Ultrasonik, 'Musik' Tak Terdengar untuk Mengolah Bahan Makanan

Ilustrasi makanan yang mengandung nutrisi makro dan mikro. Foto: Shutterstock

Pemanfaatan gelombang ultrasonik telah lebih dahulu dikenal dalam dunia kedokteran. Sebagaimana yang dikenal masyarakat luas, metode pencitraan medis dengan ultrasonografi (USG) telah menjadi teknik standar untuk melihat keadaan janin dalam rahim ibu. Dalam kasus ini, USG dimanfaatkan sebagai “kamera”. Anda bisa membaca artikel saya sebelumnya untuk memahami bagaimana gelombang ultrasonik bisa menghasilkan gambar pada tautan berikut:

'Melihat' dengan Gelombang Bunyi Ultrasonik, Indra yang Tertukar?

Tapi, tahukah Anda, bahwa ultrasonik bisa dimanfaatkan tidak hanya sebagai “kamera” saja? Gelombang bunyi yang tak mampu kita dengar ini ternyata bisa digunakan untuk mengolah bahan makanan. Dari rumah sakit, kali ini gelombang ultrasonik akan merambat hingga ke dapur dan pabrik pengolahan makanan.

Ilustrasi Bahan Pangan. Fruit on display at La Boqueria market in Barcelona. (Dungodung, Wikipedia)

Jenis-Jenis Gelombang Ultrasonik

Gelombang ultrasonik dihasilkan ketika terjadi getaran atau vibrasi dengan frekuensi atau tingkat kekerapan yang sangat tinggi, gelombang bunyi yang melebihi ambang batas pendengaran manusia, yakni di atas 20 kiloHertz (20 ribu getaran per detik). Rentang frekuensi gelombang ultrasonik yang biasa dimanfaatkan dalam dunia kedokteran dan pengolahan bahan makanan berkisar antara 20 kiloHertz-10 MegaHertz (10 juta getaran per detik).

Perbedaannya, jika dalam dunia kedokteran digunakan gelombang ultrasonik dengan intensitas rendah, maka untuk aplikasi pengolahan bahan makanan, digunakan gelombang dengan intensitas tinggi. Gelombang dengan intensitas yang lebih tinggi memiliki daya yang lebih tinggi pula untuk setiap satuan luas bidang yang ia lewati. Sedangkan daya adalah perubahan energi per satuan waktu, atau kemampuan untuk melakukan suatu perubahan dalam satuan waktu.

Sederhananya, gelombang ultrasonik berintensitas tinggi yang dimanfaatkan untuk mengolah bahan makanan memiliki “daya rusak” yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan gelombang berintensitas rendah. “Daya rusak” ini yang selanjutnya dikendalikan kadarnya untuk mengolah bahan makanan, mulai dari sesederhana untuk mengiris sampai mengawetkan makanan.

“Daya Rusak” Seperti Apa yang Dimanfaatkan untuk Mengolah Bahan Makanan?

Rentang frekuensi gelombang ultrasonik yang dimanfaatkan untuk mengolah bahan makanan setidaknya dapat dikategorikan menjadi dua jenis. Rentang pertama, rentang frekuensi rendah, yaitu sekitar 20 – 100 kiloHertz, dengan daya dan amplitudo gelombang yang besar. Pada rentang frekuensi rendah ini, gelombang ultrasonik akan menyebabkan perubahan sifat-sifat fisika-kimia (physicochemical) dan/atau struktur dari bahan makanan. Rentang ini dikenal juga sebagai power ultrasound.

Rentang kedua, rentang menengah, yaitu berkisar antara 100 kiloHertz-1 MegaHertz. Pada rentang frekuensi menengah ini, jika gelombang ultrasonik dikenakan pada bahan makanan, maka akan terjadi reaksi kimia dan terbentuknya radikal bebas. Karena sifat ini, maka rentang kedua ini dikenal sebagai sonochemistry (sono: bunyi, chemistry: kimia).

Baik pada rentang frekuensi rendah dan menengah, gelombang ultrasonik akan merasuk dan merambat pada bahan yang dilaluinya (yang dalam hal ini bahan makanan) dalam bentuk gelombang sinusoidal. Anda bayangkan saja seperti gelombang tali yang diayunkan dengan salah satu ujungnya terikat, membentuk puncak dan lembah yang berulang-ulang. Rambatan gelombang ini direspons oleh molekul-molekul bahan dengan ikut bergetar secara elastis sehingga menimbulkan apa yang dinamakan efek kavitasi (cavitation).

Pada saat terjadi efek kavitasi, pada bahan yang berupa cairan (atau mengandung cairan) akan terbentuk gelembung-gelembung udara berukuran sangat kecil (dalam ukuran mikro meter = sepersejuta meter atau nanometer = sepersemiliar meter). Jumlah gelembung-gelembung udara yang terbentuk akan bergantung kepada frekuensi, intensitas dan lamanya gelombang ultrasonik dikenakan pada bahan tersebut.

