Dokumen tersebut membahas tentang pentingnya air bagi manusia dan bahan pangan, struktur molekul air dan es, sifat fisik dan kimia air, peran air dalam bahan pangan, aktivitas air, dan pengawetan pangan dengan pengendalian kadar air.

1. AIR
KIMIA PANGAN
Program studi Ilmu dan Teknologi Pangan
Universitas Sebelas Maret (UNS) Surakarta
Dosen :
Danar Praseptiangga, S.TP., M.Sc., Ph.D.

2. Pendahuluan
• Arti penting air bagi manusia
• pembawa oksigen, nutrisi, hasil
metabolisme
• media reaksi metabolisme tubuh
• Arti penting air bagi bahan pangan
• menentukan bentuk, kenampakan,
kesegaran, cita rasa
• menentukan daya simpan
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

3. Batasan
• Air
suatu molekul yang terdiri dari 1 atom O
dan 2 atom H yang saling berikatan secara kovalen
(atom-atom mengadakan ikatan saling memberikan
elektron untuk dipergunakan bersama, sehingga
diperoleh susunan elektron seperti gas mulia)
• Es
molekul air yang tersusun sedemikian rupa
sehingga 1 atom H dari suatu molekul air terletak
di antara atom O molekul yang lainnya sehingga
membentuk suatu ‘heksagonal simetris’
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

4. Struktur Molekul Air
• Molekul air terdiri atas 1 atom O dan 2 atom H
yang berikatan secara kovalen, ikatan ini
terbentuk sebagai akibat pemakaian elektron
bersama di mana atom H memiliki 1 elektron pada
kulit terluar, sedang atom O memiliki 6 elektron
pada kulit terluar
• Atom O pada kulit terluar memerlukan 8 elektron
dan atom H memerlukan 2 elektron 1 atom O
memerlukan 2 elektron dari 2 atom H sehingga 2
elektron dapat dipakai secara bersama-sama oleh
1 atom O dan 2 atom H
• Dalam 1 molekul air terdapat 2 ikatan kovalen
yang terbentuk antara 1 atom O dan 2 atom H
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

5. Struktur Molekul Air
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

6. Struktur Molekul Air
• Posisi pemakaian elektron menyebabkan molekul
air berbentuk seperti ‘kepala kelinci’ dengan dua
telinga di mana atom O sebagai kepala, dan atom
H sebagai telinganya. Apabila dari inti atom O
ditarik garis lurus ke kedua inti H terbentuk
sudut 104’45’ (105º)
• Akibat lain dari pemakaian elektron bersama ini
adalah terjadinya polarisasi molekul air di mana
pada atom O cenderung bermuatan negatif dan
pada daerah atom H cenderung bermuatan positif,
karena itu molekul air dapat berikatan dengan
molekul lain yang bermuatan negatif maupun
positif
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

7. Sifat Fisik dan Kimia Air
• Sifat fisik dan kimia air antara lain :
• Cohesion
kecenderungan molekul air untuk saling
melekat satu sama lain
• Adhesion
kecenderungan molekul air untuk melekat
dengan molekul lain
• Capillarity
kemampuan bahan cair untuk bergerak ke
atas dalam kolom/diameter yang sempit (merupakan
gabungan kedua sifat di atas ‘capillary adhesion’)
• Surface tension
kecenderungan molekul air untuk
saling tarik-manarik, tetapi tidak terjadi saling tarik
dengan udara (tolak-menolak antara air dengan udara)
• Specific heat
jumlah panas yang dibutuhkan untuk
menaikkan suhu air pada volume tertentu (akibat adanya
ikatan hidrogen, specific heat air besar)
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

8. Sifat Fisik dan Kimia Air
• Sifat kimia air yang menonjol
kemampuannya
dalam melarutkan bahan lain yang bersifat polar
• Hal ini disebabkan oleh adanya ikatan hidrogen
(ikatan yang terjadi antara hidrogen dengan
unsur-unsur yang elektronegatifitasnya tinggi
misalnya F, O, dan N pada molekul yang terpisah)
baik antar molekul-molekul air maupun molekul air
dengan bahan lain
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

