Pengaruh Plasma Dingin terhadap Pengeringan Komoditas Pertanian
Mahasiswa Program Doktor Ilmu Pangan, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor
·waktu baca 13 menit
Tulisan dari Azzam Akbar Fadhillah tidak mewakili pandangan dari redaksi kumparan
Ditulis oleh Azzam Akbar Fadhillah, mahasiswa program studi Ilmu Pangan, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor
PerbesarPendahuluan
Komoditas pertanian segar memiliki kadar air yang tinggi sehingga umur simpannya relatif singkat. Singkatnya umur simpan komoditas pertanian ini terkait dengan mutu seperti kebusukan dan nutrisi. Pengeringan pada komoditas pertanian bertujuan membantu mempertahankan kedua aspek tersebut. Dengan adanya pengeringan, komoditas yang dipanen dalam jumlah banyak akan dapat disimpan lebih lama sebelum diedarkan atau diproses menjadi produk.
Praperlakuan pada komoditas pertanian sebelum pengeringan dilakukan bermanfaat untuk mempersingkat waktu pengeringan. Permukaan komoditas pertanian seperti kacang ercis dilapisi kulit biji yang membatasi pergerakan air dan gas (Dauwe et al. 2021; Wu et al. 2021). Meskipun lapisan kulit biji melindunginya dari kerusakan, keberadaannya membuat pengeringan menjadi sulit. Karena itu, praperlakuan diperlukan untuk memodifikasi struktur kulit kacang sehingga pengeringan dapat menjadi lebih singkat. Praperlakuan seperti belansir, medan pulsa listrik, osmotic dehydration, dan plasma dingin dapat menonaktifkan enzim yang dapat membuat perubahan warna yang tak diinginkan. Praperlakuan juga dapat menjaga senyawa bioaktif dan nutrisi komoditas pertanian. Praperlakuan juga dapat meningkatkan rasa, aroma, dan tekstur komoditas pertanian kering.
Plasma dingin menjadi salah satu teknologi yang belakangan ini berkembang di industri pengolahan pangan untuk instrumen praperlakuan pengeringan. Teknologi ini menawarkan solusi inovatif dengan aspek-aspek keunggulan seperti dari sisi keawetan mutu, retensi nutrisi, dan efisiensi energi. Waktu pengeringan yang singkat artinya konsumsi energi juga sedikit. Residu yang dihasilkan juga sedikit sehingga teknologi plasma dingin memiliki andil yang baik sebagai praperlakuan pengeringan yang ramah lingkungan (Dasan et al. 2016).
Tujuan
Tulisan ini bertujuan membahas penelitian mengenai praperlakuan plasma dingin dan aplikasinya dalam pengolahan pangan. Pembahasan plasma dingin mencakup prinsip kerja, aplikasi, dan manfaatnya terhadap pengeringan dan aspek-aspek lain dari mutu komoditas pertanian.
Pembahasan
Plasma adalah salah satu bentuk materi. Ada empat bentuk materi secara umum, yakni plasma, gas, cair, dan padat. Plasma berasal dari gas yang diberi energi. Partikel gas yang diberi energi, misalnya energi panas, membuatnya kehilangan elektron dan menjadi partikel bermuatan positif. Elektron dari partikel tersebut terlepas dan menjadi elektron bebas (ion negatif). Contoh materi yang berbentuk plasma adalah petir, cahaya lampu neon, matahari, dan aurora. Di sisi lain, plasma dingin adalah plasma berisi gas terionisasi yang dihasilkan dalam kondisi atmosfer bertekanan rendah, yang terdiri dari campuran spesies reaktif, termasuk elektron berenergi tinggi, ion bermuatan positif dan negatif, radikal bebas, dan molekul netral. Plasma dingin berinteraksi dengan permukaan bahan yang diolah yang menyebabkan berbagai perubahan fisik, kimia, dan biologis, seperti penggoresan permukaan, oksidasi, dan perubahan sifat kesukaan air (hydrophilicity) permukaan.
