PENGARUH OVERRUN PADA KARAKTERISTIK FISIK DAN STRUKTUR ES KRIM

Abstrak

Udara yang merupakan komponen penting dalam es krim mempengaruhi sifat fisik dan stabilitas penyimpanannya. Tujuan dari penelitiaan ini adalah untuk mengukur pengaruh dari penambahan udara ke dalam es krim pada tingkat overrun 80%, 100%, dan 120%, terhadap pertumbuhan sel udara dan kristal es, juga pada kekerasan dan kecepatan melelehnya produk. Es krim dengan tingkat overrun yang berbeda disimpan dalam bulk container dengan suhu refrigerant -10⁰C dan pada microscope slide suhu -6⁰C, -10⁰C atau -20⁰C untuk analisis. Dalam bulk storage, rata-rata ukuran sel udara mula-mula meningkat selama pengerasan, menurun selama tahap awal penyimpanan dan meningkat ke ukuran yang lebih besar pada akhirnya dengan waktu penyimpanan yang lebih dari 3 bulan.

Ukuran sel udara mula-mula paling kecil terdapat dalam overrun yang paling tinggi, yang disebabkan oleh tingginya shear stress selama pembuatan. Es krim dengan overrun terendah paling keras dibanding dengan yang overrunnya 120% tetapi lebih cepat meleleh. Sampel yang disimpan dalam microscope slide dengan suhu penyimpanan terendah (-20⁰C) membatasi mobilitas dan daya larut sel udara diantara fase serumnya yang menghambat ketidakseimbangan dan terutama koalesensi yang terjadi pada sel udara. Pada suhu penyimpanan -6⁰C atau -10⁰C, ketidakseimbangan dan koalesensi meningkat karena tingginya mobilitas fase serumnya. Overrun yang tinggi menyebabkan sel udara lebih stabil selama penyimpanan.    

Pendahuluan

Udara di dalam es krim membuat tekstur es krim menjadi ringan. Tidak hanya jumlah udara yang dimasukkan atau persentase overrun, tetapi distribusi ukuran sel-sel udara dapat mempengaruhi kekerasan dan sifat leleh es krim, dan banyak faktor yang mempengaruhi distribusi ukuran sel-sel udara tersebut, misalnya faktor shear stress. Gaya geser (shearing forces) hasil dari proses pencampuran bahan akan memecah gelembung udara yang lebih besar menjadi gelembung yang lebih kecil. Mixing impeller dan viskositas bubur es krim mengatur shear stress untuk memecah sel udara ke dalam ukuran yang kecil. Viskositas bubur es krim berpengaruh terhadap jumlah es kristal yang terbentuk nantinya dan viskositas dari padatan pada fase freeze-concentration (meningkatnya konsentrasi padatan karena pembekuan).

Untuk membentuk permukaan sel udara baru selama pembekuan es krim dan mencegah terjadinya koalesensi (penggabungan), shear stress dan viskositas padatan pada fase freeze-concentration harus stabil. Gambar dari mikroskop elektron menunjukkan adanya globula lemak dalam jumlah besar yang terkandung diruang antar udara dan serum, baik itu satu-satu maupun dalam kelompok. Gabungnya lemak yang sebagian diduga akan membentuk jaringan dalam serum, dapat memisahkan sel-sel udara dan menjaganya dari kombinasi ulang. Adanya kristal es dan fase serum kental juga membantu menstabilkan sel udara.

Koalesensi juga meningkat ketika sel-sel udara bergerak saling mendekat oleh Gerak Brown. Pada prinsipnya, koalesensi melibatkan dua atau lebih gelembung-gelembung dan hasil dalam mengasarkan struktur busa. Jadi, ketika penggabungan itu terjadi distribusi ukuran sel bergeser ke ukuran yang lebih besar. Biasanya ukuran sel-sel udara yang bergabung tersebut sekitar lebih besar 20 mm sejak sel-sel udara yang lebih besar memiliki luas antarmuka yang lebih besar. Penggabungan kemungkinan dapat menurun seiring menurunnya suhu karena meningkatnya viskositas dari fase serum. Menurut Chang dan Hartel, sebagian dari penggabungan tersebut yang diamati pada suhu rendah dan pada tahap terakhir dari proses penyimpanan, menyebabkan sel-sel udara yang berbentuk tidak teratur menjadi seperti jaringan antar kantong-kantong udara.  

