BAB VII. MIKROBIOLOGI PADA PROSES PENURUNAN AKTIVITAS AIR BAHAN PANGAN
Pertumbuhan dan metabolisme mikrobia membutuhkan adanya air dalam bentuk yang tersedia (available). available). Tersedianya air dalam bahan makanan yang siap digunakan oleh mikrobiaumum dinyatakan sebagai aktivitas air (Aw). Nilai a w dalam makanan dapat diturunkan dengan menaikan kadar bahan terlarut solute) (solute) pada cairan dalam bahan makanan baik secara pengurangan air atau penambahan solute. Dehidrasi merupakan cara pengawetan bahan makanan yang didasarkan pada pengurangan nilai A w melalui pengurangan atau penghilangan air. Penggaraman atau kuring dan penambahan sirup atau gula pada bahan makanan merupakan cara pengawetan dengan menurunkan nilai aw
nya melalui penambahan solute, pada
umumnya tujuan pengawetan dapat tercapai cukup dengan penurunan nilai Aw kecil apabila cara ini dikombinasikan dengan metode pengawetan lainnya seperti pemberian nitrit pada daging atau pengasapan pada makanan kering. A. Pengertian Dasar Aktivitas Air (A w)
Nilai Aw suatu bahan merupakan perbandingan tekanan uap air dalam bahan (p) dengan tekanan uap air murni (p0) pada suhu yang sama. Aw = p/p0
Apabila larutan semakin pekat, tekanan uap air berkurang dan Aw akan turun di bawah
nilai maksimal (1).
Bila suatu bahan
pangan
diletakkan
dalam
ruangan/lingkungan maka akan terjadi keseimbangan antara air dalam bahan dengan uap air pada lingkungannya (RH). Keseimbangan tersebut berhenti sampai mencapai ERH. Hubungan antara aw dengan keseimbangan lembab dinyatakan sebagai : ERH (%) = Aw X 100
103
Aw =
RH %
100%
=0-1
Misal aktivitas air pada keadaan seimbang RH lingkungan 80%, maka Aw dapat dihitung AW =
80% 100%
= 0,8
Sedangkan hubungan Aw dengan tekanan osmosis adalah: Tekanan osmosis = -RT log e Aw , V dengan ketentuan Tekanan R=konstanta gas, T = suhu absulut, log e Aw = logaritma natural dari Aw, V= volume molar parsial dari air. Hubungan antara
dengan kadar solut dinyatakan dengan hokum Roult sebagai
berikut: Aw = p/p0 = n2/ n1 + n2 , atau Aw = mol air / (mol air + mol zat terlarut) p = tekanan uap larutan, p0 = tekanan uap pelarut, n1 = jumlah mol zat terlarut, dan n2 = jumlah mol pelarut. Sebagai contoh, 1 L air mengandung 55,5 mol. Dengan asumsi bahwa airnya = air murni, maka : Aw = p/p0 = n2/ n1 + n2 ,= 55,51/ (55,51+0) = 1,00 (maksimal nilai Aw) Jika , 1 mol sukrosa ditambahkan, maka : Aw = p/p0 = n2/ n1 + n2 ,= 55,51/ (55,51+1) = 0,9823 Berdasarkan banyaknya zat terlarut dan pelarut dapat ditentukan besarnya nilai Aw. Nilai Aw dari berbagai konsentrasi NaCl, sukrosa dan glukosa dapat ditampilkan sebagai berikut.
