## FENOMENA HISTERESIS ISOTERMI SORPSI AIR PADA GRANULA PATI AMILOSA GRANULA PATI AMILOPEKTIN, PROTEIN, DAN SELULOSA
[Hysteresis Phenomena of Moisture Sorption Isotherm in Amylose, Amylopectin, Protein, and Cellulose]
Nur Wulandari 1) , dan Soewarno T. Soekarto 1)
1) Jurusan Teknologi Pangan dan Gizi, FATETA, Institut Pertanian Bogor, Kampus IPB Darmaga Bogor 16002
Diterima 25 September  2002/Disetujui 13 Maret 2003

## ABSTRACT
Hysteresis  phenomena  of  four  basic  food  compounds  (amylose,  amylopectin,  casein,  and  cellulose)  were  studied  after  9  days equilibration  in  descicators  at  28 o C.    Adsorption  experiments  started  from  2%  moisture  content  and  desorption  from  wetted  samples  with excessive moisture.  In starch and protein, the hysteresis occurred in the middle range of the sorption isotherm in the range of 10 - 90% RH and no  hysteresis  at  the  lowest  and  highest  ranges  of  RH.    While  in  cellulose  hysteresis  started  at  about  10%  RH  and  was  increasing  to  the saturated RH.
Analyses of stratified  bound water using sorption isotherm data revealed that from the four samples, the desorption  monolayer and secondary bound water fractions were higher than those of adsorption.  However, the tertiary bound water fractions of desorption were lower than those of adsorption, except from the cellulose sample.
Key words : Hysteresis, isotherm, starch, protein, and cellulose

## PENDAHULUAN
Kurva  isotermi  sorpsi  dapat  diperoleh  dengan cara adsorpsi (penyerapan uap air dari udara oleh bahan) maupun secara desorpsi (pelepasan uap air oleh bahan ke udara).    Pada  banyak  kasus,  kurva  adsorpsi  dan  kurva desorpsi  bahan  pangan  tidak  berhimpit  dan  keadaaan tersebut  dikenal  sebagai  fenomena  histeresis.  Pada keadaan ini, proses desorpsi memiliki kadar air yang lebih tinggi dari pada yang diperoleh proses adsorpsi.
Menurut  Labuza  (1984),  laju  kerusakan  pada bahan  desorpsi  lebih  besar.    Selain  itu  histeresis  juga menimbulkan  masalah  pada  aplikasi  prinsip-prinsip termodinamika pada proses pengeringan dan penyimpanan (Rizvi,  1995).  Belum  lengkapnya  pemahaman  tentang histeresis, memerlukan penelitian lebih lanjut.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mempelajari  dan membandingkan  histeresis  pada  amilosa,  amilopektin, protein,  dan  selulosa  dibantu  model  matematika  isotermi sorpsi  yang  sesuai,  sehingga  dapat  diperoleh  data  dasar mengenai histeresis dan parameter fisik keadaan air terikat pada  bahan  tersebut  agar  dapat  diterapkan  pada  proses penggudangan dan penyimpanan.

## METODOLOGI
Bahan  dan alat Dalam  penelitian  ini  digunakan  4  bahan percobaan  dan  17  bahan  untuk  mengatur  kelembaban relatif (RH) desikator.  Bahan percobaan terdiri dari amilosa (Starch  Soluble,  merk  Merck  Jerman),  amilopektin (Amylopectin  from  waxy  corn,  merk  TCI,  Jepang),  kasein (Casein,  merk  Cica  Kanto,  Jepang),  dan  selulosa (Microcrystalline  Cellulose  merk  Avicell  PH101,  Amerika). Untuk  mengatur  RH  desikator  digunakan  larutan  garam jenuh  (Tabel  1).  Bahan-bahan  tersebut  diperoleh  dari Jurusan  Teknologi  Pangan  dan  Gizi  IPB,  dan  toko  bahan kimia sekitar Bogor.

