atau hasil

samping pembuatan mentega yang dikeringkan menggunakan spray drying. Fungsi BMP

adalah untuk menambah kadar lemak dan total padatan pada proses pembuatan produk susu

olahan. BMP mengandung fosfolipid dalam jumlah yang tinggi (Deeth & Hartanto 2009) dan

merupakan sumber lemak hewani pada proses pembuatan SKM.

11

Minyak sawit (palm oil) merupakan sumber lemak pada susu kental manis yang berasal

dari tumbuhan. Minyak sawit ditambahkan dalam pembuatan SKM untuk mencapai kadar

lemak yang diinginkan. Jenis lemak ini dipilih sebagai pengganti lemak susu karena lebih

ekonomis, memiliki sifat yang serupa dengan lemak susu, dan lebih disukai oleh masyarakat

Indonesia. Selain itu, minyak sawit juga berfungsi sebagai pelarut vitamin A dan D3 yang

ditambahkan dalam pembuatan susu kental manis.

Laktosa merupakan golongan disakarida yang terdiri atas satu molekul glukosa dan satu

molekul galaktosa. Laktosa ditambahkan pada awal dan akhir proses pembuatan SKM. Laktosa

jenis edible lactose ditambahkan pada tahap awal proses pembuatan SKM. Laktosa jenis ini

berfungsi untuk mengurangi atau menstandarisasi kadar protein. Laktosa jenis seeding lactose

ditambahkan pada akhir proses pembuatan SKM. Laktosa jenis seeding lactose berfungsi untuk

mencegah kristalisasi susu yang tidak beraturan dengan cara mengkristalisasi susu dalam

kristal-kristal kecil sehingga rasanya tidak berpasir (sandiness) (Oktaviani 2011).

Menurut Muchtadi et al. (2009), vitamin merupakan senyawa esensial yang diperlukan

oleh tubuh untuk membantu kelancaran penyerapan zat gizi dan proses metabolisme tubuh

tetapi tidak dapat disintesis oleh tubuh. Oleh karena itu, vitamin penting keberadaanya dalam

makanan. Berdasarkan kelarutannya, vitamin terdiri atas vitamin larut lemak dan vitamin larut

air. Vitamin yang digunakan untuk fortifikasi produk SKM di PT Frisian Flag Indonesia adalah

vitamin A, B1, dan D3 dalam bentuk bubuk premiks.

2. Susu Cair

Bahan tambahan yang digunakan dalam pembuatan produk susu cair secara umum

antara lain penstabil nabati, perisa, pewarna makanan, vitamin, dan mineral. Pada produk

Lactic Acid Drink (LAD) ditambahkan pula pengatur keasaman dan sekuestran. Menurut

Peraturan Pemerintah No 28 tahun 2004 tentang Keamanan, Mutu, dan Gizi Pangan, bahan

tambahan pangan merupakan bahan yang biasanya tidak digunakan sebagai makanan dan

biasanya bukan merupakan ingredien khas makanan, mempunyai atau tidak mempunyai nilai

gizi, yang dengan sengaja ditambahkan kedalam makanan untuk maksud teknologi (termasuk

organoleptik) pada pembuatan, pengolahan, penyiapan, perlakuan, pengepakan, pengemasan,

penyimpanan, atau pengangkutan makanan untuk menghasilkan atau diharapakan

menghasilkan suatu komponen atau mempengaruhi sifat makanan tersebut, baik secara

langsung atau tidak langsung.

