MAKALAH TEGANGAN PERMUKAAN Measurement of Surface Tension of Homogenised Milks
Oleh: Arif Novan
12030234001 KA12
Ayu Mei Santi
12030234014 KA12
Intan Fitria
12030234212 KB12
Fitria Dewi N.
12030234226 KA12
Wilda Yuli
12030234008 KB12
Putri Andhika
12030234206 KB12
JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA & ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA 2014
DAFTAR ISI Halaman Judul...........................................................................................................i Daftar Isi..................................................................................................................ii BAB I PENDAHULUAN........................................................................................1 Latar Belakang.........................................................................................................1 Rumusan Masalah....................................................................................................1 Tujuan Penulisan Makalah.......................................................................................2 Manfaat Makalah.....................................................................................................2 BAB II KAJIAN PUSTAKA...................................................................................3 2.1.Pengertian Tegangan Permukaan.......................................................................3 2.2.Faktor-faktor yang Mempengaruhi ...................................................................3 2.3.Metode Pengukuran Tegangan Permukaan........................................................4 BAB III METODE PENELITIAN...........................................................................6 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN..................................................................9 BAB V KESIMPULAN.........................................................................................13 DAFTAR PUSTAKA.............................................................................................14
ii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Tegangan permukaan merupakan bagian penting dari suatu liquid. Dalam istilah sederhana, tegangan permukaan adalah gaya yang bekerja pada permukaan cairan, cenderung untuk meminimalkan luas permukaan. Dalam industri susu, tegangan permukaan susu adalah sifat penting karena memiliki dampak pada pembentukan emulsi. Tegangan permukaan susu adalah sekitar tujuh puluh persen dari tegangan permukaan air. Ini memengaruhi pengentalan, fungsi membran globule lemak, dan proses pembuihan yang dilakukan dalam industri susu. Efek dari peningkatan kadar lemak terlihat sebagai efek yang menarik terhadap tegangan permukaan (Wood, 1982). Tegangan permukaan susu, seperti air, menurun dengan peningkatan suhu. Sterilisasi terhadap susu menyebabkan meningkatnya tegangan permukaan karena mengakibatkan denaturasi dan koagulasi protein susu dan mereka tidak lagi tetap sebagai surface-active agents. Homogenisasi dan penggeseran susu mentah merangsang lypolysis yang dapat menyebabkan penurunan tegangan permukaan. Pada kajian ini akan dijabarkan mengenai penentukan nilai tegangan permukaan dari berbagai jenis susu homogen dan krim karena ada sedikit informasi yang tersedia dalam literatur untuk hal ini. Sebagai konstituen larutan susu berbeda yang tersedia di Selandia Baru bervariasi, nilai tegangan permukaan diharapkan menjadi berbeda. Dua metode yang terpisah telah digunakan untuk mengukur nilai tegangan permukaan: (i) metode Capillary Rise; (ii) metode Wilhelmy Plate. Penggunaan dua teknik yang berbeda akan memungkinkan membuat perbandingan antara mereka. 1.2.
Rumusan Masalah Dari latar belakang diatas dapat dibuat rumusan masalah sebagai berikut: 1. Bagaimana nilai tegangan permukaan yang diperoleh terhadap berbagai jenis susu homogen dan krim?
