การพัฒนาเส้นใยนาโนอิเลคโตรสปันเพื่อใช้ในด้านเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว

รศ.ดร.พนิดา บุญฤทธิ์ธงไชย^1,2 รชา เทพษร³ รศ.ดร.สุริยัณห์ สุภาพวานิช⁴ รศ.ดร.วาริช ศรีละออง^1,2 และปฐมพงศ์ เพ็ญไชยา²

¹สาขาเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว คณะทรัพยากรชีวภาพและเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
²ศูนย์นวัตกรรมเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม กรุงเทพมหานคร 10400
³คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ปทุมธานี
⁴คณะครุศาสตร์อุตสาหกรรม สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

เทคโนโลยีการผลิตเส้นใยนาโน (Nanofiber) โดยการปั่นด้วยไฟฟ้าสถิต (Electrospinning) เป็นเทคนิคที่ผลิตเส้นใยนาโนโดยการให้ประจุกับโมเลกุลของสารละลายพอลิเมอร์ จากนั้นบังคับให้สารละลายพอลิเมอร์จัดเรียงตัวเป็นอนุภาคทรงกลม และอาศัยความต่างศักย์ทางไฟฟ้าก่อให้เกิดแรงทางไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนอนุภาคของสารละลายพอลิเมอร์ให้เคลื่อนที่ไปยังอีกฝั่งหนึ่งซึ่งมีขั้วตรงข้าม ตามพื้นฐานของทฤษฏีที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าจากศักย์ไฟฟ้าขั้วบวกไปยังขั้วลบ ที่มีฉากรองรับเส้นใยอยู่ อนุภาคพอลิเมอร์จะยืดยาวขึ้นและประกอบขึ้นเป็นโครงสร้างในลักษณะของเส้นใยนาโนบริเวณฉากรับซึ่งเป็นประจุตรงข้ามกับปริเวณแหล่งกำเนิดอนุภาคพอลิเมอร์ เส้นใยนาโนที่ได้มีสมบัติที่ดีหลายประการ เช่น มีพื้นที่ผิวสูง มีความพรุนสูง สามารถดูดซับได้ดี เส้นใยนาโน (Nanofibers) ที่ผลิตด้วยเทคนิคอิเล็กโทรสปินนิง (Electrospinning) หรือเทคนิคการปั่นด้วยไฟฟ้าเป็นเส้นใยที่มีความละเอียดสูง มีอัตราส่วนระหว่างพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงมากกว่า 1,000 เท่า เมื่อเทียบกับเส้นใยในระดับไมโครเมตร มีความเป็นรูพรุนสูง น้ำหนักเบา ทำให้สามารถส่งผ่านของเหลวหรือแก๊สได้ดี ส่งผลต่อสมบัติเชิงกลทั้งในด้านความแข็งแรงและความยืดหยุ่น (Nair et al., 2004)

เทคนิคอิเลคโตรสปินนิงใช้อุปกรณ์หลัก (รูปที่ 1) ดังนี้

1. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความต่างศักย์สูง (Power supply)
2. หลอดคะปิลลารี ที่ทำจากปิเปิตหรือเข็มฉีดยา (Needle)
3. ฉากรับหรือแผ่นรองโลหะที่เป็นที่รองรับเส้นใย (Collector)

หลักการปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้าสถิตแบบพื้นฐาน

การปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้าสถิตมีอุปกรณ์หลักคือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความต่างศักย์สูง (High voltage power supply) หลอดคะปิลลารีที่ทำจากเข็มฉีดยา (Capillary) และฉากรองรับ (Corrector) ทำหน้าที่เป็นตัวรองรับเส้นใย เช่น แผ่นอะลูมิเนียม แท่นรองรับแบบลูกกลิ้ง เทคนิคการปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้าสถิตแบบพื้นฐานจะให้ความต่างศักย์สูงกับสารละลายพอลิเมอร์หรือพอลิเมอร์เหลว เพื่อให้สารละลายพุ่งออกจากเข็มคะปิลลารีได้ ก่อนที่สารละลายพอลิเมอร์หรือพอลิเมอร์เหลวจะมาถึงฉากรองรับ ตัวทำละลายต้องระเหยออกไปก่อน สารละลายพอลิเมอร์หรือพอลิเมอร์เหลวเกิดการแข็งตัวกลายเป็นเส้นใยขนาดเล็กกองรวมกันอย่างไม่เป็นระเบียบบนแผ่นรอง ที่มีลักษณะเป็นเส้นใยแบบไม่ถักทอ โดยปกติจะต่อขั้วไฟฟ้าขั้วหนึ่งเข้าไปในสารละลายพอลิเมอร์และอีกขั้วหนึ่งต่อเข้ากับฉากรองรับ เมื่อเริ่มให้ประจุไฟฟ้าแก่ของเหลว ประจุจะเคลื่อนตัวไปบริเวณพื้นผิวของของเหลวนั้น เมื่อแรงของสนามไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหยดของเหลวที่ปลายคะปิลลารีจะเปลี่ยนรูปร่างจากครึ่งทรงกลมเป็นทรงกรวย เรียกว่า เทย์เลอร์โคน (Taylor cone) (รูปที่ 2) เมื่อเพิ่มความแรงทางไฟฟ้าที่มีค่ามากกว่าแรงตึงผิวของสารละลายพอลิเมอร์ที่พุ่งออกมาและทำให้ของเหลวพุ่งออกจากปลายเทย์เลอร์โคน สารละลายพอลิเมอร์ที่พุ่งออกมาจะเกิดความไม่เสถียร และเกิดการยืดตัวทำให้ลำของของเหลวยาวขึ้นและเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลง ขณะเดียวกับที่ตัวทำละลายระเหยออกไปเหลือไว้แต่เส้นใยพอลิเมอร์ (อานุภาพและรวินทร์, 2548) เส้นใยที่ได้มีขนาดเล็กมากถึงระดับนาโนเมตร มีลักษณะประสานกันเป็นผืนแบบไม่ถักทอเกิดจากการซ้อนทับกันของเส้นใย ทำให้เกิดช่องว่างระหว่างเส้นใยที่มีขนาดเล็ก โดยที่ขนาดของรูพรุนจะขึ้นกับขนาดความยาวของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยที่ได้และระยะเวลาในการปั่นเส้นใย ทำให้เส้นใยมีรูพรุนขนาดเล็กมาก ซึ่งสามารถควบคุมได้โดยเลือกใช้พอลิเมอร์และตัวแปรต่างๆที่เหมาะสม เส้นใยที่ได้จะมีอัตราส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูง มีรูพรุนสูง และมีการเชื่อมต่อกันของรูพรุน จากสมบัติของเส้นใยที่ได้จึงเป็นที่น่าสนใจ เหมาะที่จะนำไปใช้ประโยชน์หลายด้าน เช่น แผ่นกรองอนุภาคขนาดเล็กหรือชุดป้องกันสารเคมี วัสดุเชิงประกอบ (Composite material) วัสดุปิดแผล ระบบนำส่งยาหรือสารชีวภาพ โครงเลี้ยงเซลล์สำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ เป็นต้น

ดังนั้นเส้นใยนาโนที่มีสมบัติเฉพาะตัวนี้จึงมีความเหมาะสมในการนำมาประยุกต์ใช้เป็นแผ่นตัวพาไอระเหยหรือสารต่างๆที่ใช้ในด้านเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว ไม่ว่าจะเป็นสารยับยั้งการผลิตเอทิลีน เช่น สาร 1-MCP และ  ไอระเหยแอลกอฮอล์ เพื่อใช้ยับยั้งการเจริญเติบโตของเชื้อจุลินทรีย์ในผักและผลไม้สด หรือผลิตผลสดตัดแต่งพร้อมบริโภค หรือจะใช้สำหรับผลิตวัสดุปลดปล่อยสารในกลุ่มสารควบคุมการเจริญเติบโต ได้แก่ สารเมทิลจัสโมเนท ทั้งนี้สารเมทิลจัสโมเนทมีฤทธิ์ยับยั้งการเจริญเติบโตและกระตุ้นการวายและการหลุดร่วงของใบ ยับยั้งการงอกของเมล็ดและการเจริญของราก มีผลต่อกระบวนการสุกของผลไม้ และนอกจากนี้ยังเกี่ยวข้องกับการเพิ่มความต้านทานให้กับพืชเพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก เช่น บาดแผล การเข้าทำลายของโรคและแมลง ตลอดจนความเครียดต่างๆ (Cheong and Choi, 2003) ซึ่งได้มีการนำมาศึกษาเพื่อใช้ประโยชน์ในการรักษาคุณภาพและการยืดอายุการเก็บรักษาผลิตผลพืชสวนภายหลังการเก็บเกี่ยว เช่น ช่วยลดการสูญเสียน้ำหนักสดในหัวผักกาด ซึ่งเป็นผลจากการที่สารเมทิลจัสโมเนทยับยั้งการงอกของใบและลดการคายน้ำ (Wang, 1998) และช่วยลดการสูญเสียน้ำหนักสดในมะม่วงพันธุ์ Kent และ Tommy Atkins (Gonzalez-Aguilar et al., 2000; 2001) เป็นต้น