Penstabil (stabilizer) adalah bahan tambahan pangan yang membantu terbentuknya atau

memantapkan sistem dispersi yang homogen pada makanan. Contoh penstabil nabati yang

digunakan pada makanan antara lain gum arab, karagenan, pektin, amilosa, gelatin, dan

Carboxymethyl cellulose (CMC) (Saparinto & Hidayati 2006). Penstabil nabati yang

digunakan pada produk susu cair adalah pektin. Pektin merupakan senyawa polimer asam D-

galakturonat yang dihubungkan oleh ikatan β-1,4 glikosidik yang diekstraksi dari buah-buahan

(Schols et al. 2009). Pektin berfungsi menjaga kestabilan emulsi produk susu agar tidak mudah

terpisah. Perisa adalah bahan tambahan pangan yang dapat memberikan, menambah, atau

mempertegas rasa dan aroma buah pada produk. Perisa yang digunakan antara lain perisa

cokelat dan perisa buah (anggur, strawberry, apel, jeruk, dan tutty fruty).

Pewarna makanan adalah bahan tambahan pangan yang dapat memberikan dan

memperbaiki warna pada makanan. Pewarna makanan yang digunakan merupakan pewarna

makanan sintetik atau pewarna makanan buatan yang diizinkan oleh pemerintah yang diatur

dalam PP No 28 Tahun 2004 tentang Keamanan, Mutu, dan Gizi Pangan. Pewarna makanan

12

sintetik digunakan karena harganya yang ekonomis dan warnanya yang lebih stabil

dibandingkan pewarna makanan alami. Pewarna makanan yang digunakan dalam pembuatan

antara lain Ponceau 4R Cl 16255 (untuk produk berperisa strawberry) dan Biru Berlian Cl

42090 (untuk produk berperisa anggur).

Pengatur keasaman yang digunakan dalam pembuatan LAD adalah asam sitrat dan

asam laktat. Pengatur keasaman adalah bahan tambahan makanan yang dapat mengasamkan,

menetralkan, dan rnemertahankan derajat keasaman. Asam sitrat ditambahkan dalam bentuk

bubuk, sedangkan asam laktat ditambahkan dalam bentuk cair. Selain sebagai pengatur

keasaman, asam sitrat juga berfungsi sebagai sekuestran pada produk LAD. Sekuestran adalah

bahan tambahan makanan yang dapat mengikat ion logam dalam makanan.

Menurut Muchtadi et al. (2009), vitamin dan mineral merupakan senyawa esensial

yang diperlukan oleh tubuh untuk membantu kelancaran penyerapan zat gizi dan proses

metabolisme tubuh tetapi tidak dapat disintesis oleh tubuh. Oleh karena itu, vitamin dan

mineral penting keberadaanya dalam makanan. Berdasarkan kelarutannya, vitamin terdiri atas

vitamin larut lemak dan vitamin larut air. Vitamin yang digunakan untuk fortifikasi produk

susu cair di PT Frisian Flag Indonesia adalah vitamin A, B1, B2, B3, B12, dan D3. Mineral

yang digunakan adalah kalsium karbonat, besi fosfat, dan natrium hexametafosfat. Vitamin dan

mineral yang ditambahkan dalam bentuk bubuk premiks.

C. METODE SPEKTROSKOPI INFRAMERAH

Spektroskopi inframerah merupakan salah satu teknik analisis yang paling penting saat ini

(Stuart 2004). Metode spektroskopi inframerah merupakan salah satu metode sekunder yang dapat

digunakan untuk mengevaluasi mutu bahan pangan (Osborne 2000) dan mampu menganalisis

hampir seluruh jenis sampel. Panjang gelombang yang digunakan oleh metode spektroskopi

inframerah berkisar antara 780 –100000 nm (Stuart 2004). Prinsip kerja spektroskopi inframerah

adalah menganalisis getaran (vibrasi) atom dalam sebuah molekul.

Spektroskopi inframerah menggunakan metode kemometrik untuk menganalisis spektrum

sampel. Kemometrik adalah disiplin ilmu kimia yang menggunakan metode matematika dan

statistik yang digunakan untuk (a) merancang atau memilih pengukuran yang optimal pada

prosedur dan eksperimen dan (b) menyediakan informasi kimia secara maksimum dengan

menganalisis data kimia (Otto 2007). Menurut Cen & He (2007), kemometrik pada spektroskopi

inframerah meliputi tiga aspek sebagai berikut (1) data spektra pra-pengolahan, (2) membuat

kalibrasi model analisis kualitatif dan kuantitatif, dan (3) transfer model. Tahapan analisis

spektrum spektroskopi inframerah berdasarkan metode kemometrik dijelaskan oleh Gambar 3.