9. Air Dalam Bahan Pangan
• Keberadaan air dalam bahan pangan dapat dibagi
sebagai berikut:
1.) Air bebas; yaitu air yang terdapat dalam
sitoplasma, ruang antar sel, dan semua air yang
terlibat dalam proses sirkulasi dalam jaringan
bahan, berpengaruh terhadap proses kerusakan
bahan pangan melalui reaksi enzimatik, proses
mikrobiologis, biokimiawi, membeku pada suhu 0ºC
dan mudah teruapkan pada 71ºC
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

10. Air Dalam Bahan Pangan
2.) Air terikat ; yaitu air yang terdapat di sekitar bahan yang
terlarut maupun bahan yang bukan bersifat cairan dan
menunjukkan mobilitas molekuler yang lebih rendah
dibandingkan jenis air yang lain dalam sistem yang sama
(Fennema, 1985), sedangkan Meyer (1973) berpendapat
bahwa air terikat terbagi menjadi dua jenis yaitu, air terikat
kuat (air yang berikatan secara kuat pada suatu bahan dan
membentuk hidrat dengan bahan tersebut, sukar diuapkan dan
tidak membeku pada suhu 0ºF) dan air terikat lemah (air yang
teradsorpsi pada permukaan makromolekul, juga terdispersi
di antara makromolekul sebagai pelarut dalam sel).
Namun, air terikat (bound water) ini secara terminologis
memiliki keterbatasan dan sukar didefinisikannya sehingga
belum ada konsensus yang terbaik dari beberapa pendapat
yang ada (Fennema, 2008)
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

11. Air Dalam Bahan Pangan
• Menurut derajat keterikatan air, air terikat dapat
dibagi atas empat tipe, yaitu tipe I (berikatan sangat
kuat, membentuk hidrat, tidak membeku pada proses
pembekuan), tipe II (membentuk ikatan hidrogen
dengan molekul air lain, terdapat dalam mikrokapiler,
memiliki sifat seperti air bebas) tipe III (secara fisik
terikat dalam jaringan matriks bahan seperti membran,
mudah diuapkan dan dapat dimanfaatkan untuk
pertumbuhan mikrobia dan sebagai media reaksi kimia
dan biokimia), tipe IV ( tidak terikat dalam jaringan)
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

12. Air Dalam Bahan Pangan
3.) Air imbibisi; yaitu air yang berasal dari luar
bahan yang kemudian masuk ke dalam bahan dan
akan menyebabkan pengembangan volume, tetapi air
ini tidak merupakan penyusun bahan tersebut. Air
tersebut berikatan dengan komponen bahan melalui
ikatan hidrogen
4.) Air kristal; yaitu air yang terikat dalam semua
bahan (pangan maupun non pangan yang berbentuk
kristal)
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

13. Air Dalam Bahan Pangan
• Penambahan bahan ke dalam air akan
mempengaruhi sifat-sifat air maupun bahan yang
ditambahkan itu sendiri. Bahan yang bersifat
‘suka terhadap air’ (hydrophilic) akan berinteraksi
secara kuat dengan air melalui interaksi ion-dipole
atau dipole-dipole. Jika bahan yang ditambahkan
bersifat ‘tidak suka terhadap air’ (hydrophobic)
maka bahan tersebut akan berinteraksi (secara
lemah) melalui ikatan hydrophobic
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

14. Air Dalam Bahan Pangan
• Dalam membicarakan interaksi bahan dengan air maka
perlu dipahami beberapa istilah seperti :
hidrasi (hydration)
air terikat (bound water)
kemampuan mengikat air (water holding capacity)
• Pengertian water binding dan hidrasi hampir sama di
mana keduanya menunjukkan kecenderungan air untuk
bergabung dengan bahan yang bersifat hydrophilic
• Tingkat kekuatan hidrasi maupun water binding
tergantung pada beberapa faktor antara lain
komposisi garam, pH, dan suhu
• Sedang, istilah water-holding capacity menunjukkan
kemampuan makromolekul dalam jaringan bahan untuk
mengikat/memerangkap air
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

