EMULSI:Karakteristik, Pembentukan dan StabilisasiSri Raharjo Jurusan Teknologi Pangan dan Hasil Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Gadjah Mada
Sistem Emulsi yang stabil pada makanan mirip ILUSI
Tipe DispersiFase KontinyuPadat Padat Glass (chocolate) Sol Cair Gas Asap (partikel sangat halus) Aerosol (spray cooking oil) not possible
Fase Terdispersi CairGas
Emulsion (milk) Solid foam Foam (ice cream) (beer)
Emulsi pada makananBerapakah proporsi air dan minyak pada produk berikut ini ? Jenis makanan Margarine Butter Mayonnaise Sausage Chocolate fudge Air (%) 16 16 39.9 44.6 9.7 Minyak (%) 80 81 33.4 31.2 8.5
Tantangan:Bagaimana dua fase cairan yang saling tidak menyukai bisa bercampur selama penyimpanan agar:
kenampakan, tekstur, mouthfeel, rasa dan aroma bisa terjaga
Pembentukan emulsioil in water emulsion water in oil emulsion
Diagram
Simbol
oil/water
o/w
Water/oil
w/o
Karakteristik
terasa greasy, dapat penghantar listrik, dapat terencerkan dengan terencerkan dengan air minyak atau pelarut (solven) susu margarine
Contoh
Klasifikasi emulsiBerdasarkan persen volume dari fase internal
Vi IPR = Vi + Ve
Vi : volume fase internal Ve : volume fase eksternal
IPR < 0.3 (low IPR) Contoh: o/w (susu, ice cream); w/o (butter, margarine) 0.3 < IPR < 0.7 (medium IPR) Contoh: heavy cream IPR > 0.7 (high IPR) Contoh: mayonnaise dan salad dressing
Ukuran : Dari Atom s/d Makanan
Atoms (~10-11 m) Molecules (10-10 m) Macromolecules (~10-9 m) Micelles and membranes (~10-8 m) Sel mikroorganisme (~10-6m) Kasein misel (~10-6m) Globula lemak susu cair (~10-6m) NaNa-Kaseinat kristal (~10-5m) Granula pati (~10-5m) Kristal es pada es krim (~10-5m) Jaringan (serabut otot ~10-4 m) Bijian dan kacang (~10-2m)
Bisakah terlihat ? rata-rata ukuran sel tubuh 10 - 20 m sel bakteri 1 - 2 m virus 50 nm molekul protein 5 nm Resolusi:Jarak minimum dari dua titik yang masih bisa terlihat terpisah dengan jelas
mata manusia mikroskop biasa mikroskop elektron
250 m 0.25 m 0.2 nm
FLUID MOSAIC MODEL DARI MEMBRAN SEL Pulau protein yang dikelilingi lautan lemak
Phospholipids
Suatu emulsi minyak dalam air dapat dibagi menjadi tiga fase: fase minyak, wilayah antarmuka, dan fase airWilayah antarmuka
H
rFase minyak
Fase air
Perbandingan Ukuran (r), luas permukaan (AS), dan jumlah droplet (n)r (Qm) 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 As (m2g-1) 33 16 6.5 3.3 1.6 0.65 0.33 0.16 0.065 n (g-1) 2.6 x 1014 3.3 x 1013 2.1 x 1012 2.6 x 1011 3.3 x 1010 2.1 x 109 2.6 x 108 3.3 x 107 2.1 x 106
*l : Persentase volume droplet yang terisi oleh volume lapisan antarmukar (Qm) 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 *l (%) H = 2 nm 5.77 2.94 1.19 0.60 0.30 0.12 0.06 0.03 0.01 *l (%) *l (%) H = 5 nm H = 10 nm 13.62 7.14 2.94 1.49 0.75 0.30 0.15 0.07 0.03 24.87 13.62 5.77 2.94 1.49 0.60 0.30 0.15 0.06
H : Tebal lapisan antarmuka
Pengaruh ukuran droplet minyak/air terhadap waktu yang diperlukan molekul kecil untuk terdifusi keluar dari dropletRadius (Qm) (Q 0.1 0.5 1 5 10 50 Half-time (s) Half6.6 x 10-7 1.6 x 10-5 6.6 x 10-5 1.6 x 10-3 6.6 x 10-3 1.6 x 10-1
Stabilisasi emulsi dengan emulsifier Tegangan antar muka Interaksi ionik Partikel halus Makromolekul
Tegangan antarmukaDalam bentuk curah Antarmuka caircaircair Ketika terbentuk emulsi
Tegangan antarmuka
Yang sejenis cenderung menjadi satu
Dua fase yang tidak bisa bercampur akan menimbulkan antarmuka MolekulMolekul-molekul dari fase yang sama saling tarik menarik lebih kuat dari pada dengan molekul dari fase yang berbeda Berarti kesatuan fase yang sama cenderung dipertahankan
Contoh DataTegangan PermukaanDengan Udara /mN m-1 Air Etanol Minyak nabati 72 22 34 Dengan Air /mN m-1 0 0 27
Tegangan Antar Permukaan AirAirMinyak (dynes/cm)Jenis MinyakTriolein 1,3-Dioleo1,3-Dioleo-2-palmitin Kacang (screw press) Kacang (solvent extracted) Biji kapas (screw press) Olive Kelapa
25rC 25r14.6 14.5 18.1 18.5 14.9 17.6 12.8
75rC 75r13.5 12.5 -
Interaksi ionikInteraksi netto antara partikel yang terdispersi adalah jumlah dari: gaya tarik van der Waals dan gaya tolak elektrostatik Bila gara tarik > gaya tolak Bila gara tarik < gaya tolak tidak stabil
stabil
Interaksi ionik
Sistem emulsi agar tetap stabil memerlukan kondisi bermuatan netral Surfaktan ionik memberikan lapisan yang bermuatan sehingga keseluruhan permukaan emulsi menjadi netral
