Transcript Sifat Fisik Pangan dan Hasil Pertanian (TPP-1712)

Sifat Fisik Hasil Pertanian (TEP-350)
3(2-1)
Dr. Ir. Siswantoro. MP.
1
Kontrak Pembelajaran




Absensi 80%
Selama kuliah HP tdk boleh dibunyikan (boleh dng
digetarkan), dihindari menerima telp/ sms kecuali dianggap
penting & menerima diluar ruangan
Terlambat tdk lebih dari 15 menit
Prosentase nilai
•
•
•
•
Ujian I  30%
Ujian II  30%
Praktikum  20%
Terstruktur (PR, Paper)  20%
2
3
Satuan Dasar


Dimensi dasar untuk sistem utama
pengukuran adalah massa (M), panjang
(L), waktu (T) dan suhu (θ).
Satuan dasar dalam sistem utama,
bersama-sama dengan singkatannya di
dalam kurung seperti pada Tabel 1.
4
Sifat
Sistem SI
Sistem cgs
Massa
kilogram (kg)
gram (g)
Sistim British
(Imperial)
pound (lb)
Panjang metre (m)
centimetre (cm) foot (ft)
Waktu
second (s)
second (s)
second (s)
hour (s)
Suhu
kelvin (K) atau kelvin (K)
degree
degree Celcius
Celsius (oC)
(oC)
Fahrenheit
(oF)
5
A. Pendahuluan
• Cara penanganan & pemrosesan produk
pertanian antara lain scr mekanis, thermis,
elektris, optis, dan lain-lain.
• Pada cara-cara penanganan & pemrosesan tsb
diatas akan diperlukan informasi ttg sifat-sifat
fisik hasil pertanian.
Sifat-sifat fisik hasil pertanian scr umum diperlukan
dalam
• Perancangan alat dan mesin (alsin), proses
serta pengendaliannya
• Analisis dan perhitungan efisiensi
• Pengembangan produk baru
• Evaluasi kualitas produk akhir
6
B. Ciri-ciri fisik produk pertanian
• Bentuk, ukuran, volume, luas permukaan, porositas,
warna dan lain-lain penting dlm hal perancangan alsin
atau analisis perilaku produk dlm proses
penanganannya.
Sebagai contohnya pada proses:
1. Heating & Cooling perlu informasi tentang bentuk &
dimensi untuk membaca kurva serta perhitungan
analisisnya
• Bilangan Biot (NBi)  Bi = h.r/k  kurva suhu
r = dimensi karakteristik  silinder  r = ½ diameter
slab  r = ½ tebal
2. Pneumatic Separation perlu informasi tentang bentuk &
dimensi serta density & luas permukaan bahan hasil
pertanian.
7
Udara & kotoran ringan keluar
Udara & produk masuk
Produk berat
Gambar Pneumatic separator
3. Analisis heat transfer Thermal diffusivity = k/ρ.Cp
4. Pneumatic transport  Bilangan Renault  Re
5. Separation sedimentation  setting velocity
6. Selective harvesting, grading & sortasi warna permukaan produk
8
9
Volume, Densitas dan
Spesific Gravity
10
Pengantar
• Bentuk yang tidak teratur pada kebanyakan
produk pertanian dan pangan, bahan-bahan
berukuran kecil seperti bijian, dan bahan berpori
seperti pellet pakan dan wafer menghadirkan
masalah tertentu dalam pengukuran volume dan
densitas
• Karena bentuk produk tidak beraturan, volume
biasanya ditentukan dengan water displacement
(pemindahan air) atau seed displacement
11
Platform Scale
• Teknik sederhana yang diterapkan pada obyek
berukuran besar seperti buah-buahan dan sayuran
adalah platform scale, digambarkan pada Fig 3.7
12
• Buah-buahan pertama kali ditimbang
dalam udara dan ditekan kedalam air
dengan sinker rod.
• Pembacaan kedua pada skala dengan
buah dicelupkan dikurangi berat wadah
dan air adalah berat air dipindahkan yang
akan dipakai dalam pernyataan untuk
menghitung volume
Volume (m3) =
Berat air dipindahkan (kg)
Densitas air (kg/m3)
13
• Dengan mengetahui berat dalam udara dan
volume, densitas buah selanjutnya diperoleh dari
rasio berat terhadap volume
• Padatan dalam bentuk partikel, seperti biji-bijian
memiliki bulk density dan juga densitas padatan
sendiri (single) yang dipertimbangkan.
