Teknik pangan

Teknik pangan adalah salah satu bidang ilmu multidisiplin dari fisika terapan yang dikombinasikan dengan fisika murni, mikrobiologi, dan ilmu keteknikan untuk pangan dan industri terkait. Teknik pangan meliputi aplikasi dari teknik pertanian dan teknik kimia untuk makanan, tetapi tidak dibatasi hanya untuk dua hal tersebut. Teknik pangan juga termasuk pengetahuan tentang produksi berprinsip efektif biaya dan komersialisasi produk pangan, dan jasa terkait. Teknik pangan adalah aktivitas keilmuan yang luas; bisa terlibat di pemrosesan bahan pangan, permesinan industri pangan, pengemasan, manufaktur bahan pangan, hingga instrumentasi dan kontrol. Meski difokuskan pada produk pangan, tetapi insinyur pangan dapat bekerja pada bidang apapun yang terkait dengan hal di atas, misalnya produksi obat-obatan dan produk biologis karena proses produksi, perancangan alat-alat dan sistem produksi, serta pengoperasian dan pengelolaannya memiliki konsep yang sama.

Konsep fisika

Kesetimbangan massa 
Kesetimbangan massa merupakan keadaan pengolahan suatu benda yang memiliki ukuran masukan yang sama dengan ukuran keluarannya. Dalam teknik pangan, kesetimbangan massa berbentuk perubahan bentuk dari bahan pangan yang dikelola menjadi produk pangan. Perubahan bentuk tidak mengurangi maupun menambahkan ukuran massa pada proses pengolahan. Kesetimbangan massa merupakan keadaan yang timbul akibat adanya hukum kekekalan massa. Dalam hukum ini, massa tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, sehingga ukuran massa selalu tetap. Pengurangan atau penambahan dari suatu massa hanya merupakan akibat dari adanya perubahan wujud zat. Dalam teknik pangan, kesetimbangan massa dimanfaatkan dalam proses pengupasan, sortasi, ekstraksi, pengeringan dan penguapan. Prinsip kesetimbangan massa juga dapat diterapkan pada perancangan produk baru. Kekurangan jumlah bahan di hasil pada produk yang dihasilkan dapat disebabkan karena adanya produk lain, limbah maupun kehilangan bahan yang tidak terkendali.

Kesetimbangan energi 
Energi digunakan dalam berbagai proses teknik pangan mulai dari pengolahan bahan maupun penggunaan peralatan dan mesin. Pada bahan, energi yang digunakan dalam teknik pangan umumnya diubah menjadi panas atau dingin. Sedangkan pada mesin atau peralatan, energi diubah menjadi energi gerak. Bahan pangan umumnya melalui proses perubahan wujud zat sehingga memerlukan perhitungan energi yang tepat. Perhitungan ini dapat diketahui melalui kesetimbangan energi yang didasari oleh hukum kekekalan energi. Sama seperti massa, energi juga tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan.

Sistem termal 
Sistem termal terbentuk sebagai akibat terjadinya perpindahan kalor. Perpindahan kalor ini berwujud energi panas yang berpindah dari satu zat ke zat yang lainnya. Analisa di dalam sistem termal dilakukan secara kelistrikan dengan menghitung nilai hambatan listrik dan kapasitansi. Metode perhitungan ini bertujuan menggantikan metode perhitungan dengan kapasitansi termal dan tahanan termal yang belum diketahui secara tepat. Sistem termal tersusun dati seperangkat komponen termal dengani struktur tertentu. Perumpamaan yang sesuai untuk menggambarkan sistem termal adalah seperti sebuah tangki terisolasi. Tiap proses di dalam sistem termal terjadi akibat dari efek termal. Gradien suhu, gradien kecepatan dan gradien konsentrasi menjadi faktor penyusun sistem termal. Gradie suhu dan kecepatan menghasilkan efek termal yang menimbulkan aliran materi atau energi.  Sementara itu, gradien konsentrasi meliputi dua proses yang diebut keadaan awal dan keadaan akhir yang menentukan proses berlangsungnya perpindahan kalor dalam sistem termal.

