6

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Susu

Susu adalah hasil sekresi kelenjar mamae mamalia yang sedang

mengalami masa laktasi. Susu dari beberapa hewan seperti sapi, kerbau, kambing

dan domba digunkan untuk konsumsi manusia, baik dikonsumsi secara langsung

maupun dalam bentuk produk olahan susu (Walstra, Wouters, & Geurts, 2006).

Susu merupakan bahan pangan yang dianggap paling lengkap nutrisinya tapi

dengan keadaan tersebut membuat susu rentan terhadap kontaminasi

mikroorganisme yang membuat produk susu mudah rusak.

Dari perspektif molekular susu adalah fluida yang memiliki sistem fisiko-

kimia yang kompleks (Nieuwenhuijise & Van Boekel, 2003). Fase kontinyu pada

susu bukanlah sepenuhnya air tetapi merupakan suspensi dari beberapa jenis

agregat seperti, protein koloidal, lipid yang teremulsi, protein globular, laktosa

terlarut, vitamin dan mineral (Walstra dkk., 2006). Selain itu, susu juga

mengandung peptida bioaktif, enzim, oligosakarida dan imunnoglobulin (Walstra

dkk., 2006). Struktur dan sifat dari komponen penyusun susu ini sangat

mempengaruhi karakteristik susu dan memiliki konsekuensi penting untuk

pengolahan susu (Singh & Bennet, 2002).

2.1.1 Komposisi Susu

Susu terdiri dari beberapa komponen yang dapat diklasifikasikan menjadi

dua bagian yakni bagian makro seperti air, lemak, laktosa dan protein dan

komponen mikro yakni mineral, protein darah yang spesifik, enzim dan vitamin.

7

Komponen-komponen ini dapat mempengaruhi karakteristik susu selama

penyimpanan dan pengolahan (Singh & Bennet, 2002). Rata-rata komposisi susu

terdiri dari air (87,20%), protein (3,50%), lemak (3,70%), laktosa (4,90%), abu (

0,70%) dan bahan kering (12,80%). Komposisi tersebut dapat berbeda-beda di

setiap susu yang dihasilkan tergantung dari beberapa faktor seperti jenis pakan,

tahap laktasi, musim, usia sapi dan jenis ras sapi (Debela, Eshetu, & Regasa,

2015). Komposisi utama pada susu sapi segar berdasarkan penelitian Bylund

(1995) dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Komposisi Utama Susu Sapi Segar

Komposisi Utama (%) Presentase Range

Keberadaan Komponen

Rata-rata

Air 85,5 – 89,5 87,5

Total Padatan 10,5 – 14,5 13

Lemak 2,5 – 6,0 3,9

Protein 2,9 – 5,0 3,4

Laktosa 3,6 – 5,5 4,8

Mineral 0,6 – 0,9 0,8

Sumber : Bylund (1995)

1) Laktosa

Laktosa merupakan karbohidrat utama dalam susu. Laktosa merupakan

disakarida yang tersusun atas komponen D-glukosa dan D-galaktosa yang

dihubungkan oleh ikatan β-1,4-glikosidik (Walstra dkk., 2006). Monosakarida

dalam laktosa dapat muncul dalam tiga struktur yang berbeda, dua bentuk

diantaranya merupakan bentuk piranosa siklik yakni α dan β anomer dan satu

lainnya dapat berbentuk rantai yang terbuka.

Ketiga struktur tersebut dapat ditemukan dalam susu karena adanya proses

mutarotasi pada glukosa. Mutarotasi merupakan proses konversi dari dua siklik

8

anomer yang menghasilkan bentuk rantai laktosa terbuka. Proses mutarotasi dapat

terjadi karena adanya peningkatan suhu yang membuat ikatan O-C dari bagian

glukosa siklik putus dan kemudian membentuk rantai terbuka saat menciptakan

kelompok aldehid seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1

Gambar 1. Proses Mutarotasi Glukosa (Janson, 2014)

Bentuk laktosa dengan rantai terbuka merupakan bentuk yang tidak stabil

dan mengandung kelompok aldehid tereduksi yang dapat membuat laktosa

mereduksi karbohidrat dalam susu (Walstra dkk., 2006). Susu segar mengandung

kurang dari 0,1% laktosa dalam bentuk rantai terbuka, namun saat temperatur naik

dan pH pembentukan rantai terbuka terpenuhi akan terjadi peningkatan reaktivitas

gula (Walstra dkk., 2006).

