Teknik Penentuan Kadar Air secara Fisika

Teknik Penentuan Kadar Air secara FisikaHarry Budimanharr004@lipi.go.idDiklat Analisa Kadar Air, 22-31 Oktober 2013PendahuluanPenentuan kadar air berperan penting dalam berbagai bidang industri terutama industri makanan.Kandungan air dalam suatu material berpengaruh pada proses pengolahan, penggunaan, shelf life dari berbagai produk seperti bahan-bahan obat, plastik dan makanan.

Persyaratan legal dan labelEkonomisStabilitas mikrobialKualitas makananPengolahan makananPenentuan kadar air pada industri makananPendahuluanPersyaratan legal dan label, adanya peraturan legal yang mempersyaratkan batas maksimum/minimum air yang harus terkandung dalam suatu jenis makanan.

Ekonomis, biaya dari suatu makanan tergantung dari air yang terkandung. Air adalah bahan yang murah sehingga insutri berusaha sebanyak mungkin untuk menambahkan air kedalam produk makanannya.

Stabilitas mikrobial, kecenderungan mikroorganisme untuk tumbuh dalam makanan tergantung dari kadar air dalam makanan. Makanan dikeringkan hingga dibawah titik kritis kadar airnya.

Kualitas makanan, kandungan air mempengaruhi tekstur, rasa, penampakan dan kestabilan makanan

Pengolahan makanan, untuk memprediksi sifat-sifat makanan selama proses pengolahan berlangsung misalnya dalam pencampuran, pengeringan, pengemasan.Definisi Kadar airKadar air adalah jumlah air yang terkandung dalam suatu sampel/makanan.

Air dalam makananAir bebas (free water), molekul air terikat secara fisika pada matriks makanan dan mudah dihilangkan dengan pengeringan. Misalnya air dari kelembapan udara yang teradsorpsi ke permukaan partikel, biasanya air sebagai agen perndispersi atau sebagai pelarutAir terikat (bound water), molekul air yang terikat secara kimia pada gugus ionik dan gugus polar; atau hidrat yang sulit dihilangkan.; atau molekul air yang tersimpan didalam sistem pori dari suatu material padat. Contoh laktosa monohidrat, Na2SO4.10H2OPendahuluanPenentuan kadar air yang akuratMetode reliabelFaktor terpenting: air terikatBesarnya energi panas harus cukup untuk menghilangkan seluruh air terikat dalam sampel makananBeberapa teknik pengukuran analitik telah dikembangkan dari konsentrasi parts per million (ppm) hingga persenPertimbangan:kecepatan analisa, tingkat keakurasian, sensitifitas, Biaya.kemudahan dalam analisa.Pentingnya penentuan kadar air dalam suatu sampel yang akurat menggunakan metode yang reliabel.

5Metode penentuan kadar airMetode oven, moisture balance, metode pengeringan lainnya

Analisis termogravimetriMetode destilasiAnalisis spektroskopiFT-IR

Analisis TermogravimetriMerupakan metode analisis klasikMetode menimbang-mengeringkan dimana sampel dikeringkan hingga massanya konstan. Pada termogravimetri, kandungan air suatu material yaitu semua senyawa yang menguap selama pemanasan dan berkonstribusi pada kehilangan massa. Bersama dengan air, komponen yang ikut menguap adalah alkohol atau produk terdekomposisi. Prinsip penentuan: perubahan massa sampel dari penimbangan sebelum dan sesudah pengeringan diintrepetasikan sebagai kehilangan air.Komponen terpenting dalam termogravimetri adalah neraca disamping alat pengering (oven, microwave dll)

Analisis TermogravimetriKeuntunganKekuranganprosedur sederhanaBeberapa jenis sampel terdekomposisi ketika dipanaskanbiaya murah Kemungkin ada bagian dari sampel yang ikut terevaporasi bersama dengan air. hasilnya akurat dan presisiAdanya resiko sampel tertukar dan kesalahan dalam perhitungan hasil penimbanganSampelditimbang (massa awal)DipanaskanDidinginkan dalam desikatorDitimbang (massa akhir)oven pada suhu 105C selama 2-3 jam, oven vacuum pada suhu 70C (sampel makanan dengan kandungan gula), oven microwave dan halogen/infrared.Kadar air sampelCatatan:Suhu dan lamanya pemanasan menjadi faktor yang penting.Hasil yang reprodusibel: prosedur pada kondisi yang identik.Analisis TermogravimetriKehilangan berat dari tahap pengeringan disebabkan:Termal dekomposisi dari senyawa organikKehilangan komponen yang volatile seperti asam asetat, propionat dan butirat; alkohol; ester dan aldehyd pada komponen flavor.

