Cryobiology (Kriobiologi)

Pengertian Cryo+biology = Freezing + Life

= (Pembekuan + kehidupan)= (Suhu rendah + kehidupan)

Mempelajari kehidupan pada suhu yang terlalu rendah untuk mendukung kehidupan

Suhu rendah adalah suhu di bawah titik beku air.

Kenyataan Kehidupan di Daerah Bermusim Empat

Pada musim dingin, tidak ditemukan air dalam bentuk cairan yang dibutuhkan kehidupan, kehidupan menghilang.

Pada saat musim semi tiba, kehidupan kembali muncul tanpa upaya penanaman kembali.

Inspirasi bagi cryobiology.

Sejarah Pemanfaatan Suhu Rendah Rumah es yang terletak di area

bersalju umum digunaan sebagai tempat penyimpanan dingin sebelum ditemukannya lemari pendingin.

Di daerah pegunungan beriklim subtropika, penyimpanan susu di luar rumah masih digunakan sebagai cara pengawetan.

Sejarah Pemanfaatan Suhu Rendah Pendinginan buatan dibuat pertama kali

ditunjukkan pada tahun 1748 di University of Glasgow oleh William Cullen.

Pada tahun 1805, Oliver Evans (AS) pertama kali merancang mesin pendingin.

Mesin pendingin pertama dibuat oleh Jacob Perkins pada tahun 1834.

John Gorrie (AS) mebuat mesin pembuat es berdasarkan rancangan Oliver Evans pada tahun 1844.

Sejarah Pemanfaatan Suhu Rendah Pengawetan sayuran melalui

pembekuan cepat ditemukan tahun 1929. Produk makanan beku mulai dikenal.

Lemari pendingin untuk keperluan rumah tangga dibuat pada di antara tahun 1940.

Produk makanan beku memasyarakat.

Sejarah Pemanfaatan Suhu Rendah 1949, pengawetan sperma dengan

pendinginan oleh tim peneliti yang dipimpin Christopher Polge

Pengawetan dengan pendinginan dilakukan terhadap sel, jaringan, dan organ

Organ besar seperti hati, ginjal, dan jantung hanya didinginkan, tidak dibekukan.

Suspensi darah, sperma, sel telur, dan jaringan lunak dapat dibekukan

Perkembangan Ilmu yang Terkait dengan

Cryobiology Cryogenics: Cabang ilmu fisika dan keteknikan yang mempelajari cara mendinginkan dan pemanfaatan dingin.

Cryopreservation: Teknologi pengawetan sel, jaringan, atau embrio menggunakan pendinginan hingga suhu di bawah titik beku air.

Cryonics: Pengawetan tubuh manusia dan hewan dengan tujuan dihidupkan kembali di masa yang akan datang. Cryonics bukan merupakan mainstream dari cryobiology.

Pemanfaatan Suhu Rendah Pembekuan sebagai cara pengawetan

Suhu dingin menurunkan kecepatan reaksi kimia dalam bahan yang diawtkan

Pembekuan mengurangi jumlah air berbentuk cairan yang dibutuhkan mikroba perusak bahan yang diawetkan

Suhu dingin/pembekuan menurunkan aktivitas perusakan bahan yang diawetkan

Suhu dingin hanya menghambat pertumbuhan mikroba perusak bahan yang diawetkan, tidak membunuhnya

■Sel dan suhu Sel adalah unit kehidupan yang pada

dasarnya tersusun oleh sitoplasma (dengan komponen utama air) yang dibatasi oleh dua lapis membran yang tersusun oleh lipida.

Suhu adalah ukuran panas dan dingin yang berhubungan dengan perubahan fisik seperti pemuaian benda (termasuk air).

Hubungan Kerusakan Bahan yang Diawetkan

dan Suhu

Air AKTIVITAS AIR, Aw, ActivityWater

Jumlah air bebas dalam suatu bahan yang tercermin dari nisbah tekanan uap suatu larutan terhadap tekanan uap air murni.

Bahan yang kandung an airnya tinggi (melebihi jumlah bahan padatnya), memiliki aktivitas air mendekati 1.

Bahan yang kandung an airnya lebih sedikit daripada kandungan bahan padatnya, memiliki aktivitas air kurang dari 1.

Air AKTIVITAS AIR DAN REAKSI

aW = 0-0.2 (air monolayer) – tidak ada aktivitas enzim, pertumbuhan mikroba, pencoklatan non-enzimatik, oksidasi lipida

aW = 0.65 – khamir osmofilik dapat tumbuh aW = 0.7-0.8 (air kapiler) – khamir dan jamur

mulai tumbuh aW = 0.8 (batas air terikat) – bakteri mulai

tumbuh aW = 0.3 (min) -0.8 (max) – oksidasi lipida aW = 0.3-0.8 – aktivitas enzim lambat (lipase) aW = 0.8-1.0 (air bebas) – aktivitas enzim

cepat (amilase, fenoloksidase, peroksidase)

Air AKTIVITAS AIR DAN KERUSAKAN

PANGAN Makanan kering/kering beku – kandungan

air 5-15% (kategori monolayer) daya simpan tinggi

Makanan kering (misal: kurma) – kandungan air 20-40% (kategori mono & multilayer) – daya simpan medium

Makanan lembab sedang – kandungan air > 50% (aW >0.5) (mengandung air kapiler)

Penambahan senyawa terlarut seperti gula dan garam dapat menurunkan aW

Air ISOTERMA SORPSI

Mencerminkan hubungan antara kandungan air dengan kelembaban nisbi.

