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