Formulasi pakan akuatik adalah campuran bahan
kompleks yang dirancang untuk memenuhi kebutuhan nutrisi spesies target. Setiap
bahan dalam formula tidak hanya memainkan peran penting dalam jumlah nutrisi
yang dipasoknya, tetapi masing-masing
juga berinteraksi satu sama lain selama proses untuk menghasilkan produk akhir.
Tergantung pada kondisi pemrosesan dan bahan yang digunakan, produk yang
berbeda seperti pakan ekstrusi mengambang atau tenggelam dapat diproduksi.
Proses
memasak secara ekstrusi
Pemasakan ekstrusi melibatkan penerapan energi
mekanik yang disuplai oleh aksi pemotongan dan pencampuran oleh sekrup
ekstruder. Selama proses tersebut, campuran formulasi diubah dari tepung, yang
mengalir bebas menjadi bubuk yang padat. Saat suhu dan tekanan meningkat di bagian
terakhir ekstruder, fase bubuk meleleh membentuk apa yang dikenal sebagai fase
leleh cair. Pada bagian terakhir ekstruder, air yang terkandung dalam lelehan
menjadi sangat panas dan dalam fase cair.
Tampilan skematis ekstruder ulir tunggal
dengan zona berbeda ditunjukkan pada Gambar
diatas.
1.
Bagian
pertama adalah zona pakan tempat
campuran formula ditambahkan ke ekstruder. Zona ini dicirikan dengan memiliki
sekrup saluran dalam yang dirancang untuk menyampaikan atau meneruskan.
2.
Zona
berikutnya adalah zona kompresi,
yang memiliki pitch lebih pendek, sekrup beterbangan, dan kedalaman saluran
lebih dangkal. Tujuannya adalah untuk mulai menerapkan energi mekanik ke dalam
campuran, sehingga memulai proses memasak. Di zona ini material mulai meleleh.
3.
Di
zona akhir, bahan cair menjadi lelehan
amorf seperti plastik, dan di sinilah tekanan dan suhu tertinggi dicapai.
Elemen sekrup bahkan memiliki saluran yang lebih dangkal dan memompa keluar
fase cair melalui cetakan. Saat keluar dari cetakan, lelehan tiba-tiba terkena
tekanan atmosfer, menyebabkan penurunan tekanan yang mengubah air super panas
menjadi uap (menguap), dan menghasilkan apa yang dikenal sebagai pemuaian.
Formulasi khas pakan udang dan ikan mengandung kategori
bahan berikut: sumber protein (tepung ikan, bungkil kacang kedelai, bungkil
produk laut lainnya); sumber pati (tepung terigu dan tepung beras); air; lemak
dan minyak (minyak ikan); serat (sebagai bagian dari beberapa bahan); dan
bahan-bahan kecil seperti vitamin dan mineral.
Setiap kelompok bahan mempengaruhi produk
akhir dan kondisi pemrosesan. Karena formulasi bahan berubah, harus dipahami
bahwa kondisi pemrosesan dalam ekstruder juga harus disesuaikan. Dan dalam beberapa kasus, konfigurasi sekrup
yang berbeda diperlukan untuk mengakomodasi perubahan formula yang drastis.
Protein
Protein terbentuk dari rantai asam amino dan,
tergantung pada sumbernya, dapat memiliki ukuran yang berbeda dan
diklasifikasikan menurut kelarutannya, sebagai berikut: 1. Larut dalam air:
albumin; 2. Larut dalam larutan garam: globulin; 3. Larut dalam alkohol 40
persen: gliadin (bagian dari gluten gandum); dan 4. Tidak larut dalam alkohol
40 persen: glutenin (bagian dari gluten gandum).
Selama proses ekstrusi, protein akan membentuk
fase terdispersi di dalam matriks pati.
Di bawah pengaruh gesekan dan suhu yang tinggi, beberapa protein khususnya yang
larut dalam air seperti albumin akan
mengalami denaturasi dan menggumpal. Namun, karena aksi pemotongan sekrup,
protein dimaserasi menjadi potongan-potongan yang sangat kecil.