13

Gambar 3. Tahapan analisis spektrum metode spektroskopi inframerah (Cécillon & Brun 2010)

Radiasi sinar inframerah merupakan radiasi elektomagnetik yang dapat dinyatakan dalam

bentuk frekuensi (v), panjang gelombang (λ), atau bilangan gelombang (v1) yaitu ciri gelombang

yang berbanding lurus dengan energi. Bentuk umum yang digunakan adalah bentuk panjang

gelombang dengan satuan nanometer (nm) dan jumlah gelombang dalam satuan sepercentimeter

(cm-1). Kedua satuan tersebut dapat dikonversi dengan menggunakan persamaan (1).

λ (nm) =

(1)

Radiasi sinar inframerah dapat diserap oleh semua bahan organik yang terdiri atas atom

karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N), phosphor (P), dan sulfur (S) dengan sejumlah

kecil elemen lain. Atom-atom ini berkombinasi melalui ikatan kovalen atau elektrokovalen

sehingga membentuk molekul (Stuart 2004). Atom dan molekul tersebut memiliki gaya

elektrostatik karena sifat ikatannya. Gerakan molekul yang konstan menyebabkan molekul

tersebut dalam keadaan stabil. Molekul bervibrasi pada frekuensi yang sesuai dengan panjang

gelombang daerah sinar inframerah (Osborne 2000).

Informasi utama yang dapat diekstrak dari penyerapan radiasi sinar inframerah oleh

molekul adalah vibrasi stretching dan bending pada ikatan kimia C-H (seperti bahan organik

turunan minyak bumi), O-H (seperti kadar air, karbohidrat, dan lemak), C-N, dan N-H (seperti

protein dan asam amino) yang merupakan ikatan dasar dari semua ikatan kimia bahan-bahan

organik. Vibrasi stretching adalah pergerakan atom yang teratur sepanjang ikatan antara dua atom

sehingga jarak antara atom dapat bertambah atau berkurang. Vibrasi bending adalah pergerakan

atom yang menyebabkan perubahan sudut ikatan antar dua atau pergerakan dari sekelompok atom

terhadap atom lainnya. Radiasi inframerah tidak mempunyai energi yang cukup untuk

mengeksitasi elektron pada senyawa tetapi dapat menyebabkan senyawa organik mengalami rotasi

dan getaran (vibrasi) ikatan inter-atomik (Osborne 2000). Contoh terjadinya vibrasi stretching dan

bending dapat dilihat pada Gambar 4.

14

Gambar 4. Vibrasi streching dan bending pada molekul H2O (Stuart 2004)

Radiasi yang mengenai partikel-partikel sampel dapat diserap (absorbed), diteruskan

(transmitted), atau dipantulkan (reflected). Pada saat radiasi inframerah mengenai sampel padat,

beberapa sinar mengalami pemantulan (specular reflectance) pada permukaan sampel. Beberapa

bagian sinar yang lain diserap oleh sampel sekitar 2 mm. Radiasi yang tidak terserap akan

ditransmisikan atau diteruskan melalui sampel atau dipantulkan dari dalam sampel (diffuse

reflectance) (Dryden 2003). Intensitas radiasi sinar inframerah yang diteruskan oleh sampel dapat

dinyatakan sebagai transmitan dengan persamaan (2).

T =

(2)

nilai I menunjukkan intensitas energi yang keluar dari sampel, dan I0 adalah energi yang mengenai

sampel. Nilai radiasi yang diteruskan (transmittance) dapat ditransformasikan menjadi radiasi

yang diserap (absorbance) dengan persamaan (3).

