SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 38

IV. RHEOLOGI

PENGANTAR

Rheologi berasal dari bahasa Yunani yaitu rheo dan logos. Rheo berarti mengalir, dan logos

berarti ilmu. Sehingga rheologi adalah ilmu yang mempelajari tentang aliran zat cair dan deformasi

zat padat. Selain itu, rheologi mempelajari hubungan antara tegangan geser (shearing stress) dengan

shearing rate pada cairan, atau hubungan antara strain dan stress pada benda padat. Rheologi erat

kaitannya dengan viskositas. Viskositas merupakan suatu pernyataan tahanan dari suatu cairan

untuk mengalir. Semakin tinggi viskositas, semakin besar tahanannya untuk mengalir. Viskositas

dinyatakan dalam simbol η.

Data rheologi diperlukan dalam evaluasi kualitas produk, perhitungan rekayasa, dan desain

proses. Model rheologi yang diperoleh dari pengukuran eksperimental dapat berguna dalam desain

proses rekayasa makanan jika digunakan bersama dengan daya gerak, energi, dan keseimbangan

massa. Namun pengaruh pengolahan terhadap sifat rheologi harus diketahui selama proses

pengendalian.

TUJUAN

1. Tujuan Instruksional Umum (TIU)

Setelah mempelajari materi dalam modul ini diharapkan mahasiswa dapat memahami

tentang dasardasar reology

2. Tujuan Instruksional Khusus (TIK)

• Mahasiswa memahami tentang viskositas dinamis dan kinematis.

• Mahasiswa dapat menjelaskan perbedaan benda plastic dan viscous

• Mahasiswa dapat menjelaskan fenomena benda dalam klasifikasi rheology, yaitu

pengaruh tegangan geser dan ketergantungan terhadap waktu

4.1. PENDAHULUAN

“Rheology” pertama kali digunakan untuk Eugene C Bingham yang menjelaskan motto

subyek sebagai (“panta rhei’” ) yang berarti “segala sesuatu mengalir (Reiner, 1964).

Pemahaman tentang rheology merupakan hal yang kritis dalam usaha pengembangan optimasi

produk, metode pengolahan dan kualitas produk akhir. Terdapat beberapa area dimana data

rheology diperlukan dalam industry pangan, yaitu:

a. Perhitungan teknik proses yang melibatkan peralatan yang luas seperti perpipaan, pompa,

ekstruder, mixer, pelapis, heat exchanger, homgenizer, dll

b. Menentukan komposisi fungsional dalam pengembangan produk

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 39

c. Pengendalian kualitas bahan setengah jadi dan bahan jadi

d. Pengujian umur simpan

e. Evaluasi tekstur makanan hubugannya dengan data sensori

f. Analisis persamaan rheology

Klasifikasi rheologi dapat ditunjukan pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1. Klasifikasi Rheologi

Penggolongan aliran bahan dibagi menjadi 4, yaitu: (1) Hukum Newton – Viskositas,

(2) Viscous Fluids, (3) Plastic Fluids, dan (4) Time Dependency.

4.2. HUKUM NEWTON - VISKOSITAS

Hukum aliran dari Newton diilustrasikan oleh Gambar 4.2. Diasumsikan gambar tersebut

adalah sebuah balok cairan yang terdiri dari lapisan-lapisan molekul paralel, bagaikan setumpuk

kartu. Jika bidang cairan paling atas bergerak dengan suatu kecepatan konstan, setiap lapisan di

bawahnya akan bergerak dengan suatu kecepatan yang berbanding lurus dengan jarak dari lapisan

dasar yang diam.

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 40

Gambar 4.2. Hukum Aliran Newton

Hal tersebut dapat digunakan istilah sebagai berikut, yaitu Rate of shear () = dv/dy untuk

menyatakan perbedaan kecepatan (dv) antara dua bidang cairan yang dipisahkan oleh jarak yang

sangat kecil (dy) dan Shearing stress (τ ) = F/A untuk menyatakan gaya per satuan luas yang

diperlukan untuk menyebabkan aliran.

