Mempelajari Kondisi Operasi dan Karakteristik Pengeringan Beku Pasta Cabe Jawa (Piper retrofractum Vahl)
MEMPELAJARP KONDISI OPERAS1 DAN
KARAKTERISTIK PENGERINGAN BEKU PASTA
CABE JAWA (Piper retrofractunz VultS)
Olell :
WSDIYANI
TEP 97197
PROGRAM STUD1 ILMU KETEKNIKAN PERTANIAN
PROGRAM PASCASARJANA
INSTITUT PERTANAN BOGOR
2002
-
sesungguhnya dalam pencipfaan langit dan bumi, silih berganfinya malam da
siang, bahtera yang berlayar di laut membawa apa yang berguna bagi manusia,
dan apa yang ALLAH turunkan dari langif berupa air, lalu clengan air itu Dia
hidupkan bumi sesudah mafi(kering)-nya dan Dia sebarkan di bumi ifu segala
jenis hewan, dan pengisaran angin dan awan ysng dikendaliken anfara langif da bumi; sungguh ferdapat fanda-fanda keesaaan dan kebesaran ALLAH bagi kaur.
yang memikirkan.
(Al-Baqarah (2) : 164)
D a n sesungguhnya telah Kami mudahkan Al-Qur'an untuk pelajaran,
maka adakah orang yang mengambii peiajaran?
(A/-Qamar (54) : 17)
I
Karya ini kupersembahkan untuk yang tercinta,
Ananda Buah hafi, spirif hidup, harapan masa depan,
PANCAR PRIANGGA PUTRA NEGARA dan
PROUDHIA PERKASA P W R A NUSANTARA,
Suami fercinfa; atas cinta, dorongan , mofivasi, dan pengorbanan,
DRS. AHMAD &GDM dan
seluruh keluarga besar
PARTO RAHARJO dan D. HOLLA
MEMPELAJARI KONDISI OPERAS1 DAN
KARAKTERISTIK PENGERINGAN BEKU PASTA
CABE JAWA (Piper retrofraciurn Valzl)
Oleh :
KISDlYANI
TEP 97197
Tesis sebagai salah satu syarat memperoleh
Gelar Magister Sains pada Program Pascasarjana
lnstitut Pertanian Bogor
\,
PROGRAM STLDI E M U KETEKNLKAN PERTANIAnT
PROGRAM PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
SURATPERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis yang berjudul :
MEMPELAJARI KONDlSl OPERAS1 DAN KARAKTERISTIK PENGERINGAN BEKU PASTA CAB€ JAWA ( Piper Retrofractum Vahl.)
adalah benar merupakan hasil karya saya sendiri dan belum pernah
dipublikasikan. Semua sumber data dan informasi yang digunakan telah
dinyatakan secara jelas dan dapat diperiksa kebenarannya.
Bogor, Februari 2002
TEP 97197
ABSTRAK
Kisdiyani.
TEP
97197.
MEMPELAJARI
KONDlSl
OPERAS1
DAN
KARAKTERISTIK PENGERINGAN BEKU PASTA CABE JAWA (Piper
refrofracfum Vahl). Di bawah bimbingan DR. Ir. Armansyah H. Tambunan
(Ketua), DR. Ir. Sutrisno (Anggota) dan DR. IF. Purwiyatno Hariyadi (Anggota).
Untuk memperoleh mutu hasil pengolahan yang baik terhadap tanaman obat,
khususnya cabe jawa, digunakan teknik pengeringan beku dalam proses pengeringan.
Percobaan dilakukan dengan dua perlakuan yaitu 3 tingkat laju pembekuan dan
3 tingkat tekanan untuk mempelajari kondisi operasi dan karakteristik pengeringan
beku cabe jawa yang berbentuk pasta.
Asumsi yang digunakan pada analisa data adalah pindah panas dan pindah
massa yang terjadi berlangsung satu arah dan bahan dianggap berbentuk lempeng
tak hingga.
Proses pengeringan beku diawali dengan proses pembekuan bahan dengan
metode lempeng sentuh, dilanjutkan dengan proses pengeringan primer dan
pengeringan sekunder.
Hasil percobaan menunjukkan bahwa semakin tinggi tekanan dan laju pembekuan yang diberikan maka semakin besar nilai konduktivitas bahan. Hal ini
rnengakibatkan waktu pengeringan beku semakin cepat. Selanjutnya, diperoleh
bahwa sernakin tinggi tekanan yang diberikan maka semakin besar nilai permeabilitasnya. Sedang peilakuan laju pernbekuan memberikan kecenderungan yang
kurang pasti terhadap permeabilitas. Proses sublimasi yang memanfaatkan panas
konduksi lebih dari 90% dicapai bila tekanan yang digunakan adalah tinggi.
Dari segi mutu, dengan metode standar Materia Medika Indonesia (MMI) maka
pengeringan beku mernberikan hasil yang lebih baik dibanding dengan metode
pengeringan oven dan memenuhi standar MMI. Dengan metode spektrometri massa,
pengeringan beku menghasilkan kadar piperin 19% !ebih tinggi dibanding dengan
metode pengeringan oven.
Dengan analisa GC-MSD diperoleh bahwa pengeringan beku dengan tekanan
47,98 Pa mampu mempertahankan 10 senyawa yang terkandung dalam cabe jawa,
sedang pada tekanan 75,98 Pa sebanyak 9 senyawa dan tekanan 23,39 Pa
sebanyak 8 senyawa.
Judul
: MEMPELAJARI KONDlSl OPERAS1 DAN KARAKTERlSTlK PENGERINGAN BEKU PASTA CABE
JAWA (Piper retrofractum Vahl)
Oleh : Kisdiyani
NRP : 97197
Menyetujui,
Ketua Komisi
bimbing
-Dr. Ir. Armansyah H Tambunan. MAqr
NIP. 131 667 791
Dr. Ir. Sutrisno, MAnr
Anggota
Ketua Program Studi
Tanggal lu{us : 15 Februari 2001
PRAKATA
Puji syukur ke hadirat ALLAH SWT atas segala rahmat dan kekuatan yang
diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini.
Tesis ini disusun berdasarkan penelitian yang telah dilakukan. Penulis berharap
tulisan ini dapat memberikan gambaran rnengenai pengeringan beku, pindah panas
dan massa, serta mutu hasil pengeringan beku cabe jawa.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam tulisan ini, namun semoga
karya ini tetap memberi manfaat bagi pembaca.
Dalam kesempatan ini penulis ingin rnenyampaikan ucapan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada :
1. DR. ir. Armansyah H. Tambunan, selaku ketua komisi pembimbing sekaligus
dosen penguji atas segala motivasi, pengertian dan semua bantuannya,
2. DR. Ir. Sutrisno, selaku anggota komisi pembimbing sekaligus dosen penguji
atas segala dorongan dan bimbingannya,
3.
DR. Ir. Purwiyatno Hariyadi, selaku anggota komisi pembimbing sekaligus
dosen penguji atas segala bantuan dan bimbingannya,
4.
Dewan Riset Nasional RUT IV tahun anggaran 1998-2000 dan BPPS Dikti
Depdiknas atas bantuan dananya,
5. Abdul Kodir, Yenny serta Suandi, we are the best team !!!
6.
Prihanani, Arista, Niki dan Tiwi, atas dorongan dan spiritnya,
7.
Rekan-rekan TEP '97 : M. Solahudin, Doddy, Yose, Edi J, d m Domma,
8.
Rekan-rekan TEP S3: Bambang, Momon, Amin, Edwart, Trisasiwi, Wuryani,
9.
Muti dan Yuspidallping atas dukungan dan motivasinya,
10. Suharto, selaku teknisi di Lab. Pindah Panas dan Massa,
11. Hernani, Bapak Eko dan Tri Tiyaningsih selaku peneliti Balittro,
12. Linda dan Erna, selaku peneliti di Lab. Doping Depkes Jakarta,
13. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu atas segala duku-
ngannya.
Bogor, Februari 2002
Penulis
Penulis dilahirkan di Klaten pada tanggal 12 Nopember 1968 dari seorang
bapak bernama Parto Raharjo dan ibu bernama Jumirah. Penulis menyelesaikan
pendidikan Sekolah Dasar di SDN Balapan no 30 Solo pada tahun 1981 dan
Sekolah Menengah Pertama di SMPN 4 Solo pada tahun 1984. Tahun ajaran 19841985 penulis melanjutkan sekolah di SMA Muhammadiyah 1 Solo dan sejak tahun
ajaran 1985-1988 penulis bersekolah di SMAN 2 Solo sampai lulus pada tahun
1988.
Sejak tahun 1988 penulis tercatat sebagai mahasiswa di IPB jurusan
Mekanisasi Pertanian dan dinyatakan lulus pada tanggal 11 Januari 1993.
Sejak tahun 1994 penulis bekerja sebagai staf pengajar di Universitas Sahid
Jakarta pada Fakultas Teknik sampai saat ini.
Pada :shun 1997 penulis
berkesempatan menuntut ilmu di Program Pascasarjana IPB pada prograni studi
llmu Keteknikan Pertanian dan dinyatakan lulus pada tanggal 15 Februari 2001.
Penulis menikah dengan Drs. Ahmad Hadiri pada tanggal 20 April 1996 dan
kini dikaruniai dua orang putra bernama Pancar Priangga Putra Negara, January
Eighteen (Alm) dan Proudhia Perkasa Putra Nusantara.
DAFTAR IS1
Dafiar Isi.............................................................................................................i
...
Daftar Tabel...........................,.............................................................III
Daftar Gambar .................................................
................................. ................ iv
Daftar Lampiran.. . ..................... ...... ...... ...... ... ...... ... .............................,vi
...
Dafiar Simbol.. . ... ............... ...... ... ......... ... ...... .......... ......... ...... ..... .. .....VIII
PENDAHULUAN
Latar Belakang .................................................................................................. 1
Tujuan Penelitian ................................................................ ........... ................... 4
TINJAUAN PUSTAKA
Cabe Jawa (Piper retrofractum'VAHL.) ....... ....... . . ... ......... . ................. ..... . . ........ 6
Pengeringan Beku............................................................................................. 5
Proses Pirtdah Panas dan Massa.. . ... ... ..... .................................................... I 5
PENDEKATAN TEORlTlS
Teoritis Pengeringan Beku Model Slab.................. ... ...... ............................... 19
Aliran Panas Selama Pengeringan Beku............... ... .................. . .. ... ... .....22
METODOLOGI
Tempat dan Waktu Penelitian.............................. ... .......................................
25
Bahan, Alat dan Metode.................................................................................25
Pengamatan dan Kajian............ ............ ............. ............................................3 1
HAS11 DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Pengeringan Beku..............................................................38
Profil Suhu dan Laju Pembekuan................... ...... ...................................38
Profil Suhu dan Laju Pengeringan..................... ............................... .......41
52
Proses Pindah Panas dan Massa...........................................................
Pengaruh Kondisi Operasi Terhadap Nilai Konduktivitas Panas dan
Permeabilitas Uap air ..........................................................................53
Aliran Panas Selama Pengeringan Beku.................................................. 58
Pengaruh Kondisi Operasi Terhadap Mutu Hasil Kering Beku Pasta Cabe
Jawa ...............................................................................................-63
Porositas Bahan Kering Beku................................................................63
Mutu Hasil Pengeringan Beku................................................................65
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan......................................................................................... 69
Saran ................................................................................................. 71
DAFTAR PUSTAKA ................................................................... -72
Lampiran ...................................................................................75
DAFTAR TABEL
No
1.
Teks
Halarnan
Kisaran Konduktivitas Termal Bahan Hasil Pengeringan Beku.........5
2. Kadar Kandungan Air. Piperin. dan Minyak Atsiri ......................... 9
3.
Perbedaan Metode dan Mutu Produk Antara Pengeringan Konvensional Dan Pengeringan Beku........................................................ 16
4.
Periakuan yang Diberikan dalarn Penelitian................................. 30
5.
Kondisi Pembekuan Cabe Jawa ................................................. 41
6.
Kondisi Pengeringan Beku Cabe Jawa.......................................44
7.
Nilai Konduktivitas Panas dan Perrneabilitas Cabe Jawa ................ 53
8.
Efisiensi Energi Selarna Proses Pengeringan Beku........................ 61
9.
Hasil Perhitungan Energi Sublirnasi dan Sensibel Cabe Jawa .......... 62
10. Aliran Panas aan Pengaruh Tekanan dan Laju Pernbekuan Selarna
Pengeringan Beku...................................................................62
11. Ukuran Pori Bahan Kering Beku dan Kering Oven.........................65
12. Hasil Analisa Mutu Cabe Jawa ................................................... 66
13. Fragmentasi Senyawa-senyawa Cabe Jawa .................................68
DAFTAR GAMBAR
No
Halaman
Teks
1.
Bentuk Tanaman dan Buah Cabe Jawa.....................................7
2.
Hubungan antara Suhu dan Tekanan Uap Air ............................. 13
3.
Perpindahan Panas & Massa selama Proses Pengeringan Beku....15
4.
Skema Fluks Panas dan Massa Selama Pengeringan Beku pada
Sampel...............................................................................19
5.
Sampel Holder dan Titik Pengukuran Suhu untuk Menganalisa
Sifat Konduktivitas Panas dan Permeabilitas Lapisan Kering
Selarna Pengeringan Beku......................................................
26
6.
lnterpolasi Penentuan L a j Pergerakan
~
Lapisan Kering pada Kondisi
.......................................................
AwaVAkhir dan Selainnya
33
7.
Sebaran Suhu Cabe Jawa Selama Pernbekuan...........................39
8.
Sebaran Suhu Cabe Jawa Selarna Pengeringan Beku .................. 42
9.
Tahapan dalarn Pengeringan Beku ............................................ 43
10. Pengaruh Tekanan Terhadap Waktu Pengeringan......................45
11. Pengaruh Laju Pembekuan Terhadap Waktu Pengeringan Beku ....46
12. Proses Pengeringan Beku Pada Pasta Cabe Jawa .....................47
13. Penurunan Kadar Air Bahan Akibat Berbagai Perlakuan yang
Diberikan............................................................................. 49
14. Karakteristik Kuiva Pengeringar,............................................. -50
15. Laju Pengeringan dengan Berbagai Perlakuan yang Diberikan.......51
16. Laju Pengeringan. Pergerakan Lapisan Kering dan Fraksi Air
........52
17. Sebaran Nilai Konduktivitas Panas dengan Tekanan 23.99 Pa.......55
18. Pengaruh Tekanan Terhadap Nilai Konduktivitas Panas
...............56
19. Pengaruh taju Pembekuan Terhadap Nilai Konduktivitas Panas
Cabe Jawa .........................................................................-57
20. Sebaran Nilai Permeabilitas dengan Tekanan 23.99 Pa..................57
21. Pengaruh Konduktivitas Panas Bahan Terhadap Waktu Pengeringan
Beku................................................................................... -59
22. Pengaruh Permeabilitas Terhadap Waktu Pengeringan Beku.........60
23 . Grafik Panas Radiasi Heater dan Panas Konduksi pada
Tekanan 23.99 Pa dan Laju Perr~bekuan4.39 cmljam...................62
DAFTAR LAMPIRAN
No
Te ks
Halaman
1.