Isoterma adsorpsi: bahan higroskopis, kenaikan nilai kelembaban relatif yang sedikit menyebabkan kenaikan kandungan air yang besar (bahan berkadar garam tinggi)

Isoterma desorpsi: Proses pengeringan Terkait dengan kandungan air dalam

bahan.

Air MACAM AIR

Air terikat kuat – tidak berfungsi sebagai pelarut, tidak membeku di bawah 0°C, tidak memiliki tekanan uap air.

Air bebas – dapat diperoleh dengan menekan atau mensentrifugasi bahan

Air terjerap – (dalam gel, buah), bukan air terikat tetapi terimobilisasi dalam saluran kapiler

TITIK BEKU TETES AIR MURNI DIPENGARUHI UKURANNYA

Air dan Suhu

Pembekuan Air dan Struktur Es

Pembekuan Air dan Struktur Es Pertumbuhan kristal es

Kisi kristal es heksagonal: Suatu molekul air mengikat 4 molekul air lainnya

dalam bentuk tetrahedral 3 dimensi Tersusun secara lemah

Memiliki ruang kosong yang besar di tengahnya

Volume spesifiknya besar (kurang padat dibandingkan air)

Merupakan perubahan bentuk air yang tidak teratur menjadi kristal yang teratur

Ketika es mencair, ikatan hidrogen terputus

Fasa Air Diagram fasa

Entropi dan Fasa Air Entropi: ukuran ketidakteraturan

suatu sistem. Entropi terendah pada fasa padat

(teratur), dan meningkat jika ditambahkan energi (panas) ke dalam sistem yang mengakibatkan pencairan, dan tertinggi pada saat terbentuk uap.

Sublimasi – perubahan fasa padat menjadi uap tanpa melalui fasa cair menjadi dasar proses freeze drying (lyophilisation)

Air dalam Cairan SelDALAM BENTUK AIR, ENTHOPI TINGGI

Air dalam Cairan SelPENDINGINAN DI BAWAH TITIK BEKU,

HASIL KRISTAL ES, ENTROPI MENINGKAT

Air dalam Cairan SelKRISTAL ES TUMBUH, MOLEKUL LAIN

TERKUMPUL, KONSENTRASI MEMBAHAYAKAN

KRISTAL ES PADA AWALNYA TERBENTUK DI LUAR SEL

Cell

Air di antara Sel

KRISTAL ES TUMBUH, SEL MENGALAMI DEHIDRASI DAN

MENGKERUT

Air di antara Sel

ES

SEL RUSAK TERHIMPIT DI ANTARA KRISTAL-KRISTAL ES

Air di antara Sel

ES DI LUAR SEL

Air dalam Sel yang Dibekukan■Air membentuk es, konsentrasi bahan

terlarut dalam air yang tidak membeku meningkat.

■Mengakibatkan perubahan pH, kekuatan ion, kekentalan, tekanan osmose, tekanan uap.

■Volume air meningkat 9% ketika membeku (anomali air)

■Pembekuan dapat mengakibatkan produk tak disukai destabilisasi emulsi penggumpalan protein meningkatkan kekerasan daging tekstur rusak keberadaan senyawa pembentuk ‘gelas’

mencegah hal di atas

PENAMBAHAN BAHAN TERLARUT KE DALAM AIR MENURUNKAN TITIK BEKU

AIR

Mencegah Pembentukan Kristal Es

PENAMBAHAN BAHAN TERLARUT KE DALAM AIR MENURUNKAN TITIK BEKU

AIR

Mencegah Pembentukan Kristal Es

Peningkatan konsentrasi

naham terlarut (H2SO4)

menurunkan titik beku air

■Proses untuk mengubah larutan air ke dalam bentuk amorf (kaca) melalui pendinginan tanpa melalui pembekuan.

■Pembentukan es dicegah dengan: laju pendinginan yang sangat cepatpenambahan beberapa senyawa yang

dapat menekan pembentukan es.■Senyawa tambahan yang

digunakan atau yang diproduksi oleh mahluk hidup untuk menekan pembentukan es disebut krioprotektan.

Vitrifikasi

■ Ikan yang hidup di lingkungan kutub dan serangga membuat protein "antibeku" (ice blocker) yang dapat mencegah: nukleasi es, pertumbuhan es yang sudah

terbentuk dalam tubuh serangga yang berada di bawah suhu beku nya.

