E M U L S I : Karakteristik, Pembentukan dan Stabilisasi

1
E M U L S I Karakteristik, Pembentukan dan
Stabilisasi

• Sri Raharjo
• Jurusan Teknologi Pangan dan Hasil Pertanian
• Fakultas Teknologi Pertanian
• Universitas Gadjah Mada

2
Sistem Emulsi yang stabil pada makanan mirip ILUSI
3
Tipe Dispersi
Fase Kontinyu Fase Kontinyu Fase Kontinyu Fase Kontinyu
    Padat Cair Gas
    Fase Terdispersi Padat Glass (chocolate) Sol Asap (partikel sangat halus)
    Fase Terdispersi Cair   Emulsion (milk) Aerosol (spray cooking oil)
    Fase Terdispersi Gas Solid foam (ice cream) Foam (beer) not possible
4
Emulsi pada makanan
Berapakah proporsi air dan minyak pada produk
berikut ini ?
Jenis makanan Air () Minyak ()
Margarine 16 80
Butter 16 81
Mayonnaise 39.9 33.4
Sausage 44.6 31.2
Chocolate fudge 9.7 8.5
5
Tantangan
Bagaimana dua fase cairan yang saling tidak
menyukai bisa bercampur selama penyimpanan agar

• kenampakan,
• tekstur,
• mouthfeel,
• rasa dan aroma bisa terjaga

6
Pembentukan emulsi
oil in water emulsion water in oil emulsion
Diagram
Simbol oil/water o/w Water/oil w/o
Karakteristik penghantar listrik, dapat terencerkan dengan air terasa greasy, dapat terencerkan dengan minyak atau pelarut (solven)
Contoh susu margarine
7
Klasifikasi emulsi
Berdasarkan persen volume dari fase internal
Vi volume fase internal Ve volume fase
eksternal
IPR lt 0.3 (low IPR) Contoh o/w
(susu, ice cream) w/o (butter, margarine)
0.3 lt IPR lt 0.7 (medium IPR) Contoh heavy
cream
IPR gt 0.7 (high IPR) Contoh
mayonnaise dan salad dressing
8
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)
• Na-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)

9
Bisakah terlihat ?

• rata-rata ukuran sel tubuh 10 - 20 µm
• sel bakteri 1 - 2 µm
• virus 50 nm
• molekul protein 5 nm

Resolusi Jarak minimum dari dua titik yang
masih bisa terlihat terpisah dengan jelas

• mata manusia 250 µm
• mikroskop biasa 0.25 µm
• mikroskop elektron 0.2 nm

10
(No Transcript)
11
FLUID MOSAIC MODEL DARI MEMBRAN SEL Pulau
protein yang dikelilingi lautan lemak
Phospholipids
12
(No Transcript)
13
Suatu emulsi minyak dalam air dapat dibagi
menjadi tiga fase fase minyak, wilayah
antarmuka, dan fase air
Wilayah antarmuka
r
?
Fase minyak
Fase air
14
Perbandingan Ukuran (r), luas permukaan (AS), dan
jumlah droplet (n)
r (?m) As (m2g-1) n (g-1)
0.1 33 2.6 x 1014
0.2 16 3.3 x 1013
0.5 6.5 2.1 x 1012
1 3.3 2.6 x 1011
2 1.6 3.3 x 1010
5 0.65 2.1 x 109
10 0.33 2.6 x 108
20 0.16 3.3 x 107
50 0.065 2.1 x 106
15
?l Persentase volume droplet yang terisi oleh
volume lapisan antarmuka
r (?m) ?l () ? 2 nm ?l () ? 5 nm ?l () ? 10 nm
0.1 5.77 13.62 24.87
0.2 2.94 7.14 13.62
0.5 1.19 2.94 5.77
1 0.60 1.49 2.94
2 0.30 0.75 1.49
5 0.12 0.30 0.60
10 0.06 0.15 0.30
20 0.03 0.07 0.15
50 0.01 0.03 0.06
? Tebal lapisan antarmuka
16
Pengaruh ukuran droplet minyak/air terhadap waktu
yang diperlukan molekul kecil untuk terdifusi
keluar dari droplet
Radius (?m) Half-time (s)
0.1 6.6 x 10-7
0.5 1.6 x 10-5
1 6.6 x 10-5
5 1.6 x 10-3
10 6.6 x 10-3
50 1.6 x 10-1
17
Stabilisasi emulsi dengan emulsifier

