Transcript Prinsip Fisika Kimia dalam Pembekuan

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 Pembekuan
Pembekuan mencakup penurunan suhu suatu bahan
dari suhu refrigerasi (0-2oC) ke suhu yang jauh lebih
rendah dari titik beku
Faktor 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 berbedabeda, 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) :
o
 Suhu konstan -1 C
 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