Termodinamika 
Termodinamika termasuk salah satu cabang keilmuan fisika dan teknik. Bahasan utamanya mengenai perubahan energi panas menjadi bentuk energi lain. Pembahasan mengenai perubahan energi umumnya mengacu kepada hukum pertama termodinamika dan hukum termodinamika kedua. Pengukuran di dalam termodinamika dinyatakan dengan besaran makroskopis dan sangat jarang memerlukan besaran mikroskopis. Penemuan konsep termodinamika diawali pada abad ke-19 Masehi melalui usaha para ilmuwan untuk membuat mesin yang memiliki kemampuan untuk mengubah bentuk suatu energi. Awalnya pengubahan bentuk energi ini bertujuan untuk memudahkan pekerjaan. Pengubahan energi dapat mengurangi besarnya usaha yang diperlukan untuk melakukan suatu pekerjaan sehingga energi dapat digunakan secara maksimal. Mesin paling awal yang dibuat oleh para ilmuwan mampu mengubah energi gerak menjadi energi potensial. Prinsip kerjanya didasarkan pada peristiwa tumbukan antar partikel. Teori-teori termodinamika kemudian semakin berkembang pada abad ke-20 Masehi.

Aliran fluida 
Aliran fluida adalah perpindahan fluida dengan kecepatan tertentu yang membentuk garis aliran. Keberadaan garis aliran  ditandai dengan menentukan garis singgung antara tiap titik perpindahan fluida dengan pengamatan vektor kecepatan. Berdasarkan garis aliran ini, aliran fluida terbagi menjadi aliran stasioner dan aliran non-stasioner. Terbenuknya aliran stasioner dimulai ketika garis aliran berimpit dengan arah aliran setiap saat. Sementara aliran non-stasioner mulai terbentuk ketika aliran fluida tidak berimpit dengan garis alirannya secara terus-menerus. Kedua jenis aliran ini akan membentuk tabung aliran, yang merupakan suatu ruangan berbentuk tabung dengan pembatas berupa kumpulan garis aliran. 

Tiap penampang memiliki kecepatan aliran fluida yang berbeda-beda. Kecepatan ini ditentukan berdasarkan jumlah tabung alirannya. Pengamatan aliran fluida umumnya dilakukan dalam bentuk cairan yang mengalir dengan satuan waktu sepanjang bagian pengaliran. Satuan yang digunakan pada tiap unit untuk menetapkan nilai alirannya dapat berupa satuan volume, berat atau massa. Keberadaan aliran stasioner pada cairan membuat hilangnya tekanan, sehingga nilai kecepatan alirannya selalu konstan pada tiap bagian dari tabung alirannya.

Bidang cakupan 
Ranah kerja teknik pangan yang utama yaitu:

 Penelitian dan pengembangan produk pangan

 Pengembangan dan penggunaan sistem manufaktur, pengemasan, dan distribusi untuk produk pangan

 Perancangan dan pemasangan proses produksi bahan pangan

 Perancangan dan pengoperasian sistem pengelolaan limbah yang berwawasan lingkungan

 Pemasaran dan dukungan teknis terhadap fasilitas manufaktur

Dari banyak hal yang tersebut di atas, maka beberapa tema yang dapat menjadi perbincangan di bidang teknik pangan yaitu:

 Pengembangan ilmu keteknikan, dan aplikasinya pada bidang manufaktur pangan

 Peningkatan dalam hal transportasi, dan penyimpanan bahan pangan cair maupun padat.

