oleh

Perpindahan Panas pada Unit Tungku Pengasapan Daging Se’i

-Opini-98 Dilihat

Oleh: Suci Istiqlaal

Salah satu kuliner khas Provinsi Nusa Tenggara Timur (NTT) adalah daging se’i, seperti sapi dan babi. Kata se’i diambil dari bahasa Rote yang artinya daging tipis dan memanjang. Menurut sumber informasi, teknik mengolah daging ini terinspirasi dari teknik memasak tradisional suku Mollo yang mendiami pegunungan Mutis NTT.

Daging diiris tipis memanjang, dimarinasi menggunakan bumbu rempah dan kemudian diasap menggunakan kayu kosambi kering selama beberapa jam bahkan hari, hal ini tergantung pada jenis daging yang diproses. Salah satu tujuan proses ini adalah sebagai pengeringan makanan yang menggabungkan sumber panas atau tekanan untuk menghilangkan air dari bagian dalam produk dan energi mekanik untuk menghilangkan air dari permukaannya, sehingga dapat memperpanjang umur simpan.

Selain itu, pengolahan daging ini bertujuan untuk meningkatkan kualitasnya, memberikan sifat sensori yang diinginkan juga meningkatkan daya cerna. Namun, proses termal yang dilakukan pada daging menggunakan asap dapat membawa risiko menghasilkan produk sampingan berbahaya yaitu hidrokarbon aromatik polisiklik/ polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) yang dapat menyebabkan kanker.

PAH termasuk dalam kelompok pencemaran lingkungan dan kontaminan makanan yang merupakan produk dari pembakaran bahan organik yang tidak lengkap (proses pirolisis). Senyawa ini terbentuk saat proses pengolahan, kandungan lemak dalam daging dan proses pembakaran yang tidak sempurna. PAH terakumulasi melalui konsumsi makanan yang terkontaminasi, yang disebabkan oleh polusi di lingkungan dan pembentukannya dalam suatu produk sebagai hasil dari proses teknologi.

Proses produksi pangan yang rentan terhadap kontaminasi PAH seperti pengasapan dan pemanggangan. Menurut hasil penelitian, terdapat tiga kemungkinan mekanisme pembentukan PAH dalam produk daging asap atau panggang dan salah satunya adalah pembakaran bahan organik yang tidak sempurna, yang dalam hal ini adalah bahan bakarnya (misalnya kayu).

Daging se’i NTT umumnya diproses dengan metode pengasapan langsung menggunakan kayu kosambi, sehingga beresiko terkontaminasi PAH. Beberapa peneliti membuktikan bahwa metode pengasapan langsung menghasilkan kadar PAH yang jauh lebih tinggi dalam produk dibandingkan dengan metode yang melibatkan paparan tidak langsung ke sumber asap (Gomes, Santos, Almeida, Elias, & Roseiro, 2013; Andrée, Jira, Schwind, Wagner, & Schwägele, 2010).

Studi menunjukkan bahwa daging asap tradisional (paparan langsung) mengandung kandungan benzo(a)pyrene, bezno(a)antrasena, benzo(a)fluoranthene dan chrysene yang lebih tinggi dibandingkan dengan daging asap industri (metode tidak langsung).

Salah satu solusi untuk mengatasi permasalahan tersebut di atas yaitu melakukan rekayasa proses pengolahan se’i dengan mengembangkan unit tungku pengasapan panas untuk menghindari pengendapan benzo(a)piren pada daging (Gambar 1). Pengasapan dilakukan dengan menggunakan asap pirolisis yang didinginkan, sedangkan pemanasan diperoleh dengan menggunakan pelat logam yang dipanaskan oleh asap pembakaran.

Kondensasi molekul beracun dengan mendinginkan asap yang bersentuhan dengan produk mengurangi kontaminasi produk oleh molekul benzo(a)pyrene. Unit tungku pengasapan panas ini telah diuji coba oleh Sebastian et al., (2005), dirancang untuk sampel 30 kg daging babi.