........................................................................................................................... (1)

Bentuk mikroskopis persamaan ini merupakan hukum newton viskositas. ...................................................................................................... (2) Dimana:

τyz = shear stress (N/m2),

μ = viscosity (Pa·s),

γ˙yz = shear rate (1/s).

(z menunjukkan arah gaya, y menyajikan arah normal terhadap permukaan dimana gaya bekerja).

Contoh Soal:

Dua plat paralel terpisah 0.1 m. Plat bawah diam sementara bagian atas bergerak dengan kecepatan

V. Fluida diantara plat adalah air yang memiliki viskositas 1 cp.

a) Hitung fluks momentum yang diperlukan untuk mempertahankan gerakan plat atas pada

kecepatan 0.30 m/s,

b) Jika air diganti dengan fluida dengan viskositas 100 cp, fluks momentum tetap konstan,

temukan kecepatan baru plat atas.

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 41

Penyelesaian:

a. µw = 1 cp = 1 x 10-3 Pa.s

Hukum newton viskositas digunakan untuk menentukan shear stress.

Viskositas µ merupakan perbandingan antara Shearing stress F/A dan Rate of shear dv/dy,

Satuan viskositas adalah poise atau dyne detik cm -2, Fluiditas merupakan kebalikan dari viskositas.

Satuan fluiditas adalah centipoise (cps). 1 cps= 0,01 poise.

Viskositas bervariasi dengan suhu. Perbedaan dalam pengaruh temperatur terhadap

viskositas cairan dan gas berhubungan dengan perbedaan dalam struktur molekul tersebut.

Viskositas dari sebagian besar cairan menurun dengan meningkatnya suhu.

Menurut teori Eyring, ada kekosongan dalam bentuk cair (Bird, Stewart, & Lightfoot, 1960).

Molekul terus bergerak ke dalam kekosongan. Proses ini memungkinkan aliran tetapi membutuhkan

energi. Energi aktivitas ini lebih mudah tersedia pada suhu yang lebih tinggi dan aliran fluida dengan

mudah.

1. Fluida Viscous

Sistem cair bersifat untuk merubah bentuk terus menerus dalam pengaruh suatu tegangan.

Hal tersebut dapat digolongkan menjadi 2, yaitu:

a. Newtonian

b. Non – Newtonian

Pemilihan tergantung pada sifat – sifat alirannya, sesuai atau tidak dengan hukum aliran dari

newton.

a. Sistem Newtonian

Pada sistem Newtonian, hubungan antara shearing rate dengan shearing stress adalah

linear, dimana suatu tetapan yang dikenal dengan viskositas atau koefisien viskositas. Tipe aliran ini

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 42

umumnya dimiliki oleh zat cair tunggal serta larutan dengan struktur molekul sederhana dengan

volume molekul kecil.

Tipe aliran yang memenuhi hukum sistem Newton dapat disebut dengan sistem Newtonian,

dimana viskositasnya tetap pada suhu dan tekanan tertentu dan tidak tergantung pada kecepatan

geser, sehingga viskositasnya cukup ditentukan pada satu kecepatan geser seperti yang ditunjukan

pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3. Kemiringan Tegangan Geser

Kemiringan tegangan geser terhadap grafik laju geser yang merupakan viskositas konstan

dan independen dari tingkat geser dalam Sistem Newtonian. Contoh bahan Newtonian adalah gas,

minyak, air, dan sebagian besar cairan yang mengandung air lebih dari 90%. Contoh: teh, kopi, bir,

minuman berkarbonasi, jus buah, dan susu menunjukkan perilaku Newtonian.

b. Sistem Non Newtonian

Pada sistem non-Newtonian, shearing rate dan shearing stress tidak memiliki hubungan

linear, hal tersebut dikarenakan viskositasnya berubah – ubah tergantung dari besarnya tegangan

yang diberikan. Tipe aliran yang tidak memenuhi hukum sistem Newton dapat disebut dengan

sistem Non – Newtonian, dimana fluida shear thinning atau shear thickening mengikuti persamaan

Ostwald-de Waele.

