Teknologi Mikroemulsi Memudahkan Formulasi Karotenoid pada Produk Minuman


Produsen makanan dan minuman olahan sering menghadapi kesulitan ketika melakukan upaya pengembangan formulasi produknya. Khususnya pada produk yang berupa minuman sering dihadapkan dilema menggunakan bahan-bahan tambahan seperti pewarna, pengawet, zat gizi, antioksidan ataupun komponen bioaktif pangan yang tidak mudah larut dalam minuman yang bagian terbesarnya adalah air. Tantangan ini semakin rumit ketika formulasi tersebut juga harus bisa meningkatkan nilai estetik seperti kenampakan yang menarik maupun nilai organoleptik seperti rasa, aroma, dan tekstur. Selain itu kenampakan, aroma, maupun rasa minuman tersebut harus stabil selama penyimpanan, pengiriman, dan penjualan (display).

 

yang bersifat lipofilik (larut dalam minyak) atau hidrofobik (tidak larut dalam air) dapat dikategorikan menjadi 4 kelompok. Pertama adalah kelompok karotenoid seperti lutein, astaxanthin, fucoxanthin, dan likopen. Kedua adalah kelompok antioksidan seperti tokoferol, flavonoid (misal: isoflavon), dan polifenol (misal: katekin). Ketiga adalah kelompok asam lemak omega-3 (misal: EPA dan DHA) dan conjugated linoleic acid (CLA). Keempat adalah kelompok fitosterol seperti stigmasterol, sitosterol, dan kampesterol (McClements et al., 2007). Penambahan secara langsung komponen bioaktif yang lipofilik tersebut selain tidak bisa terlarut sengan baik, juga memiliki bioavailabilitas yang rendah yaitu kurang dari 5% (Huang et al., 2010).
Salah satu cara yang bisa dilakukan untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah menggunakan mikroemulsi. Pengertian mikroemulsi adalah suatu dispersi dua cairan yang tidak saling larut (immiscible) dimana ukuran globula/partikel fase yang terdispersi memiliki radius kurang dari seperempat (1/4) panjang gelombang sinar tampak. Jika kisaran panjang gelombang sinar tampak adalah 400 s.d. 700 nm maka ukuran globula / partikel fase terdispersi adalah 100 s.d. 150 nm. Sebagai perbandingan bahwa dalam sistem emulsi yang konvensional (biasa) ukuran globula fase terdispersi berkisar 1.000 s.d. 10.000 nm (atau 1-10 μm).
Untuk menghasilkan mikroemulsi tidaklah mudah, kadang-kadang diperlukan pemakaian pelarut sebagai co-solvent (misalnya: etanol atau propilen glikol). Masalahnya adalah penggunaan co-solvent tersebut justru bisa merusak flavor pada produk akhir. Selain itu selama ini untuk mendapatkan ukuran fase terdispersi yang di bawah 1 μm memerlukan tahapan homogenisasi bertingkat dan tekanan tinggi. Hal ini sering menjadi kendala karena memerlukan invetasi peralatan dan biaya operasional yang mahal.
Oleh karena itu dipandang sangat perlu mengembangkan teknologi untuk menghasilkan mikroemulsi dengan mengandalkan pada kemampuan emulsifier yang memiliki karakteristik tertentu untuk menurunkan tegangan permukaan pada fase terdispersi. Menurunnya tegangan permukaan tersebut memungkinkan globula-globula fase terdispersi terpecah menjadi ukuran yang lebih kecil dan lebih terjaga stabilitasnya dibandingkan dengan emulsi biasa. Jika hal ini berhasil maka sangat mungkin bagi produsen minuman untuk menghindari penggunaan co-solvent yang berarti kehalalannya lebih terjaga dan menghindari kondisi pengolahan yang ekstrim (homogenisasi bertekanan sangat tinggi).
 
