PRINSIP FISIKA KIMIA DALAM PEMBEKUAN

Shanti Dwita Lestari

Pengantar Air merupakan komponen utama bagi

sebagian besar makanan yang mempengaruhi kalitas dan kestabilan umur simpan

Teknik pembekuan telah dikenal sebagai salah satu metode terbaik dalam pengawetan makanan jangka panjang

Selama pembekuan, air dikonversi menjadi es sehingga aW makanan menurun

Reaksi kimia dan pertumbuhan mikroba dapat ditekan

Struktur Air dan Es Molekul air berbentuk

huruf V yang tersusun dari 2 atom H yang ringan dan 1 atom O yang relatif lebih berat dan terhubung melalui ikatan kovalen

Oksigen lebih elektronegatif dari H dan menarik elektron lebih kuat sehingga terbentuk struktur geometri yang tidak seimbang

Ikatan Hidrogen Sebagai senyawa

polar, air dapat berinteraksi dengan senyawa polar lainnya melalui ikatan hidrogen

Ikatan hidrogen antara molekul air satu dengan yang lainnya 20x lebih lemah dibandingkan dengan ikatan kovalen

Es Heksagonal (Ih) Setiap molekul air

berperan dalam 4 ikatan hidrogen

Pada fase liquid, ikatan hidrogen terlemah akan putus sehingga memungkinkan molekul air untuk berpindah

Pada fase es, ikatan H lebih stabil

Ikatan H tersusun secara tetrahedral di sekitar atom O dan ikatan tersebut bersifat statis

Molekul air pada es tidak dapat berpindah, namun hanya bergetar

Kekuatan 4 ikatan H serta kemampuan air untuk membentuk ikatan H menentukan titik cair es (semakin kuat semakin tinggi)

Densitas es lebih kecil dibandingkan air pada suhu yang sama

Proses PembekuanPembekuan mencakup penurunan suhu suatu bahan dari suhu refrigerasi (0-2oC) ke suhu yang jauh lebih rendah dari titik bekuFaktor yang berperan dalam konversi air

menjadi es: Faktor thermodinamika : karakteristik

sistem dala kondisi equilibrium Faktor kinetik : kecepatan saat

terjadinya equilibrium

Proses pembekuan terdiri dari 2 tahapan utama,yaitu:

1. Pembentukan kristal es (nukleasi)2. Penambahan ukuran kristal

Titik Equilibrium Ketika titik lebur es = titik beku air maka

tercapailah titik keseimbangan (equilibrium) pada tekanan atmosfir 1 atm dan suhu 0oC

Air hanya akan membeku bila suhu lingkungan di bawah 0oC (supercooling temperature) dan pada suhu inilah nukleasi akan dimulai

Air terikat (air yang merupakan bagian integral penyusun struktur kimia pada jaringan) hanya akan membeku pada suhu yang sangat dingin (-55oC)

Nukleasi Proses pembentukan

kristal Pada proses ini panas

laten pembekuan dilepaskan

Molekul-molekul air beragregasi membentuk partikel beraturan

Pada permukaan kristal terjadi interchange yang konstan pada molekul air antara fase solid dan liquid

Penambahan Ukuran Kristal (Crystal Growth)

Setelah terbenuk nukleus es yang stabil, terjadi penambahan molekul pada interface solid-liquid

Penambahan kristal tidak terjadi secara instan. Proses tersebut dikontrol oleh: Kecepatan pelepasan panas laten

selama perubahan fase Kecepatan perpindahan massa pada

bahan (difusi molekul air ke permukaan kristal es)

Kecepatan Pembekuan (Freezing Rate)

Menentukan ukuran kristal es yang terbentuk Semakin cepat, semakin banyak nukleasi yang

terjadi Merupakan kecepatan rata-rata pembentukan

kristal es dalam kaitannya dengan pengeluaran panas dari bahan

Didefinisikan juga sebagai rasio antara jarak minimum dari permukaan hingga ke pusat produk dengan waktu yang diperlukan oleh permukaan untuk mencapai suhu 0oC dengan suhu pusat 10o lebih rendah dari suhu dimulainya pembentukan kristal es (Int’l institute of Refrigeration)

Contoh: FR untuk produk yang dibekukan dengan

metode Quick Freezing (ABF/CPF) : 0,5-3 cm/h

metode Rapid Freezing (IQF) : 5-10 cm/h Metode ultra rapid freezing (Cryogenic

freezing dengan Nitrogen atau CO2 cair) : 10-100cm/h

Waktu Pembekuan (Freezing time)

Merupakan parameter penting dalam proses pembekuan

Waktu yang diperlukan untuk menurunkan suhu pusat produk dari suhu awal ke suhu akhir yang diinginkan untuk pembekuan

Karena distribusi suhu di setiap bagian tubuh berbeda-beda, maka suhu pusat produk dijadikan acuan utama

Freezing time dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya , suhu awal dan suhu akhir produk, jumlah panas yang dipindahkan, ukuran (ketebalan) dan bentuk ikan, proses pindah panas dan suhu

3 Tahapan Pembekuan (The International Institute of Refrigeration)Pembagian dilakukan berdasarkan perubahan suhu pada beberapa bagian dari bahan yang dibekukan prefreezing stage the food is subjected to the freezing process until

the appearance of the first crystal. freezing period; a phase change occurs,

transforming water into ice The last stage starts when the product temperature

reaches the point where most freezable water has been converted to ice, and ends when the temperature is reduced to storage temperature (Persson and Lohndal, 1993).

Pure Water the freezing

temperature will be 0 °C and, up to this temperature, there will be a subcooling until the ice formation begins

temperature at the freezing stage is constant

Practical definition of the freezing process for foods (Mallett, 1993)

STAGE 1 : the temperature decreases to below freezing temperature and, with the formation of the first ice crystal, increases to freezing temperature

STAGE 2 : temperature decreases slightly in foods, due to the increasing concentration of solutes in the unfrozen water portion

3 Tahapan dalam Freezing (Venugopal, 2006) INITIAL STAGE : suhu turun secara cepat sedikit di

bawah 0oC THERMAL ARREST PERIIOD (2nd stage) :

Suhu konstan -1oC Sebagian besar air pada bahan mulai

membeku Merupakan titik kritis (untuk memperoleh

kualitas pembekuan yang baik maka ikan harus melewati tahapan ini secepat mungkin)

Lebih dari 50% energi panas dilepaskan dari ikan

..lanjutan 3rd Stage : hampir 75 % air dalam

otot/jaringan berubah menjadi es dan penurunan suhu terus berlanjut