A = Log10 (

= Log10 (

(3)

Berdasarkan Hukum Beer-Lambert, hubungan antara konsentrasi dengan jumlah sinar yang

diserap oleh molekul dapat ditunjukkan (Dryden 2003). Hukum Beer-Lambert ditunjukkan dengan

persamaan (4).

A = abc (4)

dimana nilai A adalah absorbansi, a adalah konstanta proporsi, b adalah jarak antara sumber energi

ke sampel, dan c adalah konsentrasi penyerapan molekul. Nilai yang terukur juga dapat berupa

nilai radiasi pantulan (reflectance) yang dapat ditransformasikan ke dalam radiasi yang diserap

(absorbance) dengan persamaan (5).

A = Log10 (

(5)

Frekuensi radiasi sinar inframerah yang sesuai dengan jenis ikatan molekul menyebabkan

vibrasi molekul dalam bahan. Vibrasi molekul tersebut mengakibatkan terjadinya transfer energi

dari radiasi ke molekul dan dapat diukur sebagai hubungan antara energi penyerapan sinar dengan

panjang gelombang yang disebut spektrum (Osborne 2000). Setiap bahan pangan memiliki

komposisi yang beragam (Dryden 2003). Setiap komposisi tersebut memiliki spektrum gabungan

pantulan yang unik dan beragam yang dihasilkan dari penyebaran, pantulan, dan penyerapan

cahaya oleh bahan penyusun komposisi tersebut (Osborne 2000). Spektrum inilah yang merupakan

aspek pertama dalam metode kemometrik.

15

Aspek kemometrik kedua adalah membuat model kalibrasi kualitatif dan kuantitatif dengan

menggunakan metode kalibrasi. Pada aspek ini diperlukan data metode konvensional untuk

pembuatan model kalibrasi. Model kalibrasi tersebut merupakan hubungan antara data analisis

metode konvensional dan data yang diperoleh menggunakan metode spektroskopi inframerah

(Restaino et al. 2009). Metode kalibrasi yang digunakan terdiri atas dua kategori, yaitu metode

kalibrasi untuk panjang gelombang terpilih (metode lokal) dan metode yang melibatkan seluruh

spektrum (metode global) atau sering disebut metode kalibrasi spektrum penuh (full spectrum

calibration methods). Principal Component Regression (PCR) dan Partial Least Squares (PLS)

termasuk dalam metode global. Setelah dilakukan pembuatan model kalibrasi, aspek selanjutnya

adalah transfer model. Transfer model adalah penggunaan model kalibrasi yang telah terbentuk

untuk menentukan komposisi kimia dalam suatu bahan.

Instrumen spektroskopi inframerah menerapkan ketiga aspek metode kemometrik tersebut

untuk mengevaluasi mutu bahan secara cepat dan efisien. Instrumen spektroskopi inframerah yang

digunakan untuk mengevaluasi mutu bahan dikelompokkan berdasarkan daerah spektrum sinar

inframerah (Stuart 2004). Spektrum sinar inframerah dapat dibagi menjadi tiga daerah, yaitu

inframerah jauh (400 – 100 cm-1), inframerah menengah (4000-400 cm-1), dan inframerah dekat

(13000 – 4000 cm-1). Pada kegiatan magang ini digunakan dua daerah spektrum untuk

menganalisis sampel recovery produk susu, yaitu daerah spektrum inframerah dekat dan daerah

spektrum inframerah tengah. Daerah spektrum inframerah dekat dikenal dengan metode Near

Infrared Reflectance (NIR). Sementara itu, daerah spektrum inframerah tengah dikenal dengan

metode spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR).

Menurut O'Sullivan et al. (1999) keuntungan menggunakan metode spektroskopi

inframerah antara lain proses kontrol lebih cepat dan konsisten, tidak merusak lingkungan karena

tidak menggunakan bahan kimia dalam analisisnya, mengurangi biaya analisis, persiapan sampel

yang mudah dan tidak merusak (non-destructive), dan dapat diaplikasikan pada bahan baku dan

produk jadi (finish product). Kelemahan metode spektroskopi inframerah di antaranya mahal dan

sulit dalam kalibrasinya.