1
2. Bagaimana pengaruh kandungan lemak yang terdapat didalam susu terhadap tegangan permukaan? 3. Bagaimana perbandingan pengukuran tegangan permukaan menggunakan metode Capillary Rise dan metode Wilhelmy Plate? 1.3. Tujuan Penulisan Makalah Tujuan dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut: 1. Untuk menentukan nilai tegangan permukaan dari berbagai jenis susu homogen dan krim 2. Untuk mengetahui pengaruh kandungan lemak yang terdapat pada susu terhadap tegangan permukaan. 3. Untuk mengetahui perbandingan nilai tegangan permukaan menggunakan metode Capillary Risedan metodeWilhelmy Plate. 1.4. Manfaat Makalah Manfaat dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut: 1. Menambah pengetahuan mengenai tegangan permukaan 2. Memberikan informasi mengenai pengaruh kandungan lemak dalam susu terhadap nilai tegangan permukaan yang diperoleh 3. Mengetahui perbandingan antara metode ‘Capillary Rise’ dan metode ‘Wilhelmy Plate’
2
BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Tegangan Permukaan Tegangan dalam permukaan ini adalah gaya persatuan panjang yang harus diberikan sejajar pada permukaan untuk mengimbangi tarikan ke dalam. Gaya ini tegangan permukaan mempunyai satuan dyne/cm dalam satuan cgs. Hal ini analog dengan keadaan yang terjadi bila suatu objek yang menggantung dipinggir jurang pada seutas tali ditarik ke atas oleh seseorang memegang tali tersebut dan berjalan menjauhi seutas tali. (Martin, 1990. Tegangan permukaan terjadi karena permukaan zat cair cenderung untuk menegang, sehingga permukaannya tampak seperti selaput tipis. Hal ini dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi antara molekul air. Pada zat cair yang adesiv berlaku bahwa besar gaya kohesinya lebih kecil dari pada gaya adesinya dan pada zat yang non-adesiv berlaku sebaliknya. Salah satu model peralatan yang sering digunakan untuk mengukur tegangan permukaan zat cair adalah pipa kapiler. Salah satu besaran yang berlaku pada sebuah pipa kapiler adalah sudut kontak, yaitu sudut yang dibentuk oleh permukaan zat cair yang dekat dengan dinding. Sudut kontak ini timbul akibat gaya tarik-menarik antara zat yang sama (gaya kohesi) dan gaya tarik-menarik antara molekul zat yang berbeda (adesi). (Ansel, 1985) 2.2 Faktor yang Memengaruhi Faktor-faktor yang diketahui memengaruhi kekuatan tegangan permukaan adalah (Nave, 2002 dan Wood, 1982):
Gaya antarmolekul: Gaya antarmolekul kuat menghasilkan nilai yang lebih tinggi dari tegangan permukaan. Gaya antarmolekul
dapat dikategorikan ke dalam gaya kohesi dan gaya adhesi. Ikatan hidrogen: Laquid dengan ikatan hidrogen memiliki nilai tegangan permukaan yang tinggi.
3
Suhu: Peningkatan suhu menunjukkan bahwa tegangan permukaan berada di nilai yang rendah untuk kebanyakan jenis liquid sebagai
berkurangnya gaya tarik antar-molekul. Komposisi liquid: Komposisi seperti kadar lemak, lipolisis, umur, dan sebagainya yang diketahui (untuk susu) berpengaruh terhadap tegangan permukaan.
