APLICATION OF ULTRASONIC WAVE ON FOOD PROCESSING

GELOMBANG ULTRASONIK PADA PROSES PENGOLAHAN PANGAN

1.   Definisi

           Gelombang ultrasonik adalah gelombang bunyi dengan frekuensi yang

lebih besar dari batas frekuensi tertinggi yang bisa didengar oleh telinga manusia

yaitu lebih besar dari 20 KHz (Chang et al., 2012). Gelombang ultrasonik termasuk 

gelombang longitudinal yaitu gelombang yang terjadi karena perapatan dan perenggangan

partikel-partikel dalam medium yang dilaluinya diakibatkan oleh gangguan dari

benda yang bergetar. 

           Ultrasonik merupakan metode ekstraksi non termal yang efektif dan efisien. Gelombang 

ultrasonik dapat merambat pada medium padat, cair, dan gas. Reflektivitas dari gelombang 

ultrasonik ini di permukaan cairan hampir sama dengan permukaan padat, tetapi pada tekstil dan 

busa, gelombang ini akan diserap. Efek mekanik dari gelombang ultrasonik yang ditimbulkan akan 

meningkatkan penetrasi dari cairan menuju dinding membran sel, mendukung pelepasan 

komponen sel dan meningkatkan transfer massa (Keil, 2007). Gelombang ultrasonik telah 

diterapkan dalam bidang pangan untuk mengekstrak komponen makanan seperti komponen 

aroma, pigmen, dan antibakteri (Vinatoru, 2001).

2.   Prinsip Kerja

       Gelombang ultrasonik banyak diterapkan dalam bidang teknologi pangan dan mikrobiologi. Prinsip kerja ekstraksi ultrasonic bath menggunakan gelombang ultrasonik merupakan ekstraksi dengan perambatan energi menggunakan cairan sebagai media perambatan yang dapat meningkatkan intensitas perpindahan energi sehingga proses ekstraksi lebih maksimal dibandingkan metode ekstraksi konvensional (Kuldikole, 2002).

      

3.   Mekanisme Kerja

       Gelombang ultrasonik berperan dalam perusakan sel dimana saat material sel ditempatkan dalam wadah yang diberi gelombang ultrasonik akan menghasilkan gelombang kejut atau shock waves karena peristiwa kavitasi yang mampu menyebabkan kerusakan mekanis pada sel (Chang et al., 2012). Gelombang ultrasonik yang melalui medium mengakibatkan getaran partikel dengan medium amplitudo sejajar dengan arah rambat secara longitudinal sehingga menyebabkan partikel medium membentuk rapatan (strain) dan tegangan (stress). Proses kontinyu yang menyebabkan terjadinya rapatan dan regangan di dalam medium disebabkan oleh getaran partikel secara periodik selama gelombang ultrasonik melaluinya. Hal ini karena gelombang ultrasonik yang dirambatkan pada medium cair (air) akan menimbulkan suatu efek kavitasi yaitu efek akibat ketidakseimbangan kecepatan pengerutan dan pengembangan amplitudo antara air dan tanduk getar ultrasonik (tranduser) (Schiller, 2010).

       Jika amplitudo tekanan yang dipacu gelombang akustik relatif besar, maka ketidakhomogenan lokal di dalam air akan memenuhi celah pada struktur jaringan, yang dapat menimbulkan kerusakan atau pecahnya inti menjadi berongga-rongga dalam dimensi mikroskopik akibat penggetaran ultrasonik dalam jangka waktu yang lama. Serangkaian kerusakan inilah yang menyebabkan pecahnya struktur jaringan akibat perlakuan ultrasonik (Zhou, 2009). Kerusakan sel tersebut menyebabkan material penyusun sel (termasuk lipid) keluar sel dan dapat dipisahkan.

4.   Komponen

       Mekanisme yang digunakan untuk menghasilkan energi ultrasonik dapat dibedakan menjadi dua yaitu magnetostrictive dan piezoelectric. Teknologi magnetostrictive mengandalkan bahan-bahan yang dapat menghasilkan tegangan ketika berada di dalam medan magnet. Bahan nikel dan alloy terfenol-D dikenal dapat menghasilkan tegangan magnetik yang besar. Sebaliknya, piezoelectric transducer bergantung pada bahan yang menghasilkan tegangan ketika dialiri arus listrik.