104
Contoh : ingin dibuat suatu campuran bahan makanan yang memiliki kadar air = 30% dengan Aw = 0,9. Jumlah campuran yang dikehendaki 1000 g, maka dapat dihitung:
Berat air yang ditambahkan : 300 g =
Aw = 0,9 =
16,7 1 16,7
300 18
mol = 16,7 mol (n2)
→ n1 = 1,86 mol
n
Jika digunakan solut NaCl maka ditambahkan sebanyak 58,5 g, dan jika digunakan sukrosa diperlukan sebanyak 34,2 g? Tabel 7. 1. Nilai Aw dari berbagai konsentrasi NaCl, sukrosa dan glukosa Aw
1 0.995 0.990 0.980 0.960 0,940 0,920 0,900 0,880 0,860
NaCl
Sukrosa
Glukosa
(% berat)
(% berat)
(% berat)
0 0.88 1,74 3,43 6,57 9,38 11,90 14,18 16,28 18,18
0 8,52 15,45 26,70 39,66 48,22 54,36 58,45 62,77 65,63
0 4,45 8,9 15,74 28,51 37,83 43,72 48,54 53,05 58,45
Aktivitas air bahan pangan dapat diturunkan dengan menggunakan 3 cara, yaitu : (1) Penguapan air dengan pengeringan (dehidrasi), (2) pengurangan air dengan kristalisasi, (3) dengan penambahan zat terlarut. Keuntungan penurunan Aw ialah memiliki rasio antara berat dan volume lebih kecil sehingga memudahkan (lebih ringkas) dalam proses transportasi, memiliki daya tahan lebih besar, terutama
105
terhadap kerusakan mikrobia, dapat mempertahankan kandungan gizinya, dan memudahkan dalam pengemasan produk. Adapun kelemahannya ialah sering terjadi perubahan warna, dan memiliki daya rekonstitusi kurang baik, misalnya pada produk pati. Dehidrasi alami merupakan metode berbiaya murah karena air diuapkan dengan menggunakan panas matahari. Cara ini biasanya digunakan untuk pengeringan biji-bijian dan beberapa buah-buahan, sayuran, dan ikan di negara tropis. Proses ini berjalan lambat dan tergantung pada kondisi yang digunakannya. Bakteri perusak dan patogen, khamir, dan kapang dapat tumbuh selama pengeringa n. Pengeringan mekanik ialah pengeringan yang menggunakan peralatan sehingga pengeringan dapat terkendali dan dilakukan dalam beberapa detik sampai beberapa jam. Model yang digunakan dapat berupa pengeringan tunnel (terowongan) dan pengeringan semprot. Beberapa bahan pangan yang dikeringkan menggunakan metode ini ialah susu, kopi, teh, dan jus buah. Tergantung dari temperatur dan waktu paparan, beberapa sel mikrobia dapat mati selama pengeringan, sementara sel yang lain dapat mengalami injury. Selama penyimpanan, tergantung pada kondisi penyimpanan, mikrobia dapat mati secara cepat pada tahapan awal dan kemudian berlangsung
lambat.
Pada
umumnya
spora
masih
bertahan
hidup
selama
penyimpanan bahan pangan kering tersebut. Penerimaan kualitas pangan sedikit tidak terpengaruhi adanya proses pengeringan beku, dibandingkan dengan pengeringan alami dan mekanik. Meskipun demikian cara ini relatif mahal. Metode ini telah terapkan untuk menghasilkan produk pangan kering beku seperti sayuran, bua-buahan, jus buah, kopi, teh, daging, dan produk olahan ikan. Adanya perlakuan pembekuan dan pengeringan mikrobia mengalami penurunan dan sublethal injury. Selama penyimpanan khususnya pada suhu penyimpanan tinggi dan adanya oksigen sel mikrobia akan mati secara cepat pada tahapan awal dan berlangsung lambat. Spora tidak terpengaruh dalam proses ini.
106
Foam drying merupakan pengeringan yang diawali dengan pengocokan produk untuk menghasilkan busa yang mantap dan meningkat ke permukaan. Kemudian busa dikeringkan dengan udara panas. Produk cair seperti putih telur, puree buah, pasta tomat dikeringkan dengan cara ini. Metode ini mmemiliki efek letal yang sangat kecil, baik terhadap sel vegetatif maupun spora. Beberapa produk ikan dan daging diekspos dengan panas rendah dan asap dalam pemasakannya. Sebagian asap akan menempel pada permukaan bahan pangan. Proses pengasapan ini akan menurunkan aktivitas air bahan pangan. Contoh produk olahannya ialah sosis dan ikan asap. Pengasapan dapat membunuh mikrobia. Bahan pangan yang memiliki aw 0,7-0,9 (kadar air 10-40%) dikenal sebagai bahan pangan semi padat atau Intermediate Moisture Foods (IMF). Produk ini dapat dimakan tanpa rehidrasi, tetapi memiliki umur simpan yang cukup stabil meski tanpa refrigasi. Contoh produk bahan makanan ini ialah salami, sosis, jam, jeli, dan madu. Mikrobia dapat bertahan hidup pada IMF tetapi karena aw rendah bakteri tidak dapat tumbuh, meskipun beberapa khamir, dan kapang dapat tumbuh. B. Dasar Pemikiran
Mikrobia memerlukan air untuk transpor nutrien, metabolisme nutrien, dan pembuangan zat tidak berguna bagi sel. Di dalam bahan pangan, total air berada sebagai air bebas dan air terikat. Air terikat masih terikat dengan koloid dan zat terlarut hidrofilik (termasuk sebagi air kapiler atau dalam keadaan membeku sebagi kristal es) sehingga tidak tersedia untuk fungsi biologis. Hanya air bebas (berkaitan dengan
Aw)
yang
penting
bagi
pertumbuhan
mikrobia.
