เครื่องต้นแบบการตรวจสอบคุณภาพเมล็ดกาแฟ (Mini-NIR) - ศูนย์นวัตกรรมเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว

โดย ปาริชาติ เทียนจุมพล และคณะ
ศูนย์วิจัยเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

เมื่อกล่าวถึงกาแฟ (coffee) คงไม่มีผู้บริโภคตอบว่าไม่รู้จัก ด้วยเอกลักษณ์เฉพาะตัวทั้งกลิ่นและรสชาติแล้ว ยังสามารถนำมาปรุงแต่งได้หลากหลายและแตกต่างกันไปตามรสนิยมของนักดื่ม ซึ่งส่วนใหญ่ดื่มกาแฟมากกว่า 1 ถ้วยต่อวัน ในรูปแบบต่าง ๆ ทั้งแบบร้อนและแบบเย็น จากพฤติกรรมการบริโภคเหล่านี้จึงมีส่วนช่วยผลักดันให้กาแฟเป็นสินค้าเกษตรที่มีการซื้อขายมากในตลาดโลก เนื่องจากความต้องการบริโภคกาแฟของโลกมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยในช่วงระยะเวลา 10 ปีที่ผ่านมา การบริโภคกาแฟของโลกเติบโตเฉลี่ยร้อยละ 2.1 ต่อปี สอดคล้องกับปริมาณการผลิตกาแฟรวมของโลกที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจาก 9.72 ล้านตัน ในปี พ.ศ. 2559 เป็น 10.03 ล้านตัน ในปี พ.ศ. 2562 จากประเทศผู้ผลิตกว่า 40 ประเทศทั่วโลก

สำหรับประเทศไทยมีการปลูกกาแฟ เพื่อการบริโภคทั้งภายในประเทศและส่งออกต่างประเทศ โดยในช่วงปี พ.ศ. 2558-2562 มีปริมาณความต้องการเมล็ดกาแฟภายในประเทศเฉลี่ย 78,953 ตันต่อปี เพิ่มขึ้นเฉลี่ยร้อยละ 6.48 ในขณะที่ประเทศไทยสามารถผลิตเมล็ดกาแฟได้เพียง 26,162 ตันต่อปี ทำให้ผลผลิตไม่เพียงพอต่อความต้องการบริโภคภายในประเทศ ดังนั้นกาแฟจึงเป็นพืชเศรษฐกิจที่สำคัญชนิดหนึ่งของไทย เนื่องจากตลาดกาแฟมีการขยายตัวอย่างมาก ทำให้ความต้องการใช้เมล็ดกาแฟของโรงงานแปรรูปกาแฟในประเทศเพิ่มขึ้น

พันธุ์กาแฟที่ปลูกในประเทศไทยส่วนใหญ่เป็นพันธุ์โรบัสตา (Coffea canephora var. robusta) ร้อยละ 78 แหล่งปลูกที่สำคัญอยู่ในภาคใต้ ได้แก่ จังหวัด ชุมพร ระนอง สุราษฎร์ธานี กระบี่ นครศรีธรรมราช ประจวบคีรีขันธ์ และพังงา ส่วนพันธุ์อะราบิกา (Coffea arabica) มีเพียงร้อยละ 22 แหล่งปลูกที่สำคัญอยู่ในภาคเหนือ ได้แก่ จังหวัดเชียงใหม่ เชียงราย น่าน แม่ฮ่องสอน และตาก แต่ในการผลิตกาแฟของเกษตรกรไทยยังคงประสบปัญหาในด้านคุณภาพเมล็ดกาแฟที่ผลิตได้ไม่สม่ำเสมอ เช่น มีเมล็ดดำ มีสิ่งปลอมปนสูงทั้งเมล็ดที่ถูกแมลงเข้าทำลาย เมล็ดที่มีเชื้อรา และเมล็ดแตก รวมถึงมีความชื้นค่อนข้างสูงด้วย ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อราคาจำหน่าย ทำให้เกษตรกรขายเมล็ดกาแฟไม่ได้ราคา ประกอบกับเครื่องมือที่มีความเหมาะสมสำหรับใช้ในการตรวจวัดคุณภาพเมล็ดกาแฟของเกษตรกรหรือผู้ประกอบการด้านการผลิตและจำหน่ายกาแฟของประเทศไทย ยังมีค่อนข้างจำกัด และทำให้เกษตรกรหรือผู้ประกอบการไม่สามารถดำเนินการตรวจสอบคุณภาพเมล็ดกาแฟที่ผลิตได้ด้วยตนเอง ส่งผลให้ขาดข้อมูลด้านคุณภาพและไม่มีอำนาจในการต่อรองราคา

ดังนั้นคณะนักวิจัยของมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ภายใต้การสนับสนุนอย่างต่อเนื่องจากศูนย์นวัตกรรมเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว กองส่งเสริมและประสานเพื่อประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม สำนักงานปลัดกระทรวง กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม ในการศึกษาวิจัยเพื่อนำเทคโนโลยีแบบไม่ทำลาย (non-destructive technology) ด้วยเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (near infrared spectroscopy, NIRS) มาใช้ประโยชน์ทางด้านการตรวจสอบคุณภาพสินค้าเกษตรของประเทศไทยมาเป็นระยะเวลาเกือบ 20 ปี โดยเฉพาะการตรวจวัดคุณภาพ ซึ่งเป็นขั้นตอนที่สำคัญในกระบวนการจัดการหลังการเก็บเกี่ยว เนื่องจากส่งผลต่อคุณภาพผลผลิต ราคาจำหน่าย และย่อมกระทบต่อต้นทุนการผลิตอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ โดยเทคนิค NIRS มีข้อดีคือ เป็นเทคนิคที่ไม่ต้องทำลายตัวอย่างในการตรวจวิเคราะห์ ลดการสูญเสียผลผลิต ลดการใช้สารเคมี ประหยัดเวลาและแรงงาน ลดต้นทุนการผลิต และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม จึงมีการนำเทคนิค NIRS ไปประยุกต์ใช้กันอย่างกว้างขวาง ทั้งการวิเคราะห์เชิงปริมาณ (quantitative analysis) และคุณภาพ (qualitative analysis) ของผลิตผลเกษตร

ดังนั้นคณะนักวิจัยจึงได้พัฒนาเครื่องต้นแบบการตรวจสอบคุณภาพเมล็ดกาแฟ (Mini-NIR) ประกอบด้วย 4 ส่วนประกอบหลัก ได้แก่ 1) แหล่งกำเนิดแสง (light source) 2) ชุดวางตัวอย่าง (sample cell) สำหรับวัดสเปกตรัม 3) ชุดตรวจวัด (detector) และ 4) ชุดประมวลผล (data processing) ควบคุมการทำงานด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ สามารถสั่งงานได้อย่างอิสระผ่านจอ LCD แบบ touch screen ทำงานโดยอาศัยหลักการดูดกลืนคลื่นแสงเนียร์อินฟราเรด (near infrared, NIR) ของสารประกอบอินทรีย์ที่พบในเมล็ดกาแฟ NIR เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีช่วงความยาวคลื่น 700-2500 นาโนเมตร สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ช่วงคลื่น คือ คลื่นสั้น (short wavelength near infrared, SWNIR) มีความยาวคลื่นระหว่าง 700-1100 นาโนเมตร และคลื่นยาว (long wavelength near infrared, LWNIR) มีความยาวคลื่นระหว่าง 1100-2500 นาโนเมตร สำหรับเครื่องต้นแบบการตรวจสอบคุณภาพเมล็ดกาแฟ เมื่อให้คลื่นแสง NIR แก่เมล็ดกาแฟ (green coffee bean) ที่ต้องการตรวจวัด คลื่นแสง NIR จะถูกดูดกลืนพลังงานไปบางส่วน และการดูดกลืนนั้นโครงสร้างโมเลกุลของสารที่อยู่ในเมล็ดกาแฟมีการตอบสนองต่อแสง NIR ต่างกัน ด้วยเหตุนี้ค่าของพลังงานที่ถูกดูดกลืนโดยเมล็ดกาแฟที่ทำการตรวจวัด จึงสามารถจำแนกองค์ประกอบ คุณสมบัติภายในหรือคุณภาพได้ โดยไม่ต้องมีการทำลายผลผลิต