Protein dari minyak biji-bijian seperti
bungkil kedelai dan gandum (gluten)
membentuk adonan viskoelastis karena terhidrasi dengan air, tetapi ketika friksi (gesekan) meningkat oleh
aksi sekrup dan partikel lain yang bergesekan satu sama lain, protein juga
dimaserasi menjadi partikel yang lebih kecil.
Gambar :
Fase cair protein dan pembengkakan granula pati.
Gambar
diatas menunjukkan fase lelehan protein
dalam keadaan cair di sekitar granula pati yang belum pecah. Sebaliknya,
protein yang berasal dari hewani (tepung ikan, tepung unggas, dll.) lebih tahan
terhadap gaya gesekan daripada protein biji minyak (bungkil) dan dapat
mempertahankan ukuran partikel yang semula dimiliki saat memasuki ekstruder.
Dalam proses ekstrusi, protein globular
(bungkil kacang kedelai, gluten gandum, dll.) ketika diproses dengan adanya
kelembaban tinggi (> 35 persen), suhu melebihi 140 derajat-C, tekanan dan
gesekan tinggi dapat didispersikan untuk membentuk pencairan terus menerus.
Dalam keadaan cair ini, protein mengalir seperti cairan, tetapi jika mengalami
suhu yang lebih rendah, alirannya menjadi laminar dan terjadi ikatan silang.
Jika matriks protein dibiarkan mengalir secara
kontinyu pada suhu rendah, maka akan terbentuk stream line (ikatan silang). Setelah keluar dari die, air akan menguap meninggalkan
rongga kecil di dalam struktur yang terhubung silang. Oleh karena itu,
tergantung pada jenis protein dan kondisi proses (air, kecepatan ulir,
konfigurasi ulir), kita dapat mengontrol jenis integritas struktural pakan yang
berongga. Ini sangat penting jika tujuannya adalah untuk mengubah atribut
protein seperti kelarutan dan integritas fisik secara keseluruhan.
Protein
didenaturasi dalam ekstruder,
dan ini diyakini meningkatkan daya cerna protein dengan memaparkan molekul ke lebih
banyak situs akses enzim. Denaturasi protein biasanya diukur berdasarkan
kelarutan protein dalam air atau larutan berair. Kelarutan yang lebih rendah
menunjukkan proses gesekan yang tinggi dimana lebih banyak protein
terdenaturasi. Namun, beberapa protein mungkin tidak memerlukan gesekan tinggi
untuk didenaturasi atau memiliki kelarutan yang rendah. Contohnya adalah
protein gandum (gluten), yang dapat didenaturasi pada kecepatan ulir rendah.
Lemak
Minyak dan lemak bertindak sebagai pelumas antara
partikel dan sekrup ekstruder. Minyak mengurangi gesekan antara partikel dalam
campuran, dan antara permukaan sekrup dan lapisan barel. Jika minyak (yaitu
minyak ikan) ditambahkan pada tingkat yang lebih besar dari 2 persen dari total
campuran, itu akan menyebabkan butiran pati meleleh tetapi tidak akan menyebar.
Ini menghasilkan suhu yang lebih rendah dari fase cair di bagian terakhir
ekstruder, tetapi dengan sedikit atau tanpa ekspansi (pengembangan) saat keluar
cetakan.
Dalam beberapa formula pakan akuatik dengan
kandungan protein tinggi dan dengan kadar minyak intrinsik lebih dari 2 persen,
dapat dihasilkan produk dengan sedikit ekspansi (pengembangan yang kecil). Ini
bisa menjadi masalah jika spesifikasi produk untuk spesies target mengharuskannya
menjadi pakan apung. Dalam kebanyakan kasus, diet protein tinggi membutuhkan
minimal 8 persen pati untuk memastikan kepadatan yang memadai (densitas <550
gram per liter). Jadi, jika minyak ditambahkan ke produk untuk memenuhi
kebutuhan energi, ini harus dilakukan setelah proses ekstrusi melalui unit
pelapis (coating). Dalam formulasi
lemak tinggi, konfigurasi sekrup dapat diubah menjadi profil energi yang lebih
agresif atau lebih tinggi untuk meningkatkan input energi mekanik dan
memastikan daya apung pada pakan ekstrudat.