## Peralatan
Peralatan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini terdiri  dari  peralatan  untuk  membuat  larutan  garam  jenuh berupa alat-alat gelas; peralatan untuk penentuan isotermi sorpsi berupa desikator (Gambar 1), inkubator suhu 28 o C, oven  bersuhu  70 o C;  dan  alat  untuk  menentukan  kadar  air berupa  oven  suhu  105 o C,  neraca  analitik,  dan  desikator berisi gel silika.
Metode Penelitian  tahap  pertama  bertujuan  untuk menentukan  kurva  isotermi  adsorpsi  pada  amilosa, amilopektin,  kasein,  dan  selulosa.  Sebelumnya  dilakukan
pembuatan larutan garam-garam jenuh sebanyak + 100 ml untuk setiap desikator.   Untuk percobaan adsorpsi, bahan diturunkan kadar airnya dengan pengeringan di dalam oven bersuhu  70 o C  sampai  tercapai  kadar  air  2%.    Bahan tersebut  kemudian  dimasukkan  ke  dalam  cawan  dan disusun  di  dalam  desikator  (Gambar  1).    Desikator disimpan dalam ruang inkubator suhu 28 o C, dan setiap hari dilakukan  penimbangan  pada  bahan  sampai  setimbang. Bahan  tersebut  kemudian  diukur  kadar  airnya  dengan metode oven (AOAC, 1995).
Tabel 1. Nilai kelembaban relatif larutan garam jenuh pada suhu 28 o C* No Larutan RH (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
LiCl KC 2 H 3 O 2 MgCl 2 NaI K 2 CO 3 Mg(NO 3 ) 2 NaBr KI NaNO 3 NaCl KBr KCl K 2 CrO 4 BaCl 2 NH 4 H 2 PO 4 K 2 SO 4 K 2 CrO 7
11.2 22.2 32.5 36.8 43.7 51.9 56.8 68.2 73.0 75.2 80.2 83.8 86.3 89.7
92.2 96.7 97.5 *Sumber : Hasil interpolasi grafik dari Syarief dan Halid (1991) dan Hall (1981) Inkubator Desikator
Cawan alumunium
Penyangga berlubang
Larutan garam jenuh
Gambar 1.  Penyetimbangan contoh di dalam desikator
Penelitian tahap kedua bertujuan untuk menentukan kurva  isotermi  desorpsi  air  pada  amilosa,  amilopektin, kasein,  dan  selulosa.    Perbedaan  tahap  ini  dengan  tahap pertama  adalah  pada  perlakuan  awal  bahan.    Bahan dinaikkan  kadar  airnya  dengan  membasahinya  dengan sejumlah air dan dibiarkan selama 1 jam, sampai tercapai kadar  air  yang  lebih  besar  atau  sama  dengan  kadar  air bahan adsorpsi pada RH tertinggi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Isotermi adsorpsi dan desorpsi
Dengan  menentukan  hubungan  kadar  air kesetimbangan  dengan  a w bahan  secara  adsorpsi  dan desorpsi, dapat diperoleh kurva histeresis setiap bahan.

