Teknik keamanan pangan
Teknik Keamanan Pangan adalah cabang ilmu teknik yang mengkhususkan pada aplikasi prinsip
ilmu teknik untuk mennyelesaikan masalah keamanan mikrobial dan kimia pada produk pangan, sedangkan keamanan pangan itu sendiri adalah disiplin ilmu yang melakukan penanganan,
penyajian, dan penyimpanan bahan pangan dengan cara sedemikian rupa agar terhindar dari penyakit
yang bersumber dari bahan pangan ("foodborne illness"). Prinsip ini dapat diaplikasikan dalam
perkembangan intervensi teknologi untuk dekontaminasi dan pengawetan pangan. Ilmu teknik
yang terintegrasi dengan konsep mikrobiologi dan kimia memegang potensi yang cukup besar dalam
pengembangan solusi non konvensional terhadap masalah keamanan pangan yang membahayakan.
Pelanggaran terhadap keamanan pangan dapat terjadi ketika pemrosesan, penyimpanan, dan
distribusi bahan pangan, baik itu berupa prosesnya maupun alat yang digunakan. Teknik keamanan
pangan merupakan bagian yang tidak terpisah dari teknik pengolahan pangan dan hasil pertanian,
ilmu pangan, dan teknologi pangan karena semuanya bertanggung jawab dalam hal pemrosesan
bahan pangan sejak dipanen hingga siap dipasarkan.
Teknik keamanan pangan bukan mengenai investigasi dan pengecekan suatu proses maupun rantai produksi
pangan, namun lebih kepada aplikasi teknik untuk menciptakan proses maupun rantai produksi pangan
yang aman tanpa mengurangi kriteria yang dibutuhkan masyarakat mengenai produk pangan.
Prinsip ilmu teknik keamanan pangan dapat diaplikasikan di:
Penyediaan produk pangan yang aman merupakan proses yang rumit, membutuhkan pengendalian terpadu
sepanjang rantai produksi pangan dan konsumsinya . Peningkatan
kepedulian terhadap keamanan pangan teah memicu pengembangan yang terus berlanjut dalam bidang
teknologi pemrosesan. Para pakar di bidang teknik, mikrobiologi, kimia, dan cabang ilmu lainnya
telah membawa peningkatan yang cukup berarti dalam kualitas dan keamanan pangan.
Pemrosesan pangan konvensional memanfaatkan proses termal (pemanasan, pendinginan, dsb)
untuk membunuh atau menon-aktifkan kontaminan mikrobiologi. Namun, pemrosesan termal memicu
perubahan fisik dan kimia pada bahan pangan. Pengawet kimia dan senyawa antimikroba alami juga
telah digunakan secara ekstensif pada pengawetan pangan. Dalam dua tahun ini, sejumlah alternatif
pengolahan pangan non-termal telah berkembang demi pengendalian kontaminan mikrobial dan pemenuhan
kebutuhan konsumen terhadap bahan pangan yang segar dengan proses pengolahan yang minimal.
Pemrosesan bertekanan tinggi adalah metode di mana bahan pangan diberikan tekanan yang tinggi
(hingga 700 MPa) dengan atau tanpa penambahan panas, untuk menon-aktifkan mikroba atau untuk
mengubah sifat dan penampilan bahan pangan dengan maksud memenuhi keinginan konsumen. Pemrosesan ini dapat
mempertahankan kualitas bahan pangan, mempertahankan kesegaran alaminya, dan memperpanjang umur simpan bahan pangan. Pemrosesan ini dapat digunakan baik pada bahan pangan cair maupun padat.
Contoh bahan pangan yang sudah beredar yang telah mengalami pemrosesan ini adalah "smoothies",
"guacamole", bahan pangan siap saji, kerang, ham, daging ayam, jus buah, dan
salsa yang diproduksi oleh industri pengolahan pangan. Bahan pangan utama yang menjadi subjek
pemrosesan ini adalah bahan pangan yang memiliki tingkat keasaman yang tinggi karena bisa dengan
mudah menon-aktifkan mikroba di dalamnya. Makanan dengan tingkat keasaman yang rendah memiliki
kesulitan terutama dalam mematikan spora atau bakteri yang dorman.