Komposisi Jamu Hasil Survey Wilayah Bogor Kota, Ciawi
Dan Sekitar Kampus IPB Darmaga............................................ 76
2.
Data Jamu Hasil Survey Selama Persiapan Penelitian.................. 77
3.
Alat Pengering Beku Skala Laboratorium dan Wadah Sampel...... .78
4.
Blender dan Seperangkat Pengukur Kadar Air ............................79
5.
Nilai-Nilai Pustaka yang Digunakan dalam Pengolahan Data.. .......80
6.
Grafik Sebaran Suhu cabe Jawa Selama Pembekuan MasingMasing Perlakuan.................................................................81
7.
Grafik Sebaran Suhu Cabe Jawa Selama Pengeringan Beku
Masing-Masing Perlakuan........................................................ 83
8.
Grafik Panas Radiasi Heater dan Panas Konduksi Selama
Pengeringan Beku Masing-Masing Perlakuan.............................. 85
9.
Grafik Penurunan Massa dan Kadar Air Cabe Jawa Selama
Selama Pengeringan Beku Masing-Masing Perlakuan.. ................87
10. Grafik Pergerakan Lapisan Ker'ing dan fraksi Air Selama
Pengeringan Beku Cabe Jawa Masing-Masing Perlakuan..............89
11. Laju Pengeringan Cabe Jawa Selama Pengeringan Beku
Beku Masing-Masing Perlakuan............................................... 91
12. Kromatogram Hasil GC/MSD dengan Perlakuan Tekanan
Yang Diberikan......................................................................93
13. Grafik Karakteristik Pengeringan Beku Cabe Jawa MasingMasing Perlakuan.. ..............................................................
.97
14. Tabel Nilai Kadar Air Selama Pengeringan Beku Masing-Masing
Perlakuan............................................................................99
DAFTAR SIMBOL
A,
luas permukaan bahan
A,
luas lempeng pemanas (heater)
Cp,,
panas jenis bahan awal
Cp, panas jenis bahan kering
Cp, panas jenis bahan beku
C
,
panas spesifik uap air,
pf
massa jenis bahan beku
p,,
massa jenis awal
pw
massa jenis es
p,
massa jenis bahan kering
a
tetapan Stefan-Boltzrnan
h
konduktifdas panas bahan,
V,,
volume bahan
e
emisivitas
&
perubahan ketebalan bahan yang telah kering
Q,,
panas konduksi
Q,,
panas radiasi
Q,,,
panas sensibel
Q,,
panas sublimasi
ef
suhu lapisan beku bahan,
8,
suhu permukaan lapisan kering,
K
h
selang waktu pengukuran
detik
H,
panas laten sublimasi es,
H , panas laten sublimasi bahan
K
permeabilitas bahan,
k,, kadar air awal
L
ketebalan awal bahan,
ma
rnassa akhir setelah sublimasi,
ma* massa kering mutlak bahan,
rna~i,
massa akhir bahan
ma,
massa yang menyublirn,
m
,a,
massa awal bahan
rnd
rnassa bahan kering,
mf
massa es
m,
rnassa awal bahan,
m,
massa padatan
mt
massa bahan pada saat t,
mu
massa uap air daiam bahan,
M,
berat molekul air,
rn,
"1,"
laju pindah massa air bhn,
massa air bahan
p
nilai rata-rata sifat pindah massa per periode
a
nilai rata-rata sifat pindah panas per periode
viii
-
Pf
tekanan kesetimbangan uap es,
P,
tekanan ruang penyering,
qsub
laju pindah panas sgblimasi ,
R
tetapan universal gas,
t
waktu,
TI
suhu lempeng pemanas (heater)
Tz
suhu permukaan bahan
X
fraksi air tersisa pada bahan,
x(t)
tebal lapisan kering bahan,
f(x,)fungsi selisih suhu lempeng pemanas dan
permukaan bahan
17
efisiensi energi
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tanaman rempah dan obat telah digunakan untuk pengobatan sejak ribuan
tahun yang lalu, dimana bangsa lndonesia mengenal ha1 tersebut sebagai jamu.
Akhir-akhir ini penggunaan ramuan obat semakin besar terutama karena meningkatnya kesadaran akan kesehatan dan aaanya keraguan akan efek samping dari
obat sintetik. Meskipun terjadi revolusi antibiotik dan obat sintetik lainnya pada abad
ke dua puluh, organisasi kesehatan dunia (WHO) memperkirakan bahwa 80%
populasi dunia masih menggunakan obat tradisional yang bersumber dari tanaman
(Kardono, 1992). Biro Pusat Statistik (1998) mencatat bahwa pada tahun 1996
ekspor obat tradisional lndonesia mencapai 297 102 kg atau senilai US$ 1 506 145.
Jahun berikutnya, baik volume maupun
nilai ekspor makin meningkat hingga
mencapai 325 654 kg atau senilai US$3 322 565, sedangkan tahun 1998 sebanyak
928 552 kg obat tradisional diekspor dengan nilai sebesar US$ 8 895 107.
Meskipun ada peningkatan pemanfaatan ramuan obat, tetapi ha1 tersebut belum
banyak disertai dengan dukungan ilmiah khususnya untuk pembuktian khasiatnya
dan untuk perbaikan proses yang dapat mempertahankan komponen aktif dari
tanaman tersebut. Perbaikan proses pasca panen sangat penting karena berbagai
tanaman obat harus diambil dari hutan dan sulit untuk dikembangbiakkan di tempat
lain rneskipun dengan kondisi yang terkendali.
Bumi lndonesia merupakan negara yang kaya akan tumbuhan obat, dirnana
ragam tumbuhan obat yang meiimpah ini telah dimanfaatkan oleh nenek moyang
untuk pengobatan secara tradisional.
Obat fitoterapi dalam waktu singkat
diharapkan dapat dimanfaatkan dalam pelayanan kesehatan formal. Sedangkan
dalam jangka panjang obat tersebut akan mempunyai arti ekonomi yang cukup
potensial karena dapat mengurangi impor bahan baku obat yang harus dibeli
dengan devisa. Pada sisi lain, dengan perekayasaan menggunakan teknologi yang
tepat diharapkan menghasilkan nilai tarnbah yang lebih besar dan dapat
dimanfaaatkan untuk kepentingan rakyat banyak.
Menurut Sudiarto (1992) cabe jawa termasuk 10 besar simplisia nabati yang
diserap oleh industri obat tradisional dan menempati peringkat ke-6 atau sebesar
9,596 dari total sirnplisia yang dikonsumsi industri obat tradisional pada kurun waktu
1983-1988. Dari barbagai sumber yang ada diperoleh data bahwa cabe jawa
merupakan tanaman obat yang banyak dimanfaatkan untuk keperluan obat dan
untuk bumbu dalam makanan. Hal ini didukung oleh survei yang dilakukan terhadap
jenis jamu yang banyak dikonsumsi rnasyarakat di daerah Darmaga, Merdeka dan
Ciawi (diwakili oleh 15 kios jamu) sebagai penelitian pendahuluan dari penelitian ini.
Berdasarkan ha1tersebut maka cabe jawa dipilih menjadi bahan dalam penelitian.
Karena cabe jawa mengandung piperin dan minyak atsiri yang bersifat volatil,
maka pengeringan cabe jawa perlu mendapat perhatian. Pengeringan cabe jawa
dengan panas pada suhu tinggi dapat merusak komposisi kimia yang ada. Agar
komponen penting yang terdapat dalarn bahan cabe jawa tersebut tidak berkurang
atau hilang selama proses pengeringan, maka rnetode pengeringan beku diduga
yang terbaik untuk digunakan. Metode ini akan mengeringkan cabe jawa dengan
suhu bahan tetap rendah karena cabe jawa tersebut terlebih dahulu dibekukan sebelum dilakukan pengeringan.
Dengan membuat tekanan vakum dalam ruang
pengering, maka kandungan air bahan dalam bentuk es dapat langsung tersublimasi
tanpa melalui fase cair.
Pengeringan beku umumnya digunakan untuk bahan pangan bernilai
ekonomi tinggi yang sensitif terhadap panas. Pengeringan beku dapat mempertahankan hampir seluruh sifat awal prociuk seperti bentuk, cita rasa, aroma, warna
dan aktivitas biologik karena proses pengeringan beku berlangsung di bawah titik
tripel air (suhu di bawah 0,016"C dan tekanan di bawah 610 Pa).
Winarno (1993) menyatakan bahwa cara pengeringan yang memiliki daya
pengawetan yang lebih baik adalah pengeringan beku atau freeze drying.
Pengeringan beku menghasilkan produlc dengan kualitas yang paling tinggi
dibandingkan dengan cara pengeringan yang lain. Liapis (1995) menambahkan
bahwa produk hasil pengeringan beku memiliki struktur yang porus, tidak berkerut
dan daya rehidrasinya tinggi.
Widodo dan Tambunan (1996) menyatakan bahwa konduktivitas panas
bagian kering berpori, sebagai akibat proses pengeringan beku, nilainya sangat kecil
sehingga menghambat laju perpindahan panas yang dibutuhkan untuk proses
sublimasi dan pada gilirannya memperlambat laju pengeringan. Pada Tabel 1 dapat
dilihat beberapa nilai konduktivitas panas bahan hasil pengeringan beku yang
diperoleh dalam penelitian-penelitian yang telah dilakukan selama ini. Peningkatan
intensitas pemanasan dapat mengakibatkan terjadinya kolaps pada bahan yang
dikeringkan, disamping peningkatan konsumsi energi dan biaya pengeringan. Oleh
sebab itu, penentuan kondisi kerja, dalam ha1 ini siklus tekanan dan pemanasan,
harus dilakukan dengan memperhitungkan status fisik bahan yang akan
dikeringbekukan dan efisiensi energi selama proses pengeringan beku berlangsung.
Variabel kontrol yang penting dalam proses pengeringan beku adalah
tekanan dalam ruang pengering yang dapat mempengaruhi konduktifitas panas dari
permukaan IaNsan kering bahan ke permukaan sublimasi, serta permeabilitas
Tabel I.Kisaran Koflduktivitas Terrnal Bahan Hasil Pengeringan Beku
Sumber
Bahan
Kondisi pengeringan beku
Konduktivitas
BuahanlSayuran
Gas sekeliling
Tekanan(Pa)
termal WImK)
Ape1 (irisan)
Apel (masif)
Cellulose gum
Durian (tepung)
Gelatin
Jus tomat
Mushrooms
Larutan kopi
Larutan tepung jagung
Peach
Persik
Tepung kentang
Daging dan lkan
Albumen telur
Daging sapi (irisan)
Daging sapi (giling)
Salmon
Susu
Udang
Bahan ObatlFarmasi
Collagen
Garam ampicilin sodium
Garam cloxacilin sodium
Garam cefalosforin sodium
I Pasta jahe putih
Uap air
Uap air
Uap air, udara
Uap air
Uapair,udara
Uap air
Udara
Uap air
Uap air,udara
Udara
R-12, COz, dl1
Uap air, udara
20.0-30.0
20.0-30.0
4.0-101300
7.1-125.0
4.0-101300
53.2-199.5
39.9-101300
6.9-12.4
13.3-166
0.13-101300
2.7-101300
4.0-101300
0.056-0.123
0.068-0.073
0.019-0.055
0.1 19-0.212
0.016-0.042
0.035-0.173
0.010-0.036
0.153-0.277
0.014-0.033
0.016-0.043
0.022-0.187
0.009-0.042
(1)
(1)
(2)
(3)
(2)
(2)
7-130
2.7-399
2.7-13.3
20.0
1.33-40.0
7.0-133.0
0.014-0.042
0.035-0.073
0.131-0.161
0.052-0.133
0.022-0.08 1
0.038-0.086
(2)
(2)
13.3-53.2
1.33-20.0
1.33-26.6
1.33-20.0
1.33-21.3
0.026-0.069
0.021-0.069
0.021-0.069
0.021-0.029
C.065-0.147
(5)
(5)
(5)
(5)
(6)
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
1
1
(2)
(1
(2)
(2)
(2)
(2)
(4j
Catatan : (1) Araki, dkk. (1998)
(2) Diolah dari King, C.J. (1972) dalam Liapis dan Bruttini (1995)
(3) Penelitian di Lab. PPM-IPB, tidak dipublikasikan
(4) Wenur (1997)
(5) Diolah dari Liapis dan Bruttini (1395)
(6) Tarnbunan (1999)
kering untuk dilewati oleh uap yang terbentuk selama proses pengeringan
rsebut. Selain tekanan, rnaka suhu plat pernanas dan suhu perrnukaan
kering adalah kondisi lain yang harus dicermati selama proses pengeringan
Irlangsung.
Suhu plat pemanas harus dikontrol agar suhu perrnukaan
kering tetap di bawah suhu~rnaksimurnyang diizinkan pada bahan yang
dikeringkan tersebut. Sedangkan untuk mengetahui besar kecilnya pori-pori bahan
hasil kering beku, maka periakuan terhadap laju pembekuan bahan pada saat bahan
dibekukan harus dilakukan untuk mengetahui pengaruh laju pembekuan terhadap
ukuran pori yang dihasilkan. Pengetahuan yang memadai tentang nilai konduktivitas
dan permeabilitas cabe jawa, sebagai parameter pindah panas dan massa, dan
pengkajian tentang efisiensi panas pengeringan selama pengeringan beku sangat
bermanfaat untuk menentukan kondisi optimum pengeringan beku yang mampu
mernberikan hasil yang baik dengan efisiensi yang tinggi.
TUJUAN PENELlTlAN
Penelitian pengeringan beku dengan memilih cabe jawa sebagai sampel ini
bertujuan :
1. Mempelajari karakteristik pengeringan beku dan proses p i ~ d a h
panas dan massa
selama pengeringan beku pasta cabe jawa
2. Mempelajari pengaruh tekanan dan laju pembekuan terhadap proses pemanasan
dan mutu hasil pengeringan beku cabe jawa.