## Isotermi sorpsi amilosa
Kurva  histeresis  amilosa  (Gambar  2A)  berbentuk sigmoid,  dimana  kurva  desorpsi  berada  di  atas  kurva adsorpsi  dan  pada  ujungnya  menyatu.    Lop  histeresis (renggangan  kurva  adsorpsi  dan  desorpsi)  relatif  besar terutama pada a w 0.6, dengan kisaran histeresis yang lebar (0.1 - 0.9).  Kurva histeresis amilosa ini mirip dengan kurva histeresis  amilosa  AVEBE  (Van  den  Berg,  1981)  dengan bentuk  lengkungan  dan  lop  histeresis  pada  kisaran  yang sama.  Amilosa AVEBE telah tergelatinisasi (Van den Berg, 1981), sedangkan amilosa percobaan belum tergelatinisasi. Hal  ini  menunjukkan  bahwa  gelatinisasi  amilosa  tidak berpengaruh  pada  bentuk  kurva  histeresisnya.    Lop histeresis  amilosa  yang  besar  diduga  terkait  dengan  sifat amilosa yang dapat mengalami retrogradasi.
Bila  kurva  histeresis  amilosa  dibandingkan  dengan kurva  histeresis  bahan  pangan  lain  yang  banyak mengandung  pati  seperti  pati  kentang  dan  pati  gandum (Van  den  Berg,  1981),  pati  jagung  (FAO,  1970;  didalam Hunt  dan  Pixton,  1974),  beras  (Benado  dan  Rizvi,  1985), dan nasi yang dikeringbekukan (Wolf et al., 1972), terlihat kesamaan bentuk kurva histeresisnya.  Variasi yang terjadi diduga  karena  perbedaan  suhu  percobaan  (Wolf  et  al., 1972),  dan  karena  pengaruh  gelatinisasi  dimana  bahan yang tergelatinisasi memiliki lop histeresis yang lebih besar. Namun  hal  ini  diduga  bukan  karena  pengaruh  amilosa  di dalamnya.

## Isotermi sorpsi amilopektin
Kurva  histeresis  amilopektin  (Gambar  2B) berbentuk  sigmoid,  dimana  kurva  desorpsi  berada  di  atas kurva adsorpsi mirip dengan kurva histeresis amilosa.  Lop histeresis  sangat  kecil  dengan  kisaran  histeresis  yang cukup  besar  (0.1-0.9).    Bila  dibandingkan  dengan  kurva histeresis  amilopektin  AVEBE  (Van  den  Berg,  1981), terlihat adanya persamaan pada kisaran histeresis , tetapi berbeda  pada  lop  histeresisnya  dimana  lop  histeresis amilopektin  AVEBE  relatif  besar.    Hal  itu  diduga  terjadi karena sifat granula pati amilopektinnya berbeda,  dimana amilopektin percobaan belum tergelatinisasi (Van den Berg, 1981).Diduga, ikatan cabang amilopektin yang tergelatinisasi  telah  terbuka  sehingga  lebih  banyak mengikat air.
Gambar 2. Isotermi adsorpsi dan desorpsi amilosa, amilopektin, kasein, dan selulosa pada suhu 28 C
Bila dibandingkan dengan bahan pangan lain yang banyak  mengandung  pati  terlihat  perbedaan  pada  kisaran histeresis  karena  pengaruh  suhu  percobaan  (Wolf  et  al., 1972),  dan  pada  lop  histeresis  karena  sifat  granula  pati yang berbeda akibat gelatinisasi.  Lop histeresis yang kecil pada  amilopektin  yang  belum  tergelatinisasi  dipengaruhi oleh sifat amilopektin yang tidak mengalami retrogradasi.

## Isotermi sorpsi kasein
Kurva  histeresis  kasein  (Gambar  2C)  berbentuk sigmoid,  dimana  kurva  desorpsi  berada  di  atas  kurva adsorpsi.    Lop  histeresis  relatif  besar  dengan  kisaran histeresis yang lebar (0.05-0.9).  Bila dibandingkan dengan kurva isotermi sorpsi kasein (Aguilera dan Stanley, 1990), terlihat  bentuk  yang  mirip  (bentuk  sigmoid)  namun  kadar airnya  berbeda  karena  metode  percobaan  yang  berbeda. Bentuk  kurva  histeresis  bahan  pangan  lain  yang mengandung  protein  tinggi  seperti  protein  kedelai (Peterson  dan  Johnson,  1978),  putih  telur  (FAO  1970;  di dalam  Hunt  dan  Pixton,  1974),  dan  daging  babi  yang dikeringbekukan  menunjukkan  persamaan  pada  lop histeresis  yang  lebar  dengan  peningkatan  kadar  air  yang tinggi  pada  a w 0.9-1;  dan  perbedaan  pada  lop  histeresis yang dipengaruhi interaksi air dengan protein yang sangat beragam.