sampel tertukar, kesalahan perhitungan dan kesalahan dalam transfer data

Kesalahan dalam penentuan kadar air dengan termogravimetriPengeringan dengan OvenSampel harus stabil terhadap suhu dan tidak mengandung jumlah banyak komponen volatilSuhu pengeringan dan waktu: 70-155 C ; 1-6 jamPada umumnya sampel dipanaskan pada suhu 105 C selama 3 jam

ASTM D4442-92, kadar air dari sampel kayu, 10 g, 105C, 3 jam

Analisis kadar air sampel beras:AAOC: 2 g, 130C, 1 jamAOAC: 2 g, 130C, 1 jamISO R712: 5 g, 130C, 2 jamPengeringan dengan OvenContoh: SNI 01-3182-1992, penentuan kadar air biji-bijian, gaplek dan bahan-bahan lain yang karakteristiknya hampir sama.

Dimana:m0 = berat cupilkan mula-mula (g)m1 = berat cuplikan setelah dikeringkan, (g)Contoh biji-bijianDitumbuk dan ditimbang sebanyak 5 g di cawan porseleinMasukkan dalam oven dan panaskan hingga 105C selama 5 jamDinginkan dalam desikator sampai suhu kamar lalu timbangPanaskan lagi 30 menit, dinginkan lalu timbang. Dilakukan berulang (3-4 kali) sampai selisih berat antar dua penimbangan berturut-turut 0.001 gHitung kadar airKadar air sampelPengeringan dengan OvenHal-hal yang harus diperhatikan dalam proses pengeringan:Untuk mencegah reabsorpsi air oleh sampel setelah pengeringan dengan oven, cawan pengering ditutup setelah keluar dari oven, transfer ke desikator dan timbang setelah mencapai suhu ruang.Material padatan harus dibubukkan terlebih dahulu untuk meminimalisir perubahan komposisi.Untuk sampel makanan yang mudah terdekomposisi, suhu pengeringan diatur lebih rendah menggunakan oven vakum, dan lamanya pengeringan diperpendekUntuk sampel tumbuhan, keringkan terlebih dahulu pada suhu rendah untuk mencegah pembentukan kerak, dan pengeringan dilanjutkan pada suhu lebih tinggiSampel makanan seperti madu atau sirup, pengeringan tidak dapat menggunakan oven. Tapi bisa menggunakan oven vakum pada suhu 70C selama 4 jam atau 60C selama 7-9 jam.Metode pengeringan lainnyaVacuum ovenTekanan oven diatur 25-50 mmHg (Torr)Kecepatan pengeringan bertambah dengan menurunkan tekanan uap menggunakan vakumSuhu:98-102C untuk sampel biasa, dan 70C atau lebih rendah untuk sampel makanan yang tidak stabil terhadap suhu

Microwave oven dryingMicrowave oven yang terintegrasi dengan timbangan, monitor digital dan mikrokomputer untuk menghitung kadar air.Waktu pengeringan: 6-8 menit untuk 10 g sampel dalam 100 w input microwave oven.

Metode pengeringan lainnyaInfrared dryingLebih efektif dibandingkan dengan oven biasaPengeringan dengan lampu infrared melibatkan penetrasi panas ke dalam sampel untuk menguapkan air Waktu pengeringan lebih pendek:10-25 menit.Daya lampu : 250-500 W2 hal yang harus dikontrol yaitu:Jarak antara sumber infrared dan sampel tidak terlalu dekat karena bisa menyebabkan sampel terdekomposisi (jarak 10 cm)Ketebalan sampel: 10-15 mm dan ukuran sampel: 2.5-10 g

Pengeringan makanan dalam desikator yang berisi senyawa kimia pengabsorpsi air (dehydrating agent) seperti CaO, P2O5, CaC2, CaSO4, BaO, Mg(ClO4)2, CaCl2 anhydrous dll. Penggunaan vacuum pada desikator akan membuat pengeringan menjadi lebih efektif.Freeze drying: untuk sampel makanan yang cenderung terdekomposisi pada suhu dibawah suhu kamar.