 Pengembangan proses termal (pemanasan, pendinginan, pembekuan, dsb) bahan pangan

 Aspek kimia dan biokimia pangan terbaru, dan penggunaannya dalam analisis kinetika

 Metode dehidrasi, proses termal dan non termal, ekstrusi, hingga pemanfaatan membran dalam pemrosesan bahan pangan

 Umur simpan bahan pangan

 Pengemasan yang modern

 Teknologi sanitasi dan sterilisasi fasilitas produksi

Proses termal 
Proses termal merupakan proses pengawetan makanan dengan memanfaatkan energi panas. Pemakaian panas bertujuan untuk mematikan mikroorganisme di dalam bahan pangan. Keberadaan mikroorganisme hidup di dalam bahan pangan bersifat merugikan karena menyebabkan penyakit serta menimbulkan kebusukan pada sebuah produk. Proses termal umumnya digunakan pada produk yang akan dikemas ke dalam kemasan yang hermetik. Bentuk kemasan ini umumnya adalah kaleng, kantung retort, atau gelas selai. Produk yang telah melalui proses termal memiliki umur simpan yang lebih lama. Ini merupakan akibat dari kemampuan panas dalam mematikan mikroorganisme serta serangga dan parasit maupun kemampuan dalam merusak enzim.

Proses termal menggunakan suhu tinggi dengan tingkat suhu dan periode waktu tertentu. Proses tersebut dapat dilakukan dalam sistem strerilisasi dalam wadah atau sistem kontinyu dengan proses aseptik. Selain memperpanjang masa simpan, proses termal juga meningkatkan keamanan produk selama disimpan dalam jangka waktu yang ditentukan. Jenis produk yang umumnya memerlukan proses termal ialah produk daging. Di dalam daging terdapat mikroorganisme toksigenik sehingga perlu dimatikan terlebih dahulu untuk memperpanjang masa awet daging. Kesesuian pengawetan dengan proses termal dipengaruhi oleh banyaknya jumlah panas yang diasumsikan mampu mematikan mikroorganisme. Tiap produk memerlukan tingkat panas yang berbeda-beda. Panas yang berlebihan juga dapat merusak produk, sehingga kebutuhan panas yang spesifik pada produk harus diketahui secara tepat.

Kerusakan produk bahan pangan akibat proses termal dapat berupa perubahan organoleptik. Kandungan produk yang mengalami meliputi protein dan lemak, pelelehan, dan gelatinisasi pati. Kerusakan ini mengakibatkan tekstru dan cita rasa produk berubah. Selain itu, warna produk juga dapat berubah. perubahan pada tekstur dan cita rasa, warna dan flavor yang mempengaruhi terhadap sifat organoleptik produk. Perubahan cita rasa dapat disebabkan oleh adanya reaksi Maillard serta karamelisasi. Ketidaksesuaian proses termal juga dapat menyebabkan kehilangan zat gizi tertentu di dalam produk yang kemudian mengurangi jumlah nutrisi. Umumny, proses termal yang tidak tepat dapat mengurangi gizi pada mineral dan vitamin C hingga 40%. Proses termal pada gula juga berisiko mengurangi gizi hingga sebanyak 35%. Sementara itu, proses termal pada asam amino dan protein dapat mengurangi nilai gizi sebanyak 20%. Pengurangan risiko dilakukan dengan menyesuaikan metode yang digunakan untuk mengadakan proses termal dengan jenis produknya. Metode yang digunakan dalam proses termal meliputi pasteurisasi, pengalengan, evaporasi, pemasakan, blansir dan ekstrusi.

Blansir 
Blansir merupakan proses pemanasan secara langsung yang memanfaatkan uap yang tidak bertekanan atau air panas. Suhu pemanasan tidak mencapai 100oC. Rentang waktu blansir paling lama 10 menit. Pemanasan dengan blansir dihentikan ketika bahan pangan telah mencapai suhu berkisar antara 82,2oC hingga 87,8oC di setiap bagiannya. Tujuan blansir bukan untuk mengawetkan makanan, melainkan sebagai tahap awal untuk pasteurisasi. Bahan pangan yang umumnya melalui proses blansir adalah makanan kaleng, makanan kering atau makanan beku. Blansir berguna untuk pengalengan maupun proses awal pengeringan atau pembekuan. Pengemasan makanan yang telah diblansir menjadi lebih mudah karena bahan pangan menjadi lebih lunak dan gasnya berkurang. Blansir juga mencegah bahan pangan mengalami perubahan aroma dan warna dengan cara mematikan enzim produk. Sementara itu, makanan kering dan makanan beku yang melalui proses blansir memiliki cita rasa, nilai nutrisi, warna dan tekstur yang tetap sama seperti aslinya.