Kadar laktosa dalam susu bervariasi tergantung dari jenis hewan, kondisi

hewan, kondisi ambing hewan dan tahap laktasi saat susu diproduksi. Konsentrasi

laktosa cenderung menurun secara signifikan selama masa laktasi dan konsentrasi

laktosa juga berbandung terbalik dengan konsentrasi lipid dan protein dalam susu.

Laktosa memiliki 2 fungsi utama dalam susu yaitu sebagai sumber energi dan juga

berperan dalam tekanan osmotik antara darah dan susu (Fox, Uniacke-Lowe,

McSweeney, & O’Mahony, 2015).

9

2) Protein

Susu segar sapi mengandung sekitar 3,5% protein. Konsentrasi protein ini

berubah secara signifikan selama masa laktasi, terutama selama 1 minggu pertama

masa laktasi (Fox dkk., 2015) Susu mengandung berbagai macam protein yang

mampu melindung susu dari mikroorganisme patogen dan sangat penting dalam

pembuatan dan penentuan karakteristik produk susu olahan yang dihasilkan

(Korhonen & Pihlato, 2004). Kebanyakan protein susu antara lain kasein,

laktoglobulin, laktoalbumin dan diklasifikasikan menjadi kasein dan whey

protein.

Kasein mewakili 80% total protein dalam susu, yang membuatnya menjadi

komponen protein utama pada susu sapi. Kasein bersifat hidrofobik dan

merupakan protein yang memiliki muatan negatif, kasein pada susu dapat

mengandung prolin dan beberapa grup sistein. Kasein dapat diklasifikasikan

menjadi 4 tipe yang berbeda ; αs1-kasein (αs1-CN) sebanyak 40% dari total kasein,

αs2-kasein (αs2-CN) sebanyak 10% dari total kasein , β-kasein (β-CN) sebanyak

35% dari total kasein dan κ-kasein (κ-CN) sebanyak 15% dari total kasein

(Walstra dkk., 2006)(Dalgleish dan Corredig, 2012). Gugus αs1-kasein mampu

mengikat kalsium dan Zn yang berperan untuk menghasilkan curd yang kuat dala

proses pengolahan keju. Gugus β-kasein merupakan fraksi yang memiliki sifat

hidrofobik yang paling tinggi dibandingkan ketiga gugus lainnya. Gugus κ-kasein

merupakan gugus kasein yang mengandung komponen karbohidrat

(oligosakarida) di dalamnya. Sebanyak 95% kasein dalam susu teragregasi di

10

dalam klaster yang diikat oleh ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik dan

interaksi hidrofobik. Klaster ini disebut misel kasein yang mengandung sekitar

94% protein dan 6% kalsium fosfat koloid yang terdiri dari kalsium, fosfat,

sejumlah kecil magnesium, sitrat dan logam lainnya (Walstra dkk., 2006)

Whey protein merepresentasikan 20% dari total protein dalam susu.

Whey protein memiliki sifat yang lebih tahan panas dibandingkan dengan

kasein karena memiliki sturuktur sekunder dan tersier tingkat tinggi. Selain

itu whey protein memiliki kelarutan yang tinggi di dalam susu karena tingginya

kandungan sistein dan komponen hidrofilik di permukaannya (Dissanayake &

Vasiljevic, 2009). Struktur globular whey protein ini dibentuk dari ikatan

disulfide, interaksi hidrofobik, gaya Van der Waal’s, ikatan hidrogen dan ikatan

ion pasangan (Walstra dkk., 2006). Whey protein yang ada pada susu terbagi

menjad 4 komponen ; β-laktoglobulin (β-Lg) sebanyak 40% dari total whey

protein susu, α-laktoglobulin (α-Lg) sebanyak 20% dari total whey protein

susu, immunoglobulin sebanyak 10% dari total whey protein susu dan serum

albumin sebanyak 10% dari total whey protein susu. Enzim dan protein

membran dalam globula lemak susu menyumbang 10% dari total whey

protein yang ada di dalam susu (Farrel dkk., 2004).

Protein dapat berubah seiring dengan adanya proses pengolahan pada

bahan. Proses peengolahan yang biasanya digunakan pada susu adalah proses

pemanasan. Proses pemanasan berupa pasteurisasi pada susu tidak mengubah

kualitas protein susu. Selama proses pasteurisasi, protein whey akan terdenaturasi

hingga batas tertentu namun hal ini hanya mengubah nilai fungsional protein pada

11

susu tanpa merubah nilai gizi dan kualitas protein susu itu sendiri. Hal ini terjadi

karena nilai gizi protein susu ditentukan oleh daya cerna dan juga ketersediaan

asam amino esensial di dalamnya. Asam amino dalam susu selama proses

pasteurisasi mengalami penurunan 1-4%. Selain itu juga, proses pasteurisasi tidak

menyebabkan perubahan kimia yang signifikan atau perubahan struktur sekunder

negatif yang berarti (Jesse dan Gregory, 1982). Proses pengolahan lain seperti

ozonasi pada susu juga dapat mempengaruhi secara langsung asam amino yang

menyusun protein susu. Asam amino dapat dirusak oleh ozon dengan cara

merubah struktur pada atom nitrogen amina primer atau pada Grup R (O’Donnell,

Tiwari, Cullen, & Rice, 2012a)