Drying/dehydrating agent

Moisture analyzerPrinsip pengukuran: prinsip metode termogravimetri (berdasarkan perbedaan berat)Sumber panas untuk pengeringan: lampu infrared (gelombang elektromagnetik dengan =780 nm-1 mm), 50-160C atau lampu halogen (50-200C).

Radiasi IR, sinarnya tidak terlihat tapi radiasinya tersa panas.16Moisture analyzerMula-mula sampel ditimbangLalu radiasi lampu IR/halogen akan mengeringkan sampel. Selama proses pengeringan, neraca terintegrasi secara kontinu merekam berat sampel.Pengeringan berakhir pada kondisi tertentuTotal kehilangan berat (dihitung secara automatis) : kadar air sampel

Sampel ditimbang lalu dipanaskan dengan lampu IR/halogen. Kehilangan berat dari sampel diamati dan direkam secara kontinu dan pengeringan berakhir pada kondisi tertentu. Kadar air sampel ditentukan secara automatis dari perbedaan berat.

17Proses pengeringan pada moisture analyzerOven tradisional, sampel dikeringkan dengan konveksi panas dan membutuhkan waktu lama.Moisture analyzer, sampel akan mengabsorpsi radiasi IR dari lampu sehingga proses pemanasan dan pengeringan menjadi sangat cepat.Bahan berbeda akan memiliki karakteristik absorpsi berbeda. Tergantung dari warna dan bahannya. Bentuk sampel homogen dan granula (luas permukaan besar)

You will be familiar with this absorption effect:If you stand in the sun wearing a black shirt, youwill get much hotter than if you were wearing awhite one. You should therefore select a slightlylower measurement temperature for a dark samplethan for a light sample.18Proses pengeringan pada moisture analyzerPermukaan bahan yang rata dan terang, memantulkan radiasi IR dan sampel lebih lambat pengeringannya.Karakteristik absorpsi dari sampel mempengaruhi efektivitas suhu sampel.Suhu pemanasan sampel dengan warna gelap sedikit lebih rendah dibandingkan dengan sampel berwana terang.

You will be familiar with this absorption effect:If you stand in the sun wearing a black shirt, youwill get much hotter than if you were wearing awhite one. You should therefore select a slightlylower measurement temperature for a dark samplethan for a light sample.19Tahapan pengeringan berakhirKriteria proses pengeringan berakhir: suatu kondisi dimana pengukuran dengan mositure analyzer secara automatis berhenti dan hasil kadar air dihitung.pengontrolan waktu pengeringan, atau penurunan berat tiap satuan waktu.Neraca terintegrasi secara kontinu menentukan kehilangan berat dari sampel selama pengeringan. Apabila nilai kehilangan berat ( g) tiap satuan waktu ( t) telah mencapai nilai yang di set maka proses pengeringan berakhir. Misal 1 mg/10s, 1 mg/20 s, 1 mg/50 s, 1mg/90 s, 1 mg/ 140 s

Lokasi penyimpanan neraca analitik dan moisture analyzerPresisi dan reprodusibilitas penimbangan tergantung pada lokasi neraca.Neraca diletakkan pada meja yang kokoh dan stabil. Neraca dan mejanya ditempatkan di tempat yang minim vibrasi (biasanya di sudut ruangan) dan minim pergerakan aliran udara (tidak berdekatan dengan AC unit, pintu). Meja diletakkan di lantai dan meja tidak menyentuh dindingRuang timbang diakses menggunakan pintu geser untuk mengurangi pengaruh dari pergerakan pintu (aliran udara) pada timbangan.Meja timbangan dibuat dari bahan non magnetik (concrete, marmer, ganite) dan di ground untuk mencegah terjadinya electrostatic charge.

Lokasi penyimpanan neraca analitik dan moisture analyzerSumber-sumber radiasi elektromagnet, dan frekuensi radio (komputer) tidak diletakkan berdekatan dengan neracaRuang timbang memiliki suhu (20-23oC) dan humidity (45-60%) yang terkontrol. (perubahan 1oC pada neraca dengan resolusi 0.1 mg akan menyebabkan perubahan 0.1 mg pada pembacaan massa 100 g)Hindari neraca kontak langsung dengan sinar matahari (tidak di dekat jendela). Panas matahari akan menyebabkan fluktuasi temperatur dalam chamber timbangan. Hal ini kan mempengaruhi hasil penimbangan

Pengaruh suhuPembacaan massa dari sampel berubah-ubah bertambah/berkurang (satu arah)Neraca tidak terhubung dengan power supply dalam waktu yang cukupPerbedaan suhu antara sampel yang ditimbang dan lingkungan menyebabkan aliran udara di sekitar wadah timbangan ke arah bawah atau ke atas. Efek ini tidak akan hilang sampai kesetimbangan suhu antara sampel dan lingkungan tercapai.