       Tiga komponen utama sistem ultrasonik adalah: converter/ transducer, booster, dan horn (sonotrode). Converter/transducer berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi ultrasonik (getaran). Booster adalah penguat mekanik yang berfungsi menaikkan amplitudo getaran yang dihasilkan oleh converter. Horn adalah alat yang berfungsi untuk menyalurkan getaran ultrasonik ke medium (biasanya cairan). Ketiga bagian tersebut disusun dan dirangkai dengan menggunakan klam. Susunan sistem ultrasonik (converter, booster, horn) disajikan seperti pada Gambar 1 (McClements, 1995).

Gambar 1. Susunan sistem ultrasonik piezoelectric 20 kHz

       Ketika dialiri arus listrik, transduser akan mengubah energi listrik menjadi getaran ultrasonik yang kemudian amplitudonya diperkuat oleh booter. Getaran ultrasonik kemudian disalurkan ke medium cair oleh horn. Getaran yang sangat
cepat menimbulkan tekanan yang tinggi dan negatif silih berganti dalam waktu
yang sangat pendek di dalam medium cair. Getaran ultrasonik di dalam cairan
akan menimbulkan microbubbles dan pecah seketika yang disebut cavitation.
Cavitation menimbulkan dua penomena yaitu: hydrodynamic shear forces dan
sonochemical reactions. Gaya gesek hidrodinamik mempercepat gesekan dan
pengadukan, serta memecah partikel dalam ukuran mikro di dalam cairan
(biasanya air). Reaksi sonokimia menghasilkan radikal seperti OH^-, HO²⁺, H⁺,
dan H₂O₂ yang sangat reaktif (Schiller, 2010).

5.   Keunggulan

       Pemanfaatan gelombang ultrasonik ultrasonik dalam berbagai bidang khususnya bidang pangan memiliki banyak keunggulan, diantaranya:

a.    Bersifat non-destructive dan non-invasive, sehingga dapat dengan mudah diadaptasikan ke berbagai aplikasi (Schiller, 2010).

b.    Mampu mempercepat proses ekstraksi, dibandingkan dengan ekstraksi termal atau ekstraksi konvensional sehingga lebih efisien (Mason, 2000).

c.    Metode ini aman, lebih singkat, dan meningkatkan jumlah rendemen hasil ekstraksi (Manasika dan Widjanarko, 2013; Kuldikole, 2002).

d.    Mampu menurunkan suhu operasi pada ekstrak yang tidak tahan panas, sehinga cocok untuk diterapkan pada ekstraksi senyawa bioaktif tidak tahan panas (Zou et al., 2014).

e.    Gelombang ultrasonik yang ditimbulkan mampu memberi efek kavitasi, efek panas, dan efek struktural yang membuat penetrasi zat terlarut kedalam sel terjadi lebih cepat (Putri dkk, 2014).

f.     Dapat membantu meningkatkan efektivitas enzim sehingga mampu mengurangi jumlah enzim yang dibutuhkan ketika ekstraksi (Chang et al., 2012).

g.    Tidak berbahaya dan lebih murah (McClements, 1995).

h.    Mampu meningkatkan penetrasi pelarut ke dalam sel bahan serta meningkatkan transfer massa. Dinding sel bahan dipecah dengan gelombang ultrasonik sehingga kandungan didalamnya dapat keluar dengan mudah (Mason, 1999).

i.      Mudah diaplikasikan untuk optimasi ekstraksi (McClements, 1995).

j.      Ultrasound-Assisted Extraction (UAE) merupakan salah satu metode alternatif ekstraksi non-termal yang lebih efisien, lebih cepat, dan memungkinkan pengurangan pelarut, sehingga menghasilkan ekstrak murni dan yield yang lebih tinggi dibandingkan dengan ekstraksi konvesional (Vinatoru, 200; Hartuti dan Dani, 2012).

