Kemasan cerdas (intelligent packaging) menurut Commission Regulation (EU) (2009) didefinisikan sebagai kemasan yang dapat memantau kondisi makanan yang dikemas atau lingkungan sekitar makanan. Kemasan cerdas dapat memantau suhu, pH, tingkat kelembapan, komposisi gas, dan metabolit pembusukan untuk memberikan informasi (kualitas kimia, biokimia, fisik, dan mikrobiologis) kepada konsumen. Kemasan ini adalah pengembangan dari pengemasan tradisional dengan kelebihan khusus yaitu dapat menjadi komunikator konsumen berdasarkan kemampuan mendeteksi dan mencatat perubahan yang terjadi pada makanan atau lingkungan pengemasan (Realini et al. 2014).
Nilai pH berkaitan dengan aktivitas mikroba, enzim endogen, dan penguraian protein yang bergantung pada jenis makanan dan kondisi penyimpanan. Perubahan nilai tersebut dapat dianggap sebagai tanda pembusukan makanan dan dapat dideteksi dengan indikator visual. Dalam hal ini, kemasan yang berisi indikator pH memberikan informasi visual kesegaran suatu produk kepada konsumen dengan mendeteksi dan mencatat perubahan nilai pH sesuai perubahan kualitas.
Umumnya indikator pH terdiri dari pewarna yang sensitif terhadap pH dan bahan pendukung padat (solid support) sebagai matriks penjerat dan pengimobilisasi molekul pewarna (Mohebi dan Marquez 2015). Total volatile base nitrogen (TVBN) merupakan campuran senyawa basa utama hasil pemecahan protein oleh bakteri pembusuk dan biasa digunakan sebagai analit yang dideteksi oleh indikator untuk mengevaluasi kualitas produk daging dan makanan laut. Senyawa ini dapat meningkatkan pH sampel makanan (Alizadeh-Sani et al. 2021). Sebaliknya, produksi etanol atau asam organik dari fermentasi glukosa dapat menurunkan pH sampel makanan. Selain itu, gas karbon dioksida (CO2) adalah produk akhir lain dari aktivitas mikroba yang menurunkan pH makanan dengan berkontribusi terhadap produksi ion hidronium (Ahmed et al. 2018).
Mekanisme perubahan warna dari pewarna yang sensitif terhadap pH disebabkan efek resonansi yang disebabkan oleh senyawa asam atau basa. Senyawa asam menyebabkan delokalisasi muatan negatif pada gugus hidroksil, sedangkan senyawa basa menyebabkan deprotonasi (Xiao-wei et al. 2018). Pewarna dipilih berdasarkan kemampuannya untuk memenuhi persyaratan dasar seperti membangun interaksi intens dengan analit dan perubahan warna yang dihasilkan. Yang terpenting adalah perubahan warna indikator harus dapat diandalkan dan dapat direproduksi (Pourjavaher et al. 2017).
Antosianin adalah pewarna yang larut dalam air dan menyebabkan warna merah atau ungu pada berbagai buah, sayuran, dan bunga. Pigmen ini banyak dipelajari dalam industri makanan karena kemampuannya mengubah warna tergantung pada variasi pH dalam rentang pH yang luas. Sifat perubahan warna antosianin yang responsif terhadap pH bergantung pada modifikasi struktural yang dihasilkan dari sifat amfoter antosianin (Moradi et al. 2019). Pada pH rendah, antosianin terbentuk sebagai kation flavylium, yang menunjukkan warna merah paling pekat. Pada pH 4−5 menghasilkan karbinol pseudobase dan chalcone yang tidak berwarna, sehingga intensitas warna merahnya menurun. Anhydrobase kuinoidal terbentuk karena deprotonasi lebih lanjut dari kation flavylium, yang menunjukkan warna ungu pada pH 7, diikuti oleh anhydrobase terionisasi berwarna biru tua pada pH 8.
