TSAE Journal Vol. 20-1 by สมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย

ย ท ไ

ศ ท ะเ

ร ป ่ง ห แ ร ิ์ ต ธ ษ ิท ก เ ิขส ม ร นล ร ก งว ว ส วิศ

สม

ม ค า

คณะกรรมการสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ประจาปี พ.ศ. 2556 – 2557 ที่ปรึกษา ฯพณฯ นายอาพล เสนาณรงค์ ฯพณฯ พลเอกสุรยุทธ์ จุลานนท์ ศ. ดร. สมชาติ โสภณรณฤทธิ์ ศ. ดร. อรรถพล นุํมหอม ศ. ดร. สุรินทร์ พงศ์ศุภสมิทธิ์ รศ. ดร. ธวัชชัย ทิวาวรรณวงศ์ รศ. ดร. วินิต ชินสุวรรณ

Prof. Dr. Vilas M Salokhe Prof. Dr. Gajendra Singh Prof. Dr. Chin Chen Hsieh ดร. สุภาพ เอื้อวงศ์กูล นายทรงศักดิ์ วงศ์ภูมิวัฒน์ นายสุรเวทย์ กฤษณะเศรณี

นายโอฬาร พิทักษ์ นายวิกรม วัชรคุปต์ นายสมชัย ไกรครุฑรี นายปราโมทย์ คล๎ายเนตร นายสุวิทย์ เทิดเทพพิทักษ์ นายชนะธัช หยกอุบล

กรรมการบริหาร

รร

วก

สม

าค ม

วิศ

ระ เท ศไ

ทย

นางดาเรศร์ กิตติโยภาส ผศ. ดร. วีรชัย อาจหาญ ศ. ดร. สมชาติ โสภณรณฤทธิ์ รศ. ดร. ปานมนัส ศิริสมบูรณ์ ผศ. ดร. สมโภชน์ สุดาจันทร์ ผศ. ดร. สุเนตร สืบค๎า นายณรงค์ ปัญญา นางสาวฐิติกานต์ กลัมพสุต นายชีรวรรธก์ มั่นกิจ ดร. วัชรพล ชยประเสริฐ ดร. วันรัฐ อับดุลลากาซิม นายนเรสน์ รังสิมันตศิริ นางสาวนฤมล ลดาวัลย์ ณ อยุธยา นายอนุรักษ์ เรือนหล๎า

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

นายกสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย อุปนายก ประธานฝ่ายวิชาการ ผู๎ชํวยประธานฝ่ายวิชาการ ผู๎ชํวยประธานฝ่ายวิชาการ ผู๎ชํวยประธานฝ่ายวิชาการ เลขาธิการ เหรัญญิก นายทะเบียน สาราณียกร ผู๎ชํวยสาราณียกร ปฏิคม ประชาสัมพันธ์ ผู๎ประสานงานกลาง

กรรมการกลางและวิชาการ รศ. ดร. สมยศ เชิญอักษร รศ. ดร. ธัญญา นิยมาภา รศ. ดร. ธัญญะ เกียรติวัฒน์ รศ. ดร. ปานมนัส ศิริสมบูรณ์ รศ. สาทิป รัตนภาสกร ผศ. ดร. สมโภชน์ สุดาจันทร์ ผศ. ดร. เสรี วงส์พิเชษฐ ดร. ชัยพล แก๎วประกายแสงกูล รศ. ดร. สัมพันธ์ ไชยเทพ รศ. ดร. วิชัย ศรีบุญลือ ผศ. เธียรชัย สันดุษฎี นายไพศาล พันพึ่ง ผศ. ฉัตรชาย ศุภจารีรักษ์ รศ. กิตติพงษ์ วุฒิจานง

ดร. สมเกียรติ เฮงนิรันดร์ ผศ. ดร. ผดุงศักดิ์ วานิชชัง รศ. จิราภรณ์ เบญจประกายรัตน์ รศ. ดร. รุํงเรือง กาลศิริศิลป์ ผศ. ดร. ศิวลักษณ์ ปฐวีรัตน์ ดร. วันรัฐ อับดุลลากาซิม รศ. ดร. รังสินี โสธรวิทย์ รศ. ดร. ประเทือง อุษาบริสุทธิ์ รศ. มานพ ตันตระบัณฑิตย์ ผศ. ดร. สุเนตร สืบค๎า ผศ. ภรต กุญชร ณ อยุธยา ดร. วสันต์ จอมภักดี ดร. ชูศักดิ์ ชวประดิษฐ์ รศ. ดร. อนุพันธ์ เทอดวงศ์วรกุล

นางดาเรศร์ กิตติโยภาส ผศ. ดร. ใจทิพย์ วานิชชัง นายชนะธัช หยกอุบล นายจารุวัฒน์ มงคลธนทรรศ ดร. ไมตรี แนวพนิช นายอัคคพล เสนาณรงค์ นายวิบูลย์ เทเพนทร์ นายสุภาษิต เสงี่ยมพงศ์ ดร. อนุชิต ฉ่าสิงห์ นายวีระชัย เชาว์ชาญกิจ นายนรเชษฐ์ ฉัตรมนตรี นายไมตรี ปรีชา ผศ. ดร. สมชาย ชวนอุดม นายสมศักดิ์ อังกูรวัฒนานุกูล

นางสาวพนิดา บุษปฤกษ์ นายมลฑล แสงประไพทิพย์ นางสาวระพี พรหมภูํ นายพัฒนศักดิ์ ฮุํนตระกูล นายมรกต กลับดี นายนเรศวร์ ชิ้นอินทร์มนู นายขุนศรี ทองย๎อย นายสุรสิทธิ์ บุญรักชาติ นายบุญสํง หนองนา นางสาวศิระษา เจ็งสุขสวัสดิ์ นางสาววิไลวรรณ สอนพูล นางสาวนฤมล ลดาวัลย์ ณ อยุธยา หัวหน๎าภาควิชาและสาขาวิศวกรรม เกษตรของสถาบันการศึกษาทุกแหํง ของประเทศ

คาแนะนาสาหรับผู้เขียน 1 หลักเกณฑ์ทั่วไป 1.1 คานา วารสารสมาคมวิ ศวกรรมเกษตรแหํ งประเทศไทย เป็ นวารสารวิ ชาการที่ จั ดพิ มพ์ โดยสมาคมวิ ศวกรรมเกษตรแหํ งประเทศไทย มีวัตถุประสงค์เพื่อเผยแพรํผลงานวิจัยทั้งที่เป็นองค์ความรู๎ใหมํ นวัตกรรม และเทคโนโลยีทางด๎านวิศวกรรมเกษตรและระบบชีวภาพ ในรูป ของบทความวิจัย บทวิจัยยํอ และบทความปริทัศน์ เนื้อหาของบทความที่เผยแพรํในวารสารสะท๎อนถึงขอบเขตที่กว๎างขวางของศาสตร์ วิศวกรรมเกษตร ซึ่งบู รณาการวิ ศวกรรมศาสตร์ หลากหลายสาขามาประยุ กต์ เพื่ อเพิ่ มผลิตภาพทางการเกษตรและระบบชี วภาพ อาทิ เครื่องจักรกลเกษตร วิศวกรรมดินและน้า เทคโนโลยีหลังเก็บเกี่ยว วิศวกรรมอาหาร โครงสร๎างอาคารเกษตร การจัดการระบบเกษตร พลังงาน และสิ่ งแวดล๎ อมทางการเกษตร เป็ นต๎ น เนื้ อหาของบทความอาจเป็ นการรายงานผลการทดลองของเรื่องที่ ศึ กษาที่ ให๎องค์ ความรู๎ ใหมํ การวิเคราะห์ทางทฤษฎี การออกแบบและประดิษฐ์นวัตกรรม หรือการนาเสนอเทคนิควิธีการทดลองใหมํ

