PENTINGNYA TRANSISI GELAS DAN AKTIVITAS AIR UNTUK SPRAY DRYING DAN STABILITAS BUBUK SUSU

PASKASARJANA ILMU PANGAN

FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2014

Rolina Zahhara Tambunan

Proses Pembuatan Susu Bubuksumber:

http://bbppbatu.bppsdmp.deptan.go.id

Menurut Judkins (1996), tahap-tahap proses pembuatan susu bubuk adalah perlakuan pendahuluan, pemanasan pendahuluan dan pengeringan.

Perlakuan pendahuluan: penyaringan atau klarifikasi, separasi dan standardisasi.

Pemanasan pendahuluan adalah menguapkan sebagian air yang terkandung oleh susu, sampai mencapai kadar kurang lebih 45-50% menggunakan evaporator.

Menurut Suharto (1991), pengeringan pada dasarnya adalah suatu proses pemindahan atau pengeluaran kandungan air bahan pangan hingga mencapai kandungan tertentu agar kecepatan kerusakan bahan pangan dapat diperlambat.

Menurut Suyitno et al. (1989), pengeringan merupakan usaha yang dilakukan untuk mengurangi air yang ada dalam bahan pangan sampai kadar air seimbang dengan kelembaban relatif sekitarnya.

Proses pengurangan air atau pengeringan pada susu dapat dilakukan dengan berbagai alat baik dengan spray dryer dan drum atau roller dryer (suhu tinggi) maupun freeze dryer (suhu rendah).

Contoh Diagram Alir Proses Produksi Susu Bubuk(http://bbppbatu.bppsdmp.deptan.go.id)

Spray Drying

Spray drying merupakan proses pencampuran dan pengeringan suatu larutan menjadi suatu bubuk yang homogen (Harris dan Karmas, 1975).

Menurut Hadiwiyoto (1983), prinsip pengeringannya adalah menyemprotkan susu ke dalam ruangan yang panas melalui alat penyemprot yang disebut nozzel.

Apabila susu yang telah sedikit kental disemprotkan akan membentuk kabut dan akan kering oleh udara panas dalam ruangan tersebut.

Muljohardjo, (1990), menyatakan pengeringan dengan menggunakan metode spray drying biasanya menggunakan udara pengering atau panas yang akan mengalami kontak dengan bahan pangan yang dimasukkan ke dalam spray dryer dan biasanya kandungan air yang dihasilkan antara 2-3 %.

ABSTRAK

Pengeringan dengan spray draying adalah metode dehidrasi cepat yang memungkinkan untuk produksi bubuk susu berkualitas tinggi.

Dehidrasi dan penanganan bubuk berikutnya dan penyimpanan, namun, kedua bahan kimia dan perubahan fisik, seperti caking, kristalisasi laktosa, dan pencoklatan nonenzymatik, dapat mengganggu karakteristik bubuk dan mengakibatkan hilangnya bubuk berkualitas.

Banyak perubahan berkaitan keadaan fisik laktosa, sebagai penghilangan air cepat pada hasil spray drying dalam pembentukan kadar air atau kelembapan yang rendah, amorf, struktur nonkristalin laktosa dan komponen susu lainnya.

Komponen amorf bisa ada sebagai padatan seperti gelas atau kaca atau cairan viskos dengan pendinginan yang sangat tinggi (supercooled).

Pembentukan dari amorf, laktosa glassy selama pengeringan secara spray memungkinkan produksi bubuk yang mengalir bebas.

Temperatur tinggi atau kandungan air sisa di tahap-tahap proses pengeringan, namun, mungkin menyebabkan kekakuan (stickiness), caking, browning, dan adhesi partikel bubuk untuk peralatan pengolahan.

Transisi kaca amorf laktosa terjadi di sekitar suhu kamar pada suatu konten air sekitar 6.8 g (g × 100)-1 laktosa sesuai dengan kelembaban relatif seimbang dari 37% dan 0.37 aw (air aktivitas).

Pada kandungan air lebih tinggi, seperti kaca transisi laktosa amorf baik dibawah suhu penyimpanan, susu bubuk, menjadi lengket dan amorf laktosa bisa bergantung pada waktu kristalisasi.

Kristalisasi laktosa amorf mungkin juga melepaskan air sorbed dari bahan amorf, yang meningkatkan perubahan deteriorative lain, seperti reaksi pencoklatan nonenzymatik.