6.   Aplikasi

            Pemanfaatan gelombang ultrasonik di bidang pangan sangat banyak. Diantaranya sebagai berikut:

a.   Ekstraksi Oleoresin Jahe (Fuadi, 2012)

            Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pemanfaatan gelombang ultrasonik untuk mengekstrak oleoresin dari jahe putih.  Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa metoda ekstraksi ultrasonik memiliki efisiensi waktu hampir 50% dibandingkan ekstraksi menggunakan soxhlet. Berdasarkan hasil analisis komponen dengan GC-MS, menunjukan zingiberone merupakan komponen utama dalam oleoresin yang dihasilkan ekstraksi ultrasonik dan soxhlet. Oleoresin jahe yang dihasilkan dari penelitian ini sesuai dengan spesifikasi oleoresin jahe menurut EOA No. 243. Berdasarkan penelitian ini, ultrasonik dapat digunakan untuk ekstraksi karena lebih efisien.

b.  Mempertahankan Kesegaran Fillet Ikan Nila (Suwandi dkk, 2015)

            Penelitian bertujuan menganalisis pengaruh gelombang ultrasonik terhadap parameter kesegaran ikan.  Gelombang ultrasonik berpengaruh terhadap nilai pH dan TPC. Hasil pengujian nilai TPC menunjukkan bahwa sampel dengan durasi sonikasi selama 9 menit (5,2x10⁴ koloni/g) memiliki jumlah mikroba lebih rendah dibandingkan sampel tanpa sonikasi (9,2x10⁴ koloni/g). Berdasarkan penelitian ini, ultrasonik dapat digunakan untuk pengolahan fillet ikan nila segar karena mampu menurunkan total mikroba.

c.   Ekstraksi Lemak Kakao (Supardan dkk, 2012)

            Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik lemak kakao yang dihasilkan dengan metode ekstraksi pelarut n-heksan menggunakan bantuan ultrasonik. Karakteristik lemak kakao hasil ekstraksi adalah mengandung asam lemak bebas berkisar antara 0,83–0,90%. Bilangan penyabunan berkisar antara 193,56–195,16 mg KOH/gram lemak; bilangan iod 33,93 gram/100 gram; titik leleh awal 33,27^oC dan titik leleh akhir 35,28^oC serta indeks bias 1,457. Hasil-hasil analisis ini menunjukkan bahwa sebagian besar parameter uji sudah memenuhi syarat mutu lemak kakao sesuai Standar Nasional Indonesia (SNI) No. 01-3748-1995. Uji solid fat content pada suhu 40^oC menunjukkan lemak kakao yang mencair sekitar 96,32% yang berarti sebanyak 3,68% masih merupakan padatan. Berdasarkan penelitian ini, ultrasonik dapat digunakan untuk ekstraksi karena lemak kakao hasil ekstraksi telah memenuhi standar SNI.

d.  Ekstraksi Antosianin Murbei (Winata dkk, 2015)

            Penelitian ini bertujuan untuk melakukan ekstraksi antosianin dari murbei menggunakan metode ektraksi ultrasonic bath karena metode ekstraksi konvensional memerlukan waktu lama. Kadar antosianin yang dihasilkan yaitu 3344.62 ppm, aktivitas antioksidan 219.27 ppm, nilai pH 3.21, rendemen 45.26%, tingkat kecerahan 17.5, tingkat kemerahan 7, dan tingkat kekuningan 9. Berdasarkan penelitian ini, ultrasonic bath dapat digunakan untuk ekstraksi antosianin murbei karena mampu menghasilkan nilai yang lebih baik pada semua parameter yang diuji.

e.   Ekstraksi Antioksidan Daun Sirsak (Handayani dkk, 2016)

            Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh rasio bahan : pelarut dan lama ekstraksi menggunakan metode ultrasonik sehingga dihasilkan ekstrak daun sirsak terbaik. Perlakuan terbaik diperoleh dari rasio bahan : pelarut 1:10 (b/v) dan lama ekstraksi
20 menit dengan rendemen 11.72%, kandungan total fenol 15213.33 ppm, kadar flavonoid
45843 ppm, aktivitas antioksidan 78.14% dan nilai IC₅₀ 15.58 ppm. Hal ini membuktikan bahwa teknik ekstraksi ultrasonik dapat digunakan sebagai alternatif yang lebih efisien dan cepat dalam mengekstrak senyawa antioksidan dari bahan alami.