Praperlakuan plasma yang dipakai pada studi Bai et al. (2025) (https://www.mdpi.com/2304-8158/14/1/84) dan Shishir et al. (2019) (https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/07373937.2019.1683860) berupa sistem dielectric barrier discharge (DBD). Sistem ini merujuk pada pelepasan muatan listrik melalui gas yang terjepit antara dua elektroda. Salah satu elektroda dilapisi bahan dielektrik seperti kaca atau keramik. Bahan dielektrik ini berfungsi sebagai penghalang yang membatasi terjadinya busur listrik besar sehingga pelepasan muatan hanya terjadi dalam bentuk energi rendah. Li et al. (2019) (https://ift.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1750-3841.14708) menggunakan plasma dingin bertekanan rendah. Plasma akan berpenetrasi ke biji jagung dan menyebabkan pengikisan pada lapisan lilin permukaan jagung. Plasma dibentuk di ruangan vakum untuk mengurangi jumlah tumbukan antar partikel gas, jadi elektron lebih senang memperoleh energi. Cold plasma activated water (CPAW) yang digunakan pada studi Shishir et al. (2019) merupakan air yang diberi paparan plasma dingin. Penggunaan CPAW di samping plasma dingin bertujuan mencoba membandingkannya dengan plasma dingin langsung.
Studi yang dilakukan Bai et al. (2025), Li et al. (2019), Shishir et al. (2019) mengkaji kinetika pengeringan pada pangan. Kadar air (moisture ratio, MR) merupakan hubungan antara Mt, M0, dan Me. Persamaan MR dapat dipersingkat. Nilai Me memang dapat diabaikan karena dari studi-studi sebelumnya, nilai ini dapat diabaikan (Boateng et al. 2021; Jahanbakhshi et al. 2020; Rabha et al. 2017), meskipun pada artikel Li et al. 2019 tidak disederhanakan. Alasan nilai Me dapat diabaikan adalah nilainya yang lebih kecil daripada Mt dan M0. Nilai Me berkisar 1-10% (Kushwah dan Kumar 2025). Nilai Me bergantung pada beberapa faktor seperti jenis material, suhu dan kelembapan udara pengeringan, tekstur dan porositas bahan. Nilai MR yang dihitung dari kadar air basis kering akan lebih besar karena kadar air dihitung relatif terhadap massa kering bahan, dibandingkan kadar air basah yang dihitung relatif terhadap massa total bahan.
Beberapa aspek kinetika lain yang berkaitan dengan kinetika pengeringan adalah laju pengeringan, moisture effective diffusivity, dan energi aktivasi. Laju pengeringan (drying rate, DR) merupakan notasi yang menunjukkan kecepatan kehilangan air dari suatu bahan selama proses pengeringan yang dinyatakan dalam kg air yang diuapkan per kg bahan kering per satuan waktu. Laju pengeringan diukur untuk menilai efisiensi proses pengeringan. Moisture effective diffusivity menggambarkan kemampuan air berdifusi keluar dari bahan selama pengeringan. Nilainya dipengaruhi faktor seperti suhu dan struktur bahan. Energi aktivasi menunjukkan energi minimum yang dibutuhkan untuk memulai proses pengeringan. Semakin rendah energi aktivasi, semakin mudah air menguap. Nilainya merupakan hubungan daya yang digunakan dikalikan waktu penggunaan.
Studi yang dilakukan Bai et al. (2025) menampilkan parameter warna dan rasio rehidrasi kacang ercis sebagai akibat praperlakuan plasma dingin, seperti terlihat pada tabel. Parameter warna diukur menggunakan sistem warna L*, a*, dan b*. Nilai L* yang semakin tinggi menunjukkan warna yang lebih terang. Nilai a* menggambarkan skala merah-hijau. Nilai negatif menunjukkan sampel cenderung berwarna hijau, sedangkan nilai positif menunjukkan sampel cenderung berwarna merah. Nilai b* menunjukkan skala kuning-biru. Nilai positif menunjukkan sampel cenderung berwarna kuning, sedangkan nilai negatif menunjukkan sampel cenderung berwarna biru. Perubahan warna total kacang ercis ditunjukkan dengan nilai ΔE, sedangkan rasio rehidrasi menunjukkan kemampuan bahan untuk menyerap air kembali setelah dikeringkan.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa praperlakuan plasma dingin yang lebih lama, frekuensi yang lebih tinggi, dan siklus kerja yang lebih tinggi secara umum meningkatkan nilai L* (kacang ercis menjadi lebih terang). Hal ini bisa terjadi karena degradasi pigmen alami atau perubahan struktur permukaan bahan akibat interaksi dengan partikel plasma. Praperlakuan plasma dingin berpengaruh terhadap parameter warna. Kejadian ini bergantung pada durasi, frekuensi, dan siklus kerja yang digunakan. Pemberian plasma dingin dapat meningkatkan kecerahan, tetapi juga dapat menyebabkan perubahan lain pada warna a* dan b*. Perubahan ini penting dalam menentukan daya tarik visual produk akhir. Plasma dingin dapat meningkatkan kemampuan kacang ercis untuk menyerap air setelah dikeringkan. Contohnya, praperlakuan plasma dingin selama 90 detik dengan frekuensi 750 Hz dan siklus kerja 70% menghasilkan rasio rehidrasi sebesar 3,28 ± 0,06.