• Gas dan uap, tidak seperti padatan dan cairan
adalah dapat dimampatkan (compressible), dan
beberapa pangan seperti es krim mengandung
udara terperangkap.
14
• Densitas suatu bahan setara dengan
massa bahan dibagi dengan volume yang
melingkupinya
densitas =
massa
volume
• Densitas memiliki dimensi [ML-3]
• Dalam satuan sistem SI, diukur dalam
kilogram per kubik meter (kg m-3)
• Biasanya dinyatakan dengan simbol
Yunani rho ( ρ )
15
• Air murni memiliki densitas maksimum
1000 kg m-3 pada suhu 4oC
103 x 103 g
103 kg m-3 =
= 1 g ml-1
106 ml
• Dalam sistem British, densitas diukur
dalam pound per cubic foot (lb ft -3)
• Densitas beberapa padatan dan cairan
umum seperti dalam Tabel 2.1 dan Tabel
2.2.
16
17
18
• Pada kebanyakan kasus engineering,
padatan dan cairan dianggap tidak dapat
dimampatkan (incompressible), seperti
densitas sedikit dipengaruhi oleh suhu dan
tekanan
• Pada kenyataannya, densitas air dan bahan
lain berubah dengan perubahan suhu
• Pada kebanyakan kasus, densitas menurun
ketika suhu naik.
• Tabel 2.3 memperlihatkan perubahan
densitas untuk air, alkohol, dan variasi
minyak goreng pada kisaran suhu dari -20
hingga 80oC
19
20
Densitas Padatan
• Untuk bahan partikel (seperti kacang-kacangan, bijibijian, dan tepung), susu, kopi dan pati, yang menarik
adalah densitas partikel individu (satuan, tunggal) dan
densitas bulk (ruah, kamba, tumpukan) dari bahan yang
memperhitungkan volume celah antara satuan individu
• Densitas padatan atau partikel akan mengacu densitas
satuan individu
• Satuan ini mungkin tidak mengandung pori-pori internal.
• Densitas padatan dinyatakan sebagai massa partikel
dibagi dengan volume partikel dan akan diperhitungkan
adanya pori-pori
21
• Kebanyakan buah dan sayuran
mengandung air 75 – 95%, sehingga
beberapa densitasnya seharusnya tidak
jauh dari nilai densitas air 1000 kg m-3
• Teorinya, apabila komposisi pangan
diketahuai, densitas ρf dapat diestimasi
ρf =
1
m1/ρ1+ m2/ρ2 + m3/ρ3 + ……. + mn/ρn
22
• Dimana ρf adalah densitas pangan,
m1 hingga mn adalah fraksi massa konsituen 1 hingga n,
dan ρ1 hingga ρn adalah densitas konsituen 1 hingga n
(n adalah jumlah konstituen)
• Contoh, untuk apel mengandung air 84,4%, gula 14,55%,
lemak 0,6% dan protein 0,2% (densitas adalah dalam kg
m-3), ρ air = 1000, ρ gula =1590, ρ lemak =925, ρ protein
=1400 kg/m3
hasil ρ apel = 1064 kg m-3
1

 1064kg / m3
(0,844/ 1000)  (0,1455/ 1590)  (0,006/ 925)  (0,002/ 1400)
23
• Tetapi, nampak ada keganjilan disini,
karena apel biasanya mengapung pada air.
• Mohsenin (1970) menyatakan angka 846
kg m-3 pada 29oC
• Sehingga, ada jumlah udara terperangkap
dalam pori-pori yang harus diperhitungkan.
• Udara ini akan hilang ketika blanching
24
• Apabila fraksi densitas dan volume
diketahui, densitas dapat dievaluasi dari
ρf = V1ρ1 + V2ρ2 + V3 ρ3 + ….+ Vn ρn
Dimana V1 hingga Vn adalah fraksi volume
konstituen 1 hingga n dan
ρ1 hingga ρn adalah densitas konstituen 1
hingga n
25
• Densitas buah-buahan dan sayuran beku adalah lebih
rendah daripada segarnya
• Densitas padatan dapat ditentukan dengan prinsip flotasi,
menggunakan cairan yang diketahui densitasnya.
