Air Ditinjau dari Kimia Pangan

Pengertian Air

Air, zat paling penting bagi kehidupan

Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H₂O, satu molekul air tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secata kovalen pada satu atom oksigen. Sifat fisik air yaitu tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar yaitu pada tekanan 100 kPa (1 bar) dan temperatur 273,15 K (0⁰C). Zat kimia ini merupakan pelarut penting yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya seperti garam, asam, gula, beberapa jenis gas dan beberapa molekul organik.

Air sering disebut sebagai pelarut universal karena air mampu melarutkan banyak zat kimia. Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase cair dan padat dibawah tekanan dan temperatur standar. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hidrogen H₂O yang berasosiasi atau berikatan dengan sebuah ion hidroksida (OH^-).

Perbedaan Air dan Es

Molekul air terbentuk ketika dua atom hidrogen dan satu atom oksigen berikatan secara kovalen. Air secara alamiah berbentuk cair. Ikatan hidrogen antara molekulnya secara konstan terputus dan terbentuk kembali karena molekul air yang secara terus menerus bergerak. Ikatan kovalen air lebih kuat dibandingkan ikatan hidrogen antar molekul air. Pada keadaan cair hidrogen molekul air berikatan dengan 3-4 molekul air lainnya. Densitas air dalam bentuk cair adalah 1,00 g/cm3.

Air dalam wujud es

Es merupakan bentuk padat dari air yang memiliki struktur kaku. Es memiliki struktur intan karena satu atom H terletak diantara satu sisi atom O membentuk suatu heksagonal simetris. Ikatan hidrogen es yang kuat berperan penting dalam pemberian bentuk dan densitas es itu sendiri. Es memiliki ruang kosong pada struktur molekulnya sehingga memiliki densitas yang lebih kecil (0,931 g/cm³) dari pada air. Pada bentuk es, molekul air saling berikatan hidrogen dengan empat molekul air lainnya.

Molekul Air

Molekul air terdiri dari dua atom hidrogen (H) dan satu atom oksigen (O). Atom – atom hidrogen dan oksigen saling terikat dengan membagi elektron mereka antara satu dan lainnya. Ikatan ini disebut ikatan kovalen. Menurut Winarno (2004), sebuah molekul air digambarkan menempati pusat dari sebuah tetrahedron. Sebuah molekul air memiliki kutub positif dan negatif sehingga disebut dwikutub (dipolar). Karena itulah molekul air dapat berikatan dengan senyawa lain yang bermuatan positif atau negatif. Daya tarik antara kutub positif sebuah molekul air dengan kutub negatif molekul air lainnya menyebabkan terjadinya ikatan antara air dan disebut ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen lebih lemah kekuatan pengikatnya dibandingkan ikatan kovalen. Namun ikatan hidrogen memiliki efek yang besar karena terdapat banyak ikatan hidrogen.

Struktur air tidak teratur namun molekul air saling mendekat satu sama lain karena ikatan hidrogen. Berikut ini adalah ilustrasi struktur molekul kimia ikatan hidrogen pada air.

Molekul air saling berikatan dengan
ikatan hidrogen

Sifat Air

Sifat-sifat air

1.     Elektrolisis Air

Molekul air dapat diuraikan menjadi unsur – unsur asalnya dengan mengalirkan arus listrik. Proses ini disebut elektrolisis air. Pada katoda, dua molekul air bereaksi  dengan menangkap dua elektron, tereduksi menjadi gas H₂ dan ion hidrokida (OH^-).  Sementara itu pada anoda, dua molekul air lain terurai menjadi gas oksigen (O₂), melepaskan empat ion H⁺ serta mengalirkan elektron ke katoda. Ion H⁺ dan OH^-  mengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air.

Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dari rekasi ini membentuk gelembung pada elektroda dan dapat dikumpulkan. Prinsip ini kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen dan hidrogen peroksida (H₂O₂) yang dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan hidrogen.

2.     Kelarutan (Solvensi)

Air adalah pelarut yang kuat melarukan banyak jenis zat kimia. Zat – zat yang bercampur dan larut dengan baik dalam air (misalnya garam – garam) disebut sebagai zat ‘hidrofilik’ dan zat-zat yang tidak mudah bercapur dengan air (misalnya lemak) disebut zat ‘hidrofobik’. Kelarutan suatu zat dalam air ditentukan oleh dapat tidaknya zat tersebut menandingi kekuatan gaya tarik menarik listrik (gaya intermolekul dipol – dipol) antara molekul – molekul air. Jika suatu zat tidak mampu menandingi gaya tarik menarik antara molekul air, molekul tersebut tidak terlarut dan mengendap dalam air.