TINJAUAN PUSTAKA
Cabe Jawa (Piper refrofracfum Vahl)
Menurut Januwati dar! Dedi (1992) cabe jawa (Piper retrofractum Vahl.)
termasuk tanaman obat di daerah tropis. Bagian yang dapat digunakan sebagai
bahan obat dari tanaman ini adalah daun, akar dan buah.
Cabe jawa adalah salah satu tanaman obat yang dijumpai di Jawa, Bali dan
Maluku pada ketinggian 0 m - 600 m dpl. Pengembangbiakkan cabe jawa dapat
dilakukan dengan stek batang dengan ukuran panjang stek 30 cm
-
40 cm
sepanjang lebih kurang tiga ruas. Cabe jawa merupakan tumbuhan dengan batang
memanjat, melilit atau melata. Untuk tiang panjatan dipakai tanaman hidup antara
lain kelor (Moringa oleifera), gamal (Glyricidia spec), kelapa dan lain-lain. Tanaman
ini perlu dipangkas setinggi 1,5 m dari tanah agar dapat berbunga (Depkes RI,
1977).
Sistematika =be
jawa adalah divisio : spermatophyta, subdivisio :
angiosperms, kelas : dicofyledonae, ordo : piperales, famili : piperaceae, genus :
piper dan spesies :piper retr~fracturnVahl.
Steenis-Kruseman (1953) dalam Sudiarto (1992) menyatakan bahwa bagian
tanaman yang dipanen dan banyak dipakai dalam industri obat tradisional maupun
*
ekspor adalah buahnya. Buah yang belum masak dipakai dalam campuran obat
yang berkhasiat karminatit buah juga digunakan dalam ramuan minuman bandrek.
Hama dan penyakit yang menyerang tanaman ini rnenurut penga-laman
petani belum ada, baik pada tanaman maupun hasil panen setelah disimpan. Hasil
yang baik dari pohon yang sudah menutup penuh pohon panjatan adalah 2 kg - 3 kg
buah basah per pohon sekali panen. Proses pengeringan umumnya dijemur dan
dari setiap 3 kg buah basah diperoleh 1 kg buah kering. Dari segi varietas di Jawa
Timur ada 3 macam yaitu cabe kerbau, cabe kacang dan cabe lenguk. Setijati
(1978) menyatakan bahwa percabangan cabe jawa terjadi pada pangkal batang
yang keras dan menyerupai kayu.
Di Jawa Tengah khususnya, pada tahun 1978 tercatat kebutuhan cabe jawa
84 tonlth. Pengembangan budidaya cabe jawa ini patut rnendapat perhatian karena:
tanaman cabe jawa berbuah sepanjang tahun (memberikan tambahan pendapatan),
tahan terhadap naungan (dapat mengisi bagian pekarangan yang ternaungi pohon
besarlbuah), mudah pemeliharaannya, serangan hama dan penyakit tergolong
rendah dan penanganan pasca panen mudah. Secara visual tanaman dan buah
cabe jawa dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Bentuk tanarnan dan buah cabe jawa.
Heyne (1980) menyatakan bahwa sari cabe jawa yang belum tua terdapat
dalam jamu yang digunakan untuk perut kernbung dan peiuruh keringat. Selain itu,
sari cabe jawa terdapat pula dalam ramuan jamu pegal linu, rematik, neuralgia dan
pencuci bisul.
Akar pelekat (hechtworfels) cabe jawa dapat dikunyah untuk
mengobati sakit gigi dan air rebusan daunnya untuk berkumur bagi orang yang
menderita saki gigi. Orang Bali, Jawa dan Melayu mencampur cabe jawa dengan
obat lain untuk menyembuhkan kejang perut dan kena angin (windergheid) serta
berbentuk salep untuk beri-beri dan sebagai &at kuat (aphrodisiacum). Menurut
Hasskarl dalam Heyne (1980) cabe jawa yang ditumbuk halus dengan aluin, pulasari
dan bangle merupakan obat yang dioleskan pada perut wanita nifas (kraamvrouwen).
Nurendah (1983) menyatakan bahwa larutan buah cabe jawa dalam larutan
fyrode dapat menaikkan kontraksi uterus marmut in vitro. Hal ini mendukung pemakaian bahan tersebut untuk obat sukar bersalinl jamu pengatur haid. Masih menuru:
Nurendah (1983) kemungkinan terdapat efek abortif dan teratogenik, yang
ditunjukkan dengan terjadinya resorpsi janin yaitu hilangnya janin dalam kandungan.
Menurut Lewis (1977) dalam Sa'roni dkk. (1992) bahwa sifat abortif ini disebabkan
oleh piperin yang bersifat toksik seperti nikotin atau mungkin adanya minyak atsiri
yang mempunyai efek melumpuhkan otot uterus atau bersifat stimulan kontraksi otot
uterus. Frazer dalam Sa'roni dkk. (1992) menambahkan bahwa bahan yang bersifat
abortif tersebut kemungkinan potensial bersifat teratogenik.
Dari penelitian toksisitas akut pada tikus dapat disimpulkan bahwa infus buah
cabe jawa termasuk golong% relatively harmfess atau arnan untuk dikonsum
(Dzulkarnain, 1975). Dengan demikian pemakaian buah cabe jawa ini sebagai obat
dalarn bentuk seduhan dapat dikatakan cukup aman.
Hargono (1992) menyatakan bahwa senyawa kimia yang dikandung buah
cabe jawa adalah beberapa jenis alkaloids, senyawa lain dan minyak atsiri.
Alkaloids utarna yang terdapat dalam buah cabe jawa adalah piperin (3%). Rasa
pedas cabe jawa disebabkan oleh piperin dan piperanin.
Hasil identifikasi
komponen utama minyak atsiri dengan meng-gunakan teknik kromatografi gascairan (GLC) terdapat dalam Tabel 2.
Tabel 2. Kadar kandungan air, piperin, dan minyak atsiri cabe jawa
Jenis Komponen Cabe Jawa :
Nilai (%)
1 Air
Piperin
I
0,75
I
1,05
I
Minyak atsiri
I
I
4
I
Sumber : Hargono (1992)
Pengeringan Beku
Slade (1967) menyatakan bahwa pengeringan beku rnerupakan suatu teknik
pengeringan pada bahan dalam keadaan beku yang dilakukan pada tekanan
rendah. Berbeda dengan cara pengeringan biasa, dalam pengeringan beku bahan
pangan terlebih dahulu dibekukan dan pada keadaan hampa, air langsung dikeluarkan dari bahan secara sublimasi. Proses sublirnasi ini akan terjadi bila suhu dan
tekanan yang digunakan berada di bawah titik friple (0°C dan 610 Pa). King (1971)
menyatakan bahwa pengeringan beku dapat mernpertahankan bentuk kaku (rigid)
bahan yang dikeringkan, sehingga menyebabkan bahan berpori dan tidak mengkerut
dalam keadaan kering. Keadaa ini mengakibatkan terjadinya proses rehidrasi yang
cepat dan sempurna bila produk kering ditambahkan air. Juga, selama proses
pengeringan berlangsung hampir tidak terdapat cairan, sehingga dapat mencegah
transpor zat-zat yang dapat larut dalam air dan memperkecil terjadinya reaksi
degradasi. Sedangkan menurut W~rakartakusumahdkk. (1989) pengeringan beku
menghasilkan produk yang berbentuk seperti spon dan mempunyai ukuran seperti
bahan asal (bahan beku) yang memiliki keunggulan dalam menjaga stabilitas tekstur
dan aroma. Pengeringan beku dapat mempertahankan hampir seluruh sifat awal
produk seperti bentuk, cita rasa, aroma, warna dan aktivitas biofogik karena proses
pengeringan beku berlangsung di bawah titik tripel bahan.
Heldman dan Singh (1981) rnenyatakan bahwa proses pembekuan bahan
pada pengeringan beku ini akan menentukan hasil akhir produk yang dikeringkan.
Pembekuan cepat akan menghasilkan produk kering beku yang mempunyai pori
lebih kecil sedangkan penibekuan lambat akan menghasilkan produk kering beku
dengan pori yang besar. Menurut Fennema dan Powrie (1964) ada 4 faktor yang
mempengaruhi laju pembekuan bahan pangan vaitu (1) beda suhu antara produk
dengan medium pendingin, semakin kecil perbedaan suhunya maka semakin cepat
laju pembekuannya (2) cara pindah panas dari dalam produk dan di dalam produk,
semakin sederhana cara pindah panasnya rnaka akan semakin cepat laju
pembekuannya (3) ukuran, bentuk dan tipe kemasan, semakin kecil ukuran dan
semakin seder-hana bentuk dan tipe kemasan maka akan semakin cepat laju
pembekuannya dan (4) ukuran, bentuk dan sifat terrnofisik bahan yang dibekukan,
semakin kecil ukuran dan sederhana bentuk dan sifat termofisiknya maka akan
semakin cepat laju pembekuannya.
Menurut Everington (1973) dalam Heldman dan Singh (1981) ada 3 metode
r(
pembekuan yang dikenai yaitu
(1) air blast freezing, bahan yang dibekukan
diielakkan dalam ruangan yang ditiupkan udara beku di dalamnya dengan blower
yang kuat, (2) contact plate freezing, bahan yang dibekukan diletakkan diantara
pelat-pelat yang direfrigerasi, (3) immersion freezing, bahan yang dibekukan berada
dalam larutan garam (air) yang direfrigerasi.
Sedang
Brennan dkk. (1974)
menambahkan lagi 2 metode lain yaitu sharp freezing, bahan yang dibekukan
diletakkan diatas liiitafl pipa evaporator dan cryogenic freezing, bahan yang
dibekukan disemprot dengan bahan kriogen, rnisalnya C o p cair dan Np cair. Dari
kelima metode tersebut, hanya metode sharp freezing yang berlangsung lambat.
Metode cryogenic freezing merupakan metode pembekuan yang mahal dan
biasanya untuk bahan yang bernilai ekonomi tinggi, misalnya udang.
Brennan (1981) menyatakan bahwa proses pembekuan terjadi secara
be~tahapdari permukaan sampai pusat bahan. Pada permukaan bahan, pembekuan berlangsung cepat sedangkan pada bagian yang lebih dalarn proses
pembekuan berlangsung lebih lambat. Menurut Holdworth (1968) pada awal proses
pembekuan akan terjadi fase precooling dimana suhu bahan diturunkan dari suhu
awal ke suhu titik beku. Pada tahap ini semua kandungan air bahan berada dalam
keadaan cair. Ramaswamy dan Tung (1984) menyatakan bahwa pada hakekatnya
proses pembekuan baru dirnulai pada saat suhu permukaan mencapai sekitar -I0C,
yaitu pada saat dimulainya pembentukan kristal es.
Long (1955) dalam Heldman dan Singh (1981) menggunakan konsep TAR
(Thermal Arrest Time) dalam pengukuran laju pembekuan ikan. Menurut konsep
TAR lajc pembekuan dinyatakan sebagai perbandingan antara ketebalan bahan
terhadap waktu yang dibutuhkan titik yang paling lambat membeku pada bahan
*
untuk menurunkan suhu dari O°C sampai -5°C.
Heldrnan dan Singh (1981) menyatakan laju pembekuan sebagai perbandingan antara ketebalan bahan terhadap waktu yang dibutuhkan untuk menurunkan
suhu bahan pada titik yang paling lambat rnenjadi beku, dihitung dari saat tercapainya titik beku awal sampai tercapainya tingkat suhu yang diinginkan di bawah titik
beku bahan.
Lembaga Refrigerasi lnternasional (1971) dalam Heldman dan Singh (1981)
mendefinisikan laju pembekuan suatu massa pangan sebagai rasio perbandingan
jarak minimal antara permukaan bahan dan titik pusat panas dengan waktu yang
diperlukan oleh produk pangan mulai tercapai suhu 0°C pada permukaan bahan
sampai tercapai -5°C pada pusat panas bahan. Laju pembekuan dinyatakan dalam
cmljam.
Menurut Ramaswamy dan Tung (1984) lama pembekuan adalah waktu yang
dibutuhkan oleh bahan pangan untuk membeku, dimulai dari saat suhu permukaan
mencapai 0°C sampai pusat bahan mencapai suhu tertentu. Ramaswamy dan Tung
(1984) merumuskan laju pembekuan rata-rata sebagai : w = Dl2T dimana w laju
pembekuan rata-rata (cmjjam), D diameter silinder (cm) dan T lama pembekuan
(jam). Proses pernbekuan lambat jika w c 1 cm/jam, pembekuan sedang w antara
1-5 cmljam dan pembekuan cepat jika w > 5 cmljam.
Zaitsev (1962) dalam llyas (1963) mengklasifikasikan laju pembekuan cepat
sebagai pembekuan yang memiliki laju pembekuan tidak kurang dari 3,3 cmljam.
King (1971) membagi laju pembekuan ke dalam 3 golongan yaitu (1) pembekuan
lambat, jika waktu pembekuan adalah 30 menit atau lebih untuk 1 cm tebal bahan
yang dibekukan, (2) pembekuan sedang, jika waktu pembekuan adalah 20
- 30
menit untuk Icm tebal bahan yang dibekukan dan (3) pembekuan cepat, jika waktu
pembekuannya kurang dari 20 menit untuk 1 cm tebal bahan yang dibekukan.
a
Fadey (1958) dalam Desrosier (1988) menyatakan bahwa jumlah air bahan
yang terbekukan pada pembekuan daging sapi akan mendekati 100% pada suhu
bahan mencapai - 19,5" C, sedang pada pembekuan jahe, menurut Yudistira (1999)
tercapai pada suhu -29°C.
Setelah bahan dibekukan, maka proses selanjutnya pada pengeringan beku
adalah peristiwa yang dikenal dengan istilah sublimasi atau liofilisasi, dimana kandungan air bahan yang berupa es akan fangsung menjadi uap. Proses sublimasi ini
terjadi pada suhu dan tekanan di bawah titik tripel, yaitu pada suhu di bawah 0°C
dan tekanan di bawah 610 Pa atau 4,58 mm Hg. Hubungan antara tekanan uap air
dengan suhu pada diagram P-T dapat dilihat pada Gambar 2.
0
Suhu, "C
Gambar 2. Hubungan Antara Suhu dan Tekanan Uap Air (Fennema, 1975)
Tujuan sublimasi adalah untuk menurunkan kandungan air bahan pangan
hingga mencapai 5% - 10%. Setelah mencapai kadar air tersebut suhu bahan akan
dinaikkan lebih tinggi untuk mendesorbsi air terikat, sehingga akan diperoleh bahan
pangan dengan kadar air di bawah 5% (Considine (1974) dalam Syafridawaty 1991).
