Analisa Termal Differential Scanning

Analisa Termal Differential Scanning Calorimetry (DSC)

Analisa termal merupakan suatu analisa dengan memberikan input kalor untuk mengetahui karakterisasi dari sampel. Suatu analisa termal memiliki keuntungan yaitu jumlah material yang dibutuhkan hanya sedikit. Hal ini memastikan keseragaman distribusi suhu dan resolusi yang tinggi.

DSC adalah suatu teknik analisa termal yang mengukur energi yang diserap atau diemisikan oleh sampel sebagai fungsi waktu atau suhu. Ketika transisi termal terjadi pada sampel, DSC memberikan pengukuran kalorimetri dari energi transisi dari temperatur tertentu.

DSC merupakan suatu teknik analisa yang digunakan untuk mengukur energi yang diperlukan untuk mengukur energi yang diperlukan untuk membuat perbedaan temperatur antara sampel dan pembanding mendekati nol, yang dianalisa pada daerah suhu yang sama, dalam lingkungan panas atau dingin dengan kecepatan yang teratur. Terdapat dua tipe sistem DSC yang umum digunakan, yaitu :

• Power – Compensation DSC
• Heat – flux DSC

Power – Compensation DSC

Pada Power – Compensation DSC, suhu sampel dan pembanding diatur secara manual dengan menggunakan tungku pembakaran yang sama dan terpisah. Suhu sampel dan pembanding dibuat sama dengan mengubah daya masukan dari kedua tungku pembakaran. Energi yang dibutuhkan untuk melakukan hal tersebut merupakan ukuran dari perubahan entalpi atau perubahan panas dari sampel terhadap pembanding.

Heat – Flux DSC

Pada Heat – Flux DSC, sampel dan pembanding dihubungkan dengan suatu lempengan logam. Sampel dan pembanding tersebut ditempatkan dalam satu tungku pembakaran. Perubahan entalpi atau kapasitas panas dari sampel menimbulkan perbedaan temperatur sampel terhadap pembanding, laju panas yang dihasilkan nilainya lebih kecil dibandingkan dengan Differential Thermal Analysis (DTA). Hal ini dikarenakan sampel dan pembanding dalam hubungan termal yang baik. Perbedaan temperatur dicatat dan dihubungkan dengan perubahan entalpi dari sampel menggunakan percobaan kalibrasi.

Sistem Heat – Flux DSC merupakan sedikit modifikasi dari DTA, hanya berbeda pada wadah untuk sampel dan pembanding dihubungkan dengan lajur laju panas yang baik. Sampel dan pembanding ditempatkan didalam tungku pembakaran yang sama.perbedaan energi yang diperlukan untuk mempertahankannya pada suhu yang mendekati sama dipenuhi dengan perubahan panas dari sampel. Adanya energi yan berlebih disalurkan antara sampel dan pembanding melalui penghubung lempengan ogam, merupakan suatu hal yang tidak dimiliki oleh DTA.

Rangkaian utama sel DSC ditempatkan pada pemanas silinder yang menghamburkan panas ke sampel dan pembanding melalui lempengan yang dihubungkan pada balok perak. Lempengan memiliki dua plat yang ditempatkan diatas wadah sampel dan pembanding.

 Analisa Termal

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)

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.