Umumnya, drainase melibatkan munculnya sel-sel udara dan aliran ke bawah dari fase serum akibat gravitasi. Semakin besar sel udara, semakin cepat sel-sel udara muncul. Drainase dengan sendirinya tidak mengubah distribusi sel udara, melainkan mengubah ketebalan lapisan film antar sel-sel udara dan menaikkan koalesensi. Peningkatan viskositas fase serum yang dapat dicapai dengan penambahan stabilizer atau dengan menurunkan suhu penyimpanan merupakan cara-cara untuk menghambat drainase.

Ketidakseimbangan yang terjadi karena perbedaan tekanan Laplace antar sel-sel udara, dapat dikendalikan dengan meningkatkan viskositas fase serum dan pembentukkan sebuah lapisan tebal pada permukaan sel-sel udara. Namun, peningkatan viskositas fase serum dan peningkatan destabilisasi lemak tidak cukup untuk mencegah terjadinya disproporsionasi. Sebaliknya, dapat diturunkan dengan menurunkan suhu dari -6^oC menjadi -28^oC. Umumnya, perbedaan tekanan antar sel-sel udara mendorong difusi udara dari sel yang kecil hingga yang besar. Dengan demikian, hasil disproporsionasi pada distribusi bimodal sel-sel udara yang besar dan yang kecil terdapat dalam es krim.

Jumlah udara yang dimasukkan selama pembekuan mempengaruhi ukuran kristal es, dengan kristal es yang berukuran lebih besar teramati pada tingkat overrun terendah. Flores dan Goff (1999a) menyarankan bahwa jumlah sel udara pada overrun 70% hanya cukup untuk mencegah benturan antar kristal es dan untuk mendispersikan fase serum disekeliling kristal es. Overrun yang rendah dan kristal es yang lebih besar selanjutnya akan menyebabkan penurunan kekerasan. Sebaliknya, menurut Wilbey, Cooke, dan Dimos (1997) adanya udara (% overrun tinggi) menurunkan kekerasan es krim. Dengan demikian, hasil kontradiktif berkaitan jumlah udara dan kekerasan dalam es krim, kemungkinan besar karena perbedaan dalam pengaruh sekundernya (contohnya kristal es). Menurut Pelan,Watts, Campbell, dan Bibir (1997), kestabilitas sel-sel udara dapat ditentukan dari perlambatan laju pelelehan es krim dengan menambahkan monogliserida jenuh ke dalam campuran bahan. Campbell dan Pelan (1998) menemukan bahwa hambatan dari sifat lelehan meningkat seiring draw temperature dari freezer menurun karena naikknya overrun dan destabilisasi lemak beku, meskipun kristal es mungkin berpengaruh terhadap kecepatan pelelehan.

Bahan dan metode

Es krim dibuat dari 10% lemak, 10,8% padatan susu nonfat-low heat, 16% pemanis (12% sukrosa, 4% DE padatan sirup jagung), 0,2% stabilizer (guar gum, xanthan gum dan karagenan) dan emulsifier (mono- dan digliserida), dan 37% total padatan.

Ingredient kering dicampur dengan ingredient cair di dalam mix vat, dipanaskan hingga 38⁰C, pasteurisaai selama 19 detik suhu 82⁰C, homogenisasi dalam 2 tahap homogenizer (6,89 x 103 dan 2,43 x 104 kPa), dan didinginkan dan di-ageing pada suhu 1-20C selama 24 jam. Setelah di-ageing, flavor vanilla ditambahkan dan campuran tersebut dibekukan hingga -5,5⁰C di dalam freezer yang permukaannya ada scraper. Selama pembekuan, udara diinjeksi dibawah tekanan untuk mencapai overrun, dan es krim dipindahkan dari freezer ke kontainer silinder bervolume 0,0019 m³.