นอกจากนี้ลักษณะทางกายภาพของเมล็ดกาแฟที่มีความแตกต่างกันทั้ง ขนาด รูปร่าง ความโค้งมน และความเรียบมันของผิวสัมผัส รวมถึงลักษณะโครงสร้างภายในเมล็ด ทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์กับคลื่นแสง NIR ปรากฏเป็นแถบการดูดกลืนพลังงานของคลื่น NIR (absorption band) แตกต่างกันที่ความยาวคลื่นต่างๆ เรียกว่า สเปกตรัม (spectrum) แล้วจึงนำไปวิเคราะห์ข้อมูลโดยการหาความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลสเปกตรัมและข้อมูลคุณภาพของเมล็ดกาแฟด้วยวิธีทางเคโมเมทริกซ์ (chemometrics) ซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้ความรู้ทางคณิตศาสตร์ สถิติ และคอมพิวเตอร์ เพื่อสร้างแบบจำลองหรือโมเดล สำหรับใช้ในงานวิเคราะห์ประจำวัน (routine analysis) สำหรับเครื่อง Mini-NIR ที่พัฒนาขึ้นโดยคณะนักวิจัยของมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จะใช้ข้อมูลการดูดกลืนแสง NIR ของเมล็ดกาแฟ ซึ่งได้จากการนำเมล็ดกาแฟน้ำหนักประมาณ 100 กรัมต่อตัวอย่าง บรรจุลงใน บิกเกอร์ แล้วนำไปวางตรงชุดวางตัวอย่างของเครื่อง Mini-NIR แล้ววัดสเปกตรัมเฉพาะในช่วงความยาวคลื่น 900-1700 นาโนเมตร ซึ่งคือคลื่นแสง NIR ทั้งในช่วงคลื่นสั้นและช่วงคลื่นยาว แล้วนำข้อมูลสเปกตรัมเข้าสู่ส่วนประมวลผลเพื่อทำนายคุณภาพที่ต้องการตรวจวัด

โดยสามารถใช้ในการตรวจสอบคุณภาพเมล็ดกาแฟทั้งด้านความชื้น การปลอมปนด้วยเมล็ดกาแฟบกพร่องชนิดต่าง ๆ และคุณภาพด้านอื่นๆ ของเมล็ดกาแฟ ช่วยลดการสูญเสียผลผลิตกาแฟในกระบวนการจัดการหลังการเก็บเกี่ยว ทำงานได้อย่างรวดเร็วภายในระยะเวลา 1 นาทีต่อตัวอย่าง สามารถตรวจสอบคุณภาพด้านต่างๆ ของเมล็ดกาแฟในคราวเดียวกัน ช่วยลดต้นทุนการผลิต ไม่ใช้สารเคมีในการตรวจวิเคราะห์ ไม่เกิดของเสียจึงเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มีขนาดกะทัดรัด น้ำหนักเบา เคลื่อนย้ายได้สะดวกและวิธีการใช้งานไม่ซับซ้อน เพื่อช่วยสร้างความเชื่อมั่นในคุณภาพของสินค้าให้กับผู้ผลิตและผู้บริโภค

เอกสารอ้างอิง

กรมเจรจาการค้าระหว่างประเทศ. 2563. สินค้ากาแฟและผลิตภัณฑ์กาแฟ. [ออนไลน์]. เข้าถึงได้จาก: https://api.dtn.go.th/files/v3/5e8712f2ef4140204c3022ce/download.
International Coffee Organization. 2021. Trade statistics. [Online]. Available: https://www.ico.org/.
Osborne, B. G., T. Fearn and P. H. Hindle. 1993. Practical NIR spectroscopy: with Applications in Food and Beverage Analysis. 2^nd ed. Longman Singapore Publisher ( Pte ) Ltd, Singapore. 227 pp.