Unit percontohan ini bertujuan untuk memvalidasi kelayakan konsep yang mendukung teknologi ini, dengan memperhatikan fenomena transfer panas dan massa produk. Perpindahan panas dan massa sering diperhitungkan melalui model difusi atau melalui kinetika pengeringan dan pengasapan (Pavon-Melendez et al., 2002, Sabadini et al., 1998, Simal et al., 2003, Teixeira dan Tobinaga, 1998).

Gambar 1. Unit Percontohan Eksperimental (Sebastian et al., 2005).

Model yang digunakan mempertimbangkan: (i) pencairan lemak, (ii) tetesan lemak, (iii) penguapan air, (iv) tetesan air, (v) transfer radiasi (vi) dan transfer konvektif. Model ini didasarkan pada satu set keseimbangan energi dengan mempertimbangkan beberapa fungsi transfer yang diturunkan dari literatur dan beberapa fungsi yang diidentifikasi melalui eksperimen.

Dapat ditunjukkan bahwa penguapan air berasal dari kinetika pengeringan yang disajikan oleh Poligné (Poligné et al., 2001), kinetika pelelehan lemak telah diketahui dari parameter yang disajikan oleh Suppes, Goff, dan Lopes (2003) dan fungsi transfer konvektif memiliki ditentukan dari hubungan klasik yang dikemukakan oleh Recknagel, Sprenger, dan Honmann (1986).

Berdasarkan model ini, kode simulasi numerik telah dikembangkan yang mensimulasikan perubahan suhu di ruang pembakaran dan kehilangan massa produk. Selanjutnya hasil dari model numerik dibandingkan dengan hasil eksperimen yang diturunkan dari perilaku unit percontohan. Perbandingan ini bertujuan untuk memvalidasi model dan melakukan studi sensitivitas perpindahan panas dan massa di dalam pembakaran.

Teknologi proses berasal dari konsep yang disajikan pada Gambar 2. Konsep ini terutama bertujuan untuk menghindari polusi produk oleh molekul beracun dan untuk memastikan fleksibilitas manajemen proses dalam konsistensi dengan tujuan pengguna.

Gambar 2. Skema prinsip proses

Asap bersuhu tinggi mengandung molekul berat dan beracun seperti molekul benzo(a)pyrene yang dapat menyebabkan kanker setelah tertelan (Derache, 1990). Untuk menghindari kontaminasi produk, sirkuit asap suhu tinggi dan rendah independen selama proses. Sirkuit asap suhu rendah digunakan untuk pengasapan produk, sedangkan sirkuit suhu tinggi terlibat dalam pemanasan produk dan seluruh pembakaaran. Sirkuit internal juga digunakan untuk mengeringkan produk dengan mendaur ulang dan memaksa konveksi asap suhu rendah di dalam ruang memasak.

Sirkuit suhu rendah dimulai dengan pembentukan asap yang diperoleh dari pirolisis serbuk gergaji. Asap ini didinginkan dengan mengalir melalui kondensor pada suhu mendekati 30 °C. Suhu pendinginan ini cukup rendah untuk mengurangi toksisitas asap pirolisis yang memasuki ruang memasak. Memang, karena molekul beracun berat dan jenuh pada suhu lebih tinggi dari 30 °C, sebagian besar molekul ini terkondensasi di dalam kondensor.

Asap suhu tinggi dibuat dalam tungku dan mengalir melalui ruang memasak antara beberapa pasangan pelat berseri-seri paralel dan vertikal yang berlawanan. Karena exhaust fan menyedot asap, sirkuit suhu tinggi ini dipertahankan pada tekanan yang lebih rendah daripada sirkuit sistem lainnya. Dengan demikian, asap suhu tinggi tidak dapat meninggalkan sirkuit ini dan mencapai produk. Namun, asap memanaskan pelat radiasi dengan fenomena konveksi, yang mentransfer energi kalor ini ke produk terutama melalui radiasi.