Pasteurisasi 
Pasteurisasi merupakan proses pemanasan bahan pangan dengan suhu lebih rendah dari 100oC. Rentang waktu pemanasan berkisar antara beberapa detik hingga beberapa menit. Lamanya proses pemanasan diatur sesuai dengan suhu pemanasan. Semakin tinggi suhu yang digunakan, maka semakin cepat proses pemanasan berlangsung. Begitu pula sebaliknya. Semakin rendah suhu pemanasan, maka semakin lama proses pemanasan. Pasteurisasi bertujuan untuk mematikan sel pertumbuhan pada bakteri di dalam bahan pangan. Bakteri ini umumnya berperan sebagai patogen, pembusuk atau pembentuk toksin.

Sterilisasi 
Sterilisasi merupakan proses pemanasan bahan pangan dengan suhu lebih tinggi dari 100oC. Sterilisasi bertujuan untuk mematikan spora pada bakteri di dalam bahan pangan. Bakteri ini umumnya berperan sebagai patogen dan pembusuk makanan. Jenis bakteri yang dimatikan khususnya Clostridium dengan Gram positif. Sterilisasi tidak menghancurkan jasad renik secara keseluruhan dan hanya digunakan pada bahan pangan yang dikemas dalam kondisi anaerob. Sifat oksidasi pada jenis kemasan ini rendah sehingga dapat membunuh spora bakteri yang tidak tahan panas. Bahan pangan yang memerlukan sterilisasi umumnya menggunakan kemasan vakum berbahan aluminium foil, kaleng, botol plastik, dan kantung plastik vakum.

Pengisian panas 
Metode pengisian panas digunakan dalam proses termal pada produk pangan berwujud cairan. Jenis produk ini antara lain saus, selai, dan sambal. Persyaratan yang harus dipenuhi untuk menggunakan metode pengisian panas adalah produk memiliki derajat keasaman yang rendah. Produk yang akan dipasteurisasi dan memiliki derajat keasaman juga dapat menggunakan metode pengisian panas. Proses termal berlangsung ketika produk telah dipasteurisasi dan siap dikemas. Jenis kemasan yang digunakan adalah botol dan gelas selai yang ditutup rapat untuk kemudian didinginkan. Metode pengisian panas ini umumnya digabungkan dengan proses pengawetan. Metode pengawetan produk yang dipadukan antara lain pengasinan, pemanisan, atau pendinginan.

Proses suhu rendah 
Dalam teknik pangan, suhu rendah dimanfaatkan juga untuk pengawetan makanan. Proses penurunan suhu ini terbagi menjadi dua jenis yaitu pendinginan dan pembekuan. Tujuan pemberian suhu rendah pada produk adalah memperpanjang umur simpannya. Jenis produk yang diberikan suhu rendah umumnya merupakan produk pangan dan produk olahan pangan yang masih segar. Suhu rendah dimanfaatkan untuk menghambat pertumbuhan dan kegiatan mikroorganisme. Selain itu, suhu rendah dimanfaatkan untuk memperlambat proses kimia dan biokimia yang terjadi di dalam kandungan produk akibat adanya reaksi kimia dan enzim.

