Air dalam Tinjauan Kimia Pangan

Air merupakan bahan yang begitu penting bagi kehidupan manusia. Fungsinya tidak tergantikan oleh senyawa lain. Air memiliki fungsi yang tidak tergantikan oleh senyawa lain, karena merupakan komponen penting dalam bahan makanan karena air dapat mempengaruhi penampakan, tekstur, serta cita rasa makanan kita. Bahkan dalam bahan makanan yang kering sekalipun, seperti buah kering, tepung, serta biji-bijian, terkandung air dalam jumlah tertentu.

Semua bahan makanan mengandung air dalam jumlah yang berbeda-beda, baik itu bahan makanan hewani maupun nabati. Air berperan sebagai pembawa zat-zat makanan dan sisa-sisa metabolisme, sebagai media reaksi yang menstabilkan pembentukan biopolimer, dan sebagainya.

Bahan pangan kita, baik yang berupa sayuran, buah, daging, maupun susu, telah banyak berjasa dalam memenuhi kebutuhan air manusia. Buah mentah yang menjadi matang selalu bertambah kandungan airnya, misalnya calon buah apel hanya mengandung 10% air akan dapat menghasilkan buah apel yang kadar airnya 80%; nenas mempunyai 87%, dan tomat 95%. Buah yang paling banyak kandungan airnya adalah semangka dengan kadar air 97%.

Kandungan air dalam bahan makanan ikut menentukan acceptability, kesegaran, dan daya tahan bahan itu. Selain merupakan bagian dari suatu bahan makanan, air merupakan pencuci yang baik bagi bahan makanan tersebut atau alat-alat yang akan digunakan dalam pengolahannya. Sebagian besar dari perubahan-perubahan bahan makanan terjadi dalam media air yang ditambahkan atau berasal dari bahan itu sendiri.

Bila badan manusia hidup dianalisis komposisi kimianya, makan akan diketahui bahwa kandungan airnya rata-rata 65% atau sekitar 47 liter per orang dewasa. Setiap hari sekitar 2,5 liter harus diganti dengan air yang baru. Diperkirakan dari sejumlah air yang harus diganti, 1,5 liter berasal dari air minum dan sekitar 1 liter berasal dari bahan makanan yang dikonsumsi. Dalam keadaan kesulitan bahan pangan dan air, manusia mungkin dapat tahan hidup tanpa makan selama lebih dari dari 2 bulan, tetapi tanpa minum ia akan meninggal kurang dari seminggu.

Kandungan air beberapa bahan makanan yang umum menunjukkan bahwa banyaknya air dalam suatu bahan tidak ditentukan dari keadaan fisik bahan tersebut. Misalnya buah nenas seakan-akan mempunyai kandungan air yang lebih besar dari kol, kandungan air pada susu lebih besar dari kacang hijau, sedangkan susu bubuk dan terigu sekan-akan tidak mengandung air.

Kimia Air
Sebuah molekul air terdiri dari sebuah atom oksigen yang berikatan kovalen dengan dua atom hidrogen. Hidrogen dan oksigen mempunyai daya padu yang sangat besar antara keduanya. Keunikan air terjadi berkat ikatan pemadu kedua unsurnya. Perangkaian jarak atom-atomnya mirip kunci yang masuk lubangnya, kecocokannya begitu sempurna, sehingga air tergolong senyawa alam yang paling mantap. Semua atom dalam molekul air terjalin menjadi satu oleh ikatan yang kuat, yang hanya dapat dipecahkan oleh perantara yang paling agresif, misalnya energi listrik atau zat kimia seperti logam kalium.


Sebuah atom oksigen mempunyai sebuah inti dengan delapan proton; kulit elektron bagian dalam berisi dua elektron dan sebuah kulit elektron luar hanya berisi enam elektron, jadi masih belum penuh atau masih kekurangan dua elektron. Sedang sebuah atom hidrogen mempunyai kulit elektron tunggal di sekeliling intinya, yang berisi hanya satu elektron, jadi masih belum penuh atau kekurangan satu elektron. Kulit yang belum terisi penuh tersebut tidak mantap dan elektron-elektronnya cepat bergabung dengan elektron lain untuk memenuhi ruang suatu kulit. Kulit yang telah terisi penuh merupakan bentuk yang mantap, dan setelah hal itu terjadi, maka akan dilawannya setiap usaha pemisahan.