Setelah melewati titik jenuhnya, gelembung-gelembung udara ini kemudian akan pecah dengan kecepatan puluhan ribu kali per detik sehingga menghasilkan lonjakan energi, tekanan dan suhu yang sangat tinggi yang terpusat pada area tertentu pada bahan tersebut. Kondisi ini kemudian akan menimbulkan efek seperti gelombang kejut/geser (shear wave) dan terbentuknya radikal bebas. “Daya rusak” dari kedua kondisi inilah yang kemudian dimanfaatkan untuk mengolah bahan makanan.

Pengolahan makanan dalam bentuk apa saja yang dapat dilakukan dengan gelombang ultrasonik?

Memotong

Pekerjaan sederhana ini akan menjadi sedikit menantang jika kita dihadapkan dengan bahan makanan dengan jumlah yang sangat banyak, misalnya di pabrik pengolahan makanan. Dalam hal ini, gelombang ultrasonik dimanfaatkan dengan merambatkan energi getaran tingginya pada mata pisau logam untuk meningkatkan kualitas dan kemampuan potongnya.

Dengan mekanisme ini, mata pisau akan bergetar dalam getaran yang sangat tinggi sehingga dapat memisahkan bahan makanan dalam potongan-potongan yang jauh lebih halus, dengan risiko keretakan/kehancuran bahan yang jauh lebih kecil. Metode ini juga sangat memudahkan untuk memotong bahan-bahan yang bersifat lengket, mudah hancur, makanan beku, atau yang bahannya cenderung tidak seragam (heterogen).

Mengeringkan (Dehydration)

Untuk mengeringkan bahan makanan seperti buah-buahan dan sayur-sayuran, gelombang ultrasonik dimanfaatkan melalui mekanisme dehidrasi osmosis. Melalui mekanisme ini, efek kavitasi dari gelombang ultrasonik akan menyebabkan kandungan cairan pada buah/sayur “dipaksa” untuk keluar dari bahan dengan kecepatan yang sangat tinggi, sehingga proses pengeringannya menjadi jauh lebih cepat. Pada saat yang sama kandungan gula dalam buah/sayur juga dapat lebih terkonsentrasi sehingga menghasilkan kualitas bahan makanan kering yang lebih awet.

Menyaring (Filtering)

Dalam industri pengolahan makanan yang melibatkan proses penyaringan dengan membran/selaput penyaring tertentu, penambahan gelombang ultrasonik akan mempercepat proses penyaringan dengan cara menguraikan molekul bahan makanan yang akan disaring sehingga menjadi lebih kecil.

Ilustrasi Industri Pengolahan Bahan Pangan. (Tartu Mill, Wikipedia).

Ekstraksi

Contoh proses ekstraksi dalam pengolahan bahan makanan misalnya ketika kita ingin memisahkan sari buah/sayur dari komponen padat atau ampasnya atau ketika kita ingin mengekstrak minyak dari biji-bijian. Dengan memanfaatkan efek kavitasi gelombang ultrasonik, proses ini dapat dipercepat dengan cara menguraikan molekul/sel tumbuhan dari bahan makanan yang diproses sehingga menjadi lebih kecil. Dengan cara ini, sari pati sayur/buah atau minyak akan lebih cepat terpisah dari ampasnya tanpa merusak kualitas nutrisi dari hasil ekstraksi. Metode ini dapat dimanfaatkan pula dalam industri obat-obatan misalnya untuk mengekstraksi antioksidan dari bahan-bahan herbal.

Emulsifikasi

Proses emulsifikasi adalah suatu proses pemantapan emulsi atau penyatuan/pencampuran antara dua zat yang tidak dapat menyatu secara alami dengan menambahkan zat ketiga, kemudian dilakukan proses pengocokan. Dalam industri pengolahan bahan makanan, proses emulsifikasi ini banyak sekali digunakan, terutama dalam pengolahan bahan-bahan yang mengandung lemak atau minyak.

Dengan memanfaatkan efek kavitasi dari gelombang ultrasonik, bidang batas antara minyak dan air menjadi tidak stabil karena turbulensi molekul di sekitarnya, sehingga proses pencampurannya menjadi jauh lebih cepat. Selain itu, efek kavitasi juga menyebabkan penguraian molekul menjadi lebih kecil, sehingga tingkat keseragaman bahan (homogenitas) menjadi lebih baik.

Pembekuan (Freezing) dan Pencairan Makanan Beku (Thawing)

Untuk makanan beku, gelombang ultrasonik dimanfaatkan untuk meningkatkan kualitas bahan makanan dengan mengendalikan proses kristalisasi molekul cairan, misalnya pada es krim. Kebalikannya, gelombang ultrasonik dapat dimanfaatkan dalam proses pencairan bahan makanan beku (thawing) dengan cara menggetarkan molekul-molekul kristal es dengan frekuensi/tingkat kekerapan tinggi. Dengan cara ini, proses pencairan akan berlangsung jauh lebih cepat daripada hanya dibiarkan dalam suhu ruang.

