การวิเคราะห์สารอินทรีย์ระเหยได้ในตัวอย่างข้าวด้วยเทคนิค GC-IMS
บทนำ
ข้าวแต่ละสายพันธุ์มีความแตกต่างกันทั้งรูปร่าง ลักษณะ ตลอดจนรสสัมผัส ซึ่งวิธีการคัดแยกสายพันธุ์ของข้าวด้วยลักษณะดังกล่าวจำเป็นต้องเป็นผู้เชี่ยวชาญที่ได้รับการฝึกฝนเพื่อให้สามารถแยกสายพันธุ์ได้อย่างชัดเจน แต่สิ่งหนึ่งที่ข้าวแต่ละสายพันธุ์มีลักษณะเฉพาะคือ ”กลิ่น” ซึ่งเป็นกลุ่มสารอินทรีย์ระเหยได้ (Volatile Organics Compounds; VOCs) ที่มีอยู่ในข้าวแต่ละสายพันธุ์ ดังนั้นจึงสามารถใช้การวิเคราะห์สาร VOCs มาช่วยในการคัดแยกสายพันธุ์ของข้าวได้
สำหรับวิธีการวิเคราะห์สาร VOCs ที่ได้รับความนิยมในปัจจุบันคือเทคนิคแก๊สโครมาโทกราฟี (Gas Chromatography; GC) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ในการแยกสารผสมออกจากกันแล้วตรวจวัด เหมาะสำหรับวิเคราะห์สารที่มีคุณสมบัติระเหยกลายเป็นไอได้ง่าย จึงสามารถวิเคราะห์สาร VOCs ในข้าวได้เป็นอย่างดี แต่บางครั้งหากในตัวอย่างมีสารผสมหลากหลายชนิดอาจจะทำให้การวิเคราะห์ด้วยเทคนิค GC จำเป็นจะต้องใช้ระยะเวลาในการวิเคราะห์นานขึ้น เพื่อให้สามารถแยกสารผสมได้อย่างดีก่อนทำการตรวจวัด จึงได้มีการพัฒนาให้เกิดการแยกแบบสองขั้น (2มิติ; two-dimensional;2D) โดยการแยกสารผสมครั้งที่สองเกิดขึ้นที่ตัวตรวจวัดที่เรียกว่า Ion Mobility Spectrometry (IMS) โดยทำหน้าที่แยกไอออนของสารตัวอย่างก่อนตรวจวัด ทำให้เทคนิค GC-IMS สามารถวิเคราะห์สาร VOCs ได้ในระยะเวลาที่สั้นกว่าเมื่อเทียบกับเทคนิค GC เดิม
GC-IMS มีขั้นตอนการทำงานโดยเริ่มจากนำตัวอย่างที่อยู่ในรูปสารระเหยเข้าสู่ระบบที่ส่วนฉีดสาร จากนั้นสารตัวอย่างจะถูกพาเข้าสู่คอลัมน์ เพื่อทำการแยกสารผสมออกจากกันและเข้าสู่ IMS เพื่อแยกไอออนของสารผสม (ที่อาจจะ ไม่แยกที่คอลัมน์) ทำให้เกิดการแยกสารแบบสองมิติ ช่วยให้การวิเคราะห์สารผสมทำได้ง่ายมากยิ่งขึ้น
เฮดสเปซ (Headspace) เป็นเทคนิคนิยมใช้สำหรับการสกัดสาร VOCs โดยขั้นตอนการทำงานเริ่มการให้ความร้อนกับตัวอย่างที่บรรจุอยู่ในขวดที่ปิดสนิท เพื่อให้สาร VOCs ระเหย จากนั้นจึงนำไอระเหยของสารที่สนใจเข้าสู่เครื่อง GC-IMS เพื่อแยกและวิเคราะห์ถัดไป วิธีการนี้ช่วยลดขั้นตอนการเตรียมตัวอย่างให้สามารถทำได้รวดเร็ว ไม่ยุ่งยากลดการใช้สารละลายในการสกัดรวมไปถึงลดสารละลายของเสียอีกด้วย
เครื่องมือและวิธีการวิเคราะห์
- เตรียมตัวอย่าง
ชั่งตัวอย่างข้าวหอม 5 กรัมลงในขวดตัวอย่างขนาด 20 มิลลิลิตร ปิดฝาให้แน่นแล้วนำไปวางบนเครื่องเตรียมตัวอย่างอัตโนมัติ
ผลการวิเคราะห์
- Topographic plots (GC-IMS-Chromatogram)
จุดสีในโครมาโตแกรม เรียกว่า Contour Plot แต่ละจุดแสดงถึงสารที่ตรวจวัดได้ในตัวอย่าง และระดับความเข้มของสีจะแสดงถึงความสูงของพีกที่มีความสัมพันธ์กับความเข้มข้น หรือ ปริมาณสารแต่ละชนิด โดย สีเข้มหมายถึงความเข้มข้นสูง สีอ่อนหมายถึงความเข้มข้นต่ำ