## Isotermi sorpsi selulosa
Kurva  histeresis  selulosa  (Gambar  2D)  berbentuk sigmoid,  dimana  kurva  desorpsi  berada  di  atas  kurva adsorpsi dengan ujung terpisah.  Bentuk histeresis selulosa berbeda  dengan  bahan  percobaan  sebelumnya,  dimana renggangan histeresis semakin besar dengan meningkatnya  a w sehingga    tidak  terdapat  lop  (tidak terdapat  titik  penutup  histeresis).    Bila  dibandingkan dengan  kurva  isotermi  selulosa  menurut    Cadden  (1988), terlihat bentuk kurva dan kandungan air yang relatif sama. Kurva  histeresis  selulosa  percobaan  mirip  dengan  kurva histeresis  viskos  rayon  (Zeronian  dan  Kim,  1989),  yang tidak memiliki lop histeresis.

## Air  terikat  primer
Air terikat primer menunjukkan fraksi air yang terikat sangat  kuat,  merupakan  adsorpsi  air  yang  bersifat  satu lapis molekul air atau monolayer (Van den Berg dan Bruin, 1981).    Air  terikat  primer  dapat  ditentukan  dengan menggunakan model matematika isotermi sorpsi BET, yang penerapannya hanya berlaku pada a w 0-0.05 (Rizvi,1995). Persamaan BET (Labuza, 1984) :
w o o w w a c m c c m m a a 1 1 1 ) ( …(1)
dimana m adalah kadar air (% bk), c adalah konstanta, dan m o adalah  kapasitas  air  terikat  primer  (%  bk).    Plot persamaan  BET  yang  merupakan  persamaan  garis  lurus dapat dilihat pada Gambar 3.  Pada Tabel 2. disajikan hasil perhitungan nilai c dan m o keempat bahan dan aktivitas air yang berkesetimbangan dengan m o (a o ).

## Air  terikat  sekunder
Air  terikat  sekunder  merupakan  fraksi  air  terikat yang  berada  di  atas  lapisan  air  terikat  primer,  yang membentuk  lapisan  multilayer  (Rockland,  1969).    Untuk menentukan  kapasitas  air  terikat  sekunder  digunakan model Analisis Logaritma yang dikemukakan oleh Soekarto (1978), dengan persamaan :
log (1-a w ) = a +  b (m)    ….(2)
Dimana  m  adalah  kadar  air  (g  air/g  bahan  kering)  pada aktivitas air a w ; a adalah titik potong pada ordinat, dan b adalah  faktor  kemiringan.    Menurut  Soekarto  (1978),  plot data  persamaan  tersebut  menghasilkan  garis  lurus  yang patah  menjadi  dua  garis  lurus.    Plot  persamaan  tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.  Garis lurus pertama mewakili air terikat sekunder dengan persamaan :
log (1-a w ) = a 1 +  b 1 (m)    ….(2a)
Dan  garis  lurus  kedua  mewakili  air  terikat  tersier  dengan persamaan :
log (1-a w ) = a 2 +  b 2 (m)       ….(2b)
Dengan  menentukan  titik  potong  kedua  persamaan tersebut menggunakan persamaan :
a 1 +  b 1 (m s )  =  a 2 + b 2 (m s ) ….(3) dapat diperoleh kapasitas air terikat sekunder (m s ).
Pada  Tabel  2.  dapat  dilihat  hasil  perhitungan dengan  nilai  m s keempat  bahan  dan  aktivitas  air  yang berkesetimbangan  dengannya  (a s ).    Nilai  m p yang merupakan  titik  potong  persamaan  garis  lurus  pertama dengan absis juga ditentukan.