• Densitas padatan berguna pada proses pemisahan/separasi
dan transportasi pneumatic dan hydraulic powder dan
partikel
26
Bulk Density
• Ketika pencampuran, pemindahan,
penyimpanan dan pengemasan bahan partikel
seperti tepung, adalah penting untuk
mengetahui sifat bahan meruah (bulk)
• Ketika padatan dituangkan kedalam wadah,
volume total terambil akan mengandung bagian
proporsi udara
• Porositas (ε) bahan terwadahi adalah fraksi
volume total yang diisi oleh udara
27
28
porositas (ε) =
Volume udara
Volume total
• Porositas akan dipengaruhi oleh geometri,
ukuran, dan sifat permukaan bahan
• Ketika wadah diketuk-ketuk, volume total dan
juga porositas akan menurun, hingga akhirnya
sistem mencapai volume kesetimbangan
• Densitas bahan bulk pada kondisi ini umumnya
disebut bulk density
29
• Bulk density bahan selanjutnya akan
tergantung sejumlah faktor, meliputi
densitas padatan, geometri, ukuran dan
sifat permukaan dan serta metoda
pengukurannya.
• Biasanya bulk density ditentukan dengan
menempatkan jumlah powder diketahui
beratnya (20 g atau 50 g kedalam silinder
pengukur, diketuk-ketuk silinder dan
ditentukan volume bulk
30
Bulk density =
Massa
Volume bulk
• Tabel 2.6 memperlihatkan rerata nilai bulk
density untuk bahan pangan dalam bentuk
powder
31
32
• Tabel 2.7 memperlihatkan beberapa nilai bulk
density untuk buah dan sayuran
33
• Tabel 2.8 mencakup densitas padatan, bulk
density dan kadar air untuk serealia terpilih.
• Nilai kisaran menggambarkan varietas berbeda
yang diukur
34
Hubungan antara porositas, bulk density
dan densitas padatan
Hubungannya diberikan dengan
porositas ε =
volume udara
volume sampel bulk
=
Volume sampel bulk – volume padatan sebenarnya
Volume sampel bulk
35
=1–
Volume padatan
Volume bulk
m = V. ρ  V = m/ρ
Massa padatan dan massa bulk adalah
setara, sehingga
porositas = 1 –
bulk density
densitas padatan
36
=1–
ρb
ρs
ρs – ρb
=
ρs
• Porositas dapat dinyatakan sebagai fraksi
atau persentase.
• Persamaan ini dapat dipakai untuk
padatan atau tanpa pori-pori internal
37
Densitas Cairan dan Spesific Gravity
• Air memiliki densitas maksimum 1000 kg
m-3 pada 4oC
• Suhu naik diatas 4oC, densitas akan turun
• Penambahan padatan pada air akan
menaikkan densitas (kecuali lemak)
• Pengukuran densitas dapat dipakai untuk
substansi murni sebagai indikasi padatan
total
38
• Namun demikian, sering lebih tepat untuk
mengukur spesific gravity SG suatu cairan
SG =
=
massa cairan
massa air dengan volume setara
densitas cairan ρL
densitas air ρw
39
Caution ….
Densitas = berat jenis
Specific gravity = bobot jenis
40
• Spesific gravity adalah tidak berdimensi
“dimensionless”
• Spesific gravity suatu fluida berubah lebih
sedikit dibandingkan densitas, ketika suhu
berubah
• Apabila specific gravity bahan diketahui
pada suhu ToC, densitas pada ToC adalah
ρL = (SG)T x ρw
41
• Dimana
ρL adalah densitas cairan pada ToC
(SG)T adalah specific gravity pada ToC,
ρw adalah densitas air pada ToC (Tabel)
• Specific gravity diukur dengan tepat
menggunakan botol densitas, pycnometer
atau hydrometer
42
1. Botol densitas
• Botol densitas (gambar samping)
dapat dipakai untuk menentukan
specific gravity cairan yang tidak
diketahui dan padatan partikel yang
disediakan bahwa padatan tidak larut
di dalam cairan.