3) Lemak

Susu adalah emulsi lemak yang terdispersi dalam fase air yang diketahui

sebagai emulsi minyak dalam air. Trigliserida merupakan 98% dari komponen

lemak penyusun susu, 1% lainnya adalah fosfolipida polar dan sisanya berupa

monogliserida, digliserida, kolesterol, dan ester kolesterol (Fox dkk., 2015).

Hampir semua lemak susu terdapat di dalam globula lemak susu dengan diameter

sekitar 4,5 µm di dalam susu segar. Lemak dalam susu selain mempengaruhi

komponen gizi produk juga mempengaruhi karakteristik sensori seperti flavor dan

aroma. Selain itu lemak dalam susu juga mempengaruhi kualitas produk olahan

susu seperti keju, mentega dan krim yang dipengaruhi oleh kandungan lemak di

dalamnya (Nateghi, Morvarid, Etham, Gholamian, & Mohammadzadeh, 2014).

Trigliserida dalam susu ditemukan di dalam inti hidrofobik globula lemak

susu, sementara itu di bagian luar globula lemak susu terdapat lipid polar dan

12

protein yang berfungsi sebagai pengemulsi. Lipid polar yang terkandung di dalam

globula lemak susu biasanya tersusun oleh fosfolipid dan spingolipid (Dewettinck,

Rombaut, Thienpont, Messens, & Camp, 2008). Protein membran dan lipid ini

membantu menstabilkan emulsi lewat struktur ampifatik yang dimilikinya,

struktur ampifatik adalah struktur yang memiliki bagian yang hidrofilik dan

bagian yang hidrofobik. Selain membantu dalam proses emulsi lemak di dalam

susu, membran globula lemak susu juga berperan dalam mencegah degradasi

enzimatis (Dewettinck dkk., 2008). Di dalam susu terdapat 65% asam lemak

jenuh dan 35% asam lemak tak jenuh (Samkova, Spicka, Pesek, Pelikanova, &

Hanus, 2012).

Selama proses pengolahan, lemak pada susu mengalami beberapa

perubahan seperti ukuran globula lemak. Proses pasteurisasi membuat globula

lemak lebih kecil akibat dari suhu tinggi yang mendorong lipolisi lemak karena

adanya akses positif lipase pada globula lemak. Selain itu, proses pasteurisasi juga

menyebabkan membran globula lemak terganggu. Saat membran globula lemak

susu terganggu maka asam lemak akan terdegradasi dan menjadi mudah

teroksidasi. Reaksi oksidasi lemak dapat mempengaruhi karakteristik susu seperti

kehilangan nutrisi pada susu, off-flavor pada susu dan perubahan aroma pada

produk olahan susu (Adachi, 2001). Proses pengolahan lain pada susu seperti

ozonasi juga dapat mempengaruhi lemak sama seperti halnya proses pasteurisasi.

Ozonasi pada susu akan membuat lemak pada susu mengalami oksidasi yang

membuat lemak pada susu bertranformasi menjadi peroksida (Adachi, 2001).

13

4) Mineral dan Vitamin

Susu mengandung komponen mineral. Mineral yang ada pada susu

terdapat pada serum dan senyawa kasein susu. Mineral makro yang terkandung

dalam susu antara lain kasium, natrium, kalium dan magnesium. Sementara

mineral mikro yang terkandung dalam susu antara lain tembaga, besi, timah,

boron, mangan, seng, yodim, dll. Mineral pada susu ini penting dalam proses

persiapan, pengolahan dan penyimpanan priduk susu karena perannya yang

mempengaruhi konformasi dan stabilitas protein susu terutama kasein, bahkan

bisa berpengaruh dalam stabilitas lipid dalam susu (Fox dkk., 2015)

Proses pengolahan pada susu tidak berpengaruh signifikan pada mineral

yang ada di dalam susu. Hal ini disebabkan karena mineral merupakan komponen

yang stabil di suhu tinggi. Proses pasteurisasi pada susu tidak memiliki pengaruh

yang signifikan terhadap bioavailbilitas kalsium dan fosfor yang merupakan

mineral utama pada susu. Namun proses pasteurisasi menyebabkan konsentrasi

yodium pada susu menurun sebanyak 20% (Cifelli, Maples, & Miller, 2010).

