ANALISIS KADAR AIR

ANALISIS ZAT GIZI

A.    Analisis Kadar Air

Struktur molekul air disusun oleh sebuah atom oksigen yang berikatan secara kovalen dengan 2 atom hidrogen. Atom O mempunyai muatan negatif dan atom H mempunyai muatan positif menjadikan air bersifat seperti magnet yang mempunyai dua kutub. Kondisi ini menyebabkan air dapat ditarik oleh senyawa lain baik yang bermuatan positif atau bermuatan negatif. Molekul air yang satu dengan yang lain dapat bergabung melalui ikatan hidrogen yang dapat terbentuk melalui tarik menarik antara kutub positif (atom H) molekul air yang satu dengan kutub negatif (atom O) molekul air lain. Satu molekul air dapat membentuk ikatan hidrogen dengan 4 molekul air lainnya. Sebagian besar air dalam bahan pangan berada dalam bentuk “terikat” dengan komponen bahan pangan lainnya.

Terdapat 3 tipe air dalam bahan pangan. Di antaranya adalah sebagai berikut:

a.      Air monolayer (lapisan tunggal)

Air monolayer adalah air yang terikat dalam bahan pangan secara kimia (ikatan hidrogen) atau ikatan ionik dengan komponen bahan pangan (seperti karbohidrat, protein yang mempunyai gugus O). Air tipe ini sulit dihilangkan pada proses pengeringan (sulit melepaskan ikatan) dan dibekukan.

b.      Air multilayer (lapisan banyak)

Air multilayer adalah air yang terikat pada molekul air monolayer. Air tipe ini lebih mudah dihilangkan dengan penguapan atau pengeringan dibandingkan air monolayer.

c.       Air bebas

Air bebas adalah air yang terikat secara fisik dalam matrik komponen bahan pangan. Air tipe ini sangat mudah dikeluarkan dengan proses pengeringan. Adanya air bebas pada bahan pangan memunculkan istilah aw (aktivitas air) yaitu jumlah air bebas yang dapat memfasilitasi pertumbuhan mikroba dan reaksi-reaksi kimia yang mengakibatkan penurunan mutu bahan pangan.

Kandungan air bahan pangan bervariasi. Ada yang sangat rendah contohnya serealia, kacang-kacangan kering. Ada yang sangat tinggi contohnya sayuran, buah-buahan atau pangan segar. Sebagai contoh kadar air kacang kering 3% sedangkan  semangka 97%.

Keberadaan air dalam bahan pangan selalu dihubungkan dengan mutu bahan pangan dan sebagai pengukur bagian bahan kering atau padatan. Air dalam bahan dapat digunakan sebagai indeks kestabilan selama penyimpanan serta penentu mutu organoleptik terutama rasa dan keempukan.

1.      Analisis Kadar Air

Analisa kadar air dalam bahan pangan penting untuk bahan pangan segar dan olahan. Analisa sering menjadi tidak sederhana karena air dalam bahan pangan berada dalam bentuk terikat secara fisik atau kimia dengan komponen bahan pangan lainnya sehingga sulit memecahkan ikatan-ikatan air tersebut. Hal ini mengakibatkan sulit memperoleh ketelitian analisis yang tinggi sehingga berkembanglah berbagai metode analisis air.

Berikut adalah metode analisis kadar air.

a.      Analisis kadar air metode langsung

Analisis kadar air metode langsung dilakukan dengan cara mengeluarkan air dalam bahan pangan dengan bantuan pengeringan oven, desikasi, distilasi, ekstraksi, dan teknik fisikokimia lainnya. Jumlah air dapat diketahui dengan cara penimbangan, pengukuran volume atau cara langsung lainnya. Metode ini mempunyai ketelitian tinggi, namun memerlukan pengerjaan relatif lama dan kebanyakan bersifat manual.

Metode analisis kadar air secara langsung sendiri terbagi menjadi 5 macam, yaitu sebagai berikut.

