Transfer Panas dan Keteknikannya Pada Proses Pemanggangan Produk Bakery

Dalam dunia industri, proses pemanggangan/pengovenan salah satu proses yang sangat penting saat ini. Konsep pemanggangan atau memanggang ada seiring dengan peradaban manusia, dikenal sejak zaman dahulu dan seiring dengan minat konsumen terhadap olahan siap saji terutama produk bakery maka dalam industri proses pemanggangan ini sangat diperlukan. Produk bakery termasuk roti, cookies, biskuit dan kue merupakan pangan fungsional yang telah dikembangkan dalam industri pangan. Tahap pembuatannya terdiri dari enam langkah yaitu pencampuran, fermentasi, pengaturan kelembaban (%RH), pencetakan, pemanggangan (pengovenan), dan pendinginan. Proses pemanggangan adalah proses thermal (panas) yang dilakukan pada suhu tinggi. Memanggang merupakan proses kompleks yang melibatkan perpindahan panas dan massa dalam waktu yang bersamaan sehingga dapat mengubah potongan adonan menjadi produk yang ringan, mudah dicerna dan beraroma dibawah pengaruh panas. Dengan demikian, proses pemanggangan berperan penting ditinjau dari segi penggunaan energi, pembentukan dan pemantapan produk bakery.

Tujuan artikel ini adalah untuk mempelajari dan mengkaji transfer panas yang terjadi pada proses pemanggangan produk bakery seperti roti dan cookies. Dengan demikian, diharapkan dapat diperoleh informasi tentang mekanisme transfer panas, dan mempelajari model persamaan rumus transfer panas pada oven atau pemanggangan.

Gambar 1. Proses pembuatan adonan roti beserta aspek dinamika fluida (Chakraborty, et el., 2023)

Pada proses pemanggangan terjadi perubahan pada produk yaitu pemuaian volume, penguapan air, denaturasi protein, gelatinisasi pati, dan pembentukan warna akibat reaksi pencoklatan (browning dan maillard). Perubahan ini terjadi selama proses pemanggangan yang menentukan kualitas produk. Kualitas produk dapat diperoleh dengan optimal seiring dengan proses pemanggangan yang baik. Dalam proses pemanggangan ini, terjadi perpindahan panas secara steady state (tunak) yaitu tidak adanya perubahan panas dari satu ke yang lainnya. Pindah panas secara steady state tercapai apabila suhu pada satu posisi dalam bahan tidak berubah lagi sebagai fungsi dari waktu. Perpindahan panas atau disebut juga dengan distribusi panas adalah proses berpindahnya panas dari benda yang mempunyai suhu tinggi ke suhu lebih rendah. Panas berpindah secara konveksi dari media pemanas ke dalam produk, secara radiasi dari dinding oven ke produk dan secara konduksi dari peripheral ke pusat geometri produk. Pindah panas ini dipengaruhi oleh sifat dari produk seperti jenis panas, konduktivitas thermal, difusivitas thermal, dan difusivitas kelembapan. Sifat inilah yang dapat digunakan untuk mendapatkan suhu pemanggangan dan kelembapan dalam produk selama proses pemanggangan dalam satu aliran panas. Nilai konduktivitas thermal produk bakery (roti) secara keseluruhan dipengaruhi oleh volume, porositas, dan densitas serta kehilangan air selama pemanggangan karena konduktivitas thermal adalah seberapa cepat produk dapat menyerap panas sedangkan difusivitas thermal merupakan fungsi suhu, sedangkan panas spesifik merupakan fungsi suhu dan kadar air (Prasanth, et al., 2012).

Suhu yang digunakan dari pemanggangan harus tetap dikontrol dan dipertahankan secara konsisten selama proses pemanggangan sesuai dengan sifat dari produk dari keseluruhan interaksi pembuatan produk bakery, karena suhu dapat berdampak signifikan pada peralatan pemanggangan termasuk gelatinisasi, respon dan peningkatan enzimatik dan karamelisasi dalam produk. Selama siklus pemanggangan terjadi pindah panas dan pertukaran massa secara bersamaan yang dibatasi oleh kondensasi penguapan. Hal ini disebabkan udara yang terus menerus dipanaskan akan mengeluarkan lebih banyak panas pada ruang pemanggangan. Terjadi perbedaan yang lebih besar antara suhu rata-rata ruang pemanggang dan udara panas yang masuk ke ruang melalui penukar panas, sehingga laju kenaikan suhu pada saat itu relatif tinggi. Ini berdampak pada gelatinisasi, dimana tingkat gelatinisasi dapat dilakukan dalam waktu 300 detik pada permukaan luar produk dan 900 detik pada titik kovergensi produk yang menggunakan suhu melebihi 80°C (Chakraborty, et al., 2023). Mekanisme transfer atau pindah panas selama proses pemanggangan pada oven dapat dilihat pada gambar.2

Gambar 2. Mekanisme perpindahan panas pada proses pemanggangan di dalam oven pemanggang (Chakraborty, et el., 2023)

Proses pemanggangan memerlukan energi yang besar namun hanya sepertiganya dari energi total yang masuk ke oven pemanggang yang bisa digunakan. Hal ini karena adanya energi yang masuk dapat dikurangi secara signifikan misalnya dengan perpindahan panas yang lebih efisien ke produk. Untuk pengoptimalan energi yang masuk ke produk bakery maka perpindahan panas antar sumber panas dan panas pada produk bakery perlu untuk ditentukan. Mekanisme ini terjadi secara konduksi panas yaitu dari pelat bawah yang terisolasi dari lingkungan dan secara alami konveksi yaitu melalui pergerakan udara didalam oven bagian dalam ruang serta perpindahan panas radiasi dari dinding oven ke dalam produk. Transfer panas secara konduksi lebih banyak terjadi atau berperan pada bahan produk sedangkan konveksi dan radiasi lebih banyak terjadi atau berperan pada dalam ruang oven. Hal ini membuat produk bakery seperti roti memiliki kerak dan remah, Dimana zona kering (kerak) merupakan bagian roti yang terbentuk selama pemanggangan karena kerak berperan secara nyata dalam mengendalikan transfer panas, massa, maupun pembentukan kualiatas roti (Jovicic, et al., 2020).