Namun proses pengolahan dapat mempengaruhi beberapa interaksi

mineral dengan senyawa lain dalam susu, salah satunya protein. Kalsium dan

fosfor anorganik merupakan koloid bersama kasein misel. Selain itu, mineral

kalsium merupakan mineral yang memiliki ion spesifik, hal ini dapat

mempengaruhi pembentukan gelasi pada whey protein yang dapat terjadi selama

proses pemanasan (Legowo, 2002) Selain itu , mineral dalam susu juga dapat

mempengaruhi proses pengolahan salah satunya , proses ozonasi. Mineral pada

14

susu dapat berperan sebagai promotor dalam pembentukan rantai radikal, atau ,

dapat mempengaruhi laju perpindahan masa. Dengan adanya peningkatan

kekuatan ionik karena adanya mineral, pembentukan gabungan gelembung udara

yang dapat memperkecil luas pemukaan antar muka selama ozonasi berkurang

sehingga luas permukaan antar muka dan laju perpindahan massan selama ozonasi

meningkat (Gottschalk, Libra, & Saupe, 2000).

Vitamin adalah salah satu substansi organik yang biasanya diklasifikasikan

berdasarkan kelarutannya. Vitamin A, D, E dan K merupakan kelompok vitamin

yang larut lemak sementara vitamin B kompleks dan vitamin C adalah kelompok

vitamin yang larut air (Graulet, 2010). Susu dan produk olahan susu biasanya

mengandung vitamin B2, B6, B12 dan A. Data mengenai vitamin dalam susu dan

kebutuhan vitamin sehari-hari dapat dilihat pada tabel 2.

Tabel 2. Vitamin dalam Susu dan Kebutuhan Harian Vitamin

Vitamin Jumlah dalam 1 liter susu

(mg)

Kebutuhan vitamin sehari-hari

orang dewasa (mg)

A 0,2 – 2 1 – 2

B1 0,4 1 – 2

B2 1,7 2 – 4

C 5 – 20 30 – 100

D 0,002 0,01

Sumber : Bylund (1995)

Selama proses pengolahan susu berupa pasteurisasi, vitamin B12 , vitamin

C, B6, dan B1 menurun sebanyak kurang dari 10%. Sementara vitamin B2 dan

vitamin yang larut lemak seperti vitamin A, D, E dan K adalah vitamin yag sangat

stabil pada suhu tinggi sehingga proses pasteurisasi tidak mempengaruhi kadar

vitamin-vitamin ini secara signifikan (Cifelli dkk., 2010).

15

2.1.2 Jenis Susu

1) Whole milk

Susu merupakan salah satu produk pertanian yang diekstrak dari mamalia

selama atau sesaat setelah masa kehamilan yang biasanya dimanfaatkan dan

dikonsumsi oleh manusia. Perbedaan pada susu cenderung bervariasi sesuai

dengan cara susu tersebut diproduksi dan kandungan lemak dari susu tersebut.

Kandungan lemak dari susu bervariasi tergantung pada produk susu, misalnya

whole milk memiliki kandungan lemak sekitar 4%, susu yang ada di pasaran

biasanya mengandung kadar lemak mnimum sekitar 3,5%, susu semi skim

mengandung sekitar 1,7% lemak dan susu skim mengandung 0,1% lemak (Food

and Agriculture Organization of United Nations, 2011).

Natural whole milk atau susu murni adalah susu tanpa adanya penambahan

dan penghilangan komponen yang ada di dalamnya. Whole milk, atau yang biasa

disebut susu full cream biasanya dikonsumsu oleh anak-anak dan remja. Whole

milk disebut juga susu full cream karena mengandung seluruh lemak yang ada

pada susu. Selain itu, whole milk juga memiliki rasa yang lebih creamy dan lebih

kaya rasa. Whole milk harus mengandung 3,25% lemak susu dan 8,25% padatan

susu (Food and Agriculture Organization of United Nations, 2011).