1)      Metode gravimetri (pengeringan dengan oven)

Dilakukan dengan cara mengeluarkan air dari bahan dengan proses pengeringan dalam oven (oven udara atau oven vakum, hal ini berdasarkan tekanan yang digunakan saat pengeringan).

Ada dua macam metode gravimetri yaitu metode oven udara dan metode vakum.

i.   Metode oven udara

Paling banyak dan sering digunakan. Metode ini didasarkan atas berat yang hilang sehingga sampel seharusnya mempunyai kestabilan panas yang tinggi dan tidak mengandung komponen yang mudah menguap. Air dikeluarkan dari bahan pada tekanan udara (760 mmHg) sehingga air menguap pada suhu 100⁰C yaitu sesuai titik didihnya.

Oven yang digunakan umumnya dipanaskan dengan listrik atau dengan pemanas inframerah yang dilengkapi dengan neraca analitik yang terpasang didalamnya. Analisa kadar air dengan oven berpemanas infrared dapat dilakukan dengan cepat (untuk analisis kadar air rutin), tidak mengakibatkan kenaikan suhu berlebihan pada sampel.

Radiasi infrared mempunyai kekuatan penetrasi yang kuat sehingga air dalam bhan dapat diuapkan pada suhu tidak lebih dari 70⁰C. Pada oven berpemanas listrik, air pada bahan dapat diuapkan pada suhu 100⁰C.

Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi analisa air dengan metode oven yaitu penimbangan contoh/bahan, kondisi oven, pengeringan contoh, dan perlakuan setelah pengeringan.

Beberapa faktor yang mempengaruhi yang berkaitan dengan kondisi oven adalah fluktuasi suhu, kecepatan aliran, serta kelembaban udara dalam oven.

ii. Metode oven vakum

Kelemahan dari pengeringan dengan oven udara diperbaiki dengan metode oven vakum. Pada metode ini, sampel dikeringkan dalam kondisi tekanan rendah (vakum) sehingga air dapat menguap dibawah titik didih normal (100⁰C), misal antara suhu 60-70⁰C. Pada suhu 60-70⁰C tidak terjadi penguraian senyawa dalam sampel selama pengeringan. Untuk analisis sampel bahan pangan yang mengandung gula, khususnya mengandung fruktosa, senyawa ini cenderung mengalami penguraian pada suhu yang lebih tinggi. Tekanan yang digunakan pada metode ini umumnya berkisar antara 25-100 mmHg.

Sebelum dilakukannya pengeringan perlu adanya beberapa persiapan yaitu sebagai berikut.

i.          Penimbangan sampel

Berat sampel ditimbang dan disesuaikan jenis sampel dan kadar air. Sampel kering dengan kadar air kurang dari 10% menggunakan berat sampel 2 g. Sampel banyak mengandung air menggunakan berat sampel mencapai 20 g. Agar diperoleh berat residu kering 1-2 g sehingga kesalahan akibat penimbangan dapat dihindari.

ii.        Perlakuan pendahuluan sampel

Perlakuan pendahuluan berbeda-beda tiap sampel sesuai jenis sampel. Bahan padat dihancurkan dahulu, dapat digiling mencapai kehalusan antara 20-40 mesh. Sampel cair (sari buah, kecap, dll) diuapkan hingga kental baru selanjutnya dikeringkan dalam oven. Produk bakery (cake, roti) dikeringkan dalam ruangan hangat sampai krispi, selanjutnya dihaluskan 20 mesh, lalu dikeringkan dalam oven.

iii.      Cawan

Terbuat dari nikel, baja tahan karat, alumunium, atau porselin. Diameter cawan 5-9 cm, kedalaman 2-3 cm.

iv.      Persilangan oven

Suhu oven dijaga konstan selama pengeringan dengan dilengkapi termostat yang dapat mempertahankan suhu sekitar 0,50C atau kurang

Perbedaan perubahan suhu sekitar 1⁰C memberikan perbedaan kadar air sampai 0,1%. Pengeringan oven vakum menggunakan tekanan 100 mmHg untuk buah-buahan, kacang-kacanagan, lemak, dan minyak. Tekanan 50 mmHg untuk sampel gula dan produk-produk dari gula. Tekanan 25 mmHg untuk biji-bijian, telur, dan produk-produk dari telur.