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

ระ เท ศไ

ทย

การวางผังฟาร์ม  การออกแบบโรงงานอุตสาหกรรมเกษตร 5) ระบบเกษตร  โลจิสติกส์และโซํอุปทานผลิตผลและสินค๎าเกษตร  ระบบตรวจสอบย๎อนกลับและความปลอดภัยอาหาร  การจัดการระบบเกษตร และการจาลองสถานการณ์  อุตสาหกรรมเกษตร 6) คอมพิวเตอร์ อิเล็กทรอนิกส์ และเทคโนโลยีสารสนเทศ  การเกษตรแมํ น ย า การตรวจวั ด ระยะไกล ระบบภู มิ สารสนเทศ ระบบผู๎เชี่ยวชาญ  เซ็นเซอร์ หุํนยนต์ และระบบอัตโนมัติ  ชีวสารสนเทศ  การประยุ ก ต์ ค อมพิ ว เตอร์ การพั ฒ นาซอฟแวร์ และ เทคโนโลยีสารสนเทศ 7) พลังงานและสิ่งแวดล๎อม  พลังงานทดแทน ชีวมวลและพลังงานชีวมวล  การจัดการพลังงาน  การจั ด การของเสี ย การเกษตร รี ไซเคิ ล และเทคโนโลยี ไร๎ของเสีย  วิศวกรรมระบบนิเวศน์เกษตร 

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

1.2 ขอบขํายวารสาร 1) ต๎นกาลังและเครื่องจักรกลเกษตร  เครื่องยนต์และกาลัง  การออกแบบและทดสอบเครื่องจักรกลเกษตร  กระบวนการผลิตเครื่องจักรกลเกษตร  เทคนิคปฏิบัติและการใช๎เครื่องจักรกลเกษตร 2) วิศวกรรมดินและน้า  การอัดแนํน การชะล๎าง และการปรับปรุงดิน  พื้นที่แห๎งแล๎ง และการเก็บกักน้า  อุทกวิทยาและการจัดการน้า  ชลศาสตร์และระบบชลประทาน  การให๎น้าพืชระดับไรํนา 3) กระบวนการหลังเก็บเกี่ยวและวิศวกรรมอาหาร  กระบวนการหลังเก็บเกี่ยวและการเก็บรักษา  การบรรจุ  เทคนิคแบบไมํทาลาย  กระบวนการและเครื่องจักรกลอาหาร  วิศวกรรมชีวภาพ 4) โครงสร๎างอาคารเกษตร  การออกแบบอาคารเกษตร  ไซโล โรงเรือน และโรงงานผลิตพืช

1.3 ประเภทบทความ บทความที่เผยแพรํในวารสารมี 3 ประเภท คือ  บทความวิจัย (Research paper) คือ รายงานผลการศึกษาทดลองที่ทาให๎ได๎มาซึ่งองค์ความรู๎ใหมํ หรือนวัตกรรมใหมํ ที่ได๎ดาเนินการ จนสาเร็จและมีการเรียบเรียงอยํางครบถ๎วนสมบูรณ์ตามระเบียบวิธีวิจัย  บทวิจัยยํอ (Research note) คือ รายงานผลการศึกษาทดลองเฉพาะในบางประเด็นที่ผู๎วิจัยค๎นพบ แตํยังไมํเสร็จสมบูรณ์  บทความปริทัศน์ (Review paper) คือ รายงานที่ได๎จากการรวบรวม ทบทวน และสังเคราะห์งานวิจัยที่ผํานมาในเรื่องใดเรื่องหนึ่ง โดยสอดแทรกทัศนคติ ประสบการณ์ หรือความคิดเห็นของผู๎เขียนที่มีตํอเรื่องนั้นๆ

1.4 ความยาวบทความ  บทความวิจัย  บทวิจัยยํอ  บทความปริทัศน์

ความยาวไมํควรเกิน 10 หน๎าเรียงพิมพ์ ความยาวไมํควรเกิน 5 หน๎าเรียงพิมพ์ ความยาวไมํควรเกิน 10 หน๎าเรียงพิมพ์

1.5 คําธรรมเนียมการตีพิมพ์ ผู๎ เขี ยนบทความที่ ผํ านการพิ จารณาให๎ ตี พิ มพ์ ในวารสารฯ จะต๎ องช าระคํ าธรรมเนี ยมการตี พิ มพ์ ในอั ตราหน๎ าละ 300 บาท โดยกองบรรณาธิการจะแจ๎งรายละเอียดวิธีการชาระคําธรรมเนียมให๎ทราบเมื่อบทความได๎รับการยอมรับต๎นฉบับให๎ตีพิมพ์ในวารสารฯ

ระ เท ศไ

ทย

1.6 กระบวนการประเมินบทความ ต๎นฉบับบทความทุกประเภทจะถูกประเมินโดยผู๎ทรงคุณวุฒิไมํต่ากวํา 2 ทําน กองบรรณาธิการจะแจ๎งผลการประเมินของผู๎ทรงคุณวุฒิ ไปยั งผู๎ รั บผิ ดชอบบทความ (Corresponding author) ตามข๎ อมู ลการติ ดตํ อในต๎ นฉบั บ ผู๎ เขี ยนบทความต๎ องปรั บปรุ งแก๎ ไขต๎ นฉบั บ ตามคาแนะนาของผู๎ทรงคุณวุฒิ พร๎อมทั้งตอบข๎อซักถามของผู๎ทรงคุณวุฒิให๎ชัดเจน แล๎วสํงเอกสารทั้งหมดกลับมายังกองบรรณาธิการภายใน ระยะเวลาที่กาหนด กองบรรณาธิการจะพิ จารณาตัดสินยอมรับต๎นฉบับให๎ ตีพิมพ์ ในวารสารฯ โดยใช๎ ผลการประเมินของผู๎ทรงคุณวุ ฒิ เป็นเกณฑ์ ทั้งนี้คาตัดสินของกองบรรณาธิการถือเป็นอันสิ้นสุด

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

2 รายละเอียดการเตรียมต้นฉบับ* *กองบรรณาธิการขอสงวนสิทธิ์ไมํรับพิจารณาต๎นฉบับบทความจนกวําต๎นฉบับนั้นๆ จะมีการจัดเรียงหน๎าตามรายละเอียดที่แจ๎งไว๎ใน เอกสารนี้

วิศ

วก

รร

2.1 แบบฟอร์มต๎นฉบับ (Template) ผู๎เขียนควรทาความเข๎าใจแบบฟอร์มต๎นฉบับ (Template) และตัวอยํางต๎นฉบับ (Manuscript example) ที่กองบรรณาธิการจัดทาไว๎ อยํางละเอียด ลักษณะ (Styles) ของเนื้อหาทุกสํวนของแบบฟอร์มต๎นฉบับได๎ถูกปรับตั้งให๎เป็นไปตามข๎อกาหนดการจัดเรียงหน๎าในเอกสาร ฉบับนี้แล๎ว ผู๎เขียนควรจัดเตรียมต๎นฉบับโดยใช๎แบบฟอร์มต๎นฉบับและกาหนดลักษณะ ให๎กับทุกสํวนในต๎นฉบับให๎สอดคล๎องกับแบบฟอร์ม ต๎นฉบับ แบบฟอร์มต๎นฉบับและตัวอยํางต๎นฉบับสามารถดาวน์โหลดได๎จากเว็บไซต์สมาคมฯ (www.tsae.asia)