Ikatan Kovalen dan Ikatan Antarmolekul Air
Dalam sebuah molekul air dua buah atom hidrogen berikatan dengan sebuah atom oksigen melalui dua ikatan kovalen, yang masing-masing mempunyai energi sebesar 110,2 kkal per mol. Ikatan kovalen tersebut merupakan dasar bagi sifat yang penting, misalnya kebolehan air sebagai pelarut.

Bila dua atom hidrogen bersenyawa dengan sebuah atom oksigen, maka molekul tersebut menghasilkan molekul yang berat sebelah, dengan kedua atom hidrogen melekat di satu atom oksigen dengan sudur 104,5o antar keduanya. Posisi tersebut mirip dengan dua telinga pada kepala kelinci. Akibat perbedaan elektronegativitas antara hidrogen dan oksigen, sisi hidrogen molekul air bermuatan positif sedang pada sisi oksigen bermuatan negatif.

Sebuah molekul air dapat digambarkan sebagai menempati pusat dari sebuah tetrahedron, suatu benda ruang dengan 4 sisi yang masing-masing sisinya merupakan segi tiga sama sisi. Sebuah molekul air dengan kutub-kutub positif dan negatif secara permanen menjadi dwikutub (dipolar), seperti halnya sebatang magnet yang mempunyai kutub berbeda pada kedua ujungnya. Karena itu molekul air dapat ditarik oleh senyawa lain yang bermuatan positif atau yang bermuatan negatif.

Daya tarik menarik di antara kutub positif sebuah molekul air dengan kutub negatif molekul air lainnya menyebabkan terjadinya penggabungan molekul-molekul air melalui ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen jauh lebih lemah daripada ikatan kovalen. Ikatan-ikatan hidrogen mengikat molekul-molekul air lain di sebelahnya dan sifat inilah yang bertanggungjawab terhadap sifat mengalirnya air. Molekul air yang satu dengan molekul air yang lain bergabung dengan suatu ikatan hidrogen antara atom H dengan atom O dari molekul air yang lain.

Kemampuan molekul air membentuk ikatan hidrogen menyebabkan air mempunyai sifat-sifat yang unik. Ikatan hidrogen yang terjadi antara molekul-molekul yang berdampingan mengakibatkan air pada tekanan atmosfer bersifat mengalir (flow) pada suhu 0-1000C. Kelompok-kelompok kecil molekul air bergabung dengan suatu pola tertentu, tapi kelompok-kelompok tersebut bergerak bebas dan menyebabkan terjadinya pertukaran ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen ini tidak hanya mengikat molekul-molekul air satu sama lain, tetapi dapat juga menyebabkan pembentukan hidrat antara air dengan senyawa-senyawa lain yang mempunyai kutub O atau N, seperti senyawa metanol atau karbohidrat yang mempunyai gugus OH (hidroksil).

Es merupakan suatu senyawa yang terdiri dari molekul-molekul H2O (HOH) yang tersusun sedemikian rupa sehingga 1 atom H terletak di satu sisi antara sepasang atom oksigen molekul-molekul air lainnya, membentuk suatu heksagon dan jarak 0 – 0 yang berdampingan sebesar 2,76 A. Ruangan-ruangan dalam kristal es berbentuk sedemikian rupa sehingga membentuk saluran-saluran dalam jumlah yang sangat besar. Karena itulah es mempunyai volume 1/11 kali lebih besar dari bentuk cairannya dan kerapatannya lebih kecil sehingga es dapat mengapung dalam air.