Fungsi unit percontohan dianalisis telah melalui beberapa pengukuran yang dilakukan, selama pemrosesan produk, atau pada awal dan akhir setiap percobaan. Pengukuran ini adalah: (1) Suhu di bagian atas dan bawah pelat pancaran (pengukuran kuasi-kontinyu). (2) Suhu di bagian dalam atau di permukaan produk (pengukuran kuasi-kontinyu). (3) Evolusi massa produk (beberapa pengukuran diskrit selama setiap percobaan). (4) Kadar air (pengukuran pada awal dan akhir setiap percobaan) dan (5) Kehilangan lemak (pengukuran pada akhir setiap percobaan).

Perpindahan panas dan massa yang terjadi di dalam ruang memasak menentukan efisiensi proses dan karakteristik produk yang diolah. Fenomena transfer ini mengatur perubahan suhu, kelembapan, dan kandungan lemak produk selama fase pemasakan, pengeringan, dan pengasapan. Fenomena transfer juga mempengaruhi efisiensi energi system. Berdasarkan satu set persamaan keseimbangan diferensial parsial dan fungsi transfer, model telah dikembangkan untuk menyelidiki pengaruh relatif dari beberapa fenomena fisik pada kinerja proses dan evolusi karakteristik produk.

Fenomena fisik yang diperhitungkan dalam model terutama menyangkut aspek termal dan energi dari operasi proses, antara lain : perpindahan panas radiasi antara pelat radiasi dan produk atau asap, perpindahan panas konvektif antara pelat dan pirolisis atau asap pembakaran, perpindahan panas konveksi antara produk dan asap pirolisis, perpindahan panas konduktif antara asap pembakaran dan pelat radiasi, perubahan fase lemak dan air di permukaan atau di dalam produk, perpindahan massa uap antara produk dan asap pirolisis dan perpindahan massa air dan lemak leleh yang mengalir keluar dari produk dan jatuh ke dasar ruang memasak.

Fungsi transfer yang digunakan meliputi: (i) aliran air yang keluar dari produk dan diuapkan (kinetika pengeringan) atau turun ke dasar ruang memasak (water drip) , (ii) lemak yang meleleh di dalam produk (kinetik fusi lemak) dan mengalir keluar dari produk (fat drip), (iii) pertukaran panas karena perpindahan panas konvektif atau radiasi.

Massa fluks pengeringan “Fmv” telah analisis melalui pendekatan eksperimental. Beberapa hasil telah dipublikasikan oleh Poligné et al. (2001) yang menentukan karakteristik dari tiga fase pengeringan utama produk. Hasil ini telah diselesaikan dengan memasukkan fluks massa isenthalpik dari air bebas sebagai fluks massa isenthalpik produk; permukaan produk memang basah di awal proses. Sebuah fungsi interpolasi telah diturunkan dari hasil eksperimen ini, yang dapat dibagi menjadi tiga fase utama (Nadeau & Puiggali, 1995), yaitu : selama fase pengeringan isenthalpic (Wp 0,83), air yang dekat dengan permukaan atau di permukaan produk diuapkan, selama fase pengeringan kedua (0,83 Wp > 0,5), air bebas di dalam pori-pori produk bermigrasi ke permukaan dan diuapkan, selama fase pengeringan ketiga (0,5 Wp > 0,4), sebagian air yang terikat di dalam pori-pori produk diuapkan.

Daging yang diolah di unit tungku pengasapan panas sebelumnya direndam dalam air garam selama sekitar setengah menit. Oleh karena itu, permukaan daging termasuk air yang terperangkap di dalam celahnya. Selama awal pemanasan produk, air yang terperangkap dan sebagian air bebas yang dekat dengan permukaan produk jatuh ke dasar ruang dalam wadah logam dan perlahan-lahan menguap.

