จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose หรือ E-nose) คือเครื่องมือที่ใช้เซนเซอร์เคมีหลายตัวทำงานร่วมกันเป็นอาร์เรย์ (Chemical Sensor Array) เพื่อวัดไอระเหยเหนือตัวอย่าง แล้วใช้การรู้จำรูปแบบ (Pattern Recognition) แปลงสัญญาณที่ได้เป็น “ลายนิ้วมือกลิ่น” (Aroma Fingerprint) สำหรับเปรียบเทียบกับตัวอย่างอ้างอิง E-nose ไม่ได้ระบุว่ามีสารระเหยชนิดใดอยู่บ้าง แต่บอกได้ว่ารูปแบบกลิ่นของตัวอย่างเหมือนหรือต่างจากตัวอย่างอ้างอิงมากน้อยเพียงใด (Wilson & Baietto, 2009)
ในตลาดน้ำหอม น้ำมันหอมระเหย เครื่องดื่มเชิงฟังก์ชัน (Functional Drink) และเครื่องสำอางที่ขายด้วยกลิ่น กลิ่นเป็นสิ่งที่ผู้บริโภคจดจำและผูกพันกับแบรนด์ในระยะยาว สูตรน้ำหอมที่พัฒนามาหลายปีอาจเสียลูกค้าได้ภายในไม่กี่เดือนหากกลิ่นเปลี่ยนไปจากที่ผู้บริโภคจำได้ น้ำมันหอมระเหยที่ขายด้วยเอกลักษณ์ของกลิ่นแต่ละชนิด เช่น ลาเวนเดอร์หรือเปปเปอร์มินต์ ก็ต้องรักษากลิ่นตามที่ผู้บริโภคคาดหวังตลอดอายุการเก็บรักษา การควบคุมกลิ่นให้สม่ำเสมอและตรวจสอบได้จึงเป็นเครื่องมือสร้างความเชื่อมั่นในแบรนด์
การวิเคราะห์กลิ่นด้วยเครื่องมือแบบเดิม เช่น แก๊สโครมาโทกราฟี-แมสสเปกโทรเมตรี (Gas Chromatography–Mass Spectrometry: GC-MS) ให้ข้อมูลละเอียดของสารระเหยแต่ละชนิด แต่ต้องแยกสารทีละตัวและมีขั้นตอนการวิเคราะห์มากกว่า จึงไม่เหมาะกับการตรวจปล่อยล็อตจำนวนมากในระดับโรงงาน หรือการเปรียบเทียบสูตรจำนวนมากในงานวิจัยและพัฒนา E-nose วัดไอระเหยเหนือตัวอย่างทั้งชุดพร้อมกันโดยไม่ต้องแยกสาร จึงเหมาะกับการจำแนกและเปรียบเทียบรูปแบบกลิ่นของตัวอย่างจำนวนมาก และใช้ร่วมกับ GC-MS เมื่อต้องการทราบว่าสารใดเปลี่ยนไป
ห้องปฏิบัติการวิสไบโอให้บริการวิเคราะห์รูปแบบกลิ่นด้วย E-nose ร่วมกับห้องปฏิบัติการพันธมิตร และประมวลผลด้วยการรู้จำรูปแบบ ได้แก่ การวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (Principal Component Analysis: PCA) และการวิเคราะห์จำแนกเชิงเส้น (Linear Discriminant Analysis: LDA) ครอบคลุมตัวอย่างเครื่องดื่มเชิงฟังก์ชัน น้ำหอม น้ำมันหอมระเหย เครื่องสำอางที่มีกลิ่นเป็นจุดขาย ขนม และผลิตภัณฑ์อาหารที่ต้องการตรวจความสม่ำเสมอของกลิ่นระหว่างล็อต
ทำไมอุตสาหกรรมจึงใช้ E-nose ติดตามกลิ่นของผลิตภัณฑ์
