BIOKIMIA/BIOLOGI

AIR

Pendahuluan

Dalam sel hidup kebanyakan senyawa biokiumia dan sebagian besar dari reaksi-reaksinya terdapat dalam lingkaran air.

Air berperan aktif dalam banyak reaksi biokimia dan merupakan pentu penting dari sifat-sifat makromolekul protein.Oleh karena itu,sifat-sifat air yang memungkinkan memainkan peranan penting pada biokimia harus dimengerti.

Air merupakan kandungan penting banyak makanan. Air dapat berupa komponen intrasel dan/at au ekstrasel dalam sayuran dan produk hewani, sebagai medium pendispersi atau pelarut dalam berbagai produk, sebagai fase terdispersi dalam beberapa produk yang diemulsi seperti mentega dan margarin, dan sebagai komponen tambahan dalam makanan lain.

Karena air penting sebagai komponen hasil pertanian (makanan) maka diperlukan pemahaman mengenai sifat dan perilakunya. Adanya air mempengaruhi kemerosotan mutu makanan secara kimia dan mikrobiologi. Begitu pula, penghilangan (pengeringan) atau pembekuan air penting pada beberapa metode pengawetan makanan. Pada kedua peristiwa itu perubahan yang mendasar dalam produk dapat terjadi.

Sifat fisika air dan es

Beberapa sifat fisika air dan es luar biasa dan senarainya disajikan dalam Tabel 3.1. Banyak dari informasi ini diperoleh dari Perry (1963) dan Landolt-Boernstein (1923). Harga sifat kebahangan air yang luar biasa tingginya penting untuk operasi pemrosesan makanan seperti pembekuan dan pengeringan. Perbedaan kerapatan air dan es yang besar dapat mengakibatkan kerusakan struktur makanan jika makanan dibekukan. Kerapatan es berubah dengan berubahnya suhu, dan karena itu menimbulkan tekanan dalam makanan yang dibekukan.

Karena padatan kurang kenyal ketimbang semipadatan, fluktuasi suhu dapat mengakibatkan kerusakan struktur, meskipun fluktuasi itu tetap di bawah titik beku ..

Struktur molekul air dan Jembatan (Ikatan Hidrogen)

Penyebab dari perilaku air yang tidak biasa terdapat pada struktur molekul air (Gambar 3.2) dan pada kemampuan molekul air untuk membentuk ikatan hidrogen. Dalam molekul air atom-atom disusun dengan sudut 105⁰ dan jarak antara inti Hidrogen dan oksigen 0,0957 nm.

Molekul air dapat dianggap sebagai kuadrupol berbentuk bulat dengan gar is tengah 0,276 nm, dan inti oksigen merupakan pusat kuadrupol. Dua muatan negatif dan dua muatan positif mel)1bentuk sudut tetrahedron yang biasa. Karena adanya pemisahan muatan dalam molekul air, tarik-menarik antara molekul yang bertetangga lebih besar daripada gaya Van del' Waals yang normal.

H 0

"'" / "'"

O --- H H

./

H

Gambar 3.1. Sketsa Jembatan Hidrogen

Dalam es setiap molekul H20 terikat oleh empat jembatan seperti itu ke setiap tetangganya

Tabel 3.1. Beberapa sifat fisika air dan es
						Suhu (OC)
Air		°		20		40			60		80	100
Tekanan uap (mm Hg)	4,58			17,53		55,32		149,4			355,2	760,0
Kerapatan (gm/em3)	0,9998			0,9982		0,9922			0,9832		0,9718	0,9583
Bahang jenis (eal/gPC)	1,0074			0,9988		0,9980			0,9994		1,0023	1,0070
Bahang penguapan (cal/g)	597,2		586,0			574,7	563,3				551,3	538,9
Hantar bahang (keal/m~hOC)	0,486			0,515		0,540			0,561		0,576	0,585
Tegangan permukaan (dyne/em)	75,62			72,75		69,55		66,17			62,60	58,84
Viskositas (centipoise)	1,792			1,002		0,653			0,466		0,355	0,282
Indeks bias	1,3338			1,3330		1,3306			1,3272		1,3230	1,3180
Tetapan dielektrik	88,0			80,4		73,3		66,7			60,8	55,3
Koefisien m uai bahang x 10-4	-			2,07		3,87			5,38		6,57
						Suhu (OC)
Es		°	-5			-10	-15		-20		-25	-30
Tekanan uap (mm Hg)	4,58		3,01			1,95	1,24			0,77	0,47	0,28
Bahang fusi (cal/g)	79,8		-		-		-		-		-	-
Bahang sublimasi (cal/g)	677,8		-		672,3		-		666,7		-	662,3
Kerapatan (g/em3)	0,9168		0,9171			0,9175	0,9178			0,9182	0,9185	0,9188
Bahang jenis (eal/gOC)	0,4873		-			0,4770	-			0,4647	-	0,4504
Koefisien m uai bahang x 10-5	9,2		7,1			5,5	4,4			3,9	3,6	3,5
Kapasitas bahang (joule/g)	2,06		-		-		-			1,94

