Mekanisme Pembekuan

 

Pembekuan merupakan salah satu metode terbaik untuk pengawetan bahan pangan dalam jangka waktu yang lama (Sun, 2006). Air dalam bahan pangan terdapat dalam dua keadaan, istilah yang sering digunakan adalah air bebas dan air terikat. Air dalam bahan pangan terikat secara kuat pada struktur kimia komponen bahan pangan yang mengandung atom O dan N seperti karbohidrat, protein (Winarno,2004). Ikatan hydrogen menghubungkan air dengan senyawa lainnya misalnya dengan grup hidroksil dari polisakarida, dan amino dari protein. Air terikat tidak dapat membeku pada proses pembekuan. Proporsi air terikat yang tidak membeku (unfrozen phase) pada setiap bahan pangan berbeda. Pada suhu penyimpanan beku - 20^oC, proporsi air yang tidak membeku sekitar 88% pada daging kambing beku, 91% pada ikan beku, dan 93% pada albumin telur (Hariyadi, 2007).

Air bebas adalah air yang menunjukkan sifat fisis dan kimia air yang cair dan membeku sesuai dengan kondisi larutannya. Air bebas terdapat dalam ruang antar sel, pori-pori bahan, selain itu air bebas dapat dimanfaatkan untuk pertumbuhan mikrobia dan media bagi reaksi kimiawi (Winarno, 2004). Pengurangan jumlah air bebas dalam bahan pangan diharapkan dapat memperbaiki kualitas pangan yang dibekukan (Desrosier dan Tressler, 1977). Berikut ini adalah gambar ilustrasi jenis air dalam bahan pangan dan perubahannya setelah pembekuan.

Gambar 2.1. Ilustrasi Struktur Air dalam Bahan Pangan

Pada gambar 2.1. terlihat perbedaan stkutur air (H₂O) berbentuk v dan struktur kristal es yang berbentuk heksagonal. Air adalah sebuah molekul yang terdiri dari 1 (satu) atom O (oksigen) dan 2 atom H (hidrogen) yang berikatan melalui ikatan kovalen. Es adalah molekul air yang tersusun sedemikian rupa sehingga satu atom H terletak diantara satu sisi atom O membentuk suatu heksagonal simetris (Winarno, 1994). Struktur kristalin pada es terbentuk karena adannya ikatan hydrogen antar molekul air. Molekul air mempunyai kemampuan untuk membentuk 4 ikatan hidrogen sehingga molekul air menyusun struktur kristalin membentuk 6 sisi simetris. Penurunan suhu memberikan peningkatan yang besar terhadap terbentuknya ikatan hydrogen karena peningkatan tekanan permukaan (Sun, 2006).

Menurut Kennedy (2000), proses pembekuan dibagi 2 tahap penting yakni pembentukan kristal es (nukleasi) dan peningkatan ukuran kristal (pertumbuhan kristal). Perubahan air menjadi bentuk kristalin membutuhkan suatu inti untuk inisiasi atau disebut nuclei. Nukleasi adalah penggabungan molekul sesuai dengan molekul yang dibutuhkan dalam ukuran yang cukup untuk bertahan dan menyediakan suatu nuclei atau inti untuk pertumbuhan kristal (Fennema, et al.,1973). Nukleasi terjadi dengan driving force yakni terjadinya supercooling (perbedaan suhu awal sampel hingga suhu equilibrium). Supercooling yang besar menghasilkan nuclei dalam jumlah banyak. Pembentukam kristal es terjadi setelah nukleasi, molekul air akan bergabung dengan nuclei yang sudah terbentuk (Martino et al.,1998). Nukleasi sangat penting untuk menginisiasi pembekuan dengan demikian suhu dapat diturunkan dibawah 0⁰C tanpa terjadi kristalisasi. Laju pembekuan cepat membentuk inti kristal yang kecil dan tersebar (Kennedy, 2000).

Proses pembekuan terjadi secara bertahap dari permukaan sampai pusat bahan. Hariyadi (2007) menyatakan bahwa suhu dimana pada produk yang dibekukan mulai terjadi pembentukan kristal es disebut sebagai titik beku awal (initial freezing point) produk. Menurut Desrosier (1970), titik beku pada cairan adalah suhu dimana cairan equilibrium dengan padatan. Titik beku larutan lebih rendah dari pelarut murni. Apabila dalam larutan mengandung lebih banyak garam, gula, mineral, dan protein, akan menyebabkan titik beku lebih rendah dan membutuhkan waktu yang lebih lama untuk membeku. Titik beku makanan lebih rendah dari air murni. Makanan tidak mempunyai titik beku yang pasti tetapi akan membeku pada kisaran suhu tergantung pada kadar air dan komposisi bahan pangan ( kandungan zat padat seperti protein, gula, garam ) (Buckle, et al., 1985 ).

Selama proses pembekuan, profil penurunan suhu pada produk pangan berbeda dengan profil penurunan suhu yang terjadi pada proses pembekuan air murni. Hal ini disebabkan karena adanya kandungan zat padat dalam bahan pangan seperti garam, protein, gula., sebagian air dalam bentuk terikat dengan komponen tersebut sehingga laju pembekuan pada bahan pangan lebih rendah dari air murni. Apabila selama proses pembekuan dilakukan pengukuran dan pencatatan suhu pada pusat produk pangan, maka akan diperoleh kurva pembekuan dengan karakteristik khas, sebagaimana disajikan pada gambar 2.2

Gambar 2. 2. Kurva pembekuan air murni dan kurva pembekuan bahan pangan

Keterangan

tf = waktu pembekuan,

Tf,w = titik beku air murni,

Tf,f = titik beku produk pangan,

Tm = suhu medium pembekuan.

Sumber : Hariyadi, (2007)

Secara umum, produk pangan mempunyai titik beku selalu lebih rendah dari 0^oC. Pada awal proses pembekuan, terjadi fase precooling/ supercooling dimana suhu bahan diturunkan dari suhu awal ke suhu titik beku. Pada tahap ini semua kandungan air bahan berada pada keadaan cair. Setelah tahap precooling terjadi tahap perubahan fase, pada tahap ini terjadi pembentukan kristal es (Heldman dan Singh, 1981).

Setelah terjadi supercooling, proses pembekuan air menjadi es terus terjadi pada titik bekunya. Namun demikian, selama proses pembekuan itu, sebagaimana diilustrasikan garis CD yang menurun, terjadi penurunan titik beku produk yang disebabkan karena adanya peningkatan konsentrasi padatan pada fraksi produk yang belum beku. Proses ini terus berlangsung sampai sebagian besar air pada produk pangan telah berubah menjadi es (kristalisasi). Proses ini akan berhenti ketika padatan (komponen pangan) menjadi lewat jenuh (supersaturated). Panas laten kristalisasi dilepas dan suhu mulai meningkat (DE) mencapai suhu eutectic dari padatan tersebut. Pada saat ini (EF) proses kritalisasi air terus berlanjut. Mula-mula terjadi pembentukan kristal es yang biasanya berlangsung cepat pada suhu dibawah 0 ^oC. Pada suhu yang lebih rendah lagi, maka pembesaran kristal-kristal es dihambat karena kecepatan pembentukan kristal es meningkat.

Total waktu (tf) yang diperlukan untuk bergerak dari C-F (sering disebut sebagai daerah “freezing plateau” ditentukan oleh seberapa cepat laju pengambilan panas. Selanjutnya (FG)– suhu produk (yang merupakan campuran es-air) terus menurun mendekati suhu pembeku (Tm).