1. Spektroskopi Near Infrared Reflectance (NIR)

Metode spektroskopi inframerah dekat atau yang lebih dikenal dengan Near Infrared

Reflectance Spectroscopy (NIRS) merupakan salah satu metode sekunder yang digunakan

untuk evaluasi mutu bahan pangan yang bersifat cepat dan tidak merusak (Osborne 2000).

Beberapa tahun terakhir, metode spektroskopi NIR sudah sering digunakan untuk

mengevaluasi mutu bahan pangan contohnya susu. Metode spektroskopi NIR diutamakan

sebagai teknik kuantitatif dibandingkan kualitatif karena sangat cocok untuk analisis bahan

pangan secara cepat, tanpa persiapan sampel, dan dengan satu kali scan dapat menganalisis

beberapa parameter sekaligus (O'Sullivan et al. 1999). Industri susu menggunakan metode

spektroskopi NIR untuk memantau kadar air, lemak, protein, dan laktosa (Šašić & Ozaki

2001).

Analisis menggunakan instrumen spektroskopi NIR (instrumen NIRS) berdasarkan

refleksi radiasi sinar inframerah dekat dari permukaan sampel sehingga dapat diukur oleh

detektor. Rentang spektra yang digunakan oleh NIRS adalah 780-2500 nm (13000-4000 cm-1)

(Gambar 5) dan menyediakan informasi struktural yang lebih komplek berhubungan dengan

sifat getaran dari ikatan kombinasi (Cen & He 2007).

16

Gambar 5. Panjang gelombang metode spektroskopi NIR (FOSS 2004)

Menurut O'Sullivan et al. (1999), instrumen NIR umumnya terdiri atas tiga bagian,

yaitu flow cell, bagian badan instrumen, dan komputer (Gambar 6). Bagian badan instrumen

dapat langsung melekat pada flow cell atau terhubung dengan flow cell melalui kabel fiber

optic. Bagian badan instrumen merupakan tempat bagi pemancar NIR, detektor NIR, dan

komunikasi yang diperlukan untuk menyediakan link ke komputer. Sumber cahaya yang

digunakan oleh instrumen NIR pada umumnya adalah lampu tungsten halogen karena

harganya yang murah dan menghasilkan intensitas cahaya yang tinggi. Flow cell ditempatkan

di lini produk dan menyediakan sarana untuk sinar inframerah melewati produk. Flow cell

umumnya terdiri atas badan yang terbuat dari stainless steel dengan lensa polysulfone yang

mengizinkan radiasi sinar inframerah masuk dan keluar flow cell.

Gambar 6. Komponen dasar instrumen spektroskopi NIR (O'Sullivan et al. 1999)

Proses perubahan sinyal pada instrumen spektroskopi NIR diawali dengan radiasi sinar

inframerah dari sumber cahaya yang dilewatkan melalui sistem beam splitter terlebih dahulu.

Sistem beam splitter berfungsi sebagai penyaring cahaya dari banyak warna menjadi satu

warna. Selanjutnya sinar tersebut ditransmisikan melalui sampel dan diterima oleh detektor

solid state yang secara langsung mengubah energi sinar inframerah menjadi sinyal analog.

Detektor solid state merupakan perangkat optoelectronic yang digunakan untuk mengonversi

insiden foton menjadi sinyal elektronik. Sinyal tersebut selanjutnya dikonversi ke bentuk

digital oleh analog-to-digital converter dengan nilai sesungguhnya yang kemudian

disimpulkan oleh hardware khusus sebagai produk total penyerapan sinar inframerah oleh

sampel. Data absorbansi ini kemudian dikirim ke komputer untuk diproses lebih lanjut dan

menghasilkan spektrum yang menjelaskan dua parameter, yaitu panjang gelombang dalam

nanometer dan amplitude dengan tinggi puncak gelombang yang menjelaskan intensitasnya

seperti yang terlihat pada Gambar 7.