Dengan peningkatan pH lebih lanjut, gugus substituen antosianin terdegradasi, menghasilkan pembentukan chalcone kuning muda (Yong et al. 2019). Warna dan stabilitas antosianin sangat dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti pH, cahaya, suhu, ion logam, enzim, antioksidan, oksigen, gugus hidroksil atau metoksil, radiasi UV, dan kopigmentasi. Pembentukan kation flavylium pada pH rendah membuat antosianin sangat larut dalam air. Oleh karena itu, senyawa ini lebih stabil pada kondisi asam. Di sisi lain, antosianin terurai dan menjadi tidak stabil dalam kondisi basa dengan perubahan warna yang lebih nyata (Tarone et al. 2020).
Antosianin pada kubis merah dapat digunakan dengan film berbasis agar/tepung tapioka untuk menentukan umur simpan sosis sapi. Perubahan pH akibat kerusakan sosis dipantau setiap hari selama 3 hari. Awalnya, film indikator berwarna ungu terang (pH = 5,80) berubah menjadi ungu muda (pH = 5,85), ungu tua-biru (pH = 6,12), dan ungu-hijau (pH = 7,12) setelah 24, 48, dan 72 jam pengamatan (Wardana dan Widyaningsih 2017). Antosianin wortel hitam digunakan sebagai indikator halokromik dalam matriks kitosan/selulosa oleh Tirtashi et al. (2019) untuk memantau kesegaran susu. Warna ekstrak wortel hitam berubah menjadi merah muda pada pH 2−6, ungu pada pH 7, biru pada pH 8−10, dan menjadi abu-abu pada pH 11. Film indikator digunakan untuk memantau kesegaran susu pasteurisasi dengan pH awal = 6,6. Nilai pH naik menjadi 5,7 setelah penyimpanan 48 jam pada suhu 20 °C. Perubahan warna pada film indikator dari semula biru menjadi ungu dalam 24 jam, dan semakin terang warna ungu setelah penyimpanan 48 jam yang menunjukkan tingkat pembusukan susu.
Kurkumin merupakan senyawa bioaktif alami yang berasal dari rimpang kunyit (Curcuma longa) yang memberikan warna kuning-oranye. Kurkumin merupakan senyawa difenol dengan berat molekul rendah, tidak beracun, dan hidrofobik. Kurkumin menunjukkan perubahan warna yang responsif terhadap pH. Perubahan warna kurkumin disebabkan oleh perubahan struktur dominannya pada kondisi pH yang berbeda (Sahne et al. 2017). Konfigurasi molekul kurkumin bergantung pada pH larutan, polaritas, dan suhu. Pada pH netral dan basa, bagian α,β-unsaturated β-diketone dalam struktur kurkumin merupakan titik pemecahan dan bertindak sebagai situs donor hidrogen yang menyebabkan hidrolisis dan degradasi kurkumin (Noureddin et al. 2019). Dalam kisaran larutan pH 1−7, bentuk bis-keto dominan pada kurkumin menampilkan warna kuning dengan kelarutan dalam air yang sangat rendah. Di sisi lain, stabilitasnya yang tinggi disebabkan oleh struktur diena terkonjugasi.
Dalam kondisi netral atau basa, kurkumin terurai dengan cepat karena hilangnya proton dari gugus fenolik, dan didominasi oleh bentuk enolik. Karena pH disesuaikan dengan kondisi basa, penghancuran kurkumin mengarah pada pembentukan trans-6-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2,4-dioxo-5-hexenal sebagai produk degradasi utama, sedangkan feruloyl metana, asam ferulat, dan vanillin merupakan produk degradasi kecil, yang menyebabkan perubahan warna nyata menjadi merah. Pada saat yang sama, kelarutan dan stabilitas kurkumin meningkat seiring dengan peningkatan alkalinitas (Typek et al. 2019). Liu et al. (2018) mengembangkan film κ-karagenan yang terintegrasi dengan kurkumin untuk pemantauan kesegaran udang. Film ini memiliki warna kekuningan pada kisaran pH 3,0−7,0, namun ketika pH meningkat dari 7,0 menjadi 8,0, perubahan kemerahan yang khas terlihat dengan peningkatan yang tajam pada nilai notasi warna Hunter a* dari −5,47 menjadi 21,87, dan warna yang terlihat berubah dari kuning muda menjadi coklat tua, menunjukkan pembusukan udang.
