TERMAL ANALISIS

         

            Metode termal seperti differential scanning calorimetry (DSC),  thermogravimetric analysis (TGA), thermomechanical analysis (TMA) and dynamic mechanical analysis (DMA) merupakan  teknik untuk mencirikan  morfologi dan komposisi material (bahan). Hal ini sering dilakukan untuk mengidentifikasi zat dengan mengacu pada karakteristik perubahan suhu suatu material. Dengan mengamati perubahan sifat yang diukur dengan suhu (misalnya. entalpi, berat, panjang, kekakuan dll), seseorang mungkin dapat mengukur derajat kristalinitas, komposisi atau  kepadatan. sistem multi-fase akan memberikan respon kombinasi dimana memungkinkan untuk memperkirakan jumlah setiap komponen. Metode termal konvensional hanya memberikan respon rata-rata spesimen yaitu mereka tidak dapat memberikan informasi mengenai distribusi fase dalam rangka untuk mendapatkan informasi tentang sampel,  sehingga penelitian harus menggunakan mikroskop.

Metode termal yang paling populer adalah diferensial scanning kalorimetri (DSC) yang mengukur aliran panas ke dalam atau keluar dari sampel yang dikenai suhu. Dengan cara ini suhu transisi dapat diidentifikasi dan entalpi dan perubahan kapasitas panas terkait dengan sampel dapat ditentukan. Pada tahun 1992, Reading, dkk. memperkenalkan kombinasi modulasi suhu dikombinasikan dengan dekonvolusi dari data yang . Teknik baru ini disebut modulated temperature DSC (MTDSC). MTDSC secara signifikan meningkatkan sensitivitas dan teknik resolusi terhadap beberapa perubahan untuk dideteksi. Sehingga memungkinkan untuk mengamati dan mengukur morfologi sampel yang akan dianalisa. Awalnya, MTDSC dibatasi untuk mempelajari polimer, tetapi baru-baru teknik telah diterapkan untuk studi tentang makanan dan obat-obatan.

Metode lain yang populer adalah termal thermomechanical analisis (TMA) di mana probe ditempatkan pada spesimen, sehingga suhu meningkat, perubahan panjang sampel (seperti pelelehan) dapat diukur. Dengan cara ini, koefisien ekspansi termal dan transisi suhu dapat ditentukan. Ketika beban berosilasi diterapkan pada spesimen, hal ini mungkin dilakukan untuk memonitor modulus mekanik dan redaman sampel sebagai fungsi temperatur. Sehingga teknik ini dikenal sebagai dynamic mechanical analysis (DMA).

Untuk mendapatkan informasi dengan leluasa mengenai material, peneliti harus menggunakan mikroskopi. Tanpa menggunakan pewarnaan atau teknik etsa mungkin sulit untuk menentukan perbedaan dalam komposisi seluruh spesimen. Infrared dan Raman microspectrometry mungkin digunakan untuk menyelidiki komposisi kimia pada skala kecil tetapi sering memberikan resolusiyang kurang baik. Pencitraan secondary ionmass spectrometry (SIMS) atau X-ray fotoelektron spektrometri (XPS) mampu memberikan informasi, tetapi juga memiliki kelemahan dimana analisa sampel memelukan vakum tinggi.

ANALISIS TERMAL DALAM MAKANAN

Metode analisa termal secara luas juga dapat digunakan untuk karakterisasi makanan. Misalnya mengetahui karakteristik termal dari konstituen makanan utama seperti karbohidrat, lipid, protein, air dan kemudian perilaku baku termal dan penyusun makanan.

Analisa termal dan teknik kalorimetrik sangat efisien untuk mempelajari sejumlah besar efek fisiko-kimia pada makanan dan dengan demikian memungkinkan untuk menentukan pengolahan makanan yang optimal. Dalam pemeriksaan makanan dengan analisis termal dan teknik kalorimetrik, banyak efek fisikokimia dapat diamati dalam kisaran suhu antara -50 dan 300 °C. Fenomena termal ini dapat berupa endotermik, seperti peleburan, gelatinisasi, penguapan, denaturasi, atau eksoterm, seperti kristalisasi, fermentasi, oksidasi,. Transisi gelas diamati sebagai informasi dalam  penentuan kadar air dan aktivitas air.