Tekanan bekerja pada semua titik dari produk dalam besaran yang sama, berbeda dengan pemrosesan
termal terkait adanya gradien pemanasan yang mengakibatkan adanya perubahan yang dipicu oleh hal
tersebut seperti "browning", denaturasi, atau pembentukan lapisan.
Mikroorganisme dengan tingkat pertumbuhan yang eksponensial bisa lebih mudah dinon-aktifkan
dibandingkan yang stasioner, dan bakteri gram positif lebih resistan dibandingkan bakteri gram
negatif. Laporan penelitian juga menunjukkan bahwa pemrosesan dengan tekanan yang tinggi dapat
digunakan untuk melawan hepatitis A pada kerang dan juga norovirus. Penelitian mengenai inaktivasi spora bakteri membutuhkan tekanan tinggi dan temperatur
yang sedang sekaligus. Hingga saat ini, jumlah strain bakteri "Clostridium botulinum" yang
bisa dinonaktifkan dengan metode ini masih terbatas. Dan hingga saat ini, spora non-proteolitik tipe
B adalah spora patogen yang paling tahan terhadap tekanan tinggi. Dan di antara bakteri pembentuk endospora,
"Bacillus amyloliquefaciens" menghasilkan spora yang paling tahan teradap tekanan tinggi.
Penghancuran mikroorganisme dengan medan gelombang elektrik dicapai dengan
mengaplikasikan gelombang pendek bertegangan tinggi di antara serangkaian
elektrode yang menyebabkan gangguan pada membran sel mikroba.
Metode ini melibatkan pengolahan pangan dengan menempatkannya di antara rangkaian elektrode dengan
gelombang bertegangan tinggi dalam ordo 20-80 kV/cm. Metode seperti ini bahkan bisa diaplikasikan
untuk proses pasteurisasi. Hingga saat ini, teknologi yang tersedia hanya
untuk bahan pangan yang bisa mengalir.
Banyak sel vegetatif dari bakteri, jamur, dan ragi yang bisa dinon-aktifkan dengan
metode ini, namun spora bakteri tidak. Bakteri gram positif lebih
resistan terhadap metode ini, dan ragi menunjukkan sensivitas yang lebih tinggi dari bakteri
Gelombang pendek bertegangan tinggi memecah membran sel dari mikroorganisme vegetatif dalam media
cair dengan cara mengembangkan pori-pori yang ada (elektroporasi) atau membuat pori-pori membran
yang baru. Pembentukan pori tersebut bisa reversibel
maupun irreversibel tergantung banyak faktor seperti intensitas medan listrik, durasi gelombang,
dan jumlah gelombang. Membran sel yang terelektrifikasi menjadi sangat permeabel bahkan terhadap
molekul yang kecil sehingga menyebabkan pembengkakan dan kerusakan pada membran sel.
Sejumlah faktor kritis pemrosesan, kondisi penelitian yang kurang spesifik, dan keragaman alat
membuat metode ini sulit untuk didefinisikan secara tepat dalam hal parameter yang esensial untuk
inaktivasi mikroba.
Pada tahun 1990, irradiasi (radiasi ionisasi, "ionizing radiation", merujuk pada "pasteurisasi dingin") telah disetujui oleh FDA sebagai metode pengurangan mikroba yang efektif dan aman
untuk bahan pangan tertentu, termasuk rempah-rempah, daging ayam, telur, daging merah, makanan laut, kecambah, buah-buahan, dan sayur-mayur. Irradiasi mencakup penggunaan sinar gamma (dari Cobalt-60 atau Cesium-137),
sinar beta, dan sinar X. Radiasi ini memberikan energi yang diperlukan
untuk memindahkan elektron dari atom untuk membentuk ion atau radikal bebas namun tidak
cukup tinggi untuk membuat produk pangan terpengaruh. Elektron yang terbebaskan menabrak dan memecah
ikatan kimia dari molekul DNA mikroba dan menghancurkannya (Smith and Pillai, 2004). Tingkat
pengurangan mikroba tegrantung pada dosis radioaktif (kGy) yang diserap oleh bahan pangan.