Betalain adalah kelompok pewarna makanan alami dengan warna merah-ungu-crimson yang ditemukan pada tanaman bit dan pitaya. Betalain yang juga dikenal sebagai kromoalkaloid, adalah senyawa yang larut dalam air karena struktur dasarnya mengandung nitrogen (Polturak et al. 2019). Stabilitas betalain dipengaruhi oleh kondisi pH, cahaya, suhu, aktivitas air, enzim, dan oksigen. Betalain dapat mengalami perubahan struktural dan menunjukkan perubahan warna pada nilai pH tinggi. pH alami betalain adalah 3,85 yang memberikan warna merah, dan karenanya, larutannya menunjukkan warna yang sama pada kisaran pH 3−7,57. Ketika nilai pH ditingkatkan menjadi 8−9, warnanya larutan berubah menjadi jingga. Sedangkan pada pH 10−12, larutan berubah menjadi kuning yang menunjukkan degradasi betasianin secara bertahap menjadi cyclo-DOPA 5-O-(malonyl)-β-glucoside yang tidak berwarna dan asam betalamat yang berwarna kuning dalam larutan basa (Herbach et al. 2006).
Yao et al. (2020) mengembangkan film amonium kuaterner kitosan dan polivinil alkohol (QAC-PVA) dengan penggabungan betalain dari cactus pears extract (CPE) untuk bertindak sebagai indikator kesegaran kualitas udang segar. Betalain sensitif dalam kondisi basa (pH ≥ 8), berubah dari merah-ungu menjadi kuning-oranye seiring dengan perubahan pH. Penambahan CPE memberikan perubahan warna pada film, dari warna asli ungu menjadi oranye ketika kesegaran udang menurun pada 24 jam.
Alizarin merupakan pewarna alami yang termasuk dalam jenis pewarna antrakuinon, berasal dari akar Rubia tinctorum L (Pronti et al. 2018). Alizarin adalah senyawa fenolik yang larut dalam alkohol dengan warna oranye-cokelat. Proses transfer proton dalam struktur molekul alizarin menyebabkan ikatan hidrogen intramolekul antara gugus hidroksil dan atom oksigen karbonil yang berdekatan (Ezati et al. 2019). Perubahan warna alizarin dihasilkan dari pembentukan bentuk netral, monoanionik, dan dianionik dalam kondisi asam, netral, dan basa secara berurutan.
Pada pH 2−4, ionisasi gugus hidroksil fenolik pada cincin benzena dan adanya gugus nitro dan azo pada pewarna azobenzena menimbulkan molekul tak bermuatan yang menunjukkan warna kuning (Roik et al. 2018). Kenaikan pH menjadi 5−7 menyebabkan disosiasi fenolik gugus hidroksil akibat efek resonansi, mengakibatkan terbentuknya molekul monoanionik dalam larutan yang tampak berwarna merah. Peningkatan pH lebih lanjut hingga 9−12 menyebabkan disosiasi kedua gugus hidroksil fenolik yang mengakibatkan akumulasi molekul dianionik dan meningkatkan intensitas warna ungu (Ezati et al. 2020).
Ezati et al. (2020) mengembangkan film indikator pH berbasis kitosan dengan menambahkan alizarin. Film indikator menunjukkan respon warna yang terlihat terhadap perubahan pH akibat pelepasan gas amonia di headspace kemasan yang disebabkan oleh pembusukan ikan. Warna film indikator berubah jelas dari agak kuning menjadi ungu pada kisaran pH 4−10. Film tersebut menunjukkan permulaan pembusukan ikan dengan menunjukkan perubahan warna dari khaki menjadi coklat muda seiring dengan perubahan pH ikan yang dikemas.