Ilustrasi Makanan Beku. Frozen foods at the Real Canadian Superstore in Winkler, Manitoba. (Samuell, Wikipedia)

Melunakkan Daging

Dengan mekanisme kavitasi dari gelombang ultrasonik, struktur protein dari daging dapat direkayasa sehingga menghasilkan daging yang lebih empuk dan lebih mudah untuk dimasak.

Mengawetkan Makanan (Food Preserving)

Gelombang ultrasonik dapat dimanfaatkan untuk mengawetkan bahan makanan tanpa harus menggunakan bahan pengawet tambahan yang umumnya memiliki risiko kesehatan. Dengan gelombang ultrasonik, mikroorganisme dan/atau enzim-enzim tertentu yang terdapat dalam makanan dapat di-inaktivasi (di non-aktifkan perannya), sehingga proses pembusukan makanan dapat ditunda dan makanan akan menjadi lebih awet.

Mekanisme ini kurang lebih hampir sama dengan apa yang kita lakukan ketika memanaskan makanan pada suhu tertentu. Dengan mengatur kadarnya, kita bisa memilih mikroorganisme dan/atau enzim-enzim mana saja yang ingin tetap dipertahankan, dan yang ingin dihilangkan, karena tidak semua mikroorganisme dan/atau enzim yang ada dalam bahan makanan itu merugikan. Bahkan banyak di antaranya justru sangat dibutuhkan oleh tubuh kita.

Manfaat Lainnya

Selain dapat dimanfaatkan dalam proses pengolahan makanan, gelombang ultrasonik dapat pula dimanfaatkan untuk “mendiagnosis” bahan makanan. Dalam hal ini, yang dilakukan kurang lebih sama dengan pekerjaan dokter ketika meng-USG janin dalam rahim ibu. Perbedaannya, objeknya saja yang diganti dengan bahan makanan, misalnya sayur-sayuran atau buah-buahan.

Untuk aplikasi ini, digunakan gelombang ultrasonik dengan rentang frekuensi tinggi, yakni sekitar 1 – 10 MegaHertz, namun dengan daya yang rendah, sama seperti USG yang dimanfaatkan dalam dunia kedokteran. Pada rentang frekuensi tinggi dan daya rendah ini, gelombang ultrasonik yang digunakan tidak memiliki “daya rusak” seperti yang dimanfaatkan untuk proses pengolahan bahan makanan.

Untuk aplikasi “diagnosis” bahan makanan ini, misalnya gelombang ultrasonik digunakan untuk mengetahui tingkat kematangan buah, mengetahui struktur, komposisi, dan tingkat keseragaman (homogenitas) bahan makanan, termasuk kandungan protein, air, atau lemak dalam bahan makanan.

Keunggulan Pemanfaatan Ultrasonik dalam Bidang Pangan

Teknologi ultrasonik terus berkembang dalam berbagai bidang, tak terkecuali dalam bidang pangan. Selain dari keunggulan-keunggulan khusus yang telah diuraikan di atas untuk setiap aplikasinya dalam bidang pangan, secara umum, teknologi ultrasonik memiliki keunggulan lain, di antaranya, relatif murah, sederhana, hemat energi, dan ramah lingkungan.

Ilustrasi Perangkat Ultrasonik dalam Industri Pengolahan Makanan. Schematic of bench (BSP-1200) and industrial (ISP-3000) scale ultrasonic liquid processors produced by Industrial Sonomechanics, LLC. (Peshkovs, Wikipedia).

Dalam penggunaannya untuk skala yang lebih besar tentu saja pengembangan lebih lanjut dan terus-menerus tetap diperlukan untuk mengoptimalkan manfaatnya sekaligus memperkecil dampak negatif yang mungkin timbul. Tidak ada teknologi yang bisa lepas sepenuhnya dari risiko dan efek negatif, sehingga dalam memanfaatkannya, kita sebagai manusia harus tetap bijak.

Referensi

1. Ashokkumar, M. (2015): Applications of Ultrasound in Food and Bioprocessing. Ultrasonics Sonochemistry, 25: 17-23.

2. Chemat, F., Zill-e-Huma., and Khan, M.K. (2011): Applications of Ultrasound in Food Technology: Processing, Preservation, and Extraction. Ultrasonics Sonochemistry, 18: 813-835.

3. Cheng, X., Zhang, M., Xu, B., Adhikari, B., and Sun, J. (2015): Applications of Ultrasound in Food and Bioprocessing. Ultrasonics Sonochemistry, 27: 576-585.

4. Gallo, M., Ferrara, L., and Naviglio, D. (2018): Application of Ultrasound in Food Science and Technology: A Perspective. Foods, 7: 164.