สม

าค ม

2.2 การจัดหน๎าและแบบอักษร ต๎นฉบับใช๎กระดาษขนาด A4 ตั้งขอบกระดาษแบบ Mirror margins (ระยะขอบเพื่อการเย็บเลํมหนังสือ) ตั้งระยะขอบบนและขอบลําง อยํางละ 2.0 cm, ขอบนอก 1.5 cm และขอบใน 2.5 cm การพิมพ์ใช๎อักษรแบบ TH SarabunPSK ตลอดทั้งต๎นฉบับ 2.3 การระบุประเภทบทความ ผู๎เขียนจะต๎องระบุประเภทของบทความที่มุมบนขวาในหน๎าแรกของบทความวําเป็นบทความวิจัย บทวิจัยยํอ หรือบทความปริทัศน์ (ดูแบบฟอร์มต๎นฉบับ) 2.4 หัวเรื่อง สํวนหัวเรื่องจะมีทั้งภาษาไทยและภาษาอังกฤษ ประกอบด๎วย  ชื่ อบทความ ใช๎ อั กษรขนาด 16 pt ตั วหนา จั ดกระจายแบบไทย (Thai distributed) ชื่ อบทความควรสั้ นกระชั บ ได๎ ใจความ และมีความจาเพาะเจาะจงกับเนื้อหาของงาน  ชื่ อ นามสกุ ล ผู๎ เขี ยน ใช๎ อั กษรขนาด 14 pt ตั วหนา จั ดกระจายแบบไทย ไมํ ใช๎ ค าน าหน๎ าชื่ อ ระหวํ างชื่ อผู๎ เขี ยนแตํ ละคนให๎ ใช๎ เครื่องหมายจุลภาคคั่น หลังชื่อผู๎เขียนให๎แสดงกากับต๎นสังกัดด๎วยตัวเลขแบบอักษรยก (Superscript) และให๎กากับผู๎รับผิดชอบ บทความด๎วยเครื่องหมายดอกจัน กองบรรณาธิการจะถือวําผู๎เขียนทุกคนที่มีชื่อปรากฏในต๎นฉบับได๎รับทราบและเห็นพ๎องกับเนื้อหา ในต๎นฉบับนั้น

 

ต๎ นสั งกั ดและที่ อยูํ ใช๎ อั กษรขนาด 12 pt ตั วธรรมดา จั ดกระจายแบบไทย ก ากั บแสดงต๎ นสั งกั ดด๎ วยตั วเลขแบบอั กษรยก แล๎วตามด๎วยชื่อต๎นสังกัดและที่อยูํ (จังหวัดและรหัสไปรษณีย์) ให๎ระบุหมายเลขโทรศัพท์ โทรสาร และอีเมล์ ของผู๎รับผิดชอบบทความ

2.5 บทคัดยํอ บทความภาษาไทยจะต๎องมีบทคัดยํอทั้งภาษาไทยและภาษาอังกฤษ โดยให๎ลาดับบทคัดยํอภาษาไทยมากํอนภาษาอังกฤษ การพิมพ์ บทคัดยํอจะจัดเป็น 1 คอลัมน์ จัดกระจายแบบไทย ใช๎อักษรขนาด 14 pt บรรทัดแรกให๎ยํอหน๎า (Indentation) 1.0 cm บทคัดยํอควรสั้น กระชับ (ไมํควรเกิน 250 คา) เนื้อความครอบคลุมถึงวัตถุประสงค์ วิธีการ ผล การค๎นพบที่สาคัญ และสรุป 2.6 คาสาคัญ ท๎ายบทคัดยํอให๎ระบุคาสาคัญ 3-5 คา ใช๎อักษรขนาด 14 pt คาสาคัญทั้งภาษาไทยและภาษาอังกฤษให๎ใช๎เครื่องหมายจุลภาคคั่นระหวําง คา สาหรับภาษาอังกฤษใช๎อักษรตัวพิมพ์ใหญํกับอักษรตัวแรกของทุกคา

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

2.7 เนื้อความ สํวนเนื้อความใช๎การจัดหน๎าเป็น 2 คอลัมน์ ความกว๎างของแตํละคอลัมน์ 8.25 cm ระยะระหวํางคอลัมน์ 0.5 cm จัดกระจายแบบไทย หัวเรื่องยํอยให๎ใช๎หมายเลขกากับ และพิมพ์ตัวหนา เชํน “1 บทนา” (ตามด๎วย 1.1 พิมพ์ตัวเอียง, 1.1.1 พิมพ์ตัวหนาและเอียง, ...) และจัด กระจายแบบไทย บรรทัดแรกของทุกยํอหน๎าให๎ยํอหน๎า 0.5 cm และให๎ใช๎อักษรขนาด 14 pt ตลอดทั้งเนื้อความ ยกเว๎นรายการเอกสารอ๎างอิง ในรายการเอกสารอ๎างอิง ให๎ยํอหน๎า 0.5 cm แบบ Hanging เนื้อความควรประกอบด๎วยสํวนตํางๆ ดังนี้  บทนา (Introduction) ควรมีการทบทวนวรรณกรรมที่เกี่ยวข๎องตรงประเด็น กลําวถึงที่มาของปัญหาและความสาคัญของผลงานที่ ผู๎เขียนต๎องการนาเสนอ ตอนท๎ายบทนาควรระบุวัตถุประสงค์และขอบเขตของงานอยํางชัดเจน  อุปกรณ์และวิธีการ (Materials and methods) การเขียนสํวนอุปกรณ์และวิธีการให๎บรรยายร๎อยเรียงกันไป ไมํเขียนในลักษณะ นารายการอุปกรณ์มาเรียงลาดับ (List) ควรอธิบายอยํางเป็นขั้นตอนและมีรายละเอียดเพียงพอให๎ผู๎อํานที่สนใจสามารถทาการทดลอง ซ้าได๎ วิธีการที่เป็นที่ทราบดีในสาขาวิชานั้น หรือเป็นมาตรฐาน หรือถูกเผยแพรํโดยผู๎อื่นมากํอน ควรใช๎การอ๎างอิงโดยไมํต๎องอธิบาย รายละเอียดซ้า การกลําวถึงชื่อทางการค๎าของอุปกรณ์เพื่อความสมบูรณ์ของข๎อมูลเชิงวิทยาศาสตร์สามารถทาได๎ แตํทั้งนี้ต๎องไมํมีนัย ที่แสดงถึงการรับรองหรือสนับสนุนผู๎ผลิตรายใดรายหนึ่ง  ผลและวิจารณ์ (Results and discussion) ผลที่นาเสนอควรเป็นข๎อมูลที่ผํานการวิเคราะห์สังเคราะห์ ไมํใชํข๎อมูลดิบ โดยนาเสนอ เป็นลาดับสอดคล๎องกับที่อธิบายไว๎ในสํวนอุปกรณ์และวิธีการ ควรมีการแปลและวิจารณ์ผลอยํางมีหลักการและมีข๎อมูลสนับสนุน ชัดเจน อาจมี การเปรี ยบเทียบผลกั บงานวิจั ยในทานองเดียวกั นที่ เผยแพรํ มากํ อน รวมทั้งอาจให๎ข๎ อเสนอแนะส าหรับการวิ จั ย ที่เกี่ยวข๎องกันในอนาคต  สรุป (Conclusions) เป็นการลงความเห็ นหรือสรุปการค๎นพบที่ส าคัญที่ได๎จากงานวิจั ย ควรสั้นกระชับ และไมํอธิบายซ้ าซ๎อนกั บ เนื้อความในสํวนกํอนหน๎า  กิตติ กรรมประกาศ (Acknowledgement) เป็นสํ วนที่ ผู๎ เขี ยนแสดงค าขอบคุ ณแกํ บุ คคล หรื อหนํ วยงานที่ มี บทบาทส าคั ญในการ สนั บสนุ นการด าเนิ นงานวิจั ย ทั้ งนี้ ไมํ จ าเป็ นต๎ องแสดงคาขอบคุ ณแกํ ผู๎ รํ วมเขี ยนบทความซึ่งมี ชื่อปรากฏในสํ วนหั วเรื่ องแล๎ ว สํวนกิตติกรรมประกาศอาจมีหรือไมํมีก็ได๎  เอกสารอ๎างอิง (References) การอ๎างอิงใช๎ระบบชื่อผู๎แตํง-ปีที่ตีพิมพ์ (Name-year system) ควรอ๎างอิงเฉพาะแหลํงข๎อมูลที่มีเนื้อหา เกี่ยวข๎องกับงานวิจัยของผู๎เขียน เอกสารอ๎างอิงที่ใช๎ต๎องได๎รับการยอมรับทางวิชาการ ไมํควรอ๎างอิงแหลํงข๎อมูลที่เข๎าถึงได๎ยาก เชํ น รายงานผลการวิจัยที่เผยแพรํในกลุํมแคบๆ ข๎อมูลที่ไมํถูกตีพิมพ์ หรือการติดตํอสื่อสารระหวํางบุคคล เอกสารอ๎างอิงทุกชิ้นที่ถูกอ๎าง ถึ งในเนื้ อความต๎ องปรากฏอยูํ ในรายการเอกสารอ๎ างอิ ง และในท านองเดี ยวกั นเอกสารอ๎ างอิ งทุ กชิ้ นที่ ปรากฏอยูํ ในรายการ เอกสารอ๎างอิงต๎องถูกอ๎างถึงในเนื้อความ การอ๎างถึงเอกสารอ๎างอิงภาษาไทยในเนื้อความให๎ใช๎รูปแบบ “ชื่อผู๎แตํง (ปีที่ตีพิมพ์)” เชํน “มงคล (2545) แสดงให๎เห็นวํา ...” หรือ “ความเร็วการหมุนลูกมะพร๎าวและความเร็วของมีดปอกมีผลตํอความเรียบของผิวลูก