Air dalam Kristal Es
Bila suhu air diturunkan, pelepasan panas akan mengakibatkan pergerakan molekul-molekul air diperlambat dan volumenya mengecil. Bila air didinginkan sampai suhu 4oC, suatu pola baru ikatan hidrogen terbentuk. Volume air sebaliknya mengembang ketika air diturunkan suhunya dari 4oC sampai 0oC. Ketika panas dilepas lagi setelah mencapai 0oC, terjadilah kristal, dan ketika air es berubah menjadi kristal es, volume mendadak mengembang. Es memerlukan ruang 1/11 kali lebih banyak daripada volume pembentuknya, tetapi es bersifat kurang padat bila dibandingkan air, karenanya es terapung ke permukaan air.

Air menjadi Uap
Bila suhu air meningkat, jumlah rata-rata molekul air dalam kerumunan molekul air menurun dan ikatan hidrogen putus dan terbentuk lagi secara cepat. Bila air dipanaskan lebih tinggi lagi sehingga molekul-molekul air bergerak demikian cepat dan tekanan uap air melebihi tekanan atmosfer, beberapa molekul dapat melarikan diri dari permukaan dan menjadi gas. Hal ini terjadi ketika air mendidih pada suhu 100oC pada permukaan laut dengan tekanan barometer 760 mm Hg. Dalam keadaan uap, molekul-molekul air kurang lebih menjadi bebas satu sama lainnya.

Larutan dalam Air
Air berfungsi sebagai bahan yang dapat mendispersikan berbagai senyawa yang ada dalam bahan makanan. Untuk beberapa bahan berfungsi sebagai pelarut. Air dapat melarutkan berbagai bahan seperti garam, vitamin yang larut air, mineral, dan senyawa-senyawa cita rasa seperti yang terkandung dalam teh dan kopi.
Larutan dalam air dapat digolongkan menjadi dua jenis yaitu yang ionik maupun yang molekuler. Pada bahan kristal sama seperti halnya garam dapur (NaCl). Atom Na mendonasikan satu elektron yang berada di lapisan luar kepada atom klorida yang kekurangan satu elektron pada lapisan luarnya sehingga menghasilkan ion Na+ dan ion Cl-. Dalam kristal NaCl, kedua ion tersebut saling terikat dengan daya tarik yang elektrostatik. Molekul-molekul air dapat mengurangi daya tarik-menarik antara Na dan Cl sedemikian rupa sehingga tinggal 1% saja dari daya tarik yang terdapat dalam kristal NaCl. Ion-ion tersebut kemudian terhidrasi dan diungsikan oleh molekul-molekul air, demikian seterusnya sehingga terjadilah larutan garam.

Keadaan yang sama terjadi pada basa maupun asam seperti halnya garam molekul-molekul atau ion-ion di dalam larutan disebut bahan terlarut (solute) dan cairan dimana bahan tersebut terlarut disebut pelarut (solvent).

Molekul-molekul berbagai senyawa dalam makanan terikat satu sama lain melalui ikatan hidrogen, contohnya: molekul gula. Bila sebuah kristal gula melarut, molekul-molekul air bergabung secara ikatan hidrogen pada gugus polar molekul air yang mula-mula terikat pada lapisan pertama ternyata tidak dapat bergerak, tetapi selanjutnya molekul-molekul gula akhirnya dikelilingi oleh lapisan air dan melepaskan diri dari kristal.

Pemanasan air dapat mengurangi daya tarik-menarik antara molekul-molekul air dan memberikan cukup energi kepada molekul-molekul air itu sehingga dapat mengatasi daya tarik antar molekul gula. Karena itu daya kelarutan pada bahan yang melibatkan ikatan hidrogen seperti pada gula, akan meningkat dengan meningkatnya suhu. Karena itu, gula lebih mudah larut dalam air panas daripada dalam air dingin.