Analisis kadar air metode oven udara (SNI 01-2891-1992) menggunakan prinsip pengeringan sampel dalam oven udara pada suhu 100-105⁰C sampai diperoleh berat konstan. Berikut prosedur kerja untuk analisis kadar air metode oven udara:

i.        Pengecekan suhu oven

Sebelum oven digunakan untuk analisa kadar air, dilakukan pengecekan suhu oven dengan cara memasukkan termometer yang dikalibrasi ke dalam oven. Tunggu hingga termometer mencapai suhu yang diinginkan (sekitar 5 menit). Lakukan pengecekan suhu oven sebanyak 5 kali. Catat data suhu yang terbaca pada termometer. Selanjutnya itung nilai rata-rata suhu, standar deviasi, dan RSD.

ii.      Tahapan analisis

Pada awal tahap analisis cawan kosong dikeringkan dalam oven selama 15 menit. Dinginkan cawan dalam desikator. Ambil cawan kering dengan penjepit. Timbang cawan kering yang sudah didinginkan. Timbang 1-2 g contoh pada cawan tersebut. Keringkan pada oven suhu 1050C selama 3 jam. Dinginkan dalam desikator. Akukan penimbangan. Ulangi penimbangan hingga diperoleh bobot tetap/konstan ( ≤0,0005 g).

iii.    Perhitungan

·         Kadar air dalam basis basah (bb)

            Kadar air (g/100 g bahan basah) =

·         Kadar air dalam basis kering (bk)

Kadar air (g/100 g bahan kering) =

dengan:

                        W        = berat contoh sebelum dikeringkan (g)

                        W1      = berat cawan kosong dan contoh kering yang sudah

   konstan beratnya (g)

 W2      = berat cawan kosong

Analisis kadar air metode oven vakum (AOAC 925.45,1999) menggunakan prinsip pengeringan sampel dalam oven vakum pada suhu 25-100⁰C sehingga air dapat menguap pada suhu lebih rendah dari 100⁰C, misalnya pada suhu 60-70⁰C. Berikut prosedur kerja untuk analisis kadar air metode oven vakum:

i.      Prosedur kerja

Cawan kosong dikeringkan dalam oven selama 15 menit kemudian didiinginkan dalam desikator. Ambil cawan kering dengan penjepit lalu timbang cawan kering yang sudah didinginkan. Lakukan penimbangan 1-2 g contoh pada cawan tersebut. Keringkan pada oven vakum suhu 70⁰C, 25 mmHg selama 2 jam. Dinginkan dalam desikator lalu timbang. Ulangi penimbangan hingga diperoleh berat tetap/konstan (≤0,0005).

ii.    Perhitungan

·         Kadar air dalam basis basah (bb)

            Kadar air (g/100 g bahan basah) =

·         Kadar air dalam basis kering (bk)

Kadar air (g/100 g bahan kering) =

dimana:

                        W        = berat contoh sebelum dikeringkan (g)

                        W1      = berat cawan kosong dan contoh kering yang sudah

   konstan beratnya (g)

 W2      = berat cawan kosong

2)      Metode distilasi azeotropik

Metode distilasi azeotropik  yang dapat diterapkan ada dua, yaitu  distilasi langsung dan distilasi azeotropik.

i.        Distilasi langsung

Air diuapkan dari pelarut yang imisibel atau tidak dapat bercampur dengan air yang mempunyai titik didih tinggi. Alat yang digunakan adalah alat distilasi. Selama pemanasan, air yang menguap dikondensasi, lalu ditampung dalam gelas ukur dan ditentukan volume airnya untuk mengukur  kadar air.

ii.      Distilasi azeotropik

Air diuapkan bersama-sama dengan pelarut yang sifatnya imisibel pada perbandingan yang tetap. Tiga jenis pelarut yang sering digunakan adalah toluena, xilena (dimetil benzena), dan tetrakloroetilena. Toluena paling banyak digunakan. Toluena dan xilena memiliki berat jenis lebih rendah dari air, berat jenis toluena 0,866 g/ml, xilena 0,866-0,87 g/ml. Tetrakloroetilena mempunyai berat jenis lebih tinggi dari air 1,62 g/ml.

