Kimia pangan

Kimia pangan adalah studi mengenai proses kimia dan interaksinya dengan komponen biologis dan non-biologis bahan pangan. Substansi biologis misalnya produk daging, sayuran, produk susu, dan sebagainya. Mirip dengan biokimia dengan komponen utamanya yaitu karbohidrat, lemak, dan protein namun juga mempelajari komponen lain seperti air, vitamin, mineral, enzim, zat aditif, perasa, serta pewarna makanan. Ilmu ini juga meliputi bagaimana suatu produk pangan mengalami perubahan akibat berbagai metode pemrosesan atau pengolahan makanan dan cara untuk meningkatkan maupun mencegah terjadinya perubahan itu. Contoh peningkatan proses adalah dengan mendorong fermentasi produk susu dengan mikroorganisme yang mengubah laktosa menjadi asam laktat; sedangkan contoh untuk mencegah proses adalah menghentikan pencoklatan pada permukaan apel yang baru dipotong menggunakan jus lemon atau air asam lainnya.

Sejarah

Sejarah mengenai kimia pangan dimulai pada tahun 1700-an ketika para ahli kimia terlibat dalam penemuan senyawa kimia penting dalam bahan pangan, termasuk Carl Wilhelm Scheele yang mengisolasi asam malat dari buah apel pada tahun 1785, dan Sir Humphry Davy yang mempublikasikan buku Elements of Agricultural Chemistry, in a Course of Lectures for the Board of Agriculture pada tahun 1813 yang dikatakan sebagai buku tentang pertanian dan pangan pertama.

Air

Komponen utama dari bahan pangan adalah air. 50% massa produk daging adalah air, dan 95% dari massa sayuran segar (misalnya selada, kol, tomat) adalah air. Air juga tempat utama perkembangan bakteri pada bahan pangan dan penyebab utama berbagai kerusakan bahan pangan. Aktivitas air (water activity) adalah salah satu cara dalam menentukan usia simpan suatu produk pangan. Salah satu kunci pengawetan bahan pangan adalah dengan mengurangi kadar air atau mengubah karakteristik dari air tersebut, misalnya dengan dehidrasi, pembekuan, dan pendinginan.

Karbohidrat

Terdiri dari 80% total konsumsi manusia, karbohidrat yang paling umum dikenal manusia adalah pati. Jenis karbohidrat yang paling sederhana adalah dari jenis monosakarida, yaitu glukosa, fruktosa, galaktosa, manosa, sorbosa, dan sebagainya. Rangkaian monosakarida akan membentuk sakarida lain yang lebih besar, yaitu polisakarida (rantai panjang), oligosakarida (rantai pendek), dan disakarida (dua molekul monosakarida).

Nilai kalori karbohidrat adalah 4 kilokalori per gram. Karbohidrat dapat digunakan sebagai sumber energi setelah melalui proses kimia di dalam tubuh yang memecah karbohidrat rantai panjang (polisakarida) menjadi monosakarida, mislanya glukosa. Glukosa dibakar di dalam tubuh untuk menghasilkan energi, dengan reaksi C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O. Reaksi ini tidak terjadi secara langsung, melainkan melalui kurang lebih 50 tahap reaksi.

Klasifikasi karbohidrat:

Polisakarida
- Pati dan dekstrin. Komponennya berupa glukosa. Karbohidrat ini umum dijumpai pada umbi-umbian, kacang-kacangan, tebu, bit, dan sebagainya. Polisakarida ini dapat dicerna manusia.
- Selulosa. Komponennya berupa glukosa. Umum dijumpai pada dinding sel dan serat tanaman. Polisakarida ini tidak dapat dicerna manusia.
- Glikogen. Komponen utamanya adalah glukosa. Umum dijumpai pada hati, jaringan hewan, dan jagung
- Hemiselulosa. Komponen utamanya adalah arabinosa, xylosa, rhamnosa, galaktosa, manosa, glukoronat, dan galakturonat. Umumnya terdapat di dinding sel, serat tanaman, biji-bijian, kacang-kacangan, tepung, dedak, dll. Polisakarida ini tidak dapat dicerna manusia.
- Pentosan. Komponen utamanya adalah arabinosa dan xylosa. Umum ditemukan pada buah-buahan.
Oligosakarida
- Rafinosa atau stakynosa. Komponen utamanya adalah galaktosa, glukosa, dan fruktosa. Umum ditemukan pada kacang-kacangan, biji-bijian, bit, dan tebu. Oligosakarida ini tidak dapat dicerna manusia.
- Fruktosil-sukrosa. Komponen utamanya adalah fruktosa dan glukosa. Umum ditemukan pada biji-bijian dan bawang bombay.
- Maltooligosakarida. Komponen utamanya adalah glukosa. Umum ditemukan pada sirup dan malt.
Disakarida
- Sukrosa. Komponen utamanya adalah glukosa dan fruktosa. Umum ditemukan pada tebu, bit, buah-buahan, sayur, dan makanan manis. Disakarida ini dapat dicerna.
- Maltosa dan isomaltosa. Komponen utamanya adalah glukosa. Umum ditemukan pada sirup, malt, dan madu. Disakarida ini dapat dicerna.
- Laktosa. Komponen utamanya adalah galaktosa dan glukosa. Umum ditemukan pada susu, keju, dan produk susu lainnya. Disakarida ini dapat dicerna.

Monosakarida

Monosakarida merupakan karbohidrat yang paling sederhana. Monosakarida yang paling penting yaitu glukosa, fruktosa, dan galaktosa. Glukosa merupakan monosakarida yang paling umum dan terdapat pada seluruh bagian tanaman sebagai pati dan selulosa. Galaktosa merupakan monosakarida yang tidak terdapat di alam, melainkan melalui proses hidrolisis dari laktosa. Fruktosa adalah glukosa dengan gugus keton yang didapatkan dari proses hidrolisis sukrosa.

Disakarida

Merupakan karbohidrat yang tersusun atas dua molekul monosakarida. Ada 3 disakarida yang paling umum, yaitu maltosa, laktosa, dan sukrosa. Maltosa tersusun atas dua molekul glukosa. Laktosa tersusun atas glukosa dan fruktosa. Sukrosa tersusun atas fruktosa dan glukosa.

Oligosakarida dan polisakarida

Oligosakarida merupakan karbohidrat rantai pendek, sedangkan polisakarida merupakan karbohidrat rantai panjang. Ikatan rantai yang terbentuk bisa berupa rantai linier tanpa cabang (misalnya amilosa dan selulosa) maupun rantai linier dan bercabang (misalnya amilopektin dan glikogen).

Lipid

Lipid jika didefinisikan cakupannya cukup luas, yaitu segala komponen biologis nonpolar yang tidak larut, dan itu termasuk lilin, asam lemak, fosfolipid, terpentin, dan sebagainya. Sebagian lipid berbentuk linear alifatik, sebagian lagi siklik. Sebagian lipid adalah aromatik sebagian lain bukan. Strukur sebagian lipid fleksibel, sebagian lagi kaku.

Dalam bahan pangan, lipid termasuk minyak yang didapatkan dari biji-bijian seperti jagung, kacang kedelai, lemak hewani, dan sebagainya. Lipid dalam bahan pangan adalah pelarut vitamin; lipid membawa vitamin sejak berada di dalam bahan pangan hingga diserap di dalam tubuh.

Lemak

Lemak merupakan ester dari gliserol dan asam lemak rantai panjang. Lemak umumnya dibedakan menjadi lemak hewani dan lemak nabati. Lemak hewani mengandung asam lemak jenuh lebih banyak, dan pada temperatur kamar berbentuk padat. Lemak nabati memiliki asam lemak tak jenuh lebih banyak, dan dalam temperatur kamar berbentuk cair. Dalam mengukur derajat ketidakjenuhan suatu lemak, digunakan bilangan iod, yaitu jumlah iodium yang digunakan untuk mengadisi ikatan rangkap dari 100 gram lemak.

Lemak bersifat tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut organik seperti karbon tetraklorida, eter, dsb. Total energi yang diberikan lemak adalah 9 kilokalori per gram. Lemak berguna untuk membentuk sel otak dan membran sel, sebagai cadangan energi, pengatur suhu tubuh, dan pelindung organ.

Asam lemak

Asam lemak diklasifikasikan menjadi dua, yaitu asam lemak jenuh dan asam lemak tak jenuh.