Proses sublimasi membutuhkq panas sebesar panas laten sublimasi sekitar 666
kallgram es.
Arsdel dan Copley (1963) dalam Yudistira (1999) mengungkapkan bahwa
keberhasilan pengeringan beku sangat dipengaruhi oleh adanya perbedaan tekanan
uap di sekitar substansi yang sangat kering dengan tekanan uap air pada bagian
dalam substansi yang masih membeku sehingga uap air secara terus-menerus
ditransportasikan dari bahan pangan tanpa terjadinya pelelehan es pada bahan
pangan tersebut. Hal ini mengakibatkan permukaan bahan tetap tegang tanpa
terjadinya pengerutan selama proses pengeringan berlangsung.
Mellor (1978)
menyatakan bahwa pergerakan lapisan sublimasi mempunyai ketergantungan yang
sangat erat dengan perbedaan tekanan uap bahan, sehingga secara teoritis
perbedaan tekanan uap dapat dinyatakan sebagai variasi tekanan di dalam bahan
dan berhubungan erat dengan laju sublimasi.
Lama pengeringan beku dipengaruhi oleh kandungan air bahan, ketebalan
bahan, dan suhu yang digunakan. Menurut King (1971) suhu ditentukan berdasarkan ketahanan bahan terhadap panas, misalnya kandungan gula, asam, dan
komponen volatilnya dan ukuran produk yang akan dikeringbekukan. Dengan
demikian, penggunaan suhu pengeringan ditetapkan pada jangkauan suhu yang
dapat mencegah atau meminimumkan kehilangan kandungan gula, asam dan
komponen volatilnya.
Penyubliman es akan berakhir setelah kadar air bahan di
bawah 5%, saat mana diperoleh sebaran suhu yang konstan dan bersamaan
dengan itu diperoleh bobot sampel yang konstan.
Terdapat 2 faktor yang mengatur kecepatan pengeringan beku yaitu adanya
sumber panas (heat source) dan penerima uap air (condensor/moisture sink).
*
Adanya perbedaan suhu karena sumber panas akan nienyebabkan keluarnya uap
air yang akan diterima oleh kondensor. Sumber panas menyebabkan adanya perpindahan panas dan kondensor akan menerima sejumlah pindah massa. Untuk lebih
jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.
lapisan kehng berpori
Gambar 3. Perpindahan panas (pp) dan massa (pm) selama proses
pengeringan beku (King, 1971)
Menuru: Brennan dkk. (1974) kecepatan pengeringan dipengaruhi oleh 2
faktor yaitu kecepatan pergerakan uap air dari permukaan es melaluI lapisan kering
berpori dan kecepatan perpindahan panas ke permukaan es. Pada Tabel 3 dapat
dilihat perbedaar, metode dan mutu produk antara pengeringan konvensional dan
pengeringan beku.
Proses Pindah Panas Dan Massa
Pengeringan beku merupakan salah satu metode pengawetan pangan yang
melibatkan proses pindah
dan massa. Pindah panas yang dominan terjadi
dalam pengeringan beku adalah pindah panas secara radiasi dan konduksi,
sedangkan pindah panas secara konveksi sangat kecil sehingga dapat diabaikan.
Pindah panas secara radiasi terjadi aari plai pemanas ke permukaan bahan yang
dikeringkan dan pindah panas secara konduksi terjadi pada lapisan kering ke
permukaan sublimasi.
Tabel 3. Perbedaan metode dan mutu produk antara pengeringan
konvensional dan pengeringan beku
1 Pengeringan konvensional
-hanya berhasii diierapkan pada produk-
I
produk
I
I -cubcup
memuaskan untuk kebenyakan produk yang
sulit
dikeriqkan
dengan
mdode
yang mudah dikeringan, seperti sapr-sapfan dan
biaaanya
biji-bijian
pengeringan lainnya
-tidak memuaskan untuk pengeringan daging
- c u b p memuaskan untuk daging
-suhu pengeringan relatif tinggi (37°C-93°C)
-suhu pengeringan dibawah tiiik beku produk
-berlangsung pada tekanan atmosfir
-proses pada tekanan rendah
-penguapan air dari permukaan bahan
-sublimasi air dari permukaan bahan
-peluang terjadinya kerak pada perrnukaan bahan
dapat menghindari terladin~akerak pads permuban
relatif besar
bahan
-warna produk kering relatif gelap
-warna produk kering mendekati asalnya
-aroma produk kering tidak normal
-produk kering biasanya relatif banyak kehilangan
( ndrisi
I
1
Pengeringan beku
-biaya operasional relatif rendah
I
Sumber : Fellow (1990)
I
I/
I
I
-aroma produk kering normal
-kehilangan
n ~ t r i s i secara
1
I
besar-besaran
dapat
dihindari
-biaya operasional relatif tinggi
I
I
I
Heldrnan dan Singh (1981) menyebutkan pindah panas radiasi rnerupakan
proses pindah panas dimana panas secara langsung dipancarkan dari satu bagian
ke bagian yang lain yang terpisah rnelalui radiasi elektromagnetik. Sedangkan
pindah panas konduksi rnerupakan proses pindah panas di dalam suatu bahan
/antara bahan yang satu dengan bahan yang lain karena perubahan energi kinetik
diantara molekul-molekulnyatanpa melibatkan perpindahan molekul tersebut.
Selama pengeringan beku, bahan akan terbagi dalam dua lapisan yaitu
lapisan beku yang terdapat pada bagian dalam bahan dan lapisan kering berpori
yang terdapat pada bagian permukaan bahan. Kedua lapisan tersebut dibatasi oieh
permukaan sublimasi seperti terlihat pada Gambar 3 di atas. Selama proses
pengeringan beku, permukaan sublimasi akan bergerak ke bagian dalam dan
lapisan kering yang berada pada bagian luar akan sernakin tebal.
Pada proses pindah panas konduksi akan terjadi 2 kondisi yaitu kondisi aliran
mantap (steady state) dimana suhu pada beberapa titik di dalam bahan pangan
(kandungan panas pada bahan) tidak tergantung pada waktu dan sejumlah panas
yang masuk dalarn bahan pangan sama dengan jumlah panas yang keluar, dan
kondisi aliran tidak mantap (un-steady sfate) dimana kandungan panas pada bahan
berubah terhadap v~aktudan panas yang rnasuk tidak sarna dengan panas yang
keluar. Panas yang digunakan untuk sublimasi rnerarnbat rnelewati lapisan kering
berpori menuju perrnukaan sublimasi secara konduksi. Jika suhu lapisan beku dan
suhu permukaan bahan tetap, maka laju panas yang masuk ke dalam bahan akan
seirnbang dengan laj~luap air yang keluar dari bahan. Laju aliran panas yang besar
akan dapat rnenaikkan suhu lapisan beku sarnpai tekanan uapnya cukup besar
untuk rneningkatkan aliran uap air keluar sampai ke permukaan lapisan kering.
Pada proses pengeringan dan dehidrasi, pindah panas dan pindah rrlassa
terjadi secara sirnultan. Menurut Wirakartakusumah dkk. (1989) pindah massa
adalah suatu perpindahan yang terjadi karena pergerakan molekul meialui suatu
lapisan batas dari sistem. Pawah massa dapat terjadi juga karena perbedaan
konsentrasi, dimana massa akan mengalir dari konsentrasi tinggi Ice konsentrasi
yang lebih rendah.
Fellow (1990) rnenyatakan bahwa ada 3 faktor yang rnempe-
ngaruhi laju pindah massa pada pengeringan beku yaitu tekanan ruang pengering,
suhu kondensor dan suhu es pada permukaan sublimasi. Agar berhasil secara
kornersil, tekanan ruang pengering dan suhu kondensor harus diatur serendah
rnungkin. Tekanan ruang pengering diberikan sekitar 13 Pa dan suhu kondensor
mendekati -35°C. suhu permukaan es diatur setinggi mungkin tetapi rnasih di
bawah suhu kritis. Yang dimaksud dengan suhu kritis adalah suhu dimana terjadi
kesetimbangan tekanan pada permukaan es. Pada suhu yang sarna, perpindahan
uap air dari bahan akan lebih cepat pada tekanan yang lebih rendah.
Pada proses pengeringan bekg digunakan tekanan vakum. Menurut King
(1971) total tekanan untuk rnengontrol perubahan pindah panas sampai terjadinya
perubahan pindah massa adalah 1349,45
- 2698,90
Pa untuk daging.
Untuk
makanan cair yang mengandung padatan terlarut tinggi, diperlukan tekanan yang
lebih rendah dengan srlhu pembekuan yang juga harus lebih rendah. Pengeringan
beku juga dapat dilakukan dengan tekanan yang lebih tinggi, dengan syarat tekanan
parsial uap air harus dibuat lebih rendah sehingga memungkinkan terjadinya suatu
pindah massa. Tetapi, pengeringan beku dengan tekanan yang lebih tinggi ini tidak
efektif karena diperlukan waktu pengeringan yang jauh lebih lama.
PENDEKATAN TEORlTlS
Pengeringan Beku Model Lempeng Tak Hingga
Model yang digunakan untuk analisa pindah panas pada penelitian pengeringan beku ini adalah model infinite slab (lempeng tak hingga). Pindah panas dan
pindah massa hanya berlangsung pada satu arah dengan memberi isolasi panas
pada permukaan bawah dan samping bahan yang berbentuk silinder.
Plat Pemanas
Ke recorder
Gambar 4.
n
ni
Skema fltlks panas dan massa selama pengeringau beku pada
sampel (Sagara, 1984).
Menurut Massey dan Sunderland ( I 967) dalam Sagara (1984) persamaan yang
digunakan pada proses sublimasi adalah sebagai berikut :
Pada Persamaan (1) ini panas jenis uap air (Cp) diasumsikan konstan dan
sebanding dengan jumlah uap air. Bagian kiri Persamaan ( I ) menunjukkan besarnya
panas yang rnejalui lapisan kering, sedangkan bagian kanan menunjukkan besarnya
panas yang digur~akanuntuk sublimasi es ditarnbah dengan panas yang diserap
oleh uap air yang bergerak dari permukaan sublimasi ke permukaan lapisan kering.
Laju pindah panas pada permukaan lapisan kering dapat dinyatakan sebagai perkalian antara laju pindah massa dengan panas laten sublimasi sebagai berikut :
Sagara dan Hosokawa (1982) dalam Sagara (1984) rnenyatakan bahwa
fraksi air tersisa dalam bahan selama proses sublimasi pengeringan beku dapat
ditentukan dengan persamaan berikut :
Sagara (1984) menyatakan bahwa pergerakan lapisan kering bahan selama proses
a
sublimasi diperoleh dengan persamaan berikut :
Dan penentuan laju pindah massa dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :
Sedangkan laju pindah massa dihubungkan dengan laju pengeringan ditunjukkan
oleh persarnaan :
I.C.T. (1928) dalam Sagara (1984) menyatakan bahwa tekanan kesetimbangan uap
air dalam bentuk es dapat dihitung dengan persamaan yang merupakan fungsi dari
suhu pada permukaan sublimasi tersebut, yaitu :
Nilai konduktifitas panas dapat dihasilkan dari subsitusi Persamaan (4) ke
Persamaan (1) dan (6) sehingga diperoleh Persamaan (8) berikut :
dan :
(1-x)=
~ , ( -e,)
e.~
..($1
.................
j
(10)
Penentuan nilai permeabilitas bahan, dihasilkan dari subsitusi Persamaan (4)
ke Persamaan ( 5 ) dan (6),s e h w g a diperoleh persamaan berikut :
dan : (1-
x)= K.M,bf-P,)
.......................
Aliran Panas Selama Pengeringan Beku
Banyak penelii telah berusaha menganalisa cara pindah panas dan massa
dengan menentukan kondisi operasi optimum untuk mengurangi konsumsi energi
selama proses bedangsung. Sagara dan lchiba (1994) menyelidiki metode pengukuran nilai sifat transpor dalam lapisan kering kopi. Melalui penelitian tersebut
diketahui bahwa lapisan kering menjadi faktor pembatas pindah panas dan massa
selarna proses pengeringan beku.
Yunfei dan Chengzhi (1996) mempelajari
interaksi tekanan vakum, ketebalan sampel dan konsentrasicolustrum sapi terhadap
konsumsi energi dan produkiivitasnya. Dari hasil penelitian tersebut diperoleh bahwa konsentrasi produk pengaruhnya sangat kecil terhadap konsumsi energi.
Konsumsi energi yang digunakan merupakan total energi bukan energi yang benarbenar dimanfaatkan oleh sampel.
Pengetahuan tentang efisiensi energi pada suatu proses sangat penting untuk
dikaji agar diperoleh kondisi optimum suatu perlakuan sehingga dapat menekan
biaya dan mempersingkat waktu proses.
Pada proses pengeringan beku ini,
dilakukan pengamatan dan pengolahan data terhadap kebutuhan energi panas
selama proses pengeringan. Energi panas radiasi adalah energi yang dipancarkan
oleh heater dan diterima oleh permukaan bahan sedangkan energi panas konduksi
a
adalah energi yang diterima oleh bahan yang dibutuhkan untuk menyublimkan
kristal es dan untuk menaikkan suhu bahan.
Persamaan-persamaan yang digunakan untuk memperoleh efisiensi energi
pada pengeringan beku ini adalah dengan menghitung nilai panas konduksi dan
panas radiasi selama pengeringan beku sebagai berikut :
Qrd = o e 4 (q4- q4).......................................................(15)
Dalam memperhitungkan nilai dTIdx pada panas konduksi dan perubahan suhu
pada panas radiasi digunakan rumus Sirnpson sebagai berikut :
sehingga diperoleh persamaan berikut :
Sedangkan panas sublirnasi dicari dengan menggunakan Persamaan (2) diatas.