f.      Ekstraksi Pigmen Karotenoid Labu Kabocha (Manasika dan Widjanarko, 2013)

            Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh rasio bahan:pelarut dan lama
ekstraksi menggunakan metode ultrasonik. Perlakuan terbaik diperoleh dari rasio bahan:pelarut 1:9 dan lama ekstraksi 25 menit yang mampu mempertahankan total karoten dengan jumlah 254.77 mg/100g, nilai IC50 84.28 ppm, pH 6.45, rendemen 30.25%, kecerahan (L*) 19.30, kemerahan (a*) 13.40 dan kekuningan (b*) 15. Berdasarkan penelitian ini ditunjukkan bahwa metode ultrasonik lebih efisien daripada ekstraksi konvensional yang umumnya memakan waktu lama dan melibatkan proses termal yang dapat merusak karotenoid.

g.  Aktivitas Antioksidan Ekstrak Kulit Jeruk Bali (Rafsanjani dan Putri, 2015)

            Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui sifat fisik dan kimia jenis pelarut dan pengaruh lama ekstraksi terhadap aktivitas antioksidan ekstrak kulit Jeruk Bali menggunakan Ultrasonic Bath. Perlakuan terbaik memiliki karakteristik kadar air ekstrak 89.61%, total fenol 2820.72 µg/g, kadar tanin 14586.66 mg/100g, aktivitas antioksidan 91.24%, rendemen 7.42%, pH 5.56, Tingkat kecerahan 60.96 dan nilai °hue 82.26. Berdasarkan penelitian ini ditunjukkan bahwa metode Ultrasonic Bath mampu mempertahankan aktivitas antioksidan tetap tinggi.

h.  Ekstraksi Minyak dari Mikroalga (Putri dkk, 2014)

            Penelitian ini bertujuan untuk mengekstrak Mikroalga secara kimiawi dengan shock osmotic berbantukan ultrasonik untuk memecah membrane semipermeable sel sehingga kandungan minyak dapat terekstrak. Hasil pengujian kadar lemak dalam ekstrak alga ini didapatkan bahwa kandungan lemak hasil ekstrak tanpa menggunakan gelombang ultrasonik terbesar membutuhkan lama ekstraksi 3 jam. Sedangkan kandungan lemak pada ekstrak dengan metode ultrasonik yang tertinggi hanya membutuhkan lama ekstraksi 2 jam. Berdasarkan penelitian ini ditunjukkan bahwa metode ekstraksi ultrasonik mampu mempercepat proses ekstraksi.

i.      Pengeringan Buah (Rodrigues, 2007)

            Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh osmosis dan ultrasonik
pada struktur sel jaringan buah nanas. Hasilnya menunjukkan teknologi ultrasonik sangat berperan penting dalam mengurangi air pada nanas. Hal ini dikarenakan ultrasonik mampu memecah struktur jaringan buah, sehingga waktu yang dibutuhkan untuk pengeringan akan jauh lebih cepat.

  

Gambar 2. Struktur jaringan buah nanas sebelum pra ultrasonik (kiri), dan setelah pra ultrasonik 30 menit (kanan)

            Pada gambar kiri menunjukkan sel buah nanas berdinding tipis dengan morfologi normal dan tidak terlihat antar ruang. Pada gambar kanan menunjukkan sel-sel buah nanas menjadi terdistorsi, dan saluran mikroskopis mulai terbentuk setelah 30 menit perlakuan ultrasonik. Berdasarkan penelitian ini, ultrasonik dapat digunakan untuk mempercepat pengeringan buah nanas karena mampu memecah jaringan buah dan mengurangi air di dalam jaringan.

