AIR DALAM BAHAN PANGAN

A. Kimia Air

Sebuah molekul air terdiri dari sebuah atom oksigen yang berikatan kovalen dengan dua atom hidrogen. Hidrogen dan oksigen mempunyai daya padu yang sangat besar antara keduanya. Keunikan air terjadi berkat ikatan pemadu kedua unsurnya. Perangkaian jarak atom-atomnya mirip kunci yang masuk lubangnya, kecocokannya begitu sempurna, sehingga air tergolong senyawa alam yang paling mantap. Semua atom dalam molekul air terjalin menjadi satu oleh ikatan yang kuat, yang hanya dapat dipecahkan oleh perantara yang paling agresif, misalnya energi listrik atau zat kimia seperti logam kalium.

Oksigen mempunyai nomor atom 8 dan massa atom 16, terletak pada periode ke-2 dan golongan VI A pada sistem periodik. Sebuah atom oksigen mempunyai delapan elektron, dua elektron berada pada kulit elektron bagian dalam (kulit K) dan enam elektron berada pada kulit berikutnya (kulit L), jadi kulit L belum penuh atau masih bias diisi dua elektron. Sedang sebuah atom hydrogen dengan nomor atom 1 hanya mempunyai satu elektron pada kulit K, jadi belum penuh atau kekurangan satu elektron. Kulit yang belum terisi penuh tersebut tidak mantap dan elektronnya cepat bergabung dengan elektron lain untuk memenuhi ruang dalam suatu kulit. Kulit yang telah terisi penuh merupakan bentuk yang mantap, dan setelah hal itu terjadi, maka akan dilawannya setiap usaha pemisahan.

B. Ikatan kovalen dan Ikatan Antarmoekul Air

Dalam sebuah molekul air dua buah atom hydrogen berikatan dengan sebuah atom oksigen melalui dua ikatan kovalen, yang masing-masing mempunyai energi besar 110,2 kkal per mol. Ikatan kovalen tersebut merupakan dasar bagi sifat air yang penting, misalnya kebolehan air sebagai pelarut.

Gambar 1.1. Pembentukan molekul air (a) dua atom hydrogen dan sebuah atom oksigen; (b) molekul air, setiap electron hydrogen saling memanfaatkan (sharing) sepasang electron dengan oksigen ; (c) terjadinya dua kutub positif dan negative (dipolar) (Davis dan Day, 1961)

Bila dua atom hidrogen bersenyawa dengan sebuah atom oksigen, maka molekul tersebut menghasilkan molekul yang berat sebelah, dengan kedua atom hydrogen melekat di satu atom oksigen dengan sudut 104,5^oantara keduanya. Posisi tersebut mirip dengan dua telinga pada kepala kelinci. Akibat perbedaan elektronegativitas antara hidrogen dan oksigen, sisi hidrogen molekul air bermuatan positif sedang pada sisi oksigen bermuatan negatif.

Sebuah olekul air dapat digambakan sebagai menempati pusat dari sebuah tetrahedron, suatu benda ruang dengan 4 sisi yang masing-masing sisinya merupakan segi tiga sama sisi, dengan arah muatan seperti terlihat pada Gambar 1.2. Sebuah molekul air dengan kutub-kutub positif dan negatif secara permanent menjadi dwikutub (dipolar), seperti halnya sebatang magnet yang memmpunyai kutub berbeda pada kedua ujungnya. Karena molekul air dapat ditarik oleh senyawa lain yang bermuatan positif atau yang bermuatan negatif.

Daya tarik menarik di antara kutub positif molekul air yang satu dengan kutub negative molekul air lainnya menyebabkan terjadinya penggabungan molekul-molekul air melelui ikatan hydrogen. Ikatan-ikatan hydrogen jauh lebih lemah dari pada ikatan kovalen. Ikatan-ikata hydrogen megikat molekul-molekul air lain di sebelahnya dan sifat inilah yang bertangung jawab terhadap sifat mengalirnya air. Molekul air yang satu dengan molekul air yang lain bergabung dengan suatu ikatan hydrogen antara atom H dengan atom O dari molekul air yang lain.

a) Dua buah molekul air mrmbentuk sudut ikatan sekitar 105^o (Wyssling dan Muhlethaler, 1965)

b) Orientasi muatan air pada bentuk tetrahedron (Fennema dan Powrie, 1964)

