Dalam praktik penyimpanan pangan, sering ditemukan kondisi di mana daging atau ikan yang telah melalui proses pencairan (thawing) mengalami perubahan tekstur menjadi lunak dan disertai keluarnya cairan kemerahan dalam jumlah signifikan. Fenomena ini bukan sekadar perubahan fisik biasa, melainkan indikator kegagalan integritas seluler jaringan pangan dalam mempertahankan struktur aslinya akibat proses pembekuan yang tidak optimal.
Masalah utamanya bukan terletak pada suhu dingin, melainkan pada pertumbuhan kristal es yang tidak terkendali. Bayangkan sel-sel makanan yang tadinya kenyal dan segar menyerupai balon-balon kecil berisi air. Saat dibekukan secara perlahan (misalnya di kulkas rumah), air di dalamnya berubah menjadi kristal es yang tajam dan besar. Kristal-kristal ini bertindak layaknya ribuan jarum mikro yang menusuk dan merobek dinding sel dari dalam.
Baca juga: Pendinginan dan Pembekuan Pangan: Teknik, Prinsip, Perbedaan, dan Penerapannya
Tahapan Pembentukan Kristal Es pada Jaringan Sel
Berdasarkan mekanisme cryo-damage, terdapat tiga tahap kritis yang menentukan derajat kerusakan seluler selama proses pembekuan:
(Gambar 1) menunjukkan bagaimana kristal es merusak jaringan pangan secara bertahap. Proses ini dimulai ketika suhu produk turun di bawah titik bekunya, sehingga muncul satu inti es kecil di celah antar sel, sementara sel-sel di sekitarnya masih dalam kondisi bulat dan utuh.
Seiring berjalannya waktu penyimpanan, inti es tersebut tidak berhenti berkembang. Kristal terus membesar di ruang ekstraseluler dan mulai menekan sel dari segala arah. Akibatnya, sel yang semula berbentuk bulat berubah menjadi lonjong karena terjepit oleh kristal yang semakin besar.
Pada tahap akhir, kristal es sudah tersebar merata di seluruh jaringan. Tekanan yang terus-menerus bekerja pada dinding sel akhirnya melampaui batas kekuatan strukturalnya, sehingga dinding sel pecah dan cairan di dalam sel bocor keluar. Inilah yang secara nyata diukur sebagai drip loss atau kehilangan cairan, yang menjadi salah satu indikator utama penurunan kualitas produk beku. Semakin luas distribusi kristal es, semakin banyak sel yang rusak (Zheng et al. 2024) dan semakin tinggi drip loss yang dihasilkan (Garnida Y et al. 2020)
Semakin lama produk berada dalam kondisi beku, semakin luas distribusi kristal es di dalam jaringan (Li D et.al 2018) dan semakin besar kerusakan yang ditimbulkan pada sel-sel penyusunnya. Kerusakan ini tidak dapat dipulihkan (irreversible) meskipun produk telah dicairkan kembali (Dawson P et al. 2020) karena dinding sel yang telah pecah tidak mampu menyusun ulang strukturnya seperti semula.
Kondisi inilah yang mendorong eksplorasi pendekatan preservasi alternatif yang mampu mempertahankan produk pada suhu di bawah titik beku tanpa memicu pembentukan kristal es di dalam jaringan. Pendekatan tersebut dikenal sebagai supercooling, yaitu suatu kondisi di mana produk pangan tetap berada dalam fase cair meskipun suhunya sudah berada di bawah titik bekunya (Kang T et al. 2020) karena tidak ada kristal es yang terbentuk, struktur sel jaringan tetap terjaga utuh selama penyimpanan. Suhu rendah yang dipertahankan selama supercooling tetap mampu menghambat pertumbuhan mikroba (Leng et al. 2021) serta memperlambat reaksi enzimatik (Joya A 2023) dan oksidasi kimia (Kim H dan Hong GP 2022) yang menjadi penyebab utama kerusakan mutu pangan. Supercooling menawarkan manfaat ganda, dengan mempertahankan kualitas jaringan seperti halnya refrigerasi, sekaligus memperpanjang umur simpan seperti halnya pembekuan.
Supercooling didefinisikan sebagai kondisi ketika produk pangan tetap berada dalam fase cair meskipun suhunya telah turun di bawah titik beku kesetimbangannya (T < Tf ) (Asiah N et al. 2020). Secara termodinamika, keadaan bersifat metastabil artinya ketika sistem belum mencapai kesetimbangan energi yang sempurna (Kang T et al. 2020), tetapi masih dapat dipertahankan selama tidak terdapat gangguan yang memicu terbentuknya kristal es.
Supercooling terjadi pada transisi fase cair ke fase padat (kristalisasi) (Usna SR et al. 2021) sehingga apabila kondisi ini masih berlangsung, produk belum mengalami pembekuan meskipun suhunya telah berada di bawah titik beku normal (Sun J et al. 2026). Dalam keadaan tersebut, panas yang dilepaskan hanya berupa kalor sensibel (Usna SR et al. 2021), yaitu energi panas yang menyebabkan penurunan suhu tanpa disertai perubahan fase zat.
ΔTs = Tm – Tn
(Rasta IM et al. 2022)
Derajat supercooling (ΔTsc) dapat dinyatakan secara matematis sebagai selisih antara titik beku kesetimbangan dengan suhu aktual produk. Tm adalah suhu leleh dan Tn adalah suhu nukleasi. Semakin besar nilai selisih tersebut, maka semakin dalam tingkat supercooling yang dicapai (Samah W et al.2023) sehingga kondisi metastabil produk menjadi lebih kuat dan pembentukan kristal es cenderung tertunda.