Fenomena penguapan ini tidak berpengaruh pada pemasakan produk. Tetesan air diperhitungkan dalam model kami melalui rasio “ω”, yang didefinisikan sebagai rasio antara fluks massa tetesan air dan fluks massa pengeringan isenthalpik. Imbibisi permukaan daging tampaknya menjadi fenomena kompleks yang tidak diselidiki secara fisik pada tahap pekerjaan ini. Oleh karena itu, fungsi “ω” telah diidentifikasi dari pengukuran eksperimental. Formulasi “ω” yang digunakan adalah:

Formulasi ini diturunkan dari asumsi-asumsi berikut: Karena permukaan daging menyimpan banyak air bebas, pada awal proses (Wpmd⩽Wp) tetesan air memiliki pengaruh utama pada kehilangan massa produk; dengan demikian, rasio fluks massa antara tetesan air dan pengeringan isenthalpic tinggi. Kemudian, fenomena tetesan air berkurang selama fase pemanasan produk dan tetap signifikan di depan fenomena penguapan uap air selama fase pengeringan isenthalpic (Wpcr⩽Wp<Wpmd), dan akhirnya, fenomena tetesan air menghilang begitu produk tidak lagi memiliki air bebas di permukaan produk (Wp<Wpcr).

Peleburan lemak menyerap sebagian energi selama pemanasan produk. Daging babi termasuk beberapa jenis lemak yang meleleh pada suhu yang berbeda mulai dari 303 K hingga 313 K (Suppes et al., 2003). Kinetika pelelehan lemak “Φ•mf” yang terlibat dalam model ini dibangun dengan asumsi bahwa penyerapan energi lemak selama peleburan berkembang secara linier antara dua suhu ini.

Selain itu, sebagian lemak yang meleleh selama proses pemanasan daging bermigrasi ke permukaan produk dan jatuh ke dasar ruang memasak. Fenomena tetesan lemak ini cenderung meningkatkan kehilangan massa produk, tetapi memiliki pengaruh yang jauh lebih rendah daripada tetesan air. Oleh karena itu, kehilangan massa lemak secara kasar diperkirakan sebanding dengan kehilangan massa air. Ini sama dengan mengasumsikan bahwa faktor tetesan lemak “Γ” adalah konstan dan sama dengan 0,2.

Perpindahan panas radiasi dan konveksi terjadi pada permukaan produk. Daging babi yang digantung di dalam ruang memasak dianggap sebagai permukaan bidang vertikal sehubungan dengan pelat pancaran vertikal. Dengan demikian, koefisien transfer konveksi ditentukan dari hubungan klasik yang digunakan untuk memperkirakan intensitas fenomena konveksi bebas atau paksa akibat aliran udara antara dua permukaan bidang vertikal (Recknagel et al., 1986). Terakhir, koefisien emisivitas sangat sulit ditentukan secara akurat. Mereka telah diperkirakan dengan mempertimbangkan warna daging dan air di permukaan produk (Poligné et al., 2001). Pada awal pemrosesan, emisivitas daging diasumsikan sama dengan 0,5 karena permukaan daging basah dan, setelah dua jam berfungsi, emisivitas ini seharusnya mencapai 0,9 karena produk berwarna coklat.

Menurut metode ini, volume dasar yang representatif telah dipetakan oleh elemen “N” di sepanjang sumbu z. Variabel utama model didefinisikan pada inlet atau outlet dari elemen-elemen diskrit. Variabel utama terintegrasi dalam larik suhu “T” (yang memperhitungkan Ts, Tp, Tps, dan Tcs) dan larik kadar air dan lemak “W” (yang memperhitungkan Wps, Wcs, Wp, dan Xp). Persamaan keseimbangan energi dan massa dari model menghasilkan:

Pengoperasian unit percontohan ini memperhatikan tiga fase utama. Pertama, selama fase pemanasan, suhu asap pembakaran meningkat sementara kecepatannya tetap tinggi. Selanjutnya, selama fase pengeringan, suhu asap pembakaran tinggi tetapi mungkin agak bervariasi. Akhirnya, selama fase pengasapan, suhu asap pembakaran menurun sementara kecepatannya rendah. Kecepatan asap pirolisis rendah selama keseluruhan proses dan tampaknya sangat heterogen di dalam ruangan (berkisar dari 0,1 m/s hingga 0,7 m/s). Suhu asap pirolisis juga sulit ditentukan karena bagian logam dari ruangan dapat memanaskan asap sebelum menyentuh produk. Namun, kita tahu bahwa asap pirolisis memasuki ruangan pada suhu sekitar 29,85 oC. Untuk memvalidasi model yang digunakan, parameter fungsi dan dimensi telah dimodelkan dengan mempertimbangkan karakteristik unit percontohan dan kondisi eksperimental dari operasi proses.

Pemanasan berlangsung selama 0,75 jam. Fase pengeringan dimulai pada akhir fase pemanasan dan berakhir 3,25 jam kemudian fase pengasapan berlangsung 4 jam. Pada produk, selama fase pemanasan suhu naik dengan cepat hingga sekitar 50 °C sementara suhu pelat pancaran yang menghadap produk meningkat. Fenomena ini agak diperlambat oleh pelelehan lemak antara 30 °C dan 40 °C. Selama fase pengeringan, suhu produk hampir tetap antara 50 °C hingga 60 °C, karena penguapan air di permukaan daging.

Akhirnya, setelah fase pengasapan dimulai, suhu produk menurun mengikuti suhu plat di depannya. Selain itu, suhu produk tampaknya cukup homogen karena transfer radiasi cenderung menyeragamkan distribusi energi di dalam ruang memasak. Singkatnya, dapat dikatakan bahwa suhu produk homogen di dalam ruang memasak dan sebagian besar ditentukan baik oleh perpindahan radiasi dan penguapan air. Tingkat kehilangan massa produk selama proses pemasakan terkait dengan fenomena penguapan dan tetesan air dan tetesan lemak.

Dengan demikian, kehilangan massa produk telah didefinisikan dalam model sebagai fungsi dari lemak produk dan kandungan air dan telah diturunkan dari definisi faktor tetesan lemak. Saat memulai proses memasak, suhu produk adalah 5 °C karena daging babi telah disimpan pada suhu rendah. Oleh karena itu, menurut model, kehilangan massa produk adalah nihil selama setengah jam, selama tekanan uap pada permukaan produk lebih rendah dari tekanan uap asap pirolisis. Karena pengeringan dan aliran gravitasi, kehilangan massa produk meningkat sangat cepat selama pemanasan produk. Kemudian, ia melambat segera setelah kadar air produk mencapai nilai kritisnya. Kehilangan massa produk cenderung homogen karena distribusi energi cukup homogen pada permukaan produk.

Proses transfer molekul beracun di dalam produk seperti molekul benzo(a)pyrene, tidak mempengaruhi termodinamika system, tetapi mempengaruhi pengaturan fungsinya karena proses transfer ini tergantung pada tingkat suhu asap pirolisis dan juga mempengaruhi durasi fase pengasapan.

Hasil uji memperlihatkan bahwa kandungan benzo(a)pyrene di dalam produk daging se’i menggunakan tungku pengasapan panas ini <0,3 μg/kg molekul beracun di bawah batas maksimum pada pangan telah diatur dalam Peraturan Kepala Badan POM No. HK.00.06.1.52.4011 Tahun 2009 sebesar 5 μg/kg, sehingga produk se’i daging ini aman untuk dikonsumsi. Dengan demikian, untuk mendapatkan produk daging se’i yang aman dari senyawa hidrokarbon aromatik polisiklik/ polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) maka produsen dapat mengadopsi system unit tungku pengasapan panas seperti pada Gambar 1.

 

Penulis adalah Mahasiswi S-3 Ilmu Pangan IPB University dan Peneliti Bappelitbangda Provinsi NTT

Komentar

Jangan Lewatkan