Laktosa amorf dalam susu bubuk merangkum susu lemak, yang, sebagai akibat dari kristalisasi laktosa, dirilis dan menjadi rentan untuk oksidasi cepat.

Transisi gelas dan aktivitas air adalah, kemampuan proses pengendalian faktor penting, penanganan properti dan stabilitas bubuk susu.

I. PENDAHULUAN Padatan produk susu didehidrasi termasuk laktosa, lipid, protein dan mineral. Laktosa,

protein dan mineral tercampur penuh dengan air atau larut air sementara lipid memiliki cukup sedikit interaksi dengan air [10].

Keadaan fisik padatan non-lemak (SNF) sangat bergantung pada konten air [2, 3, 10] dan, oleh karena itu, sangat penting dalam mendefinisikan perilaku pengeringan dan stabilitas makanan dari susu yang dikeringkan [4, 9].

Laktosa dalam susu cair larut dalam fasa air secara kontinyu, yang juga mengandung lemak dan protein terdispersi.

Ketika diinginkan, laktosa mungkin dikristalkan sebelum dehidrasi, tetapi cairan yang dikonsentrasikan awal juga dikeringkan dengan spraying tanpa kristaliasasi awal laktosa.

Meskipun cairan dikonsentrasikan awal menjadi jenuh dengan laktosa, kristalisasi mungkin tidak terjadi sebelum pengeringan dengan spray jika hanya dalam waktu singkat diperbolehkan antara penguapan dan pengeringan.

Penghilangan air yang cepat di pengeringan dengan spray berikutnya tidak mengizinkan kristalisasi laktosa dan sementara air dipindahkan, laktosa ditransformasikan ke seperti padatan, amorf, kaca secara langsung dari keadaan terlarut [11, 12].

Oleh karena itu, sifat fisikokimia jenuh dari supersaturated, laktosa amorf penting dalam penyesuaian kondisi spray drying dan stabilitas penyimpanan banyak bubuk susu [9, 15].

Beberapa perubahan secara fisikokimia bubuk susu langsung atau tidak langsung terkait dengan transisi kaca laktosa amorf.

Transisi kaca adalah transisi keadaan material amorf yang terjadi antara padat, kaca dan cairan yang supercooled [9, 17, 18].

Bahan amorf adalah system tidak setimbang dan banyak perubahan, termasuk kaca transisi itu sendiri, memiliki karakteristik bergantung pada waktu [9].

Pada mobilitas molekul secara umum, dalam keadaan kaca dibatasi rotasi tomolecular dan vibrasi sementara di atas transisi kaca, gelas mobilitas translasional cukup stabil, gelas cukup stabil, tetapi stabilitas jangka panjang hilang di atas transisi kaca.

Sebagai contoh, amorf, laktosa kaca menjadi cukup stabil, tetapi sebagai mobilitas molecular menjadi signifikan atas proses transisi, sifat seperti padat [4, 9, 11].

Ada juga gaya dorong terhadap keadaan kristal setimbang secara termodinamik dan transisi kaca juga menghasilkan menghasilkan kristalisasi bergantung waktu [11-13]. Selain itu, lengket dan caking bubuk, dan tingkat reaksi kimia difusi terkontrol dapat dikendalikan oleh transisi kaca [9, 17].

Signifikansi transisi kaca pada proses spray drying telah menerima cukup sedikit perhatian meskipun transisi kaca berhubungan perubahan bubuk susu telah diakui dengan baik.

Artikel membahas peran transisi kaca dalam spray drying dan dalam kontrol stabilitas bubuk susu.

2. PEMBENTUKAN KACA PADA SPRAY DRYING

Spray drying melibatkan atomisasi dari cairan dan berikutnya penguapan air sebagai material sepanjang chamber pengeringan. Meskipun sejumlah Spray drier berbeda dapat digunakan, sesuai prinsip-prinsip pembentukan kaca berlaku menurut Gambar 1.

Gambar 1. Pembentukan struktur amorf pada dehidrasi dan hubungan antara kesetimbangan (larutan, padatan kristal) dan keadaan non kesetimbangan (padatan amorf dan cair).

Dehidrasi partikel cairan diatomisasi dihasilkan dari permukaan partikel inti dalam.

Lapisan solutes terkonsentrasi terbentuk pada permukaan partikel dan mungkin ada penurunan suhu partikel karena pendinginan yang evaporatif.