17

Gambar 7. Contoh spektrum NIR susu dan air (Frankhuizen 2008)

Cahaya inframerah dekat yang mengenai bahan memiliki energi yang kecil dan hanya

menembus sekitar satu milimeter permukaan bahan tergantung komposisi bahan tersebut.

Meskipun cahaya inframerah mengalami penyebaran, spektrum yang terbaca tetap

mengandung informasi contoh penyerapan permukaan bahan tetapi terjadi distorsi pada puncak

gelombang (Dryden 2003). Variasi pantulan spektrum pada metode spektroskopi NIR

umumnya dipengaruhi oleh radiasi non spesifik yang menyebar, jarak antara sumber energi ke

sampel, dan komposisi kimia sampel (Dryden 2003). Menurut Cen & He (2007), pemilihan

daerah panjang gelombang, solusi, scan kecepatan, jumlah, modus dan interval pengambilan

sampel akan mempengaruhi presisi dan pengulangan percobaan.

Salah satu instrumen yang menerapkan prinsip spektroskopi NIR adalah NIRSystems

5000. NIRSystems 5000 dapat menganalisis komponen utama dan komponen spesial dalam

produk seperti gula, lemak, protein, total padatan. Spektrum pada NIRSystems 5000 memiliki

semua spektra analisis yang dikombinasikan dengan presisi dan stabilitas metode konvensional

(FOSS 2004).

2. Spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR)

Spektroskopi inframerah merupakan salah satu teknik analisis yang sering digunakan

akhir-akhir ini. Selain teknologi Near Infrared Reflectance Spectroscopy (NIRS) terdapat pula

teknik analisis yang sering digunakan oleh industri susu, yaitu Fourier Transform Infrared

(FTIR). Sama halnya seperti NIRS, FTIR juga membutuhkan waktu yang singkat untuk

menganalisis komponen sampel. Prinsip kerja metode spektroskopi FTIR serupa dengan

prinsip kerja spektroskopi inframerah pada umumnya. Perbedaan metode spektroskopi FTIR

dengan spektroskopi inframerah lainnya terletak pada panjang gelombang yang digunakan.

Panjang gelombang inframerah yang digunakan berada dalam rentang spektrum menengah

sinar inframerah, yaitu 2500-30000 nm (Stuart 2004).

Menurut Stuart (2004), instrumen FTIRS umumnya terdiri atas lima bagian, yaitu

sumber cahaya, interferometer, sampel, detektor, dan komputer (Gambar 8). Sumber cahaya

yang digunakan pada instrumen spektroskopi FTIR adalah Globar atau Nernst. Interferometer

yang paling umum digunakan pada instrumen spektroskopi FTIR adalah Michelson

interferometer yang terdiri atas dua cermin datar tegak lurus. Detektor yang digunakan

umumnya terdiri atas dua jenis, yaitu detektor normal untuk penggunaan rutin (penggabungan

alat pyroelectric dengan deuterium tryglycine sulfate (DTGS) pada suhu yang tahan alkali

halida) dan detektor untuk analisis yang lebih sensitif (mercury cadmium telluride (MCT))

18

yang harus didinginkan pada suhu nitrogen cair) (Stuart 2004). Detector tersebut khusus

didesain untuk mengukur sinyal interferogram. Interferogram adalah sinyal yang dihasilkan

sebagai fungsi dari perubahan panjang jalur antara dua berkas sinar. Beam splitter yang

digunakan adalah germanium atau oksida besi yang dilapisi substrat „inframerah-transparan‟

seperti kalium bromida atau iodida cesium.