Faktor kunci yang mengendalikan ketahanan dari sel-sel mikroba terhadap irradiasi adalah ukuran
organisme (semakin kecil organisme, semakin resistan), tipe organisme, jumlah dan usia relatif dari
mikroba di dalam bahan pangan, dan keberadaan oksigen. Komposisi dari bahan pangan juga
memengaruhi respon mikroba terhadap irradiasi. Perlakuan radiasi pada
dosis 2-7 kGy, tergantung kondisi irradiasi dan bahan pangannya, bisa secara efektif mengurangi
bakteri patogen yang tidak berspora seperti "Salmonella sp", "Staphylococcus aureus",
"Campylobacter jejuni", "Listeria monocytogenes", "Escherichia coli", tanpa
memengaruhi sifat organoleptik (rasa, bau, dsb), nutrisi, dan kuaitasnya.
Cahaya ultra violet gelombang pendek (UV C, 254 nm) dapat digunakan untuk mengurangi keberadaan
mikroba di udara maupun di permukaan bahan pangan. UV C juga dapat digunakan
untuk mengurangi patogen dalam air. Jangkauan radiasi 250-260 nm mematikan bagi sebagian
besar mikroorganisme, termasuk bakteri, virus, jamur bermiselium, ragi, dan alga. Kerusakan akibat UV C ada pada molekul sel yang menjadi target tergantung dosis UV C,
misalnya pada dosis antara 0.5 - 20 J/m2 dapat mengakibatkan kerusakan pada DNA mikroba. Begitu DNA rusak, kemampuan reproduksi dan penyebaran penyakit menjadi tidak ada.
Sinar UV gelombang panjang (UV A, >320 nm) memiliki kemampuan terbatas dalam mengeliminasi mikroba,
namun UV A mampu menembus air lebih baik dari UV C. Kemampuan UV A dalam
mengeliminasi bakteri dapat ditingkatkan dengan penambahan senyawa fotosensitif (misalnya
"furocoumarin").
Parameter yang menentukan keberhasilan penggunaan sinar UV dalam teknik keamanan pangan adalah
desain reaktor UV, dinamika fluida, dan sifat absorptivitas dari bahan pangan. Partikel
tersuspensi dapat mengurangi efektivitas penggunaan UV karena menyebabkan meningkatnya jumlah
absorban, pemantulan, dan penghalangan sinar UV.
Untuk mensterilkan udara dalam fasilitas manufaktur pangan, kombinasi filter udara dan cahaya UV
amat direkomendasikan. Kombinasi UV dan ozon memiliki kekuatan mengoksidasi yang
kuat dan dapat mengurangi jumlah material organik di dalam air hingga mendekati nol.
Teknik penggunaan radiasi UV C dan panas sekaligus untuk produksi daging mentah berkualitas tinggi
telah dipatenkan.
Meski relatif mudah dan tidak mahal, pemaparan sinar UV dapat menjadikan makanan kehilangan rasa.
Ozon adalah biosida yang efektif dalam melawan bakteri, virus, jamur, dan telah lama
digunakan dalam pembersihan bahan pangan tanpa pencucian. Konsentrasi ozon yang rendah dengan waktu
kontak yang sempit cukup untuk mematikan bakteri, jamur, ragi, parasit, dan virus.
Sekarang, ozon dalam bentuk gas dan cair dapat digunakan dengan kontak langsung terhadap bahan
makanan seperti buah-buahan, sayur-mayur, daging mentah maupun daging siap makan, ikan, dan telur.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa spora bakteri merupakan yang paling resistan, dan sel vegetatif
bakteri adalah yang paling sensitif terhadap ozon. Dalam proses sanitasi, air yang
diperkaya dengan ozon diketahui dapat mengurangi populasi "Staphylococcus aureus",
"Salmonella chloraesuis", dan "Pseudomonas aeruginosa" sebanyak 6 log; "Escherichia coli" sebanyak 5 log; dan "Listeria monocytogens" dan "Campylobacter jejuni" sebanyak
4 log, di mana 1 log adalah 10.