Vitrifikasi

Air TRANSISI ‘GELAS’

Jika larutan yang mengandung bahan berberat molekul rendah, seperti gula dan karbohidrat lainnya, didinginkan hingga di bawah titik cair, maka akan terbentuk: Bahan padat amorf (bukan kristal es) tidak

beraturan Cairan dingin dengan kekentalan tinggi

yang berada dalam keadaan ekuilibrium dengan bentuk padatnya

Air TRANSISI ‘GELAS’

Kandungan air dalam bahan menentukan transisi ke dalam bentuk ‘gelas’

Ketika air dihilangkan secara cepat dari bahan selama proses pengeringan atau pembekuan, terbentuk pula keadaan ‘gelas’

Air dapat berfungsi sebagai plasticizer – meningkatkan plastisitas dan fleksibilitas polimer dalam bahan dengan melemahkan ikatan antar molekul Contoh: Sedikit air yang ditambahkan kepada

buah kering dan Tg berada pada suhu di bawah suhu ruang mengakibatkan kerusakan struktur dan kekakuannya.

Air TRANSISI ‘GELAS’

Cryoprotection: Untuk menstabilkan bahan yang mengandung air,

yang akan didinginkan hingga di bawah titik beku air.

Akan terbentuk es, dan air yang tidak membeku akan meningkat konsentrasi bahan terlarutnya.

Es yang terbentuk dapat memecahkan dinding sel.

Ketika Tg tercapai, air yang tersisa akan membentuk ‘gelas’ yang melindungi bahan dari kerusakan akibat kristal es.

Senyawa yang digunakan untuk membentuk ‘gelas’ disebut cryoprotectant, misalnya dimethyl sulphoxide (DMSO), sorbitol

Dalam konsentrasi tinggi cryoprotectant buatan bersifat meracun

PENAMBAHAN CRYOPROTECTANT MENCEGAH KRISTALISASI ES

Air dalam Sel

PENAMBAHAN CRYOPROTECTANT MENGUBAH LARUTAN MENJADI

KENTAL

Air dalam Sel

TERBENTUK BAHAN PADAT AMORF, PROSES DISEBUT “VITRIFIKASI”

Air dalam Sel

DENGAN ADANYA CRYOPROTECTANT

Air di antara Sel

DENGAN ADANYA CRYOPROTECTANT, TIDAK TERBENTUK ES DI LUAR SEL

Air di antara Sel

SEL YANG MENGALAMI VITRIFIKASI TIDAK MENGALAMI PERUBAHAN

BENTUK

Air di antara Sel

Perbedaan Jaringan Dibekukan dan

Divitrifikasi

Masalah bukan pada pendinginan, tetapi pada pencairan kembali (Devitrifikasi)

Masalah Vitrifikasi

Devitrification problem

Masalah Devitrifikasi

Penggunaan ice blockers yang efisien dan tidak beracun, misalnya, protein sintetik anti-freeze.

Memecahkan Masalah Vitrifikasi

Sifat air murni (kurva hitam) dan air yang diberi inti es SiO2 (kurva merah) pada

berbagai suhu

Devitrification problem

Pengaruh Ice Blocker terhadap Pembentukan

Kristal Es

Mencegah Pertumbuhan Kristal Es

freeze drying (lyophilisation) Penghilangan air dari suatu bahan

melalui sublimasi dan desorpsi Hanya dimanfaatkan untuk bahan mahal

dan sensitif Keuntungan: Bentuk bahan tetap, aroma

tidak hilang, vitamins (nutritsi) tidak rusak, proses yang tidak diinginkan terhambat, hasil dapat disimpan pada suhu kamar dalam wadah tersegel.

Kelemahan: Sangat mahal, boros energi.

Mencegah Pertumbuhan Kristal PERTUMBUHAN KRISTAL ES

freeze drying (lyophilisation) Tekanan udara diturunkan dan panas

diberikan hanya untuk mensublimasikan es.

Produk memiliki kandungan air 2-6% (hanya terbentuk satu lapis molekul air).

Komponen freeze dryer: Tabung pengering; kondensor (penghilang air);

sistem pendingin; tabung vacum. Tekanan udara harus cukup rendah (< dari

tekanan uap air) Suhu bahan tidak boleh meningkat dan es

tidak boleh mencair

Mencegah Pertumbuhan Kristal Es SUPERCOOLING

Pendinginan lambat – menghasilkan kristal es yang besar di luar sel

Supercooling: Membekukan air pada suhu yang sangat rendah (jauh di bawah titik beku). Mengakibatkan pembentukan inti es yang

banyak, kristal berukuran sangat kecil (di luar dan di dalam sel).

Kecepatan supercooling yang tinggi, menghasilkan kecepatan kristalisasi yang rendah.

Mencegah Pertumbuhan Kristal Es PEMBERIAN INTI ES

Untuk mempercepat supercooling, ditambahkan ke dalam sistem cair Laktosa halus sebagai inti sel awal,

setelah terbentuk kristal lemak sebagian kristal digunakan sebagai inti es.

Semakin banyak inti es yang diberikan semakin kecil ukuran kristal yang terbentuk.