มะพร๎าว (บัณฑิต, 2550)” หรือ “อนุพันธ์ และศิวลักษณ์ (2555) พบวํา ...” แตํหากเอกสารอ๎างอิงเป็นภาษาอังกฤษให๎ใช๎รูปแบบ “นามสกุลผู๎แตํง (ปีที่ตีพิมพ์)” เชํน “Mettam (1994) แสดงให๎เห็นวํา ...” การอ๎างถึงเอกสารอ๎างอิงภาษาไทยซึ่งมีผู๎แตํงตั้งแตํ 3 คน ขึ้นไปใช๎คาวํา “และคณะ” หลังชื่อผู๎แตํงคนแรก เชํน “สมชาติ และคณะ (2551)” สาหรับเอกสารอ๎างอิงภาษาอังกฤษให๎ใช๎คาวํา “et al.” เชํน “Perez-Mendoza et al. (1999)” การจัดเรียงรายการเอกสารอ๎างอิง ให๎จัดเรียงเอกสารอ๎างอิงภาษาไทยกํอน แล๎วตาม ด๎วยเอกสารอ๎างอิงภาษาอังกฤษ สาหรับเอกสารอ๎างอิงภาษาไทย ให๎จัดเรียงเอกสารอ๎างอิงตามลาดับอักษรของชื่อผู๎แตํง ซึ่งถ๎าผู๎แตํง คนแรกเป็นคนเดียวกัน ให๎เรียงลาดับตามอักษรของชื่อผู๎แตํงคนถัดไป ถ๎าชื่อผู๎แตํงเหมือนกันทั้งหมดให๎เรียงลาดับตามปีที่พิมพ์ ถ๎าปีที่ พิมพ์เป็นปีเดียวกันให๎ระบุความแตกตํางด๎วยอักษร “ก”, “ข”, “ค” ตํอท๎ายปีที่ตีพิมพ์ สาหรับเอกสารอ๎างอิงภาษาอังกฤษ ให๎จัดเรียง เอกสารอ๎างอิงตามลาดับอักษรของนามสกุลผู๎แตํง ซึ่งถ๎าผู๎แตํงคนแรกเป็นคนเดียวกัน ให๎เรียงลาดับตามอักษรของนามสกุลผู๎แตํงคน ถัดไป หากผู๎แตํงเป็นคนเดียวกันทั้งหมด ให๎เรียงลาดับตามปีที่ตีพิมพ์ ในกรณีที่ผู๎แตํงเป็นคนเดียวกันทั้งหมดและตีพิมพ์ในปีเดียวกัน ให๎ระบุความแตกตํางด๎วยตัวอักษร “a”, “b”, “c” ตํอท๎ายปีที่ตีพิมพ์ ชื่อวารสารวิชาการที่นามาอ๎างอิงให๎ใช๎ชื่อเต็ม

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

2.8 ตัวอยํางการพิมพ์รายการเอกสารอ๎างอิง บทความวารสารวิชาการ จักรมาส เลาหวณิช, พรมมี แพงสีชา, สุเมธี คาวันสา. 2552. การหาคําความขาวข๎าวสารโดยวิธีการวัดคําสี. วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตร แหํงประเทศไทย 15(1), 26–30. Perez-Mendoza, J., Hagstrum, D.W., Dover, B.A., Hopkins, T.L., Baker, J.E. 1999. Flight response, body weight, and lipid content of Rhyzopertha dominica (F.) (Coleoptera: Bostrichidae) as influenced by strain, season and phenotype. Journal of Stored Products Research 38, 183–195. หนังสือที่มีผู๎แตํงแตํละบท (Edited book) Mettam, G.R., Adams, L.B. 1994. How to prepare an electronic version of your article. In: Jones, B.S., Smith, R.Z. (Eds.), Introduction to the Electronic Age (pp. 281–304). New York: E-Publishing Inc. ตารา ประดิษฐ์ หมูํเมืองสอง, สุชญาน หรรษสุข. 2550. การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน. กรุงเทพมหานคร: ซีเอ็ดยูเคชั่น. Strunk, W., Jr., White, E.B. 1979. The Elements of Style. (3rd ed.). Brooklyn, New York: Macmillan. รายงานการประชุมวิชาการ วัฒนชัย ภัทรเธียรสกุล, วารุณี เตีย, สมชาติ โสภณรณฤทธิ์. 2553. ศักยภาพการผลิตเอทานอลจากลิกโนเซลลูโลสในประเทศไทย. รายงานการ ประชุมวิชาการสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ครั้งที่ 11 ประจาปี 2553, 299–304. นครปฐม: ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกาแพงแสน. 6–7 พฤษภาคม 2553, กาแพงแสน, นครปฐม. Winks, R.G., Hyne, E.A. 1994. Measurement of resistance to grain fumigants with particular reference to phosphine. In: Highley, E., Wright, E.J., Banks, H.J., Champ, B.R. (Eds). Proceedings of the Sixth International Working Conference on Stored-product Protection, 244–249. Oxford, UK: CAB International. 17–23 April 1994, Canberra, Australia. วิทยานิพนธ์ สยาม ตุ๎มแสงทอง. 2546. การปรับปรุงเครื่องคัดขนาดผลมังคุดแบบจานหมุน. วิทยานิพนธ์วิศวกรรมศาสตร์มหาบัณฑิต. กรุงเทพมหานคร: บัณฑิตวิทยาลัย, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. Chayaprasert, W. 2007. Development of CFD models and an automatic monitoring and decision support system for precision structural fumigation. PhD dissertation. West Lafayette, Indiana: Department of Agricultural and Biological Engineering, Purdue University. แหลํงข๎อมูลอิเล็กทรอนิกส์ ศูนย์ข๎อมูลกรุงเทพมหานคร. 2550. สถิติรายปี กรุงเทพมหานคร. แหลํงข๎อมูล: http://203.155.220.230/stat_search/frame.asp. เข๎าถึง เมื่อ 14 มิถุนายน 2550. United Nations Environment Programme. 2000. The Montreal protocol on substances that deplete the ozone layer. Available at: http://ozone.unep.org/pdfs/Montreal-Protocol2000.pdf. Accessed on 7 August 2008.