Panas sensibel yang digunakan untuk. menaikkan suhu bahan dihitung dengan
persamaan berikut :
Massa air bahan dalam keadaan beku mt dan massa air bahan dalarn keadaan
kering mddiperoleh dengan persamaan berikut :
Nilai Cp,,,
dihitung menggunakan persamaan menurut Siebel's (1892) dalam
Heldman dan Singh (1981):
Cp,,
= 0.837
+ 0.034(K,,
%)
.........................................................(23)
Untuk menghitung nilai pddan Cpd digunakan persamaan menurut Dickerson (1869)
dalam Heldman dan Singh (1981):
Panas konduksi yang masuk ke dalam bahan seimbang dengan panas sublimasi
yang digunakan untuk menyublimkan kristal es ditambah dengan panas sensibel
yang digunakan untuk menaikkan suhu bahan, yang dapat dirurnuskan den
KARAKTERISTIK PENGERINGAN BEKU PASTA
CABE JAWA (Piper retrofractunz VultS)
Olell :
WSDIYANI
TEP 97197
PROGRAM STUD1 ILMU KETEKNIKAN PERTANIAN
PROGRAM PASCASARJANA
INSTITUT PERTANAN BOGOR
2002
-
sesungguhnya dalam pencipfaan langit dan bumi, silih berganfinya malam da
siang, bahtera yang berlayar di laut membawa apa yang berguna bagi manusia,
dan apa yang ALLAH turunkan dari langif berupa air, lalu clengan air itu Dia
hidupkan bumi sesudah mafi(kering)-nya dan Dia sebarkan di bumi ifu segala
jenis hewan, dan pengisaran angin dan awan ysng dikendaliken anfara langif da bumi; sungguh ferdapat fanda-fanda keesaaan dan kebesaran ALLAH bagi kaur.
yang memikirkan.
(Al-Baqarah (2) : 164)
D a n sesungguhnya telah Kami mudahkan Al-Qur'an untuk pelajaran,
maka adakah orang yang mengambii peiajaran?
(A/-Qamar (54) : 17)
I
Karya ini kupersembahkan untuk yang tercinta,
Ananda Buah hafi, spirif hidup, harapan masa depan,
PANCAR PRIANGGA PUTRA NEGARA dan
PROUDHIA PERKASA P W R A NUSANTARA,
Suami fercinfa; atas cinta, dorongan , mofivasi, dan pengorbanan,
DRS. AHMAD &GDM dan
seluruh keluarga besar
PARTO RAHARJO dan D. HOLLA
MEMPELAJARI KONDISI OPERAS1 DAN
KARAKTERISTIK PENGERINGAN BEKU PASTA
CABE JAWA (Piper retrofraciurn Valzl)
Oleh :
KISDlYANI
TEP 97197
Tesis sebagai salah satu syarat memperoleh
Gelar Magister Sains pada Program Pascasarjana
lnstitut Pertanian Bogor
\,
PROGRAM STLDI E M U KETEKNLKAN PERTANIAnT
PROGRAM PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
SURATPERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis yang berjudul :
MEMPELAJARI KONDlSl OPERAS1 DAN KARAKTERISTIK PENGERINGAN BEKU PASTA CAB€ JAWA ( Piper Retrofractum Vahl.)
adalah benar merupakan hasil karya saya sendiri dan belum pernah
dipublikasikan. Semua sumber data dan informasi yang digunakan telah
dinyatakan secara jelas dan dapat diperiksa kebenarannya.
Bogor, Februari 2002
TEP 97197
ABSTRAK
Kisdiyani.
TEP
97197.
MEMPELAJARI
KONDlSl
OPERAS1
DAN
KARAKTERISTIK PENGERINGAN BEKU PASTA CABE JAWA (Piper
refrofracfum Vahl). Di bawah bimbingan DR. Ir. Armansyah H. Tambunan
(Ketua), DR. Ir. Sutrisno (Anggota) dan DR. IF. Purwiyatno Hariyadi (Anggota).
Untuk memperoleh mutu hasil pengolahan yang baik terhadap tanaman obat,
khususnya cabe jawa, digunakan teknik pengeringan beku dalam proses pengeringan.
Percobaan dilakukan dengan dua perlakuan yaitu 3 tingkat laju pembekuan dan
3 tingkat tekanan untuk mempelajari kondisi operasi dan karakteristik pengeringan
beku cabe jawa yang berbentuk pasta.
Asumsi yang digunakan pada analisa data adalah pindah panas dan pindah
massa yang terjadi berlangsung satu arah dan bahan dianggap berbentuk lempeng
tak hingga.
Proses pengeringan beku diawali dengan proses pembekuan bahan dengan
metode lempeng sentuh, dilanjutkan dengan proses pengeringan primer dan
pengeringan sekunder.
Hasil percobaan menunjukkan bahwa semakin tinggi tekanan dan laju pembekuan yang diberikan maka semakin besar nilai konduktivitas bahan. Hal ini
rnengakibatkan waktu pengeringan beku semakin cepat. Selanjutnya, diperoleh
bahwa sernakin tinggi tekanan yang diberikan maka semakin besar nilai permeabilitasnya. Sedang peilakuan laju pernbekuan memberikan kecenderungan yang
kurang pasti terhadap permeabilitas. Proses sublimasi yang memanfaatkan panas
konduksi lebih dari 90% dicapai bila tekanan yang digunakan adalah tinggi.
Dari segi mutu, dengan metode standar Materia Medika Indonesia (MMI) maka
pengeringan beku mernberikan hasil yang lebih baik dibanding dengan metode
pengeringan oven dan memenuhi standar MMI. Dengan metode spektrometri massa,
pengeringan beku menghasilkan kadar piperin 19% !ebih tinggi dibanding dengan
metode pengeringan oven.
Dengan analisa GC-MSD diperoleh bahwa pengeringan beku dengan tekanan
47,98 Pa mampu mempertahankan 10 senyawa yang terkandung dalam cabe jawa,
sedang pada tekanan 75,98 Pa sebanyak 9 senyawa dan tekanan 23,39 Pa
sebanyak 8 senyawa.
Judul
: MEMPELAJARI KONDlSl OPERAS1 DAN KARAKTERlSTlK PENGERINGAN BEKU PASTA CABE
JAWA (Piper retrofractum Vahl)
Oleh : Kisdiyani
NRP : 97197
Menyetujui,
Ketua Komisi
bimbing
-Dr. Ir. Armansyah H Tambunan. MAqr
NIP. 131 667 791
Dr. Ir. Sutrisno, MAnr
Anggota
Ketua Program Studi
Tanggal lu{us : 15 Februari 2001
PRAKATA
Puji syukur ke hadirat ALLAH SWT atas segala rahmat dan kekuatan yang
diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini.
Tesis ini disusun berdasarkan penelitian yang telah dilakukan. Penulis berharap
tulisan ini dapat memberikan gambaran rnengenai pengeringan beku, pindah panas
dan massa, serta mutu hasil pengeringan beku cabe jawa.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam tulisan ini, namun semoga
karya ini tetap memberi manfaat bagi pembaca.
Dalam kesempatan ini penulis ingin rnenyampaikan ucapan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada :
1. DR. ir. Armansyah H. Tambunan, selaku ketua komisi pembimbing sekaligus
dosen penguji atas segala motivasi, pengertian dan semua bantuannya,
2. DR. Ir. Sutrisno, selaku anggota komisi pembimbing sekaligus dosen penguji
atas segala dorongan dan bimbingannya,
3.
DR. Ir. Purwiyatno Hariyadi, selaku anggota komisi pembimbing sekaligus
dosen penguji atas segala bantuan dan bimbingannya,
4.
Dewan Riset Nasional RUT IV tahun anggaran 1998-2000 dan BPPS Dikti
Depdiknas atas bantuan dananya,
5. Abdul Kodir, Yenny serta Suandi, we are the best team !!!
6.
Prihanani, Arista, Niki dan Tiwi, atas dorongan dan spiritnya,
7.
Rekan-rekan TEP '97 : M. Solahudin, Doddy, Yose, Edi J, d m Domma,
8.
Rekan-rekan TEP S3: Bambang, Momon, Amin, Edwart, Trisasiwi, Wuryani,
9.
Muti dan Yuspidallping atas dukungan dan motivasinya,
10. Suharto, selaku teknisi di Lab. Pindah Panas dan Massa,
11. Hernani, Bapak Eko dan Tri Tiyaningsih selaku peneliti Balittro,
12. Linda dan Erna, selaku peneliti di Lab. Doping Depkes Jakarta,
13. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu atas segala duku-
ngannya.
Bogor, Februari 2002
Penulis
Penulis dilahirkan di Klaten pada tanggal 12 Nopember 1968 dari seorang
bapak bernama Parto Raharjo dan ibu bernama Jumirah. Penulis menyelesaikan
pendidikan Sekolah Dasar di SDN Balapan no 30 Solo pada tahun 1981 dan
Sekolah Menengah Pertama di SMPN 4 Solo pada tahun 1984. Tahun ajaran 19841985 penulis melanjutkan sekolah di SMA Muhammadiyah 1 Solo dan sejak tahun
ajaran 1985-1988 penulis bersekolah di SMAN 2 Solo sampai lulus pada tahun
1988.
Sejak tahun 1988 penulis tercatat sebagai mahasiswa di IPB jurusan
Mekanisasi Pertanian dan dinyatakan lulus pada tanggal 11 Januari 1993.
Sejak tahun 1994 penulis bekerja sebagai staf pengajar di Universitas Sahid
Jakarta pada Fakultas Teknik sampai saat ini.
Pada :shun 1997 penulis
berkesempatan menuntut ilmu di Program Pascasarjana IPB pada prograni studi
llmu Keteknikan Pertanian dan dinyatakan lulus pada tanggal 15 Februari 2001.
Penulis menikah dengan Drs. Ahmad Hadiri pada tanggal 20 April 1996 dan
kini dikaruniai dua orang putra bernama Pancar Priangga Putra Negara, January
Eighteen (Alm) dan Proudhia Perkasa Putra Nusantara.
DAFTAR IS1
Dafiar Isi.............................................................................................................i
...
Daftar Tabel...........................,.............................................................III
Daftar Gambar .................................................
................................. ................ iv
Daftar Lampiran.. . ..................... ...... ...... ...... ... ...... ... .............................,vi
...
Dafiar Simbol.. . ... ............... ...... ... ......... ... ...... .......... ......... ...... ..... .. .....VIII
PENDAHULUAN
Latar Belakang .................................................................................................. 1
Tujuan Penelitian ................................................................ ........... ................... 4
TINJAUAN PUSTAKA
Cabe Jawa (Piper retrofractum'VAHL.) ....... ....... . . ... ......... . ................. ..... . . ........ 6
Pengeringan Beku............................................................................................. 5
Proses Pirtdah Panas dan Massa.. . ... ... ..... .................................................... I 5
PENDEKATAN TEORlTlS
Teoritis Pengeringan Beku Model Slab.................. ... ...... ............................... 19
Aliran Panas Selama Pengeringan Beku............... ... .................. . .. ... ... .....22
METODOLOGI
Tempat dan Waktu Penelitian.............................. ... .......................................
25
Bahan, Alat dan Metode.................................................................................25
Pengamatan dan Kajian............ ............ ............. ............................................3 1
HAS11 DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Pengeringan Beku..............................................................38
Profil Suhu dan Laju Pembekuan................... ...... ...................................38
Profil Suhu dan Laju Pengeringan..................... ............................... .......41
52
Proses Pindah Panas dan Massa...........................................................
Pengaruh Kondisi Operasi Terhadap Nilai Konduktivitas Panas dan
Permeabilitas Uap air ..........................................................................53
Aliran Panas Selama Pengeringan Beku.................................................. 58
Pengaruh Kondisi Operasi Terhadap Mutu Hasil Kering Beku Pasta Cabe
Jawa ...............................................................................................-63
Porositas Bahan Kering Beku................................................................63
Mutu Hasil Pengeringan Beku................................................................65
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan......................................................................................... 69
Saran ................................................................................................. 71
DAFTAR PUSTAKA ................................................................... -72
Lampiran ...................................................................................75
DAFTAR TABEL
No
1.
Teks
Halarnan
Kisaran Konduktivitas Termal Bahan Hasil Pengeringan Beku.........5
2. Kadar Kandungan Air. Piperin. dan Minyak Atsiri ......................... 9
3.
Perbedaan Metode dan Mutu Produk Antara Pengeringan Konvensional Dan Pengeringan Beku........................................................ 16
4.
Periakuan yang Diberikan dalarn Penelitian................................. 30
5.
Kondisi Pembekuan Cabe Jawa ................................................. 41
6.
Kondisi Pengeringan Beku Cabe Jawa.......................................44
7.
Nilai Konduktivitas Panas dan Perrneabilitas Cabe Jawa ................ 53
8.
Efisiensi Energi Selarna Proses Pengeringan Beku........................ 61
9.
Hasil Perhitungan Energi Sublirnasi dan Sensibel Cabe Jawa .......... 62
10. Aliran Panas aan Pengaruh Tekanan dan Laju Pernbekuan Selarna
Pengeringan Beku...................................................................62
11. Ukuran Pori Bahan Kering Beku dan Kering Oven.........................65
12. Hasil Analisa Mutu Cabe Jawa ................................................... 66
13. Fragmentasi Senyawa-senyawa Cabe Jawa .................................68
DAFTAR GAMBAR
No
Halaman
Teks
1.
Bentuk Tanaman dan Buah Cabe Jawa.....................................7
2.
Hubungan antara Suhu dan Tekanan Uap Air ............................. 13
3.
Perpindahan Panas & Massa selama Proses Pengeringan Beku....15
4.
Skema Fluks Panas dan Massa Selama Pengeringan Beku pada
Sampel...............................................................................19
5.
Sampel Holder dan Titik Pengukuran Suhu untuk Menganalisa
Sifat Konduktivitas Panas dan Permeabilitas Lapisan Kering
Selarna Pengeringan Beku......................................................
26
6.
lnterpolasi Penentuan L a j Pergerakan
~
Lapisan Kering pada Kondisi
.......................................................
AwaVAkhir dan Selainnya
33
7.
Sebaran Suhu Cabe Jawa Selama Pernbekuan...........................39
8.
Sebaran Suhu Cabe Jawa Selarna Pengeringan Beku .................. 42
9.
Tahapan dalarn Pengeringan Beku ............................................ 43
10. Pengaruh Tekanan Terhadap Waktu Pengeringan......................45
11. Pengaruh Laju Pembekuan Terhadap Waktu Pengeringan Beku ....46
12. Proses Pengeringan Beku Pada Pasta Cabe Jawa .....................47
13. Penurunan Kadar Air Bahan Akibat Berbagai Perlakuan yang
Diberikan............................................................................. 49
14. Karakteristik Kuiva Pengeringar,............................................. -50
15. Laju Pengeringan dengan Berbagai Perlakuan yang Diberikan.......51
16. Laju Pengeringan. Pergerakan Lapisan Kering dan Fraksi Air
........52
17. Sebaran Nilai Konduktivitas Panas dengan Tekanan 23.99 Pa.......55
18. Pengaruh Tekanan Terhadap Nilai Konduktivitas Panas
...............56
19. Pengaruh taju Pembekuan Terhadap Nilai Konduktivitas Panas
Cabe Jawa .........................................................................-57
20. Sebaran Nilai Permeabilitas dengan Tekanan 23.99 Pa..................57
21. Pengaruh Konduktivitas Panas Bahan Terhadap Waktu Pengeringan
Beku................................................................................... -59
22. Pengaruh Permeabilitas Terhadap Waktu Pengeringan Beku.........60
23 . Grafik Panas Radiasi Heater dan Panas Konduksi pada
Tekanan 23.99 Pa dan Laju Perr~bekuan4.39 cmljam...................62
DAFTAR LAMPIRAN
No
Te ks
Halaman
1.