2.3 Metode Pengukuran Tegangan Permukaan 2.3.1 Metode Kenaikan Pipa Kapiler Menurut metode kapiler, tegangan permukaan diukur dengan melihat ketinggian air/cairan yang naik melalui satu pipa kapiler. Metode kenaikan pipa kapiler hanya dapat digunaka untuk mengukur tegangan permukaan, tidak bisa untuk mengukur tegangan antar muka salah satu besaran yang berlaku pada sebuah pipa kapiler adalah sudut kontak, yaitu sudut yang dibentuk oleh permukaan zat cair yang dekat dengan dinding. Sudut kontak ini timbul akibat gaya tarik menarik antar zat yang sama (gaya kohesi) dan gaya tarik menarik antar molekul zat yang berbeda (adesi) Molekul biasanya saling tarik menarik. Dibagian dalam cairan, setiap molekul cairan dikelilingi oleh molekul-molekul cairan disamping dan di bawah. Dibagian atas tidak ada molekul cairan yang lain karena molekul cairan tarik menarik satu dengan yang lainnya, maka terdapat gaya total yang besarnya nol pada molekul yang berbeda di bagian dalam cairan. Sebaliknya molekul cairan yang terletak di permukaan ditarik oleh molekul cairan yang berada di samping dan dibawahnya. Akibatnya permukaan cairan terdapat gaya total yang berarah ke bawah karena adanya gaya total yang arahnya ke bawah, maka cairan yang terdapat di perukaan cenderung memeperkecil luas permukaannya dengan menyusut sekuat mungkin. Hal ini yang menyebabkan lapisan perukaan seolaholah tertutup oleh selapur elastis yang tipis (Atfins, 1994) Metode ini hanya digunakan untuk menentukan tegangan suatu zat cair dan tidak dapat digunakan untuk menentukan tegangan antar permukaan dua zat cair yang tidak bercampur. Bila pipa kapiler dimasukkan ke dalam suatu zat cair, maka zat tersebut akan naik ke 4
dalam pipa sampai gaya gesek ke atas diseimbangkan oleh gaya gravitasi ke bawah akibat berat zat cair. –
Komponen gaya ke atas akibat tegangan permukaan yaitu ;
–
Keliling penampang pipa = 2 r
–
Sudut kontak antar permukaan zat dengan dinding kapiler = maka gaya ke atas total = 2 r cos .
2.3.2 Metode Wilhelmy Plate Metode wilhelmy
ini
menggunakan
sebagai
alat
lempeng
u n t u k mengukurnya.
Lempeng wilhelmy adalah lempen g tipis yang digunakan u n t u k mengukur tegangan permukaan atau antarpermukaan antara udara dengan larutan atauantar senyawa dalam larutan. Pada metode ini, lempeng
harus
diletakkan
tegak
lurus dengan tegangan antar
permukaan, dan tekanan yang digunakan yang diukur. MetodeLudwig Wilhelmy ini berkembang dan digunakan untuk persiapan dan monitoring dariLangmuir - Blodgett film (Anonim, tt). Lempeng lempeng
yang
wilhelmy
biasanya
menggunakan
b e r u k u r a n beberapa cm2. Lempeng ini sering
terbuat dari kaca atau platina yang agak berat untuk dapat terbasahi sempurna. T e k a n a n p a d a l e m p e n g y a n g t e r e n d a m d i u k u r dengan menggunakan tensiometer atau microbalance dan u n t u k m e n g h i t u n g
tegangan
permukaan digunakan
rumus : α=
F/2 ℓ - cos Φ
dimana ℓ adalah panjang dari lempeng wilhelmy yang terendam dan θadalah sudut antara larutan dengan lempeng. Namun pada prakteknya sudut ini sulit ntuk diukur sehingga metode ini jarang digunakan (Anonim, tt). BAB III
5
METODE PENELITIAN Berbagai jenis susu homogen dan krim, tersedia di Selandia Baru, telah digunakan dalam penelitian ini. Komposisi mereka diberikan dalam Tabel 2 di bawah ini: Tabel 2. Komposisi dari berbagai jenis susu dan krim (Selandia Baru) (Informasi didapat dari label pada produk dari ‘Anchor Milk’)