Gambar 8. Komponen dasar instrumen spektroskopi FTIR (Stuart 2004)

Proses perubahan sinyal pada instrumen spektroskopi FTIR (Gambar 9) diawali dengan

radiasi sinar inframerah dari sumber cahaya yang dilewatkan melalui interferometer sebagai

tempat menyandikan spektra. Setelah melalui interferometer, sinar diubah menjadi sinyal

interferogram yang selanjutnya mengenai sampel dan diterima oleh detektor. Sinyal kemudian

diamplifikasi sehingga sinyal dengan frekuensi tinggi akan dihilangkan dengan filter. Sinyal

tersebut selanjutnya dikonversi ke bentuk digital oleh analog-to-digital converter dan

dipindahkan ke komputer untuk Fourier-Transformation. Hasil Fourier-Transformation

berupa spektrum inframerah yang yang menjelaskan dua parameter, yaitu panjang gelombang

dalam nanometer dan intensitasnya. Ukuran puncak pada spektrum adalah indikasi langsung

dari jumlah komposisi yang ada di dalam bahan tersebut (TNC 2001). Adanya software

alogaritma modern menjadikan spektroskopi inframerah sebagai alat yang sangat baik untuk

analisis kuantitatif.

Gambar 9. Proses perubahan sinyal pada instrumen spektroskopi FTIR (TNC 2001)

Salah satu instrumen yang menerapkan prinsip spektroskopi FTIR adalah FOSS

MilkoScan FT120. FOSS MilkoScan FT120 dapat menganalisis komponen utama dan

komponen spesial dalam produk seperti gula, lemak, protein, total padatan, bahkan penurunan

titik beku dapat dianalisis. Interferometer pada FOSS MilkoScan FT120 memiliki semua

spektrum analisis yang dikombinasikan dengan presisi dan stabilitas metode konvensional

(FOSS 2004). FOSS MilkoScan FT120 umumnya digunakan pada industri produk olahan susu.

19

D. KALIBRASI SPEKTROSKOPI INFRAMERAH

Kalibrasi merupakan dasar untuk meyakinkan keakuratan dan kekonsistenan pengukuran.

Kalibrasi menurut EMEA (2012) adalah proses pembuatan model yang menghubungkan dua jenis

data pengukuran. Kalibrasi dalam teknik spektroskopi diperoleh dengan mengukur hubungan

antara absorbansi dan reflektan dari panjang gelombang yang dihasilkan oleh spektrometer dengan

konsentrasi larutan unsur yang dianalisis.

Osborne (2000) menyatakan instrumen spektroskopi inframerah dapat menentukan

komposisi kimia suatu sampel dengan menggunakan nilai pantulan (reflectance, R) dan absorbansi

(log (1/R)). Instrumen spektroskopi inframerah harus melalui proses kalibrasi agar dapat mengenal

komposisi kimia sampel yang akan dianalisis (Mark & Campbell 2008). Kesulitan dalam

mengkalibrasi menurut Osborne (2000) adalah masalah informasi alam yang kompleks dalam

spektrum inframerah. Contohnya setiap puncak spektrum hampir selalu tumpang tindih oleh satu

atau lebih puncak-puncak yang lain.

Prosedur kalibrasi spektroskopi inframerah diawali dengan pengukuran spektrum sampel.

Hasil analisis kimiawi metode konvensional diperlukan untuk penentuan spektrum absorbansi dan

pantulan pada spektroskopi inframerah. Hasil spektrum dan data kimia metode konvensional

sampel dilanjutkan dengan perhitungan menggunakan software bawaan instrumen spektroskopi

inframerah. Hasil pengolahan data tersebut menunjukkan hubungan antara spektrum sampel

dengan komposisi kimianya yang disebut model kalibrasi (Mark & Campbell 2008). Selanjutnya

sistem komputer mengaplikasikan model kalibrasi yang telah dihasilkan untuk mengukur

spektrum sampel yang terukur oleh instrumen dan menentukan komposisi kimianya (Mark &

Campbell 2008).