Serupa dengan respons pigmen alami yang berbeda terhadap perubahan pH, komposisi berbagai gas di lingkungan/kemasan juga dapat mempengaruhi stabilitas atau degradasi pewarna alami. Degradasi betanin dengan adanya oksigen lebih bergantung pada pH dibandingkan tanpa adanya oksigen. (Attoe dan Joachim 1984). Stabilitas betanin berkurang pada konsentrasi oksigen yang lebih tinggi. Oksigen menyebabkan penggelapan warna dan hilangnya warna pada betanin. Selain oksigen, hidrogen peroksida mempercepat degradasi betanin. Akan tetapi, stabilitas betanin lebih tinggi dalam atmosfer nitrogen (Herbach et al. 2006).
Antosianin terdegradasi dan tidak stabil dengan adanya gas amonia (NH3), sehingga dengan meningkatnya amonia, warnanya berubah dari merah muda menjadi kuning (Liang et al. 2019). Klorofil dapat digunakan sebagai indikator kolorimetri untuk gas nitrogen dioksida (NO2). Ketika klorofil terpapar NO2, terjadi perubahan warna dari hijau menjadi kuning. Berdasarkan analisis spektroskopi, perubahan warna ini disinyalir akibat terjadinya nitrasi pada klorofil. Akan tetapi, gas seperti CO2 dan SO2 (tidak bereaksi dengan klorofil jika tidak ada air) tidak menunjukkan perubahan warna apapun dengan klorofil karena tidak berpengaruh pada struktur klorofil (Mohammadian et al. 2020).
Pigmen alami juga dapat merespons suhu, sama halnya ketika merespons variasi gas atau pH. Akibatnya, karakteristik tersebut dapat digunakan untuk merancang TTI (time-temperature indicator). Sebagai contoh, struktur antosianin stabil pada suhu lemari pendingin, namun antosianin terdegradasi dan berubah warna pada suhu lebih dari 30°C (Shaked-Sachray 2002). Adams (1973) melaporkan bahwa degradasi termal pada antosianin menyebabkan perubahan menjadi warna coklat dengan adanya oksigen, juga terjadi pembentukan chalcone yang berwarna kuning. Maciel et al. (2012) mengembangkan indikator kolorimetri dengan mengintegrasikan antosianin yang peka terhadap panas ke dalam film kitosan, yang warnanya berubah secara permanen dari ungu muda menjadi kuning muda sebagai respons terhadap berbagai suhu, dari 40 hingga 70°C.
Efektivitas sensor pH berbasis pewarna alami memiliki sebuah tantangan. Secara umum, sebagian besar pewarna alami tidak cukup efisien untuk mendeteksi perubahan kualitas pada tahap awal pembusukan makanan. Pada tahap awal pembusukan, konsentrasi metabolit ini sangat rendah sehingga tidak ada perubahan warna nyata pada film indikator warna yang responsif terhadap pH. Selain itu, pH sebagian besar makanan berubah dalam kisaran 5,0−7,0 ketika rusak. Dengan kata lain, cenderung sedikit asam atau sedikit basa. Namun, sebagian besar pewarna alami jarang menunjukkan perubahan warna yang nyata pada kisaran pH yang sempit di sekitar netral. Di sisi lain, perubahan warnanya baru terlihat jelas pada nilai pH yang sangat rendah atau sangat tinggi.