Energi ikatan dari ikatan Hidrogen dalam es besarnya 5 kkal per mol (Pauling, 1960) Antaraksi kuat yang serupa terjadi pada OH dan NH dan antara atom kecil yang mempunyai elektronegatif kuat seperti O dan N. Inilah sebabnya terdapat asosiasi yang kuat dalam alcohol dan asam lemak serta amina dan afinitas yang kuat terhadap air.

Pembandingan sifat air dengan sifat hidrida unsur dekat oksigen dalam Susunan Berkala (CH4, NH3, HF, DH3, H2S, HCI) menunjukkan bahwa air mempunyai tetapan fisika tertentu yang tinggi luar biasa, seperti titik leleh, titik didih, kapasitas bahang, bahang fusi laten, bahang penguapan laten, tegangan permukaan, dan tetapan dielektrik.

Air dapat mempengaruhi konformasi makromolekul jika air mempunyai efek terhadap setiap ikatan nonkovalen yang menstabilkan konformasi molekul besar (Klotz 1965). Ikatan nonkovalen ini mungkin salah satu dari tiga jenis ikatan: ikatan hidrogen, ikatan ion, atau ikatan apolar:

Pada protein, terdapat persaingan antara ikatan hidrogen interamida dan ikatan hidrogen air-amida. Menurut Klotz (1965) energi ikatan dari ikatan seperti itu dapat diukur berdasarkan perubahan pada spektrum inframerah-dekat larutan dalam N-metilasetamida. Makin besar kemampuan pelarut membentuk ikatan hidrogen, makin lemah ikatan C=O ... H-N.

Dalam pelarut air, bahang pembentukan atau bahang perusakan ikatan ini no!. lni berarti bahwa ikatan hidrogen C=O ... H-N tidak dapat menimbulkan kestabilan dalam pelarut air. Pembentukan ikatan hidrogen secara bersaing oleh air mengurangi kecenderungan termodinamik ke arah pembentukan ikatan hidrogen interamida.

Molekul air sekeliling linarut apolar menjadi lebih teratur, mengakibatkan hilangnya entropi. Sebagai akibatnya, gugus apolar yang terpisah dalam lingkungan air cenderung berasosiasi satu sama lain tidak dengan molekul air. Konsep ikatan hidrofob ini telah dikemukakan oleh Klotz (1965) berupa bagan seperti terlihat pada gambar 3.3. Dalam kondisi yang sesuai molekul apolar dapat membentuk hidrat berbentuk kristal, yang dalam hal ini senyawa terkurung dalam ruang yang terbentuk oleh polihedron yang terdiri atas molekul air. Polihedron seperti itu dapat membentuk kisi yang besar, seperti ditunjukkan dalam gambar 3.4. Polihedron dapat mengurung molekul tamu apolar membentuk hidrat apolar (Speedy 1984).

3.4. Jembatan (Ikatan) Hidrogen

Molekul air mempunyai struktur ruang molekul berbentuk tetrahedron tak beraturan (irregular terahedron) dengan oksigen pada pusatnya struktur tetrahedral air disajikan pada gambar 3.2.

Dua ikatan dengan hedrogen diarahkan kepada 2 sudut dari tetrahedron, sementara elektro yang tidak tergabung pada orbital hidra 2 sp³ menduduki 2 sudut yang tersisa. Sudut antara 2 atau hydrogen (105) sehingga membentuk tetrahedron sedikit miring.

Sifat dwiktub molekul air menyongkong hubungan mereka satu samalain dalam deret bertingkat dengan geometri yang tetap yang ditentukan oleh geometri internal molekul air. Ilustrasi gambar ikatan hydrogen pada air disajikan pada gambar 2.1..

Sebelah Kiri ikatan dua molekul air dipolar (garis terputus pada sketsa (Gambar 2.1)) menyatakan ikatan Hidrogen. Sedangkan sebelah Kanannya menyatakan Ikatan sentral molekul air dengan 4 molekul air lainnya Oleh ikatan Hidrogen. Interkasi elektrostatik antara Hidrogen dari satu moleku air dan pasangan electron tidak bergabung dari molekul lainnya dinamakan ikatan Hidrogen

Dibandingkan dengan ikatan kovalen, ikatan hidrogen sangat lemah. Untuk memecah ikatan hidrogen dari nergi diperlukan sekitar 4,5 kcal energi per mol = 4% kovalen O-H pada air (110 kcal).