Kemampuan molekul air membentuk ikatan hydrogen menyebabkan air mempunyai sifat-sifat yang unik. Ikatan hydrogen yang terjadi antar molekul-molekul yang berdampingan mengakibatkan air pada tekanan atmosfer bersifat mengalir (flow) pada suhu 0-100 ^oC . Kelompok-kelompok kecil molekul air bergabung dengan suatu pola tertentu, tetapi kelompok-kelompok tersebut bergerak bebabas dan menyebabkan terjadinya pertukaran ikatan hydrogen. Ikatan hydrogen ini tidak hanya mengikat molekul-molekul air satu sama lain, tetapi dapat juga menyebabkan pembentukan hidrat antara air dengan senyawa-senyawa lain yang mempunyai kutub O atau N, seperti senyawa metanol atau karbohidrat yang mempunyai gugus -OH (hidroksil).

Es merupakan suatu senyawa yang terdiri dari molekul-molekul H₂O (HOH) yang tersusun sedemikian rupa sehingga 1 atom H terletak di satu sisi antara sepasang atom oksigen molekul-molekul air lainnya, membentuk suatu heksagon simetrik. Satu molekul HOH dapat mengikat 4 molekul HOH yang berdekatan (Gambar 1.3) dan jarak atom 0-0 yang berdampingan sebesar 2,76 A^o

Ruangan-ruangan dalam kristal es berbentuk sedemikian rupa sehingga membentuk saluran-saluran dalam jumlah yang sangat besar. Karena itulah es mempunyai volume 1/11 kali lebih besar dari bentuk cairnnya dan kerapatannya lebih kecil sehingga es mengapung dalam air.

Bila suhu air diturunkan, pelepasan panas akan mengakibatkan pergerakan molekul-molekul air diperlambat dan volumenya mengecil. Bila air didinginkan sampai suhu 4^oC, suatu pola baru ikatan hydrogen terbentuk. Volume air sebaliknya mengembang ketika air diturunkan suhunya dari 4^oC sampai 0^oC. Ketika panas dilepas lagi setalh air mencapai 0^oC, terjadilah Kristal, dan ketika air es berubah menjadi kristal es, volumenya mendadak mengembang. Es memerlukan ruang 1/11 kali lebih banyak daripada volume air pembentuknya, tetapi es bersifat kurang padat bila dibndingkan air, karena es terapung ke permukaan air.

Bila suhu air meningkat, jumlah rata-rata molekul air dalam kerumunan molekul air menurun dan ikatan hydrogen putus dan terbentuk lagi secara cepat. Bila air dipanaskan lebih tinggi lagi sehingga molekul-molekul air bergerak sedemikian cepat dan tekanan uap air melebihi tekanan atmosfer, beberapa molekul dapat melarikan diri dari permukaan dan menjadi gas. Hal ini terjdi ketika air mendidih pada suhu 100^oC pada permukan laut dengan tekanan barometer 760 mmHg. Dalam keadaan uap, molekul-molekul air kurang lebih menjadi bebas satu sama lainnya.

C. Aktivitas Air dalam Bahan Pangan

Menurut derajat keterikatan air, air terikat dapat dibagi atas empat tipe.

Tipe I, adalah moekul air yang terikat pada molekul-molekul lain melalui suatu ikatan hydrogen yang berenergi besar. Molekul air membentuk hidrat dengan molekul-molekul lain yang mengandung atom-atom O dan N seperti karbohidrat, protein, atau garam. Air tipe ini tidak dapat membeku pada proses pembuekuan, tetapi sebagian air ini dapat dihilangkan degan cara pengeringan bisa. Air tipe ini terikat kuat dan sering sekali disebut air terikat dalam arti sebenarnya.

Derajat pengikatan air sedemikian rupa sehingga reaksi-reaksi yang terjadi sangat lambat dan tiak terukur. Reaksi yang nyata dalam bahan makanan adalah peningkatan oksidasi lemak bila setelah air tipe I, air terikat lagi membentuk tipe II (Gambar 1.4). Oksidasi lemak akan meningkat pada daerah II karena keaktifan katalis meningkat dengan adanya pengembangan volume akibat penyerapan air.

Tipe II, yaitu molekul-molekul air membentuk ikatan hydrogen dengan molekul air lain, terdapat dalam mikropiler dan sifatnya agak berbeda dari air murni. Air jenis ini lebih sukar dihilangkan dan penghilangan air tipe II akan mengakibatkan penurunan a_{w (}water activity). Bila sebagian air tipe II dihilangkan, pertumbuhan mikroba dan reaksi-reaksi kimia yang bersifat merusak bahan makanan seperti reaksi browning, hidrolisis atau oksidasi lemak akan dikurangi. Jika air tipe II dihilangkan seluruhnya kadar air bahan aka berkisar antara 3-7%, dan kestabiln optimum bahan makanan akan tercapai, kecuali pada produk-produk yang dapat mengalami oksidasi akibat adanya kandungan lemak tidak jenuh.