* Ini mengindikasikan level lemak; gelap berarti kadar/kandungan lemak tinggi Metode ‘Capillary Rise’ menentukan tegangan permukaan cairan dengan menggunakan pipa kapiler. Ketika pipa kapiler ditempatkan dalam cairan, tingkat cairan di dalamnya naik di atas tingkat cairan normal.Elevasi ini di tingkat cair merupakan fungsi dari tegangan permukaan. Kapiler terjadi ketika adhesi dinding lebih kuat dari gaya kohesif antara molekul cair. Mengukur tegangan permukaan menggunakan metode ini memiliki beberapa ketidaknyamanan (ANALITE Operation Handbook, 2000).Misalnya, lubang tabung kapiler harus diketahui secara akurat untuk mendapatkan hasil yang tepat.Juga suhu cairan liquid perlu ditetapkan konstan untuk mengukur kenaikan kapiler.Kepadatan cairan juga harus diketahui pada suhu tertentu. Teknik 'Wilhelmy Plate' dikenal sebagai metode pengukuran tegangan permukaan yang paling canggih yang tersedia saat ini (Nave, 2002).Dalam studi saat ini versi otomatis misalnya sistem ANALIT telah digunakan (Wilhelmy Plate, 2003).Metode ini menggunakan keseimbangan presisi untuk mengukur tegangan 6
permukaan. Ini mengukur gaya yang diberikan pada titik istirahat dari meniskus yang terbentuk antara pelat tipis dan cairan yang memiliki tegangan permukaan akan ditentukan. Namun, tidak seperti metode Du Noüy Ring (Kuk, 1955; Watson 1958; dan Janal, 1975), semua gaya yang vertikal dan karenanya tegangan permukaan dapat diukur lebih akurat (ANALITE Operation Handbook, 2000). Plat memiliki kemampuan untuk mengukur cairan viskositas tinggi dengan sedikit efek pada akurasi. Tabung kapiler kaca sekali pakai adalah yang digunakan padam percobaan ‘Capillary Rise’.Tabung yang dikalibrasi (akurasi ± 1%) adalah 12mm panjang dengan diameter lubang 0.5mm.Awalnya kepadatan cairan diukur, menjadi langkah pertama dalam mengukur tegangan permukaan dengan menggunakan pipa kapiler.Sebuah jangka sorong Verniers (akurasi ± 0.1mm) digunakan untuk mengukur tingkat kenaikan cairan dalam pipa kapiler. Lima tabung kapiler yang berbeda digunakan untuk setiap sampel susu dan tegangan permukaan dihitung dengan mengambil rata-rata dari pengukuran ini. Untuk metode 'Wilhelmy Plate', ANALITE Surface Tension Meter - Model 2141 digunakan. Ini mempekerjakan mekanisme keseimbangan gaya magnet dengan kontrol mikroprosesor untuk mengukur tegangan permukaan cairan pada cairan antarmuka/udara. Meter beroperasi dengan menahan pelat kaca di atas cairan.Pada
titik
ini,
tepi
dikalibrasi
untuk
memiliki
nol
tegangan
permukaan.Kemudian pelat kaca diturunkan sehingga tepi hanya terendam dalam cairan. Sebuah gaya diterapkan secara progresif oleh transduser magnetik, menggunakan sebuah ramped current source (sumber arus menggenjot produksinya), dalam meter untuk melawan efek tegangan permukaan dan mengambil pelat dari cairan. Proses ini berlanjut sampai pelat sepenuhnya diambil dan titik meniscus terbentuk (terpecah). Titik meniskus yang terpecah (semacam membentuk lengkungan) terdeteksi optik.Gaya yang diterapkan tepat sebelum titik terpecahnya meniskus terbentuk digunakan untuk menghitung tegangan permukaan. Dalam rangka untuk meminimalkan efek yang berhubungan dengan variasi komposisi dan penuaan, semua sampel susu yang digunakan yang diproduksi oleh 'Anchor Milk' (lihat Tabel 2) dan semua stok memiliki tanggal kadaluwarsa yang
7
sama. Percobaan dilakukan pada 20 °C dan setiap percobaan diulang lima kali. Dalam semua percobaan, sampel susu yang diambil dari kulkas dan kemudian dipanaskan sampai 20 °C menggunakan hot plate sebelum pengukuran tegangan permukaan dilakukan.