Penggunaaan pelarut yang mempunyai berat jenis lebih ringan dari air bertujuan agar air berada di bagian bawah gelas penampung sehingga pengukuran volume lebih mudah.  Penggunaan pelarut dengan berat jenis lebih tinggi akan menyulitkan pengukuran volume air (akan terbentuk dua meniskus sehingga ketelitian data kurang).

Pada kondisi biasa, titik didih air dan toluen akan bersama-sama menguap pada suhu 85⁰C dengan perbandingan air toluen = 20:80. Uap air dan pelarut dikondensasi, oleh karena air dan toluen tidak dapat bercampur maka setelah kondensasi air dan toluen akan terpisah sehingga volume air dapat ditentukan.

Keuntungan metode ini adalah kadar air ditetapkan langsung dan hasil akhir merupakan nilai kadar air yang nyata dan bukan karena kehilangan berat contoh. Hasil lebih teliti dibandingkan metode pengeringan oven karena jumlah contoh lebih banyak. Waktu analisis singkat (0,5-1 jam), peralatan sederhana dan mudah didapat serta pengaruh kelembaban lingkungan dapat dihindari dan dapat mencegah oksidasi selama pemanasan. Selain itu metode ini memiliki cara pengerjaan sederhana dan mudah ditangani.

Kelemahan metode ini adalah permukaan alat gelas harus selalu bersih dan kering. Senyawa alkohol atau gliserol mungkin terdistilasi bersama air yang dapat mengakibatkan  data yang diperoleh lebih tinggi dari nilai sebenarnya. Pelarut yang digunakan mudah terbakar, sebagian pelarut beracun (misal benzena), serta ketelitian membaca volume air yang terkondensasi terbatas.

Analisis kadar air metode distilasi azeotropik (SNI 01-3181-1992 yang dimodifikasi) memiliki prinsip bahwa penguapan air dari bahan bersama-sama dengan pelarut yang sifatnya imisibel pada suatu perbandingan yang tetap. Uap air dari bahan beserta pelarut dikondensasi kemudian ditampung dalam gelas penampung. Air yang mempunyai berat jenis lebih besar dibandingkan pelarutnya (jika digunakan pelarut dengan berat jenis lebih rendah) akan berada di bagian bawah pelarut sehingga volumenya dapat dengan mudah ditentukan. Berikut adalah prosedur kerja dari metose distilasi azeotropik:

i.        Tahap pengukuran

Keringkan labu didih dan tabung Bidwell-Sterling dalam oven bersuhu 105⁰C dan dinginkan dalam desikator. Timbang 3 gram contoh (Ws). asukkan contoh ke dalam labu didih yang telah dikeringkan dan tambahkan 60-80 ml toluena. Rangkai alat distilasi, labu didih, dan pemanas. Refluks dengan suhu rendah (skala hot plate 4-5) selama 45 menit. Naikkan suhu (skala 8) dan lakukan pemanasan selama 60-90 menit. Baca volume air yang didistilasi (Vs).

ii.      Penetapan faktor distilasi

Keringkan labu didih dan tabung Bidwell-Sterling dalam oven bersuhu 105⁰C dan dinginkan dalam desikator. Masukkan 4 gram air ke dalam labu (W), tambahkan toluena 60-80 ml. Rangkai alat distilasi, labu didih, dan pemanas. Refluks dengan suhu rendah (skala hot plate 4-5) selama 45 menit, lalu naikkan suhu (skala 8) dan lakukan pemanasan selama 60-90 menit. Baca volume air yang didistilasi (V).