2.9 หนํวย ใช๎ระบบหนํวย International Systems (SI) ให๎ถือวําหนํวยเป็นสัญลักษณ์ ดังนั้นแม๎ในบทความจะมีเนื้อความเป็นภาษาไทย หนํวยที่ใช๎ จะเป็นหนํวยภาษาอังกฤษเสมอ เชํน “มวล 15 kg” ไมํใช๎ “มวล 15 กิโลกรัม” หรือ “มวล 15 กก.” เป็นต๎น ให๎เขียนหนํวยที่มีลักษณะเป็น เศษสํวนในรูปตัวเลขยกกาลัง เชํน “m s-1” ไมํใช๎ “m/s” เป็นต๎น 2.10 สมการ สมการที่ไมํซับซ๎อนอาจพิมพ์แทรกระหวํางข๎อความภายในบรรทัดได๎ สมการที่มีความซับซ๎อนให๎พิมพ์แยกบรรทัดด๎วย Equation editor ควรกาหนดหมายเลขให๎กับทุกสมการตามลาดับการปรากฏในต๎นฉบับของสมการ และควรอ๎างถึงสมการในเนื้อความตามหมายเลขที่กาหนดไว๎ ควรนิยามตัวแปรทุกตัวในสมการเมื่อถูกอ๎างอิงถึงครั้งแรก ตัวแปรควรพิมพ์ด๎วยตัวอักษรเอียง และใช๎อักษรหรือสัญลักษณ์ที่เป็นที่นิยมใน สาขานั้นๆ หากจาเป็นต๎องมีการกาหนดสัญลักษณ์หรือตัวแปรขึ้นใหมํเป็นจานวนมาก ควรทาตารางสัญลักษณ์เฉพาะ (Nomenclature)

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

2.11 ภาพและตาราง ให๎แทรกภาพและตารางลงในเนื้อความ โดยรายละเอียดของภาพจะต๎องสามารถมองเห็นได๎ชัดเจนเมื่อเรียงพิมพ์ ภาพถํายควรมีความ ละเอียดอยํางน๎อย 300 dpi ภาพที่เป็นกราฟจะต๎องมีคาอธิบายแกน คาอธิบายสัญลักษณ์ในกราฟ พร๎อมระบุหนํวยให๎ชัดเจน เนื่องจาก วารสารฯ จะถูกจัดพิมพ์แบบขาว-ดา ดังนั้น ผู๎เขียนควรคานึงถึงการสูญเสียความชัดเจนของภาพสีเมื่อต๎องจัดพิมพ์เป็นภาพขาว-ดา ตาราง ควรจัดรูปแบบให๎เรียบร๎อย เส๎นตารางใช๎เฉพาะเส๎นแนวนอน ไมํใช๎เส๎นแนวตั้ง ชื่อภาพและตาราง ตลอดจนข๎ อความทั้ งหมดในภาพและตารางให๎ ใช๎ ภาษาอั งกฤษ ให๎ เขี ยนชื่ อภาพไว๎ ด๎ านใต๎ ภาพ โดยใช๎ รู ปแบบ ดังตัวอยํางเชํน “Figure 1 Relationship between …” สํวนชื่อตารางให๎เขียนไว๎ด๎านบนตาราง โดยใช๎รูปแบบดังตัวอยํางเชํน “Table 1 Results of …” ให๎จัดขอบซ๎ายขวาของชื่อภาพและตารางเป็นแบบจัดกระจายแบบไทย ใช๎อักษร TH SarabunPSK ขนาด 14 pt ชื่อภาพและ ตารางควรสื่อให๎ผู๎อํานสามารถทาความเข๎าใจสาระสาคัญของภาพหรือตารางนั้นๆ ได๎ แม๎ไมํอํานเนื้อความ การกาหนดหมายเลขภาพและ ตารางให๎เป็นไปตามลาดับการปรากฏในต๎นฉบับ ให๎ใช๎รูปแบบการอ๎างอิงถึงภาพและตารางในเนื้อความ ดังตัวอยํางเชํน “... ดังผลการทดลอง ใน Figure 1” หรือ “Table 1 เป็นคําเฉลี่ยของ ...” ควรแทรกภาพหรือตารางเมื่อจบยํอหน๎าที่มีการอ๎างถึงภาพหรือตารางนั้นๆ ทันที

สม

าค ม

วิศ

วก

2.12 หมายเลขบรรทัด (Line number) เพื่อความสะดวกในการประเมินบทความของผู๎ทรงคุณวุฒิ ให๎กาหนดหมายเลขบรรทัดด๎วยอักษร TH SarabunPSK ขนาด 8 pt เยื้องจาก ข๎อความ 1 mm นับทีละ 1 บรรทัด โดยกาหนดให๎บรรทัดแรกของคอลัมน์ซ๎ายเป็นบรรทัดหมายเลข 1 และเริ่มนับลาดับเลขใหมํในแตํละหน๎า ตลอดทั้งต๎นฉบับ 3 การส่งต้นฉบับ ผู๎เขียนสามารถสํงไฟล์ต๎นฉบับ (Soft copy) ทางอีเมล์มาที่ fengwpc@ku.ac.th หรือสํงต๎นฉบับ (Hard copy) จานวน 3 ชุด โดย 3 ชุด ไมํแสดงชื่อและสังกัดของผู๎เขียนทางไปรษณีย์ตามที่อยูํด๎านลําง เมื่อได๎รับต๎นฉบับแล๎ว กองบรรณาธิการจะแจ๎งให๎ผู๎รับผิดชอบบทความทราบ รองศาสตราจารย์ ดร. อนุพันธ์ เทอดวงศ์วรกุล ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ กาแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกาแพงแสน 1 หมูํ 6 ถ. มาลัยแมน ต. กาแพงแสน อ. กาแพงแสน จ. นครปฐม 73140 (ต๎นฉบับวารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย)

สารบัญ 1

Evaluation of Quick Covering Machine for Grain Drying Pavement

การออกแบบและพัฒนาเครื่องแทงดีบัว

การพัฒนาและปัจจัยที่มีผลตํอการละลายเนื้อไกํแชํแข็งด๎วยวิธีเทอร์โมอะคูสติก

การวิเคราะห์ฮิสตามีนในปลาซาร์ดีนสดด๎วยเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปีชํวงความยาวคลื่นยาว

ผลกระทบของกะลามะพร๎าวชื้นตํอการเผาไหม๎ในเตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวยแบบหมุนวน

40 ผลของสภาวะในกระบวนการเจลาทิไนเซชันและการตัดกิ่งสายโซํโมเลกุลสตาร์ชตํอสมบัติของสตาร์ชต๎านทานการยํอยจากกล๎วย น้าว๎า (Musa sapientum Linn.)