ในขั้นการพัฒนาสูตรน้ำหอมและผลิตภัณฑ์ที่มีกลิ่นเป็นจุดขาย E-nose ช่วยให้ทีมพัฒนาสูตรเปรียบเทียบสูตรต้นแบบหลายสูตร และระบุได้ว่าสูตรใดมีรูปแบบกลิ่นใกล้เคียงกับตัวอย่างอ้างอิง (Reference Sample) ที่กำหนดมากที่สุด การวัดไม่ต้องเตรียมตัวอย่างที่ซับซ้อนและไม่ต้องแยกสาร ทีมวิจัยและพัฒนาจึงเปรียบเทียบสูตรได้หลายเวอร์ชันในรอบการทดลองเดียวกัน
ในการตรวจปล่อยล็อตเชิงพาณิชย์ E-nose เหมาะกับการตรวจความสม่ำเสมอของกลิ่นระหว่างล็อต แต่ละล็อตที่ผลิตถูกเปรียบเทียบกับตัวอย่างอ้างอิงหลัก (Master Reference) ที่เก็บไว้ ค่าความคล้ายคลึงของรูปแบบกลิ่น (Pattern Similarity Score) ที่สูงกว่าเกณฑ์ที่ตั้งไว้ เช่น 0.85 จาก 1.00 บ่งบอกว่ารูปแบบกลิ่นของล็อตนั้นใกล้เคียงกับตัวอย่างอ้างอิง ตัวเลข 0.85 เป็นเพียงตัวอย่าง เกณฑ์จริงต้องตั้งจากข้อมูลของผลิตภัณฑ์แต่ละชนิด ส่วนค่าที่ต่ำกว่าเกณฑ์เป็นสัญญาณให้ตรวจสอบวัตถุดิบและกระบวนการผลิต ก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะเข้าสู่ห่วงโซ่อุปทาน
ในการศึกษาความคงตัวของกลิ่น (Aroma Stability) E-nose ใช้ติดตามการเปลี่ยนแปลงของรูปแบบกลิ่นตลอดอายุการเก็บรักษา ทั้งภายใต้สภาวะปกติและสภาวะเร่ง น้ำหอมและน้ำมันหอมระเหยที่ขายในไทยและอาเซียนเผชิญอุณหภูมิและความชื้นที่สูงกว่าตลาดยุโรปและอเมริกาเหนือ สารระเหยบางชนิดจึงอาจระเหยหรือเสื่อมจนกลิ่นเปลี่ยนเร็วกว่าที่ผู้พัฒนาคาดไว้ ข้อมูลการเปลี่ยนแปลงของรูปแบบกลิ่นเชิงตัวเลขช่วยให้แบรนด์กำหนดอายุการเก็บรักษาที่เหมาะสม และเลือกบรรจุภัณฑ์ที่ช่วยลดการสูญเสียกลิ่นได้
ในการรับวัตถุดิบ E-nose ใช้คัดกรองเบื้องต้นว่าน้ำมันหอมระเหยหรือสารแต่งกลิ่นที่ได้รับจากผู้ส่งวัตถุดิบมีรูปแบบกลิ่นตรงกับล็อตอ้างอิงที่ผ่านการตรวจรับแล้วหรือไม่ หากรูปแบบกลิ่นต่างไป ถือเป็นสัญญาณให้ตรวจสอบเพิ่มเติม แต่ E-nose พิสูจน์ไม่ได้ว่าวัตถุดิบเป็นของแท้หรือมีสารสังเคราะห์ปน เพราะไม่ได้ระบุชนิดของสาร การยืนยันต้องวิเคราะห์องค์ประกอบด้วย GC-MS และทดสอบตามข้อกำหนดเฉพาะของวัตถุดิบ การคัดกรองในขั้นนี้ช่วยลดความเสี่ยงที่จะรับวัตถุดิบที่ไม่ตรงข้อกำหนด และลดโอกาสที่ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจะไม่ตรงกับข้อความที่แบรนด์สื่อสารกับผู้บริโภค
หลักการของการวิเคราะห์กลิ่นด้วย Electronic Nose