• Tegangan antar muka
• Interaksi ionik
• Partikel halus
• Makromolekul

18
Tegangan antarmuka
Dalam bentuk curah Antarmuka cair-cair Ketika terbentuk emulsi
19
Tegangan antarmuka
20
Yang sejenis cenderung menjadi satu

• Dua fase yang tidak bisa bercampur akan
  menimbulkan antarmuka
• Molekul-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

21
Contoh DataTegangan Permukaan
  Dengan Udara /mN m-1 Dengan Air /mN m-1
Air 72 0
Etanol 22 0
Minyak nabati 34 27
22
Tegangan Antar Permukaan Air-Minyak (dynes/cm)
Jenis Minyak 25?C 75?C
Triolein 14.6 13.5
1,3-Dioleo-2-palmitin 14.5 12.5
Kacang (screw press) 18.1 -
Kacang (solvent extracted) 18.5 -
Biji kapas (screw press) 14.9 -
Olive 17.6 -
Kelapa 12.8 -
23
Interaksi ionik

• Interaksi netto antara partikel yang terdispersi
  adalah jumlah dari

gaya tarik van der Waals dan gaya tolak
elektrostatik
Bila gara tarik gt gaya tolak ? tidak stabil
Bila gara tarik lt gaya tolak ? stabil
24
Interaksi ionik

• Sistem emulsi agar tetap stabil memerlukan
  kondisi bermuatan netral
• Surfaktan ionik memberikan lapisan yang bermuatan
  sehingga keseluruhan permukaan emulsi menjadi
  netral

25
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

26
Makromolekul

• Protein dan gum membentuk film di permukan
  butiran teremulsi yang mencegah terjadinya
  coalescence

27
Destabilisasi Emulsi
Sistem emulsi dapat di-destabilisasi melalui
mekanisme berikut

• Creaming
• Flocculation
• Coalescence
• Ostwald Ripening

28
Creaming

• Selama penyimpanan, adanya perbedaan densitas
  antara minyak dan air, terdapat kecenderungan
  fase minyak untuk terkonsentrasi di atas sistem
  emulsi

29
Polydisperse vs Monodisperse
30
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 lt1 mm/hari, tidak terjadi
  creaming

31
Flocculation

• Flocculation diartikan sebagai proses dimana dua
  atau lebih droplet saling menempel tanpa
  kehilangan identitas

32
Flocculation vs Coalescence
33
Coalescence

• Coalescence merupakan proses ketika dua atau
  lebih droplet bergabung dan membentuk droplet
  yang lebih besar

34
(No Transcript)
35
Ostwald Ripening

• Ostwald ripening terjadi pada emulsi dimana
  droplet bertabrakan dengan yang lain dan
  membentuk droplet yang lebih besar dan yang lebih
  kecil
• Droplet berukuran kecil cenderung menjadi makin
  kecil

36
Distribusi Ukuran Partikel Pada Emulsi yang Stabil
20
18
16
Boost
14
12
Frequency ()
10
8
6
4
2
0
0.01
0.1
1
10
100
Particle size (um)
37
Distribusi Ukuran Partikel Pada Sedimentasi
20
18
16
Chocolate milk
14
12
10
Frequency ()
8
6
4
2
0
0.01
0.1
1
10
100
Particle size (um)
38
Distribusi Ukuran Partikel Pada Coalescence dan
Creaming
20
16
12
Volume frequency ()
8
4
0
0.01
0.1
1
10
100
Particle size (µm)
39
Sedimentasi bahan padatan dan creaming
Creaming
Sediment
40
Apa yang terjadi pada emulsi selama penyimpanan?

