biem.co – Secara umum, jus adalah campuran kompleks dan heterogen yang terdiri dari partikel-partikel yang tidak larut, bahan koloid, dan supra-koloid yang tersebar di dalam medium kontinu yang kaya akan senyawa larut. Medium tersebut meliputi gula, asam organik, pektin terlarut, senyawa fenolik, dan garam. Senyawa-senyawa ini mungkin memiliki berat molekul yang tinggi. Ketika jus mengalami peningkatan kecepatan aliran, rantai molekul dalam jus tersebut akan sejajar dengan arah aliran, mengurangi hambatan aliran yang mempengaruhi viskositas jus. Penurunan viskositas ini terjadi seiring dengan peningkatan tekanan.
Pengetahuan tentang sifat reologi sangat penting untuk memahami struktur dan fungsi produk makanan dan minuman. Selain itu, digunakan dalam desain, pengembangan peralatan pemrosesan, quality control, dan evaluasi sensorik. Pengetahuan ini juga berguna untuk prediksi panas, koefisien massa, dan desain peralatan perpindahan panas dan massa dalam industri jus buah. Faktor penting dalam hal desain operasi unit, optimalisasi proses, stabilitas produk, dan prediksi kualitas dengan jaminan kualitas tinggi adalah pemahaman terhadap sifat reologi. Selain itu, dalam studi reologi, perlu memperhatikan parameter seperti suhu, konsentrasi, dan komposisi (Augusto et al., 2012).
Pemodelan data
Pemodelan data memberikan informasi penting dan alat yang berguna untuk merancang operasi proses dan memahami ketergantungan produk pada suhu, konsentrasi padatan, tekanan maupun waktu. Pendekatan ini memungkinkan penentuan parameter reologi, memungkinkan korelasi antara suhu dan konsentrasi. Dengan demikian, model reologi teoretis dilaporkan dalam literatur (Steffe, 1996), dapat dilihat pada persamaan dibawah ini.
Dalam persamaan di atas, τ adalah shear stress (Pa), γ̇ adalah shear rate (s-1), μ adalah viskositas Newtonian (Pa.s), K adalah koefisien konsistensi (Pa.sn), n adalah indeks perilaku aliran (tanpa dimensi), τ0 adalah yield stress (Pa) dan η viskositas Bingham (Pa.s). Persamaan tipe Arrhenius bertanggung jawab untuk menentukan pengaruh suhu pada parameter reologi, di mana k0 adalah faktor pra-eksponensial, R adalah konstanta gas universal (8,314 J/molK), T adalah suhu mutlak (K), dan Ea adalah energi aktivasi (J/mol), dan model eksponensial (Persamaan (5)) Quek et al. (2013). Model rheologi terbaik dipilih sesuai dengan koefisien determinasi (R2) dan Root mean Square Eror (RMSE).
Berdasarkan karakteristik kekentalan dan aliran, produk pangan cair dapat dikelompokkan menjadi dua jenis: cairan Newtonian dan cairan non-Newtonian. Cairan Newtonian tidak terpengaruh oleh gaya dan memiliki viskositas yang tetap. Sementara itu, cairan non-Newtonian dipengaruhi oleh gaya, di mana viskositasnya dapat berubah menjadi lebih encer (thinning) atau lebih kental (thickening) tergantung pada gaya yang diberikan. Ada juga cairan non Newtonian yang membutuhkan gaya minimum agar dapat mengalir, yang disebut yield stress. Dalam konteks produk pangan, semakin besar gaya yang diterapkan untuk mengalirkannya, maka kekentalannya akan semakin menurun. Aliran cairan juga akan menjadi lebih encer (thinning) seiring dengan peningkatan gaya. Dalam hal ini, nilai viskositas cairan akan semakin menurun sejalan dengan peningkatan gaya yang diberikan (Hariyadi et al., 2019).
Karakteristik Aliran Jus dan Konsentrat Jus
Sifat reologi pada bahan pangan berbeda-beda, tergantung dari karakteristik dari bahan pangan tersebut, kali ini membahas mengenai sifat reologi pada produk jus dan konsentrat jus. Untuk melihat pemodelan yang terbaik dapat dilihat pada nilai R2 (koefisien korelasi) dan RMSE (Root mean Square Eror), semakin tinggi nilai R2 maka menunjukkan semakin akurat permodelan tersebut, dan RMSE semakin kecil maka menunjukkan kesalahan yang semakin kecil pula. Pada jus buah nanas Yanke memiliki model Bingham dengan nilai tinggi R2 > 95% yang berada pada kisaran 0.9972–0.9998. Selain itu hasil menunjukkan memiliki yield stress > 0, dan n diasumsikan 0. Nilai Jus nanas segar yang mengandung pulp 0%, 10%, 20%, 30% dan 40% menunjukkan tegangan luluh (yield stress) pada kisaran suhu 5oC–65oC dan perilaku aliran paling cocok dengan persamaan Bingham (Shamsudin et al., 2013).
Pada konsentrat jus anggur malbec dan konsentrat jus lidah buaya memiliki model Power-law yang dilihat berdasarkan pemodelan data R2 serta dapat dilihat berdasarkan nilai Indeks perilaku aliran (n) yang menunjukkan perilaku penipisan geser (n<1). Peningkatan konsentrasi mengakibatkan penurunan nilai n, yang mewakili peningkatan pseudoplastisitas konsentrat jus lidah buaya dan konsentrat jus anggur melbec. Indeks konsistensi (K) meningkat dan nilai n menurun dengan kenaikan suhu, menunjukkan ketergantungan konsentrasi pada suhu yang lebih tinggi. Selain itu diketahui bahwa kedua jenis konsentrat ini tidak memiliki yield stress sehingga termasuk model power-law (Evangelista et al., 2020).