Suatu sistem mikroemulsi yang ideal untuk membawa komponen bioaktif pangan yang pada umumnya lipofilik harus mempertimbangkan beberapa hal dalam pembuatannya. Pertama, kemampuan mikroemulsi dalam membawa seberapa banyak komponen bioaktif yang lipofilik dan menahannya agar tidak bocor dalam jangka waktu tertentu. Kedua, kemampuan mikroemulsi dalam melindungi komponen bioaktif lipofilik terhadap kerusakan akibat reaksi-reaksi kimia (misal: foto-oksidasi) yang mengarah pada degradasi. Ketiga, mikroemulsi ketika dicampurkan pada produk makanan/minuman tidak menyebabkan gangguan terhadap sifat-sifat sensoris (misal: kenampakan, rasa dan aroma, tekstur) dan umur simpan. Keempat, ketahanan mikroemulsi ketika dipapar dengan panas yang tinggi atau pembekuan, pengeringan, cahaya, dan perlakuan mekanik (misal: goncangan, pengadukan). Kelima, mikroemulsi dibuat dari bahan-bahan yang diijinkan untuk makanan (food grade) sesuai dengan peraturan berlaku. Keenam, mikroemulsi yang dihasilkan memberikan nilai tambah yang lebih besar dibandingkan dengan nilai dari komponen penyusunnya dan biaya proses pembuatannya. Ketujuh, mikroemulsi mampu melepaskan komponen bioaktif yang dibawa tepat pada lokasi yang diinginkan dalam saluran pencernaan.
Karotenoid merupakan kelompok tetraterpenoid yang terdiri dari unit-unit isoprenoid dengan ikatan rangkap terkonjugasi dan umumnya dalam bentuk trans. Karotenoid merupakan senyawa lipofilik yang terdiri dari 3 s.d. 13 ikatan rangkap terkonjugasi dan dalam beberapa senyawa memiliki 6 atom karbon yang membentuk struktur cincin pada salah satu atau kedua sisi molekulnya. Karotenoid yang mengandung oksigen adalah xanthofil (misal lutein dan zeaxanthin), dan yang tidak memiliki oksigen disebut karoten (misal likopen dan β-karoten) (McClements, et al., 2007).
Karotenoid memiliki kemampuan menghambat foto-oksidasi melalui quenching oksigen singlet (1O2) dan inaktivasi sensitiser tereksitasi. Kecepatan quenching oksigen singlet oleh karotenoid dipengaruhi oleh jumlah ikatan rangkap terkonjugasinya, semakin banyak ikatan rangkapnya maka kecepatan quenching oksigen singlet semakin meningkat pula. Lutein, zeaxantin, likopen, isozeaxantin dan astaxantin yang berturut-turut memiliki ikatan rangkap terkonjugasi 10, 11, 11, 11 dan 13 memiliki kecepatan quenching oksigen singlet berturut-turut 5.72 x 109, 6.79 x 109, 6.93 x 109, 7.39 x 109 dan 9.79 x 109 M-1S-1. Kecepatan quenching oksigen singlet apo-8’-carotenal, β-karoten, dan canthaxanthin yang memiliki ikatan rangkap terkonjugasi berturut-turut 10,11 dan 13 adalah 3.06 x 109, 4.60 x 109, and 1.12 x 1010 M-1S-1.
Jenis dan jumlah gugus fungsional pada bagian cincin dari molekul karotenoid juga berpengaruh terhadap kecepatan quenching oksigen singlet, hal ini terkait dengan kelarutannya. Aktivitas quenching astaxanthin menurun dengan peningkatan hidrofobisitas sedangkan aktivitas β-karoten justru meningkat.
β-karoten memiliki kemampuan dalam penghambatan fotooksidasi melalui dua jalur, yaitu sebagai quencher singlet oksigen (1O2) maupun quencher sensitiser triplet tereksitasi(3Sen*). Quenching oksigen singlet melalui dua mekanisme, yaitu quenching fisik dengan transfer energi dari oksigen singlet ke β-karoten reaksinya : 1O2 + 1β-kar → 3O2 + 3β-kar dan quenching kimiawi melalui pembentukan produk teroksidasi, reaksinya: 1O2 + 1β-kar → karO2. Quenching sensitiser triplet tereksitasi dengan transfer energi antara β-karoten singlet (1β-kar) dengan sensitiser triplet tereksitasi (3Sen*) membentuk β-karoten triplet (3β-kar).