Komposisi Jamu Hasil Survey Wilayah Bogor Kota, Ciawi
Dan Sekitar Kampus IPB Darmaga............................................ 76
2.
Data Jamu Hasil Survey Selama Persiapan Penelitian.................. 77
3.
Alat Pengering Beku Skala Laboratorium dan Wadah Sampel...... .78
4.
Blender dan Seperangkat Pengukur Kadar Air ............................79
5.
Nilai-Nilai Pustaka yang Digunakan dalam Pengolahan Data.. .......80
6.
Grafik Sebaran Suhu cabe Jawa Selama Pembekuan MasingMasing Perlakuan.................................................................81
7.
Grafik Sebaran Suhu Cabe Jawa Selama Pengeringan Beku
Masing-Masing Perlakuan........................................................ 83
8.
Grafik Panas Radiasi Heater dan Panas Konduksi Selama
Pengeringan Beku Masing-Masing Perlakuan.............................. 85
9.
Grafik Penurunan Massa dan Kadar Air Cabe Jawa Selama
Selama Pengeringan Beku Masing-Masing Perlakuan.. ................87
10. Grafik Pergerakan Lapisan Ker'ing dan fraksi Air Selama
Pengeringan Beku Cabe Jawa Masing-Masing Perlakuan..............89
11. Laju Pengeringan Cabe Jawa Selama Pengeringan Beku
Beku Masing-Masing Perlakuan............................................... 91
12. Kromatogram Hasil GC/MSD dengan Perlakuan Tekanan
Yang Diberikan......................................................................93
13. Grafik Karakteristik Pengeringan Beku Cabe Jawa MasingMasing Perlakuan.. ..............................................................
.97
14. Tabel Nilai Kadar Air Selama Pengeringan Beku Masing-Masing
Perlakuan............................................................................99
DAFTAR SIMBOL
A,
luas permukaan bahan
A,
luas lempeng pemanas (heater)
Cp,,
panas jenis bahan awal
Cp, panas jenis bahan kering
Cp, panas jenis bahan beku
C
,
panas spesifik uap air,
pf
massa jenis bahan beku
p,,
massa jenis awal
pw
massa jenis es
p,
massa jenis bahan kering
a
tetapan Stefan-Boltzrnan
h
konduktifdas panas bahan,
V,,
volume bahan
e
emisivitas
&
perubahan ketebalan bahan yang telah kering
Q,,
panas konduksi
Q,,
panas radiasi
Q,,,
panas sensibel
Q,,
panas sublimasi
ef
suhu lapisan beku bahan,
8,
suhu permukaan lapisan kering,
K
h
selang waktu pengukuran
detik
H,
panas laten sublimasi es,
H , panas laten sublimasi bahan
K
permeabilitas bahan,
k,, kadar air awal
L
ketebalan awal bahan,
ma
rnassa akhir setelah sublimasi,
ma* massa kering mutlak bahan,
rna~i,
massa akhir bahan
ma,
massa yang menyublirn,
m
,a,
massa awal bahan
rnd
rnassa bahan kering,
mf
massa es
m,
rnassa awal bahan,
m,
massa padatan
mt
massa bahan pada saat t,
mu
massa uap air daiam bahan,
M,
berat molekul air,
rn,
"1,"
laju pindah massa air bhn,
massa air bahan
p
nilai rata-rata sifat pindah massa per periode
a
nilai rata-rata sifat pindah panas per periode
viii
-
Pf
tekanan kesetimbangan uap es,
P,
tekanan ruang penyering,
qsub
laju pindah panas sgblimasi ,
R
tetapan universal gas,
t
waktu,
TI
suhu lempeng pemanas (heater)
Tz
suhu permukaan bahan
X
fraksi air tersisa pada bahan,
x(t)
tebal lapisan kering bahan,
f(x,)fungsi selisih suhu lempeng pemanas dan
permukaan bahan
17
efisiensi energi
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tanaman rempah dan obat telah digunakan untuk pengobatan sejak ribuan
tahun yang lalu, dimana bangsa lndonesia mengenal ha1 tersebut sebagai jamu.
Akhir-akhir ini penggunaan ramuan obat semakin besar terutama karena meningkatnya kesadaran akan kesehatan dan aaanya keraguan akan efek samping dari
obat sintetik. Meskipun terjadi revolusi antibiotik dan obat sintetik lainnya pada abad
ke dua puluh, organisasi kesehatan dunia (WHO) memperkirakan bahwa 80%
populasi dunia masih menggunakan obat tradisional yang bersumber dari tanaman
(Kardono, 1992). Biro Pusat Statistik (1998) mencatat bahwa pada tahun 1996
ekspor obat tradisional lndonesia mencapai 297 102 kg atau senilai US$ 1 506 145.
Jahun berikutnya, baik volume maupun
nilai ekspor makin meningkat hingga
mencapai 325 654 kg atau senilai US$3 322 565, sedangkan tahun 1998 sebanyak
928 552 kg obat tradisional diekspor dengan nilai sebesar US$ 8 895 107.
Meskipun ada peningkatan pemanfaatan ramuan obat, tetapi ha1 tersebut belum
banyak disertai dengan dukungan ilmiah khususnya untuk pembuktian khasiatnya
dan untuk perbaikan proses yang dapat mempertahankan komponen aktif dari
tanaman tersebut. Perbaikan proses pasca panen sangat penting karena berbagai
tanaman obat harus diambil dari hutan dan sulit untuk dikembangbiakkan di tempat
lain rneskipun dengan kondisi yang terkendali.
Bumi lndonesia merupakan negara yang kaya akan tumbuhan obat, dirnana
ragam tumbuhan obat yang meiimpah ini telah dimanfaatkan oleh nenek moyang
untuk pengobatan secara tradisional.
Obat fitoterapi dalam waktu singkat
diharapkan dapat dimanfaatkan dalam pelayanan kesehatan formal. Sedangkan
dalam jangka panjang obat tersebut akan mempunyai arti ekonomi yang cukup
potensial karena dapat mengurangi impor bahan baku obat yang harus dibeli
dengan devisa. Pada sisi lain, dengan perekayasaan menggunakan teknologi yang
tepat diharapkan menghasilkan nilai tarnbah yang lebih besar dan dapat
dimanfaaatkan untuk kepentingan rakyat banyak.
Menurut Sudiarto (1992) cabe jawa termasuk 10 besar simplisia nabati yang
diserap oleh industri obat tradisional dan menempati peringkat ke-6 atau sebesar
9,596 dari total sirnplisia yang dikonsumsi industri obat tradisional pada kurun waktu
1983-1988. Dari barbagai sumber yang ada diperoleh data bahwa cabe jawa
merupakan tanaman obat yang banyak dimanfaatkan untuk keperluan obat dan
untuk bumbu dalam makanan. Hal ini didukung oleh survei yang dilakukan terhadap
jenis jamu yang banyak dikonsumsi rnasyarakat di daerah Darmaga, Merdeka dan
Ciawi (diwakili oleh 15 kios jamu) sebagai penelitian pendahuluan dari penelitian ini.
Berdasarkan ha1tersebut maka cabe jawa dipilih menjadi bahan dalam penelitian.
Karena cabe jawa mengandung piperin dan minyak atsiri yang bersifat volatil,
maka pengeringan cabe jawa perlu mendapat perhatian. Pengeringan cabe jawa
dengan panas pada suhu tinggi dapat merusak komposisi kimia yang ada. Agar
komponen penting yang terdapat dalarn bahan cabe jawa tersebut tidak berkurang
atau hilang selama proses pengeringan, maka rnetode pengeringan beku diduga
yang terbaik untuk digunakan. Metode ini akan mengeringkan cabe jawa dengan
suhu bahan tetap rendah karena cabe jawa tersebut terlebih dahulu dibekukan sebelum dilakukan pengeringan.
Dengan membuat tekanan vakum dalam ruang
pengering, maka kandungan air bahan dalam bentuk es dapat langsung tersublimasi
tanpa melalui fase cair.
Pengeringan beku umumnya digunakan untuk bahan pangan bernilai
ekonomi tinggi yang sensitif terhadap panas. Pengeringan beku dapat mempertahankan hampir seluruh sifat awal prociuk seperti bentuk, cita rasa, aroma, warna
dan aktivitas biologik karena proses pengeringan beku berlangsung di bawah titik
tripel air (suhu di bawah 0,016"C dan tekanan di bawah 610 Pa).
Winarno (1993) menyatakan bahwa cara pengeringan yang memiliki daya
pengawetan yang lebih baik adalah pengeringan beku atau freeze drying.
Pengeringan beku menghasilkan produlc dengan kualitas yang paling tinggi
dibandingkan dengan cara pengeringan yang lain. Liapis (1995) menambahkan
bahwa produk hasil pengeringan beku memiliki struktur yang porus, tidak berkerut
dan daya rehidrasinya tinggi.
Widodo dan Tambunan (1996) menyatakan bahwa konduktivitas panas
bagian kering berpori, sebagai akibat proses pengeringan beku, nilainya sangat kecil
sehingga menghambat laju perpindahan panas yang dibutuhkan untuk proses
sublimasi dan pada gilirannya memperlambat laju pengeringan. Pada Tabel 1 dapat
dilihat beberapa nilai konduktivitas panas bahan hasil pengeringan beku yang
diperoleh dalam penelitian-penelitian yang telah dilakukan selama ini. Peningkatan
intensitas pemanasan dapat mengakibatkan terjadinya kolaps pada bahan yang
dikeringkan, disamping peningkatan konsumsi energi dan biaya pengeringan. Oleh
sebab itu, penentuan kondisi kerja, dalam ha1 ini siklus tekanan dan pemanasan,
harus dilakukan dengan memperhitungkan status fisik bahan yang akan
dikeringbekukan dan efisiensi energi selama proses pengeringan beku berlangsung.
Variabel kontrol yang penting dalam proses pengeringan beku adalah
tekanan dalam ruang pengering yang dapat mempengaruhi konduktifitas panas dari
permukaan IaNsan kering bahan ke permukaan sublimasi, serta permeabilitas
Tabel I.Kisaran Koflduktivitas Terrnal Bahan Hasil Pengeringan Beku
Sumber
Bahan
Kondisi pengeringan beku
Konduktivitas
BuahanlSayuran
Gas sekeliling
Tekanan(Pa)
termal WImK)
Ape1 (irisan)
Apel (masif)
Cellulose gum
Durian (tepung)
Gelatin
Jus tomat
Mushrooms
Larutan kopi
Larutan tepung jagung
Peach
Persik
Tepung kentang
Daging dan lkan
Albumen telur
Daging sapi (irisan)
Daging sapi (giling)
Salmon
Susu
Udang
Bahan ObatlFarmasi
Collagen
Garam ampicilin sodium
Garam cloxacilin sodium
Garam cefalosforin sodium
I Pasta jahe putih
Uap air
Uap air
Uap air, udara
Uap air
Uapair,udara
Uap air
Udara
Uap air
Uap air,udara
Udara
R-12, COz, dl1
Uap air, udara
20.0-30.0
20.0-30.0
4.0-101300
7.1-125.0
4.0-101300
53.2-199.5
39.9-101300
6.9-12.4
13.3-166
0.13-101300
2.7-101300
4.0-101300
0.056-0.123
0.068-0.073
0.019-0.055
0.1 19-0.212
0.016-0.042
0.035-0.173
0.010-0.036
0.153-0.277
0.014-0.033
0.016-0.043
0.022-0.187
0.009-0.042
(1)
(1)
(2)
(3)
(2)
(2)
7-130
2.7-399
2.7-13.3
20.0
1.33-40.0
7.0-133.0
0.014-0.042
0.035-0.073
0.131-0.161
0.052-0.133
0.022-0.08 1
0.038-0.086
(2)
(2)
13.3-53.2
1.33-20.0
1.33-26.6
1.33-20.0
1.33-21.3
0.026-0.069
0.021-0.069
0.021-0.069
0.021-0.029
C.065-0.147
(5)
(5)
(5)
(5)
(6)
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
Uap air
1
1
(2)
(1
(2)
(2)
(2)
(2)
(4j
Catatan : (1) Araki, dkk. (1998)
(2) Diolah dari King, C.J. (1972) dalam Liapis dan Bruttini (1995)
(3) Penelitian di Lab. PPM-IPB, tidak dipublikasikan
(4) Wenur (1997)
(5) Diolah dari Liapis dan Bruttini (1395)
(6) Tarnbunan (1999)
kering untuk dilewati oleh uap yang terbentuk selama proses pengeringan
rsebut. Selain tekanan, rnaka suhu plat pernanas dan suhu perrnukaan
kering adalah kondisi lain yang harus dicermati selama proses pengeringan
Irlangsung.
Suhu plat pemanas harus dikontrol agar suhu perrnukaan
kering tetap di bawah suhu~rnaksimurnyang diizinkan pada bahan yang
dikeringkan tersebut. Sedangkan untuk mengetahui besar kecilnya pori-pori bahan
hasil kering beku, maka periakuan terhadap laju pembekuan bahan pada saat bahan
dibekukan harus dilakukan untuk mengetahui pengaruh laju pembekuan terhadap
ukuran pori yang dihasilkan. Pengetahuan yang memadai tentang nilai konduktivitas
dan permeabilitas cabe jawa, sebagai parameter pindah panas dan massa, dan
pengkajian tentang efisiensi panas pengeringan selama pengeringan beku sangat
bermanfaat untuk menentukan kondisi optimum pengeringan beku yang mampu
mernberikan hasil yang baik dengan efisiensi yang tinggi.
TUJUAN PENELlTlAN
Penelitian pengeringan beku dengan memilih cabe jawa sebagai sampel ini
bertujuan :
1. Mempelajari karakteristik pengeringan beku dan proses p i ~ d a h
panas dan massa
selama pengeringan beku pasta cabe jawa
2. Mempelajari pengaruh tekanan dan laju pembekuan terhadap proses pemanasan
dan mutu hasil pengeringan beku cabe jawa.
