Teknologi pembekuan makanan
Teknologi pembekuan makanan adalah teknologi mengawetkan makanan dengan menurunkan temperaturnya hingga di bawah titik beku air. Hal ini berlawanan dengan pemrosesan termal, dimana makanan dipaparkan ke temperatur tinggi dan memicu tegangan termal terhadap makanan, dapat mengakibatkan hilangnya nutrisi, perubahan rasa, tekstur, dan sebagainya, atau pemrosesan kimia dan fermentasi yang dapat mengubah sifat fisik dan
kimia makanan. Makanan beku umumnya tidak mengalami hal itu semua; membekukan makanan cenderung menjaga kesegaran makanan. Makanan beku menjadi favorit konsumen melebihi makanan kaleng atau makanan kering, terutama di sektor hasil peternakan (daging dan produk susu), buah-buahan, dan sayur-sayuran.
Hampir semua jenis bahan makanan dapat dibekukan (bahan mentah, setengah jadi, hingga makanan siap konsumsi) dengan tujuan pengawetan. Proses pembekuan makanan melibatkan pemindahan panas dari produk makanan. Hal ini akan menyebabkan membekunya kadar air di dalam makanan dan menyebabkan berkurangnya aktivitas air di dalamnya. Menurunnya temperatur dan menghilangnya ketersediaan air menjadi penghambat
utama pertumbuhan mikroorganisme dan aktivitas enzim di dalam produk makanan, menyebabkan makanan menjadi lebih awet dan tidak mudah membusuk. Keunggulan dari teknik pembekuan makanan adalah semua hal tersebut dapat dicapai dengan mempertahankan kualitas makanan seperti nilai nutrisi, sifat organoleptik, dan sebagainya.
Teknik pembekuan makanan sudah dikenal sejak lama sekali, sedangkan teknik pembekuan dengan campuran garam-es diperkenalkan pada tahun 1800an di dua tempat, yaitu di Inggris (oleh H. Benjamin pada tahun 1842) dan di Amerika Sarikat (oleh Enoch Piper pada tahun 1861) yang keduanya memanfaatkannya untuk mendinginkan ikan. Komersialisasi teknik pembekuan makanan baru dimulai di akhir
abad ke 19 ketika alat pendingin mekanis, yang saat ini disebut dengan lemari es, ditemukan. Dan di pertengahan abad ke 20, makanan beku mulai ikut bersaing dengan makanan kalengan dan makanan kering.
Titik beku adalah temperatur dimana kristal es dan air berada dalam keadaan ekuilibrium; titik dimana air tepat membeku atau es tepat mencair. Air murni membeku pada temperatur 0C pada tekanan atmosfer. Titik beku makanan berada di bawah titik beku air murni, hal ini dikarenakan makanan mengandung berbagai campuran berbagai macam zat dan masing-masing saling memengaruhi sehingga menurunkan titik beku. Level titik beku suatu makanan tergantung pada konsentrasi zat-zat dalam makanan.
Ketika makanan dipaparkan ke temperatur dingin, produk makanan tersebut akan kehilangan panas akibat laju pindah panas yang terjadi dari makanan ke medium bertemperatur rendah di sekitarnya. Permukaan makanan akan mengalami penurunan temperatur lebih cepat dibandingkan dengan bagian dalamnya.
Jumlah air yang membeku dalam produk makanan tergantung pada temperatur pembekuan; kandungan campuran zat makanan amat memengaruhi hal tersebut. Umumnya, semakin cair suatu bahan makanan, jumlah air yang membeku akan semakin banyak. Tetapi, kuning telur masih menyisakan lebih dari 20 persen air meski sudah didinginkan hingga minus 40C. Hal ini dikarenakan kandungan protein yang tinggi yang
terlarut dalam air. Kekurangan teknik pembekuan adalah sulitnya membekukan kandungan air yang ada dalam bahan makanan secara sempurna sehingga masih menyisakan risiko pertumbuhan mikroorganisme; untuk mengatasinya diperlukan pendinginan lebih jauh lagi untuk menghentikan aktivitas enzim mikroorganisme dan/atau membekukan lebih banyak air, namun hal itu tidaklah ekonomis.
