AIR

Baca artikel aslinya disini

Air merupakan kandungan penting banyak makanan. Air dapat berupa komponen intrasel dan/atau ekstrasel dalam sayuran dan produk hewani, sebagai medium pendispersi atau pelarut dalam berbagai produk, sebagai fase terdispersi dalam beberapa produk yang diemulsi seperti mentega dan margarin, dan sebagai komponen tambahan dalam makanan lain. Contoh kandungan air dalam beberapa makanan, produk tomat mengandung 95 % air, selada 95% air, kubis 92% air, bir 90% air, jeruk 87% air, sari jeruk buah apel 87 % air, dan banyak lagi contoh yang lain.  

Sifat fisika air dan es

Beberapa sifat fisika air dan es luar biasa dan senarainya disajikan pada tabel di bawah ini

Artikel aslinya dapat dilihat disini

 

Struktur molekul air

Penyebab dari perilaku air yang tidak biasa terdapat pada struktur molekul air pada gambar dibawah ini dan pada kemampuan molekul air untuk membentuk ikatan hidrogen.

Dalam molekul air atom – atom disusun dengan sudut 105⁰ dan jarak antara inti hidrogen dan oksigen 0,0957 nm. Molekul air dapat dianggap sebagai kuadrupol berbentuk bulat dengan garis tengah 0,276 nm, dan inti oksigen merupakan pusat kuadrupol. Dua muatan negatif dan dua muatan positif membentuk sudut tetrahedron yang biasa. Karena adanya pemisahan muatan dalam molekul air, tarik - menarik antara molekul yang bertetangga lebih besar daripada gaya Van der Walls yang normal.

H                            O 

O ...... H                   H

H 

Dalam es setiap molekul H₂O terikat oleh empat jembatan seperti itu ke setiap tetangganya. Energi ikatan dari ikatan hidrogen dalam es besarnya 5 kcal per mol (Pauling 1960).

Air dapat mempengaruhi konformasi makromolekul jika air mempunyai efek terhadap setiap ikatan nonkovalen yang menstabilkan konformasi molekul besar (Klotz 1965). Ikatan hidrogen, ikatan ion, atau ikatan apolar. Pada protein, terdapat persaingan antara ikatan hidrogen interamida dan ikatan hidrogen  air-amida. Pembentukan ikatan hidrogen secara bersaing oleh air mengurangi kecenderungan termodinamik ke arah pembentukan ikatan hidrogen interamida.

Molekul air sekeliling linarut apolar menjadi teratur, mengakibatkan hilangnya entropi. Sebagai akibatnya, gugus apolar yang terpisah dalam lingkungan air cenderung barasosiasi satu sama lain tidak dengan molekul air. Dalam kondisi yang sesuai molekul apolar dapat membentuk hidrat berbentuk kristal, yang dalam hal ini senyawa terkurung dalam ruang yang terbentuk oleh polihedron yang terdiri atas molekul air. Polihedron dapat mengurung molekul tamu apolar membentuk hidrat apolar. 

Jenis air

Tiga jenis air berdasarkan isoterm sorpsi yaitu : air langmuir atau monolapisan, air kapiler, dan air terikat longgar. Air yang terikat dapat tertarik dengan kuat dan dapat tertambat dalam tahana yang kaku dan teratur. Isoterm adsorpsi menunjukkan bahwa pengelompokkan bentuk air terjadi secara berangsur–angsur tidak tajam. Dua definisi air terikat yang biasa dipakai adalah sebagai berikut:

1. air terikat ialah air yang tetap tidak membeku pada suhu tertentu di bawah 0⁰ C, biasanya -20⁰ C dan
2. Air terikat ialah banyaknya air dalam sistem yang tidak dapat digunakan sebagai pelarut.

Banyaknya air yang tidak dapat dibekukan, dihitung terhadap kandungan protein, tampaknya hanya sedikit saja beragam dalam berbagai macam - macam makanan. Sekitar 8 sampai 10 persen dari air total dalam jaringan hewan tidak dapat dijadikan es (Meryaman 1966).