Pendinginan 
Pendinginan adalah proses pemindahan kalor dari suatu ruangan. Pemindahan ini menghasilkan perbedaan suhu dari suhu rendah ke suhu yang lebih tinggi. Penyerapan kalor terjadi pada ruangan dengan suhu rendah. Sebalinya, pembuangan kalor terjadi pada ruang dengan suhu tinggi. Pendinginan dapat dilakukan melalui penerapan siklus kompresi uap, siklus absorpsi, siklus adsorpsi, pendingin  dengan termoelektrik, magnetik, ejektor atau gelombang suara. Proses pendinginan terjadi dengan bantuan peralatan berupa mesin pendingin dan bahan pendingin berupa refrigeran. Bahan dan peralatan ini bekerja sama untuk melakukan pendinginan berdasarkan teori termodinamika dan perpindahan panas. Pengubahan suhu memanfaatkan penerima dingin dan penerima panas. Penerima panas digunakan untuk menyerap panas dan penerima dingin digunakan untuk menerima dingin. Proses penerimaan panas dan dingin ini menggunakan energi.

Pendinginan merupakan teknik pengawetan makanan yang telah dimanfaatkan manusia sebelum adanya teknologi modern. Penerapan pendinginan dimulai dengan penggunaan es yang diperoleh pada musim dingin. Setelah penemuan prinsip pendinginan, teknik pendinginan digunakan untuk menghasilkan es. Pada perkembangan berikutnya, pendinginan dimanfaatkan oleh industri makanan dalam proses pembuatan dan penyaluran makanan. Pemanfaatan utama dari pendinginan adalah dalam bidang pengawetan makanan dalam suhu dingin dengan kisaran umum senilai 4°C.  Pendinginan juga dapat dibedakan berdasarkan pemakaianya yaitu rumah tangga, komersial, industri, dan transportasi. Sistem pendinginan yang paling umum digunakan pada rumah tangga maupun pabrik adalah sistem pendingin kompresi uap.

Pembekuan 
Pembekuan merupakan proses penyimpanan bahan pangan pada titik beku. Kisaran titik beku ini antara -18oC hingga -40oC. Pada proses ini, produk dapat berupa menjadi es atau kristal es. Efek pembekuan merupakan hasil dari pembuangan panas dan perpindahan panas dari produk ke lingkungan lain.

Pengukuran 
Teknik pangan memerlukan adanya informasi dalam pengukuran. Karenanya tiap besaran yang digunakan di dalam pengukuran memerlukan bilangan yang memiliki satuan. Pemakaian satuan dimaksudkan untuk menghindari adanya tafsiran yang berbeda pada satu hal yang sama. Pengukuran di dalam bidang pangan dimulai ketika makanan masih berupa bahan pangan hingga menjadi produk jadi. Tiap bentuk ini memerlukan takaran.

Pengembangan 
Dalam pengembangan di bidang teknik pangan, salah satu tantangannya adalah dengan mendayagunakan peralatan modern, dan ilmu pengetahuan seperti pengetahuan material dan nanoteknologi, untuk mengembangkan produk baru, dan prosesnya, juga meningkatkan kualitas, dan keamanannya, termasuk pemanfaatan material pengemasan yang baru untuk perlindungan lebih terhadap bahan pangan, dan pemanfaatan teknologi pengawetan yang baru. Pengendalian proses, dan otomasi juga masih menjadi prioritas dalam pengembangan sistem, dan alat proses produksi, dan distribusi. Beberapa masalah yang sering menjadi tema dalam pengembangan di bidang teknik pangan adalah dampak terhadap lingkungan, pengelolaan limbah, emisi, efisiensi energi, dan efektivitas alat, dan sistem produksi.

Referensi

Catatan kaki

Daftar pustaka

Bacaan lanjutan 

 Dennis R. Heldman, Daryl B. Lund. 2007. Handbook of Food Engineering, Second Edition. CRC Press/Taylor & Francis.

 R. Paul Singh, Dennis R. Heldman. 2008. Introduction to Food Engineering, Fourth Edition. Academic Press.

Pranala luar 

 Contemporary Food Engineering, CRC Press

 Food Engineering Magazine

 Introduction to Food Engineering

Pangan
Ilmu pangan
Teknologi pangan
Teknik pertanian
Teknologi pertanian
Bidang studi
 
Industri pangan