Ketika temperatur produk makanan diturunkan hingga di bawah titik beku air, air mulai membentuk kristal es. Pembentukan kristal es dapat disebabkan oleh kombinasi molekul-molekul air yang disebut dengan nukleasi homogenik, atau pembentukan inti di sekitar partikel tersuspensi yang dikenal dengan nama nukleasi heterogen. Nukleasi homogen terjadi dalam kondisi dimana zat terbebas dari zat pengotor
yang pada umumnya berperan sebagai inti ketika terjadi proses pembekuan. Nukleasi heterogen terjadi ketika molekul-molekul air bersatu dengan agen nukleasi seperti benda asing, zat tak terlarut, atau bahkan dinding pembungkus. Nukleasi heterogen adalah tipe yang umum terjadi dalam proses pembekuan makanan.
Tipe ketiga dari proses nukleasi, yang disebut dengan pembentukan inti sekunder, terbentuk ketika kristal-kristal membelah. Tipe kristalisasi ini memberikan ukuran kristal yang seragam, dan umum terjadi pada proses pembekuan makanan cair (Franks, 1987).
Umumnya, dalam proses pembekuan makanan, temperatur berkurang mulai dari temperatur awal di atas titik beku hingga beberapa derajat di bawah titik beku. Dalam proses ini, temperatur di 0 hingga-5C disebut zona kritis yang diperlukan oleh makanan dalam pembentukan kristal-kristal es. Lamanya waktu yang diperlukan bagi makanan dalam melalui zona kritis ini menentukan jumlah dan ukuran kristal
es yang terbentuk. Proses pembekuan yang cepat akan membentuk sejumlah besar kristal es berukuran kecil, sedangkan pendinginan dalam waktu yang lambat akan membentuk sejumlah kecil kristal es berukuran besar. Pembekuan yang lambat memberikan waktu bagi molekul-molekul air untuk bermigrasi menuju inti yang akan bersatu dengannya untuk membentuk agregat kristal es
sehingga menghasilkan kristal es berukuran besar. Pembentukan kristal es berukuran besar ini akan memengaruhi struktur makanan dan menyebabkan hilangnya kualitas makanan. Kristal es yang besar akan menusuk dinding sel produk makanan dan merusaknya. Kerusakan akan semakin besar dengan semakin lambatnya laju pembekuan. Solusi terbaik adalah dengan mencegah terjadinya
kristalisasi ini dengan risiko meningkatkan pertumbuhan mikroorganisme yang dapat merusak makanan karena temperatur yang masih memungkinkan bagi pertumbuhan mikroorganisme. Solusi dari masalah tersebut adalah dengan menambahkan protein anti beku yang dapat menurunkan titik beku air dan mencegah kristalisasi pada temperatur yang sangat rendah.
Semua produk makanan mengandung berbagai jenis zat terlarut. Sangat sulit untuk menentukan pada temperatur berapa seluruh air dalam produk makanan akan membeku, dikarenakan keberadaan zat terlarut dalam makanan menurunkan titik beku.
Laju pendinginan yang memengaruhi waktu pembekuan yang diperlukan produk makanan kualitas produk makanan dapat didefinisikan oleh selisih antara temperatur awal produk makanan dan temperatur akhir pembekuan dibagi dengan waktu. (C/s). Dapat juga didefinisikan dengan rasio dari selisih antara temperatur permukaan dan temperatur bagian dalam produk makanan dengan waktu yang dibutuhkan bagi permukaan produk makanan untuk mencapai temperatur 0C dan bagian dalam produk makanan untuk mencapai temperatur-5C.
Perkiraan waktu pembekuan adalah faktor utama dalam melakukan pembekuan makanan. Waktu pembekuan menentukan kapasitas alat pendingin yang dibutuhkan dalam melakukan pembekuan.
Faktor yang memengaruhi lamanya proses pembekuan adalah konduktivitas termal, kalor jenis, ketebalan, massa jenis, dan luas permukaan produk makanan serta selisih temperatur antara produk makanan dengan medium pendinginan dan resistansi laju pindah panas. Perkiraan waktu pembekuan semakin sulit dilakukan karena konduktivitas termal, massa jenis, dan kalor jenis produk makanan bervariasi bergantung pada temperatur awal, ukuran, dan bentuk dari makanan.
Semakin besar ukuran produk makanan, waktu yang dibutuhkan untuk melakukan pembekuan akan semakin lama. Hal ini dikarenakan meningkatnya kalor laten dan jumlah kalor yang harus dipindahkan. Peningkatan ukuran makanan juga meningkatkan resistansi internal terhadap laju pindah panas, sehingga membutuhkan waktu lebih lama dalam pembekuan.