Di antara spora yang dihasilkan berbagai jenis bakteri, spora "Bacillus stearothermophilus"
memiliki resistansi tertinggi, dan spora "Bacillus cereus" memiliki resistansi terendah,
sehingga "B. stearothermophilus" dapat digunakan sebagai indikator efektivitas suatu alat sanitasi
yang menggunakan ozon. Ozon dalam larutan cair dapat digunakan dengan
alat-alat yang terbuat dari keramik, gelas, silikon, teflon, dan baja tahan karat, namun tidak cocok digunakan dengan alat yang terbuat dari karet alam, poliuretan,
dan plastik berbasis resin.
Sebanyak 38% produk makanan yang ditarik oleh FDA pada tahun 2004 terkait dengan kontaminasi
mikroba, dan juga 44% produk daging, daging ayam, dan telur oleh USDA Food Safety and Inspection
Service. Dan sepanjang 20 tahun terakhir, 5000 produk yang ditarik dari pasar
menunjukkan adanya "Salmonella typhimurium", "Listeria monocytogenes", dan "Escherichia coli". Hal ini menjadikan pendeteksian dan identifikasi patogen pada bahan pangan yang
cepat, efisien dan dapat diandalkan menjadi suatu kebutuhan.
Pendeteksian patogen dan kontaminan mikroba lainnya penting demi menjamin keamanan pangan. Metode
konvensional dalam pendeteksian patogen bahan pangan memakan banyak waktu dan tenaga. Untuk
menyelesaikan seluruh fase pemeriksaan dibutuhkan 16-48 jam. Penemuan terbaru di bidang teknologi
menjadikan pendeteksian dan identifikasi lebih cepat, nyaman, sensitif, dan lebih spesifik
dibandingkan pengujian konvensional.
Ada banyak metode yang dilakukan dalam teknik pengendalian, pemantauan, dan identifikasi dalam
teknik keamanan pangan.
Salah satu penemuan yang terkenal dalam bidang mikrobiologi adalah piringan media kromogenik
yang mampu membedakan spesies patogen berbahaya dari spesies lainnya. Media ini memanfaatkan
substansi kromogenik yang menghasilkan sekumpulan warna yang terkait dengan spesies patogen tertentu
ketika substrat ini mengalami hidrolisis oleh enzim patogen tersebut. Piringan kromogenik mudah
digunakan dan spesifik terhadap spesies patogen dan strain tertentu tergantung enzim yang
dikeluarkan oleh patogen tersebut. Dan pada umumnya, hasilnya bisa terlihat setelah 18-24 jam
setelah inkubasi. Hal ini memungkinkan bagi perusahaan makanan untuk meminimalisasi biaya
terkait dengan hal yang serupa, dan waktu yang terpakai bisa jauh berkurang.
Pendeteksian berbasis teknologi molekular atau DNA adalah salah satu area yang mengalami perkembangan yang cepat terkait pengembangan sistem pengujian patogen. Pengujian berbasis imunologik seperti pengujian imunologik terkait enzim ("Enzyme-Linked Immunological Assay", ELISA), pengujian imunologik berlapis berbasis fluoresensi ("fluorence-based sandwich immunological assay"), "Western blot", dan pengujian aglutinasi juga dapat digunakan untuk mengetahui keberadaan mikroba di dalam bahan pangan. Secara umum, kelemahan metode ini adalah ketidak mampuan dalam mendeteksi keberadaan patogen yang terdapat dalam jumlah yang kecil, sensitivitas yang bervariasi, dan kemungkinan untuk melakukan isolasi pengkulturan untuk satu organisme
Kuncinya ada pada DNA dari bakteri patogen itu sendiri dan komponen yang ada di sekitarnya. Pada pengujian berbasis DNA, yang menjadi target adalah gen RNA ribosom yang dapat diambil dalam jumlah banyak sehingga memberikan sensitivitas pengujian yang lebih tinggi. Ada juga yang memanfaatkan reaksi berantai polimerase ("polymerase chain reaction", PCR) yang memanfaatkan prinsip dasar hibridisasi DNA di mana potongan pendek DNA primer dihibridisasi pada bagian yang spesifik yang diperbanyak secara enzimatis. Secara teori, PCR dapat memperbanyak satu salinan DNA menjadi jutaan dalam waktu kurang dari 2 jam sehingga mengurangi dan bahkan meniadakan kebutuhan terhadap pengkulturan bakteri. Kehadiran inhibitor pada makanan dan pada banyak media kultur dapat mencegah terjadinya pengikatan primer dan mengurangi efisiensi perbanyakan DNA sehingga sensitivitas yang tinggi yang mungkin didapat dari PCR pada kultur murni menjadi berkurang ketika dilakukan pengujian terhadap bahan pangan. PCR juga dibatasi oleh kebutuhan terhadap informasi yang spesifik terhadap patogen yang menjadi target. PCR juga tidak dapat digunakan untuk mendeteksi jumlah jenis organisme yang banyak dalam suatu campuran secara simultan.
