1

Sifat Fisik Pangan dan Hasil Pertanian (TPP-1712)

Prof.Dr.Ir. Haryadi, M.App.Sc.

Dr. Yudi Pranoto,STP.,MP.

2

Pokok Bahasan

Volume, densitas dan spesifik gravity

Luas Permukaan

Reologi bahan pangan

Tekstur

Viskositas

Warna

Kristalisasi

Sifat termal/DSC

Emulsi

Aktifitas air (aw)

3

Referensi

Mohsenin, N.N., 1970. Physical Properties of Plant and Animal Materials.

Lewis, M.J., 1987. Physical Properties of Foods and Food Processing Systems

Rahman, S., 1995. Food Properties Handbook

Rao, M.A. and Rizvi, S.S.H., 1995. Engineering Properties of Foods

Bourne, M., 2002. Food Texture and Viscosity

4

Satuan Dasar

Dimensi dasar untuk sistem utama pengukuran adalah massa (M), panjang (L), waktu (T) dan suhu (θ).

Satuan dasar dalam sistem utama, bersama-sama dengan singkatannya di dalam kurung seperti pada Tabel 1.

5

Sifat Sistem SI Sistem cgs Sistim British

(Imperial)

Massa

Panjang

Waktu

Suhu

kilogram (kg)

metre (m)

second (s)

kelvin (K) atau degree Celsius (oC)

gram (g)

centimetre (cm)

second (s)

kelvin (K) degree Celcius (oC)

pound (lb)

foot (ft)

second (s)

hour (s)

Fahrenheit (oF)

6

Volume, Densitas dan Spesific Gravity

by

Dr. Yudi Pranoto

7

Pengantar

• Bentuk yang tidak teratur pada kebanyakan

produk pertanian dan pangan, bahan-bahan

berukuran kecil seperti bijian, dan bahan berpori

seperti pellet pakan dan wafer menghadirkan

masalah tertentu dalam pengukuran volume dan

densitas

• Karena bentuk produk tidak beraturan, volume

biasanya ditentukan dengan water displacement

(pemindahan air)

8

Platform Scale

• Teknik sederhana yang diterapkan pada obyek

berukuran besar seperti buah-buahan dan sayuran

adalah platform scale, digambarkan pada Fig 3.7

9

• Buah-buahan pertama kali ditimbang dalam udara dan ditekan kedalam air dengan sinker rod.

• Pembacaan kedua pada skala dengan buah dicelupkan dikurangi berat wadah dan air adalah berat air dipindahkan yang akan dipakai dalam pernyataan untuk menghitung volume

Berat air dipindahkan (kg) Volume (m3) = Densitas air (kg/m3)

10

• Dengan mengetahui berat dalam udara dan

volume, densitas buah selanjutnya diperoleh dari

rasio berat terhadap volume

• Densitas cairan adalah lurus kedepan,tetapi

padatan dalam bentuk partikel, seperti pea atau

powder memiliki bulk density dan juga densitas

padatan sendiri yang dipertimbangkan.

• Gas dan uap, tidak seperti padatan dan cairan

adalah dapat dimampatkan (compressible), dan

beberapa pangan seperti es krim mengandung

udara terperangkap ketika preparasi.

11

• Densitas suatu bahan setara dengan massa bahan dibagi dengan volume yang melingkupinya

massa densitas = volume

• Densitas memiliki dimensi [ML-3]

• Dalam satuan sistem SI, diukur dalam kilogram per kubik meter (kg m-3)

• Biasanya dinyatakan dengan simbol Yunani rho ( ρ )

12

• Air memiliki densitas maksimum 1000 kg m-3 pada suhu 4oC

103 x 103 g 103 kg m-3 = = 1 g ml-1 106 ml

• Dalam sistem imperial, densitas diukur

dalam pound per cubic foot (lb ft-3)

• Densitas beberapa padatan dan cairan

umum seperti dalam Tabel 2.1 dan Tabel 2.2.