Senyawa fenol dan antioksidan merupakan komponen yang bermanfaat dalam menangkal radikal bebas. Radikal bebas dalam jumlah berlebih dapat merusak protein, lipid, dan DNA sehingga berpotensi menimbulkan penyakit seperti kanker. Dua studi (Bai et al. 2025 dan Shishir et al. 2019) menampilkan efek plasma dingin terhadap total fenol pada pangan uji. Praperlakuan plasma dingin meningkatkan kadar total fenol hingga waktu perlakuan tertentu, tetapi setelahnya peningkatan menjadi tidak terlalu terasa atau menurun. Ada batas optimal penggunaan plasma dingin untuk mempertahankan atau meningkatkan kandungan fenol dalam bahan pangan. Aktivitas antioksidan juga meningkat setelah praperlakuan plasma dingin, terutama pada frekuensi tinggi dan siklus kerja yang lebih besar. Peningkatan ini dapat diakibatkan pemecahan ikatan senyawa dinding sel.
Pemberian praperlakuan plasma dingin menurunkan waktu pengeringan kacang ercis yang signifikan pada studi Bai et al. (2025) dibandingkan kacang ercis yang tidak diberi praperlakuan plasma dingin. Hal ini terkait dengan pembentukan pori-pori di permukaan kacang ercis. Spesies reaktif dalam plasma menggores lapisan kutikula kacang ercis sehingga terbentuk pori-pori kecil yang meningkatkan efisiensi keluarnya air (Dauwe et al. 2021 dan Bao et al. 2022). Waktu pengeringan semakin singkat dengan peningkatan waktu aplikasi plasma dingin dan siklus kerja dengan titik jenuh waktu pengeringan di 90 detik. Paparan yang terlalu lama tidak terlalu meningkatkan pembentukan gugus fungsional hidrofilik atau penggoresan pori-pori (Bai et al. 2025). Gugus fungsi berperan meningkatkan afinitas permukaan terhadap molekul air sehingga air lebih mudah berdifusi keluar dari permukaan sel (Miraei et al. 2022).
Sampel yang diberi praperlakuan plasma dingin menunjukkan peningkatan kekasaran permukaan, pola sel yang tidak teratur, dan pembentukan pori-pori dan celah, yang kemungkinan besar disebabkan oleh kerusakan oksidatif akibat spesies oksigen reaktif (reactive oxygen species, ROS) dan spesies nitrogen reaktif (reactive nitrogen species, RNS). Hal ini sejalan dengan penelitian sebelumnya, seperti Namjoo et al. (2022) yang mengamati pembentukan pori-pori mikro pada biji jintan setelah praperlakuan plasma dingin dan Yuan et al. (2022) yang melaporkan modifikasi struktural serupa pada irisan jujube. Adanya praperlakuan plasma dingin mengubah integritas dinding sel yang berpotensi meningkatkan hidrasi pangan, efisiensi pengeringan, dan interaksi senyawa bioaktif.
Siklus kerja merupakan perbandingan waktu plasma aktif terhadap total waktu siklus (Ahmadnia et al. 2021). Siklus kerja yang semakin lama membuat interaksi paparan antara plasma dengan permukaan kacang ercis lebih berkelanjutan. Spesies reaktif seperti radikal oksigen lebih lama berinteraksi dengan permukaan kacang. Paparan yang diperpanjang ini mendorong pembentukan struktur mikro, meningkatkan sifat hidrofilik permukaan, dan meningkatkan pergerakan air ke permukaan kacang (Bai et al. 2025). Dengan pengaturan spesifik, studi Bai et al. (2025) menunjukkan praperlakuan plasma dingin meningkatkan efisiensi pengeringan kacang ercis sebesar 18%.