หลักการพื้นฐานของ E-nose คือการเลียนแบบระบบรับกลิ่นของมนุษย์ (Persaud & Dodd, 1982) จมูกของมนุษย์มีตัวรับกลิ่น (Olfactory Receptor) จำนวนมากที่ตอบสนองต่อสารระเหยแต่ละชนิดด้วยความแรงต่างกัน แล้วสมองประมวลข้อมูลจากตัวรับทั้งหมดเพื่อจำแนกและจดจำกลิ่น E-nose ทำงานในลักษณะเดียวกัน โดยใช้เซนเซอร์เคมีหลายตัวที่แต่ละตัวตอบสนองต่อสารระเหยได้หลายชนิดในระดับต่างกัน เมื่อไอระเหยในช่องเหนือตัวอย่าง (Headspace) ผ่านอาร์เรย์เซนเซอร์ เซนเซอร์แต่ละตัวให้สัญญาณไฟฟ้าที่บอกความแรงของการตอบสนอง และสัญญาณจากเซนเซอร์ทั้งหมดรวมกันเป็นลายนิ้วมือกลิ่นเฉพาะของตัวอย่าง
การประมวลผลข้อมูลใช้การรู้จำรูปแบบ วิธีหลักคือการวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (PCA) ซึ่งลดมิติของข้อมูลจากเซนเซอร์หลายตัวเหลือ 2–3 มิติ แล้วแสดงเป็นแผนภาพ ตัวอย่างที่มีกลิ่นคล้ายกันจะอยู่ใกล้กัน ตัวอย่างที่มีกลิ่นต่างกันจะอยู่ห่างกัน ค่าความคล้ายคลึงของรูปแบบกลิ่นคำนวณจากระยะห่างระหว่างตัวอย่างในแผนภาพนี้ ส่วนการวิเคราะห์จำแนกเชิงเส้น (LDA) ใช้จำแนกตัวอย่างเข้ากลุ่มที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เช่น “ผ่านเกณฑ์” หรือ “ไม่ผ่านเกณฑ์”
ในเชิงเทคนิค มีปัจจัยสามข้อที่กำหนดความน่าเชื่อถือของผล หนึ่งคือฐานข้อมูลตัวอย่างอ้างอิงที่ครบถ้วนสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ทดสอบ E-nose ให้ผลที่มีความหมายก็ต่อเมื่อมีตัวอย่างอ้างอิงครอบคลุมพอสำหรับการเปรียบเทียบ ลูกค้าที่ส่งตัวอย่างใหม่โดยยังไม่มีตัวอย่างอ้างอิงจึงต้องเริ่มจากการสร้างฐานข้อมูลก่อน สองคือการควบคุมเงื่อนไขการวัด ได้แก่ อุณหภูมิและความชื้นของห้องวัด ระยะเวลาที่ปล่อยให้ไอระเหยในช่องเหนือตัวอย่างเข้าสู่สมดุล (Equilibration) และระยะเวลาระหว่างการวัดแต่ละครั้ง เพราะการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยทำให้ผลคลาดเคลื่อนได้ สามคือการดูแลเซนเซอร์ ซึ่งต้องสอบเทียบและทำความสะอาดเป็นประจำ เพราะสัญญาณของเซนเซอร์เคมีเลื่อนไปตามเวลาได้ (Sensor Drift)
E-nose มีข้อจำกัดที่ควรเข้าใจก่อนนำผลไปใช้ ประการแรก E-nose ไม่ได้ระบุชนิดหรือปริมาณของสารระเหยแต่ละตัว สัญญาณของเซนเซอร์ช่วยบอกได้เพียงทิศทางว่าสารระเหยกลุ่มใดน่าจะเปลี่ยนไป หากต้องการทราบว่าสารใดเปลี่ยนต้องใช้ GC-MS ประการที่สอง รูปแบบสัญญาณของเซนเซอร์ไม่เท่ากับกลิ่นที่มนุษย์รับรู้ หากต้องการประเมินว่าผู้บริโภครู้สึกถึงความแตกต่างหรือไม่ ต้องใช้การประเมินทางประสาทสัมผัสโดยผู้ทดสอบที่ผ่านการฝึก (Wilson & Baietto, 2009; Loutfi et al., 2015)