ระ เท ศไ

ทย

47 การพัฒนาระบบถํายภาพทางอากาศระยะไกลแบบติดตั้งบนเฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุสาหรับการเฝ้าระวังการระบาดของโรคพืชใน พื้นที่ปลูกพืชมันสาปะหลัง

าค ม

วิศ

วก

รร

การพัฒนากรรมวิธีการผลิตวัสดุกันกระแทกยํอยสลายได๎ในธรรมชาติจากแป้งมันสาปะหลัง

สม

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

60 An Updated Model for Fast Total Solids Content Determination in Natural Rubber Latex Using Shortwave Near Infrared Spectroscopy

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 1-8

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557) 1-8 Available online at www.tsae.asia Evaluation of Quick Covering Machine for Grain Drying Pavement

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

Fatima S. Rodriguez1*, Victorino T. Taylan2, Manolito C. Bulaong3, Helen F. Gavino2, Vitaliana U. Malamug2 1

College of Engineering and Technology, Faculty and Research Coordinator at Romblon State University, Main Campus, Odiongan, Romblon, Philippines 2 College of Engineering and Technology, Faculty at Central Luzon State University, Muñoz, Nueva Ecija, Philippines 3 Technical Consultant at Agri-Component Corporation, Cauayan, Isabela, Philippines *Corresponding author: Tel: +042-567-5859, Fax: +042-508-3176, E-mail: fatima_rodz@yahoo.com

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Abstract In sundrying the quality of the grains are greatly reduced when paddy grains were caught by the rain unsacked and unstored resulting to reduced profit. The objectives of this study were to design and fabricate a quick covering machine for grain drying pavement to test and evaluate the operating characteristics of the machine according to its deployment speed, recovery speed, deployment time, recovery time, power consumption, aesthetics of laminated sack and to conduct partial budget and cost curve analysis. The performance of the machine was determined using Complete Randomized Design (CRD) with three replicates under two operations. The three treatments were T1-32 tooth, T2-34 tooth and T3-40 tooth auxiliary sprockets and the two operations were deployment and recovery. Results revealed that the machine was able to cover the grains in a 12.8 m x 22.5 m grain drying pavement at an average time of 17.13 s using a 40-tooth auxiliary sprocket with aesthetic value of 96%. It consumed 0.53 W-h for the deployment and recovery of the cover. The machine entailed an investment cost of $1,344.40 and an annual cost charge of $647.32. Moreover, the savings per year using the quick covering machine was $101.83.

าค ม

Keywords: Quick, Covering Machine, Grain, Drying Pavement

สม

1 Introduction The Philippines is considered to be one of the top producing countries in terms of rice production yet the country imports rice (Philippine Center for Postharvest Development and Mechanization, 2011). This is due to the fact that growing population, climate change and poor postharvest handling were so much evident on the country. Among these three factors, there is only one thing human cannot control the climate change. According to the latest survey done by World Bank (2012) Philippines experienced change in climate. It was revealed that frequent rainfall was experienced by the country compared to the past years. Therefore, the use of grain drying pavement for grain sun drying procedure is

limited. The quality of the grains is greatly reduced when paddy grains were caught by the rain unsacked and unstored resulting to reduced profit (Bureau of Postharvest Research and Extension, 2010). The very quick change in weather is detrimental in drying paddy. Therefore, further technology development for drying pavement is one stage of paddy handling that requires immediate attention and positive action for agricultural engineers to address today. Existing cover designs in the Philippines and from other countries were summarized in Table 1. 2 Materials and Methods From the existing designs relevant features were selected and incorporated in the design prototype. The following features were fast deployment of cover, easy to 1

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 1-8 operate, easy to construct, made of locally available The quick covering machine for grain drying pavement materials, affordable, and covers the grain efficiently. The has two major assemblies: frame and cover assembly flowchart in Figure 3 showed the procedures for this study. (Figure 2) and power supply and transmission system assembly (Figure 3). INAPPROPRIATE FEATURES It cannot withstand sharp objects It is only applicable to cone shaped agricultural storage and the covering material is subjected to faster wear and tear

ทย

Uncovering of grains during haulage is tedious and slow

วิศ

Rainwater and rodent birds or chicken cannot enter the system The design has good covering materials and is easy to operate It has a good water drainage system

าค ม

Job Shops-tensioned Cover (England) MOR Compost Cover (California)

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

Table 1 Appropriate and inappropriate features of existing cover designs. EXISTING COVER DESIGNS APPROPRIATE FEATURES Agricultural Film (China) The film is durable against rainwater and it is easy to set-up Agricultural Storage Covers (India) It provides protection from rain, water, dust and heat; it facilitates immediate rainwater discharge to the ground; made of locally available materials; and equipped with pulleys and cable wires Grain Bunker Cover (Australia) It is capable to cover conical shape stored grain and provided with rainwater drainage canal Grain Pile Covers (Canada) It facilitates faster deployment of cover and immediate water discharge Grainpro-collapsible-dryer Case Made of heavy duty black reinforced PVC; (Philippines) UV resistant; easily folded and transportable; prevent ingress of water; impermeable to water; handles for easy carrying; rodent safe storage; and easy to operate Grain Storage (China) It has durable covering material and facilitates immediate rainwater discharge

สม

MPC “tarp-on-first” Systems (USA) Paddy Cover (Philippines)

Easy to operate, provided with housing and rainwater discharge

Polymax Grain Covers (New Zealand)

It is affordable, easy to construct and made of locally available materials

Allows possibility of rainwater to enter through the pipes Deployment of cover is very slow, requires high man power, and there is no proper rainwater discharge

It is expensive, too high to construct and drizzle may enter the system through its open sides It is expensive No discharge outlet for rainwater Loading and unloading of grains is little bit laborious It cannot withstand wind gust, requires high man power and only applicable to a specially designed pavement Allows possibility of rainwater entrance through open sides, there are no tensioners in both ends and it cannot withstand wind gust for a long time

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 1-8

สม

าค ม

วิศ

วก

Figure 2 Frame and Cover Assembly.

รร

Figure 1 Process of the Study.

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

1) Switch on the toggle switch to provide power for the battery to the DC starter motor. 2) The DC starter motor drives the ring gear which in turn drives the wheel through a sprocket and chain transmission system. 3) As the device moves forward, the laminated sack (rolled in the spooler) with one end fix to the ground was deployed to cover the grains. 4) Upon deployment of the cover switch off the toggle switch to stop the forward movement. 5) When the rain stops and the grains were ready for sacking, switch on again the toggle switch for the recovery operation (Note: removed the chain connecting the front drive wheel and the auxiliary sprocket then use the other chain to connect the auxiliary sprocket to the spooler drive). 6) As the device moves backward the deployed laminated sack rolled back to its original position.

Figure 3 Power Supply and Transmission System Assembly. 2.1 Principle of Operation The quick covering machine was installed in a grain drying pavement to quickly deploy a cover to the grains being dried in the pavement in the event that rain occurred. The wheels of the device were placed on a rail so that it was guided as it moved in either forward or reverse direction. To operate the device the steps were as follows:

2.2 Performance Evaluation of the Device The machine was powered by a 12 volts storage battery and thus the speed of the machine was speculated to vary during its deployment and recovery operation. Consequently, the speed of the machine affects the performance of the machine. Moreover, using the linear and angular speed formula 33 tooth sprocket was needed to acquire a speed of 4 km h-1 which is the average walking speed of man. Hence, to test the performance of the quick covering machine three treatments represented by 32-tooth, 34-tooth and 40tooth were used at the auxiliary assembly. 2.3 Statistical Analysis Analysis of variance (ANOVA) was used to analyze the experimental data under completely randomized design (CRD). Least Significant Difference was used for the comparison among means.

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 1-8

2.5 Partial Budget and Cost Curve Analysis To assess the economic importance of the machine simple cost analysis, partial budget analysis and cost curve analysis were done. The assumptions presented in Table 2 were also taken into consideration. The result of annual cost charges was used in partial budget analysis.

Parameters Assumption Probability to rain/year* 80% of wet eason Number of operator 1 Labor cost ($) - First dry** 4.5/ton - Second dry** 4.2/ton Battery charging cost ($) 0.99 Kilos/bag of paddy grain after drying 46 *based on the Philippine’s weather condition for the past 3 years. **based on prevailing cost of drying, 2011-2012.