Mikrobia
juga
mempertahankan Aw sedikit lebih rendah di dalam sel daripada lingkungan eksternalnya agar dapat mempertahankan tekanan turgor, dan ini penting untuk pertumbuhan sel. Jika air bebas di lingkungannya diturunkan dengan cara penguapan air atau penanbahan solut atau koloid hidrofil, yang mana tidak dapat masuk secara
107
cepat ke dalam sel, maka air bebas sel akan mengalir keluar dalam upaya mempertahankan keseimbangan. Kehilangan air akan menyebabkan osmotic shock dan plasmolisis, dan sel tidak dapat tumbuh. Kehilangan air dapat sangat berarti meskipun dalam kisaran nilai Aw yang kecil. Penurunan Aw sebesar 0,005, dari Aw lingkungan 0,955 menjadi 0,950, ternyata menurunkan kadar air intraseluler 50% pada Staphylococcus aureus, dan menurunkan volume sel 445% pada Salmonella typhimurium. Hal ini menunjukkan bahwa perubahan sedikit Aw dapat mempengaruhi pertumbuhan mikrobia, meskipun ditemukan pada beberapa mikrobia dapat mengatasi plasmolisis dan tekanan turgor yang terjadi. Kelompok ini dapat mentranspor solut di dalam sel atau memetabolisme solut tersebut. Mikrobia ini relatif tahan terhadap penurunan Aw yang besar dan dapat tumbuh pada Aw rendah. Mengapa dapat hidup pada AW rendah pada mikrobia di atas ? Hal ini diketahui ternyata mikrobia tersebut mampu menghasilkan compatible solute. Fungsi dari senyawa ini ialah melindungi enzim agar tetap aktif, sebagai cadangan nutrisi, dan sebagai regulator dalam metabolisme sel. Compatible solute berbeda pada kelompok yeast dan bakteri. Pada bakteri senyawa tersebut berupa asam-asam amino, seperti prolin, amino butirat, sedangkan pada Yeast
berupa senyawa poliol (gula alkohol), seperti arabitol, sorbitol,
eritritol dan gliserol. Gliserol 10% biasanya digunakan pada pengawetan kultur melalui proses freeze
0
drying dan dilakukan penyimpanan pada suhu sekitar – 80 C.
Dari beberapa pendapat lain dapat dikemukakan mengapa Aw rendah dapat menghambat pertumbuhan, yaitu kecepatan transfer O2 menjadi lambat (ditunjukkan pada kelompok Salmonella, terjadi kerusakan membran sel (fungsi sebagai pengatur transport nutrisi terganggu), membran sel lepas dari dinding sel (ditunjukkan pada Bacillus), dan kehilangan sifat motilitas (ditunjukkan pada Pseudomonas).
108
C. Hubungan Aw Dengan Aktivitas Mikrobia
Aktivitas mikrobia akan menurun bila aktivitas air bahan berkurang. Besar kecilnya penurunan mikrobia tergantung dari jenis/kelompok mikrobia. Kelompok mikrobia yang xerofil atau osmofil tahan terhadap Aw rendah atau aktivitasnya relatif tinggi pada AW rendah. Pada umumnya, adanya penurunan Aw menyebabkan populasi sel makin berkurang. Dari berbagai percobaan mengenai hubungan antara aktivitas mikrobia dengan aktivitas air dapat dirangkum seba gai berikut ; 1.
Penurunan Aw akan memperpanjang fase lag/fase adaptasi
2. penurunan Aw akan memperpanjang waktu generasi 3.