Instrumen dan metode untuk analisis termal pada makanan

Untuk analisa termal pada bahan makanan yaitu dengan menggunakan high pressure differential thermal analysis (NETZSCH, Selb, Jerman), kalorimeter jenis Calvet, peralatan heat flow mikro-DSC (Setaram, Caluire, Perancis) Pemindaian (pemanasan dan pendinginan) serta mode peralatan isotermal lainnya.

Analisa

Untuk karbohidrat, fenomena utama yang diamati pelepasan air kristalisasi,  meleleh, dekomposisi, gelatinisasi pati dengan adanya air, retrogradasi dari gel serta transisi gelas, relaksasi dan kristalisasi amorf sampel. Untuk lipid, fenomena utama yang diamati yaitu kristalisasi, penlelehan, polymorfisme dan oksidasi. Efek jenis pengemulsi pada karakteristik kristalisasi dan pelelehan dapat juga diamati dengan cara ini. Transisi gelas dan relaksasi sering ditumpangkan dalam kisaran suhu yang sama. Namun perubahan reversibel transisi gelas pada tingkat dasar line dan fenomena relaksasi non-reversible. Jadi, dua scan (satu langsung setelah yang lain) dari sampel yang sama memungkinkan untuk membedakan antara kedua fenomena. Untuk mempelajari pelepasan air kristalisasi dalam hidrat, thermogravimetry sangat berguna untuk menunjukkan fenomena endotermik yang sesuai pada kehilangan massa. Fenomena gelatinisasi dan retrogradasi bermanfaat dalam modifikasi reologi dari suatu produk, informasi pelengkap yang dapat diperoleh misalnya oleh dinamic mechanical analysis (DMA) atau dynamic mechanical thermal analysis (DMTA),.

Contoh kurva kristalisasi ditunjukkan pada gambar 1.

Gambar. 1, menunjukkan bahwa penambahan pengemulsi A atau B dapat menyebabkan lebih tinggi atau lebih rendah awal suhu kristalisasi lemak, dibandingkan dengan lemak murni.

Untuk protein, fenomena utama yang diamati adalah denaturasi ketika protein dalam larutan, serta transisi gelas dan oksidasi ketika berbentuk bubuk kering. Transisi gelas protein adalah fenomena lemah; deteksi nya dilakukan berdasarkan parameter rheologi yang diperoleh misalnya dengan dynamic mechanical thermal analysis (DMTA).

Analisis termal dan kalorimetri untuk air, memungkinkan untuk mengamati kristalisasi, leleh (es) serta penguapan. Yang sesuai dengan fenomena entalpi yang cukup tinggi, bahkan sampel air yang sedikit atau larutan encer dapat dianalisis dengan standar DSC.

Konstituen kecil dari makanan, seperti kafein atau vitamin, juga dapat dianalisis dengan teknik ini. Kafein, misalnya, menunjukkan transisi solid-solid sekitar 135 °C dan meleleh sekitar 230 °C.

Perilaku Termal Makanan Mentah

Sebagian besar efek fisiko-kimia dari kandungan makanan utama adalah ditemukan lagi dalam kurva kalorimetrik makanan mentah seperti biji kopi,sereal atau susu bubuk dan susu formula bayi. Hal ini harus diingat bahwa tentang semua makanan mentah dan dilarutkan mengandung air dan oleh karena itu pengukuran produk tersebut dalam sel tertutup di atas 100 °C hanya harus dilakukan dengan tindakan pencegahan disebabkan tekanan meningkat karena uap air. Selain fenomena tersebut, beberapa interaksi antara kandungan makanan, seperti reaksi Maillard yang reaksi antara protein dan gula pereduksi, misalnya susu bubuk atau susu formula dapat diamati sebagai suatu fenomena dalam kurva eksotermik kalorimetrik.

Analisa Termal untuk Pemeriksaan Pemalsuan Makanan

Analisis termal dapat juga digunakan untuk memeriksa makanan yang dipalsukan. Seperti analisis termal mengamati perilaku termal dari makanan. Perilaku termal yang diikuti lebih dari perubahan suhu dan / atau waktu.