Ikatan hydrogen air memegang peranan penting dalam biokimia karena mereka dapat dibentuk dalam jumlah yang besar. Banyak ikatan hydrogen memberi struktur yang bermakna tidak hanya pada air tetapi juga molekul-molekul dwi kutub lainnya seperti alcohol, DNA dan protein.

Polihedron molekul air yang pentagonal ini tidak stabil dan biasanya berubah menjadi air eair di atas O°C dan menjadi es heksagonal normal di bawah O°C. Pada beberapa kasus, hidrat akan meleleh di atas 30°C. Terdapat keserupaan yang mencolok antara molekul apolar kecil yang membentuk hidrat bak-klatrat ini dan rantai samping apolar protein. Karena molekulnya kecil maka dapat membentuk sangkar air yang stabil.

Kita dapat menganggap bahwa beberapa rantai samping asam amino apolar dalam polipeptida dapat melakukan hal yang sarna. Konsentrasi rantai samping seperti itu dalam protein adalah tinggi, dan gabungan semua efek gugus ini dapat diharapkan mengakibatkan terbentuknya daerah air yang teratur dan distabilkan sekeliling molekul protein. Klotz (1965) menyarankan istilah hidrotaktoid untuk struktur ini.

Jenis air dalam Pangan (Hasil Pertanian)

Dalam makanan mungkin terdapat bentuk air yang berlainan. Supaya mudah kita mengelompokkan air menjadi tiga jenis yaitu : air murni atau monolapisan, air kapiler, dan air terikat. Air murni dan air kapiler sering dikelompokkan dengan istilah air bebas.

Air yang terikat dapat tertarik dengan kuat dan dapat tertambat dalam tahanan yang kaku dan teratur. Dalam bentuk ini air tidak dapat bertindak sebagai pelarut dan tidak membeku.

Sukar untuk membuat definisi air terikat yang kaku karena sebagian besar bergantung pada cara yang dipakai untuk pengukuran. Dua definisi yang biasa dipakai ialah sebagai berikut:

1 Air terikat ialah air yang tetap tidak membeku pada suhu tertentu di bawah O°C, biasanya -20°C; dan

2 Air terikat ialah banyaknya air dalam sistem yang tidak dapat digunakan

sebagai pelarut.

Banyaknya air yang tidak dapat dibekukan, dihitung terhadap kandungan protein, tampaknya hanya sedikit saja beragam dalam macam-macam makanan. Sekitar 8 sampai 10 persen dari air total dalam jaringan hewan tidak dapat dijadikan es (Meryman 1966). Putih telur, kuning telur, daging, dan ikan semuanya mengandung kira-kira 0,4 g air yang tidak dapat dibekukan per g protein kering. lni sesuai dengan 11,4 persen dari air total dalam daging tak berlemak. Sebagian besar buah dan sayuran mengandung kurang dari 6 persen air tak terbekukan; butir jagung utuh, 34 persen.

Air bebas kadang-kadang ditentukan dengan cara mengempa cuplikan makanan di antara kertas saring, dengan cara mengencerkan memakai zat berwarna yang ditambahkan, atau dengan cara pemusingan. Tidak satu pun dari metode ini dapat membedakan secara tajam antara air bebas dan air terikat dan hasil yang diperoleh dengan ketiga cara itu tidak sarna. Hal ini tidak mengherankan karena isoterm adsorpsi menunjukkan bahwa pengelompokan bentuk air terjadi secara berangsur-angsur tidak tajam. Metode baru yang memberikan harapan ialah menggunakan resonansi magnet inti garis-lebar, yang dapat diharapkan memberikan hasil berdasarkan kebebasan gerak inti hidrogen.

Sebab utama mengapa kandungan air naik pada harga aktivitas air yang tinggi ialah pengembunan dalam kapiler. Cairan dengan tegangan permukaan a dalam pipa kapiler berjari-jari r akan mengalami penurunan tekanan, tekanan kapiler po = 2O/r, seperti dibuktikan oleh naiknya cairan dalam kapiler. Akibatnya, terjadi penurunan pada tekanan uap dalam kapiler, yang dapat dinyatakan dengan persamaan Thomson,

Ln (p/po = (-2O/r) (V/RT)

dengan

p = tekanan uap cairan,

po = tekanan uap dalam kapiler O = tegangan perm ukaan

V = volume mol cairan

R = teta pan gas

T = suhu mutlak

Ini memungkinkan penghitungan aktivitas air dalam kapiler yang jari-jarinya berlainan.