Tipe III, adalah air yang secara fisik terikat dalam jaringn matriks bahan seperti membrane, kapiler, serat, dan lain-lain. Air tipe III ini lah yang sering kali disebut dengan air bebas. Air tipe ini mudah diuapkan dan dapat imanfaatkan untuk pertumbuhan mikroba dan media bagi reaksi-reaksi kimiawi. Apabila air tipe III ini diuapkan seluruhnya, kandungan air bahan berkisar antara 12-25% dengan a_{w (}water activity) kira-kira 0,8 tergantung dari jenis bahan dan suhu.

Tipe IV, adalah air yang tidak terikat dalm jaringan suatu bahan atau air murni, dengan sifat-sifat air biasa dan keaktifan penuh.

Selain tipe-tipe air seperti disebutkan di atas, beberapa penulis membedakan pula air imbisisi dan air kristal. Air imbisisi merupakan air yang masuk ke dalam bahan pangan dan akan menyebabkan pengembangan volume, tetapi air ini tidak merupakan komponen penyusun bahan tersebut. Misalnya air dengan beras bila dipnaskan akan membentuk nasi, ataumembentuk gel dari bahan pati. Air kristal adalah air terikat dalam semua bahan, baik pangan maupun nonpangan yang berbentuk kristal, seperti gula, garam CuSO₄ dan lain-lain.

Kandungan air dalam bahan makanan mempengaruhi daya tahan bahan makanan terhadap serangan mikroba yang dinyatakan dengan a_w minimum agar dapat tumbuh dengan baik, misalnya bakteri a_w :0,90; khamir a_w :0,80-0,90; kapang a_w :0,60-0,70.

Hubungan antara a_w dengan kandungan air per gram suatu bahan makanan terlihat pada Gambar 1.5, dan grafik ini disebut isotherm sorpsi air. Pada bahan pangan isotherm sorpsi air dapat menggambarkan kandungan air yang dimiliki bahan tersebut sebagai keadaan kelembaban relative ruang tempat penyimpanan.

Bentuk isotherm air ini khas untuk setiap bahan pangan dan contohnya terlihat pada Gambar 1.6. Isoterm ini dapat dibagi menjadi beberapa bagian tergantung dari keadaan air dalam bahan pangan tersebut. Pada Gambar 1.6, daerah A menyatakan absorbsi air bersifat satu lapis molekul air, daerah B menyatakan terjadinya pertambahan lapisan-lapisan di atas satu lapis molekul air itu, dan daerah C kondensasi pada pori-pori bahan mulai terjadi.

Tidak ada suatu nilai kelembaban relative tertentu yang dapat dijadikan ukuran sebagai batas satu daerah dengan daerah lainnya. Adanya kurva desorbsi memberikan bukti mengenai hal ini. Isoterm sorbsi air bahan pangan dapat diperoleh dengan dua cara. Cara pertama: Bahan makanan dengan kadar air yang diketahui dibiarkan mencapai keseimbangan dengan sisa ruang dalam wadah tertentu yang tertutup sangat rapat. Tekanan uap parsial uap airnya diukur dengan manometer, atau RH dari sisa ruang tersebut diukur dengan hygrometer listrik, point cells, atau psikorometer rambut. Dengan demikian kita mendapatkan data hubungan kadar air dengan RH dalam keadaan keseimbangan atau dengan a_w dari bahan makanan (RH= a_w × 100).

Cara kedua diakukan sebagai berikut : Sample dalam jumlah kecil diletakkan poada beberapa ruangan yang tetap RH-nya (misalnya dalam desikator yang mengandung larutan garam jenuh seperti litium klorida untuk RH sekitar 11%, MgCl₂ untuk RH sekitar 32%, NaCl untuk RH 75%, dan kalium sulfat untuk RH 97%). Setelah keseimbangan tercapai, kadar air bahan kemudian diukur secara gravimetris atau cara lain. Dengan demikian kita mendapatkan hubungan antara kadar air bahan dan RH dalam keadaan keseimbangan.