## Perbandingan histeresis
Dari  nilai  m o dan  m s, serta  kapasitas  air  terikat tersier (m t ) yang diketahui dengan melakukan ekstrapolasi pada kurva isotermi sorpsi saat  nilai a w = 1, dapat dihitung fraksi  air  terikat  sekunder  (m s -  m 0 )  dan  fraksi  air  terikat tersier (m t - m s )    seperti    terlihat    pada    Tabel    2. Nilai  mo  terbesar  dimiliki  amilosa,  sedangkan  niai mo  terkecil  dimiliki  selulosa.  Walaupun  molekul  penyusun amilosa dan selulosa sama (yaitu glukosa), namun struktur selulosa  yang  kaku  menyebabkan  kemampuan  mengikat airnya lebih rendah.
Nilai m p desorpsi selalu lebih besar daripada nilai m 0 adsorpsi.    Pembandingan  m p dengan  m o tidak menunjukkan adanya korelasi antar kedua nilai tersebut.
Gambar 3. Plot isotermi sorpsi air menurut persamaan BET pada suhu 28 C
Tabel 2. Parameter isotermi sorpsi amilosa, amilopektin, kasein, dan selulosa secara adsorpsi dan desorpsi, pada suhu 28 C
Amilosa Amilopektin Kasein Selulosa Adsorpsi Desorpsi Adsorpsi Desorpsi Adsorpsi Desorpsi Adsorpsi Desorpsi c m o (%) a o m p (%) m s (%) a s m s -m o (%) m t m t - m s
11.62 6.62 0.232 6.18 24.24 0.877 17.62 41.00 16.76 9.69 9.74 0.224 13.96 27.56 0.877 17.62 41.00 16.76 12.21 6.35 0.228 6.35 20.22 0.878 13.67 36.00 15.78 21.78 6.47 0.180 7.08 21.89 0.891 15.42 36.00 14.11 6.89 5.06 0.272 3.52 17.10 0.866 12.04 36.00 19.50 10.74 6.42 0.224 7.11 19.76 0.880 13.34 36.6 16.84 7.70 3.03 0.264 2.80 9.89 0.866 6.86 20.0 10.11 6.04 3.52 0.280 1.62 13.41 0.873 9.89 25.0 11.59
Nilai m s desorpsi juga selalu lebih besar daripada m s adsorpsi.    Hal  ini  menunjukkan  bahwa  pada  air  terikat sekunder  juga  terjadi  perbedaan  pengikatan  air  pada proses adsorpsi dan desorpsi.  Nilai a s pada semua bahan sekitar  a w 0.88.    Nilai  m s -m o bahan  desorpsi  juga  selalu lebih besar daripada m s -m o bahan adsorpsi.
Nilai m t terbesar dimiliki amilosa sedangkan nilai m t terkecil dimiliki selulosa.  Nilai m t -m s bahan adsorpsi selalu lebih besar daripada bahan desorpsi kecuali pada selulosa. Hal  ini  menunjukkan  bahwa  bahan  adsorpsi  lebih  banyak menyerap  air  saat  pemenuhan  kapiler  bahan.    Diduga setelah  terbentuk  lapisan  air  terikat  primer  dan  air  terikat sekunder, penyerapan air pada kapiler bahan menjadi lebih mudah.

## KESIMPULAN
Kurva  histeresis  amilosa,  amilopektin,  kasein  dan selulosa berbentuk sigmoid, dengan kisaran histeresis yang lebar  yang  terjadi  pada  bagian  tengah  kurva  (daerah multilayer).    Ukuran  histeresis  bervariasi  tergantung karakteristik  bahan  tersebut.    Nilai  m o , m s ,  dan  m s -m o bahan desorpsi selalu lebih besar daripada bahan adsorpsi, menunjukkan  perbedaan  pengikatan  air  pada  daerah  air terikat primer dan air terikat sekunder.  Nilai m t -m s bahan adsorpsi  lebih  besar  daripada  bahan  desorpsi, menunjukkan  bahwa  setelah  air  terikat  sekunder  penuh, pengisian kapiler bahan lebih mudah terjadi.