Mikroemulsi β-karoten terbukti lebih efektif dalam menghambat kerusakan fotooksidatif vitamin C sari buah jeruk dibanding mikroemulsi saja maupun β-karoten langsung. β karoten langsung (free β-carotene) memperlihatkan aktivitas penghambatan fotooksidasi vitamin C yang sama dengan mikroemulsi saja (empty microemulsions). Sari buah jeruk mengandung air 88.4%, protein 0.8%, lemak 0.2% dan karbohidrat 10%. Lemak tersebut meskipun terdapat dalam jumlah kecil tetapi dapat berkontribusi terhadap pelarutan β-karoten (free β-carotene) dalam sari buah jeruk sehingga memperlihatkan kemampuan penghambatan kerusakan vitamin C sari buah jeruk akibat fotooksidasi. Aktivitas penghambatan fotooksidasi vitamin C sari buah jeruk oleh mikroemulsi ini dimungkinkan karena mikroemulsi memiliki kemampuan membentuk film tipis yang mampu menghambat kontak sensitizer dan vitamin C maupun sensitizer dengan oksigen sehingga menghambat terjadinya fotooksidasi vitamin C. Selain itu mikroemulsi akan memfasilitasi pelarutan senyawa karotenoid sari buah jeruk ke dalam fase hidrofilik, sehingga lebih efektif dalam menghambat oksidasi vitamin C yang larut pada fase air.
Aplikasi mikroemulsi lutein untuk menghambat fotooksidasi pada susu dan es krim selama penyimpanan pada suhu 5oC dan -20oC pernah diteliti di Jurusan Teknologi Pangan dan Hasil Pertanian UGM. Penambahan Mikroemulsi lutein 5 ppm pada sistem model susu belum mampu menghambat kerusakan fotooksidatif pada susu, namun pada konsentrasi 10 ppm, mikroemulsi lutein mampu menghambat kerusakan fotooksidatif es krim. Kemampuan ini diindikasikan dengan adanya perbedaan slope yang signifikan terhadap angka peroksida dan angka p-anisidin es krim selama masa penyimpanan. Pada konsentrasi yang sama, mikroemulsi lutein juga mampu menghambat peningkatan angka peroksida dan angka p-anisidin pada es krim. Selama penyimpanan pada suhu -20oC adanya off flavor es krim dapat dideteksi oleh panelis. Penyimpanan es krim yang dilakukan ditempat yang terlindung dari cahaya tidak memperlihatkan perubahan kualitas selama masa penyimpanan. Mikroemulsi kuersetin pada konsentrasi 25 ppm mampu menghambat peningkatan angka peroksida dan angka p-anisidin pada es krim, namun pada konsentrasi yang lebih tinggi 50 ppm, tidak memperlihatkan efek penghambatan. Sebagai pembanding mikroemulsi t-BHQ pada konsentrasi 25 dan 50 ppm tidak mampu menghambat peningkatan angka peroksida dan angka p-anisidin pada es krim. Off flavor pada es krim dapat dideteksi secara mudah oleh panelis
Fucoxanthin merupakan salah satu karotenoid yang mempunyai aktivitas biologis sebagai anti kanker, anti inflammantory, anti obesitas, antioksidan kuat dan mempunyai struktur meliputi alenik, karbonil terkonjugasi, epoksi, dan gugus asetil pada molekulnya.
Kemampuan fucoxanthin sebagai makanan fungsional sangat menarik untuk diaplikasikan dalam industri makanan. Fucoxanthin dan derivat karotenoid lainnya mudah rusak oleh oksigen, cahaya dan panas, mempunyai sifat kelarutan yang rendah dalam air dan sedikit larut dalam minyak pada suhu kamar menyebabkan sulit diterapkan pada produk makanan, farmasi dan kesehatan, sulit diabsorbsi dalam tubuh sehingga mudah disekresikan lewat fases dan urin, dan sangat sedikit ditemukan dalam plasma darah. Kelarutan dan bioavaibiltas karotenoid seperti fucoxanthin dapat diperbaiki dengan menggunakan teknik mikroemulsi oil in water (O/W)
Penelitian yang dilakukan di Jurusan Teknologi Pangan dan Hasil Pertanian UGM tentang mikroemulsi fucoxanthin menunjukkan hasil yang prospektif untuk aplikasi pada produk minuman. Hasil penelitian menunjukkan mikroemulsi dengan formulasi minyak:surfaktan = 15:85 dan kadar air 65% pada HLB 14,5 mempunyai stabilitas yang tinggi terhadap pemanasan, sentrifugasi, penyimpanan, pengenceran, pH dan fotooksidasi. Mikroemulsi fucoxanthin (600 ppm) dengan pengenceran 50x dan 100x pada pH 4,5 mempunyai kestabilan lebih baik dibandingkan pada pH 3,5 dan aquades (pH 7) dengan pengenceran sama terhadap pemanasan, sentrifugasi dan penyimpanan.
Mikroemulsi o/w yang stabil bisa diperoleh dengan menggunakan kombinasi surfaktan nonionik dengan nilai HLB tingi, sedang, dan rendah. Selanjutnya mikroemulsi tersebut terbukti bisa digunakan sebagai sarana untuk mendispersikan karotenoid maupun komponen bioaktif yang lipofilik lainnya dalam minuman dengan kenampakan yang jernih. Meskipun tanpa pengemas sekunder keberadaan mikroemulsi karotenoid dalam produk minuman bisa menghambat terjadinya reaksi fotooksidasi terhadap vitamin dan komponen lainnya.
 