Metode kalibrasi spektrum spektroskopi inframerah dibagi dalam dua kategori yaitu

metode kalibrasi untuk panjang gelombang terpilih (metode lokal) dan metode yang melibatkan

seluruh spektrum (metode global) atau sering disebut metode kalibrasi spektrum penuh (full

spectrum calibration methods). Principal Component Regression (PCR) dan Partial Least Squares

(PLS) termasuk dalam metode global. Pada pembuatan model kalibrasi spektrum spektroskopi

inframerah kali ini hanya digunakan metode Partial Least Squares (PLS).

Metode Partial Least Squares (PLS) atau metode regresi kuadrat terkecil parsial pertama

kali dikembangkan oleh Herman Wold pada tahun 1960. Metode ini merupakan salah satu dari

analisis multivariate. Menurut Esbensen (2002), analisis multivariate merupakan salah satu jenis

analisis statistik yang digunakan untuk menganalisis data dimana data yang digunakan memiliki

banyak peubah bebas (independent variabels) dan peubah terikat (dependent variabels). Analisis

ini memperlihatkan bentuk hubungan antara beberapa variabel bebas terhadap satu variabel terikat.

Metode PLS merupakan metode yang digunakan untuk membuat prediksi model ketika

terdapat banyak faktor dan kolinearitas yang tinggi (Tobias 2012). Pada dasarnya metode PLS

adalah penggabungan model pendugaan sebagai pengembangan model-model kalibrasi yang

melibatkan lebih dari dua peubah laten (bebas dan tidak bebas). Metode tersebut tidak memiliki

formula tertutup untuk ragam koefisien regresi. Metode PLS digunakan untuk memperoleh

pendugaan bagi Y sebagai fungsi peubah-peubah Xn yang terpilih. Persamaan regresi kalibrasi

antara peubah Y dengan a dan b sebagai konstanta kuadrat terkecil parsial X terpilih dinyatakan

sebagai berikut:

20

Y = a + b1X1 + b2X2 + ...... + bnXn (6)

dimana:

Y = hasil perkiraan alat

a = intercept persamaan garis

b1, b2,bn = slope yang berhubungan dengan perubahan X1, X2, Xn (panjang gelombang) nilai

penyerapan Y

Model kalibrasi yang dihasilkan dari pengolahan data menggunakan metode PLS selanjutnya

dievaluasi berdasarkan koefisien determinasi kalibrasi (R2), standard error of calibration (SEC),

standard error of cross validation (SECV), dan koefisien determinasi pada cross validation (1-

VR) (Decandia et al. 2009).

Selain metode PLS, pembuatan model kalibrasi juga dapat dilakukan dengan metode

adjustment slope and intercept. Metode ini merupakan metode untuk pembuatan model kalibrasi

baru dengan menyesuaikan slope dan intercept model kalibrasi yang telah ada sebelumnya dengan

set kalibrasi sampel yang akan dibuat model kalibrasinya (FOSS 2005). Umumnya metode ini

digunakan apabila sampel yang dianalisis memiliki spektrum, sifat fisik, dan komposisi kimia

yang hampir sama dengan sampel yang digunakan untuk pembuatan model kalibrasi sebelumnya.

Metode adjustment slope and intercept biasanya terdapat pada instrumen Fourier Transform

Infrared (FTIR) Spectroscopy.

Menurut DCT (2008), slope merupakan ukuran kemiringan dari suatu garis. Slope adalah

koefisien regresi untuk variabel X (variabel bebas). Selain itu, dalam konsep statistika slope

merupakan suatu nilai yang menunjukkan seberapa besar kontribusi yang diberikan suatu variabel

X terhadap variabel Y. Intercept adalah suatu titik perpotongan antara suatu garis dengan sumbu Y

pada sumbu kartesius pada saat nilai X = 0. Intercept hanyalah suatu konstanta yang

memungkinkan munculnya koefisien lain di dalam model regresi (DCT 2008). Model kalibrasi

baru tersebut selanjutnya dievaluasi berdasarkan koefisien determinasi kalibrasi (R2) dan standard

error of calibration (SEC) (Decandia et al. 2009).