ขอบเขตบริการวิเคราะห์กลิ่นด้วย E-nose ของห้องปฏิบัติการวิสไบโอ
บริการของห้องปฏิบัติการวิสไบโอ ซึ่งดำเนินการร่วมกับห้องปฏิบัติการพันธมิตร ครอบคลุมตัวอย่างสามกลุ่ม
- น้ำหอมและน้ำมันหอมระเหย: น้ำหอม น้ำมันหอมระเหยเดี่ยว เช่น ลาเวนเดอร์ ตะไคร้หอม เปปเปอร์มินต์ และคาโมมายล์ น้ำมันหอมระเหยผสม (Essential Oil Blend) สำหรับอโรมาเทอราพี และน้ำมันสำหรับเครื่องกระจายกลิ่น (Diffuser)
- เครื่องดื่มเชิงฟังก์ชันและอาหาร: กาแฟ ชา เครื่องดื่มสมุนไพร เครื่องดื่มผสมสารสกัด และผลิตภัณฑ์อาหารที่มีกลิ่นเป็นจุดขาย
- เครื่องสำอางที่มีกลิ่นเป็นจุดขาย: ครีมบำรุง โลชั่น ครีมกันแดด แชมพู และครีมอาบน้ำที่มีกลิ่นเฉพาะของแบรนด์ (Signature Scent)
ผลที่รายงานประกอบด้วยค่าความคล้ายคลึงของรูปแบบกลิ่นเมื่อเทียบกับตัวอย่างอ้างอิง ผลการจำแนกผ่านหรือไม่ผ่านเกณฑ์ที่กำหนด แผนภาพ PCA ที่แสดงตำแหน่งของตัวอย่างเทียบกับฐานข้อมูลอ้างอิง สัญญาณของเซนเซอร์แต่ละตัว (Sensor Response Profile) สำหรับการตีความเชิงลึก และการเปรียบเทียบระหว่างล็อตหรือระหว่างจุดเก็บตัวอย่างในการศึกษาความคงตัว ลูกค้าเลือกได้ระหว่างการทดสอบครั้งเดียวสำหรับการตรวจปล่อยล็อต หรือการศึกษาต่อเนื่องเพื่อติดตามความคงตัวของกลิ่นตลอดอายุการเก็บรักษา
การนำผลการวิเคราะห์กลิ่นด้วย E-nose ไปใช้ประโยชน์
ผลการวิเคราะห์ด้วย E-nose ใช้ได้ในหลายช่วงของผลิตภัณฑ์
- ขั้นวิจัยและพัฒนา: ใช้เปรียบเทียบสูตรต้นแบบหลายเวอร์ชันและเลือกสูตรที่มีรูปแบบกลิ่นใกล้เคียงตัวอย่างอ้างอิงมากที่สุด และทดสอบผลกระทบเมื่อเปลี่ยนผู้ส่งน้ำมันหอมระเหย ซึ่งอาจมีองค์ประกอบของสารระเหยต่างกันแม้เป็นน้ำมันชนิดเดียวกัน
- ขั้นรับวัตถุดิบ: ใช้คัดกรองว่าน้ำมันหอมระเหยและสารสกัดที่ได้รับมีรูปแบบกลิ่นตรงกับล็อตอ้างอิงหรือไม่ และส่งตัวอย่างที่ผิดปกติไปวิเคราะห์ยืนยันด้วย GC-MS
- ขั้นการผลิตเชิงพาณิชย์: ใช้เป็นเกณฑ์ตรวจปล่อยล็อตเชิงตัวเลขที่ตรวจความสม่ำเสมอของกลิ่นระหว่างล็อต
- การศึกษาความคงตัว: ใช้คู่กับการศึกษาความคงตัวด้านอื่น เพื่อยืนยันว่ารูปแบบกลิ่นยังอยู่ในเกณฑ์ตลอดอายุการเก็บรักษา
- ขั้นส่งออก: ใช้เป็นเอกสารแนบใบรับรองผลการวิเคราะห์ (Certificate of Analysis: COA) สำหรับผู้ซื้อบางรายที่กำหนดเกณฑ์ความคล้ายคลึงของรูปแบบกลิ่นไว้ในข้อตกลงทางการค้า
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ E-nose
E-nose หรือจมูกอิเล็กทรอนิกส์คืออะไร