Dalam makanan organik yang banyak mengandung air, seperti daging dan kentang, sebagian air terdapat dalam kapiler yang berjari-jari 1 !lm atau lebih. Tekanan yang diperhikan untuk menghilangkan air ini keeil. Hasil penghitungan harga tekanan ini diberikan dalam tabel 1.6 untuk air yang terdapat daiam kapiler yang berjari-jari mulai dari 0,1 mikrometer sampai dengan 1 mikrometer. Sudah jelas bahwa air dari kapiler berjari-jari 0,1 mikrometer atau lebih besar dapat menetes keluar dengan mudah. Kerusakan struktur yang disebabkan, misalnya, oleh pembekuan, dapat menyebabkan hilangnya air dalam produk ini karena penetesan.

Kenyataan bahwa air bertindak sebagai pelarut untuk banyak linarut seperti garam dan gula merupakan faktor tambahan dalam penurunan tekanan uap. Perilaku kebahangan air telah diteliti Riedel (1959), yang menemukan bahwa air dalam roti tidak membeku sarna sekali jika kandungan air di bawah 18 persen. Dengan cara ini kita dapat menentukan air yang tidak terbekukan. Untuk roti, harganya 0,30 g per g bahan kering, dan untuk ikan dan daging, 0,40 g per g protein. Air tidak terbekukan dan ai­Langmuir barangkali tidak .persis sarna ..

Wierbicki dan Deatherage (1958) memakai metode tekanan untuk menentukan air bebas dalam daging. Banyaknya air bebas dalam daging sapi, babi, sapi muda, dan domba beragam mulai dari 30 sampai 50 persen dari kandungan air total, bergantung pada jenis daging dan jangka waktu pelayuan. Penurunan tajam air terikat terjadi selama hari pertama setelah penyembelihan, dan diikuti peningkatan sedikit secara berangsur-angsur. Hamm dan Deatherage (1960 B) menentukan perubahan hidrasi selama pemanasan daging. Pada pH normal daging terjadi penurunan besar pada air terikat.

Disosiasi atau Ionisasi Air

Molekul-molekul air mempunyai kecendungan yang terbatas untuk berdissosiasi menjadi ion H+ dan ion OH’. Karena ion- ion secarsa terus menerus bergabung kembali membentuk molekul -molekul air dan sebaliknya , maka tidak dapat dinyatakan apakah suatu hydrogen atau oksigen terdapat sebagi ion atau sebagai bagian dari molekular.

Pada suatu ketika ia adalah ion, pada suatu saat yang lain berupa bagian molekul. Satu (1) gram air mengandung 3,76x 10²² molekul. Ionisasi air digambarkan secara statistik sebagai berikut: probabilitas (kemungkinan) hydrogen terdapat sebagai ion adalah 0,01 atau satu kesempatan dalam seratus kejadian.

Kecendrungan air untuk berdisosiasi dinyatakan sebagai berikut :

K=[H+] [OH-]

. [H2O]

Keterangan : tanda […]=konsentrasi

K=konsentrasi disosiasi

Nilai untuk air =1,8x10-6molar

Konsentrasi molekul air yang tinggi tidak dipengaruhi secara jelas oleh konstanta disosiasi (K). Konstanta ini kemudian di masukan kedalam konstanta disoiasi k untuk memperoleh konstantanbaru Kw.

Kw = produksi ionuntuk air =K [H2O]

Kw =1,8 x 10^-16 x 55,56 molar

Kw = 1,00 x 10^-14 molar²

Dalam batas-batas suhu yang ditetapkan yaitu 25º C Kw = 10^-14 molar² untuk semua larutan air, meskipun larutan tersebut mengandung asam atau basa.

pH Air

Istilah pH dikemukakan oleh Sorensen pada tahun 1909, yang mendefenisikan pH sebagai log negatif dari konstrasi ion hydrogen.

pH = log [H+]

Untuk menghitung pH larutan:

(1) hitung konsentrasi ion H⁺

(2) hitung logaritma 10 dari H⁺ pH adalah nilai negatif yang dikemukakan dari rumus diatas.

Misalnya untuk air murni pada suhu 25º C =

PH = - log [H⁺]= -log 10^-7 = -(-7) = 7

Jadi semakin konsentrasi H⁺ semakin kecil pH nya dan sebaliknya. Dengan demikian nilai pH asam rendah (lebih kecil daripada 7,0 ) dan ph basa tingi (lebih besar dari pada 7,0).

Daftar Referensi

1. Peter a Mayes, Daryl k. Grannel. Victor Lange Medical Publication Rodweell, end David martin. 1985. Harper, s London Review of Biochemistry

2. Winarno, F. G. 1991. Kimia pangan dan Gizi Gramadia, Jakarta.

3. John N deMan. 1997. Kimia Makanan. ITB, Bandung.