- Parallel Plotting: Reporter เป็นการเปรียบเทียบโครมาโทแกรมของตัวอย่างเพื่อหาความเหมือนหรือแตกต่างกันในตัวอย่างแต่ละกลุ่ม
2.1 เปรียบเทียบ ผลการวิเคราะห์ของตัวอย่างข้าวหอมมะลิ ปีเก่ากับปีใหม่ (ทุกตัวอย่าง) เพื่อหาความแตกต่างของสารที่ตรวจวัดได้
จากการเปรียบเทียบผลการวิเคราะห์ระหว่างข้าวหอมมะลิใหม่ (เพิ่งเก็บเกี่ยวไม่เกิน 3 เดือน) กับข้าวหอมมะลิเก่า (เก็บเกี่ยวเกิน 12 เดือน) พบว่ามีสารบางชนิดที่มีความเข้มสูงขึ้นเมื่อผ่านระยะเวลาการเก็บรักษา ทำให้สามารถนำสารดังกล่าวมาเป็นสารบ่งชี้ (Marker compounds) ชนิดของข้าวใหม่และข้าวเก่าได้
2.2 เปรียบเทียบ ผลการวิเคราะห์ของตัวอย่างข้าวหอมมะลิ กับข้าวกข6 เพื่อหาความแตกต่างของสารที่ตรวจวัดได้
เมื่อเปรียบเทียบผลการวิเคราะห์ระหว่างตัวอย่างข้าวหอมมะลิและข้าวกข6 ซึ่งเป็นคนละสายพันธ์ พบว่ามีสารบางชนิดที่มีความแตกต่างกัน ซึ่งเป็นสารที่พบในข้าวหอมมะลิมากกว่าข้าวกข6 จึงสามารถนำสารดังกล่าวมาเป็นสารบ่งชี้สายพันธุ์ของข้าวได้
- Gallery Plot เลือกจุด Contour Plot ที่สามารถนำมาแยกชนิดของตัวอย่างเพื่อเปรียบเทียบความเข้มที่ตรวจวัดได้ในตัวอย่าง
จากการเปรียบเทียบจุด Contour Plot พบว่าสามารถแยกตัวอย่างที่เป็นข้าวใหม่และข้าวเก่า ออกจากกันได้ด้วยการใช้จุด Old1 Old2 และ Old3 โดยดูจากรูปจะเห็นได้ว่าตัวอย่าง
1,3,5,7,9,11 และ 13 ซึ่งเป็นตัวอย่างข้าวหอมมะลิปีเก่า (64/65) แสดงสีที่ตำแหน่งของจุด Old1 Old2 และ Old3 ชัดเจนส่วนตัวอย่าง 2,4,6,8,10,12,14,15-18 ซึ่งเป็นตัวอย่างใหม่จะไม่ปรากฏสี หรือมีเพียงเล็กน้อยที่ตำแหน่งดังกล่าว และการใช้จุด Contour Plot เพื่อแยกข้าวหอมมะลิและข้าวกข6 ออกจากกันสามารถใช้จุด Hom ในการแยกได้โดยในตัวอย่าง 17 และ 18 ซึ่งเป็นข้าวกข6 ไม่แสดงสีในจุดดังกล่าว
- Principal Component Analysis (PCA)
การนำส่งข้อมูลเพื่อประมวลผลต่อในรูปแบบของ PCA เพื่อหาความสัมพันธ์ของข้อมูลในการแบ่งกลุ่มตัวอย่างสามารถทำได้ง่ายในซอฟแวร์เดียวกัน การวิเคราะห์ซ้ำของตัวอย่างแต่ละชุดให้ผลการวิเคราะห์ใกล้เคียงกันดังแสดงในรูป
จากการวิเคราะห์ตัวอย่างข้าวที่ได้รับมา สามารถใช้เครื่อง FlavourSpec ซึ่งใช้เทคนิค GC-IMS แยก และวิเคราะห์ความแตกต่างของกลุ่มตัวอย่างได้ โดยเมื่อมีกลุ่มตัวอย่างมากขึ้นจะส่งผลทำให้ให้การวิเคราะห์เพื่อแยกชนิดหรือกลุ่มตัวอย่างได้อย่างถูกต้องมากยิ่งขึ้น อีกทั้งการวิธีการนี้ยังมีขั้นตอนการเตรียมตัวอย่างที่ไม่ยุ่งยากและใช้เวลาในการวิเคราะห์สั้นเพียง 15 นาทีเท่านั้น
นอกเหนือจากการวิเคราะห์ตัวอย่างข้าวแล้ว เครื่อง FlavourSpec ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์กลิ่นในอาหารและเครื่องดื่มต่างๆได้ในอนาคตอีกด้วย
....
ดาวน์โหลดเอกสาร : www.scispec.co.th/app/2023TH/AN23_GCIMS_Rice.pdf
ติดต่อสอบถาม : https://www.scispec.co.th/contact.html