ELISA (enzyme-linked immunological assay) adalah teknik biokimia yang digunakan untuk mendeteksi antibodi atau antigen dari sampel. Antibodi yang digunakan dipertemukan dengan enzim yang akan menghasilkan efek kromogenik atau fluoresensi yang akan memberikan tanda kehadiran bakteri dan seberapa besar jumlahnya, tergantung waktu yang digunakan untuk melakukan pengayaan kultur.
Biosensor adalah metode yang dikembangkan untuk mendeteksi mikroorganisme dan toksin yang berbahaya. Biosensor menggunakan bioreseptor seperti biokatalis, bioafinitas, dan reseptor hibrida untuk mengenali berbagai tanda khusus yang akan terikat dengan bioreseptor seperti enzim, antibodi, mikroba, protein, hormon, asam nukleat, dan sebagainya; lalu transduser akan mengubah sinyal itu ke dalam informasi analitik kuantitatif. Prinsipnya sederhana, patogen dideteksi berdasarkan karakteristiknya, misalnya enzim yang dikeluarkannya. Enzim itu akan berikatan dengan senyawa pengenal yang ada pada biosensor, misalnya protein yang mampu membuat enzim itu bekerja. Hal itulah yang dideteksi oleh biosensor. Dan seberapa banyak hasil pekerjaan dari enzim yang menjadi target biosensor menunjukkan berbagai nilai kuantitatif seperti seberapa banyak patogen yang terdapat dalam bahan pangan, seberapa berbahaya enzim tersebut (jika enzim itu yang menjadikan bahan pangan beracun), dsb.
Pengukuran jumlah zat yang dihasilkan oleh kerja enzim ataupun reaksinya diukur dengan berbagai tipe transduser seperti peralatan elektrokimia (amperemeter, potensiometer, konduktimeter) yang mengukur mobilitas ion, difusi elektron, muatan kimia, dsb; termal yang mengukur perubahan temperatur; optis yang mengukur absorpsi, reflektansi, atau emisi radiasi elektromagnetik; dan piezoelektrik yang mengukur perubahan massa atau viskositas skala mikro. Metode biosensor menjanjikan durasi pendeteksian antara 0.5-2 jam lamanya
Kelemahan biosensor adalah kemungkinan adanya interaksi antara biosensor dengan bahan pangan, kalibrasi, perawatan, sterilisasi, tingkat reproduksi alat biosensor di pabrik, dan biaya.
Spektrometri inframerah adalah metode pemanfaatan spektrum yang dihasilkan dari pemancaran inframerah terhadap sampel. Spektrum yang dihasilkan berupa tingkat reflektansi, transmisi, ataupun keduanya yang dapat ditangkap langsung, atau tingkat absorbansi yang didapat dari hasil kalkulasi. Setiap bakteri, ragi, dan mikroorganisme lainnya yang berada di dalam bahan pangan dapat dikarakterisasi menggunakan metode ini. Spektrum yang dihasilkan spesifik terhadap spesies dan strain bakteri tertentu. Spesies yang tidak diketahui pun bisa diketahui keberadaannya dengan menganalisa spektrum yang didapat di mana setiap jenis komponen organik dari bakteri (lipid, protein, hingga DNA) akan mengabsorpsi inframerah pada frekuensi tertentu.