TINJAUAN PUSTAKA
Cabe Jawa (Piper refrofracfum Vahl)
Menurut Januwati dar! Dedi (1992) cabe jawa (Piper retrofractum Vahl.)
termasuk tanaman obat di daerah tropis. Bagian yang dapat digunakan sebagai
bahan obat dari tanaman ini adalah daun, akar dan buah.
Cabe jawa adalah salah satu tanaman obat yang dijumpai di Jawa, Bali dan
Maluku pada ketinggian 0 m - 600 m dpl. Pengembangbiakkan cabe jawa dapat
dilakukan dengan stek batang dengan ukuran panjang stek 30 cm
-
40 cm
sepanjang lebih kurang tiga ruas. Cabe jawa merupakan tumbuhan dengan batang
memanjat, melilit atau melata. Untuk tiang panjatan dipakai tanaman hidup antara
lain kelor (Moringa oleifera), gamal (Glyricidia spec), kelapa dan lain-lain. Tanaman
ini perlu dipangkas setinggi 1,5 m dari tanah agar dapat berbunga (Depkes RI,
1977).
Sistematika =be
jawa adalah divisio : spermatophyta, subdivisio :
angiosperms, kelas : dicofyledonae, ordo : piperales, famili : piperaceae, genus :
piper dan spesies :piper retr~fracturnVahl.
Steenis-Kruseman (1953) dalam Sudiarto (1992) menyatakan bahwa bagian
tanaman yang dipanen dan banyak dipakai dalam industri obat tradisional maupun
*
ekspor adalah buahnya. Buah yang belum masak dipakai dalam campuran obat
yang berkhasiat karminatit buah juga digunakan dalam ramuan minuman bandrek.
Hama dan penyakit yang menyerang tanaman ini rnenurut penga-laman
petani belum ada, baik pada tanaman maupun hasil panen setelah disimpan. Hasil
yang baik dari pohon yang sudah menutup penuh pohon panjatan adalah 2 kg - 3 kg
buah basah per pohon sekali panen. Proses pengeringan umumnya dijemur dan
dari setiap 3 kg buah basah diperoleh 1 kg buah kering. Dari segi varietas di Jawa
Timur ada 3 macam yaitu cabe kerbau, cabe kacang dan cabe lenguk. Setijati
(1978) menyatakan bahwa percabangan cabe jawa terjadi pada pangkal batang
yang keras dan menyerupai kayu.
Di Jawa Tengah khususnya, pada tahun 1978 tercatat kebutuhan cabe jawa
84 tonlth. Pengembangan budidaya cabe jawa ini patut rnendapat perhatian karena:
tanaman cabe jawa berbuah sepanjang tahun (memberikan tambahan pendapatan),
tahan terhadap naungan (dapat mengisi bagian pekarangan yang ternaungi pohon
besarlbuah), mudah pemeliharaannya, serangan hama dan penyakit tergolong
rendah dan penanganan pasca panen mudah. Secara visual tanaman dan buah
cabe jawa dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Bentuk tanarnan dan buah cabe jawa.
Heyne (1980) menyatakan bahwa sari cabe jawa yang belum tua terdapat
dalam jamu yang digunakan untuk perut kernbung dan peiuruh keringat. Selain itu,
sari cabe jawa terdapat pula dalam ramuan jamu pegal linu, rematik, neuralgia dan
pencuci bisul.
Akar pelekat (hechtworfels) cabe jawa dapat dikunyah untuk
mengobati sakit gigi dan air rebusan daunnya untuk berkumur bagi orang yang
menderita saki gigi. Orang Bali, Jawa dan Melayu mencampur cabe jawa dengan
obat lain untuk menyembuhkan kejang perut dan kena angin (windergheid) serta
berbentuk salep untuk beri-beri dan sebagai &at kuat (aphrodisiacum). Menurut
Hasskarl dalam Heyne (1980) cabe jawa yang ditumbuk halus dengan aluin, pulasari
dan bangle merupakan obat yang dioleskan pada perut wanita nifas (kraamvrouwen).
Nurendah (1983) menyatakan bahwa larutan buah cabe jawa dalam larutan
fyrode dapat menaikkan kontraksi uterus marmut in vitro. Hal ini mendukung pemakaian bahan tersebut untuk obat sukar bersalinl jamu pengatur haid. Masih menuru:
Nurendah (1983) kemungkinan terdapat efek abortif dan teratogenik, yang
ditunjukkan dengan terjadinya resorpsi janin yaitu hilangnya janin dalam kandungan.
Menurut Lewis (1977) dalam Sa'roni dkk. (1992) bahwa sifat abortif ini disebabkan
oleh piperin yang bersifat toksik seperti nikotin atau mungkin adanya minyak atsiri
yang mempunyai efek melumpuhkan otot uterus atau bersifat stimulan kontraksi otot
uterus. Frazer dalam Sa'roni dkk. (1992) menambahkan bahwa bahan yang bersifat
abortif tersebut kemungkinan potensial bersifat teratogenik.
Dari penelitian toksisitas akut pada tikus dapat disimpulkan bahwa infus buah
cabe jawa termasuk golong% relatively harmfess atau arnan untuk dikonsum
(Dzulkarnain, 1975). Dengan demikian pemakaian buah cabe jawa ini sebagai obat
dalarn bentuk seduhan dapat dikatakan cukup aman.
Hargono (1992) menyatakan bahwa senyawa kimia yang dikandung buah
cabe jawa adalah beberapa jenis alkaloids, senyawa lain dan minyak atsiri.
Alkaloids utarna yang terdapat dalam buah cabe jawa adalah piperin (3%). Rasa
pedas cabe jawa disebabkan oleh piperin dan piperanin.
Hasil identifikasi
komponen utama minyak atsiri dengan meng-gunakan teknik kromatografi gascairan (GLC) terdapat dalam Tabel 2.
Tabel 2. Kadar kandungan air, piperin, dan minyak atsiri cabe jawa
Jenis Komponen Cabe Jawa :
Nilai (%)
1 Air
Piperin
I
0,75
I
1,05
I
Minyak atsiri
I
I
4
I
Sumber : Hargono (1992)
Pengeringan Beku
Slade (1967) menyatakan bahwa pengeringan beku rnerupakan suatu teknik
pengeringan pada bahan dalam keadaan beku yang dilakukan pada tekanan
rendah. Berbeda dengan cara pengeringan biasa, dalam pengeringan beku bahan
pangan terlebih dahulu dibekukan dan pada keadaan hampa, air langsung dikeluarkan dari bahan secara sublimasi. Proses sublirnasi ini akan terjadi bila suhu dan
tekanan yang digunakan berada di bawah titik friple (0°C dan 610 Pa). King (1971)
menyatakan bahwa pengeringan beku dapat mernpertahankan bentuk kaku (rigid)
bahan yang dikeringkan, sehingga menyebabkan bahan berpori dan tidak mengkerut
dalam keadaan kering. Keadaa ini mengakibatkan terjadinya proses rehidrasi yang
cepat dan sempurna bila produk kering ditambahkan air. Juga, selama proses
pengeringan berlangsung hampir tidak terdapat cairan, sehingga dapat mencegah
transpor zat-zat yang dapat larut dalam air dan memperkecil terjadinya reaksi
degradasi. Sedangkan menurut W~rakartakusumahdkk. (1989) pengeringan beku
menghasilkan produk yang berbentuk seperti spon dan mempunyai ukuran seperti
bahan asal (bahan beku) yang memiliki keunggulan dalam menjaga stabilitas tekstur
dan aroma. Pengeringan beku dapat mempertahankan hampir seluruh sifat awal
produk seperti bentuk, cita rasa, aroma, warna dan aktivitas biofogik karena proses
pengeringan beku berlangsung di bawah titik tripel bahan.
Heldman dan Singh (1981) rnenyatakan bahwa proses pembekuan bahan
pada pengeringan beku ini akan menentukan hasil akhir produk yang dikeringkan.
Pembekuan cepat akan menghasilkan produk kering beku yang mempunyai pori
lebih kecil sedangkan penibekuan lambat akan menghasilkan produk kering beku
dengan pori yang besar. Menurut Fennema dan Powrie (1964) ada 4 faktor yang
mempengaruhi laju pembekuan bahan pangan vaitu (1) beda suhu antara produk
dengan medium pendingin, semakin kecil perbedaan suhunya maka semakin cepat
laju pembekuannya (2) cara pindah panas dari dalam produk dan di dalam produk,
semakin sederhana cara pindah panasnya rnaka akan semakin cepat laju
pembekuannya (3) ukuran, bentuk dan tipe kemasan, semakin kecil ukuran dan
semakin seder-hana bentuk dan tipe kemasan maka akan semakin cepat laju
pembekuannya dan (4) ukuran, bentuk dan sifat terrnofisik bahan yang dibekukan,
semakin kecil ukuran dan sederhana bentuk dan sifat termofisiknya maka akan
semakin cepat laju pembekuannya.
Menurut Everington (1973) dalam Heldman dan Singh (1981) ada 3 metode
r(
pembekuan yang dikenai yaitu
(1) air blast freezing, bahan yang dibekukan
diielakkan dalam ruangan yang ditiupkan udara beku di dalamnya dengan blower
yang kuat, (2) contact plate freezing, bahan yang dibekukan diletakkan diantara
pelat-pelat yang direfrigerasi, (3) immersion freezing, bahan yang dibekukan berada
dalam larutan garam (air) yang direfrigerasi.
Sedang
Brennan dkk. (1974)
menambahkan lagi 2 metode lain yaitu sharp freezing, bahan yang dibekukan
diletakkan diatas liiitafl pipa evaporator dan cryogenic freezing, bahan yang
dibekukan disemprot dengan bahan kriogen, rnisalnya C o p cair dan Np cair. Dari
kelima metode tersebut, hanya metode sharp freezing yang berlangsung lambat.
Metode cryogenic freezing merupakan metode pembekuan yang mahal dan
biasanya untuk bahan yang bernilai ekonomi tinggi, misalnya udang.
Brennan (1981) menyatakan bahwa proses pembekuan terjadi secara
be~tahapdari permukaan sampai pusat bahan. Pada permukaan bahan, pembekuan berlangsung cepat sedangkan pada bagian yang lebih dalarn proses
pembekuan berlangsung lebih lambat. Menurut Holdworth (1968) pada awal proses
pembekuan akan terjadi fase precooling dimana suhu bahan diturunkan dari suhu
awal ke suhu titik beku. Pada tahap ini semua kandungan air bahan berada dalam
keadaan cair. Ramaswamy dan Tung (1984) menyatakan bahwa pada hakekatnya
proses pembekuan baru dirnulai pada saat suhu permukaan mencapai sekitar -I0C,
yaitu pada saat dimulainya pembentukan kristal es.
Long (1955) dalam Heldman dan Singh (1981) menggunakan konsep TAR
(Thermal Arrest Time) dalam pengukuran laju pembekuan ikan. Menurut konsep
TAR lajc pembekuan dinyatakan sebagai perbandingan antara ketebalan bahan
terhadap waktu yang dibutuhkan titik yang paling lambat membeku pada bahan
*
untuk menurunkan suhu dari O°C sampai -5°C.
Heldrnan dan Singh (1981) menyatakan laju pembekuan sebagai perbandingan antara ketebalan bahan terhadap waktu yang dibutuhkan untuk menurunkan
suhu bahan pada titik yang paling lambat rnenjadi beku, dihitung dari saat tercapainya titik beku awal sampai tercapainya tingkat suhu yang diinginkan di bawah titik
beku bahan.
Lembaga Refrigerasi lnternasional (1971) dalam Heldman dan Singh (1981)
mendefinisikan laju pembekuan suatu massa pangan sebagai rasio perbandingan
jarak minimal antara permukaan bahan dan titik pusat panas dengan waktu yang
diperlukan oleh produk pangan mulai tercapai suhu 0°C pada permukaan bahan
sampai tercapai -5°C pada pusat panas bahan. Laju pembekuan dinyatakan dalam
cmljam.
Menurut Ramaswamy dan Tung (1984) lama pembekuan adalah waktu yang
dibutuhkan oleh bahan pangan untuk membeku, dimulai dari saat suhu permukaan
mencapai 0°C sampai pusat bahan mencapai suhu tertentu. Ramaswamy dan Tung
(1984) merumuskan laju pembekuan rata-rata sebagai : w = Dl2T dimana w laju
pembekuan rata-rata (cmjjam), D diameter silinder (cm) dan T lama pembekuan
(jam). Proses pernbekuan lambat jika w c 1 cm/jam, pembekuan sedang w antara
1-5 cmljam dan pembekuan cepat jika w > 5 cmljam.
Zaitsev (1962) dalam llyas (1963) mengklasifikasikan laju pembekuan cepat
sebagai pembekuan yang memiliki laju pembekuan tidak kurang dari 3,3 cmljam.
King (1971) membagi laju pembekuan ke dalam 3 golongan yaitu (1) pembekuan
lambat, jika waktu pembekuan adalah 30 menit atau lebih untuk 1 cm tebal bahan
yang dibekukan, (2) pembekuan sedang, jika waktu pembekuan adalah 20
- 30
menit untuk Icm tebal bahan yang dibekukan dan (3) pembekuan cepat, jika waktu
pembekuannya kurang dari 20 menit untuk 1 cm tebal bahan yang dibekukan.
a
Fadey (1958) dalam Desrosier (1988) menyatakan bahwa jumlah air bahan
yang terbekukan pada pembekuan daging sapi akan mendekati 100% pada suhu
bahan mencapai - 19,5" C, sedang pada pembekuan jahe, menurut Yudistira (1999)
tercapai pada suhu -29°C.
Setelah bahan dibekukan, maka proses selanjutnya pada pengeringan beku
adalah peristiwa yang dikenal dengan istilah sublimasi atau liofilisasi, dimana kandungan air bahan yang berupa es akan fangsung menjadi uap. Proses sublimasi ini
terjadi pada suhu dan tekanan di bawah titik tripel, yaitu pada suhu di bawah 0°C
dan tekanan di bawah 610 Pa atau 4,58 mm Hg. Hubungan antara tekanan uap air
dengan suhu pada diagram P-T dapat dilihat pada Gambar 2.
0
Suhu, "C
Gambar 2. Hubungan Antara Suhu dan Tekanan Uap Air (Fennema, 1975)
Tujuan sublimasi adalah untuk menurunkan kandungan air bahan pangan
hingga mencapai 5% - 10%. Setelah mencapai kadar air tersebut suhu bahan akan
dinaikkan lebih tinggi untuk mendesorbsi air terikat, sehingga akan diperoleh bahan
pangan dengan kadar air di bawah 5% (Considine (1974) dalam Syafridawaty 1991).