iii.    Perhitungan

·         Kadar air bahan

Kadar air =

Ws= berat contoh (g)

Vs= volume air yang didistilasi dari contoh (ml)

FD= faktor distilasi (g/ml)

·         Faktor distilasi (FD) dihitung dengan rumus:

W= berat air yang akan didistilasi (g)

V= volume air yang terdistilasi (ml)

3)      Metode Karl Fischer

Metode ini digunakan untuk mengukur kadar air contoh dengan metode volumetri berdasarkan prinsip titrasi. Titran yang digunakan adalah  pereaksi Karl Fischer (campuran iodin, sulfur dioksida, dan pridin dalam larutan metanol). Pereaksi karl fischer pada metode ini sangat tidak stabil dan peka terhadap uap air oleh karena itu sebelum digunakan pereaksi harus selalu distandarisasi.

Selama proses titrasi terjadi reaksi reduksi iodin oleh sulfur dioksida dengan adanya air. Reaksi reduksi iodin akan berlangsung sampai air habis yang ditunjukka munculnya warna coklat akibat kelebihan iodin. Penentuan titik akhir titrasi sulit dilakukan karena kadang-kadang perubahan warna yang terjadi tidak terlalu jelas.

Pereaksi karl fischer sangat sensitif terhadap air. Sehingga metode ini dapat diaplikasikan untuk analisis kadar air bahan pangan yang mempunyai kandungan air sangat rendah (seperti minyak/lemak, gula, madu, dan bahan kering). Metode Karl Fischer juga dapat digunakan untuk mengukur kadar air konsentrasi 1 ppm.

4)      Metode desikasi kimia

Dengan bantuan bahan kimia yang mempunyai kemampuan menyerap air tinggi, seperti: fosfor pentaoksida (P₂O₅), barium monoksida (BaO), magnesium perklorat (MgCl₃), kalsium klorida anhidrous (CaCl₂), dan asam sulfat (H₂SO₄) pekat. Senyawa P₂O₅, BaO, dan MgClO₃ merupakan bahan kimia yang direkomendasi oleh AOAC (1999).

Metode analisis ini cukup sederhana. Contoh yang akan dianalisis ditempatkan pada cawan kemudian diletakkan dalam desikator. Bahan pengering ditaburkan atau dituangkan pada alas desikator. Proses pengeringan berangsung pada suhu kamar sampai berat konstan/tetap. Untuk mencapai berat konstan dibutuhkan waktu lama dan keseimbangan kadar airnya tergantung pada reaktivitas kimia komponen dalam contoh tersebut terhadap air.

Metode ini sangat sesuai untuk bahan yang mengandung senyawa volatil (mudah menguap) tinggi, seperti rempah-rempah. Penggunaan suhu kamar dapat mencegah hilangnya senyawa menguap selama pengeringan.

5)      Metode Termogravimetri

Metode ini dilakukan dengan cara mengeluarkan air dari bahan dengan bantuan panas. Perubahan berat (karena hilangnya air dari bahan selama pemanasan) dicatat oleh neraca termal (thermobalance) secara otomatis sebagai fungsi dari waktu dan suhu. Diperoleh kurva perubahan berat selama pemanasan untuk suatu program suhu tertentu.

Pencatatan berlangsung sampai bahan mencapai berat konstan/tetap. Penimbangan dilakukan secara otomatis di dalam alat pengering dan  kesalahan akibat penimbangan sangat kecil. Analisis dilakukan dalam waktu yang singkat. Jumlah sampel yang digunakan hanya sedikit yaitu berkisar mg sampai 1 gram. Kurva perubahan berat air selama pengeringan dapat menunjukkan sifat fisiko kimia tentang gaya yang mengikat air pada komponen di dalam contoh serta data kinetik dari proses pengeringan.

b.      Analisis kadar air metode tidak langsung

Metode ini dilakukan tanpa mengeluarkan air dari bahan dan tidak meusak bahan sehingga pengukuran tidak bersifat merusak (tidak dekstruktif). Waktu pengukuran dilakukan dengan cepat dan dimungkinkan untuk menjadikan kontinyu dan otomatik. Metode ini merupakan penerapan untuk mengontrol proses-proses di industri.