Untuk memperpanjang daya tahan suatu bahan, sebagian besar air dalam bahan harus dihilangkan dengan beberapa cara tergantung dari jenis bahan. Umumnya dilakuka pengeringan, baik dengan penjemuran padi, ikan asin, pembuatan dendeng, dan lain sebagainya. Pada bahan yang berkadar air tinggi, susu misalnya, dilakukan evaporasi atau penguapan. Pembuatan susu kental pada prinsipnya adalah mengurangi kadar air dengan cara dehidrasi.

Pada pengeringan bahan makanan ini, terdapat duatingkat kecepatan penghilangan air. Pada awal pengeringan, kecepatan jumlah air yang hilang per satuan waktu tetap, kemudian akan terjadi penurunan kecepatan penghilangan air per satuan waktu. Hal ini berhubungan dengan jenis air yang terikat dalam bahan.

D. Peranan Air dalam Bahan Pangan

Semua bahan makanan mengandung air dalam jumlah yang berbeda-beda, baik itu bahan makanan hewani maupun nabati. Air berperan sebagai pembawa zat-zat makanan dan sisa-sisa metabolisme, sebagai media reaksi yang menstabilkan pembentukan boiopolimer, dan sebagainya.

Bahan pangan kita baik yang berupa buah, sayuran, daging, maupun susu, telah banyak berjasa dalam memenuhi kebutuhan air manusia. Buah mentah yang menjadi matang selalu bertambah kandungan airnya, misalnya calon buah apel yang hanya mengandung 10% air akan dapat menghasilkan buah apel yang kadar airnya 80%, nenas mempunyai kadar air 87% dan tomat 95%. Buah yang paling banyak kandungan airnya adalah semangka dengan kadar air 97%.

Kandungan air dalam bahan makanan ikut menentukan acceptability, kesegaran, dan daya tahan bahan itu. Selain merupakan bagian dari suatu bahan makanan, air merupakan pencuci yang baik bagi bahan makanan tersebut atau alat-alat yang akan digunakan dalam pengolahannya. Sebagian besar dari perubahan-perubahan bahan makanan terjadi dalam media air yang ditambahkan atau yang berasal dari bahan itu sendiri.

Bila badan manusia hidup dianalisis komposisi kimianya, maka akan diketahui bahwa kandungan airnya rata-rata 65% atau sekitar 47 liter per orang dewasa. Setiap hari sekitar 2,5 liter harus diganti dengan air yang baru. Diperkirakan dari sejumlah air yang harus diganti tersebut 1,5 liter berasal dari air minum dan sekitar 1,0 liter berasal dari bahan makanan yang dikomsumsi. Dalam keadaan kesulitan bahan pangan dan air, manusia mungkin dapat tahan hidup tanpa makanan selama lebih dari 2 bulan, tetapi tanpa minum akan meninggal dunia dalam waktu kurang dari satu minggu.

Kandungan air beberapa bahan makanan yang umum seperti terlihat pada Tabel 1.1 menunjukkkan bahwa banyaknya air dalam suatu bahan tidak dapat ditentukan dari keadaan fisik bahan tersebut. Misalnya buah nenas seakan-akan mempunyai kandungan air yang lebih besar dari kol, kandungan air pada susu lebih besar dari kacang hijau, sedangkan susu bubk dan terigu seakan-akan tidak mengandung air.

Tabel 1.1. Kandungan Air Beberapa Komoditi *

Bahan	Kandungan air	Bahan	Kandungan air
Tomat	94%	Ikan teri kering**	38%
Semangka	93%	Daging sapi	66%
Kol	92%	Roti	36%
Nenas**	85%	Buah kering	28%
Kacang hijau	90%	Susu bubuk **	14%
Susu sapi **	88%	Tepung terigu **	12%

*Hartley, 1970; ** Poerwosoedarmo, 1977

E. Air Untuk Pengolahan Pangan

Air yang berhubungan dengan hasil-hasil industri pengolahan pangan harus memenuhi setidak-tidaknya standar mutu yang diperlukan untuk minum atau air minum. Tetapi masing-masing bagian dari industri pengolahan pangan mungkin perlu mengembangkan syarat-syarat mutu air khusus untuk mencapai hasil-hasil pengolahan yang memuaskan. Dalam banyak hal diperlukan air yang bermutu lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk keperluan air minum, dimana diperlukan penanganan tambahan supaya semua mikroorganisme yang ada mati, untuk menghilangkan semua bahan-bahan di dalam air yang mungkin dapat mempengaruhi penampakan, rasa dan stabilitas hasil akhir, untuk menyesuaikan pH pada tingkat yang diinginkan, dan supaya mutu air sepanjang tahun dapat konsisten. Mutu air terutama penting dalam pengalengan makanan, dalam pembuatan minuman berkarbonat dan bir, dan untuk produksi panas melalui pembangkit uap.