13

14

15

• Pada kebanyakan kasus engineering,

padatan dan cairan dianggap tidak dapat

dimampatkan (incompressible), seperti

densitas sedikit dipengaruhi oleh suhu dan

tekanan

• Pada kenyataannya, densitas air dan bahan

lain berubah dengan perubahan suhu

• Pada kebanyakan kasus, densitas menurun

ketika suhu naik.

• Tabel 2.3 memperlihatkan perubahan

densitas untuk air, alkohol, dan variasi

minyak goreng pada kisaran suhu dari -20

hingga 80oC

16

17

Densitas Padatan • Untuk bahan partikel (seperti pea, kacang-

kacangan, biji-bijian, tepung dan powder), susu, kopi dan pati, yang menarik adalah densitas partikel individu atau satuan atau densitas bulk (ruah) dari bahan yang memperhitungkan volume celah antara satuan individu

• Densitas padatan atau partikel akan mengacu densitas satuan individu

• Satuan ini mungkin tidak mengandung pori-pori internal.

• Densitas padatan dinyatakan sebagai massa partikel dibagi dengan volume partikel dan akan diperhitungkan adanya pori-pori

18

• Densitas konstituen padatan, dengan

mengabaikan pori-pori internal telah dirangkum

seperti pada Tabel 2.4.

19

• Kebanyakan buah dan sayuran mengandung air 75 – 95%, sehingga beberapa densitasnya seharusnya tidak jauh dari nilai densitas air 1000 kg m-3

• Teorinya, apabila komposisi pangan diketahuai, densitas ρf dapat diestimasi

1 ρf = m1/ρ1+ m2/ρ2 + m3/ρ3 + ……. + mn/ρn

20

• Dimana ρf adalah densitas pangan,

m1 hingga mn adalah fraksi massa konsituen 1 hingga n, dan

ρ1 hingga ρn adalah densitas konsituen 1 hingga n (n adalah jumlah konstituen)

• Contoh, untuk apel mengandung air 84,4%, gula 14,55%, lemak 0,6% dan protein 0,2%

(densitas adalah dalam kg m-3)

………….hasil = 1064 kg m-3

21

• Tetapi, nampak ada keganjilan disini, karena apel biasanya mengapung pada air.

• Mohsenin (1970) menyatakan angka 846 kg m-3 pada 29oC

• Sehingga, ada jumlah udara terperangkap

dalam pori-pori yang harus diperhitungkan.

• Udara ini akan hilang ketika blanching

22

• Apabila fraksi densitas dan volume diketahui, densitas dapat dievaluasi dari

ρf = V1ρ1 + V2ρ2 + V3 ρ3 + ….+ Vn ρn

Dimana V1 hingga Vn adalah fraksi volume konstituen 1 hingga n dan

ρ1 hingga ρn adalah densitas konstituen 1

hingga n

23

• Densitas buah-buahan dan sayuran beku adalah

lebih rendah daripada segarnya

• Densitas padatan dapat ditentukan dengan prinsip

flotasi, menggunakan cairan yang diketahui

densitasnya.

• Densitas padatan berguna pada proses

pemisahan/separasi dan transportasi pneumatic

dan hydraulic powder dan partikel

24

Bulk Density

• Ketika pencampuran, pemindahan,

penyimpanan dan pengemasan bahan partikel

seperti pea dan tepung, adalah penting untuk

mengetahui sifat bahan meruah (bulk)

• Ketika padatan dituangkan kedalam wadah,

volume total terambil akan mengandung bagian

proporsi udara

• Porositas (ε) bahan terwadahi adalah fraksi

volume total yang diisi oleh udara

25

26

Volume udara

Volume total

• Porositas akan dipengaruhi oleh geometri, ukuran, dan sifat permukaan bahan

• Ketika wadah diketuk-ketuk, volume total dan juga porositas akan menurun, hingga akhirnya sistem mencapai volume kesetimbangan

• Densitas bahan bulk pada kondisi ini umumnya disebut bulk density

27

• Bulk density bahan selanjutnya akan tergantung sejumlah faktor, meliputi densitas padatan, geometri, ukuran dan

sifat permukaan dan serta metoda pengukurannya.

