ไมโครเวฟเซ็นเซอร์สำหรับตรวจวัดความเข้มข้นของน้ำตาล

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. สุภกร หาญสูงเนิน และอาจารย์ ดร. อนุวัฒน์ วันทอง จากหน่วยปฏิบัติการวิจัยนวัตกรรมเลียนแบบธรรมชาติเพื่อความยั่งยืนทางการเกษตร สุขภาพ สิ่งแวดล้อม และพลังงาน คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม ได้พัฒนาไมโครเวฟเซ็นเซอร์สำหรับตรวจวัดความเข้มข้นของน้ำตาล ซึ่งได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยในวารสาร Food Chemistry ในปี ค.ศ. 2017

(Harnsoongnoen, S., & Wanthong, A. (2017). Real-time monitoring of sucrose, sorbitol, d-glucose and d-fructose concentration by electromagnetic sensing. Food Chemistry, 232, 566-570) (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030881461730626X)

น้ำตาล (Sugar) เป็นสารประกอบคาร์โบไฮเดรตประเภทโมโนแซ็กคาไรด์ (monosaccharide) และไดแซ็กคาไรด์ (disaccharide) ซึ่งมีอยู่ในพืช ผลไม้ อาหาร และเครื่องดื่มต่าง ๆ น้ำตาลที่พบในผักและผลไม้ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของน้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว (monosaccharides) และน้ำตาลโมเลกุลคู่ (disaccharides) โดยน้ำตาลที่เป็นองค์ประกอบหลักที่สำคัญในผัก และผลไม้ ได้แก่ ซูโครส (sucrose) กลูโคส (glucose) ฟรุกโตส (fructose) และซอบิทอล (sorbitol) น้ำตาลนอกจากจะเป็นสารที่ให้ความหวานแล้วยังเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญของร่างกายอีกด้วย จากความสำคัญของน้ำตาลดังที่กล่าวไปแล้ว ส่งผลให้ปริมาณน้ำตาลถูกนำมาใช้เป็นตัวชี้วัดสำหรับประเมินคุณภาพผลผลิตทางการเกษตร อุตสาหกรรมอาหาร อุตสาหกรรมเครื่องดื่ม และสุขภาพ เป็นต้น

การตรวจวัดปริมาณน้ำตาลสามารถทำได้หลายวิธี ได้แก่ refractometry, polarimetry, chromatography, biosensor, brix hydrometer, wet chemical และ spectroscopy เป็นต้น อย่างไรก็ตามวิธีการดังกล่าวข้างต้นยังคงต้องใช้เวลาในการวัดที่นาน ใช้จำนวนตัวอย่างที่มาก มีกระบวนการในการเตรียมตัวอย่างที่ซับซ้อน อุปกรณ์มีราคาสูง นอกจากนี้ยังต้องใช้บุคลากรที่มีความเชี่ยวชาญสูงในการใช้งานซึ่งต้องเสียค่าใช้จ่ายในการฝึกทักษะที่สูงและยาวนาน จากอุปสรรคและข้อจำกัดดังกล่าวจึงนำมาซึ่งการพัฒนาเซ็นเซอร์ และเทคนิคในการตรวจวัดความเข้มข้นของน้ำตาลของคณะผู้วิจัย

 

research

ภาพประกอบที่ 1 ไมโครเวฟเซ็นเซอร์โครงสร้างสายนำสัญญาณแบบท่อนำคลื่นระนาบร่วมชนิดที่มีตัวกำทอนวงแหวนแยกเดี่ยวอยู่ด้านล่าง

       เซ็นเซอร์ที่ทำการพัฒนามีโครงสร้างแสดงดังภาพประกอบที่ 1 ซี่งแบ่งออกเป็นสองส่วนหลัก ๆ คือ ส่วนที่เป็นเซ็นเซอร์โครงสร้างสายนำสัญญาณแบบท่อนำคลื่นระนาบร่วมชนิดที่มีตัวกำทอนวงแหวนแยกเดี่ยวอยู่ด้านล่าง และส่วนบรรจุสารละลายน้ำตาลที่ใช้ในการทดสอบซึ่งมีโครงสร้างทรงกระบอกกรวง เซ็นเซอร์และระบบตรวจวัดที่ทำการพัฒนาในครั้งนี้ทำงานโดยอาศัยหลักการของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านความถี่ไมโครเวฟ จากการทดสอบวัดสารละลายน้ำตาล (ซูโครส ดี-กลูโคส ดี-ฟรุกโตส และซอบิทอล) ที่ความเข้มข้นระหว่าง 0.04 ถึง 0.20 g/ml พบว่าความเข้มข้นของสารละลายน้ำตาลทั้งสี่ชนิดที่นำมาทดสอบมีความสัมพันธ์โดยตรงกับสัมประสิทธิ์การส่งผ่าน (S21) ในลักษณะเชิงเส้น กล่าวคือเราสามารถหาความเข้มข้นของน้ำตาลแต่ละชนิดได้โดยทำการวัดผ่านค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่าน (S21) ที่ได้จากเซ็นเซอร์ที่ทำการพัฒนา อย่างไรก็ตามผลการวิจัยดังกล่าวนี้ยังคงต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมอย่างต่อเนื่องเพื่อให้สามารถนำไปใช้ในการวัดหาความเข้มข้นของน้ำตาลที่มีความซับซ้อนอันเนื่องมาจากการผสมกันขององค์ประกอบน้ำตาลชนิดต่าง ๆ ร่วมไปถึงแร่ธาตุที่อยู่ในรูปของไอออนภายในผลผลิตทางการเกษตร อุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม เพื่อใช้ในการวิเคราะห์และประเมินคุณภาพของผลผลิต อย่างไรก็ดีผลการวิจัยดังกล่าวนี้นับเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีในการพัฒนาและหาเทคนิคใหม่ ๆ ในการตรวจวัดความเข้มข้นของน้ำตาลที่มีความรวดเร็วแบบเวลาจริง (real time)  มีความจำเพาะ และมีความแม่นยำ เป็นต้น