7.   Efek Proses

a.   Efek pada komponen bioaktif

            Pengolahan dengan gelombang ultrasonik mampu mempertahankan kandungan bioaktif bahan pangan. Diantaranya kandungan karotenoid dari buah merah (Dimara dkk, 2008), zingiberone jahe (Fuadi, 2012), karotenoid labu kabocha (Manasika dan Widjanarko, 2013), antosianin pada murbei (Winata dkk, 2015), antosianin pada daun sirsak (Handayani dkk, 2016), dan antioksidan ekstrak kulit jeruk bali (Rafsanjani dan Putri, 2015).

b.  Efek pada mikroorganisme

            Gelombang ultrasonik mampu menginaktivasi mikroorganisme diantaranya bakteri pada produk daging (Brown et al., 2010), Staphylococcus aureus dan Escherichia coli (Herceg et al., 2012), Enterobacteriae pada susu (Juraga et al., 2011), fungi Aspergillus flavus dan Penicillium digitatum (Malo-Lopez et al., 2005), Pseudomonas (Kordowska-Wiater dan Stasiak, 2011), mengontrol mikroba dalam sistem pengolahan air (Broekman et al., 2010),

c.   Efek pada kandungan gizi

            Gelombang ultrasonik mampu menjaga kandungan gizi produk daging (Cui et al., 2010), empertahankan karakteristik fisik, kimia, dan mikrobiologi antara daging babi yang dithawing menggunakan ultrasonik (Gambuteanu dan Alexe, 2013), serta mempertahankan karakteristik kolagen dari daging sapi (Chang et al., 2012).

DAFTAR PUSTAKA

Broekman S, Pohlmann O, Beradwood ES.2010. Ultrasonic Treatment For Microbiological
Control of Water Systems. Ultrasonic Sonochemistry: 1-11.

Brown T, Gardner M, Osborn MS, Patist A, Schaefer DL, Steiner R, Wiens ML.
2010. Ultrasonic Treatment For Preparing Meat Product. United States Patent.
US20100209568A1.

Chang HJ, Xu XL, Zhou GH. 2012. Effects of Characteristics Changes of Collagen on
Meat Physicochemical Properties of Beef Semitendinosus Muscle During Ultrasonic Processing. Food Bioprocess Technology 5:285-297.

Cui L, Pan Z, Yue T, Atungulu GG, Berrios J. 2010. Effect of Ultrasonic Treatment of Brown Rice At Different Temperatures on Cooking Properties And Quality. Journal of Cereal Chemicals 87(5):403-408.

Dimara, L., F. S. Rondonuwu dan L. Limantara. 2008. Uji Fisika Kimia Pigmen Karotenoid
Pada Ekstrak Kasar Buah Merah Papua (Pandanus conoideus Lim) : Potensi Sebagai Pewarna Alami. Universitas Kristen Satya Wacana : Salatiga

Fuadi. A. 2012. Ultrasonik Sebagai Alat Bantu Ekstraksi Oleoresin Jahe. Jurnal Teknologi, Vol. 12, No. 1, April 2012 : 14-21.

Gambuteanu C, Alexe P. 2013. Effects of Ultrasound Assisted Thawing
on Microbiological, Chemical and Technological Properties of Unpackaged
Pork Longissimus Dorsi. Food Technology 37(1):98-107.

Handayani, H., F. H. Sriherfyna, Yunianta. 2016. Ekstraksi Antioksidan Daun Sirsak Metode Ultrasonic Bath (Kajian Rasio Bahan : Pelarut dan Lama Ekstraksi).  Jurnal Pangan dan Agroindustri Vol. 4 No 1 p.262-272, Januari 2016.

Hartuti, S., dan Dani S. 2012. Optimasi Proses Ekstraksi Oleoresin Jahe (Zingiber offinale
Rosc) Menggunakan Ultrasonik. Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan Vol 9: 30-35

Herceg Z, Jambrak AR, Lelas V, Tagard SM. 2012. The Effect of High Intensity
Ultrasound Treatment on The Amount of Staphylococcus aureus and Escherichia coli in Milk. Journal of Food Technology Biotechnology 50(1):46-52.

Juraga E, Salamon BS, Herceg Z, Jambrak AR. 2011. Application of High Intensity Ultrasound Treatment on Enterobacteriae Count In Milk. Mljekarstvo 61(2):125-134.