2) Skim milk

Skim milk biasa juga disebut non-fat milk karena merupakan susu yang

telah mengalami penghilangan lemak hingga kandungan lemaknya tidak akan

lebih dari 0,5% lemak. Skim milk biasanya mengandung tidak kurang dari 8,25%

16

padatan yang dihomogenisasi. Produk skim milk memiliki densitas yang lebih

tinggi dibandingkan dengan whole milk. Standar densitas skim milk adalah

setidaknya 1,030 dengan standar pH antara 6,6 - 6,8 (Dadgostar, Jariteh, Nateghi,

& Yousefi, 2013). Skim milk juga memiliki nilai konduktivitas thermal yang lebih

besar dibandingkan dengan whole milk karena kandungan total padatan yang lebih

rendah. Sebagaimana yang tercantum dalam (Muramatsu, Tagawa, & Kasai,

2005), konduktivitas termal akan menurun seiring dengan meningkatnya total

padatan pada sampel. Konduktivitas termal pada susu dapat dimodelkan dengan

persamaan berikut ini , dimana 𝜆 adalah konduktivitas termal (W/moC), C adalah

total padatan (wt%), dan T adalah temperatur (oC) (R. . Singh, 1992).

𝜆 = (326.58 + 1.0412 𝑇 − 0.00337 𝑇2) × (17.30 × 10−4 − 9.342 × 10−6 𝐶)

Skim milk dibuat dari whole milk yang diproses dengan tujuan untuk

menghilangkan lemak. Salah satu proses pengolahan untuk pembuatan skim milk

adalah dengan menggunakan alat cream separator. Alat ini memiliki prinsip

dengan mengikuti gaya sentrifugal. Hasil dari proses separasi ini akan

menghasilkan skim dan krim. Skim susu mengandung semua zat makanan dari

susu kecuali lemak dan vitamin-vitamin yang larut dalam lemak. Susu skim masih

mengandung laktosa protein, mineral, vitamin yang larut air. Sedangkan krim

merupakan bahan pangan berlemak yang bersifat asam, memiliki tekstur yang

lembut dan sering digunakan sebagai bahan dasar dalam pembuatan produk

olahan susu yang lainnya. Susu skim mempunyai nilai kalori yang lebih rendah

karena hanya mengandung 55% dari seluruh energi susu (Sulistyowati, 2010).

17

2.2 Pasteurisasi

Pasteurisasi adalah proses pengolahan yang bertujuan untuk membunuh

mikroorganisme patogen, menjaga kualitas produk tanpa merubah sifat fisik dan

kimiawi produk, serta dapat mengontrol pertumbuhan bakteri. Proses pasteurisasi

dilakukan dengan menggunakan media panas yang bersuhu dibawah titik didih

produk sehingga komponen susu tidak mengalami perubahan selama pasteurisasi.

Pasteurisasi bertujuan untuk membunuh bakteri patogen, mempertahankan

kualitas tanpa mengalami perubahan fisik dan kimiawi dan mampu berperan

dalam kontrol pertumbuhan bakteri (Budiyono, 2009).

Proses pasteurisasi dapat dilakukan dengan menggunakan dua metode

yakni Low Temperature Low Time (LTLT) dan High Temperature Short Time

(HTST). LTLT merupakan metode yang menggunakan suhu yang relatif rendah

dalam rentang waktu yang cukup panjang, biasanya dilakukan dengan pemanasan

pada suhu 63oC selama 30 menit. Sedangkan HTST merupakan metode

pasteurisasi yang menggunakan suhu yang tinggi dengan durasi yang singkat,

biasanya dilakukan pada suhu 72oC selama 15 detik (Budiyono, 2009).

Proses pasteurisasi diharapkan mampu membunuh mikroorganisme dan

bakteri patogen. Mikroorganisme secara umum dapat dikelompokkan berdasarkan

suhu pertumbuhan optimalnya menjadi :

a. Psikotropik, mikroorganisme yang tumbuh optimal pada suhu dingin

berkisar 14 – 20oC namun masih dapat bertahan hidup pada suhu 4

oC

b. Mesofilik, mikroorganisme yang tumbuh optimal pada shu 30 – 37oC serta

mampu tumbuh di suhu ruang

18

c. Termofilik, mikroorganisme yang tumbuh optimal pada suhu diatas 45oC

(Sukarminah, Sumanti, & Hanidah, 2008)

Pasteurisasi dapat membunuh bakteri psikotropik, mesofilik dan beberapa

bakteri termofilik Salah satu bakteri yang dapat dibunuh selama proses

pasteurisasi adalah Listeria monocytogenes. Pasteurisasi tidak mampu membunuh

spora bakteri terutama bakteri yang termoresisten atau tahan suhu tinggi (Sabil,

2015). Proses pasteurisasi biasanya dibantu dengan menggunakan beberapa alat

seperti pasteurisizer atau plate heat exchanger.