ทย

3 Results and Discussion The final modified quick covering machine was tested and evaluated. The results of performance evaluation were as follows:

ระ เท ศไ

2.4 Experimental Set-up The machine was tested using three different auxiliary sprockets size for two operations. The treatments were as follows: Operation A - Deployment Treatments: A1 → 32-tooth auxiliary sprocket A2 → 34-tooth auxiliary sprocket A3 → 40-tooth auxiliary sprocket Operation B - Recovery Treatments: B1 → 32-tooth auxiliary sprocket B2 → 34-tooth auxiliary sprocket B3 → 40-tooth auxiliary sprocket

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

3.1 Speed The speed of the machine was tested using 32, 34 and 40 tooth auxiliary sprocket. The auxiliary sprocket was designed to drive 51-tooth front drive wheel sprocket. Table 3 shows the three different deployment and recovery speed of the device as affected by auxiliary Table 2 Assumptions for the computation of machine’s sprocket size. It shows that the 40-tooth auxiliary sprocket provided the fastest deployment and recovery speed annual cost charges. compared to other auxiliary sprocket size. Also, 32-tooth Parameters Assumption auxiliary sprocket provided the slowest recovery speed Salvage value, SV 10% of IC among the treatments. Useful life, n (yr) Analysis of variance revealed that the three auxiliary - Laminated sack 1 sprockets caused a significant difference on the - Starter motor 5 deployment speed of the machine. On the other hand, it - Battery 5 exhibited a highly significant difference on the recovery - Frames and others 10 speed of the machine. Interest rate (%) 24 Results showed that the 40-tooth auxiliary sprocket Repair and maintenance (%) 10 allowed the machine to move faster than the walking Taxes, insurance and shelter 3% of IC speed of man which is 4 km h-1. The larger the sprocket Operating period (h/yr) 90 size the more effective is the machine since the aim of the Drying period in wet season 30 days machine was to cover grains before the rain drops. Also, to Harvest (tons/ha) 7.2 recover the device faster than 4 km h-1, 40-tooth was to Number of drying days/6 tons 2 be used as an auxiliary sprocket. However, during recovery, Hours of operation (h/d) 3 4

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 1-8 it was not necessary for the device to move faster than the 4 km h-1 since the rain already stopped and grains were ready for sacking. Therefore, any of the auxiliary sprockets were acceptable as drive sprockets for the spooler drive during recovery. Table 3 Speed (km h-1).

sprocket size was used the lesser was the time of deployment. On the other hand, the smaller the sprocket size used the higher the time of deployment. Likewise, to recover the cover at the lowest possible time a 40-tooth auxiliary sprocket must be used. Moreover, it is not necessary for the device to move at the lowest possible time since the aim of the device was only to cover the grain. Recovery of the cover was only needed when sacking of grains were desired. Therefore, any auxiliary sprocket was acceptable in recovering the cover.

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

AUXILIARY MEAN* SPROCKET DEPLOYMENT RECOVERY a 32-tooth 3.46 3.18a 34-tooth 3.46a 3.71b 3.3 Power Consumption 40-tooth 4.23b 4.37c Three 12 volts 70 AH batteries were used to test the *Means with the same letters are not significantly different machine. One treatment with three replicates used one at 1% and 5% level using LSD. battery. Likewise, the current and voltage used were 3.2 Time monitored using an ammeter and a DC voltmeter, Table 4 shows that 40-tooth auxiliary sprocket revealed respectively. the shortest deployment time of 17.13 s. On the other Table 5 shows the power consumption of the device hand, 32-tooth and 34-tooth auxiliary sprocket had the during deployment and recovery operation. It was same deployment time. Also, it shows that the 40-tooth revealed that power consumption of the device varied too auxiliary sprocket allowed the device to move at the much because of the experimental layout. The layout fastest time of 16.5 s compared to any other auxiliary dictates the sequence of evaluating the performance of sprocket size. the different treatments in its power consumption. Since the power supply was a storage battery it discharged as it Table 4 Time (s). performed any of the operations. AUXILIARY MEAN* Nevertheless, the 32-tooth auxiliary sprocket SPROCKET DEPLOYMENT RECOVERY consumed the highest amount of electricity since it 32-tooth 20.83a 22.7a traveled in a longest time among the other auxiliary 34-tooth 20.83a 19.4b sprockets. On the other hand, the 40-tooth auxiliary 40-tooth 17.13b 16.5c sprocket consumed the least amount of electricity since it *Means with the same letters are not significantly different traveled in the shortest time among the other auxiliary at 1% and 5% level using LSD. sprockets. It was also observed that for one operation Analysis of variance revealed that the three auxiliary (deployment and recovery) the device can consume a sprockets caused a significant difference on the total of 0.53 W-h. deployment time of the machine nonetheless, caused a highly significant difference on the recovery time of the machine. Results showed that to acquire the fastest deployment time 40-tooth auxiliary sprocket should be used. If a larger 5

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 1-8 It was also observed that the spooler support affected greatly the aesthetic value the laminated sack. The faster AUXILIARY MEAN* the passage of laminated sack in between the spooler and SPROCKET DEPLOYMENT RECOVERY spooler support is the lesser the aesthetic value the 32-tooth 0.25a 0.40b laminated sack. Consequently, the faster the machine, the 34-tooth 0.30a 0.17a lesser the aesthetic value of the laminated sack. 40-tooth 0.22a 0.23a *Means with the same letters are not significantly different Therefore, the aesthetic value of the laminated sack was greatly affected by the forces acting on the spooler. Thus, at 5% and 1% level using LSD. the 32-tooth auxiliary sprocket is better to use if the Analysis of variance revealed that the power aesthetic value the laminated sack is desired. consumption of the machine during deployment was not Table 6 Aesthetics of laminated sack. significantly different as influenced by sizes of auxiliary AUXILIARY MEAN sprockets. Though, it revealed a significant difference in the SPROCKET DEPLOYMENT RECOVERY power consumption of the device during the recovery a 32-tooth 4.8 3.8a operation as influenced by auxiliary sprocket size. The 34-tooth 4.8a 3.8a formula by Doughtie et al. (1965) as follows was used for 40-tooth 4.8a 3.6b the determination of the power consumption of the *Means with the same letters are not significantly different machine: at 1% and 5% level using LSD. C=Pxt

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Table 5 Power consumption of the machine (W-h).

(1)

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

where: C is consumption, (W-h), P is power or I (current) x E (volts), (W), t is time of operation, (h) Results showed that the output power of the starter was dependent on the available voltage source and the ampere it drew. Since the starter motor was driving the same load on the deployment and recovery operation the power needed was also the same. However, since the voltage source was decreasing upon usage the output power may also decrease. Therefore, the minimal change in the voltage source caused a minimal change in power output and power consumption. 3.4 Aesthetics of Laminated Sack Five randomly selected respondents rated the aesthetic value of the laminated sack during deployment and recovery operations. Table 6 shows that the aesthetic value of deploying the laminated sack was 96% good and the aesthetic value of recovering the laminated sack was 74.6% good. 6

Analysis of variance revealed that the size of auxiliary sprocket showed no significant difference on the aesthetics of laminated sack during deployment but exhibited a highly significant difference on the aesthetics of laminated sack during recovery. Results show that it is true that the laminated sack was in symmetry with the spooler which was the auxiliary sprocket is driving. The set-up caused the minimal change in the aesthetic value of the laminated sack among the treatments. The more symmetrical the set-up is the higher the aesthetic value. On the other hand, the lesser symmetrical the set-up was the lesser the aesthetic value of the laminated sack. 3.5 Partial Budget and Cost Curve Analysis The machine total cost was $1,344.40. Table 7 shows a simple cost analysis for the annual cost charges of the machine. It shows that the machine operates for $647.32 annually. Annual cost charges only covers the wet season.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 1-8 Table 7 Annual cost charges for quick covering machine. COSTS

AMOUNT ($)

Income Reducing, Losses ($) Income Increasing, Gains ($)

วก

วิศ

าค ม

สม

0.99

65.04 59.13 125.15 647.32

Furthermore, by partial budget analysis as shown in Table 8, it was revealed that if a one hectare rice land owner uses a quick covering machine during drying operation, he can save $101.83 year-1 given that the rewetted palay can be sold for $0.27 kg-1. Moreover, Figure 4 shows that the operating cost of the machine can be compensated for saving 1.53 tons per year. Therefore, a savings of 5.3 tons can offset the cost of the machine.