Proses sublimasi membutuhkq panas sebesar panas laten sublimasi sekitar 666
kallgram es.
Arsdel dan Copley (1963) dalam Yudistira (1999) mengungkapkan bahwa
keberhasilan pengeringan beku sangat dipengaruhi oleh adanya perbedaan tekanan
uap di sekitar substansi yang sangat kering dengan tekanan uap air pada bagian
dalam substansi yang masih membeku sehingga uap air secara terus-menerus
ditransportasikan dari bahan pangan tanpa terjadinya pelelehan es pada bahan
pangan tersebut. Hal ini mengakibatkan permukaan bahan tetap tegang tanpa
terjadinya pengerutan selama proses pengeringan berlangsung.
Mellor (1978)
menyatakan bahwa pergerakan lapisan sublimasi mempunyai ketergantungan yang
sangat erat dengan perbedaan tekanan uap bahan, sehingga secara teoritis
perbedaan tekanan uap dapat dinyatakan sebagai variasi tekanan di dalam bahan
dan berhubungan erat dengan laju sublimasi.
Lama pengeringan beku dipengaruhi oleh kandungan air bahan, ketebalan
bahan, dan suhu yang digunakan. Menurut King (1971) suhu ditentukan berdasarkan ketahanan bahan terhadap panas, misalnya kandungan gula, asam, dan
komponen volatilnya dan ukuran produk yang akan dikeringbekukan. Dengan
demikian, penggunaan suhu pengeringan ditetapkan pada jangkauan suhu yang
dapat mencegah atau meminimumkan kehilangan kandungan gula, asam dan
komponen volatilnya.
Penyubliman es akan berakhir setelah kadar air bahan di
bawah 5%, saat mana diperoleh sebaran suhu yang konstan dan bersamaan
dengan itu diperoleh bobot sampel yang konstan.
Terdapat 2 faktor yang mengatur kecepatan pengeringan beku yaitu adanya
sumber panas (heat source) dan penerima uap air (condensor/moisture sink).
*
Adanya perbedaan suhu karena sumber panas akan nienyebabkan keluarnya uap
air yang akan diterima oleh kondensor. Sumber panas menyebabkan adanya perpindahan panas dan kondensor akan menerima sejumlah pindah massa. Untuk lebih
jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.
lapisan kehng berpori
Gambar 3. Perpindahan panas (pp) dan massa (pm) selama proses
pengeringan beku (King, 1971)
Menuru: Brennan dkk. (1974) kecepatan pengeringan dipengaruhi oleh 2
faktor yaitu kecepatan pergerakan uap air dari permukaan es melaluI lapisan kering
berpori dan kecepatan perpindahan panas ke permukaan es. Pada Tabel 3 dapat
dilihat perbedaar, metode dan mutu produk antara pengeringan konvensional dan
pengeringan beku.
Proses Pindah Panas Dan Massa
Pengeringan beku merupakan salah satu metode pengawetan pangan yang
melibatkan proses pindah
dan massa. Pindah panas yang dominan terjadi
dalam pengeringan beku adalah pindah panas secara radiasi dan konduksi,
sedangkan pindah panas secara konveksi sangat kecil sehingga dapat diabaikan.
Pindah panas secara radiasi terjadi aari plai pemanas ke permukaan bahan yang
dikeringkan dan pindah panas secara konduksi terjadi pada lapisan kering ke
permukaan sublimasi.
Tabel 3. Perbedaan metode dan mutu produk antara pengeringan
konvensional dan pengeringan beku
1 Pengeringan konvensional
-hanya berhasii diierapkan pada produk-
I
produk
I
I -cubcup
memuaskan untuk kebenyakan produk yang
sulit
dikeriqkan
dengan
mdode
yang mudah dikeringan, seperti sapr-sapfan dan
biaaanya
biji-bijian
pengeringan lainnya
-tidak memuaskan untuk pengeringan daging
- c u b p memuaskan untuk daging
-suhu pengeringan relatif tinggi (37°C-93°C)
-suhu pengeringan dibawah tiiik beku produk
-berlangsung pada tekanan atmosfir
-proses pada tekanan rendah
-penguapan air dari permukaan bahan
-sublimasi air dari permukaan bahan
-peluang terjadinya kerak pada perrnukaan bahan
dapat menghindari terladin~akerak pads permuban
relatif besar
bahan
-warna produk kering relatif gelap
-warna produk kering mendekati asalnya
-aroma produk kering tidak normal
-produk kering biasanya relatif banyak kehilangan
( ndrisi
I
1
Pengeringan beku
-biaya operasional relatif rendah
I
Sumber : Fellow (1990)
I
I/
I
I
-aroma produk kering normal
-kehilangan
n ~ t r i s i secara
1
I
besar-besaran
dapat
dihindari
-biaya operasional relatif tinggi
I
I
I
Heldrnan dan Singh (1981) menyebutkan pindah panas radiasi rnerupakan
proses pindah panas dimana panas secara langsung dipancarkan dari satu bagian
ke bagian yang lain yang terpisah rnelalui radiasi elektromagnetik. Sedangkan
pindah panas konduksi rnerupakan proses pindah panas di dalam suatu bahan
/antara bahan yang satu dengan bahan yang lain karena perubahan energi kinetik
diantara molekul-molekulnyatanpa melibatkan perpindahan molekul tersebut.
Selama pengeringan beku, bahan akan terbagi dalam dua lapisan yaitu
lapisan beku yang terdapat pada bagian dalam bahan dan lapisan kering berpori
yang terdapat pada bagian permukaan bahan. Kedua lapisan tersebut dibatasi oieh
permukaan sublimasi seperti terlihat pada Gambar 3 di atas. Selama proses
pengeringan beku, permukaan sublimasi akan bergerak ke bagian dalam dan
lapisan kering yang berada pada bagian luar akan sernakin tebal.
Pada proses pindah panas konduksi akan terjadi 2 kondisi yaitu kondisi aliran
mantap (steady state) dimana suhu pada beberapa titik di dalam bahan pangan
(kandungan panas pada bahan) tidak tergantung pada waktu dan sejumlah panas
yang masuk dalarn bahan pangan sama dengan jumlah panas yang keluar, dan
kondisi aliran tidak mantap (un-steady sfate) dimana kandungan panas pada bahan
berubah terhadap v~aktudan panas yang rnasuk tidak sarna dengan panas yang
keluar. Panas yang digunakan untuk sublimasi rnerarnbat rnelewati lapisan kering
berpori menuju perrnukaan sublimasi secara konduksi. Jika suhu lapisan beku dan
suhu permukaan bahan tetap, maka laju panas yang masuk ke dalam bahan akan
seirnbang dengan laj~luap air yang keluar dari bahan. Laju aliran panas yang besar
akan dapat rnenaikkan suhu lapisan beku sarnpai tekanan uapnya cukup besar
untuk rneningkatkan aliran uap air keluar sampai ke permukaan lapisan kering.
Pada proses pengeringan dan dehidrasi, pindah panas dan pindah rrlassa
terjadi secara sirnultan. Menurut Wirakartakusumah dkk. (1989) pindah massa
adalah suatu perpindahan yang terjadi karena pergerakan molekul meialui suatu
lapisan batas dari sistem. Pawah massa dapat terjadi juga karena perbedaan
konsentrasi, dimana massa akan mengalir dari konsentrasi tinggi Ice konsentrasi
yang lebih rendah.
Fellow (1990) rnenyatakan bahwa ada 3 faktor yang rnempe-
ngaruhi laju pindah massa pada pengeringan beku yaitu tekanan ruang pengering,
suhu kondensor dan suhu es pada permukaan sublimasi. Agar berhasil secara
kornersil, tekanan ruang pengering dan suhu kondensor harus diatur serendah
rnungkin. Tekanan ruang pengering diberikan sekitar 13 Pa dan suhu kondensor
mendekati -35°C. suhu permukaan es diatur setinggi mungkin tetapi rnasih di
bawah suhu kritis. Yang dimaksud dengan suhu kritis adalah suhu dimana terjadi
kesetimbangan tekanan pada permukaan es. Pada suhu yang sarna, perpindahan
uap air dari bahan akan lebih cepat pada tekanan yang lebih rendah.
Pada proses pengeringan bekg digunakan tekanan vakum. Menurut King
(1971) total tekanan untuk rnengontrol perubahan pindah panas sampai terjadinya
perubahan pindah massa adalah 1349,45
- 2698,90
Pa untuk daging.
Untuk
makanan cair yang mengandung padatan terlarut tinggi, diperlukan tekanan yang
lebih rendah dengan srlhu pembekuan yang juga harus lebih rendah. Pengeringan
beku juga dapat dilakukan dengan tekanan yang lebih tinggi, dengan syarat tekanan
parsial uap air harus dibuat lebih rendah sehingga memungkinkan terjadinya suatu
pindah massa. Tetapi, pengeringan beku dengan tekanan yang lebih tinggi ini tidak
efektif karena diperlukan waktu pengeringan yang jauh lebih lama.
PENDEKATAN TEORlTlS
Pengeringan Beku Model Lempeng Tak Hingga
Model yang digunakan untuk analisa pindah panas pada penelitian pengeringan beku ini adalah model infinite slab (lempeng tak hingga). Pindah panas dan
pindah massa hanya berlangsung pada satu arah dengan memberi isolasi panas
pada permukaan bawah dan samping bahan yang berbentuk silinder.
Plat Pemanas
Ke recorder
Gambar 4.
n
ni
Skema fltlks panas dan massa selama pengeringau beku pada
sampel (Sagara, 1984).
Menurut Massey dan Sunderland ( I 967) dalam Sagara (1984) persamaan yang
digunakan pada proses sublimasi adalah sebagai berikut :
Pada Persamaan (1) ini panas jenis uap air (Cp) diasumsikan konstan dan
sebanding dengan jumlah uap air. Bagian kiri Persamaan ( I ) menunjukkan besarnya
panas yang rnejalui lapisan kering, sedangkan bagian kanan menunjukkan besarnya
panas yang digur~akanuntuk sublimasi es ditarnbah dengan panas yang diserap
oleh uap air yang bergerak dari permukaan sublimasi ke permukaan lapisan kering.
Laju pindah panas pada permukaan lapisan kering dapat dinyatakan sebagai perkalian antara laju pindah massa dengan panas laten sublimasi sebagai berikut :
Sagara dan Hosokawa (1982) dalam Sagara (1984) rnenyatakan bahwa
fraksi air tersisa dalam bahan selama proses sublimasi pengeringan beku dapat
ditentukan dengan persamaan berikut :
Sagara (1984) menyatakan bahwa pergerakan lapisan kering bahan selama proses
a
sublimasi diperoleh dengan persamaan berikut :
Dan penentuan laju pindah massa dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :
Sedangkan laju pindah massa dihubungkan dengan laju pengeringan ditunjukkan
oleh persarnaan :
I.C.T. (1928) dalam Sagara (1984) menyatakan bahwa tekanan kesetimbangan uap
air dalam bentuk es dapat dihitung dengan persamaan yang merupakan fungsi dari
suhu pada permukaan sublimasi tersebut, yaitu :
Nilai konduktifitas panas dapat dihasilkan dari subsitusi Persamaan (4) ke
Persamaan (1) dan (6) sehingga diperoleh Persamaan (8) berikut :
dan :
(1-x)=
~ , ( -e,)
e.~
..($1
.................
j
(10)
Penentuan nilai permeabilitas bahan, dihasilkan dari subsitusi Persamaan (4)
ke Persamaan ( 5 ) dan (6),s e h w g a diperoleh persamaan berikut :
dan : (1-
x)= K.M,bf-P,)
.......................
Aliran Panas Selama Pengeringan Beku
Banyak penelii telah berusaha menganalisa cara pindah panas dan massa
dengan menentukan kondisi operasi optimum untuk mengurangi konsumsi energi
selama proses bedangsung. Sagara dan lchiba (1994) menyelidiki metode pengukuran nilai sifat transpor dalam lapisan kering kopi. Melalui penelitian tersebut
diketahui bahwa lapisan kering menjadi faktor pembatas pindah panas dan massa
selarna proses pengeringan beku.
Yunfei dan Chengzhi (1996) mempelajari
interaksi tekanan vakum, ketebalan sampel dan konsentrasicolustrum sapi terhadap
konsumsi energi dan produkiivitasnya. Dari hasil penelitian tersebut diperoleh bahwa konsentrasi produk pengaruhnya sangat kecil terhadap konsumsi energi.
Konsumsi energi yang digunakan merupakan total energi bukan energi yang benarbenar dimanfaatkan oleh sampel.
Pengetahuan tentang efisiensi energi pada suatu proses sangat penting untuk
dikaji agar diperoleh kondisi optimum suatu perlakuan sehingga dapat menekan
biaya dan mempersingkat waktu proses.
Pada proses pengeringan beku ini,
dilakukan pengamatan dan pengolahan data terhadap kebutuhan energi panas
selama proses pengeringan. Energi panas radiasi adalah energi yang dipancarkan
oleh heater dan diterima oleh permukaan bahan sedangkan energi panas konduksi
a
adalah energi yang diterima oleh bahan yang dibutuhkan untuk menyublimkan
kristal es dan untuk menaikkan suhu bahan.
Persamaan-persamaan yang digunakan untuk memperoleh efisiensi energi
pada pengeringan beku ini adalah dengan menghitung nilai panas konduksi dan
panas radiasi selama pengeringan beku sebagai berikut :
Qrd = o e 4 (q4- q4).......................................................(15)
Dalam memperhitungkan nilai dTIdx pada panas konduksi dan perubahan suhu
pada panas radiasi digunakan rumus Sirnpson sebagai berikut :
sehingga diperoleh persamaan berikut :
Sedangkan panas sublirnasi dicari dengan menggunakan Persamaan (2) diatas.
Panas sensibel yang digunakan untuk. menaikkan suhu bahan dihitung dengan
persamaan berikut :
Massa air bahan dalam keadaan beku mt dan massa air bahan dalarn keadaan
kering mddiperoleh dengan persamaan berikut :
Nilai Cp,,,
dihitung menggunakan persamaan menurut Siebel's (1892) dalam
Heldman dan Singh (1981):
Cp,,
= 0.837
+ 0.034(K,,
%)
.........................................................(23)
Untuk menghitung nilai pddan Cpd digunakan persamaan menurut Dickerson (1869)
dalam Heldman dan Singh (1981):
Panas konduksi yang masuk ke dalam bahan seimbang dengan panas sublimasi
yang digunakan untuk menyublimkan kristal es ditambah dengan panas sensibel
yang digunakan untuk menaikkan suhu bahan, yang dapat dirurnuskan den