• Harus diperhatikan bahwa udara
harus dihilangkan dari dalam botol
ketika cairan ditambahkan ke padatan.
43
• Pembacaan berikut diambil
w1 berat botol kosong
w2 berat botol penuh dengan air
w3 berat botol penuh dengan cairan
w4 berat botol plus padatan
w5 berat botol plus padatan plus cairan untuk
mengisi
Specific gravity cairan sebanding dengan
w3 – w1
w2 – w1
= berat cairan/ berat air
44
• Berat padatan adalah w4 – w1, dan
• Berat cairan memiliki volume setara dengan
padatan adalah w3 – w1 – (w5 – w4)
• Sehingga specific gravity padatan setara dengan
w4 – w1
w3 – w1
w3 – w1 – (w5 – w4) w2 – w1
Berat padatan
x specific gravity cairan
Berat cairan dng volume setara
• Toluene direkomendasikan sebagai solven yang
cocok untuk penentuan specific gravity bahan 45
2. Hidrometer
• Hidrometer berat konstan bekerja
dengan prinsip bahwa badan
mengapung menggantikan berat
fluidanya
• Diagram hidrometer sebagaimana
pada gambar
• Instrumen diletakkan dalam fluida
dan densitas fluida dibaca dari
skala batangannya
46
Volume dasar batang adalah V
Luasan penampang melintang batangan A
Berat hidrometer W
Ketika dicelupkan kedalam cairan dengan densitas ρ,
panjang batangan tercelup x
Sehingga, volume cairan digantikan adalah Ax + V
Berat cairan tergantikan setara dengan ρ(Ax + V),
dengan menggunakan prinsip flotasi setara dengan W
Sehingga,
ρ=
W
Ax + V
Hidrometer adalah mudah penggunaan, dan tersedia
dengan kisaran ukuran 1,00-1,100 dan 1,100-1,200
untuk apliasi yang berbeda
47
3. Nilai densitas cairan
• Spesific gravity larutan sukrosa jika kekuatan
berbeda terlihat pada Tabel 2.10.
48
• Tabel 2.12 menunjukkan spesific gravity dan
gliserol
49
• Tabel 2.13 menunjukkan specific gravity garam
sodium chloride dan calcium chloride
50
• Informasi mengenai hubungan densitas
dan specific gravity terhadap konsentrasi
dapat dipakai untuk membuat larutan
dengan densitas berbeda untuk
menentukan densitas bahan pangan
padat, menggunakan prinsip flotasi
• Densitas fluida dimana padatan nampak
tidak tenggelam atau mengapung dicatat
51
• Nilai densitas rerata dan kandungan padatan total
diberikan untuk varietas juice buah-buahan, pada
Tabel 2.14
52
4. Densitas susu
• Densitas susu sapi biasanya berkisar 1025-1035
kg m-3
• Densitas penyusun padatan masing-masing
terdiri dari lemak (930 kg m-3), air (1000 kg m-3),
MSNF (1614 kg m-3)
• British Standar 734 memberikan informasi
hidrometer densitas untuk penggunaan pada
susu
• Ada tabel untuk menentukan padatan total susu,
mengetahui specific gravity dan kandungan
lemak
• Juga disajikan tabel koreksi suhu
53
• Kandungan lemak berkisar antara 1% dan 10%,
dan penentuan padatan total berdasarkan
persamaan
CT = 0,25D + 1,21F + 0,66
dan,sesuai dengan British Standard 734
= 0,25D + 1,22F + 0,72
Dimana,CT adalah konsentrasi padatan total (w/w),
D = 1000 (SG – 1),
SG adalah specific gravity dan F adalah
persentase lemak
54
• Sehingga susu pada 26oC dengan kadar lemak
3,5% dan specific gravity 1,032 akan dikoreksi
dengan nilai 1,0322 pada 20oC, dan memiliki
padatan total 13,05 sesuai dengan British
Standard 734.