Menimbang bahwa deteksi pemalsuan membutuhkan pengetahuan tentang sifat fisik dan kimia produk makanan, maka pendekatan analisanya mengikuti dua langkah. Pertama, yaitu menggunakan DSC untuk menentukan perilaku termal dari sirup madu murni dan murni, dan kedua, yaitu menggunakan untuk mendeteksi DSC modifikasi dari kurva thermoanalytical untuk menentukan pemalsuan madu dengan penambahan sirup. Untuk melengkapi pemahaman tentang beberapa fenomena termal yang diamati, makamenggunakan modulasi suhu-DSC.

Bahan dan metode

Sampel

Madu Lavandula, Robiniae dan Fir diperoleh dari peternak lebah Prancis. sampel sirup diperoleh dari pemasok industri Perancis (Dorsman SARL; Ickovich SA).

Persiapan

Karena madu tidak bahan murni dan homogen, protokol eksperimental cocok dikembangkan untuk mengurangi heterogenitas sampel. Madu dan sirup disimpan pada suhu 4-6 °C dan dibiarkan pada suhu kamar selama 12 jam sebelum analisis. Setiap sampel dihomogenkaan dengan perangkat mekanik selama 20 menit.

analisis Differential scanning calorimetry  (DSC)

            menggunakan peralatan DSC model 822⁰  dengan ADSC. Kondisi percobaanl (Kisaran suhu, jenis wadah, suhu pemrograman, tingkat pemanasan (20 °C min^-1) tingkat pendinginan (10 °C min ^-1), dan ditimbang massa sampel. Tiga DSC berjalan dilakukan untuk menentukan parameter termal dan parameter termodinamika (Tg, T_mel, Δ_kalH, ΔC_p ) Serta perilaku pelelehansampel pada suhu tinggi.

analisis TMDSC

dalam rangka meningkatkan pemahaman tentang fenomena termal tertentu maka dilakukan analisa menggunakan modulated temperature scanning calorimetry (TMDSC), yang terjadi di sampel. Terutama, kita mempelajari transisi gelas  dan fenomena termal muncul pada kisaran suhu antara 40-90 °C. Parameter untuk modulasi suhu adalah: laju pemanasan 7 °C min^-1, Amplitudo modulasi dari ± 1 °C, dan periode 60 detik. Sampel dianalisa dengan pemanasan dari -65 sampai -30 °C untuk mengetahui transisi glass, dan dari suhu 20 sampai 100 °C untuk mempelajari fenomena endoterm.

Hasil dan pembahasan

perilaku termal madu dan sirup

Gambar 2 dan 3 menunjukkan masing-masing. kurva DSC madu (Lavender) dan sirup gula (bit dan isoglucose). Dalam kebanyakan kasus, tiga fenomena termal yang diamati dalam kurva thermoanalytical dari madu:

i) penyimpangan dasar dari kurva DSC thermoanalytical, ditandai dengan perubahan dalam kapasitas panas dan ditafsirkan sebagai transisi gelas (-44 sampai -36 °C); suhu transisi gelas diambil pada awal efek termal dan disebut Tg

ii) fenomena endoterm (relatif lemah) pada kisaran suhu 40 sampai 90 °C, yang disebut transisi 2,

iii) puncak endotermik sangat luas dan intens dalam kisaran suhu 100-120 °C untuk 180-220 °C, yang disebut transisi 3.

Gambar 2 . DSC scan (memindai suhu linier) untuk madu Lavender

Perbedaan yang signifikan di posisi Tg dan intensitas telah diamati antara madu dan sirup (tebu dan bit). Perbedaan keduanya berupa kualitatif dan kuantitatif. Sebagai contoh, rata-rata Tg adalah masing-masing -40,7, -42,9, -36,7 dan -32,0 ± 0,5 °C untuk Robinia, Lavender, madu dan sirup tebu Fir. Pengamatan ini diselesaikan dengan mencatat ada atau tidak adanya fenomena karakteristik (transisi gelas diamati dan diukur untuk madu tetapi tidak diamati untuk sirup isoglucose). Untuk bit dan sirup tebu (kelembaban: 50%), analisis DSC menunjukkan adanya puncak endotermik yang khas dalam kisaran -20 sampai 0°C (bandingkan Gambar 3, transisi 1) terkait dengan mencairnya sampel es. Perubahan entalpi terkait (Δ_kalH₁), Sesuai untuk mencairnya air beku, tidak diamati dalam madu karena air terdapat dalam jaringan gula.