## DAFTAR PUSTAKA
AOAC, 1995. Official Methods of Analysis of Association of Official of Analytical Chemist, Washington D.C.
Aguilera,  J.M.  dan  D.W.  Stanley.    1990. Microstructural Principles  of  Food  Processing  Engineering. Elsevier Applied Science, London, New York.
Benado,  A.L.  and  Rizvi.  S.S.H.    1985. Thermodynamic properties  of  water  on  rice  as  calculated  from reversible  and  irreversible  isotherms.  J.  Food.  Sci. 50 : 101-105.
Cadden,  A.M.  1988. Moisture  sorption  characteristics  of several food fiber.  J. Food Sci. 53 : 1150-1155.
Hall, C.W. 1980. Drying and Storage of Agricultural Crops.
The AVI Publ. Co., Inc., Westport, Connecticut.
Hunt,  W.H.  and  Pixton,  S.W.  1974. Moisture-Its Significance, Behaviour, and Measurement. Dalam M. Christensen (Ed).  Storage of Cereal Grains and Their Products. Am. Assoc. Cereal Chem., St. Paul Minnesota.
Labuza, T.P. 1984. Moisture Sorption : Practical Aspects of Isotherm  Measurement  and  Use.  Am.  Assoc. Cereal Chem., St. Paul Minnesota.
Peterson, M.S. and Johnson, A.H.  1978. Encyclopedia of Food  Science.    The  AVI  Publ.  Co.,  Inc.  Westport, Connecticut.
Rizvi, S.S.H.  1995. Thermodynamic Properties of Food in Dehydration.  Dalam  M.A.  Rao  and  Rizvi,  S.S.H. (Eds).  Engineering  Properties  of  Foods.    Marcel Dekker, New York.
Rockland, L.B.  1969. Water activity and storage stability. Food Technol.  23 : 1241-1251.
Soekarto,  S.T.    1978. Pengukuran  air  ikatan  dan peranannya  pada  pengawetan  pangan  (Bound water  determination  and  its  significance  to  food preservation).  Bulletin  Perhimpunan  Ahli  Teknologi Pangan Indonesia. 4 : 4 - 18.
Syarief,  R.  dan  Halid,  H.  1991. Teknologi  Penyimpanan Pangan. Arcan. Jakarta.
Van  den  Berg,  C.    1981. Vapour  sorption  equilibria  and other  water-starch  interactions;  a  physicochemical approach.    Doctoral  thesis,  Agricultural  University,
Wagenigen.
Van den Berg, C. and Bruin, S.  1881. Water activity and its estimation in food systems : theoretical aspects. Dalam  Water  Activity  :  Influences  in  Food  Quality. Rockland, L.B. and Steward, G.F. (ed).  Academic Press.  London.
Wolf,  M.,    Walker,  J.E.  and  Kapsalis,  J.G.  1972. Water vapor  sorption  hysteresis  in  dehydrated  foods.  J. Agr. Food Chem. 20 : 1073.
Zeronian,  S.H.    and  Kim,  M.S.  1989. Studies  of  water vapor  sorption  hysteresis  in  viscose  rayon  and Chemically  modified  viscose  rayon.  Dalam  C. Schuerch (Ed). Cellulose and Wood, Chemistry and Technology. J. Wiley and Sons, Inc.  New York.

## DAFTAR SIMBOL
a o = aktivitas air yang berkesetimbangan dengan m o
a s = aktivitas air yang berkesetimbangan dengan m s a w = aktivitas air
c = konstanta persamaan BET m
= kadar air (% basis kering) m o = kapasitas air terikat primer m p = titik potong persamaan garis lurus pertama dengan absis pada model analisis logaritma m s = kadar air terikat sekunder m t = kapasitas air terikat tersier m s - m o = fraksi air terikat sekunder m t - m o = fraksi air terikat tersier RH = kelembaban relatif