Kemampuan pewarna alami untuk mengubah warna bergantung pada sumber ekstraksinya. Produk cair seperti susu dan jus menghadapi keterbatasan lain dalam penggunaan indikator. Kebanyakan biopolimer dan pewarna alami yang digunakan dalam pembuatan film sensor pH bersifat hidrofilik dan oleh sebab itu cenderung terdegradasi jika terkena cairan dalam waktu lama. Metode pelapisan indikator dengan film hidrofobik dapat digunakan untuk mengatasi masalah ini, dan dalam kasus ini, sensitivitas indikator pasti akan diturunkan. Selain itu, karena sebagian besar film sensor pH bekerja dengan cara kontak langsung dengan makanan, ada kemungkinan besar zat yang ditambahkan ke indikator akan bermigrasi ke dalam makanan. Oleh sebab itu, masih diperlukan studi migrasi dan toksikologi tersebut secara lebih mendalam, yang akhirnya membatasi penggunaan sensor dari bahan alami secara komersial pada saat ini (Priyadarshi et al. 2021).
Penulis: Rahmat Dhani Tri Wijaya
Mahasiswa Jurusan Ilmu Pangan Institut Pertanian Bogor
Editor: Rahmat Al Kafi
Daftar Pustaka
Adams J. 1973. Thermal degradation of anthocyanins with particular reference to the 3-glycosides of cyaniding in acidified aqueous solution at 100◦C. Journal of the Science of Food and Agriculture. 24(7): 747–762.
Khan MU, Khan S, Sun L. 2018. An overview of smart packaging technologies for monitoring safety and quality of meat and meat products. Packag. Technol. Sci. 31(7): 449−471.
Alizadeh-Sani M, Tavassoli M, Mohammadian E, Ehsani A, Khaniki GJ, Priyadarshi R, Rhim JW. 2021. pH-responsive color indicator films based on methylcellulose/chitosan nanofiber and barberry anthocyanins for real-time monitoring of meat freshness. Int. J. Biol. Macromol. 166: 741-748.
Attoe EL, Joachim H. 1984. Oxygen involvement in betanin degradation. Zeitschrift für Lebensmittel-Untersuchung und Forschung, 179(3): 232–236.
Commission Regulation (EU). 2009. No 450/2009: active and intelligent materials and articles intended to come into contact with food. Off. J. Eur. Union. 135: 3–11.
Ezati P, Rhim JW. 2020. pH-responsive chitosan-based film incorporated with alizarin for intelligent packaging applications. Food Hydrocolloids. 102: 105629.
Ezati P, Tajik H, Moradi M, Molaei R. 2019. Intelligent pH-sensitive indicator based on starch-cellulose and alizarin dye to track freshness of rainbow trout fillet. Int. J. Biol. Macromol. 132: 157−165.
Herbach KM, Rohe M, Stintzing FC, Carle R. 2006. Structural and chromatic stability of purple pitaya (Hylocereus polyrhizus) betacyanins as affected by the juice matrix and selected additives. Food Research International. 39(6): 667–677.
Herbach KM, Stintzing FC, Carle R. 2006. Stability and color changes of thermally treated betanin, phyllocactin, and hylocerenin solutions. J. Agric. Food Chem. 54 (2): 390−398.
Liang T, Sun G, Cao L, Li J, Wang L. 2019. A pH and NH3 sensing intelligent film based on Artemisia sphaerocephala Krasch gum and red cabbage anthocyanins anchored by carboxymethyl cellulose sodium added as a host complex. Food Hydrocolloids. 87: 858–868.
Liu J, Wang H., Wang P, Guo M, Jiang S, Li X, Jiang S. 2018. Films based on κ- carrageenan incorporated with curcumin for freshness monitoring. Food Hydrocolloids. 83: 134−142.
Maciel VB, Franco TT, Yoshida CM. 2012. Alternative intelligent material for packaging using chitosan films as colorimetric temperature indicators. Polímeros. 22(4): 318–324.
Mohammadian E, Alizadeh‐Sani M, Jafari SM. 2020. Smart monitoring of gas/temperature changes within food packaging based on natural colorants. Compr Rev Food Sci Food Saf. 1: 1-47.