Gambar. 3 DSC untuk isoglucose dan sirup gula bit

Untuk sirup isoglucose, (kelembaban ≈ 24%) mencairnya air beku tidak diamati. Transisi gelas sirup ini juga tidak tampak pada kurva termoanalitis, karena tampaknya terletak di bawah -65 °C, sedangkan untuk madu yang diamati antara suhu -42,9  dan -36,7

Gambar. 3a Latar-proyeksi dua faktor. Tg / °C vsΔ_kal H₃/ J g-1. Perbedaan antara Syrup dan madu dari parameter termal dan termodinamika

Perbedaan yang diamati antara Tg sampel sekitar 1-6 °C madu dan sekitar 3 °C untuk sirup. Sebaliknya, perbedaan antara Tg dari madu dan sirup adalah 10 °C atau lebih (bandingkan Gambar. 3a). Pengamatan ini menunjukkan kemungkinan menggunakan suhu transisi gelas untuk membedakan antara madu dan sirup. Selain itu, tidak ada perbedaan yang signifikan di Tg suhu antara tebu atau bit sirup (-33,0 ± 2,0 °C) dan honeydews (-36,7 ± 0,3 °C) yang diwakili oleh madu Fir dalam penelitian (Gambar 3a).

Dari sudut pandang umum, semakin tinggi perbedaan prilaku panas dan termodinamika antara madu murni dan sirup (industri atau buatan sendiri), semakin mudah untuk mendeteksi pemalsuan.

Analisis Termal Dalam Lingkungan Industri

Prosedur industri umum yang sering mengekspos polimer untuk cairan dan uap yang dapat mempengaruhi sifat termal bahan. Dengan melakukan pengukuran di bawah kondisi proses simulasi thermoanalytical, peneliti dapat menyelidiki efek lingkungan pada sifat-sifat material. Eksperimen tersebut juga dapat digunakan untuk menunjukkan sifat dari proses yang terjadi. Sehingga diaplikasikan untuk thermogravimetry, termomekanis, pengukuran mekanik dan dielektrik dinamis untuk memantau perilaku serat, film dan perekat dalam kondisi seperti itu.

Kontrol yang baik dari lingkungan sampel merupakan kebutuhan utama untuk analisis termal. Dalam dunia nyata, interaksi bahan dengan uap air, efek residu dari pelarut, pencucian dan prosedur pencelupan, paparan sinar matahari, dan lain-lain bisa  memodifikasi perilaku sampel.

Contoh :

Pengolahan serat selulosa asetat        

Serat selulosa asetat yang diproduksi dengan larutan polimer dalam aseton  menjadi aliran udara panas. Pelarut menguap meninggalkan bundel filamen yang  diambil dan diproses lebih lanjut menjadi serat dan kain. Efek pelarut sisa pada  sifat-sifat polimer yang sangat penting untuk penanganan selanjutnya. Meskipun ada  beberapa studi telah dilakukan tentang efek molekular rendah terhadap berat molekul pada selulosa dan selulosa ester, hal ini telah difokuskan terutama pada efek kelembaban pada kelas polimer hidrofilik. Efek antiplastisasi juga telah diamati  dimana kekakuan dari polimer yang mengandung pengencer lebih tinggi dari bahan yang tidak diberikan perlakuan.

DAFTAR PUSTAKA

Cordella, C., Faucon, J. P, Cabrol-Bass, D and Sbirrazzuoli, N. 2003. Application Of DSC as a Tool for Honey Floral Species Characterization and Adulteration Detection. Journal Of Thermal Analysis And Calorimetry, Vol. 71 (2003) 275–286

Price, D. M. Reading, M., and  Lever, T. J. 1999. Applications Of Micro-Thermal Analysis. Journal Of Thermal Analysis And Calorimetry 56 673-679

Price, D. M. Reading, M., Hammiche, B. A., Pollock, H. M. 1999.  Micro-Thermal Analysis: Scanning Thermal Microscopy And Localised Thermal Analysis. International Journal of Pharmaceutics 192 (1999) 85–96

Price, D.M.  1997. Thermal Analysis In Industrial Environments. Journal Of Thermal Analysis, Vol 49 953-959

Raemy, A. 2003. Behavior of Foods Studied by Thermal Analysis Introduction. Journal Of Thermal Analysis And Calorimetry, Vol. 71 273–278