Penurunan Aw menurunkan laju pertumbuhan
4.
Penurunan Aw menurunkan total populasi sel yang akan dicapai
3 Jumlah
A B
sel
2 1
1. Fase lag 2. µ atau td 3. Total populasi Aw A > Aw B
1
Waktu Gambar 7. 1. Respons pertumbuhan mikrobia terhadap Aw Pangan yang berbeda Beberapa mikrobia, termasuk bakteri patogen, tumbuh cepat pada level Aw 0,995 – 0,980. Di bawah Aw ini, laju pertumbuhan dan populasi stasioner atau biomassa sel akan menurun, dan fase lag meningkat. Halofil tidak dapat tumbuh pada media bebas garam dan sering memerlukan sejumlah NaCl untuk pertumbuhannya. Kelompok mikrobia ini lebih toleran daripada mikrobia nonhalofil. Xerofil merupakan mikrobia yang tumbuh cepat pada kondisi kering atau mampu tumbuh pada Aw di bawah 0,85. Semua mikrobia xerofil ialah khamir dan kapang. Osmofil merupakan mikrobia dapat tumbuh pada lingkungan bertekanan osmotik tinggi. Istilah ini sering digunakan 109
untuk khamir yang toleran-gula. Pada Gambar
, laju pertumbuhan relatif dari 5
mikrobia dibandingkan pada berbagai Aw. Kurva 1, 2, dan 3 umumterjadi pada kelompok bakteri nonhalofilik, dan kurva 4 dan 5 berturut-turut menggambarkan respons bakteri halofil extrim dan kapang xerofil.
100
n a t a p e c e k f i t t a r l e e R %
50 3 4
1
5
2
0,9
1 1
0,8
0,7
0,6
Aktivitas air
Gambar 7. 2. Hubungan antara laju pertumbuhan dengan Aw pada lima macam mikrobia. (1) Mycoplasma gallisepticum (2) Salmonella oranienburg (3) Staphylococous aureus (4) Halobacterium halobium (5) Xeromyces bisporus
D. Pengaruh Aw Rendah Terhadap Aktivitas Mikrobia
Faktor yang mempengaruhi besarnya penurunan aktivitas mikrobia akibat turunnya Aw dapat dijelaskan sebagi berikut: 1.
Faktor implisit
Sifat genetik / bawaan dari mikrobia berpengaruh terhadap resistensi nya terhadap Aw rendah. Pada umumnya kisaran Aw yang dipergunakan untuk aktivitas mikrobia berkisar antara 0,6 – 0,99. Besarnya Aw minimal untuk pertumbuhan tergantung jenis 110
mikrobia. Diketahui pula,
Aw minimal untuk bakteri Gram positif lebih rendah
dibanding bakteri Gram negatif. Demikian pula, Aw minimal untuk spora lebih kecil/rendah dibanding sel vegetativnya. Artinya spora dapat lebih tahan hidup pada bahan yang kering/kadar airnya rendah dibanding dengan sel vegetativnya. Aw minimal untuk syarat kehidupan mikrobia dapt dilihat pada Tabel VII.2 . Sedangkan Aw minimal untuk pertumbuhan kelompok mikrobia pada suhu pertumbuhannya dapat ditunjukkan dan berdasarkan urutan nilai Aw-nya dapat dilihat pada Tabel dan Tabel . Tabel 7. 2. Aw minimal untuk pertumbuhan pada kelompok mikrobia pada suhu pertumbuhannya Jamur Bakteri - Alternaria citri 0,84 C. botulinum A : 0,95 - A. candulus 0,75 B : 0,94 - A. flavus 0,78 E : 0,97 - R. nigricans 0,93 E. coli : 0,95 - R. solani 0,96 L. plantarum : 0,94 Yeast : Sacharomyces rouxii 0,62 Sacharomyces cerevisiae 0,90 Sacharomyces bailii 0,8
Tabel 7. 3. Nilai AW minimal untuk pertumbuhan mikrobia berdasarkan urutan nilai Aw M ikrobia
Kelompok Most spoilage bacteria Most spoilage yeasts Most spoilage molds Mikrobia Clostridium botulinum, Type E Pseudomonas spp. Acinetobacter spp. Escherichia coli Enterobacter aerogenes Bacillus subtilis