E-nose คือเครื่องมือที่ใช้อาร์เรย์เซนเซอร์เคมีหลายตัววัดไอระเหยเหนือตัวอย่าง แล้วใช้การรู้จำรูปแบบแปลงสัญญาณเป็นลายนิ้วมือกลิ่นสำหรับเปรียบเทียบกับตัวอย่างอ้างอิง หลักการเลียนแบบระบบรับกลิ่นของมนุษย์ที่มีตัวรับกลิ่นจำนวนมากทำงานร่วมกัน
E-nose ต่างจาก GC-MS อย่างไร
GC-MS แยกและระบุสารระเหยแต่ละชนิดได้ละเอียด ส่วน E-nose วัดไอระเหยทั้งชุดพร้อมกันโดยไม่แยกสาร จึงเหมาะกับการเปรียบเทียบรูปแบบกลิ่นของตัวอย่างจำนวนมาก สองวิธีนี้ใช้ร่วมกันได้ โดยใช้ GC-MS เมื่อต้องการทราบว่าสารใดเปลี่ยนไป
E-nose ตรวจได้ไหมว่าน้ำมันหอมระเหยเป็นของแท้
ตรวจโดยลำพังไม่ได้ E-nose คัดกรองได้ว่ารูปแบบกลิ่นของวัตถุดิบต่างจากล็อตอ้างอิงหรือไม่ แต่ไม่ได้ระบุชนิดของสาร การยืนยันว่ามีสารสังเคราะห์ปนหรือไม่ต้องวิเคราะห์องค์ประกอบด้วย GC-MS และทดสอบตามข้อกำหนดเฉพาะของวัตถุดิบ
ค่าความคล้ายคลึงของรูปแบบกลิ่น (Pattern Similarity Score) บอกอะไร
บอกว่ารูปแบบกลิ่นของตัวอย่างใกล้เคียงกับตัวอย่างอ้างอิงมากน้อยเพียงใด ค่าที่สูงกว่าเกณฑ์ที่ตั้งไว้แสดงว่ารูปแบบกลิ่นใกล้เคียงกับตัวอย่างอ้างอิง ส่วนเกณฑ์ของแต่ละผลิตภัณฑ์ต้องตั้งจากข้อมูลของผลิตภัณฑ์นั้น
ทำไมต้องมีตัวอย่างอ้างอิงก่อนเริ่มทดสอบ
E-nose ให้ผลที่มีความหมายก็ต่อเมื่อมีตัวอย่างอ้างอิงครอบคลุมพอสำหรับการเปรียบเทียบ ผลิตภัณฑ์ที่ยังไม่มีตัวอย่างอ้างอิงจึงต้องเริ่มจากการสร้างฐานข้อมูลก่อน
ห้องปฏิบัติการวิสไบโอรับวิเคราะห์ตัวอย่างประเภทใดบ้าง
รับน้ำหอมและน้ำมันหอมระเหย เครื่องดื่มเชิงฟังก์ชันและอาหาร เช่น กาแฟ ชา และเครื่องดื่มสมุนไพร และเครื่องสำอางที่มีกลิ่นเป็นจุดขาย เช่น ครีมบำรุง โลชั่น แชมพู และครีมอาบน้ำ
เอกสารอ้างอิง:
- Loutfi, A., Coradeschi, S., Mani, G. K., Shankar, P., & Rayappan, J. B. B. (2015). Electronic noses for food quality: A review. Journal of Food Engineering, 144, 103–111. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2014.07.019
- Persaud, K., & Dodd, G. (1982). Analysis of discrimination mechanisms in the mammalian olfactory system using a model nose. Nature, 299(5881), 352–355. https://doi.org/10.1038/299352a0
- Wilson, A. D., & Baietto, M. (2009). Applications and advances in electronic-nose technologies. Sensors, 9(7), 5099–5148. https://doi.org/10.3390/s90705099