Dispersi
Beberapa bahan kimia dalam makanan tidak dapat membentuk suatu larutan, tetapi hanya terdispersi dalam air. Kelompok senyawa tersebut membentuk dispersi koloidal. Perbedaan antara larutan murni dan dispersi koloidal terletak dalam ukuran molekul dan partikel yang terlibat dan juga luas relatif permukaannya.
Dalam bentuk dispersi koloidal, partikel-partikel yang ada dalam air bentuknya tidak begitu besar sehingga tidak dapat mengendap, tetapi juga tidak cukup kecil untuk dapat membentuk larutan. Protein biasanya termasuk senyawa yang membentuk dispersi koloidal. Gelatin misalnya, merupakan suatu protein yang bila ditambah air panas akan membentuk dispersi koloidal. Berbagai jenis dispersi koloidal bersifat tidak stabil karena ukurannya besar. Penggumpalan susu misalnya, disebabkan ketidakstabilan kasein yang terdispersi koloidal.

Suspensi merupakan suatu jenis dispersi. Dalam suspensi partikel-partikel bahan tersebut berbentuk begitu kompleks sehingga tidak dapat larut dan juga tidak dapat membentuk koloid. Salah satu contoh adalah pati dalam air dingin. Bila pati jagung digunakan untuk mengentalkan puding, pati tersebut disuspensikan dalam cairan dingin dan suspensinya diaduk dan dipanaskan sampai pati membengkak sehingg tetap dalam puding.

Air dalam Bahan Makanan
Sampai sekarang belum diperoleh suatu istilah yang tepat untuk air yang terdapat dalam bahan makanan. Istilah yang umumnya dipakai hingga sekarang ini adalah “air terikat” (bound water). Walaupun sebenarnya istilah ini kurang tepat, karena keterikatan air dalam bahan berbeda-beda, bahkan ada yang tidak terikat. Karena itu, istilah “air terikat” ini dianggap sebagai suatu sistem yang mencakup air yang mempunyai derajat keterikatan berbeda-beda dalam bahan. Menurut derajat keterikatan air, air terikat dapat dibagi atas empat tipe:

Tipe I, adalah molekul air yang terikat pada molekul-molekul lain melalui suatu ikatan hidrogen yang berenergi besar. Molekul air membentuk hidrat dengan molekul-molekul lain yang mengandung atom-atom O dan N seperti karbohidrat, protein atau garam. Air tipe ini tidak dapat membeku pada proses pembekuan, tetapi sebagian air ini dapat dihilangkan dengan cara pengeringan biasa. Air tipe ini terikat kuat dan sering kali air terikat dalam arti sebenarnya.

Derajat pengikatan air sedemikian rupa sehingga reaksi-reaksi yang terjadi sangat lambat dan tdak terukur. Reaksi yang nyata dalam bahan makanan adalah peningkatan oksidasi lemak bila setalah air tipe I, air terikat lagi membentuk air tipe II.

Oksidasi lemak akan meningkat pada daerah II karena keaktifan katalis meningkat dengan adanya pengembangan volume akibat penyerapan air. Tipe II, yaitu molekul-molekul air membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air lain, terdapat dalam mikrokapiler dan sifatnya agak berbeda dari air murni. Air jenis ini lebih sukar dihilangkan dan penghilangan air tipe II akan mengakibatkan penurunan aw (water activity). Bila sebagian air tipe II dihilangkan, pertumbuhan mikroba dan reaksi-reaksi kimia yang bersifat merusak bahan makanan seperti reaksi browning, hidrolisis, atau oksidasi lemak akan dikurangi. Jika air tipe II dihilangkan seluruhnya, kadar air bahan akan berkisar antara 3 – 7%, dan kestabilan optimum bahan makanan akan tercapai, kecuali pada produk-produk yang dapat mengalami oksidasi akibat adanya kandungan lemak tidak jenuh.

Tipe III, adalah air yang secara fisik terikat dalam jaringan matriks bahan seperti membran, kapiler, serat, dan lain-lain. Air tipe III inilah yang sering kali disebut dengan air bebas. Air tipe ini mudah diuapkan dan dapat dimanfaatkan untuk pertumbuhan mikroba dan media bagi reaksi-reaksi kimiawi. Apabila air tipe III ini diuapkan seluruhnya, kandungan air bahan berkisar antara 12-25% dengan aw (water activity) kira-kira 0,8 tergantung dari jenis bahan dan suhu.