Penghilangan air sangat cepat secara ekstrim meningkatkan viskositas padatan tersisa dan permukaan partikel mendekati keadaan glassy sebelum bertabrakan dengan partikel lain atau dinding pengering.

Telah ditemukan bahwa viskositas permukaan yang kritis mengakibatkan stickiness dan caking adalah > 107 Pa·s [1] dan umumnya nilai yang diterima untuk viskositas bahan glassy adalah mengatakan 1012 Pa·s [18].

Demikian viskositas permukaan tinggi viskositas pengeringan permukaan partikel memungkinkan pembentukan padatan, partikel individual yang dapat terkena perlakuan lebih lanjut dalam tahap pengeringan berikutnya, Misalnya, aglomerasi pada fluidised bed dryer atau suatu sabuk.

Vitrifikasi permukaan partikel dalam spray drying penting dalam memungkinkan aliran bebas partikel melalui pengeringan chamber dan menghindari caking partikel dengan setiap yang lain dan pada permukaan pengering.

Di akhir dari proses pengeringan, temperatur partikel dan konten air harus mendukung padatan, keadaan glassy.

3. SIFAT PADATAN SUSU AMORF

Komponen amorf utama dalam padatan susu adalah karbohidrat dan protein. Komponen ini keduanya dapat bercampur dengan air dan setidaknya sebagian larut dengan satu sama lain.

Namun, sangat mungkin bahwa sebagian protein ada setidaknya sebagian fase dipisahkan dari karbohidrat dalam susu bubuk terhidrasi [6].

Diketahui bahwa temperatur leleh dari kristal, bahan larut air menurun dengan meningkatnya kadar air [11, 12].

Transisi kaca laktosa anhidrat, seperti yang diamati menggunakan DSC, memiliki T awal 101 oC [12], yang merupakan salah satu dari T tertinggi diukur untuk disakarida "anhidrat" [9].

T Transisi gelas komponen susu anhidrat dan padatan diberikan dalam tabel 1. Transisi kaca yang diamati dalam bubuk susu terkait erat dengan laktosa yang murni [3, 4].

Namun, jika laktosa terhidrolisis, Tg diamati menurun secara dramatis, karena banyak Tg lebih rendah dari komponen glukosa dan galaktosa [3].

Ini juga mengakibatkan perubahan signifikan dalam perilaku spray drying dan stabilitas penyimpanan dari padatan susu laktosa-terhidrolisis [9].

Karbohidrat amorf, termasuk laktosa dan produk hidrolisis secara signifikan diplastiskan oleh air, yang diamati dari penurunan Tg dengan kadar air. Efek air pada theTg susu solidsmay diprediksi menggunakan persamaan Gordon-Taylor (1) [3, 9],

Diagram keadaan laktosa ditunjukkan pada gambar 2. Diagram laktosa adalah berguna dalam menjelaskan efek air pada laktosa properti didehidrasi dan produk susu dehidrasi. Informasi air plastisisasi juga dapat ditampilkan dengan sifat-sifat penyerapan air (Gambar 3), yang memungkinkan evaluasi sejauh plastisisasi air dari bubuk susu dalam berbagai kondisi penyimpanan.

Gambar 3. T transisi gelas dan sifat penyerapan air laktosa amorf dan serbuk susu skim. Transisi gelas ditekan sampai 24 oC pada aktivitas air kritis dari 0.37 (sesuai untuk RH penyimpanan kritis 37%). Kandungan air kritis sesuai untuk laktosa adalah 6,8 dan padatan susu skim 7.6 g (g × 100) padatan. Data dari Jouppila dan Roos [3].

4. TRANSISI GELAS PADA SPRAY DRYING

Beberapa studi telah menunjukkan bahwa sifat lengket dari bubuk terdehidrasi terjadi sebagai suatu hasil dari plastisisasi permukaan partikel dan menurun serentak pada viskositas yang memungkinkan pembentukan link cair antara partikel bubuk [7].

Suhu transisi gelas padatan susu skim menampilkan zona kekakuan dan caking di sekitar 10 oC atau lebih tinggi di atas Tg diukur oleh DSC ditunjukkan pada gambar 4.

Walaupun kandungan air dalam keadaan akhir pengeringan partikel dan antara partikel individual, sifat-sifat permukaan dapat berubah untuk memungkinkan aglomersi yang dapat bervariasi secara signifikan, suhu partikel dapat diasumsikan menurun selama dehidrasi awal.

Laktosa ada paling mungkin sebagai sirup sangat jenuh dalam fase padatan.