Minyak dapat ditambahkan dalam ekstruder untuk
mengontrol kerapatan produk. Oleh karena itu, dengan memanipulasi penambahan
minyak kita dapat menghasilkan pakan yang tenggelam atau tenggelam secara
perlahan (slow sinking). Namun, jika minyak ditambahkan untuk
memanipulasi kerapatan produk (densitas produk), itu harus dilakukan sesuai
dengan kebutuhan energi target dari spesies tersebut. Minyak yang ditambahkan
secara berlebihan untuk mengontrol densitas curah dapat berdampak drastis pada
konsumsi pakan dan/atau pemanfaatan oleh spesies target.
Perhatian dengan penambahan lipid dalam
ekstruder adalah oksidasinya, yang dapat mempengaruhi stabilitas vitamin dan
atribut organoleptik pakan lainnya. Tidak ada bukti bahwa oksidasi lipid terjadi
pada ekstruder; namun, bahan pro-oksidan yang dilepaskan ke dalam campuran
akibat keausan sekrup dapat menghasilkan oksidasi. Juga, mungkin sel udara yang
terbentuk selama pemuaian berkontribusi pada proses oksidasi.
Pati
Pati merupakan sumber energi dalam pakan akua,
tetapi pati juga memainkan peran penting sebagai pengikat alami (binder alami) dan agen kontrol
kepadatan. Pati ditemukan dalam biji-bijian sereal, kentang, dan singkong. Pati
secara fisik hadir dalam sereal dalam agregat kecil molekul polimer yang
dikenal sebagai butiran. Ada dua bentuk fisik pati, amilosa dan amilopektin. Amilosa adalah polimer linier unit glukosa
dengan satu atau dua cabang. Amilopektin, molekul yang jauh lebih besar
daripada amilosa, adalah polimer bercabang dari unit glukosa.
Dalam proses ekstrusi dan dengan adanya air
dan panas, butiran pati pertama-tama
terhidrasi dan membengkak. Di zona
kompresi, pati semakin membengkak dan protein mulai membentuk fase cair.
Semakin banyak energi panas yang diberikan, butiran melunak dan akhirnya pecah
untuk membentuk cairan cair yang terus menerus. Jika lebih banyak gesekan
diterapkan, molekul pati dimaserasi lebih jauh menjadi rantai unit glukosa yang
lebih kecil. Ini dikenal sebagai dekstrinisasi.
Pati yang sangat terdekstrinisasi akan
cenderung lebih mudah menyerap air dan hal ini dapat menjadi masalah bagi
stabilitas air. Oleh karena itu, jika pakan dibuat dalam kondisi gesekan tinggi
dapat diharapkan pelet (tenggelam atau mengambang) cepat terhidrasi dan memiliki
stabilitas air yang buruk.
Pati juga memainkan peran penting dalam pakan apung
(floating feed), karena fase kontinyu
dan ekspansi (pengembangan) dicapai dengan pati yang memungkinkan saat membuat
pakan terapung. Dalam formulasi protein tinggi, setidaknya 10 persen pati
diperlukan untuk mencapai daya apung pakan. Pati juga membantu menjaga
integritas ekstrudat saat meninggalkan cetakan (die), dengan membentuk fase
kontinyu dengan protein.
Serat
Serat dalam aquafeeds ditemukan di sebagian besar biji-bijian sereal, dan
beberapa formulasi bahan nabati lainnya termasuk dedak. Seperti pati, serat juga merupakan polimer
dari unit glukosa tetapi dengan hubungan yang berbeda antar molekul. Tautan
yang berbeda (β 1-4 vs α 1-6 untuk pati) inilah yang membuat serat tidak dapat
dicerna oleh sebagian besar spesies kecuali bakteri yang menghasilkan enzim β
amilase.