3.     Kohesi dan Adhesi

Air menempel pada sesamanya (kohesi) karena air bersifat polar. Air memiliki sejumlah muatan parsial negatif (σ-) dekat dengan atom oksigen akibat pasangan elektron yang hampir tidak digunakan bersama dan sejumlah muatan parsial positif (σ+) dekat dengan atom oksigen. Hal ini terjadi karena atom oksigen bersifat lebih elektronegatif dibandingkan atom hidrogen. Sehingga atom oksigen memiliki daya tarik pada elektron – elektron yang dimiliki bersama dalam molekul, menarik elektron-elektron lebih dekat ke arahnya (juga menarik muatan negatif elektron-elektron tersebut) dan membuat daerah disekitar atom oksigen bermuatan lebih negatif dibanding daerah-daerah disekitar kedua atom hidrogen. Air memiliki sifat adhesi yang tinggi karena sifat alami kepolarannya.

4.     Tegangan Permukaan

Air memiliki tegangan permukaan yang besar karena kuatnya sifat kohesi antara molekul-molekul air. Hal ini teramati saat sejumlah air yang ditempatkan dalam permukaan yang tidak dapat dibahasi (non soluble) air akan berkumpul sebagai sebuah tetesan. Namun bila pada permuaan gelas yang sangat halus atau bersih dapat terbentuk suatu lapisan tipis karena gaya tarik molekul antara gelas dan molekul air (gaya adhesi) lebih kuat dibanding gaya kohesi anatar molekul air.

Dalam sel – sel biologi air dan organel – organel air bersentuhan dengan membran dan permukaan protein yang bersifat ‘hidrofilik’. Irvin Langmuir mengamati suatu gaya yang kuat antara permukaan ‘hidrofilik’. Untuk melepas lapisan yang terikat dengan kuat dari hidrasi air perlu dilakukan kerja yang maksimal untuk melawan gaya ini yang disebut gaya hidrasi. Gaya hidrasi ini memiliki nilai yang besar namun akan lemah dalam rentang nanometer atau lebih kecil. pentingnya gaya-gaya tersebut dalam bidang biologi telah dipelajari secara ekstensif oleh V. Adrian Paesegian dari National Institute of Healty. Gaya ini penting dipelajari terutama antara sel-sel yang terhidrasi saat bersentuhan langsung dengan ruang luar yang kering atau pendingin diluar sel (extracellular freezing).

Peranan Air

Air mempunyai peranan penting didalam suatu bahan pangan. Air merupakan faktor yang berpengaruh terhadap penampakan, tekstur, cita rasa, nilai gizi bahan pangan, dan aktivitas mikroorganisme. Karakteristik hidrasi bahan pangan merupakan karakter fisik yang meliputi interaksi antara bahan pangan dengan molekul air yang terkandung didalamnya dan molekul air di udara sekitarnya.

Peranan air dalam berbagai produk hasil pertanian dapat dinyatakan sebagai kadar air dan aktifitas air. Sedangkan di udara dinyatakan dalam kelembaban relatif dan kelembaban mutlak. Air dalam bahan pangan berperan sebagai pelarut dari beberapa komponen disamping ikut sebagai pereaksi. 

Dalam suatu bahan pangan, air dikategorikan dalam 2 tipe yaitu air bebas dan air terikat. Air bebas menunjukan sifat – sifat air dengan keaktifan penuh, sedangkan air terikat menunjukan air yang terikat erat dengan komponen bahan pangan lainnya. Air bebas dapat dengan mudah hilang apabila terjadi penguapan dan pengeringan, sedangkan air terikat sulit dibebaskan dengan cara tersebut. Sebenarnya air dapat terikat secara fisik yaitu ikatan menurut sistem kapiler dan air terikat secara kimiawi, antara lain air kristal dan air yang terikat dalam sistem disperse.

Interaksi Air

Air terikat (bound water) merupakan interaksi air dengan solid atau bahan pangan. Ada beberapa definisi, air terikat adalah sejumlah air yang berinteraksi secara kuat dengan solute yang bersifat hidrofilik. Air terikat adalah air yang tidak dapat dibekukan lagi pada suhu lebih kecil atau sama dengan -40^oC, merupakan substansi nonaqueous dan mempunyai sifat berbeda dengan air kamba. Air dalam bahan pangan terikat secara kuat pada sisi-sisi kimia komponen bahan pangan misalnya grup hidroksil dari polisakarisa, grup karbonil dan amino dari protein dari sisi polar lain yang dapat memegang air dengan ikatan hidrogen.