Gambar 4. Transisi gelas padatan susu skim dengan temperature partikel hipotetis selama penghilangan air pada spray drying, dan pembentukan partikel padatan menyerupai kaca pada akhir pengeringan.

Sifat permukaan partikel yang dikeringkan berhubungan dengan viskositas permukaan [1]. Viskositas sebagai hasil dari penguapan atau pembuangan air meningkat pesat sebagai transisi gelas yang didekati. Perubahan Viskositas material amorf sering digambarkan menggunakan persamaan Williams-Landel-feri (WLF) (2), yang menyatakan waktu relaksasi diatas transisi gelas untuk suatu temperatur referensi [19]

Jika Tg diambil sebagai referensi suhu, waktu relaksasi, τ, dan viskositas, η, terkait dengan nilai-nilai pada transisi gelas (τg dan ηg) dan plastisisasi, dan didefinisikan dengan perbedaan suhu, T – Tg, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. waktu relatif relaksasi atas transisi gelas, seperti yang diperkirakan oleh hubungan WLF.

5. TRANSISI GELAS DAN STABILITAS SERBUK

Sifat-sifat bubuk yang umum dengan laktosa amorf atau bahkan sejumlah laktosa amorf dapat dihubungkan ke transisi gelasnya. [2–5, 9, 13].

Ini mencakup surface stickiness dan caking [11], kristalisasi laktosa bergantung waktu [13] dan rilis lemak dienkapsulasi [16], dan meningkatkan laju pencoklatan nonenzimatik [15] dan oksidasi lemk [16].

Perubahan sifat mekanik dan difusi bertanggung jawab terhadap sifat lengket, caking dan kristalisasi laktosa, tetapi perubahan dalam tingkat reaksi lebih rumit dan dipengaruhi oleh banyak faktor, termasuk pH, heterogeneitas dalam distribusi air, dan miscibility protein dan karbohidrat.

5.1. Stickiness, caking and crystallisation

Lengket dan caking adalah masalah yang umum dalam menangani bubuk yang mengandung karbohidrat amorf. Lengket dan caking muncul sebagai viskositas penurunan komponen amorf dan adhere bubuk partikel [7].

Lebih lanjut perkembangan plastisisasi sering diikuti oleh runtuhnya struktur sebagai hasil peningkatan aliran dan kristalisasi laktosa, yang mungkin terjadi langsung pada tingkat termal tinggi dan air plastisisasi [9].

Pengembangan stickiness, caking dan kristalisasi akibat plastisisasi ditampilkan untuk susu skim pada gambar 6.

Figure 6: Glass transition related changes in mechanical properties and crystallisation in skim milk with amorphous lactose.

The crystallisation of lactose is highly time- dependent following the typical crystallisation rate behaviour of amorphous solids. The time-dependent lactose crystallisation in dairy powders is often observed in water sorption studies [3, 9]. These have shown that above a critical storage relative humidity, there is a loss of sorbed water (Fig. 7).

Figure 7. Sorption isotherm of skim milk solids.Crystallisation of amorphous lactose results intime-dependent loss of sorbed water.

5.2. Molecular mobility and stability maps

The glass transition in dairy powders with amorphous components is related to molecular mobility.

The amorphous solids in the solid glass are frozen in a high viscosity state and they exhibit only molecular vibrations and side chain rotations.

As the material undergoes the glass transition, the molecular mobility increases and translational motion of the molecules appears.

This has been related to increasing rates of bimolecular reactions and enzyme activity in lowmoisture food systems [9, 17]. A hypothetical stability map for dehydrated skim milk with amorphous lactose is shown in Figure 8.

Figure 8. Stability map for dairy powders containing amorphous lactose. The critical water activity corresponds to the glass transition depression of amorphous lactose to 24 oC, which may enhance deteriorative changes andloss of quality.

At the critical water activity,the glass transition is decreased to storage temperature and further increases in water activity result in a decrease in viscosity of particles, stickiness, caking, and rapid increases in rates of lactose crystallisation and diffusion controlled reactions [4, 9].

Lactose crystallisation is responsible for release of encapsulated lipids and subsequent rapid oxidation in dairy powders [16].

The nonenzymatic browning reaction has also een observed to proceed at increasing rates above glass transition and it is substantially accelerated by an increase in water activity following crystallisation of amorphous lactose in dairy powders [14].