2.3 Ozonasi

Ozon adalah gas yang cenderung tidak stabil yang harus dikonsumsi

secara langsung sesaat sebelum penggunaan. Ozon dapat bereaksi ke dalam air

dengan dua cara yakni secara langsung dan tidak langsung. Perbedaan cara ini

menyebabkan perbedaan reaksi oksidasi yang berbeda pada produk dan perbedaan

jenis kinetika reaksi yang terjadi (Gottschalk dkk., 2000). Ozon merupakan salah

satu antimikroba yang kuat dengan banyak potensi aplikasi di industri pangan.

Ozon ini teah disetujui di AS dan diklasifikasikan sebagai aditif pada makanan.

Ozon telah banyak digunakan untuk proses pengolahan pada air minum yang

berguna untuk mereduksi mikroorganisme (bakteri, jamur, dan virus) dan

protozoa pada air minum (Kang, Kui-Jin, Park, & Ok-Hwan, 2013). Selain itu,

kemampuan antimikroba pada ozon juga didasarkan pada keefektifan biosidal

yang tinggi dan spektrum antimikroba yang luas dan aktif melawan bakteri jamur,

virus, protozoa, dan spora bakteri dan jamur (Khadre, Yousef, & Kim, 2001).

19

Keberhasilan suatu proses ozonasi didasarkan pada efek dari mekanisme reaksi

langsung dan tidak langsung yang bergantung dari komposisi air dari produk yang

diozonasi terutama pH, jenis dan kandungan bahan organik yang ada dan

alkalinitas produk (Greene, Annel K, Guzel, & Atif Can, 2012).

2.3.1 Sifat Fisik, Kimia dan Molekular Ozon

Ozon (O3) adalah molekul oksigen triatomik yang dibentuk karena adanya

penambahan radikal bebas oksigen ke dalam oksigen molekuler (O’Donnell,

Tiwari, Cullen, & Rice, 2012b). Ozon merupakan gas berwarna biru pada suhu

biasa bila dihasilkan pada dari udara kering, namun bila dihasilkan dari oksigen

kemurnian tinggi ozon akan terlihat tidak berwarna. Pada suhu -112oC ozon akan

mengembun menjadi cairan biru gelap. Ozon cair dapat diledakkan bila lebih dari

20% kadarnya merupakan campuran zon dan oksigen (Greene dkk., 2012).

Pengaplikasian ozon pada makanan, sebesar apapun konsentrasinya ozon yang

digunakan merupakan ozon yang tidak memiliki warna atau transparan.

Ozon dibentuk dari tiga molekul oksigen yang disuse pada sudut tumpul

dimana atom oksigen pusat melekat pada dua atom oksigen yang berjarak sama.

Sudut yang dibentuk kira kira 116o 49’ dengan panjang ikatan sebesar 1,278 Å.

Ozon memiliki titik didih sebesar -111,9 ± 0,3oC dan titik leleh -192,5 ± 0,4

oC,

suhu kritis ozon adalah -12,1oC dan tekanan kritis 54,6 atm. Ozon memiliki

kerapatan yang lebih tinggi dibandingkan udara pada suhu 0oC dimana ozon

memiliki kerapatan 2,14 g/L dan udara memiliki kerapatan 1,28g/L (Greene dkk.,

2012).

20

Kelarutan ozon dalam air dipengaruhi oleh suhu, dimana kelarutannya

akan menurun saat suhu naik. Pada suhu 0oC kelarutan ozon dalam air sebesar

0,6401 ozon/L air, namun pada suhu 60oC ozon tidak larut dalam air (Hill dan

Rice, 1982). Ozon adalah gas yang tidak stabil pada suhu ruang dan cenderung

mudah terdegradasi (Beltran, 2004)(Manley dan Niegowsk, 1967).

Ozon memiliki reaktivitas yang kuat yang disebabkan karena struktur

molekul yang terdiri dari tiga atom oksigen. Dalam kulit valensi setiap atom

oksigen terdapat dua elektron tak berpasangan yang masing masing menempat

satu orbital 2p. Hal ini berarti selama pembentukannya tiga atom oksigen

digabungkan dengan oksigen sentral yang ditempatkan pada susunan sp2 dengan

2s dan 2p atom orbital di pita valensi (Beltran, 2004). Dengan penyusunan

kembali ini ketiga orbital hibrida sp2 baru membentuk segitiga dengan inti

oksigen di pusatnya dengan sudut sebesar 116o 49’ seperti yang dapat dilihat pada

gambar.