Serat tidak mempengaruhi input energi mekanik
di ekstruder, tetapi tidak mengembang dengan baik. Partikel dedak memiliki efek
yang kecil pada konsentrasi rendah (1 sampai 2 persen), tetapi ketika kadarnya
meningkat hingga lebih dari 6 persen, hal ini dapat mengurangi ekspansi
(pengembangan). Oleh karena itu, formula dengan kandungan serat yang tinggi
dapat menghasilkan pakan ekstrusi dengan ekspansi yang buruk, daya apung yang
rendah, dan stabilitas air (water stability) yang buruk.
Mineral
Mineral tidak berubah selama proses ekstrusi, tetapi beberapa mineral dapat berkontribusi
untuk meningkatkan pembentukan gelembung (situs nukleasi) dalam fase cairan
lelehan dispersi. Gelembung yang lebih kecil meningkatkan luas permukaan dan
bisa menjadi keuntungan saat melapisi pakan dengan minyak. Permukaan berpori
pada pelet lebih disukai dalam jenis sistem pelapisan vakum yang lebih baru,
untuk mencapai penetrasi minyak yang lebih baik dan mengurangi migrasi minyak
dari pakan ke bahan pengemas.
Air
Dalam proses ekstrusi, air ditemukan dalam
bahan atau ditambahkan melalui kondensasi uap di prakondisioner, atau langsung
ke drum ekstruder. Saat air ditambahkan dalam ekstruder ke tingkat yang lebih
besar dari 10 persen, biopolimer terhidrasi dan bergerak lebih bebas. Pada
tingkat tinggi, air bertindak sebagai pelumas dan dapat mengurangi jumlah
masukan energi mekanik.
Air dapat digunakan untuk mengontrol densitas
produk akhir. Penambahan air yang rendah akan menghasilkan suhu yang lebih
tinggi di ekstruder sebagai akibat dari masukan energi mekanik (gesekan dengan
sekrup, drum dan partikel). Ketika air ditambahkan pada tingkat tinggi, air
akan bertindak sebagai pelumas, sehingga mengurangi jumlah input energi
mekanik.
Pada tingkat kelembapan yang tinggi, produk
menunjukkan daya rekoil elastis saat meninggalkan cetakan (die). Hal ini
dikarenakan material yang diekstrusi masih lentur dan fleksibel untuk memantul
hingga mencapai suhu transisi. Pada
tingkat kelembapan yang lebih rendah, material yang diekstrusi mengeras atau
menjadi seperti kaca dengan sangat cepat, menghasilkan sel yang lebih besar.
Produk yang dibuat dengan penambahan air berlebih (> 30 persen) akan
cenderung memiliki densitas yang lebih tinggi dan dimensi keseluruhan yang
lebih kecil (koefisien muai) dibandingkan produk yang dibuat dengan penambahan
air rendah.
Kesimpulan
Formulasi
Aquafeeds harus dirancang untuk
bekerja di bawah serangkaian parameter pemrosesan yang optimal, untuk mencapai
atribut produk yang diinginkan sambil memaksimalkan nilai nutrisi dan hasil
ekstrudernya. Perubahan halus yang dilakukan pada formulasi mungkin memerlukan
penyesuaian ulang parameter pemrosesan atau penyempurnaan proses. Namun,
perubahan besar yang dibuat dalam formulasi mungkin memerlukan pengoptimalan
ulang proses, yang bahkan mungkin termasuk mengubah profil sekrup. Penting
untuk diketahui bahwa tidak semua formulasi pakan dapat dibuat dengan
konfigurasi sekrup (ulir) yang sama atau rangkaian kondisi pemrosesan yang
sama, mesti harus ada penyesuaian.