................................................................................................... (3)

Dimana:

k : koefisien konsistensi (Pa.sn)

n : indeks periaku aliran

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 43

Untuk perbedaan shear rate, diamati viskositas yang berbeda. Oleh karena itu, viskositas

semu atau istilah konsistensi digunakan untuk sistem Non – Newton.Variasi viskositas semu dengan

shear rate untuk berbagai jenis sistem Non – Newton yang dapat ditunjukan pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4. Viskositas Semu

Tipe aliran non-Newtonian terjadi pada dispersi heterogen antara padatan dengan cairan

seperti pada emulsi, koloid, dan suspense cair, salep.

Fluida Shear Thinning (Pseudoplastis)

Fluida Shear Thinning (Pseudoplastis) diperlihatkan oleh polimer-polimer dalam larutan, hal

ini berkebalikan dengan sistem plastis, yang tersusun dari partikel-partikel tersuspensi dalam emulsi.

Kurva untuk aliran pseudoplastis dimulai dari (0,0) , tidak ada yield value, dan bukan suatu harga

tunggal.

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 44

Gesekan antar lapisan menurun dengan meningkatnya shear rate. Geseran menyebabkan

perlibatan, molekul rantai panjang lurus dan selaras mengikuti aliran sehingga vikositas menurun.

Rheogram lengkung untuk bahan – bahan pseudoplastis ini disebabkan adanya aksi shearing

terhadap molekul – molekul polimer (atau suatu bahan berantai panjang). Dengan meningkatnya

shearing stress, molekul-molekul yang secara normal tidak beraturan, mulai menyusun sumbu yang

panjang dalam arah aliran. Pengarahan ini mengurangi tahanan dari dalam bahan tersebut dan

mengakibatkan rate of shear yang lebih besar pada tiap shearing stress berikutnya. Seperti cat dan

tinta serta seperti produk pisang murni dan konsentrat jus buah.

Menurut Krokida (2001), menyatakan bahwa koefisien konsistensi k meningkat secara

eksponensial sementara indeks perilaku aliran (n) sedikit menurun terhadap konsentrasi (n ≈ 0.5

untuk produk pulpy, n ≈ 1 untuk jus jernih). Eksponen n meningkat pada saat aliran meningkat

hingga seperti aliran newton. Jika N=1 aliran tersebut sama dengan aliran newton.

Fluida Shear – Thickening

Fluida Shear – Thickening terjadi pada suspensi yang memiliki presentase zat padat

terdispersi dengan konsentrasi tinggi. Terjadi peningkatan gesekan internal dan viskositas semu

dengan meningkatnya shear rate. Jika stress dihilangkan, suatu Fluida Shear – Thickening akan

kembali ke keadaan fluiditas aslinya.

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 45

Pada keadaaan istirahat, partikel – partikel tersebuat tersususn rapat dengan volume antar

partikel pada keadaan minimum. Tetapi jumlah pembawa dalam suspensi ini cukup untuk mengisi

volume ini dan membentuk ikatan lalu memudahkan partikel-partikel bergerak dari suatu tempat ke

tempat lainnya pada shear rate yang rendah. Pada saat shear stress meningkat, bulk dari system itu

mengembang atau memuai (dilate). Hal itu menyebabkan volume antar partikel menjadi meningkat

dan jumlah pembawa yang ada tidak cukup memenuhi ruang kosong tersebut. Oleh karena itu

hambatan aliran meningkat karena partikel-partikel tersebut tidak dibasahi atau dilumasi dengan

sempurna lagi oleh pembawa. Akhirnya suspense menjadi pasta yang kaku.