Perpindahan panas dan massa selama proses pemanggangan secara matematis dengan pendekatan mekanistik yang dideskripsikan dengan penggunaan cetakan dan ketebalan produk yang dipanggang dengan variasi panas serta massa disepanjang sisi lateral (jalan paving diabaikan) sehingga dapat menyederhanakan dua masalah dimensi ke satu dimensi. Selain itu, terdapat juga pendekatan kontinum yang digunakan untuk merumuskan persamaan yang mengatur energi dan massa konservasi. Tingkat penguapan pada saat proses pemanggangan dihitung dari konservasi massa uap air dengan isotherm sorpsi dan tekanan uap jenuh. Tekanan gas totalnya dari hukum tekanan parsial Dalton (Pg = Pv + Pa) (Jayapragasam, et al., 2021). Menurut (Mosalam, 2021), bahwa transfer panas menurut hukum Fourier yaitu keseimbangan energi pada benda padat dirumuskan secara beruntun :

p.cp. ∂T/∂t +∇.(−k∇T) = 0

Adapun komponen diatas yaitu (p, cp, k dan D) yang bergantung pada konsentrasi air dan suhu produk sehingga menghasilkan system persamaan diferensial nonlinier.

(1+c)/p = 1/pdr +c/pw ,

D = K/(p.c)

cp = 3017.2 + 2.05xT + 0.24Xt2 + 0,002xT3

K = 0.194 + 0.432 x cK = 0.194 + 0.436 xc.

Kondisi awal yaitu adanya distribusi panas dan kadar air yang diberikan yaitu :

(c)t0 = c0 (T)t0 = T0

Transfer panas konveksi menunjukkan bahwa kondisi batas keluar permukaan produk yang tidak terjadi penumpukan sedangkan dari udara ke produk sebagian memungkinkan terjadinya pelepasan panas secara bebas, adanya penguapan air dan untuk dapat menaikkan suhu produk yaitu dengan cara konduksi.

-n (K∇T) = QA + hcnv (Tffs – Tsrf)

Pada bagian luar produk bakery gambarkan hubungan aliran air yang Panjang dengan uap air yang bergerak melalui bagian tengah produk dan uap yang keluar dari permukaan produk yang telah dialihkan ke udara pengering.

-n (-D∇c) = kc (c – cenv)

Pada hukum Fourier pertama, kecepatan pindah panas dinyatakan dalam satuan Joule/s yang menunjukkan jumlah pindah panas yang dipindahkan per satuan waktu. Tanda minus dalam persamaan menunjukkan perpindahan panas dari suhu tinggi ke suhu rendah. Kecepatan pindah panas disebut juga dengan istilah heat flux atau qx yang dinyatakan sebagai fungsi dari luas permukaan benda (A), konduktivitas panasnya (k), perbedaan suhu (dT) dan jarak yang ditempuh oleh panas (dX). Sehingga hukum Fourier atau persamaan Fourier sebagai berikut :

q = - (k) (A) (dT/dx)

dimana :

q : fluksi panas (laju perpindahan panas)

A : luas permukaan bidang tegak lurus arah fluksi panas

dT : gradien suhu

dX : tebal bahan pangan dengan gradien suhu diatas

k : konduktivitas termal bahan

Dengan mengetahui mekanisme transfer panas pada oven yang dipengaruhi oleh suhu, sifat produk seperti konduktivitas termal bahan, difusivitas thermal, dan difusivitas kelembapan sehingga dapat dilakukan pengukuran selama proses pemanggangan untuk mendapat sistem transfer panas yang baik agar memperoleh produk bakery sesuai yang diinginkan.

Daftar Pustaka :

Chakraborty, S., dan Dash, K. K. 2023. A Comprehensive Review On Heat And Mass Transfer Simulation And Measurement Module During The Baking Process. Applied Food Research, 3(1), 100270.

Jayapragasam, P., Le Bideau, P., dan Loulou, T. 2021. Approximation Of Heat And Mass Transport Properties For One Sided Cake Baking. Journal Of Food Engineering, 290, 110211.

Jovicic, V., Zbogar-Rasic, A., Burjakow, B., dan Delgado, A. 2020. Role of Individual Heat Transfer Mechanisms Within a Model Baking Oven Heated by Porous Volumetric Ceramic Burners. Frontiers in Chemistry, 8, 511012.

Mosalam, H. 2021. Digital Modeling of Heat Transfer during the Baking Process. Modelling and Simulation in Engineering, 2021, 1-8.

Prasanth Kumar, P. K., Sai Manohar, R., Indiramma, A. R., dan Gopala Krishna, A. G. 2014. Stability Of Oryzanol Fortified Biscuits On Storage. Journal of Food Science and Technology, 51, 2552-2559.