KESIMPULAN

Transisi fase dan keadaan, termasuk transisi gelas, memiliki peran penting pada suatu control yang tepat dari proses spray drying dari bahan susu dan kualitas produk yang diperoleh.

Selain itu, transisi penting dalam pemahaman kestabilan produk susu dehidrasi. transisi gelas mempengaruhi laktosa amorf berpengaruh pada perkembangan sifat-sifat partikel selama proses spray drying dan proses aglomerasi berikutnya.

Pengetahuan lebih lanjut dari temperature partikel dan kandungan air pada proses dehidrasi diperlukan untuk memahami dan mengurangi kekakuan yang tidak diinginkan dan caking partikel dalam berbagai tahap drying process dan penanganan bubuk.

Selain itu, pengertian ini penting dalam mengendalikan stabilitas bubuk susu spray drying dan untuk menghindari kerusakan akibat dari kristalisasi laktosa atau reaksi kimia dan reaksi enzimatis.

REFERENCES

[1] Downton D.P., Flores-Luna J.L., King C.J., Mechanism of stickiness in hygroscopic, amorphous powders, Ind. Eng. Chem. Fundam. 21 (1982) 447–451.

[2] Jouppila K., RoosY.H.,Water sorption and timedependent phenomena ofmilk powders, J. Dairy Sci. 77 (1994) 1798–1808.

[3] Jouppila K., Roos Y.H., Glass transitions and crystallization in milk powders, J. Dairy Sci. 77 (1994) 2907–2915.

[4] Jouppila K., Kansikas J., Roos Y.H., Glass transitions, water plasticization, and lactose crystallization in skim milk powder, J. Dairy Sci. 80 (1997) 3152–3160.

[5] Jouppila K., Kansikas J., Roos Y.H., Crystallization and X-ray diffraction of crystals formed in water-plasticized amorphous lactose, Biotechnol.Progr. 14 (1998) 347–350.

[6] Kalichevsky M.T., Blanshard J.M.V., Tokarczuk P.F., Effect of water content and sugars on the .....etc

REFERENCES

THANK YOU

Browning

Laktosa merupakan gula reduksi, sehingga akan bereaksi dengan amin untuk membentuk komponen reaksi Maillard yang spesifik (pencoklatan non enzimatik). Laktosa juga dapat membentuk karamel, walaupun membutuhkan temperatur yang lebih tinggi dibanding sebagian besar gula. Laktosa mulai menjadi karamel pada suhu 150-160 oC dan menjadi coklat pada suhu 175 oC.

Pada produk caramel-type confection dan bakery, diinginkan adanya pengembangan flavor dan color dari interaksi antara laktosa dan amin. Penambahan laktosa akan mempertahankan warna coklat emas yang diinginkan pada produk-produk baked selama disimpan.

Solubility / Crystallization

Laktosa dapat larut, tetapi kelarutannya lebih rendah (low solubility) dibanding gula lain misalnya sukrosa, fruktosa dan dekstrosa.

Kelarutan laktosa sangat terbatas jika penambahan laktosa atau ingridien susu ke dalam bahan pangan mengandung laktosa konsentrasi tinggi.

Dalam produk susu kental manis kristalisasi dikontrol dengan penambahan kristal inti /biji laktosa ke dalam larutan jenuh.

Kristal yang terbentuk sangat kecil dan impalatable. Jika ukuran kristal laktosa terkontrol, maka kristalisasi dapat meningkatkan tekstur yang diinginkan pada produk-produk confection.

Dalam panning produk confectionery, laktosa mencegah kristalisasi sukrosa dengan cara pembentukan lapisan pelindung yang terbentuk pada temperatur rendah.

Kondisi Operasi pada Spray Drying      Kondisi operasi antara lain udara pengering yang masuk berkisar pada temperatur 170OC dan bahan diatur dengan temperatur 96OC. Sebelum masuk spray dryer susu kedelai dikentalkan terlebih dahulu dengan evaporator sampai mempunyai kadar 45-50% untuk mempercepat pengeringan dan meningkatkan kapasitas pengeringan. Feed yang diumpankan menggunakan atomisasi dengan diameter tertentu dan atomizer tersebut berputar dengan kecepatan tinggi yakni 5.000-10.000 rpm.(McCabe, Unit Operation)

Prinsip Kerja

proses spray drying terdiri dari beberapa tahap proses yang dapat dilihat pada tabel berikut ini

(Perry, Chemical Engineering Handbook, 8thedition)