• Biasanya bulk density ditentukan dengan menempatkan jumlah powder diketahui beratnya (20 g atau 50 g kedalam silinder

pengukur, diketuk-ketuk silinder dan ditentukan volume bulk

28

Massa Bulk density = Volume bulk

• Namun demikian, prosedur disarankan menerapkan kondisi agak berbeda, dan sehingga nilai pada literatur harus diperlakukan dengan seksama

• Tabel 2.6 memperlihatkan rerata nilai bulk density untuk kisaran luas bahan pangan dalam bentuk powder

29

30

• Tabel 2.7 memperlihatkan beberapa nilai bulk

density untuk buah dan sayuran

31

• Tabel 2.8 mencakup densitas padatan, bulk

density dan kadar air untuk serealia terpilih.

• Nilai kisaran menggambarkan varietas berbeda

yang diukur

32

• Bulk density produk spray drying dipengaruhi oleh

kandungan padatan feed, saat sebelum

pengeringan, dan suhu udara inlet dan outlet.

Contoh beberapa data seperti gambar 2.9.

33

Hubungan antara porositas, bulk density

dan densitas padatan

Hubungannya diberikan dengan

volume udara porositas ε = volume sampel bulk

Volume sampel bulk – volume padatan sebenarnya = Volume sampel bulk

34

Volume padatan = 1 – Volume bulk

Massa padatan dan massa bulk adalah setara, sehingga

bulk density porositas = 1 – densitas padatan

35

ρb = 1 – ρs

ρs – ρb = ρs • Porositas dapat dinyatakan sebagai fraksi

atau persentase.

• Persamaan ini dapat dipakai untuk padatan atau tanpa pori-pori internal

36

Densitas Cairan dan Spesific Gravity

• Air memiliki densitas maksimum 1000 kg

m-3 pada 4oC

• Suhu naik diatas 4oC, densitas akan turun

• Penambahan padatan pada air akan menaikkan densitas (kecuali lemak)

• Pengukuran densitas dapat dipakai untuk

substansi murni sebagai indikasi padatan total

37

• Namun demikian, sering lebih tepat untuk mengukur spesific gravity SG suatu cairan

massa cairan SG = massa air dengan volume setara

densitas cairan ρL = densitas air ρw

38

Caution ….

Densitas = berat jenis

Specific gravity = bobot jenis

39

• Spesific gravity adalah tidak berdimensi “dimensionless”

• Spesific gravity suatu fluida berubah lebih sedikit dibandingkan densitas, ketika suhu berubah

• Apabila specific gravity bahan diketahui pada suhu ToC, densitas pada ToC adalah

ρL = (SG)T x ρw

40

• Dimana

ρL adalah densitas cairan pada ToC

(SG)T adalah specific gravity pada ToC,

ρw adalah densitas air pada ToC (Tabel)

• Specific gravity diukur dengan tepat menggunakan botol densitas, pycnometer atau hydrometer

41

1. Botol densitas

• Botol densitas (gambar samping)

dapat dipakai untuk menentukan

specific gravity cairan yang tidak

diketahui dan padatan partikel yang

disediakan bahwa padatan tidak larut

di dalam cairan.

• Harus diperhatikan bahwa udara

harus dihilangkan dari dalam botol

ketika cairan ditambahkan ke padatan.