Asam lemak jenuh adalah asam lemak yang tidak memiliki ikatan ganda antara 2 atom karbon. Titik lebur asam lemak jenuh tinggi. Contoh asam lemak jenuh adalah asam butirat, asam kaproat, asam laurat, asam miristat, asam palmitat, dan asam stearat.

Asam lemak tak jenuh adalah asam lemak yang memiliki ikatan rantai ganda antara 2 atom karbon, serta memiliki titik lebur yang relatif rendah. Contohnya adalah asam palmitoleat, asam oleat, asam linoleat, dan asam linolenat.

Protein

Protein merupakan makromolekul yang sangat kompleks dan menyusun sekitar 50% dari berat kering sel hidup. Protein berperan penting dalam struktur dan fungsi sel. Protein tersusun atas karbon, nitrogen, hidrogen, oksigen, dan beberapa jenis memiliki sulfur dan mineral seperti besi, tembaga, fosfor, dan seng. Satu rantai protein merupakan rangkaian dari ribuan unit asam amino.

Terdapat 20 sampai 26 jenis asam amino (tergantung definisi yang digunakan), tetapi hanya 9 yang tidak bisa disintesis oleh tubuh sehingga diperlukan suplai dari luar untuk kebutuhan metabolisme dan pertumbuhan. 9 asam amino tersebut yaitu histidina, isoleusina, leusina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofan, dan valina, yang disebut sebagai asam amino esensial.

Protein dalam tubuh berfungsi sebagai zat pembentuk jaringan tubuh, pengatur, dan sebagai sumber energi. Selain itu, protein juga berguna sebagai bahan pembentuk membran sel dan sebagai pembentuk enzim.

Dalam bahan pangan, protein merupakan zat yang penting dalam pertumbuhan dan ketahanan hidup. Kebutuhan terhadap protein berbeda bagi setiap orang tergantung keadaan fisiologisnya (kebutuhan protein bagi balita berbeda dengan kebutuhan protein bagi ibu hamil, baik jenis maupun kuantitasnya). Protein dalam bahan pangan umumnya ditemukan pada kacang-kacangan, produk daging, dan makanan laut.

Enzim

Enzim adalah katalis biokimia yang berperan dalam proses konversi dari satu zat ke zat lainnya. Sebagai katalis, enzim berperan penting dalam mengurangi waktu reaksi kimia di dalam tubuh. Banyak industri pangan yang memanfaatkan enzim dalam prosesnya, seperti pembuatan bir, industri susu, dan sebagainya. Dalam industri-industri tersebut, enzim didapatkan dari aktivitas mikrob yang ditambahkan di dalam bahan pangan sehingga zat yang terdapat dalam bahan pangan mengalami perubahan.

Vitamin

Vitamin adalah molekul organik yang dibutuhkan dalam jumlah kecil untuk reaksi metabolit yang esensial bagi tubuh. Jumlah yang cukup dapat melindungi tubuh dari berbagai penyakit, tetapi overdosis dapat memberikan masalah bagi kesehatan, bahkan kematian.

Seluruh vitamin, kecuali vitamin A dan D, tidak dapat diproduksi oleh tubuh sehingga dibutuhkan suplai dari bahan pangan. Untuk sintesis vitamin A dan D, diperlukan provitamin A dan D yang didapatkan dari bahan pangan.

Vitamin B dan C, serta pantotenat, biotin, dan folat merupakan vitamin yang larut dalam air. Dalam keberadaannya di sumber bahan pangan maupun setelah masuk ke dalam tubuh dan masuk ke dalam metabolisme tubuh, vitamin-vitamin tersebut membutuhkan air. Vitamin yang larut dalam air, jika kelebihan akan dibuang melalui urin. Vitamin A, D, E, dan K larut di dalam lemak, dan tidak akan dikeluarkan dari dalam tubuh jika kelebihan, melainkan akan disimpan.

Mineral

Mineral dalam bahan pangan amat bervariasi dan dibutuhkan oleh tubuh karena memberikan manfaat tertentu. Namun tidak semua mineral di alam dibutuhkan oleh tubuh, sebagian justru berbahaya walau dalam jumlah yang sedikit (misalnya arsen). Mineral yang dibutuhkan oleh tubuh pun tidak boleh dikonsumsi berlebih karena dapat mengganggu kesehatan (misalnya natrium, yang dalam kadar berlebih dapat menyebabkan hipertensi). Hampir semua mineral yang dibutuhkan tubuh bisa ditemukan dalam makanan.