Air bebas kadang–kadang ditentukan dengan cara mengempa cuplikan makanan diantara kertas saring, dengan cara megencerkan memakai zat berwarna yang ditambahkan, atau dengan cara pemusingan.

Sebab utama mengapa kandungan air naik pada harga aktivitas air yang tinggi ialah pengembunan dalam kapiler. Cairan dengan tegangan permukaan σ dalam pipa kapiler berjari–jari r akan mengalami penurunan tekanan, tekanan kapiler p₀ = 2σ/r, seperti dibuktikan naiknya cairan dalam kapiler. Akibatnya, terjadi penurunan pada tekanan uap dalam kapiler, yang dapat dinyatakan dengan persamaan Thomson,

   dengan

p = tekanan uap cairan

P₀ = tekanan uap dalam kapiler

σ = tegangan permukaan

V = volume mol cairan

R = tetapan gas

T = suhu mutlak

Ini memungkinkan perhitungan aktivitas air dalam kapiler yang jari– jarinya berlainan, seperti pada tabel di bawah ini

Tabel jari – jari kapiler dan aktivitas air

Jari –jari (nm)	Tekanan (a)
0,5 1 2 5 10 20 50 100 1000	0,116 0,340 0,583 0,806 0,898 0,948 0,979 0,989 0,999

                                                                                                                                   

Perilaku kebahangan air telah diteliti Riedel (1959), yang menemukan bahwa air dalam roti tidak membeku sama sekali jika kandungan air berada di bawah 18 %.

Wierbicki dan Deatherage (1958) memakai metode tekanan untuk menentukan air bebas dalam daging sapi, babi, sapi muda, dan domba bergam mulai dari 30 sampai 50 persen dari kandungan air total, bergantung pada jenis air daging dan jangka waktu pelayuan.Penurunan tajam air terikat terjadi selam hari pertama setelah penyembelihan, dan diikuti peningkatan sedikit secara berangsur-angsur. Hamm dan Deatherage (1960 B) menentukan perubahan hidrasi selama pemanasan daging. Pada pH normal daging terjadi penurunan besar pada air terikat.

Pembekuan dan struktur es

Molekul air dapat mengikat empat molekul air lain membentuk susunan tetrahedron. Ini menghasilkan kisi kristal heksagonal dalam es, seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini:

Kisi terbentuk longgar dan mempunyai rongga yang nisbi besar ini; ini mengakibatkan volume jenis tinggi. Dalam ikatan hidrogen, atom hidrogen berjarak 0,1 nm dari atom oksigen dan 0,176 nm dari atom oksigen yang satu lagi. Jika es meleleh, beberapa ikatan hidrogen putus dan molekul air tersusun lebih rapat lagi , dalam tahana cair (keliganan rata – rata molekul air sekitar  5 dan pada es 4). Dalam kristal es terdapat sedikit ketidakteraturan struktur. Untuk setiap ikatan hidrogen, terdapat dua posisi untuk atom hidrogen : O-H+O dan O+H-O. jika tidak ada pembatasan dari segi ketidakteraturan, akan terdapat 4^N  cara penyusunan atom hidrogen dalam kristal es yang mengandung N molekul air (atom hidrogen 2 N). Tetapi ada satu pembatasan, yaitu bahwa harus ada dua atom hidrogen di dekat setiap atom oksigen. Akibatnya hanya terdapat (3/2)^N cara menyusun atom hidrogen dalam kristal.

Kita dapat mensuperdinginkan air. Jika sebongkah kecil kristal es dimasukkan, pensuperdinginan segera berhenti dan suhu naik sampai 0⁰C. Biasanya diperlukan inti. Umumnya, inti terbentuk sekeliling partikel partikel asing (nukleasi heterogen). Salah satu penelitian tentang nukleasi homogen yaitu pengkristalan lemak . Inti homogen terbentuk karena ada  peluang aglomerasi molekul air dalam konfigurasi es, dimana tergantung volume air; inti ini lebih mudah terbentuk pada suhu lebih tinggi dan volume yang lebih besar.