Es krim dengan overrun 80% diproduksi terlebih dahulu, baru yang 100% dan 120%. Sampel es krim dikeraskan di dalam sebuah air-blast freezer pada suhu -27⁰C selama 24 jam. Setelah itu, es krim dipindahkan ke dalam freezer penyimpanan suhu -30⁰C selama 8 hari sebelum dua kontainer dari tiap es krim ditempatkan dalam freezer suhu -10⁰C dengan variasi suhu normal karena dari sistem mekanis refrigeration. Sampel es krim ditumpuk erat dalam dua baris di dalam freezer suhu -10⁰C. Es krim dibiarkan selama lebih dari 3 bulan untuk analisis. Selain pada bulk storage, es krim dari freezer disimpan juga pada microscope slide suhu -6⁰C, -10⁰C dan -20⁰C untuk mengikuti perubahan sel udara individu. Sejumlah kecil es krim ditempatkan pada bagian depression microscope slide, diratakan hati-hati pada lapisan tipis, ditutup dengan kaca pelindung dan direkatkan untuk mencegah hilangnya kelembaban. Sampel pada microscope slide dibuat ulangan dua kali untuk setiap tingkat overrun dan kondisi penyimpanan.          

Hasil dan diskusi

·         Penyimpanan dalam bulk container

Selama pembuatan dan melalui tahap-tahap awal penyimpanan dalam bulk container, ukuran rata-rata sel udara umumnya menurun (p<0 1.="1." 120="120" 80="80" berhubungan="berhubungan" berukuran="berukuran" besar="besar" bubur="bubur" dalam="dalam" dan="dan" dari="dari" dengan="dengan" dibandingkan="dibandingkan" dibuat="dibuat" dipengaruhi="dipengaruhi" ditunjukkan="ditunjukkan" efisiensi="efisiensi" es="es" gambar="gambar" hal="hal" ini="ini" jadi="jadi" kecil="kecil" krim="krim" lebih.="lebih." lebih="lebih" mendorong="mendorong" mengecilkan="mengecilkan" meningkatnya="meningkatnya" menjadi="menjadi" mungkin="mungkin" o:p="o:p" oleh="oleh" overrun="overrun" pada="pada" pembekuan.="pembekuan." pembekuan="pembekuan" pemecahan="pemecahan" penggabungan="penggabungan" peningkatan="peningkatan" persentase="persentase" seiring="seiring" sel-sel="sel-sel" sel="sel" selama="selama" tinggi.="tinggi." tinggi="tinggi" udara="udara" ukuran="ukuran" untuk="untuk" viskositas="viskositas" yang="yang">

Setelah pengerasan, ukuran rata-rata sel udara dari tiap es krim meningkat meskipun peningkatan ini bergantung pada overrun. Es krim dengan 80% overrun memiliki peningkatan ukuran rata-rata sel yang lebih besar dibanding dengan es krim overrun 120% yang paling kecil meningkatnya. Setelah penyimpanan pada suhu -10⁰C, ukuran sel-sel udara rata-rata menurun di setiap es krim dan terus mengalami penurunan sampai dengan 4 minggu pada es krim dengan 80% overrun. Peningkatan suhu pada tekanan yang konstan seharusnya meningkatkan volume (ukuran), berdasar pada hukum gas ideal. Jadi, penurunan selama suhu penyimpanan hangat harus karena perubahan keseluruhan dalam distribusi ukuran sel udara. Setelah periode awal dari pengurangan ukuran, sel-sel udara mulai tumbuh sekali lagi. Lebih dari hal penyimpanan pada suhu -10⁰C, ukuran sel udara meningkat hingga setelah 9 minggu disimpan, ukuran sel udara rata-rata hampir sama terlepas dari kadar overrun.