Hasil pengamatan atomic force microscopy (AFM) pada Li et al. (2019) mengungkapkan bahwa praperlakuan plasma suhu rendah secara signifikan mengubah topografi permukaan biji jagung, meningkatkan kekasaran, dan mendorong modifikasi struktural dibandingkan dengan kontrol. Sampel kontrol menunjukkan permukaan yang halus dan seragam dengan rata-rata kekasaran (Ra) sebesar 3,41 ± 0,89 nm. Adanya lapisan lilin biji jagung membatasi difusi air keluar dari permukaan. Saat daya plasma meningkat, kekasaran permukaan secara progresif naik menjadi 9,76 ± 3,86 nm pada 300 W, 15,4 ± 2,90 nm pada 400 W, dan 56,9 ± 3,61 nm pada 500 W. Peningkatan signifikan dalam Ra pada tingkat daya yang lebih tinggi menunjukkan bahwa plasma dingin menggores lapisan lilin dan membentuk lubang mikro. Hasil ini sesuai dengan temuan oleh Zhang et al. (2019) yang mendapati pembentukan lubang mikro pada permukaan cabai yang diolah dengan plasma.
Studi yang dilakukan Shishir et al. (2019) menunjukkan perubahan struktur mikro pada permukaan jamur shitake setelah praperlakuan plasma dingin dengan scanning electron microscope (SEM). Hasilnya, sampel kontrol memiliki bentuk turgid, teratur, serta struktur yang padat dengan sedikit ruang dan rongga intrasel (ditandai dengan bintang merah). Sel jamur yang diberi praperlakuan CPAW menunjukkan peningkatan ruang intraseluler dan rongga yang lebih besar (ditandai dengan bintang merah). Bentuk sel-selnya juga mulai tidak teratur dan mengalami penyusutan. Hasil ini mengindikasikan interaksi CPAW dengan dinding sel dan melemahkan jaringan selulernya. Pada jamur yang diberi praperlakuan plasma dingin langsung, deformasi sel semakin parah dengan penyusutan yang lebih masif, struktur sel yang lebih tidak teratur, dan ruang dan rongga sel yang lebih besar. Fenomena ini dapat disebabkan oleh elektron dan ion yang dihasilkan selama praperlakuan plasma dingin. Elektron dan ion ini mengganggu ikatan hidrogen dan ikatan non-kovalen pada dinding sel sehingga mengurangi kekuatan jaringan seluler. Hasil ini sejalan dengan penelitian Zhang et al. (2019) yang menunjukkan bahwa praperlakuan plasma dingin dapat mengubah struktur mikro permukaan cabai dengan membentuk pori-pori mikro dan pembentukan ruang mikro.
Kesimpulan
Plasma adalah salah satu bentuk materi yang muncul dari gas yang telah mendapatkan energi cukup untuk mulai terionisasi. Plasma dingin telah diterapkan dalam sejumlah penelitian untuk meningkatkan efisiensi dalam proses pengeringan makanan, seperti pada kacang ercis, biji jagung, dan jamur shitake. Teknik praperlakuan yang dipakai berupa plasma dingin dengan sistem DBD dan CPAW. Praperlakuan plasma dingin menunjukkan dampak yang signifikan terhadap pengeringan, baik dari waktu, kadar fenolik, dan struktur mikro. Plasma dingin juga dapat meningkatkan efisiensi pengeringan dengan memengaruhi sifat fisik bahan, seperti mengikis lapisan luar dan meningkatkan kemudahan air berdifusi. Penelitian selanjutnya dapat mengkaji pengaruh plasma dingin lebih lanjut terhadap struktur mikroskopis serta kandungan gizi dari bahan makanan setelah proses pengeringan. Kajian tentang aplikasi plasma dingin plasma dingin yang lebih efisien energi dan aplikatif untuk industri makanan berskala besar juga bisa dilakukan untuk meningkatkan efisiensi produksi sekaligus menjaga kualitas bahan pangan dengan baik.