Perbedaan dari model reologi diatas yaitu karena kandungan bahan pangan yaitu polisakarida yang mengandung glukomanan, mannan, dan pektin dengan berat molekul berbeda sehingga menyebabkan perbedaan total padatan, viskositas serta perilaku aliran dari jus dan konsentrat jus tersebut (Hulle et al., 2014)
Pengaruh suhu pada reologi
Pengaruh suhu terhadap perilaku rheologi jus dan konsentrat jus dapat dijelaskan dengan persamaan Arrhenius. Persamaan arrhenius berhubungan dengan energi aktivasi yang merupakan energi minimum yang dibutuhkan oleh suatu rekasi agar dapat berlangsung. Energi aktivasi dipengaruhi oleh nilai k0, total padatan terlarut, serta perlakuan panas, shear rate dengan semakin rendah nilai k0 maka energi aktivasi akan semakin besar begitupun sebaliknya. Semakin tinggi nilai total padatan terlarut maka energi aktivasi semakin rendah, serta semakin tinggi shear rate maka energi aktivasi semakin rendah pula hal ini karena peningkatan mobilitas makromolekul karena kenaikan suhu, menyebabkan resistensi yang lebih kecil untuk mengalir. Selain itu koefisien konsistensi menurun dengan kenaikan suhu. Kenaikan suhu menyebabkan molekul ke tingkat agitasi yang lebih tinggi, mengurangi interaksi antarmolekul dan membuat aliran fluida lebih mudah.
Pengaruh Konsentrasi Pada Reologi
Viskositas jus dan konsentrat jus meningkat dengan peningkatan konsentrasi. Hal ini dikarenakan perubahan konsentrasi yang membatasi pergerakan molekul antara air dan zat terlarut. Pergerakan ini umumnya ditahan oleh beberapa molekul dan ikatan hidrogen (Azoubel et al., 2005). Indeks perilaku aliran (n) menunjukkan penurunan yang signifikan dengan peningkatan konsentrasi mengintensifkan perilaku fluida shear-thinning. Konsentrasi padatan yang tinggi menyebabkan interaksi molekuler yang lebih tinggi dan kemungkinan pembentukan agregat. Peningkatan laju geser mendorong pemecahan agregat tersebut, melepaskan dispersan antarmolekul, menyebabkan penurunan viskositas yang tampak. Peningkatan konsentrasi padatan menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam koefisien konsistensi (K), Perilaku rheologi fluida dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, terutama oleh gaya antarmolekul dari interaksi partikel air. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mengasumsikan bahwa variasi suhu dan konsentrasi dapat mendorong perubahan yang relevan dalam gaya antarmolekul.
Efek Gabungan Suhu dan Konsentrasi
Efek gabungan suhu dan konsentrasi pada viskositas nyata dievaluasi dengan eksponensial tunggal, persamaan model diusulkan oleh Ibarz et al. (2009) untuk memprediksi perilaku rheologi dalam rentang suhu dan konsentrasi:
Secara umum, persamaan ini sangat membantu dalam proses seperti persyaratan pemompaan, pencampuran produk fluida yang berbeda yang melibatkan perpindahan panas dan massa secara simultan, di mana persamaan tunggal digunakan untuk memprediksi ketergantungan viskositas pada konsentrasi dan temperatur. (Red)
Septa Indriza, penulis adalah Program Studi Ilmu Pangan, Sekolah Pascasarjana IPB University
DAFTAR PUSTAKA
Augusto, P. E. D., Ibarz, A., & Cristianini, M. 2012. Effect of high pressure homogenization (HPH) on the rheological properties of a fruit juice serum model. Journal of Food Engineering, 111(2), 474–477. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2012.02. 033.
Evangelista R.R., Marcio A.R.S., Castilhosb M.B.M., Denis C.L., Javier T.R., 2020. Determination of the rheological behavior and thermophysical properties of malbec grape juice concentrates (Vitis vinifera). Food Research International 137, 109431. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2020.109431.
Azoubel, P.M., Cipriani, D.C., El-aouar, A.A., Antonio, G.C. and Murr, F.E.X. 2005. Effect of concentration on the physical properties of cashew juice. J. Food Eng. 66, 413–417
Hariyadi, P., Sitanggang, A. B., Hunaefi, D., Adawijah, D. R., Purnomo, E. H., Syamsir, E., Kusnandar, F., & Wulandari, N. 2019. Landasan Teknik Pangan. IPB Press.
Hulle N.R.S., Patruni K. And P. Srinivasa, 2014. Rheological Properties Of Aloe Vera (Aloe Barbadensis Miller) Juice Concentrates. Journal of Food Process Engineering. ISSN 1745-4530.
Ibarz, R., Falgulera, V., Garvin, A., Garza, S., Pagan, J. and Ibarz, A. 2009. Flow behavior of clarified orange juice at low temperatures. J. Texture Studies 40, 445–456.
Shamsudin R, Ling CS, Adzahan NM, Daud WRW. Rheological properties of ultraviolet irradiated and thermally pasteurized Yankee pineapple juice . J Food Eng Rev, vol.116, no. 2, pp. 548-553, 2013.
Steffe, J. F. (1996). Rheological Methods in Food Process Engineering (2nd ed.). Freeman Press.
Quek, M. C., Chin, N. L., & Yusof, Y. A. (2013). Modelling of rheological behaviour of soursop juice concentrates using shear rate-temperature-concentration superposition. Journal of Food Engineering, 118(4), 380–386. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng. 2013.04.025.
.