Menurut Wirakartakusumah dkk (1989) bahwa air dibagi atas empat tipe molekul air berdasarkan derajat keterikatan air dalam bahan pangan sebagai berikut:

1.     Tipe I, yaitu molekul air yang terikat secara kimiawi dengan molekul – molekul lain melalui ikatan hidrogen yang berenergi besar. Derajat pengikatan air ini sangat besar sehingga tidak dapat membeku pada proses pembekuan dan sangat sukar untuk dihilangkan dari bahan. Molekul air membentuk hidran dengan molekul – molekul lain yang mengandung atom – atom oksigen dan nitrogen seperti karbohidrat, protein dan garam.

2.     Tipe II, yaitu molekul air yang terikat secara kimia membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air lainnya. Jenis air ini terdapat pada mikrokapier dan sukar dihilangkan dari bahan. Jika air tipe ini dihilangkan seluruhnya maka kadar air bahan berkisar antara 3 – 7%.

3.     Tipe III, yaitu molekul air yang terikat secara fisik dalam jaringan – jaringan matriks bahan seperti membran, kapiler, serat, dan lain-lain. Air tipe ini mudah dikeluarkan dari bahan dan bila diuapkan seluruhnya kadar air bahan mencapai 12 – 25%. Air ini dimanfaatkan untuk pertumbuhan jasat renik dan merupakan media bagi reaksi kimiawi.

4.     Tipe IV, yaitu air bebas yang tidak terikat dalam jaringan suatu bahan atau air murni dengan sifat-sifat air biasa dengan sifat keaktifan penuh.

Menurut Nagashima dan Suzuki (1981), air terikat meliputi:

1.     Air hidratasi

2.     Air dalam mikrokapiler atau air yang terjebak dalam mikrokapiler

3.     Air yang terabsorbsi pada permukaan solid

Air terikat berhubungan dengan energi pengikatan yang tinggi. Energi pengikatan merupakan istilah termodinamika yang menyatakan perbedaan antara panas absorbsi air oleh solid dengan panas kondensasi uap air pada suhu yang sama. Berdasarkan tingkat energi pengikatan, air terikat terbagi atas tiga fraksi yaitu:

1.     Fraksi air terikat primer

2.     Fraksi air terikat sekunder

3.     Fraksi air terikat tersier

Kadar Air

Kadar air merupakan salah satu sifat fisik dari bahan yang menunjukkan banyaknya air yang terkandung di dalam bahan. Kadar air biasanya dinyatakan dengan persentase berat air terhadap bahan basah atau dalam gram air untuk setiap 100 gram bahan yang disebut dengan kadar air basis basah (bb).

Kadar Air Keseimbangan

Kadar air keseimbangan adalah kadar air dimana laju perpindahan air dari bahan ke udara sama dengan laju perpindahan air dari udara ke bahan.  Kadar air keseimbangan dapat digunakan untuk mengetahui kadar air terendah yang dapat dicapai pada proses pengeringan dengan tingkat suhu dan kelembaban udara relatif tertentu. Menurut Heldman dan Singh (1981), kadar air keseimbangan dari bahan pangan adalah kadar air bahan tersebut pada saat tekanan uap air dari bahan seimbang dengan lingkungannya, sedangkan kelembaban relatif pada saat terjadinya kadar air keseimbangan disebut kelembaban relatif keseimbangan.

Sifat-sifat kadar air keseimbangan atau Equilibrium of Moisture Content (EMC) dari bahan pangan sangat penting dalam penyimpanan dan pengeringan. Kadar air keseimbangan didefinisikan sebagai kandungan air pada bahan pangan yang seimbang dengan kandungan air udara sekitarnya. Hal tersebut merupakan satu faktor yang menentukan sampai seberapa jauh suatu bahan dapat dikeringkan pada kondisi lingkungan tertentu (aktivitas air tertentu) dan dapat digunakan sebagai tolak ukur pencegahan kemampuan berkembangnya mikroorganisme yang menyebabkan terjadinya kerusakan bahan pada saat penyimpanan.

Kadar air keseimbangan (equilibrium moisture content) adalah kadar air minimum yang dapat dicapai pada kondisi udara pengeringan yang tetap atau pada suhu dan kelembaban relatif yang tetap. Suatu bahan dalam keadaan seimbang apabila laju kehilangan air dari bahan ke udara sekelilingnya sama dengan laju penambahan air ke bahan dari udara di sekelilingya. Kadar air pada keadaan seimbang disebut juga dengan kadar air keseimbangan atau keseimbangan higroskopis.