ทั้งนี้จนถึงปัจจุบันยังไม่พบงานวิจัยที่นำเอาเส้นใยนาโนซึ่งเตรียมด้วยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงมาทำเป็นแผ่นตรึงสารเพื่อควบคุมการปลดปล่อยไอระเหยสารต่างๆ ที่นำมาประยุกต์ใช้ในงานด้านเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยวผลิตผลสดเกษตร แต่ในปี 2563 คณะผู้วิจัยได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยศึกษาเรื่องการพัฒนาต้นแบบแผ่นเส้นใยนาโนจากพอลิเมอร์เส้นใยธรรมชาติเพื่อใช้ร่วมกับบรรจุภัณฑ์ในการยืดอายุการเก็บรักษาและวางจำหน่ายผลผลิตสดเกษตร จึงได้เริ่มศึกษาและพัฒนาการผลิตเส้นใยอิเลคโตรสปันปลดปล่อยไอระเหยเมทิลจัสโมเนท สำหรับใช้เพื่อยืดอายุการเก็บรักษาผลิตผลสดเกษตรต่าง ๆ เช่น ฝรั่ง และใบโหระพา และพบว่ามีแนวโน้มที่สามารถรักษาคุณภาพของผลิตผลได้ เมื่อเปรียบเทียบกับชุดที่ไม่ได้ใช้เส้นใยปลดปล่อยเมทิลจัสโมเนท ดังนั้นการพัฒนาและประยุกต์ใช้เส้นใยนาโนปลดปล่อยสารต่างๆสำหรับบรรจุภัณฑ์ผักและผลไม้สด จึงเป็นรูปแบบที่น่าสนใจในการพัฒนาเพื่อใช้ในอุตสาหกรรมเกษตรในประเทศต่อไป ทั้งนี้การผลิตเส้นใยนาโนโดยวิธีการปั่นด้วยไฟฟ้าสถิตเป็นกระบวนการผลิตเส้นใยที่มีประสิทธิภาพ และมีค่าใช้จ่ายน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับการผลิตเส้นใยนาโนด้วยวิธีอื่นๆ และมีคุณสมบัติของกระบวนการกักเก็บที่สามารถช่วยรักษาคุณภาพของสารออกฤทธิ์ไว้ได้นานกว่ากระดาษและวัสดุตัวพาอื่นๆ จึงเป็นกระบวนการผลิตที่สามารถนำมาพัฒนาต่อยอดการผลิตเส้นใยปลดปล่อยสารต่างๆ เพื่อใช้สำหรับผลิตผลทางการเกษตรภายหลังการเก็บเกี่ยวต่อไปได้ในอนาคต

บทความนี้ ตีพิมพ์ลงใน Postharvest Newsletter ปีที่ 24 ฉบับที่ 1 มกราคม – มีนาคม 2568

เอกสารอ้างอิง

• อานุภาพ รัตตรัตน์ และรวินทร์ สุทธะนันท์. 2548. การเตรียมเส้นใยพอลิสไตรีนขนาดเล็กโดยเทคนิคการปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้าสถิต : การศึกษาสมบัติการส่งผ่านของเส้นใยเบื้องต้นเพื่อการประยุกต์ใช้ในการกรอง. โครงงานพิเศษวิทยาศาสตรบัณฑิต สาขาวิชาเคมีอุตสาหกรรม ภาควิชาเคมีอุตสาหกรรมคณะวิทยาศาสตร์ประยุกต์สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ.
• Cheong, J. and Y.D. Choi. 2003. Methyl jasmonate as a vital substance in plants. Trend in Genetics  19: 409-413.
• Gonzalez-Aguilar, G.A., J. Fortiz, R. Cruz, R. Baez and C.Y. Wang. 2000. Methyl jasmonate reduces Chilling injury and maintain postharvest quality of mango fruit. Journal of Agricultural and Food Chemistry 48: 515-519.
• Gonzalez-Aguilar, G.A., J.G. Buta and C.Y. Wang. 2001. Methyl jasmonate reduces chilling injury symptoms and enhances colour development of “Kent” mangoes. Journal of the Science of Food and Agriculture 81: 1244-1249.
• Nair, L.S., S. Bhattacharyya and C.T. Laurencin. 2004. Development of novel tissue engineering scaffolds via electrospinning. Expert Opinion Biological Therapy 4: 659-668.
• Still, T.J. and H.A. Recum. 2008. Electrospinning: Applications in drug delivery and tissue engineering. Biomaterials 29: 1989-2006.
• Wang, C.Y. 1998. Methyl jasmonate inhibits postharvest sprouting and improves storage quality of radishes. Postharvest Biology and Technology 14: 179-183.

• Facebook
• Twitter
• Line

พนิดา บุญฤทธิ์ธงไชย วาริช ศรีละออง สุริยัณห์ สุภาพวานิช