Mohebi E, Marquez L. 2015. Intelligent packaging in meat industry: An overview of existing solutions. J. Food Sci. Technol. 52(7): 3947−3964.
Moradi M, Tajik, H, Almasi, H, Forough, M, Ezati P. 2019. A novel pH-sensing indicator based on bacterial cellulose nanofibers and black carrot anthocyanins for monitoring fish freshness. Carbohydr. Polym. 222: 115030.
Noureddin SA, El-Shishtawy RM, Al-Footy KO. 2019. Curcumin analogues and their hybrid molecules as multifunctional drugs. Eur. J. Med. Chem. 182: 111631.
Polturak G, Aharoni A. 2019. Advances and future directions in betalain metabolic engineering. New Phytol. 224(4): 1472−1478.
Pourjavaher S, Almasi H, Meshkini S, Pirsa S, Parandi E. 2017. Development of a colorimetric pH indicator based on bacterial cellulose nanofibers and red cabbage (Brassica oleraceae) extract. Carbohydr. Polym. 156: 193−201.
Pronti L, Mazzitelli JB, Bracciale MP, Massini RL, Vieillescazes C, Santarelli ML, Felici AC. 2018. Multi-technique characterisation of commercial alizarin- based lakes. Spectrochim. Acta, Part A. 200: 10−19.
Realini CE, Marcos B. 2014. Active and intelligent packaging systems for a modern society. Meat Sci. 98(3): 404−419.
Roik NV, Belyakova LA, Dziazko MO. 2018. Optically transparent silica film with pH-sensing properties: influence of chemical immobilization and presence of β-cyclodextrin on protolytic properties of alizarin yellow. Sens. Actuators, B. 273: 1103−1112
Sahne F, Mohammadi M, Najafpour GD, Moghadamnia AA. 2017. Enzyme-assisted ionic liquid extraction of bioactive compound from turmeric (Curcuma longa L.): Isolation, purification and analysis of curcumin. Ind. Crops Prod. 95: 686−694.
Shaked-Sachray L, Weiss D, Reuveni M, Nissim-Levi A, Oren-Shamir M. 2002. Increased anthocyanin accumulation in aster flowers at elevated temperatures due to magnesium treatment. Physiologia Plantarum. 114(4): 559–565.
Tarone AG, Cazarin CBB, Marostica Junior MR. 2020. Anthocyanins: New techniques and challenges in microencapsulation. Food Res. Int. 133: 109092.
Tirtashi FE, Moradi M, Tajik H, Forough M, Ezati P, Kuswandi B. 2019. Cellulose/chitosan pH-responsive indicator incorporated with carrot anthocyanins for intelligent food packaging. Int. J. Biol. Macromol. 136: 920−926.
Typek R, Dawidowicz AL, Wianowska D, Bernacik K, Stankevic M., Gil M. 2019. Formation of aqueous and alcoholic adducts of curcumin during its extraction. Food Chem. 276: 101−109.
Wardana AA, Widyaningsih TD. 2017. Development of edible films from tapioca starch and agar, enriched with red cabbage (Brassica oleracea) as a sausage deterioration bio-indicator. IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 109: 12031.
Xiao-wei H, Xiao-bo Z, Ji-yong S, Zhi-hua L, Jie-wen Z. 2018. Colorimetric sensor arrays based on chemo-responsive dyes for food odor visualization. Trends Food Sci. Technol. 81: 90−107.
Yao X, Hu H, Qin Y, Liu J. 2020. Development of antioxidant, antimicrobial and ammonia-sensitive films based on quaternary ammonium chitosan, polyvinyl alcohol and betalains-rich cactus pears (Opuntia ficus-indica) extract. Food Hydrocolloids. 106: 105896.
Yong H, Wang X, Zhang X, Liu Y, Qin Y, Liu, J. 2019. Effects of anthocyanin-rich purple and black eggplant extracts on the physical, antioxidant and pH- sensitive properties of chitosan film. Food Hydrocolloids. 94: 93−104.