Dianalogikan orang yang jatuh dalam rawa akan mencoba untuk melepaskan diri sesegera

mungkin, bergerak dalam kepanikan sehingga terjadi geseran tiba-tiba. Dimana semakin mencoba

untuk melepaskan diri, maka gaya yg diperlukan semakin besar. Selain itu, dapat diilustrasikan

dengan berjalan dalam pasir basah di pantai, jika suspensi air – pasir ada untuk beberapa waktu,

maka fraksi kosong yg ditempati air minimal. Namun ada beberapa geseran akan menggangu di

dekat bagian yg padat dan fraksi kosong meningkat. Serta air tidak akan cukup mengisi ruang antara

butiran pasir dan pelumasan yang kurang akan menyebabkan peningkatan ketahanan untuk

mengalir. Seperti pati yang belum dimodifikasi (jagung, gandum, beras, kentang, dll).

4.2. FLUIDA PLASTIK

Pada fluida plastik dapat digolongkan menjadi 2 bagian, yaitu Fluida plastik bingham dan

Fluida plastik non – bingham.

a. Fluida Plastik Bingham

Fluida plastik bingham adalah suatu model pendekatan fluida Non – Newtonian, dimana

viskositas akan sangat tergantung pada shear stress dari fluida tersebut, maka semakin lama

viskositasnya akan menjadi konstan. Fluida tetap rigid ketika shear stress sedikit lebih kecil dari yield

stress (τ0), tetapi mengalir seperti fluida newtonian ketika shear stress melebihi τ0. seperti misalnya:

Pasta gigi, saos tomat, mayonnaise dan kecap. Persamaan untuk fluida plastik bingham ini

ditunjukan oleh persamaan berikut ini:

............................................................................................................. (5)

Viskositas semu untuk fluida bingham plastik dapat ditentukan dengan mengambil rasio

shear stress terhadap shear rate yang sesuai

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 46

............................................ ................................................ (6)

b. Fluida Plastik Non – Bingham

Dalam jenis fluida, sebuah shear stress terendah dikenal sebagai stress yield yang harus

dilampaui sebelum aliran dimulai, seperti dalam kasus fluida bingham plastik. Jadi sama dengan

bingham, namun shear stress vs shear rate tidak linier (bisa shear thinning atau shear thickening).

Namun, grafik shear stress terhadap shear rate tidak linear. Fluida jenis ini baik secara shear thinning

atau shear thickening dengan yield stress. Persamaan untuk fluida plastik non –bingham dalam

model Herschel – Bulkley ini ditunjukan oleh persamaan berikut ini:

............................................................................................................. (7)

Menurut Mukprasirt, dkk (2000) menyatakan bahwa aliran tingkah laku dari tepung beras

berbasis adonan yang digunakan dalam produk gorengan mengikuti model Herschel – Bulkley. Selain

itu yang mengikuti model Herschel – Bulkley, yaitu pasta daging ikan halus, pasta kismis.

Persamaan untuk fluida plastik non – bingham dalam model Casson ini ditunjukan oleh

persamaan berikut ini:

................................................................................................... (8)

Contoh dari model Casson adalah lelehan susu coklat, dimana Casson dapat menghasilkan

nilai stress yang menghubungkan dengan diameter dan luas permukaan spesifik dari padatan tanpa

lemak pada karakteristik aliran lelehan susu coklat, ketika pengaruh pembagian ukuran partikel

padatan tanpa lemak.

2. Time Dependency (Ketergantungan Waktu)

Fluida akan berubah menjadi lebih tipis atau tebal dengan seiring berjalannya waktu, ketika

beberapa fluida tersebut dikenakan shear stress yang konstan. Fluida yang menunjukkan penurunan

shear stress dan viskositas semu terhadap waktu pada shear rate tetap dapat disebut dengan fluida

thixotropic (geseran menipis terhadap waktu). Hal tersebut mungkin dapat disebabkan oleh

kerusakan pada struktur bahan seiring dengan terusnya geseran berlangsung, seperti yang

ditunjukan pada Gambar 4.7. Misalkan sebagai contoh dari jenis fluida, yaitu gelatin, putih telur dan

mentega.