• Partikel selalu bergerak disebut Brownian
  Movement
• Terjadi tabrakan antar partikel (jutaan tabrakan
  tiap detiknya)
• Terjadi interaksi antar ingredien
• Partikel terkenai gaya gravitasi sepanjang waktu

41
Bagaimana nasib partikel yang berada dalam sistem
emulsi ?

• Globula lemak flocculation and creaming
• Bahan padatan (mis garam mineral) Sedimentasi
• Ineteraksi makromolekul

42
STOKES LAW
The rate of movement of particles can be
determined by
43
Memanfaatkan Prinsip-prinsip dari Stokes Law

• Dapatkan ukuran partikel sekecil mungkin
• Tingkatkan viskositas medium pendispersi
• Kurangi perbedaan densitas
• Kombinasi dari tiga hal di atas

44
Contoh Penerapan STOKES LAW
Misal kita memiliki sistem emulsi sebagai berikut

45
Penerapan Stokes Law
Misalkan tinggi wadah adalah 10 cm.
Dari Stokes Law akan diperoleh lama waktu untuk
globula minyak bergerak ke permukaan dan partikel
garam kalsium menuju ke dasar adalah
Globula minyak 75 hari
Garam kalsium 14.5 menit
(Diasumsikan efek interaksi di dalam sistem
emulsi sangat kecil sehingga bisa diabaikan)
46
Bagaimana cara memperoleh kondisi emulsi yang
stabil ?

• Perlu tahu ukuran dan densitas partikel (misal
  globula lemak, garam mineral and partikel coklat)
  dalam emulsi
• Gunakan kondisi homogenisasi yang optimum untuk
  memperoleh ukuran partikel terkecil (akan
  dipengaruhi oleh konsentrasi dan jenis protein
  pengemulsinya and surfaktan dengan berat molekul
  rendah, jika digunakan)
• Gunakan kombinasi hidrokoloid (stabilizer) yang
  sesuai untuk memodifikasi viskositas emulsi

47
Stabilizer

• Emulsi bisa distabilkan dengan meningkatkan
  viskositas fase kontinyu
• Gelatin dan gum mampu meningkatkan viskositas
  fase air sehingga bisa menstabilkan emulsi o/w
• Stabilizer juga mengikat air dan mengurangi
  aktivitasnya pada fase kontinyu, sehingga
  interfacial tension menurun dan menghasilkan
  emulsi yang stabil

48
EMULSIFIER
49
Mengapa emulsifier?

• Air tidak bisa saling melarut dengan minyak
• Memerlukan pengadukan untuk mendispersikan
• Dispersi minyak dan air thermodynamically
  unstable
• Emulsifier diperlukan untuk memfasilitasi
  terbentuknya emulsi

50
Emulsifiers atau Surfactants

• Emulsifier merupakan komponen berada di permukaan
  antara dua cairan yang tak bercampur, menurunkan
  tegangan permukaan antar fase dan memfasilitasi
  pembentukan sebuah emulsi

51
Emulsifiers

• Molekul aktif permukaan
• Terdiri dari bagian suka-air hidrofilik dan
  suka-minyak lipofilik
• Menurunkan tegangan permukaan
• Orientate at oil/water or air/water interface
• Berinteraksi dengan ingredients lain (seperti
  pati, protein)

52
Produksi Emulsifier Dunia ( relatif)
53
Pembuatan beberapa emulsifier penting
LEMAK
ASAM LEMAK
GLISEROL
MONO(DI)GLISERIDA
POLIGLISEROL
ASAM LEMAK
DIACETYLATED TARTARIC ACID ANHYDRIDE
ASAM LAKTAT
ASAM LAKTAT
PGE
DATEM
GLP
SSL, CSL
54
EmulsifierSurface active agent
55
Pemilihan Emulsifier