1. Air untuk pengalengan

Air digunakan dalam bebarpa tahap pengolahan mengunakan panas pada buah-buahan dan sayur-sayuran. Dalam hal ini termasuk perendaman pencucian, pengupasan, blanching, pemutaran baling-baling, pembangkit uap, pendinginan kaleng dan pembersiahan pabrik serta air yang juga dimasukkan ke dalam produk dalam bentuk sirup, air garam dan lain-lain. Unsur yang tidak diinginkan termasuk zat besi, senyawa belerang, kesadahan tinggi. Air untuk pencucian pertama bahan-bahan mentah boleh yang bermutu rendah, tetapi air untuk pendinginan kaleng harus cukup suci-hama (misalnya diberi klorine) untuk mencegah kemungkinan masuknya bakteri sesudah pengolahan. Sebagai persyaratan minimum untuk air pendingin kaleng telah dianjurkan adanya kandungan total sisa klorine tidak lebih dari 4 mg/l, sebagian harus dalam bentuk sisa klorine bebas, sesudah pendinginan kaleng selesai (Purnomo dan Adiono, 1982). Dalm hal air harus diolah kembali karena alasan ekonomis, maka harus dilakukan pemberian klorine sebelum air digunakan. Penghematan penggunaan air dalm jumlah yang agak besar dapat diperoleh dengan melakukan langkah-langkah pengolahan yang mengunakan sedikit air, dan oleh karenanya pembuangan yang dihasilkan juga lebih sedikit, misalnya pengupasan kentang dan beberapa buah-buahan dengan soda kering (dry caustic).Optimasi kondisi blanching dan sebagainya.

2. Air Untuk Pembuatan Minuman Berkarbonat

Pengendalian mutu air sangatlah penting terutama untuk pembuatan minuman berkarbonat atau minuman ringan, karena kesadahan karbonat yang tinggi (alkalinitas) dapat menyebabkan minuman menjadi tak lezat dan rasanya menjadi tawar. Juga karena minuman ini pada hakekatnya adalah air maka rasa atau bau apa pun yang kurang menyenangkan yang ada di dalam air akan mempengaruhi rasa produk akhir. Kejernihan yang tinggi dari sebagian besar minuman ringan (soft drink) merupakan faktor penting dari segi pemasaran.

Komponen air lainnya yang batasnya juga sering harus diperhatikan adalah termasuk total padatan, zat besi dan mangan, sisa klorine dan bermacam-macam mikroorganisme.

3. Air Untuk Pembuatan Bir

Air yang digunakan untuk pembuatan bir dari malt merupakan komponen dasar dari bir dan mutu bir terutama tergantung pada sifat-sifat air tersebut. Yang sangat penting dalam tahap pencampuran adalah kandungan kalsium dan bikrbonat, karena ini akan mempengaruhi pH dari campuran dan oleh karenanya juga mempengaruhi aktivitas enzim amylase dan protease. Pada saat mendidih, air dengan pH rendah menyebabkan kurangnya ekstraksi sari bahan pahit dari hop dan warna kurang berkembang, dan hal sebaliknya dapat terjadi apabila pH air lebih tinggi.

Mutu dari banyak air tradisional yang terkenal sangat dipengaruhi oleh kandungan total mineral dari air yang digunakan. Penambahan garam kalsium dan bahan tambahan yang lain biasa digunakan untuk persediaan air yang tidak sadah/ sangat lunak.

Soal Latihan :

1. Buatlah konfigurasi electron dari unsur oksigen dan pengisiannya kulit orbitalnya.

2. Mengapa moleku air dikatakan sebagai molekul yang berikatan kovalen?

3. Gambarkan struktur molekul air dengan sudut antara kedua atom hydrogen yang benar. Mengapa sudut tersebut tidak 180⁰?

4. Apa yang dimaksud aktivitas air, a_w, dalam bahan pangan? Gambarkan hubungan antara a_w dengan kadar air bahan pangan.

5. Sebutkan minimum lima jenis komoditas dengan kandungan airnya masing-masing. Apa efek dari perbedaan kadar air dari komoditas-komoditas tersebut?

6. Sebutkan minimum empat peranan air dalam bahan pangan.