โดย ณัฐวุฒิ เนียมสอน1,2 วิบูลย์ ช่างเรือ1,2 เยาวลักษณ์ จันทร์บาง2,3 เกวลิน คุณาศักดากุล3 และ ปาริชาติ เทียนจุมพล2
1ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
2ศูนย์วิจัยเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
3ภาควิชากีฏวิทยาและโรคพืช คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
ในระหว่างการเก็บรักษาข้าวกล้อง นอกจากมีการเสื่อมสภาพเนื่องจากการเข้าทำลายของแมลงและการเกิดโรคแล้ว ก็จะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีโดยธรรมชาติทำให้เกิดกลิ่นหืน การเลื่อมสภาพดังกล่าวข้างต้นหากตรวจพบล่าช้าจะทำให้เกิดการสูญเสียทั้งด้านปริมาณและคุณภาพ ซึ่งส่งผลต่อมูลค่าทางเศรษฐกิจ และต่อสุขภาพของผู้บริโภค การใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ช่วยในการตรวจวัดตั้งแต่ระยะเริ่มต้น จะสามารถป้องกันไม่ให้ความเสียหายลุกลาม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้ ยังใช้เพื่อการตรวจติดตามการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของผลิตผลหลังการเก็บเกี่ยว และพัฒนาต่อให้เป็นระบบเตือนภัยเพื่อสร้างระบบรักษาคุณภาพผลิตผลหลังการเก็บเกี่ยว
จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (electronic nose, eNose) ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อเลียนแบบการดมกลิ่นของมนุษย์ มีศักยภาพในการแก้ปัญหาที่หลากหลายเกี่ยวกับกลิ่น จมูกอิเล็กทรอนิกส์เป็นเครื่องมือที่ใช้ตรวจวัด แยกแยะ และจดจำกลิ่นหรือสารเคมีระเหยที่ซับซ้อน โดยใช้แถวลำดับเซ็นเซอร์ทางเคมี (array of gas sensors) และกระบวนการจัดการทางสัญญาณ (signal preprocessing) รวมถึงขั้นตอนวิธีสร้างรูปแบบการจดจำกลิ่น (pattern recognition) เมื่อมีกลิ่นหรือสารเคมีระเหยไหลผ่านเซ็นเซอร์ โมเลกุลที่ไหลผ่านจากสารนั้นๆ จะตกสะสมบนผิวของเซ็นเซอร์ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสมบัติทางไฟฟ้า โดยเซ็นเซอร์แต่ตัวจะตอบสนองต่อโมเลกุลไอระเหยทั้งหมดแต่ด้วยลักษณะที่แตกต่างกัน การตอบสนองของเซ็นเซอร์ดังกล่าวจะถูกแปลงรูปและส่งต่อเป็นสัญญาณดิจิตอล แล้วจัดเก็บก่อนนำไปวิเคราะห์ทางสถิติด้วยระบบการคำนวณต่อไป
โดยพื้นฐานแล้วจมูกอิเล็กทรอนิกส์ไม่ได้ถูกออกแบบเพื่อวิเคราะห์หรือระบุองค์ประกอบทางเคมีของกลิ่นนั้น ๆ แต่ถูกออกแบบให้ทำงานเหมือนจมูกมนุษย์นั่นคือเรียนรู้จำกลิ่นได้จากรูปแบบการตอบสนองของแผงลำดับเซ็นเซอร์ จึงจำเป็นต้องมีกระบวนการฝึกเพื่อให้จมูกอิเล็กทรอนิกส์มีความสามารถในการจำแนกชนิดของกลิ่นต่าง ๆ ที่ต้องการ
ดังนั้น ในการศึกษาครั้งนี้จึงเป็นการพัฒนาการตรวจวัดการติดเชื้อสาเหตุของโรค การเข้าทำลายของแมลง และการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของข้าวกล้องด้วยจมูกอิเล็กทรอนิกส์
จมูกอิเล็กทรอนิกส์
ต้นแบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์ถูกออกแบบและสร้างขึ้นในสาขาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ แสดงในภาพที่ 1 ประกอบด้วยเซ็นเซอร์ MQ3, MQ7, MQ8 (HANWEI Ltd. China) TGS822, TGS2600, TGS2610 และ TGS2620 (Figaro Eng. Japan) เซ็นเซอร์แต่ละตัวมีความสามารถเฉพาะแตกต่างกันถูกจัดอยู่ในกลุ่มแผงลำดับเซ็นเซอร์ (Metal Oxide Semiconductor, MOS) ต้นแบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์นี้มีระบบลำเลียงแก๊สโดยใช้ปั๊มอากาศขนาดเล็ก (micropump) และควบคุมอัตราการไหลที่ 0.4 ลิตรต่อนาที ในส่วนของการควบคุมทิศทางการไหลจะใช้โซลินอยด์วาล์ว จำนวน 3 ตัว การควบคุมต้นแบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์และการจัดเก็บข้อมูลสัญญาณจากชุดเซ็นเซอร์โดยใช้คอมพิวเตอร์ผ่าน DAQ NI USB-6009 สำหรับตัวอย่างสัญญาณที่ได้จากชุดเซ็นเซอร์แสดงในภาพที่ 2
สรุปผลการศึกษา
ต้นแบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างขึ้นสามารถตรวจวัดกลิ่นหืนของข้าวกล้อง กลิ่นจากแมลง และกลิ่นจากเชื้อรา ได้ จากการวิเคราะห์ข้อมูลด้วยเทคนิค PCA (principle component analysis) พบว่า มีความเป็นไปได้ในการจำแนกกลุ่มของสารเคมีระเหยจากข้าวกล้องที่มีกลิ่นหืน และไม่มีกลิ่นหืน กลิ่นจากมอดแป้ง และกลิ่นจากเชื้อรา Aspergillus niger ด้วยระบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์ พิจารณาจาก PCA score plot ที่แสดงในภาพที่ 3 เมื่อนำข้อมูลการทดสอบตัวอย่างข้าวกล้องที่มีกลิ่นหืน ข้าวกล้องที่มีเชื้อรา และข้าวกล้องที่มีแมลงเข้าทำลาย เปรียบเทียบกับข้าวกล้องปกติ จำนวน 3 กลุ่มทดสอบ กลุ่มตัวอย่างละ 400 ข้อมูล นำไปวิเคราะห์และสร้างสมการเพื่อจำแนกกลิ่นที่เกิดจากการเสื่อมคุณภาพของข้าวกล้องระหว่างการเก็บรักษาด้วยวิธีวิเคราะห์การถดถอยเชิงเส้น พบว่าสมการทำนายที่ได้มีความแม่นยำในการประเมินสูง โดยที่ (1) การทดสอบการจำแนกข้าวกล้องที่มีกลิ่นหืนและข้าวกล้องไม่มีกลิ่นหืน มีค่า R2 = 0.92 ค่าความคลาดเคลื่อนมาตรฐานของตัวอย่างในชุดสร้างสมการ (calibration set) (SEC) = 0.14 (2) การทดสอบการจำแนกข้าวกล้องที่มอดแป้งเข้าทำลายกับข้าวกล้องที่ไม่มีมอดแป้ง มีค่า R2 = 0.98 และ SEC = 0.068 และ (3) การทดสอบการจำแนกกลิ่นเชื้อราในข้าวกล้องเปรียบเทียบกับข้าวกล้องที่ไม่มีเชื้อรา มีค่า R2 = 0.78 และ SEC = 0.2
บทความนี้ตีพิมพ์ลงใน Postharvest Newsletter ปีที่ 22 ฉบับที่ 3 กรกฎาคม – กันยายน 2566