15. Aktifitas Air
• Ada hubungan antara kadar air dalam bahan
pangan dengan kecepatan kerusakannya
• Bahan pangan menjadi lebih awet apabila sebagian
kandungan airnya dihilangkan melalui pengeringan
• Namun, kemudian diketahui bahwa bahan pangan
yang memiliki kadar air yang sama belum tentu
memiliki kecepatan kerusakan yang sama pula
dengan demikian kadar air saja belum cukup untuk
indikator mudah rusaknya suatu bahan pangan
• Hal ini disebabkan oleh adanya faktor lain yang
berpengaruh yaitu keterikatan antara molekul air
dengan substansi lain dalam bahan
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

16. Aktifitas Air
• Air yang terikat kuat ini tidak bisa digunakan oleh
mikrobia untuk pertumbuhan maupun untuk melakukan
aktifitas yang merusak bahan pangan. Dengan demikian
timbullah konsep “aktifitas air” (Aw)
• Aktifitas air didefinisikan sebagai tingkat kadar air di
mana mikrobia dapat melakukan aktifitas dan
pertumbuhannya atau dengan kata lain dapat
didefinisikan menunjukkan jumlah air bebas yang
dibutuhkan mikrobia untuk melakukan pertumbuhan
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

17. Aktifitas Air
• Aw = p/po;
di mana ‘p’ adalah tekanan parsial air di permukaan bahan
(tekanan uap larutan) dan ‘po’ adalah tekanan uap air murni
pada suhu yang sama (tekanan uap pelarut, biasanya air)
• Aw = ERH/100
ERH = Aw x 100 ( di mana ERH: equilibrium relative humidity,
kelembaban relatif pada saat terjadinya kesetimbangan
antara kondisi di dalam dengan di luar bahan)
mis: ERH =95%
Aw : 0,95
RH
ERH
t
awal
Kesetimbangan
(ERH)
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

18. Aktifitas Air
• Basic :
Air bebas >>
Air bebas <<
Aw >>
Aw <<
keawetan <<
keawetan >>
• Meskipun Aw lebih baik dipergunakan sebagai
indikator tingkat mudah rusaknya bahan pangan
dibandingkan dengan kadar air, akan tetapi masih ada
beberapa faktor lain yang juga berpengaruh dan perlu
diperhatikan dalam kaitannya dengan kerusakan bahan
pangan yaitu oksigen, pH, jenis bahan terlarut maupun
mobilitas air
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

19. Aktifitas Air
• Nilai Aw sangat dipengaruhi suhu
pada suhu
yang semakin rendah tekanan uap air di dalam
maupun di luar bahan semakin rendah; akan
tetapi turunnya tekanan uap air dalam bahan
lebih kecil dibandingkan dengan turunnya
tekanan uap air di permukaan bahan sehingga
sebagian air dalam bahan akan ke luar dan
akhirnya akan menurunkan nilai Aw
• Dengan demikian, bahan pangan yang disimpan
pada suhu -5 ºC akan memiliki nilai Aw yang
lebih rendah dibandingkan dengan bahan pangan
yang sama apabila disimpan pada suhu 0 ºC
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

20. Aktifitas Air
• Beberapa hal yang harus diperhatikan pada saat
membandingkan nilai Aw suatu bahan di bawah dan di atas
suhu beku yaitu :
1) di atas suhu beku, nilai Aw merupakan fungsi dari
komposisi bahan dan suhu; tetapi di bawah suhu beku,
nilai Aw tidak tergantung pada komposisi bahan tetapi
hanya tergantung pada suhu
2) pada nilai Aw yang sama, maka bahan pangan yang
disimpan pada suhu -15ºC akan lebih awet dibandingkan
pada suhu 20ºC
3) nilai Aw di atas suhu beku tidak dapat digunakan
untuk memprediksikan nilai Aw pada bahan yang sama
dibawah suhu beku
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