• Nilainya sedikit lebih rendah menggunakan
persamaan sebelumnya
• Padatan total biasanya dinyatakan terdekat
dengan 0,05%
• Komposisi dan faktor lain, seperti rasio lemak
padat dengan cair, dan tingkat hidrasi protein,
yang mempengaruhi densitas susu, susu
evaporasi dan krem telah dipelajari
55
Gas dan Vapor (uap)
• Gas dan uap adalah compressible, dan
densitasnya dipengaruhi oleh suhu dan
tekanan
• Pada kondisi moderat, kebanyakan gas
memenuhi persamaan gas ideal
pVm = RT
Dimana;
p (N m-2) adalah tekanan,
Vm (m3 kmol-1) adalah volume molar,
R=8,314 kJ kmol-1K-1 adalah konstanta gas,
T (K) adalah suhu
56
• Berat molekul gas dinyatakan dalam
kilogram (1 kmol), menempati 22,4 m3
pada 273 K dan 1 atm
• Contoh, udara 29 kg menempati volume
22,4 m3 pada 273 K dan 1 atm, sehingga
densitas udara =
=
massa
volume
29
22,4
= 1,29 kg m-3
57
• Pada 100oC dan 1 atm,
V1
T1
=
V2
T2
• Sehingga
volume baru = 22,4 x
densitas baru =
=
373
273
= 30,605 m3
massa
volume
29
30,605
=0,945 kg m-3
58
• Densitas beberapa gas umum diberikan pada Tabel
2.15
• Nilai sesuai dengan yang dihitung menggunakan
persamaan gas ideal
59
• Dengan fluida termodinamika seperti steam dan
refrigeran, sering dibuat referensi pada volume
spesifik Vg
• Ini adalah volume diisi oleh massa unit uap air,
yang merupakan kebalikan densitas
• Uap air jenuh pada 1,013 bar (100oC) memiliki
volume spesifik 1,67 m3 kg-1, sedangkan pada
oC akan memiliki volume spesifik 106,43 m3 kg10
1
• Ini menunjukkan bahwa uap memiliki volume
spesifik sangat besar pada tekanan berkurang
• Konsekuensinya, pada operasi melibatkan
penghilangan uap air pada tekanan rendah,
seperti evaporasi vakum atau freeze drying,
pompa vakum diperlukan cukup besar untuk
menangani produk bervolume besar
60
Densitas Produk Teraerasi:
Overrun
• Beberapa pangan yang dikenal baik dibuat
dengan inkorporasi udara kedalam cairan dan
membentuk busa
• Pada sistem ini, udara adalah fase terdispersi
dan cairan fase kontinyu
• Busa terstabilisasi oleh agen aktif permukaan
yang mengumpul pada interface
• Contoh foam adalah campuran cake, krim,
dessert
• Memasukkan udara akan mengurangi densitas
produk
61
• Jumlah udara terinkorporasi dinyatakan dengan
istilah over-run, biasanya sebagai persentase,
over-run =
peningkatan volume
volume asli
x 100
volume busa – volume asli cairan
=
x 100
volume cairan
• Sebagai contoh, dengan es krim, volume busa
mengacu pada volume akhir es krim, dan volume
cairan terhadap volume campuran asli
62
• Pada prakteknya, over-run adalah paling mudah
ditentukan dengan mengambil wadah dengan volume
tertentu, menimbangnya penuh dengan cairan dan busa
akhir
• Pada kasus ini over-run ditentukan sebagai berikut
over-run =
berat cairan asli – berat busa dng volume yg sama
x 100
berat busa dng volume yg sama
• Faktor-faktor yang mempengaruhi over-run pada es krim
termasuk seperti padatan total dan tipe freezer dipakai
• Secara umum, semakin tinggi kandungan padatan total,
semakin besar kemungkinan over-run
• Beberapa orang berpendapat, over-run harus diantara 2
dan 3 kali kadar padatan total
63
• Nilai untuk es krim, umumnya berkisari antara
40% (lunak) 100% (keras)
• Beberapa nilai ditampilkan pada Tabel 2.16
• Terlalu banyak udara akan menghasilkan produk
snowy fluffy unpalatable, dan terlalu sedikit
memberikan produk soggy heavy
64
• Untuk krim olesan, diinginkan over-run
100-120%
• Selain over-run, juga penting mengukur
kstabilan busa pada periode waktu
• Perlu dicatat, bahwa es krim dijual dalam
volume, daripada dalam berat
• Sehingga produsen tertarik untuk
memperoleh over-run semaksimal
mungkin
65