Keunggulan utama supercooling terhadap freezing terletak pada ketiadaan kristal es selama penyimpanan. Produk tetap berada dalam kondisi “segar beku” (fresh-frozen state) sehingga tidak diperlukan proses thawing sebelum konsumsi, yang secara langsung menghilangkan risiko kerusakan tekstur dan kontaminasi mikroba akibat pencairan. Sifat stokastik nukleasi es menjadi hambatan utama dalam standarisasi teknologi supercooling. Tanpa kendali eksternal, proses nukleasi heterogen sangat rentan dipicu oleh faktor-faktor seperti nukleator (pemicu es), ketidakseragaman permukaan, hingga fluktuasi suhu yang minimal. Hal ini mengakibatkan kondisi supercooling bersifat transient (sementara) dan memiliki tingkat stabilitas yang rendah untuk diaplikasikan secara konsisten.
Sebagai upaya untuk mengatasi sifat pembentukan es yang tidak terduga, intervensi teknologi Pulsed Electric Field (PEF) dan Oscillating Magnetic Field (OMF) hadir untuk menciptakan kontrol yang lebih pasti. Melalui pengaturan gelombang listrik dan magnet, pemicu es yang biasanya muncul akibat permukaan tidak rata atau fluktuasi suhu dapat ditekan, sehingga kondisi supercooling tidak lagi bersifat sementara melainkan menjadi standar penyimpanan yang dapat diandalkan.
Aplikasi PEF dan OMF memegang peranan krusial sebagai instrumen rekayasa. Mekanisme hipotesisnya didasarkan pada kemampuan medan listrik dalam menginduksi torsi serta mengganggu orientasi molekul air yang bersifat dipolar. Secara simultan, medan magnet memberikan vibrasi mekanis mikro yang mencegah molekul air menyusun diri ke dalam kisi kristal heksagonal, yang mana merupakan sebuah fase prakondisi yang menentukan terjadinya nukleasi. Sinergi antara keduanya membentuk sistem pertahanan berlapis yang secara efektif menghambat inisiasi pembentukan es.
Daftar Pustaka
Asiah N, Cempaka L, Ramadhan K, Matatula SH. 2020. Prinsip Dasar Penyimpanan Pangan Pada Suhu Rendah. Makassar (ID): Nas Media Pustaka
Dawson P, Al-Jeddawi W, Rieck J. 2020. Pengaruh berbagai tingkat pembekuan dan suhu penyimpanan jangka panjang terhadap stabilitas irisan buah persik. International Journal of Food Science. 18: 1-17. 10.1155/2020/9178583
Garnida Y, Widiantara T, Rachmat FS. 2020. Kajian lama pembekuan dan jenis daging terhadap kualitas daging sapi (Bos primigenius taurus), ayam broiler (Gallus domesticus), ikan patin (Pangasius sp) dan daging kambing (Capra aegagrus hircus) yang dithawing. Pasundan Food Technology Journal. 7(2): 78-86
Joya A. 2023. Magnetic Field-Based Supercooling: Cell Viability Enhancement Of Freeze-Dried Lactobacillus Spp. and Inhibitory Ice Nucleation Of Ironoxide Nanoparticles In An Agar Model System [Disertasi]. Hawai (USA): University of Hawaiʻi at Mānoa
Kang T, You Y, Jun S. 2020. Supercooling preservation technology in food and biological samples: a review focused on electric and magnetic field applications. Food Sci Biotechnol. 29(2): 303-321
Kim H, Hong GP. 2022. Comparison of superchilling and supercooling on extending the fresh quality of beef loin. Foods. 11(8): 2-10. 10.3390/foods11182729.
Li D, Zhu Z, Sun DW. 2018. Freezing on cell structure of fresh cellular food materials: A review. Trends in Foods Science and Technology. 75: 46-55. 10.1016/j.tifs.2018.02.019
Rasta IM, Suamir IN, Winarta A, Subagia IWA, Susila IDM. 2022. Perilaku supercooling pada proses solidification material perubahan fasa berbasis air. Journal of Applied Mechanical Engineering and Green Technology. 3: 71-77
Samah W, Clain P, Rioual F, Fournaison L, Delahaye A. 2023. Review on ice crystallization and adhesion to optimize ice slurry generators without moving components. Applied Thermal Engineering. 223: 1-39. 10.1016/j.applthermaleng.2023.119974
Sun J, Yang X, Yue Y. 2026. Experimental research on the supercooling and freezing temperatures of unsaturated soil. Applied sciences. 16(4): 1-20. 10.3390/app16042140
Usna SRA, Sutjahja IM, Kurnia S. 2021. Pengaruh penambahan nukleator SrCl2.6H2O dan pengental HEC terhadap efek supercooling dan pemisahan fase PCM CaCl2.6H2O. Wahana Fisika. 6(2): 116-129
Zheng O, Zhang L, Sun Q, Liu S. 2024. Basic theory of ice crystallization based on water molecular structure and ice structure. Foods. 13(17): 2-19. 10.3390/foods13172773
Penulis: Nisrina Rafifah
Mahasiswa Program Studi Ilmu Pangan, Pascasarjana Institut Pertanian Bogor University
Dosen Pengampu: Prof. Dr. Ir. Purwiyatno Hariyadi, M.Sc.
Editor: Nilam Indahsari
Editor Bahasa: Rahmat Al Kafi
⚡ Baca Lebih Cepat Artikel MMI di Ponsel Anda!
Ikuti Channel WhatsApp
Media Mahasiswa Indonesia (MMI):
KLIK DI SINI