21. Aktifitas Air
• Dalam mempelajari Aw dalam kaitannya dengan kadar air
suatu bahan, maka dikenal suatu kurva yang disebut dengan
kurva isotermis (Isoterm Sorpsi Lembab, ISL atau MSI
(moisture sorption isotherm). Kurva ini mencerminkan
interelasi antara kadar air suatu bahan dengan nilai Awnya
pada suhu yang konstan
• Kurva ini penting dalam 1) menentukan proses pengeringan
dan pemekatan suatu bahan, 2) menilai stabilitas bahan
pangan
• Dalam kurva tersebut dikenal “Sorption phenomena”:
• adsorption : terjadi pada saat bahan pangan menerima air
dari luar bahan (produk-produk higroskopis)
• desorption : terjadi pada saat air dari dalam bahan ke
luar bahan (proses pengeringan)
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

22. Aktifitas Air
Bentuk umum kurva isoterm sorpsi air (pada bahan pangan)
Note: fenomena histeresis (loss of H2O binding sites) pada kurva ISL
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

23. Pengawetan Pangan dengan
Pengendalian Air dalam Bahan
• Salah satu prinsip pengawetan bahan pangan adalah
dengan mengurangi jumlah air bebasnya sampai dengan
batas tertentu atau dengan kata lain mengurangi Aw
dalam bahan
• Teknik penurunan Aw dapat dilakukan dengan:
• Pengurangan kadar air (pengeringan, penguapan)
• Mengubah bentuk (fase) cair menjadi padat
(pembekuan)
• Amobilisasi air dalam jaringan (misalnya dalam
bentuk gel)
• Pengikatan air bebas dalam bahan ( penambahan gula
atau garam)
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

24. Pengawetan Pangan dengan
Pengendalian Air dalam Bahan
• Pengendalian air (misal: pengeringan)
Mengapa pengawetan?
• Menurunkan kadar air menurunkan
ketersediaan/aktifitas air
• Menurunkan aktifitas mikrobia
• Menurunkan reaksi perubahan (stabil selama
penyimpanan)
• Aw most fresh food : 0.99
• Most spoilage bacteria do not grow below Aw 0.91
• Spoilage mold can grow as low as 0.80
• S. aureus grow at Aw 0.86; C. botulinum does not grow
below 0.95
• Yeast and mold grow at wider Aw range than bacteria
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

25. Ketahanan Mikroorganisme terhadap
Aktivitas Air Rendah
• Salah satu cara untuk menghambat pertumbuhan sel
vegetatif mikroorganisme adalah dengan menurunkan
aktivitas air, yaitu dengan cara pengeringan, penambahan
garam, gula, atau bahan-bahan lainnya meskipun sebagian
mikroorganisme mungkin akan mati selama proses
pengeringan
• Bakteri memerlukan Aw relatif tinggi untuk pertumbuhan,
sedangkan khamir memerlukan Aw minimal lebih rendah
daripada bakteri, kapang memerlukan Aw minimal paling
rendah
• Bakteri memerlukan Aw lebih dari 0.90 untuk
pertumbuhannya, oleh karena itu pada bahan pangan
dengan Aw sekitar 0,90 mikroba yang sering tumbuh
terutama adalah kapang dan khamir
• Kerusakan pangan (busuk) dapat dicegah salah satunya
dengan upaya pengaturan Aw di bawah 0.75
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga

26. Pengawetan Pangan dengan
Pengendalian Air dalam Bahan
Beberapa bahan pangan yang diolah melalui penurunan Aw
Nilai Aw
Bahan Pangan
Jenis Pengolahan
>0,98
- Ikan dan daging segar
- Buah dan sayur segar
- Susu
- Tidak diolah
- Tidak diolah
- Tidak diolah
0,93-0,98
- Pasta tomat
- Roti
- Buah kaleng dg sirup kental
- Amobilisasi
- Pengeringan, penambahan gula
- Penambahan gula
0,85-0,93
- Daging sapi dikeringkan
- Susu kental manis
- Pengeringan
- Penambahan gula, evaporasi
0,60-0,85
- Tepung terigu
- Jam dan jelly
- Pengeringan
- Penambahan gula
<0,60
- Biskuit
- Potato chips
- Penambahan ingredient
- Pengeringan
Kimia Pangan - Dr. Danar Praseptiangga