Tingkat overrun diperkirakan untuk mempengaruhi pembentukkan kristal es melalui pengaruh sekundernya. Pada penelitian ini, rata-rata ukuran sel kristal umumnya menurun dengan meningkatnya overrun (Gambar 2), meskipun pengaruhnya relatif kecil. Setelah drawing dari freezer, es krim dengan overrun 80% dan 100% memiliki ukuran kristal es rata-rata yang sama (p = 0,869), dengan ukuran rata-rata yang secara signifikan lebih kecil di dalam es krim ber-overrun 120% (p = 0,033 untuk berbanding dengan 80% dan p = 0,0423 untuk berbanding dengan 100% overrun). Bagaimanapun, setelah penyimpanan suhu -300C selama 8 hari (terlabel "hardened" pada Gambar 2) dan penyimpanan pada suhu -100C, es krim dengan 80% overrun umumnya memiliki  ukuran rata-rata kristal es yang paling tinggi. Itu berarti, es krim dengan overrun terendah menunjukkan rekristalisasi tertinggi, meskipun pengaruhnya relatif kecil. Hasil ini menguatkan laporan dalam Arbuckle (1977), yaitu overrun yang meningkat menyebabkan penurunan yang sedikit dalam ukuran rata-rata kristal es. Pengaruh ini mungkin terkait dengan perubahan kecepatan transfer panas dari es krim setelah aerasi meningkat.

Kekerasan es krim diukur setelah 8 hari pada suhu -300C. Es krim dengan overrun 80% dan 100% memiliki kekerasan (p = 0,9735) yang sama (7,5±0,7 mm) dan ini secara signifikan lebih keras daripada es krim dengan overrun 120% (9,8±0,9 mm) (p = 0,0003). Meningkatnya overrun menyebabkan penurunan kekerasan pada es krim. Namun, Prindiville et al. (1999) dan Abd El-Rahman et al (1997) menemukan pengaruh yang sebaliknya. Mungkin faktor-faktor lainnya (sel udara dan distribusi ukuran kristal es) yang lebih berpengaruh terhadap kekerasan dibanding total overrun.

Kecepatan lelehan es krim diukur juga setelah 8 hari penyimpanan pada suhu -300C. Es krim dengan overrun 80% mencair lebih cepat dibanding dengan es krim yang 100% dan 120% overrun (Gambar 3). Tidak ada perbedaan (p > 0,05) signifikan yang teramati antara volume es krim yang mencair dengan 100% dan 120% overrun. Hasil ini dapat dijelaskan oleh perbedaan dalam destabilisasi lemak atau sel-sel udara  dan ukuran kristal es. Meskipun destabilisasi lemak tidak diukur lebih jauh pada penelitiaan ini, itu mungkin saja bahwa tingginya shear stress terjadi dengan tingginya overrun (kandungan air yang tinggi menyebabkan tingginya viskositas yang terjadi), menyebabkan destabilisasi lemak yang lebih besar dan dengan demikian melambatkan pelelehan. Selain itu, es krim dengan 80% overrun memiliki sel-sel udara dan kristal es yang lebih besar setelah pengerasan  dibandingkan es krim dengan 100% dan 120% overrun, dan mungkin saja faktor-faktor ini mempengaruhi kecepatan pelelehan. Penyebab lainnya yang melambatkan pelelehan dengan overrun yang lebih tinggi mungkin berbeda dalam kecepatan transfer panas karena adanya udara dalam jumlah yang lebih besar. Udara adalah isolator dan tidak diragukan  lagi memperlambat laju transfer panas ke es krim dengan overrun yang tinggi.