Mineral menyusun sekitar 4% berat tubuh manusia. Mineral yang terdapat dalam tubuh yaitu mineral dalam darah (klorida, fosfat, bikarbonat, sulfat, biasanya berbentuk ion), besi pada hemoglobin, fosfor pada asam nukleat, tulang, dan gigi, kalsium pada tulang dan gigi, dan sebagainya.

Serat

Serat yaitu bagian dari tanaman, umumnya merupakan rantai glukosa seperti selulosa, yang tidak dicerna oleh tubuh. Serat bermanfaat dalam proses pencernaan, membantu pergerakan bahan makanan dan tinja di dalam usus sehingga tidak terlalu lama berada di dalam tubuh.

Saat ini, tingkat konsumsi serat masyarakat berkurang karena sebagian besar makanan diproses berlebihan dan dibuang bagian yang berseratnya. Misalnya beras, dari gabah yang digiling, kemudian disosoh agar menjadi putih. Beras sebelum disosoh mengandung serat yang tinggi, sedangkan beras putih yang saat ini beredar memiliki kadar serat yang sangat sedikit. Begitu juga dengan gandum, yang saat ini sedang kembali dipopulerkan konsumsi gandum utuh (whole wheat) guna meningkatkan konsumsi serat masyarakat.

Bahan tambahan makanan (food additive)

Bahan tambahan makanan yaitu bahan campuran yang secara alamiah tidak terdapat dalam makanan, tetapi ditambahkan secara sengaja dalam proses pembuatan maupun pengemasannya. Tujuannya yaitu:

Meningkatkan kualitas warna, rasa, dan stabilitas makanan
Meningkatkan kualitas tekstur
Menahan kelembaban
Sebagai pengental, pengikat, pencegah kelengketan, dan sejenisnya
Memperkaya kandungan vitamin dan mineral

Zat pewarna

Terdapat tiga jenis zat pewarna, yaitu pewarna alami, identik alami, dan buatan. Pewarna alami yaitu senyawa pigmen yang berasal dari bahan alami, biasanya nabati. Contohnya yaitu antosianin, beta karoten, dan kurkumin. Identik alami yaitu pewarna yang disintesis oleh manusia namun memiliki struktur yang identik seperti yang terdapat di alam, misalnya karotenoid. Pewarna buatan yaitu pewarna yang dibuat oleh manusia. Pewarna buatan ini dapat mengubah warna makanan hanya dengan konsentrasi yang sedikit, yaitu 5 sampai 600 ppm. Namun pewarna buatan ini berbahaya bagi kesehatan, dapat mengakibatkan gangguan saluran pencernaan dan kanker.

Penyedap rasa dan aroma

Diklasifikasikan menjadi dua, yaitu alami dan buatan. Yang alami misalnya jahe, kayu manis, merica, vanili, garam, dan sebagainya. Yang buatan misalnya MSG dan senyawa ester.

Pengawet

Pengawet yaitu senyawa yang ditambahkan ke dalam makanan untuk mencegah pertumbuhan jamur dan bakteri sehingga makanan menjadi lebih tahan lama. Zat pengawet diklasifikasikan menjadi dua, yaitu pengawet organik dan pengawet anorganik. Keduanya bisa didapatkan secara alami maupun disintesis. Contoh pengawet organik yaitu asam sorbat, asam propionat, asam benzoat, asam asetat, dan sebagainya. Contoh pengawet anorganik, yaitu NaNO2, garam, dsb.

Antioksidan

Antioksidan adalah bahan yang dapat mencegah terjadinya oksidasi pada minyak dan lemak, sehingga tidak mudah tengik. Senyawa antioksidan yang umum ditambahkan ke dalam bahan pangan adalah butil hidroksianisol (BHA) dan butil hidroksitoluen (BHT). Gugus butil dalam senyawa itu bermanfaat untuk menangkap gugus COOH sehingga oksidasi yang biasanya terjadi pada bagian tersebut, bisa dicegah.

Pustaka

H.-D. Belitz, Werner Grosch, Peter Schieberle. Food Chemistry. Springer, 2009
John M. DeMan. Principles of Food Chemistry. Springer, 1999