42

• Pembacaan berikut diambil

w1 berat botol kosong

w2 berat botol penuh dengan air

w3 berat botol penuh dengan cairan

w4 berat botol plus padatan

w5 berat botol plus padatan plus cairan untuk mengisi

Specific gravity cairan sebanding dengan

w3 – w1

w2 – w1

43

• Berat padatan adalah w4 – w1, dan

• Berat cairan memiliki volume setara dengan

padatan adalah w3 – w1 – (w5 – w4)

• Sehingga specific gravity padatan setara dengan

w4 – w1 w3 – w1

w3 – w1 – (w5 – w4) w2 – w1

Berat padatan x specific gravity cairan Berat cairan dng volume setara

• Toluene direkomendasikan sebagai solven yang

cocok untuk penentuan specific gravity bahan

44

2. Hidrometer

• Hidrometer berat konstan bekerja

dengan prinsip bahwa badan

mengapung menggantikan berat

fluidanya

• Diagram hidrometer sebagaimana

pada gambar

• Instrumen diletakkan dalam fluida

dan densitas fluida dibaca dari

skala batangannya

45

Volume dasar batang adalah V

Luasan penampang melintang batangan A

Berat hidrometer W

Ketika dicelupkan kedalam cairan dengan densitas ρ, panjang batangan tercelup x

Sehingga, volume cairan digantikan adalah Ax + V

Berat cairan tergantikan setara dengan ρ(Ax + V), dengan menggunakan prinsip flotasi setara dengan W

Sehingga,

W ρ = Ax + V

Hidrometer adalah mudah penggunaan, dan tersedia

dengan kisaran ukuran 1,00-1,100 dan 1,100-1,200

untuk apliasi yang berbeda

46

3. Nilai densitas cairan

• Spesific gravity larutan sukrosa jika kekuatan

berbeda terlihat pada Tabel 2.10.

47

• Tabel 2.12 menunjukkan spesific gravity dan

gliserol

48

• Tabel 2.13 menunjukkan specific gravity garam

sodium chloride dan calcium chloride

49

• Informasi mengenai hubungan densitas dan specific gravity terhadap konsentrasi dapat dipakai untuk membuat larutan

dengan densitas berbeda untuk menentukan densitas bahan pangan padat, menggunakan prinsip flotasi

• Densitas fluida dimana padatan nampak tidak tenggelam atau mengapung dicatat

50

• Nilai densitas rerata dan kandungan padatan total

diberikan untuk varietas juice buah-buahan, pada

Tabel 2.14

51

4. Densitas susu

• Densitas susu sapi biasanya berkisar 1025-1035 kg m-3

• Densitas penyusun padatan masing-masing terdiri dari lemak (930 kg m-3), air (1000 kg m-3), MSNF (1614 kg m-3)

• British Standar 734 memberikan informasi hidrometer densitas untuk penggunaan pada susu

• Ada tabel untuk menentukan padatan total susu, mengetahui specific gravity dan kandungan lemak

• Juga disajikan tabel koreksi suhu

52

• Kandungan lemak berkisar antara 1% dan 10%, dan penentuan padatan total berdasarkan persamaan

CT = 0,25D + 1,21F + 0,66

dan,sesuai dengan British Standard 734

= 0,25D + 1,22F + 0,72

Dimana,CT adalah konsentrasi padatan total (w/w),

D = 1000 (SG – 1),

SG adalah specific gravity dan F adalah

persentase lemak

53

• Sehingga susu pada 26oC dengan kadar lemak

3,5% dan specific gravity 1,032 akan dikoreksi

dengan nilai 1,0322 pada 20oC, dan memiliki

padatan total 13,05 sesuai dengan British

Standard 734.