·         Penyimpanan pada slide mikroskop

Untuk mempelajari pengaruh suhu penyimpanan dan overrun terhadap perubahan dalam distribusi ukuran sel udara, es krim secara langsung dari permukaan luar freezer scraped suhu -6⁰C diletakkan pada slide mikroskop sampai 3 hari pada suhu baik itu -6⁰C, -10⁰C atau -20⁰C. Distribusi ukuran sel udar setelah 3 jam dibandingkan dalam  untuk es krim dengan overrun 80%. Pada di semua suhu, ada peningkatan rata-rata ukuran yang signifikan setelah 3 jam (Gambar 5). Saat drawing, rata-rata ukuran sel udara pada es dengan overrun 80% adalah 22,9±0,6µm. Rata-rat ukuran sel udara meningkat menjadi 28,7±2,0 (p = 0,0203), 27,6±1,8 (p = 0,0039), dan 34,4±2,5 (p < 0,001)µm setelah 3 jam pada suhu masing-masing -6⁰C, -10⁰C dan -20⁰C. Tidak ada perbedaan (p = 0,4556) antara rata-rata ukuran sel udara selama 3 jam pada suhu -6⁰C atau -10⁰C yang teramati. Pada dasarnya perubahan distribusi ukuran sel udara tergantung pada suhu penyimpanan. Pada suhu -6⁰C dan -10⁰C, terdapat pergeseran sel udara yang signifikan ke ukuran yang lebih kecil untuk sel udara yang lebih kecil (< 30µm) selain pergesaran ke ukran yang lebih besar untuk sel udara yang lebih besar (> 30µm), menunjukkan bahwa lebih dari satu mekanisme untuk perubahan dalam sel udara. Pada -20⁰C, hanya peningkatan dalam ukuran sel udara yang teramati selama rentang ukuran keseluruhan. Pergesaran ke ukuran yang lebih kecil menunjukkan terjadinya ketidakseimbangan saat suhu di bawah atau di sekitar -10⁰C dan pergeseran ke ukuran yang lebih besar menunjukkan terjadinya koalesensi di saat bersamaan. Namun, hanya koalesensi yang terjadi selama penyimpanan pada suhu -20⁰C. Hasil bersihnya yaitu peningkatan dalam rata-rata ukuran untuk semua kondisi.

Pengaruh dari overrun terhadap perubahan dalam rata-rata ukuran setelah 3 jam di suhu -6⁰C pada slide mikroskop ditunjukkan dalam . Peningkatan rata-rata ukuran yang signifikan (p < 0,05) tampak pada es krim dengan overrun 80% dan 120%, tapi tidak untuk es krim dengan overrun 100%. Perubahan distribusi ukuran sel udara untuk kondisi ini ditunjukkan dalam Gambar 7. Pada overrun 80%,ketidakseimbangan dan koalesensi terjadi sejak jumlah sel udara yang kecil menurun pada saat yang bersamaan meningkatnya jumlah sel udara yang besar. Pada overrun 100%, tidak ada perubahan signifikan dalam distribusi sel udara yang teramati dan pada overrun 120%, ukuran sel udara meningkat untuk ukuran seluruh rentang (bukan ketidakseimbangan).

Perpanjangan waktu penyimpanan pada slide mikroskop menyebabkan perubahan yang lebih jauh dalam distribusi ukuran sel udara. Sebagai catatan sebelumnya untuk penyimpanan es krim dengan overrun 80% pada suhu -10⁰C selama 3 jam, beberapa disproporsionasi terjadi karena ada pergeseran dalam distribusi ukuran sel udara ke ukuran yang lebih kecil ( < 30 µm). Namun, mekanisme utama dari perubahan untuk waktu yang panjang (hingga 3 hari) ialah koalesensi, dengan peningkatan jumlah sel udara pada semua ukuran yang diamati. Menariknya, pada 3 hari penyimpanan suhu -10⁰C, ukuran sel udara mulai menurun, dalam cara yang mirip sampel yang diamati dalam bulk storage yang telah diuraikan sebelumnya. Penurunan yang sedikit dalam ukuran rata-rata dari 24 jam hingga 3 hari penyimpanan teramati sebagai peningkatan dalam jumlah sel udara yang berukuran kecil dan menengah (50µm) seiring dengan sedikit penurunan dalam jumlah sel udara yang lebih besar dari 50µm.

Pada suhu -20⁰C, perubahan rata-rata ukuran sel udara diamati di semua tingkat overrun. Pada overrun 80%, rata-rata ukuran sel udara awalnya terbesar dan yang meningkat paling drastis selama penyimpanan. Es krim dengan overrun 100%, rata-rata ukuran sel udara meningkat perlahan-lahan dari waktu ke waktu. Pada 120%, es krim ini memiliki rata-rata ukuran sel udara terkecil pada drawing dan tetap kecil selama masa penyimpanan. Distribusi ukuran sel udara menunjukkan bahwa koalesensi adalah mekanisme utama dari perubahan dalam sel udara dengan keterangan dari disproporsionasi yang sangat sedikit di setiap tingkat overrun. Hal ini tidak mengherankan sejak mobilitas molekul-molekul gas dalam matriks es krim di suhu -20⁰C sangatlah terhambat.