Objek yang dingin, massanya akan lebih besarObjek panas, massanya akan lebih kecilPengaruh elektrostatikSetiap penimbangan memberikan hasil berbeda. Pembacaan tidak stabil. Repetabilitas penimbangan buruk.Wadah atau sampel telah menjadi bermuatan elektrostatikKesalahan penimbangan terjadi karena adanya gaya elektrostatik antara wadah/sampel dan lingkungan.Material seperti gelas, plastik, bubuk atau granula dapat mengalami muatan elektrostatik (sulit dihilangkan) akibat dari pengadukan atau penanganan ketika pemidahan wadah.Udara kering dengan humidity kurang dari 40% meningkatkan resiko efek ini.

Pengoperasian Moisture analyzerPemeliharaan:Menjaga piringan sampel tetap bersih (gunakan sikat halus)Membersihkan temperatur sensor dan kaca pelindung di module heatingMembersihkan lingkungan di sekitar instrumen dan piringan sampelMengganti reflektor radiasi sinar IR/halogen apabila rusak Melakukan kalibrasi terhadap heating module dan neracanya. (lampu halogen: 50-180C)

Preparasi sampelSampling:Mempengaruhi terhadap repetabilitas hasil pengukuranMewakili dari total volumeMemastikan homogenitas (tercampur dengan baik), campur dan aduk sampel terlebih dahuluJumlah sampel yang diambil cukupTidak ada penambahan atau penghilangan air ketika mengambil sampel (lakukan secepat mungkin)Apabila pengukuran tidak dilakukan langsung pada sampel, simpan sampel pada wadah yang tertutup rapat dan terisi penuh (tidak ada udara didalamnya).

Preparasi sampelPreparasi sampel:Memastikan butiran dari bahan seragam (ukuran partikelnya)Jika perlu luas permukaan sampel diperbesar agar air dengan mudah teruapkan pada saat pengeringan. Dengan cara memotong sampel, atau menghaluskan sampel dengan mortar, grinder (dengan pendingin air).

Preparasi sampelMenambahkan sampel dengan volume atau massa sama untuk mencapai repetabilitas yang baik.Menggunakan jumlah volume sampel yang tepat.

Sampel diaduk terlebih dahulu sebelum ditambahkan ke piringanMenggunakan piringan sampel (alumunium) yang bersih untuk menghasilkan pengukuran yang reliable tanpa adanya pengaruh dari residu yang tertinggal dari pengukuran sebelumnya atau dari agen pembersih.Tidak menggunakan piringan sampel yang telah rusak

Sampel tersebar merata di piringan1.2.3.4.Pengaruh sampel beratBerat sampel awal lebih besar: lebih banyak air yang dievaporasi dan penentuan kadar air menjadi lebih lama.Repeatabilitas berkurang (relative standar deviasi lebih tinggi), berat sampel berkurangRSD untuk 2 g sampel:0.05%RSD untuk 10 g sampel: 0.01%Namun sampel volume yang terlalu besar mengakibatkan distribusi panas yang tidak merata sehingga hasil menjadi lebih tidak presisi

A higher sample weight will mean that more water is evaporated and moisturedetermination will take longer. In addition, too large a sample volume canresult in an uneven distribution of heat and thus to less precise results. On theother hand, repeatability decreases (higher standard deviation) as the sampleweight decreases:29Perlakuan pada sampel khususSampel mengandung gulaMenggunakan temperatur pengeringan yang tidak tinggi.Sampel dengan kandungan gula tinggi akan membentuk karamel pada permukaan (suhu 100-110C). Akibatnya mencegah penguapan dari air.

Sampel pasta, lemak/minyakSampel disebarkan merata pada piringan sampel (tidak membentuk timbunan atau tetesan) agar air dapat teruapkan dengan cepat dan mudahDitambahkan pasir kering dan bersih untuk memudahkan penguapan air dengan memperbesar luas permukaan dan mencegah terjadinya kerak.

Sampel yang sensitif terhadap suhu dan membentuk kerakPengeringan dengan temperatur tidak terlalu tinggiPembentukan kerak akan menyulitkan penguapan air.Ditambahkan pasir kering dan bersih

Sampel dengan kadar air rendah (