A w
0.9 0.88 0.80 0.97 0.97 0.96 0.96 0.95 0.95
M ikrobia
Kelompok Halophilic bacteria Xerophilic molds Osmophilic yeasts Mikrobia Candida scottii Trichosporon pullulans Candida zeylanoides Endomyces vernalis Staphylococcus aureus Alternaria citri
Aw
0.75 0.61 0.60 0.92 0.91 0.90 0.89 0.86 0.84
111
Clostridium botulinum, Type A and B Candida utilis Vibrio parahaemolyticus Botrytis cinerea Rhizopus stolonifer Mucor spinosus
0.94 0.94 0.94 0.93 0.93 0.93
Penicillium patulum a Aspergillus glaucus Aspergillus conicus Aspergillus echinulatus Saccharomyces rouxii Monascus bisporus (Xeromyces bisporus)
0.81 0.70 0.70 0.64 0.62 0.61
Aw minimal untuk syarat pertumbuhan kapang dan pembentukan toksin dapat berbeda. Oleh karena itu, kondisi tersebut perlu diwaspadai agar bahan makanan dapat aman dikonsumsi. Beberapa contohnya diberikan sebagai berikut. Tabel 7. 4. Aw minimal untuk pertumbuhan kapang dan pembentukan toksinnya
2.
Jenis Kapang
Nama toksin
Aw minimal Pertumbuhan Pembentukan toksin 0,78 – 0,80 0,83
Aspergillus flavus
Aflatoksin
Penicillium patalum
Patulin
0,81
0,85
A. oscraceus
Achratoksin
0,77
0,85
Stachybotrys atra
Stachybotryn
0,96
0,94
Faktor Nutrien Umumnya toleransi mikrobia terhadap AW rendah akan meningkatkan apabila nutrien yang tersedia mencukupi. Contoh : Salmonella sp lebih tumbuh cepat pada Aw 0,85 dari media yang lengkap (brain, hearth infusion broth) daripada ditumbuhkan pada media yang mengandung glukosa dan
vitamin.
Pada
kelompok yeast ( Debaryomyces hasenii) tumbuh cepat pada medium lengkap dengan Aw 0,8.
112
3.
Suhu Toleransi mikrobia terhadap Aw rendah akan meningkatkan bila suhu lingkungan merupakan
suhu
optimal
untuk
pertumbuhannya.
Misalnya,
yeast
(Sacharomyces rouxii) Suhu
Aw minimal
0
pertumbuhan
C
30
0,60
0
20
0,70
0
0,78
10
4.
Oksigen Untuk
mikrobia
yang
bersifat
fakultatif
anaerob
menunjukkan
bahwa
toleransinya pada Aw rendah akan meningkatkan bila oksigen tersedia. Sebagi contoh, dikemukakan sebagi berikut: Aw minimal S. aureus
sebesar
0,85
(aerob) dan membutuhkan Aw minimal 0,90 ketika kondisinya anaerob. 5. pH Toleransi mikrobia terhadap Aw rendah akan meningkat jika berada pada pH optimum untuk pertumbuhannya, atau berada sekitar pH netral = 7. Misalnya, Aspergillus flavus pada Aw 0,73 dapat tumbuh baik pada pH 7, tetapi tidak dapat tumbuh pada pH 5. 6.
Zat Penghambat Adanya zat penghambat dapat menurunkan toleransi mikrobia pada Aw rendah. Miisalnya, ozon (O3) menurunkan toleransi mikrobia ketika Aw-nya sebesar 0,97 – 0,98, demikian pula jika ada tambahan bahan antimikrobia kalium sorbat atau CO2 (10%).
113
7.
Adaptasi/waktu adaptasi Makin lama sel mikrobia berada pada lingkungan Aw rendah, maka toleransi pada Aw rendah akan meningkat.
8.
Jenis solut yang dipergunakan untuk menurunkan AW. Contoh : Aspergillus lebih tahan pada media yang diatur dengan tambahan sukrosa dibandingkan dengan NaCl/gliserol.
Hubungan besarnya nilai Aw
bahan pangan dengan kemungkinan munculnya
mikrobia perusak dan patogen dapat dilihat pada Tabel 7. 5.
114