Metode yang banyak diterapkan adalah sebagai berikut:

1)      Metode listrik-elektronika (konduktivitas DC-AC dan konstanta dielektrik)

Metode ini didasarkan pada pengukuran tahanan yang ditimbulkan dari bahan yang mengandung air. Analisis dilakukan dengan cara menempatkan sejumlah contoh di dalam wadah kecil di antara sua elektroda, selanjutnya arus listrik  yang melewati contoh diukur berdasarkan tahanan listriknya.

2)      Penyerapan gelombang mikro

Hal ini didasarkan pada pengukuran penyerapan energi gelombang mikro oleh molekul air dalam bahan. Molekul air yang mempunyai dua kutub akan menyerap beberapa ribu kali lebih banyak energi gelombang mikro dibandingkan bahan kering dalam volume yang sama. Gelombang mikro dengan frekuensi 9-10 GHz dapat digunakan untuk memantau kadar air bahan berkadar air rendah, padatan atau cairan. Peralatan utamanya adalah dua buah antena yang berfungsi sebagai pemancar dan penerima gelombang. Pengukuran dilakukan dengan cara bahan ditempatkan diantara ke dua antena tanpa menyentuh antena.

3)      Penyerapan sonik dan ultrasonik

Hal ini dilakukan berdasarkan kemampuan molekul air dalam menyerap energi sonik dan ultrasonik. Derajat penyerapannya tergantung pada jumlah air yang terdapat dalam bahan. Pengukuran dilakukan dengan cara bahan ditempatkan diantara generator energi (sebagai pensuplai energi sonik dan ultrasonik) dan mikrofon sebagai penerima. Energi yang diterima selanjutnya diperkuat sehingga terbaca pada voltmeter dan selanjutnya data diubah menjadi data kadar air.

4)      Metode spektroskopi (inframerah dan NMR)

Metode spektroskopi inframerah didasarkan pada pembentukan spektrum penyerapan inframerah yang sangat spesifik oleh molekul air yang terdapat pada bahan (padat atau cairan). Pita-pita penyerapan inframerah oleh molekul air terjadi pada panjang gelombang 0,76; 0,97; 1,16; 1,45; dan 1,94 µm. Intensitas penyerapan sinar inframerah berbanding lurus dengan kadar air.

Penentuan kadar air dilakukan dengan membandingkan penyerapan energi pada panjang gelombang tersebut dengan kadar air standar yang sebelumnya sudah ditentkan dengan metode langsung. Metode ini sangat sensitif untuk bahan yang mengandung air sangat rendah sampai sekitar 0,05%. Metode ini banyak digunakan untuk mengukur kadar air biji-bijian dan produk tepung. Selain itu metode ini relatif mahal untuk digunakan pada penelitian. Industri besar tepung gandum dan kedelai menggunakan metode ini untuk mengontrol kadar air proses produksi.

Sedangkan metode spektroskopi NMR didasarkan pada sifat-sifat nuklir dari atom-atom hidrogen dalam molekul air. Perputaran atom hidrogen dalam molekul air yang berbeda dengan perputaran atom hidrogen dalam molekul lain dapat diidentifikasi yang selanjutnya dapat dijadikan sebagai parameter pengukuran kadar air. Metode ini dapat mengukur kadar air bahan dari kisaran 5-100%. Analisis berlangsung cepat, tidak menggunakan suhu tinggi, tidak destruktif, dapat mengukur air terikat berbeda sifatnya dengan air bebas). Pengerjaan mahal, cukup rumit, tidak cocok untuk analisis bahan yang mengandung lemak/minyak tinggi.