• Sistem HLB (hydrophilic-lipophilic balance)
• HLB 1 s/d 50
• HLB gt 10 berarti lebih hydrophilic
• HLB lt 10 berarti lebih lipophilic
• HLB 4 s/d 6 sesuai untuk emulsi w/o
• HLB 8 s/d 18 sesuai untuk emulsi o/w

56
Emulsifiers karakteristik kimia

• Nilai Iodine
• Nilai keasaman
• Nilai saponifikasi
• Sifat asam lemak

57
Emulsifiers karakteristik fisik

• Bentuk fisik
• Titik leleh
• Ukuran partikel
• Pembawa (carrier)
• Nilai HLB

58
Emulsifiers karakteristik ikatan
Fat base
Tidak Jenuh
Jenuh
Nilai Iodine
Rendah
Tinggi
Block Prill Bead Fine powder
Bentuk fisik
Paste Liquid
Titik leleh
Tinggi
Rendah
59
Kisaran Nilai HLB
Di and Monoglyceride 2.1
Lactylated Monoglyceride 2.4
PGME / Mono and diglyceride 2.6
Glycerol Mono-oleate 3.3
Mono-Diglycerides 4.0
Soaped Mono-Diglyceride 5-6
Sorbitan Monostearate 4.2
Triglycerol Monostearate 4.7
Polysorbate 65 10.5
Triglycerol Mono-oleate 13.0
Ethoxylated monoglyceride 13.5
Polysorbate 60 14.9
Polysorbate 80 15.0
60
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

61
Contoh Emulsifier

• Molekul kecil
• Mono dan digliserida
• Sucrose esters
• Sorbitan esters
• Polysorbates (Tween)
• Stearoyl lactylates
• Lecithin
• Molekul besar
• Protein (bovine serum albumin, laktoglobulin,
  ovalbumin)

62
Mono- 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

63
Sucrose esters

• Mono-, di-, dan tri- ester sukrosa dan asam lemak
• Biasanya memiliki HLB 7 s/d 13
• Mono-ester HLB gt 16 untuk emulsi o/w
• Di-ester sesuai untuk emulsi w/o
• Tri-ester HLB 1

64
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

65
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)

66
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

67
Lecithin

• Amphipilic emulsifier
• Campuran phospholipid
• Diperoleh secara komersial dari kedelai
• Bisa dimodifikasi untuk mendapatkan kisaran HLB
  yang lebar
• Digunakan pada bakery, chocolate, confectionery
  products

68
Aplikasi Emulsifier

• Margarine
• Mengapa digunakan emulsifier ?
• Margarine mengandung 16 air, emulsi w/o,
  memperbaiki stabilitas emulsi selama penyimpanan
• Emulsifier yang mana ?
• Mono- dan digliserida dengan asam lemak rantai
  panjang

• Ice Cream
• Mengapa digunakan emulsifier ?
• Merupakan emulsi o/w, perlu distabilkan dengan
  emulsifier sebelum pembekuan, selama pembekuan
  emulsifier mengendalikan destabilisasi emulsi
• Emulsifier yang mana ?
• Polysorbate

69
Aplikasi Emulsifier

• Produk bakery
• Mengapa digunakan emulsifier ?
• Membantu pencoklatan yang seragam, memperbaiki
  retensi air, memperbaiki kelembutan
• Emulsifier yang mana ?
• Stearoyl lactylates

• Konfeksioneri
• Mengapa digunakan emulsifier pada coklat ?
• Mengurangi pemakaian cocoa butter, memperbaiki
  mouthfeel, dan mengurangi kelengketan dengan
  bahan pengemas
• Emulsifier yang mana ?
• Lecithin