Daftar Pustaka
Ahmadnia M, Sadeghi M, Abbaszadeh R, Ghomi Marzdashti HR. 2021. Decontamination of whole strawberry via dielectric barrier discharge cold plasma and effects on quality attributes. J. Food Pres. 45(1): e15019. https://doi.org/10.1111/jfpp.15019
Bai Jing-Wei, Sun Da-Wen, Zhang, Zhen, Zhu Zhi-Yong. 2025. Cold plasma as a novel pretreatment to improve the drying kinetics and quality of green peas. Foods. 14(84). https://doi.org/10.3390/foods14010084
Bao T, Hao X, Shishir MRI, Karim N, Chen W. 2022. Green alternative methods for pretreatment of whole jujube before the drying process. J. Sci. Food Agric. 102(3): 1030-1039.
Boateng ID, Soetanto DA, Yang XM, Zhou C, Saalia FK, Li F. 2021. Effect of pulsed‐vacuum, hot‐air, infrared, and freeze‐drying on drying kinetics, energy efficiency, and physicochemical properties of Ginkgo biloba L. seed. J. Food Process Eng. 44(4): e13655.
Dasan BG, Mutlu M, Boyaci IH. 2016. Decontamination of Aspergillus flavus and Aspergillus parasiticus spores on hazelnuts via atmospheric pressure fluidized bed plasma reactor. Int J Food Microbiol. 216: 50–59. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2015.09.006
Dauwe, R, Roulard R, Ramos M, Thiombiano B, Mesnard F, Gontier E, Jamali A. 2021. Etching of the seed cuticle by cold plasma shortens imbibitional leakage in Linum usitatissimum L. Ind. Crops Prod. 167: 113536.
Jahanbakhshi A, Kaveh M, Sharabiani VR. 2020. Assessment of kinetics, effective moisture diffusivity, specific energy consumption, shrinkage, and color in the pistachio kernel drying process in microwave drying with ultrasonic pretreatment. J. Food Process. Preserv. 44(6): e14449. https://doi.org/10.1111/jfpp.14449
Kushwah A, Kumar A. 2024. Evaluating drying behavior and efficiency in varied shaped samples using solar drying: A morphological and kinetic study. ASME J. Thermal Sci. Eng. Appl. 17(2): 021001. https://doi.org/10.1115/1.4067074
Li S, Chen S, Liang Q, Ma Z, Han F, Xu Y, Jin Y, Wu W. 2019. Low temperature plasma pretreatment enhances hot‐air drying kinetics of corn kernels. J. Food Process Eng. 42(6): e13195. https://doi.org/10.1111/jfpe.13195
Miraei Ashtiani SH, Rafiee M, Mohebi Morad M, Martynenko A. 2022. Cold plasma pretreatment improves the quality and nutritional value of ultrasound-assisted convective drying: The case of goldenberry. Drying Technology. 40(8): 1639-1657. https://doi.org/10.1080/07373937.2022.2050255
Namjoo M, Moradi M, Dibagar N, Niakousari M. 2022. Cold plasma pretreatment prior to ultrasound-assisted air drying of cumin seeds. Food Bioprocess Technol. 15: 2065–2083.
Rabha DK, Muthukumar P, Somayaji C. 2017. Experimental investigation of thin layer drying kinetics of ghost chilli pepper (Capsicum chinense Jacq.) dried in a forced convection solar tunnel dryer. Renew. Energy. 105: 583-589.
Shishir MRI, Karim N, Bao T, Gowd V, Ding T, Sun C, Chen W. 2019. Cold plasma pretreatment – a novel approach to improve the hot air drying characteristics, kinetic parameters, and nutritional attributes of shiitake mushroom. Drying Technology. 38(16): 2134-2150. https://doi.org/10.1080/07373937.2019.1683860
Wu Y, Shen YB. 2021. Seed coat structural and permeability properties of Tilia miqueliana seeds. J. Plant Growth Regul. 40: 1198–1209. https://doi.org/10.1007/s00344-020-10179-0
Yuan L, Lao F, Shi X, Zhang D, Wu J. 2022. Effects of cold plasma, high hydrostatic pressure, ultrasound, and high-pressure carbon dioxide pretreatments on the quality characteristics of vacuum freeze-dried jujube slices. Ultrason. Sonochem. 90: 106219. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2022.106219
Zhang XL, Zhong CS, Mujumdar AS, Yang XH, Deng LZ, Wang J, Xiao HW. 2019. Cold plasma pretreatment enhances drying kinetics and quality attributes of chili pepper. J. Food Eng. 241: 51–57. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2018.08.002