Keil, F. J. 2007. Modeling of Process Intensification. In Alupului, A., Ioan Calinescu and
Vasile

Kordowska-Wiater M, Stasiak DM. 2011. Effect of Ultrasound On Survival Of Gram-Negative Bacteria on Chicken Skin Surface. Bull Vet Inst Pulawy 55:207-210.

Kuldikole, J. 2002. Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzym Activity and Quality Indicators of Fruit and Vegetables Juices. Dissetation der Techischen Universitas Berlin. Berlin.

Malo-Lopez A, Palou E, Fernandez-Jimenez M, Alzamora SM, Guerrero S. 2005. Multifactorial Fungal Inactivation Combining Thermosonication and Antimicrobials. Journal of Food Engineering 67:87-93.

Manasika, A. dan Widjanarko, S.B. 2013. Ekstraksi Pigmen Karotenoid Labu Kabocha Menggunakan Metode Ultrasonik (Kajian Rasio Bahan: Pelarut dan Lama Ekstraksi). Jurnal Pangan dan Agroindustri Vol. 3 No 3 p.928-938, Juli 2015.

Mason, T. J. 2000. Chemistry with Ultrasound. Critical Report on Applied Chemistry. 28.
Elsevier New York: Applied Science.

Mason T.J. 1999. Sonochemistry. Oxford Univ. Press. Oxford.

McClements, D. J. 1995. Advances in The Application of Ultrasound in Food Analysis and Processing. Trends Food Sci. Techn. 6, 293-299

Putri., S., M. Lutfi, dan B. Susilo. 2014. Ekstraksi Minyak dari Mikroalga Jenis Chlorella sp. dengan Menggunakan Metode Osmotik Berbantukan Ultrasonik. Jurnal Keteknikan Pertanian Tropis dan Biosistem Vol. 2 No. 3, Oktober 2014, 198-204 

Rafsanjani, M. K. dan W. D. R. Putri. 2015. Karakterisasi Ekstrak Kulit Jeruk Bali Menggunakan Metode Ultrasonic Bath (Kajian Perbedaan Pelarut dan Lama Ekstraksi). Jurnal Pangan dan Agroindustri Vol. 3 No 4 p.1473-1480, September 2015.

Schiller, M. 2010. Ethanol as Solvent. http://www.easychem.com.au/production-ofmaterials/renewable-ethanol/ethanol-as-a-solvent. Tanggal akses: 4/05/2014

Supardan, M. D., Hasnidar, E. Indarti. 2012. Karakteristik Lemak Kakao Hasil Ekstraksi Menggunakan Bantuan Ultrasonik. Jurnal Hasil Penelitian Industri Volume 25, No. 1, April 2012.

Suwandi, R., A. M. Jacoeb, dan M. Sofiya. 2015. Aplikasi Gelombang Ultrasonik Sebagai Alternatif Untuk Mempertahankan Kesegaran Fillet Ikan Nila. JPHPI 2015, Volume 18 Nomor 1.

Vinatoru, M. 2001. An Overview of The Ultrasonically Assisted Extraction of Bioactive
Principles From Herbs. Ultrason Sonochem Journal. 8:303–313.

Winata, E. W., dan Yunianta. 2015. Ekstraksi Antosianin Buah Murbei (Morus Alba L.) Metode Ultrasonic Bath (Kajian Waktu dan Rasio Bahan : Pelarut). Jurnal Pangan dan Agroindustri Vol. 3 No 2 p.773-783, April 2015.

Zhou B, Feng H, Luo Y. 2009. Ultrasound Enhanced Sanitizer Efcacy in Reduction of Escherichia coli 0157:H7 Population On Spinach Leaves. Journal of Food Science 74(6):308-313

Zou TB, En-Qin Xia, Tai-Ping He, Ming-Yuan Huang, Qing Jia, and Hua-Wen Li. 2014.
Ultrasound-Assisted Extraction of Mangeferin from Mango Leaves Using ResponseSurface Methodology. Molecules 19, 1411-1421