• Nilainya sedikit lebih rendah menggunakan

persamaan sebelumnya

• Padatan total biasanya dinyatakan terdekat

dengan 0,05%

• Komposisi dan faktor lain, seperti rasio lemak

padat dengan cair, dan tingkat hidrasi protein,

yang mempengaruhi densitas susu, susu

evaporasi dan krem telah dipelajari

54

Gas dan Vapor (uap)

• Gas dan uap adalah compressible, dan

densitasnya dipengaruhi oleh suhu dan tekanan

• Pada kondisi moderat, kebanyakan gas

memenuhi persamaan gas ideal

pVm = RT Dimana;

p (N m-2) adalah tekanan,

Vm (m3 kmol-1) adalah volume molar, R=8,314 kJ kmol-1K-1 adalah konstanta gas,

T (K) adalah suhu

55

• Berat molekul gas dinyatakan dalam

kilogram (1 kmol), menempati 22,4 m3 pada 273 K dan 1 atm

• Contoh, udara 29 kg menempati volume 22,4 m3 pada 273 K dan 1 atm, sehingga

massa densitas udara = volume

29 = 22,4

= 1,29 kg m-3

56

• Pada 100oC dan 1 atm,

V1 V2 = T1 T2 • Sehingga 373 volume baru = 22,4 x = 30,605 m3 273

massa densitas baru = volume

29 = 30,605

=0,945 kg m-3

57

• Densitas beberapa gas umum diberikan pada

Tabel 2.15

• Nilai sesuai dengan yang dihitung menggunakan

persamaan gas ideal

58

• Dengan fluida termodinamika seperti steam dan refrigeran, sering dibuat referensi pada volume spesifik Vg

• Ini adalah volume diisi oleh massa unit uap air, yang merupakan kebalikan densitas

• Uap air jenuh pada 1,013 bar (100oC) memiliki volume spesifik 1,67 m3 kg-1, sedangkan pada 10oC akan memiliki volume spesifik 106,43 m3 kg-1

• Ini menunjukkan bahwa uap memiliki volume spesifik sangat besar pada tekanan berkurang

• Konsekuensinya, pada operasi melibatkan penghilangan uap air pada tekanan rendah, seperti evaporasi vakum atau freeze drying, pompa vakum diperlukan cukup besar untuk menangani produk bervolume besar

59

Densitas Produk Teraerasi:

Overrun

• Beberapa pangan yang dikenal baik dibuat dengan inkorporasi udara kedalam cairan dan membentuk busa

• Pada sistem ini, udara adalah fase terdispersi dan cairan fase kontinyu

• Busa terstabilisasi oleh agen aktif permukaan yang mengumpul pada interface

• Contoh foam adalah campuran cake, krim, dessert

• Memasukkan udara akan mengurangi densitas produk

60

• Jumlah udara terinkorporasi dinyatakan dengan

istilah over-run, biasanya sebagai persentase,

peningkatan volume over-run = x 100 volume asli

volume busa – volume asli cairan = x 100 volume cairan

• Sebagai contoh, dengan es krim, volume busa

mengacu pada volume akhir es krim, dan volume

cairan terhadap volume campuran asli

61

• Pada prakteknya, over-run adalah paling mudah

ditentukan dengan mengambil wadah dengan volume

tertentu, menimbangnya penuh dengan cairan dan busa

akhir

• Pada kasus ini over-run ditentukan sebagai berikut

berat cairan asli – berat busa dng volume yg sama over-run = x 100 berat busa dng volume yg sama

• Faktor-faktor yang mempengaruhi over-run pada es krim

termasuk seperti padatan total dan tipe freezer dipakai

• Secara umum, semakin tinggi kandungan padatan total,

semakin besar kemungkinan over-run

• Beberapa orang berpendapat, over-run harus diantara 2

dan 3 kali kadar padatan total

62

• Nilai untuk es krim, umumnya berkisari antara

40% (lunak) 100% (keras)

• Beberapa nilai ditampilkan pada Tabel 2.16

• Terlalu banyak udara akan menghasilkan produk

snowy fluffy unpalatable, dan terlalu sedikit

memberikan produk soggy heavy

63

• Untuk krim olesan, diinginkan over-run 100-120%

• Selain over-run, juga penting mengukur

kstabilan busa pada periode waktu

• Perlu dicatat, bahwa es krim dijual dalam

volume, daripada dalam berat

• Sehingga produsen tertarik untuk memperoleh over-run semaksimal

mungkin