8
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pada tabel 3 menunjukkan bahwa rata-rata tegangan permukaan yang diperoleh dari 2 metode adalah sebagai berikut: Tabel 3. Nilai tegangan permukaan yang didapatkan dari Metode “Kenaikan kapiler” dan Wilhelmy Plate”(ANALITE 2141 Tegangan permukaan ) “Kenaikan Kapilaritas” Tegangan Cream Dark Blue Light Blue Dark Green Light Green
“Wilhelmy Plate”
Permukaan Tegangan
(mNm) 46.20 53.98 63.25 64.07 67.40
Permukaan
(mN/m) 43.86 52.70 56.84 59.46 64.28
Nilai tegangan permukaan dari dua metode percobaan hampir sama, Wilhelmy Plate memberikan nilai yang lebih kecil. Nilai tegangan permukaan dari percobaan ini, dengan menggunakan metode kenaikan kapilaritas dan metode wilhelmy plate lebih tinggi daripada literatur (lihat tabel 2). Ini dikarenakan penggunaan susu yang homogen pada penelitian ini. Berdasarkan literatur, susu yang homogen diasumsikan mempunyai nilai tegangan permukaan yang lebih tinggi(**). Williams et al(2005) dalam percobaannya mengukur tegangan permukaan pada semua susu yang standar (misalnya Dark Blue), standart skim (misalnya Light Green), sementara konsentrasi susu (konsentrasi mencapai 54 %) dan konsentrasi skim (konsentrasi mencapai 47 %). Hasil percobaan tersebut menunjukkan bahwa nilai tegangan permukaan semua susu standar -44.5 – 48.5 mN/m dan susu skim standar -49 mN/m, yang mana nilai lebih kecil dari percobaan ini. Tabel 4 menunjukkan bahwa nilai paling besar dan paling kecil pada pengukuran tegangan permukaan untuk semua jenis susu dengan menggunakan kedua metode. Secara keseluruhan perbedaan antara nilai tertinggi dan terendah dengan metode Wilhelmy Plate lebih kecil daripada metode kenaikan kapilaritas.Hasil dari Wilhelmy Plate lebih mendekati literatur (lihat tabel 3).
Keterbatasan kemampuan pada alat ukur yang digunakan seperti Kapiler Verniers (keakuratan + 0.1 mm), thermometer (ketelitian + 2.0 oC), pipa kapiler (ketelitian 1 %) dan taraf kesalahan dalam proses percobaan seperti ketepatan jarak vertikal dari pipa kapiler dalam larutan mempunyai ketidaktepatan yang lebih tinggi, hasilnya diperoleh dari metode kenaikan kapilaritas‘Capillary Rise’ dalam perbandingan dengan ANALITE 2141 yang mana dalam versi yang otomatis pada metode ‘Wilhelmy Plate’ (Wilhelmy Plate, 2003) and juga mempunyai sensor temperatur/suhu cairan. Tabel 4. Nilai tegangan permukaan tertinggi dan terendah menggunakan Kenaikan kapilaritas dan Wilhelmy Plate (ANALITE 2141 Meter Tegangan Permukaan) Metode Kenaikan Kapilaritas Metode Wilhelmy Plate Terendah Tertinggi Terendah Tertinggi Cream Dark Blue Light Blue Dark Green Light Green
(mN/m) 44.93 53.26 62.3 63.3 65.76
(mN/m) 47.68 55.13 64.13 65.18 68.51
(mN/m) 43.1 51.9 56.6 59.2 63.9
(mN/m) 44.3 53.2 57.2 59.8 64.7
5.1. Pengaruh dari Komposisi Susu Tabel 5 Presentase dari protein, lemak, laktosa dan garam pada lima jenis susu. Cream mempunyai jumlah lemak 88.84 % sedangkan pada susu dark blue adalah sebesar 28.8 %; susu standar, pasteurisasi, dan susu homogen. Susu light green (disebut juga susu trim) mempunyai lemak dengan jumlah yang paling kecil (hanya 0.93 %). Menurut Whitnah (1959), protein susu dan lemak mempunyai komponen sisi aktif utama yang mempengaruhi tegangan permukaan susu. Analisis komposisi pada susu yang berbeda pada tabel 5, menjadi jelas, menunjukkan bahwa reduksi/pengurangan kandungan lemak pada susu diikuti dengan kenaikan kandungan/kadar protein (laktosa dan gula). Dengan pertimbangan bahwa protein susu menjadi jenis yang dominan, ketepatan tegangan permukaan dari light green milk menjadi paling rendah karena jumlah proteinnya banyak. Di sisi lain susu green light mempunyai nilai tegangan permukaan tertinggi, dan kandungan lemak