Gambar 2. Struktur Molekuler Ozon

(O’Donnell dkk., 2012a)

21

2.3.2 Pembentukan Ozon

Ozon yang digunakan untuk pengolahan pangan biasanya diproduksi dari

sumber radiasi ultraviolet (UV) atau medan listrik berenergi tinggi. Metode

produksi ozon dari sumber radiasi ultraviolet disebut metode fotokimia sedangkan

metode yang bersumber dari medan listrik berenergi tinggi disebut corona

discharge atau kadang disebut teknik plasma.

a. Radiasi Ultraviolet (UV)

Cahaya dapat diukur dengan menggunakan skala yang disebut spektrum

elektromagnetik yang skalanya menggunakan satuan nanometer. Bila dilihat pada

gambar skala elektromagnetik, lokasi UV-light memiliki posisi yang lebih tinggi

frekuensinya dibanding cahaya tampak (kisaran cahaya tampak oleh mata

manusia). Panjang gelombang 185 nm dan 254 nm biasanya digunakan untuk

produksi ozon

Gambar 3. Skala Elektromagnetik Radiasi UV

(O’Donnell dkk., 2012a)

Panjang gelombang 254 nm disebut juga sebagai setilisator UV karena

dapat menonaktifkan mikroorganisme dengan mempengaruhi DNA yang akan

mengganggu kemampuan mereka untuk bereproduksi. Sementara panjang

gelombang 185 nm dapat menyebabkan proses photodisassociation terjadi yang

22

menyebabkan sebagian molekul oksigen (O2) pecah dan menghasilkan oksigen

atom radikal (O1). O1 ini bersifat tidak stabil dan dapat mengikat molekul O2 dan

terjadilah pembentukan ozon (O3) ((O’Donnell dkk., 2012a)

b. Corona Discharge

Gambar 4. Skema Metode Corona Dscharge

(Rice & Bollyky, 1981)

Metode ozonasi ini dilakukan dengan menggunakan generator ozon yang

beroperasi dengan cara melewatkan bahan yang mengandung oksigen melalui

medan listrik berenergi tinggi yang berada diantara 2 elektroda, satu elektroda

dinamakan elektroda dasar dan yang lainnya dinamakan dengan media dielektrik.

Saat oksigen pada bahan melewati medan listrik akan menyebabkan oksigen (O2)

pecah dan menghasilkan oksigen radikal yang akan aktif mencari pasangan

dengan mengikatkan diri pada O2 yang stabil, hal inilah yang akan membentuk

ozon (O3) (Langlais, Reckhow, & Brink, 1991).

2.3.3 Mekanisme Ozonasi

Ozon adalah gas yang tidak stabil yang harus dihasilkan dan igunakan

sesegera mungkin pada titik pengaplikasian. Untuk menerapkan ozon ke dalam

target, ozon perlu ditransfer dengan menggunakan reaktor. Reaksi yang terjadi

23

selama ozonasi tidak dapat dijelaskan dengan pasti karena banyaknya reaksi kimia

yang berlangsung secara bersamaan dan juga karena ozon dapat bereaksi secara

tidak langsung (dekomposisi melalui mekanisme reaksi berantai yang

menghasilkan produk radikal bebas hidroksil) atau langsung (via reaksi selektif

dengan zat dalam matriks target) (Masschelein, 1992). Efek langsung dan tidak

langsung ozon ini menjadikan ozon menjadi pengoksidasi yang baik dibandigkan

bahan kimia lain. Ozonasi ini dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti pH, jenis

target, komposisi target, kandungan organik dan alkalinitas (Hoigne, 1998).

1) Mekanisme ozon dalam ruang lingkup makromolekul

Dalam ruang lingkup makro molekul, ozon dapat bereaksi dalam berbagai

senyawa kompleks, ozon juga akan menyerang ikatan C-H dan S-H dari alkana,

alkena, amina dan senyawa sulfhidril. Ozonasi pada lipid dapat menyebabkan

pembentukan peroksida dan bila ozon menyerang asam amino maka ozon akan

langsung bereaksi dengan atom nitrogen pada amina primer (Adachi, 2001).

2) Mekanisme ozon dalam inaktivasi mikroba

Sebagai bakterisidal, ozon sangat efektif menghambat pertumbuhan

bakteri walaupun dengan konsentrasi yang sangat rendah. Ozon dapat

menghancurkan mikroorganisme dengan dua mekanisme utama yakni ; (1) ozon

mengoksidasi gugus sulfhidril dan asam amino enzim, peptide dan protein yang

lebih kecil, (2) oksidasi ozon asam lemak tak jenuh menjadi peroksida. Kedua

mekanisme ini menyebabkan sel mikroorganisme inaktif karena adanya

disintegrasi dalam sel yang menyebabkan sel lisis. Selain sel mikroorganisme,

24

ozon juga dapat menghentikan kemampuan spora untuk germinasi yang

disebabkan karena kerusakan membran dalam (Greene dkk., 2012).