Kecepatan pengkristalan, artinya gerakan garis depan es dalam cm perdetik, ditentukan oleh pemindahan bahang pelelehan dari daerah pengkristalan. Kecepatan pengkristalan rendah pada derajat pensuperdinginan yang tinggi.

Pada pendinginan, molekul HOH berasosiasi secara teratur membentuk struktur yang kaku yang lebih terbuka (kerapatan lebih rendah) daripada bentuk cair. Masih terdapat banyak gerakan atom dan molekul sendiri – sendiri dalam es, terutama tepat dibawah titik beku.

Setiap molekul HOH mempunyai 4 gaya tarik yang mengarah ke sudut tetrahedron dan mempunyai gaya tarik yang mengarah kesudut tetrahedron dan mempunyai kemampuan untuk berasosiasi dengan cara membentuk ikatan hidrogen dengan empat molekul HOH lain. Dalam tatanan ini setiap atom oksigen terikat secara kovalen dengan atom  oksigen terikat pada dua atom hidrogen, masing–masing berjarak 0 ,096 nm, dan setiap atom oksigen terikat pada dua atom hidrogen yang lain, masing–masing berjarak 0,18 nm. Ini membentuk struktur tetrahedron terbuka dengan atom oksigen yang berdampingan berjarak sekitar 0,276 nm dan dipisahkan oleh atom hidrogen tunggal. Semua sudut ikatan besarnya sekitar 109⁰.

Pada perubahan tahana dari es menjadi air, kekakuan hilang, tetapi air masih mempertahankan sejumlah besar kelompok yang menyerupai es, tidak berarti susunan sama dengan es.  Perbedaan es dengan air bahwa sudut ikatan HOH air dan bahwa jarak rata- rata antara atom oksigen dalam air adalah 0,31 nm, sedangkan dalam es 0,276 nm.

Pada 0⁰C, air mengandung kelompok menyerupai es rata – rata 90 molekul per kelompok. Pada peningkatan suhu, kelompok menjadi lebih kecil dan makin banyak.

Pada 0⁰C, kira–kira setengah dari ikatan hidrogen yang terdapat pada -183⁰C tetap utuh, dan bahkan pada 100⁰C kira–kira sepertiganya tetap utuh. Semua ikatan hidrogen terputus jika air berubah menjadi uap pada 100⁰C. Ini menjelaskan mengapa bahang air besar.

Aktivitas air dan pembusukan makanan

Pengaruh aktivitas air terhadap kualitas dan pembusukan pangan makin disadari merupakan faktor yang penting (Rockland dan Nishi 1980). Kandungan air dan aktivitas air mempengaruhi perkembangan reaksi pembusukan secara kimia dan mikrobiologi makanan. Penurunan aktivitas air dapat dilakukan dengan pengeringan atau dengan penambahan senyawa yang larut dalam air, seperti gula ke sele atau garam ke awetan asam. Pertumbuhan bakteri sebenarnya tidak mungkin pada aktivitas air di bawah 0,90. Kapang dan khamir biasanya dihambat pada aktivitas air antara 0,88 dan 0,80, meskipun ada beberapa galur khamir osmofil yang tumbuh pada aktivitas air sampai serendah 0,65.

Kebanyakan enzim menjadi tidak aktif jika aktivitas air turun dibawah 0,85. Enzim yang seperti itu termasuk enzim amilase, fenoloksidase, dan perokidase. Akan tetapi, lipase dapat tetap aktif pada aktivitas air serendah 0,3 atau bahkan 0,1 (Loncin dkk. 1968). Penemuan Acker mengenai reaksi  yang aktivitas enzim lipopitiknya diukur, cara mencampur komponen – komponen sistem makanan mempengaruhi aktivita senzim secara bermakna. Pemisahan substrat dan enzim dapat sangat memperlambat reaksi. Selain itu, substrat harus dalam bentuk cair., misalnya minyak cair dapat dihidrolisis pada aktivitas air serendah 0,15., tetapi lemak padat hanya terhidrolisis sedikit. Enzim pengoksidase dipengaruhi oleh aktivitas air kira-kira sama dengan yang dialami oleh enzim hidrolitik.