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 47

Gambar 4.7. Perilaku fluida terhadap ketergantungan waktu

Perilaku Thixotropic kemungkinan berubah, baik berubah secara sebagian atau tidak dapat

dirubah sama sekali, ketika shear yang diterapkan dihapus (fluida dalam kondisi istirahat).

Thixotropy yang tidak dapat dirubah disebut dengan rheomalaxis atau rheodestruction. Seperti yang

ditunjukan pada Gambar 4.8.

Gambar 4.8. Perilaku thixotropic pada kurva torsi pembusukan

Perilaku Thixotropic dalam suatu produk dapat dipelajari dengan meningkatkan shear stress

atau shear rate yang disertai oleh penurunan. Jika shear stress diukur sebagai fungsi dari shear rate,

maka nilai awal dari shear rate akan meningkat dan kemudian menurun. Seperti yang ditunjukan

dalam kurva shear stress terhadap shear rate pada Gambar 4.9.

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 48

Gambar 4.9. Shear stress terhadap shear rate

Dalam fluida rheopectic (shear thickening terhadap waktu), shear stress dan viskositas semu

meningkat seiring dengan waktu, yaitu struktur dibangun sebagaimana geseran terus berlangsung.

Bentonit-liat suspensi menunjukkan jenis perilaku aliran. Hal ini jarang diamati dalam sistem pangan.

Contoh yang menunjukan ketergantungan waktu, yaitu pati, gula dan susu. Jadi jika diproses pada

suhu 85 dan 95°C, maka dalam keadaan thixotropic terjadi pada shear stress tinggi diatas 50 Pa. Dan

jika diproses pada suhu 75°C, maka dalam keadaan rheopectic terjadi pada shear stress rendah

dibawah 45 Pa.

Ketika protein kedelai ditambahkan ke jus tomat, terjadi perilaku thixotropic dengan shear

rate tingkat rendah tetapi disertai dengan transisi ke perilaku rheopectic dengan shear rate pada

tingkat yang lebih tinggi (Tiziani & Vodovotz, 2005).

Menurut Isikli dan Karababa (2005), menyatakan bahwa pasta fenugreek yang merupakan

makanan lokal di Turki, memperlihatkan perilaku rheopectic.

Referensi

Bird, R.B., Stewart, W.E., & Lightfoot, E.N. (1960). Transport Phenomena. New York: John Wiley &

Sons.

Isikli, N.D., & Karababa, E.A. (2005). Rheological characterization of fenugreek paste (cemen). Journal of Food Engineering, 69, 185–190.

Krokida, M.K., Karathanos, V.T., & Maroulis, Z.B. (2000). Effect of osmotic dehydration on

viscoelastic properties of apple and banana. Drying Technology, 18, 951–966. Mukprasirt, A., Herald, T.J., & Flores, R.A. (2000). Rheological characterization of rice flour-based

batters. Journal of Food Science, 65, 1194–1199.

SIFAT FISIK BAHAN PANGAN

SFBP: RHEOLOGY 49

Tiziani, S., & Vodovotz, Y. (2005). Rheological effects of soy protein addition to tomato juice. Food

Hydrocolloids, 19, 45–52.

Propagasi

A. Latihan dan Diskusi (Propagasi vertical dan Horizontal)

1. Jelaskan perbedaan benda plastic dan viscous

B. Pertanyaan (Evaluasi mandiri)

1. Apa yang dimaksud dengan fluida newtonian dan non newtonian

2. Apa yang dimaksud dengan fluida bingham dan non bingham

3. Jelaskan klasifikasi flida berdasarkan pada ketergantungan terhadap waktu

C. QUIZ -mutiple choice (Evaluasi)

D. Proyek

Pilihlah satu jenis produk bahan pangan, kemudian carilah jurnal / literature yang

menjelaskan tentang perilaku alirannya, dan review literature tersebut.