rendah. Gambar 1 menunjukkan grafik kandungan lemak pada jenis susu yang berbeda-beda. Hal tersebut menunjukkan bahwa pengaruh dari lemak pada tegangan permukaan dengan pengaruh dari protein dan kandungan lain yang terdapat pada susu. Tabel 5. Presentase Berbagai Macam Kandungan yang Terdapat Pada Sampel Susu
Protein Lemak Laktosa Garam
Cream
Dark
Light
(%)
Blue (%)
Blue (%)
4.44 88.84 6.66 0.66
28.80 28.80 41.02 1.37
34.01 14.17 50.08 1.74
Dark
Light
Green
Green
(%) 38.67 4.72 54.71 1.91
(%) 41.09 0.93 56.03 1.95
Gambar 1: Pengaruh dari kandungan lemak pada tegangan permukaan. Sehingga, dapat disimpulkan bahwa pada susu yang homogen, tegangan permukaan menurun secara signifikan dengan naiknnya kandungan/kadar lemak. Penurunan ini hampir linier untuk semua jenis susu blue dan green, dimana mengindikasikan bahwa tegangan permukaan proporsinya berbanding terbalik dengan jumlah lemak (mencapai 30 %). Berdasarkan hal tersebut menunjukkan bahwa untuk cream, pengaruh dari kandungan lemak menurun secara signifikan.Kandungan lemak mencapai jumlah yang maksimum. Lemak susu kemungkinan mempunyai permukaan aktif karena sebagian besar dilindungi oleh
permukaan aktif protein (Walsta et
al 1984). Hal tersebut dapat dijadikan
penelitian lebih lanjut.
BAB V KESIMPULAN
Terdapat perbedaaan yang signifikan pada komposisi dari jenis susu yang berbeda mempunyai pengaruh pada sifatnya. Tegangan permukaan adalah salah satu sifat yang berpengaruh terhadap jumlah agen permukaan aktif, seperti lemak dan protein. Lima jenis susu yang terdapat di New Zealand, merah(cream), biru tua (susu standar, homogen dan pasteurisasi), light blue, light green, dark green, digunakan untuk mengukur tegangan permukaan menggunakan metode kenaikan kapilaritas dan Wilhelmy Plate. Cream, dengan lemak maksimum (88.84%) dan protein(4.44%) mempunyai nilai tegangan permukaan paling kecil terdapat pada light green dengan kandungan lemak minimum (0.93%) dan kandungan protein maksimum (41.09%) mempunyai tegangan permukaan paling besar. Tegangan permukaan diketahui mempunyai proporsi yang berbanding terbalik dengan kandungan lemak tetapi pengaruhnya sedikit apabila dinyatakan pada konsentrasi lemak yang tinggi. Hasil yang diperoleh menggunakan
metode the ‘Wilhelmy Plate’
mempunyai sedikit hamburan dan terlihat lebih dapat dipercaya karena metode kenaikan kapilaritas ‘Capillary Rise’ menggunakan peralatan dan ketidaktepatan percobaan yang tinggi.
DAFTAR PUSTAKA Anief, Moh. 1993. Ilmu Meracik Obat. Yogyakarta : UGM Press.
Atkins, P. W. 1994.Kimia Fisik edisi ke-4 jilid 1.Jakarta:Erlangga. Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika jilid 1. Jakarta:Erlangga. Mukherjee,Niloshree et al.2005.”Measurement of Surface Tension of Homogenised Milks”. International Journal of Food Engineering.Vol.5.No.2. Munson B. R. et al. 2004. Mekanika Fluida. Jakarta:Erlangga.