Pencokelatan nonenzimatik atau reaksi Maillard merupakan salah satu dari faktor paling penting yang menimbulkan pembusukan pada makanan. Reaksi ini sangat bergantung pada aktivitas air dan mencapai laju maksimum pada harga α  0,6 sampai 0,7 (Loncin dkk).

Reaksi pencokelatan biasanya berjalan lambat pada kelembapan yang rendah dan naik sampi maksimum dalam rentang makanan berkandungan air menengah.

Aktivitas air dapat mempengaruhi sifat – sifat serbuk produk kering. Berlin dkk. (1968) meneliti pengaruh sorpsi uap air terhadap keporian serbuk susu. Jika serbuk itu disetimbangkan pada kelembapan nisbi (RH) 50%, struktur mikropori rusak. Kandungan lemak bebas sangat meningkat , yang menunjukkan pula perubahan struktur.

Reaksi lain yang dapat dipengaruhi oleh aktivitas air ialah hidrolisis protopektin, pemecahan dan demetilasi pektin, hidrolisis lemak secara autokatalitik, dan pengubahan klorofil menjadi feofitin (Loncin dkk. 1968)

Rockland (1969) telah memperkenalkan konsep isoterm setempat. Ia mengemukakan bahwa koefisien diferensial kandungan air dibandingkan denagnkelembapan nisbi (ΔM/ΔRH), dihitung dari isoterm sorpsi, ada kaitannya dengan kestabilan produk.

Antaraksi antar molekul air dan molekul polimer pada pembentukan gel ditinjau oleh Busk Jr. (1984).

Pengikatan air oleh daging

Menurut Hamm (1962), kemampuan daging mengikat air disebabkan oleh protein otot. Kemampuan otot mengikat air terutama disebabkan oleh aktomiosin, komponen utama myofibril.

Bagian pertama sesuai dengan air yang terikat kuat, sekitar 4 %, yang dilepaskan pada tekanan uap yang sangat rendah. Jumlah ini hanya sekitar 1/5 dari jumlah total yang diperlukan untuk menutupi seluruh protein dengan lapisan monomolekul. Air ini terikat serempak dengan pembebasan energi, 3 sampai 6 kcal permol air. Pengikatan air ini mengakibatkan pengecilan volume sebesar 0,05 mL per gram protein. Pengikatan terjadi pada gugus hidrofil pada protein seperti rantai samping polar yang mengandung gugus karboksil, amino, hidroksil, dan sulfhidril dan juga pada gugus karboksil dan imino dari ikatan peptida yang tidak terdisosiasikan. Bagian kedua kurva sesuai dengan adsorpsi multilapisan yang berjumlah 4 sampai 6 % air lagi. Kedua besaran ini oleh Hamm (1962) dianggap sebagai air hidrasi yang sesungguhnya dan besarnya diketahui antara 50 dan 60 g per 100 g protein.

Hamm dan Deatherage (1960 A) menemukan bahwa pendinginbekuan daging sapi mengakibatkan penurunan kemampuan daging untuk mengikat air pada rentang pH isoelektrik otot. Pemanasan daging sapi pada suhu  40⁰C mengakibatkan denaturasi kuat dan perubahan hidrasi (Hamm  dan Deatherage  1960 B). Pengikatan air dapat dipengaruhi secara kuat dengan penambahan garam tertentu, terutama posfat (Hellendroorn 1962). Penambahan garam tersebut digunakan untuk mengurangi kehilangan selam pemasakan yang disebabkan oleh pengusiran air pada pengalengan ham dan untuk memperoleh struktur dan konsistensi yang lebih baik dalam memanufaktur sosis.