Ozon mereduksi mikroorganisme dengan cara oksidasi komponen seluler

vital. Dinding sel adalah target ozonasi yang pertama, pada dinding sel ozon akan

mengoksidasi asam lemak tak jenuh yang menyebabkan permeabilitas pada

dinding sel hilang dan terjadi gangguan sel. Ozon juga dapat menyebabkan

oksidasi gugus sulfhidril dan asam amino dari enzim, peptide dan protein

termasuk asam nukleat dan enzim vital lainnya (Cavalcante dkk., 2013)

Bakteri khususnya bakteri gram positif lebih sensitif terhadap pengaruh

ozon bila dibandingkan dengan kapang dan khamir. Metabolit hasil reaksi

oksidasi senyawa organik oleh ozon seperti aldehid, keton, atau asam karboksilat

belum dilaporkan memiliki dampak negatif bagi kesehatan sehinngga ozon dapat

dianggap sebagai alteralternative untuk mencegah pembentukan senyawa organik

terhalogenasi. Namun, fungsi dan efisiensi ozon pada produk pangan dipengaruhi

oleh sifat fisikokimia (Greene dkk., 2012).

3) Mekanisme ozonasi pada fluida

Penggunaan ozon pada fluida biasanya dimaksudkan untuk keperluan

pemurnian air atau untuk persiapan larutan ozon. Metode yang dapat digunakan

untuk ozonasi fluida adalah venture injection dan fine bubble diffusion.

a. Venture injection

Metode venture injection dilakukan dengan menggunakan alat yang

didalamnya terdapat dua bagian dasar yakni injektor cairan di chamber nozzle

yang mengubah energi tekanan air menjadi energy kinetik dan ruang hisap

25

(diffuser section) dimana di dalam ruangan ini terjadi hisapan yang mengandung

gas ozon, pemasukan dan juga pencampuran yang dapat dijelaskan pada Gambar

5.

Gambar 5. Skema Diagram Alat Ventury Injector

(O’Donnell dkk., 2012a)

Performansi dari metode ini dikarakterisasi dengan penentuan tekanan

diferensial saat penghisapan dimulai, karakteristik saat pencampuran dan berbagai

persyaratan tekanan dan energy dari tiap manufaktur. Injektor bekerja efisien pada

berbagai variasi tekanan dan memerlukan diferensiasi tekanan sebesar 15% antara

sisi inlet dan outlet untuk memulai penghisapan sampel.

Keuntungan dari metode ini adalah venturi yang kontak dengan ozon

memiliki tekanan hidrolik yang rendah. Hal ini berarti, walaupun terjadi

kebocoran dalam pipa, udara ruangan akan ditarik ke dalam air mengalir dan

bukan ozon, sehingga cairan yang bocor ke ruangan bukanlah cairan yang

mengandung ozon. Saat kebocoran terjadi monitor tekanan hidrolik juga akan

memperlihatkan data dan akan merasakan jika adanya perubahan dan

penyimpanan yang kemudian akan mematikan system secara otomatis (O’Donnell

dkk., 2012a).

26

b. Fine bubble diffusion

Pada metode fine bubble diffusion, ozon keluar dari generator dengan

tekanan dan melewati pori (diffuser) hingga sampai ke dalam fluida target.

Diffuser digunakan untuk mendistribusikan disperse gelembung halus ozon ke

bagian bawah kolom fluida, diffuser biasanya terbuat dari batu berpori, keramik

atau stainless steel. Tekanan aliran gas ozon harus lebih besar dari tekanan yang

diberikan oleh kolom air di atas diffuser. Umumnya aliran gas ozon bertekanan

hingga 15 psig. Semakin halus porositas difusser, ukuran dan kecepatan

geembung untuk naik akan semakin kecil. Mengecilnya ukuran dan kecepatan

gelembung untuk naik menyebabkan peningkatan jumlah ozon yang ditransfer ke

fluida target sehingga luas permukaan dan waktu kontak ozon meningkat

(O’Donnell dkk., 2012a).

Gambar 6. Difusser pada Metode Fine Bubble Difussion (O’Donnell dkk., 2012a)

Metode ini dianggap kurang aman karena penggunaan ozon dibawah

tekanan positif yang dapat meningkatkan potensi kebocoran dalam sistem. Oleh

karena itu, perlu diperhatikan barometric jalur ozon dan diffuser untuk mencapai

27

ketinggian maksimum fluida dan mencegah adanya aliran balik ke generator ozon

(O’Donnell dkk., 2012a).