Tipe IV, adalah air yang tidak terikat dalam jaringan suatu bahan atau air murni, dengan sifat-sifat air biasa dan keaktifan penuh.

Selain tipe-tipe air seperti yang disebutkan di atas, beberapa penulis membedakan pula air imbisisi dan air kristal. Air imbisisi merupakan air yang masuk dalam bahan pangan dan akan menyebabkan pengembangan volume, tetapi air ini tidak merupakan komponen penyusun bahan tersebut. Misalnya air dengan beras bila dipanaskan akan membentuk nasi, atau pembentukan gel dari bahan pati. Air kristal adalah air terikat dalam semua bahan, baik pangan maupun nonpangan yang berbentuk kristal, seperti gula, garam, CuSO4, dan lain-lain.

Kandungan air dalam bahan makanan mempengaruhi daya tahan bahan makanan terhadap serangan mikroba yang dinyatakan dengan aw yaitu jumlah air bebas yang dapat digunakan oleh mikroorganisme untuk pertumbuhannya. Berbagai mikroorganisme mempunyai alminimum agar dapat tumbuh dengan baik, misalnya bakteri aw: 0,90; khamir aw: 0,80 – 0,90; kapang aw: 0,60 – 0,70. Hubungan antara aw dengan kandungan air per gram suatu bahan makanan disebut isoterm sorpsi air. pada bahan pangan isoterm sorpsi air dapat menggambarkan kandungan air yang dimiliki bahan tersebut sebagai keadaan kelembaban relatif ruang tempat penyimpanan.

Isoterm sorpsi air bahan pangan dapat diperoleh dengan dua cara. Cara pertama: bahan makanan dengan kadar air yang diketahui dibiarkan mencapai kesetimbangan dengan sisa ruang dalam wadah tertentu yang tertutup sangat rapat. Tekanan uap parsial uap airnya diukur dengan manometer, atau RH dari sisa ruang tersebut diukur dengan higrometer listrik, point cells, atau psikrometer rambut. Dengan demikian kita mendapatkan data hubungan kadar air dengan RH dalam keadaan kesetimbangan atau dengan aw dari bahan makanan (RH = aw X 100). Cara kedua dilakukan sebagai berikut: sampel dalam jumlah kecil diletakkan pada beberapa ruangan yang tetap RH-nya (misalnya dalam desikator yang mengandung larutan garam jenuh seperti litium klorida untuk RH sekitar 11%, MgCl2 untuk RH sekitar 32%, NaCl untuk RH 75%, dan kalium sufat untuk RH 97%). Setelah kesetimbangan tercapai, kadar air bahan kemudian diukur secara gravimetris atau cara lain. Dengan demikian kita mendapatkan hubungan antara kadar air bahan dan RH dalam keadaan keseimbangan.

Untuk memperpanjang daya tahan suatu bahan, sebagian air dalam bahan harus dihilangkan dengan beberapa cara tergantung dari jenis bahan. Umumnya dilakukan pengeringan, baik dengan penjemuran atau dengan alat pengering buatan, seperti penjemuran padi, ikan asin, pembuatan dendeng. Pada bahan yang berkadar air tinggi, susu misalnya, dilakukan evaporasi atau penguapan. Pembuatan susu kental pada prinsipnya adalah mengurangi kadar air dengan cara dehidrasi.

Pada pengeringan bahan makanan ini, terdapat 2 tingkat kecepatan penghilang air. Pada awal pengeringan, kecepatan jumlah air yang hilang persatuan waktu tetap, kemudian akan terjadi penurunan kecepatan penghilangan air persatuan waktu. Hal ini berhubungan dengan jenis air yang terikat dalam bahan.

Penutup
Demikianlah saduran tema awal dari buku “Kimia Pangan dan Gizi” karya F.G. Winarno ini. Semoga beliau selalu diberkati oleh yang Maha Kuasa.

Disalin di kamar Kontrakanku, Kapuk Kemal Raya, Cengkareng Timur
14 Februari 2011


CB Blogger