 
Oleh Prof. Sri Raharjo
Jurusan Teknologi Pangan dan Hasil Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian - UGM

 

(FOODREVIEW INDONESIA Edisi Febuari 2012)

Artikel Lainnya

  • Ags 18, 2018

    Manfaat Penggunaan Teknologi Plasma Pada Produk Susu dan Jus

    Penggunaan proses plasma dingin memiliki beberapa keuntungan diantaranya dapat menginaktivasi mikroorganisme secara efisien pada suhu rendah (<50oC), kompatibel dengan hampir sebagian besar kemasan produk dan kemasan modified atmospheres, mengurangi penggunaan bahan pengawet, tidak mengahasilkan residu dan dapat diaplikasikan pada produk pangan padat maupun cair. ...

  • Ags 17, 2018

    Jenis-Jenis Teknologi Plasma untuk Produk Minuman

    Teknologi plasma dibagi menjadi dua jenis yakni denominated nonthermal plasma (NTP) atau plasma dingin (cold plasma) dan thermal plasma. Plasma dingin dihasilkan pada suhu 30-60OC di bawah tekanan atmosfer atau ruang hampa (vacuum) dan membutuhkan lebih sedikit daya. Hal tersebut sangat sesuai jika diaplikasikan pada produk yang sensitif pada panas karena ion dan molekul yang tidak bermuatan mendapatkan sedikit energi dan stabil pada suhu rendah.  ...

  • Ags 16, 2018

    Teknologi Plasma Dingin Pada Minuman Susu dan Jus

    Umur simpan yang panjang pada produk susu khususnya banyak dipengaruhi oleh keberadaan bakteri di dalam produk. Proses thermal dapat meningkatkan keamanan mikrobiologis pada produk susu, namun proses tersebut juga dapat merusak unsur sensori, zat gizi, dan beberapa psysicochemical lainnya (Misra dkk, 2017). Penggunaan proses nonthermal dapat memenuhi aspek keamanan pangan suatu produk serta dapat meningkatkan kateristik sensori dan zat gizi serta dapat menjaga senyawa-senyawa bioaktif yang tidak stabil. Beberapa metose proses nonthermal yang dapat diaplikasikan diantaranya adalah proses tekanan tinggi (high hydrostatic pressure), ultrasound, supercritical carbon dioxide technology, irradiasi, dan plasma dingin.  ...

  • Ags 15, 2018

    Tantangan Produk Minuman Dalam Menggunakan Protein

    Tantangan terhadap produk minuman susu dengan penggunaan protein adalah stabilitas protein. Salah satu cara untuk menjaga stabilisasi pada protein di produk susu adalah dengan menggunakan salah satu hidrokoloid yakni microcrystalline cellulose (MCC). MCC adalah selulosa yang dimurnikan dan sebagian dipolimerasi yang dibuat dengan perlakuan terhadap alpha-cellulose yang diperoleh dari serbuk kayu dan asam mineral. Terdapat dua jenis MCC yang digunakan sebagai ingridien pangan yakni MCC bubur: MCC murni dan MCC koloidal atau MCC yang diproses dengan larutan hidrokoloid seperti gum selulosa.  ...

  • Ags 14, 2018

    Perpaduan Protein Pada Produk Minuman Ringan

    Penggunaan perpaduan antara protein hewani dan protein nabati untuk digunakan dalam suatu produk pangan juga dapat memberikan cita rasa serta manfaat kesehatan yang berbeda. Perpaduan antara protein dari kedelai dan produk dairy akan meningkatkan nilai ekomonis, memperbaiki cita rasa, menyeimbangkan volatilitas tanpa memengaruhi kualitas protein. Sedangkan pada perpaduan kedelai dengan tanaman lain dapat meningkatkan kualitas protein, menambahkan manfaat kesehatan serta dapat menyeimbangkan fungsionalitas dari suatu produk.  ...