Dalam percobaan menentukan kadar air keseimbangan, kondisi termodinamika udara (suhu dan kelembaban relatif) harus konstan. Penentuan kadar air keseimbangan ada dua metode yaitu metode dinamis dan statis. Metode dinamis, kadar air keseimbangan bahan diperoleh pada keadaan udara yang bergerak. Metode dinamik biasanya digunakan untuk pengeringan, dimana pergerakan udara digunakan untuk mempercepat proses pengeringan dan menghindari penjenuhan uap air disekitar bahan. Sedangkan metode statis, kadar air keseimbangan bahan diperoleh pada keadaan udara diam. Metode statik biasanya digunakan untuk keperluan penyimpanan karena umumnya udara disekitar bahan relatif tidak bergerak.

Aktivitas Air

Dalam bahan pangan, air berperan sebagai pelarut yang digunakan selama proses metabolisme, dimana kandungan air suatu bahan pangan tidak dapat digunakan sebagai petunjuk nyata dalam menentukan ketahanan simpan. Tingkat mobilitas dan peranan air dalam bahan pangan bagi proses kehidupan biasanya dinyatakan dengan aktivitas air atau water activity (A_w) yaitu jumlah air bebas yang dapat digunakan oleh mikroorganisme untuk pertumbuhannya. Berbagai jenis mikroorganime yang yang dapat hidup pada nilai A_w tertentu dapat dilihat pada Tabel berikut:

Tabel Nilai A_w yang dapat Ditumbuhi Mikroorganisme

Mikroorganisme	Aktivitas air
Organisme penghasil lendir pada daging	0,98
Spora Pseudomonas, Bacillus cereus	0,97
Spora B. subtilis, C. botulinum	0,95
C. botulinum, Salmonella	0,93
Bakteri pada umumnya	0,91
Ragi pada umumnya	0,88
Aspergillus niger	0,85
Jamur pada umumnya	0,80
Bakteri halofilik	0,75
Jamur Xerofilik	0,65
Ragi Osmofilik	0,62

Aktivitas air juga dinyatakan sebagai potensi kimia yang nilainya bervariasi dari 0 sampai 1. Pada nilai aktivitas air sama dengan 0 berarti molekul air yang bersangkutan sama sekali tidak dapat melakukan aktivitas dalam proses kimia. Sedangkan nilai aktivitas air sama dengan 1 berarti potensi air dalam proses kimia dalam kondisi maksimal.

Aktivitas air merupakan salah satu parameter hidratasi yang sering diartikan sebagai air dalam bahan yang digunakan untuk pertumbuhan jasad renik. Scott (1957) dalam Purnomo (1995), pertama kali menggunakan aktivitas air sebagai petunjuk adanya sejumlah air dalam bahan pangan yang dibutuhkan bagi pertumbuhan mikroorganisme. Aktivitas air ini juga terkait erat dengan adanya air dalam bahan pangan.

Aktivitas air didefinisikan sebagai perbandingan antara tekanan uap air dari larutan dengan tekanan uap air murni pada suhu yang sama.

Interaksi Air dengan Gula

Molekul-molekul berbagai senyawa di dalam bahan pangan umumnya terikat satu sama lain dengan ikatan hidrogen, contohnya molekul gula.  Bila sebuah kristal gula melarut, molekul-molekul air bergabung secara ikatan hidrogen pada gugus polar molekul gula yang terdapat di permukaan air kristal gula tersebut. Molekul-molekul air yang semula terikat pada lapisan pertama ternyata tidak dapat bergerak, tetapi selanjutnya molekul-molekul gula akhirnya dikelilingi oleh lapisan air dan melepaskan diri dari kristal (Winarno, 2004).

Ikatan hidrogen air dan zat terlarut lebih lemah dibandingkan dengan interaksi ion dengan air.  Ikatan hidrogen pada air dapat terjadi pada beberapa gugus lain seperti hidroksil (O-H), amino (NH2), carbonil (C=O), amida, dan imino, contoh ikatan hidrogen antara gugus amina dan karbonil terhadap molekul air.

            --- N –H - - - O – H - - - O = C =

                                  H           

Ikatan hidrogen (garis titik-titik) antara air dan dua gugus fungsional amina dan karbonil (Fennema, 1996).

Perbedaan antara larutan murni dengan dispersi koloidal terletak pada ukuran molekul dan partikel yang terlibat dan juga luas relatif permukaannya.  Dalam bentuk dispersi koloidal, partikel-partikel yang ada dalam air bentuknya tidak begitu besar sehingga tidak dapat mengendap, tetapi juga tidak cukup kecil untuk dapat membentuk larutan, contohnya protein gelatin yang dapat membentuk dispersi koloidal dalam air panas, juga kasein susu.  Sementara suspensi juga termasuk jenis dispersi, hanya saja partikel-partikel yang terlibat terlalu besar dan kompleks sehingga tidak dapat larut dan juga tidak dapat membentuk koloidal, contohnya pati dalam air dingin.