Partikel halus
Partikel halus dari silika, garam basa, dan rempah bisa menstabilkan emulsi melalui adsorpsi pada interface Keseimbangan tegangan permukaan antara padatan dan minyak, dan antara padatan dan air
Makromolekul
Protein dan gum membentuk film di permukan butiran teremulsi yang mencegah terjadinya coalescence
Destabilisasi EmulsiSistem emulsi dapat di-destabilisasi dimelalui mekanisme berikut:
Creaming Flocculation Coalescence Ostwald Ripening
Creaming
Selama penyimpanan, adanya perbedaan densitas antara minyak dan air, terdapat kecenderungan fase minyak untuk terkonsentrasi di atas sistem emulsi
Polydisperse vs Monodisperse
Creaming
Bila ada perbedaan densitas, maka dua fase dalam emulsi cenderung akan memisah Minyak lebih kecil densitasnya (~ 0.8) dibandingkan dengan air (1.0 ) Buoyancy force (Hukum Archimedes) Friction force (Hukum Stokes) Gerakan dari droplet 10 berarti lebih hydrophilic HLB < 10 berarti lebih lipophilic HLB 4 s/d 6 sesuai untuk emulsi w/o HLB 8 s/d 18 sesuai untuk emulsi o/w
Emulsifiers: karakteristik kimiaNilai Iodine Nilai keasaman Nilai saponifikasi Sifat asam lemak
Emulsifiers: karakteristik fisik
Bentuk fisik Titik leleh Ukuran partikel Pembawa (carrier) Nilai HLB
Emulsifiers: karakteristik ikatanJenuh Fat base Tidak Jenuh
Rendah
Nilai Iodine
Tinggi
Block Prill Bead Fine powder
Bentuk fisik
Paste Liquid
Tinggi
Titik leleh
Rendah
Kisaran Nilai HLBDi and Monoglyceride Lactylated Monoglyceride PGME / Mono and diglyceride Glycerol Mono-oleate MonoMonoMono-Diglycerides Soaped Mono-Diglyceride MonoSorbitan Monostearate Triglycerol Monostearate Polysorbate 65 Triglycerol Mono-oleate MonoEthoxylated monoglyceride Polysorbate 60 Polysorbate 80 2.1 2.4 2.6 3.3 4.0 5-6 4.2 4.7 10.5 13.0 13.5 14.9 15.0
Pemilihan Emulsifier
Sistem PIT (phase inversion temperature) Bila suhu meningkat maka gaya hidrofobik menjadi makin kuat Emulsifier yang mudah larut dalam air pada suhu rendah bisa menjadi lebih larut dalam minyak bila suhu dinaikkan Nilai PIT berkorelasi dengan HLB dan stabilitas emulsi
Contoh Emulsifier
Molekul kecilMono dan digliserida Sucrose esters Sorbitan esters Polysorbates (Tween) Stearoyl lactylates Lecithin
Molekul besarProtein (bovine serum albumin, laktoglobulin, ovalbumin)
MonoMono- dan Digliserida
Sangat lipophilic, HLB 1 s/d 10 Diperoleh dari transesterifikasi gliserol dan triasilgliserida Digunakan pada produk bakery, frozen desserts, icings, topping, dan peanut butter
Sucrose esters
Mono- diMono-, di-, dan tri- ester sukrosa dan asam lemak triBiasanya memiliki HLB 7 s/d 13 MonoMono-ester HLB > 16 untuk emulsi o/w Di-ester sesuai untuk emulsi w/o DiTriTri-ester HLB ~ 1
Sorbitan ester
Yang diijinkan untuk makanan hanyalah sorbitan monostearate Diperoleh dari reaksi sorbitol dan asam stearat Dikenal dengan nama komesial SPAN 60 HLB 4,7
Polysorbates
Polyoxyethylene sorbitan esters Diperoleh dari reaksi sorbitan ester dan ethylene oxide Polysorbate 60 (polyoxyethylene sorbitan monostearate / TWEEN 60, HLB 14.9) Polysorbate 80 (polyoxyethylene sorbitan monooleate / TWEEN 80, HLB 15.0)
Stearoyl lactylates
Ionic emulsifier Paling hydrophilic emulsifier Ester asam laktat dan monogliserida dan mengandung Ca atau Na Membentuk ikatan yang kuat dengan gluten Digunakan pada produk bakery
Lecithin
Amphipilic emulsifier Campuran phospholipid Diperoleh secara komersial dari kedelai Bisa dimodifikasi untuk mendapatkan kisaran HLB yang lebar Digunakan pada bakery, chocolate, confectionery products
Aplikasi Emulsifier
MargarineMengapa digunakan emulsifier ? Margarine mengandung 16% air, emulsi w/o, memperbaiki stabilitas emulsi selama penyimpanan Emulsifier yang mana ? MonoMono- dan digliserida dengan asam lemak rantai panjang
Ice CreamMengapa digunakan emulsifier ? Merupakan emulsi o/w, perlu distabilkan dengan emulsifier sebelum pembekuan, selama pembekuan emulsifier mengendalikan destabilisasi emulsi Emulsifier yang mana ? Polysorbate
Aplikasi Emulsifier
Produk bakery Mengapa digunakan emulsifier ? Membantu pencoklatan yang seragam, memperbaiki retensi air, memperbaiki kelembutan Emulsifier yang mana ? Stearoyl lactylatesMengapa digunakan emulsifier pada coklat ? Mengurangi pemakaian cocoa butter, memperbaiki mouthfeel, dan mengurangi kelengketan dengan bahan pengemas Emulsifier yang mana ? Lecithin
Konfeksioneri