Added Returns Sales

530.38

Reduced Costs Labor Sub-total B

94.60 624.98

ทย

ระ เท ศไ

50 40 30 20

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

119.49 5.59 4.43 4.93 177.46 40.33 522.16

Added Costs Fixed cost 522.16 Variable cost 0.99 Reduced Returns None Sub-total A 523.15 Net Change in Income (B-A) 101.83 Cost of Operation, $/ton

107.54 10.07 7.98 44.35

รร

Fixed costs Depreciation Frames, wheels, spooler Battery, 12 Volts, 3 smf, 70 AH Starter motor, 12 Volts (2 units) Laminated sack, 12 m x 23 m Repair and Maintenance Frames, wheel, spooler Battery, 12 Volts Starter motor, 12 Volts (2 units) Laminated sack, 12 m x 23 m Interest on Investment Taxes, Insurance (3% IC) Total fixed costs Variable costs Battery charge cost Labor cost Wet season (7.2 tons), 4 days of drying First dry ($4.5 ton-1), 2 days of drying Second dry ($4.2 ton-1), 2 days of drying Total variable costs TOTAL COST

Table 8 Partial budget analysis for quick covering machine (rewetted palay sold by $0.27 kg-1).

10 0 0

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

Save grains, ton/yr

Figure 4 Cost curve of using quick covering machine. 4 Conclusion The quick covering machine for grain drying pavement was designed to minimize the problem in the rewetting of grains during sun drying. It was made up of locally available materials and fabricated with simple intermediate technology. The machine was able to cover the grains in a 12.8 m x 22.5 m grain drying pavement at an average time of 17.13 s. The machine consumed 0.53 W-h for the deployment and recovery of the cover. During the performance evaluation, it came out that the 40-tooth auxiliary sprocket revealed a deployment speed of 4.23 km h-1 and recovery speed of 4.37 km h-1. On the other hand the 32-tooth revealed a deployment speed of 3.46 km h-1 and recovery speed of 3.18 km h-1. Nonetheless, 34-tooth auxiliary sprocket revealed a deployment speed of 3.46 km h-1 and recovery speed of 3.71 km h-1. Moreover, the difference between the 7

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 1-8

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

6 References Bautista, E.,Javier, E. 2005. The evolution of rice production practices. Philippine Institute for Development Studies. Retrieved on September 13, 2011 at http://dirp4.pids. gov.ph/ris/dps/pidsdps0514.pdf Bureau of Postharvest Research and Extension. 2010. Postharvest losses. CLSU Compound, Science City of Munoz, Nueva Ecija, Philippines. Castro, S. 2004. Postharvest technology in the Philippines. AMDP.UPLB. Retrieved on September 12, 2011 at http://unapcaem.org/Activities%20Files/ A20/10%20Philippines.pdf Doughtie, V., James, W. 1954. Elements of mechanism. John Wiley & Sons, Inc. International Rice Research Institute. 2004. Grain drying sun drying. Rice fact sheets. College, Laguna, Philippines. Philippine Center for Postharvest Development and Mechanization. 2011. Postharvest inventory. CLSU Compound, Science City of Muñoz, Nueva Ecija. Philipine Rice Research Institute. 2006. Rice postproduction technology. Questions and answers. Science City of Munoz, Nueva Ecija, Philippines. 8

ระ เท ศไ

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

5 Acknowledgement Engineering Research and Development Technology Department of Science and Technology (ERDT-DOST), Philippine Center for Postharvest Development and Mechanization (PhilMECH), Central Luzon State University

ทย

aesthetic values of the laminated sack as affected by Philippine Society of Agricultural Engineers. PAES 303:2000. auxiliary sprocket size was minimal. However, it was Roller Chains and Sprocket for Agricultural Machines observed that the aesthetic value of the laminated sack Specifications and Applications. was better during deployment than during the recovery. Shigley, J. et al. 2004. Mechanical Engineering Design. The machine entailed an investment cost $1,344.40 Seventh Edition. McGraw Hill Inc. New York. and an annual cost charge of $647.32. Moreover, the World Bank. 2012. Rural water supply. Design manual. Vol. 1. savings per year using the quick covering machine was http://www.iwawaterwiki.org/xwiki/bin/view/ $101.83 and the break-even point of using the quick Articles/RuralwatersupplyVol1of3Designmaual covering machine was 1.53 tons. Hence, the machine was recommended for rice millers, traders and medium to large scale farmers.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 9-15

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557) 9-15 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

การออกแบบและพัฒนาเครื่องแทงดีบัว Design and Development of a Lotus Seed Embryo Removing Machine จตุรงค์ ลังกาพินธุ1*์ , สุนัน ปานสาคร1, ภูรินทร์ อัครกุลธร2 Jaturong Langkapin1*, Sunan Parnsakhorn1, Purin Akarakulthon2 1

ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร, คณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี, ธัญบุรี, ปทุมธานี, 12110 Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Thanyaburi, Thanyaburi Pathumthani, 12110 2 ภาควิชาเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยวและแปรสภาพ, คณะเทคโนโลยีการเกษตร, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี, ธัญบุรี, ปทุมธานี, 12110 2 Department of Post Harvesting Technology, Faculty of Agricultural Technology, Rajamangala University of Technology Thanyaburi, Thanyaburi, Pathumthani, 12110 *Corresponding author: Tel: +66-2-549-3328, Fax: +66-2-549-3581, E-mail: Leaw44@yahoo.com

ระ เท ศไ

ทย

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

บทคัดย่อ เครื่องแทงดีบัวถูกออกแบบและสร๎างขึ้นเพื่อลดเวลาและแรงงานในขั้นตอนการแทงดีบัว เครื่องต๎นแบบประกอบด๎วย โครงสร๎างเครื่อง ชุดลาเลียงเมล็ดบัว ชุดแทงดีบัว ระบบสํงกาลัง และใช๎มอเตอร์เกียร์เป็นต๎นกาลัง หลักการทางานของเครื่อง เริ่มจากผู๎ทางานป้อนเมล็ดบั ว หลวงลงในเบ๎ารับเมล็ดบัวของชุดลาเลียงทางด๎านท๎ายของเครื่อง หลังจากนั้นเมล็ดบัวจะถูกลาเลียงเข๎าสูํชุดแทงดีบัวเพื่อแทงดีบัวออกจาก เมล็ด ดีบัวที่ถูกแทงออกมาจะรํวงลงสูํชํองรับดีบัว สํวนเมล็ดบัวจะเคลื่อนที่ตํอไปกับชุดลาเลียงเมล็ดบัวและรํวงลงสูํชํองรับเมล็ดบั วทาง ด๎านหน๎าของเครื่อง จากการทดสอบพบวําเครื่องต๎นแบบสามารถทางานได๎ดีที่สุดที่ความเร็วของชุดลาเลียง 0.5 m min-1 มีเปอร์เซ็นต์ในการ แทงดีบัว 70±5.2% ความเสียหายของเมล็ดบัว 13.3±3.8% ความสามารถในการทางาน 1.2±0.02 kg h-1 และอัตราการสิ้นเปลืองพลังงาน ไฟฟ้า 0.4 kW-h และจากการวิเคราะห์เชิงเศรษฐศาสตร์วิศวกรรมพบวําใน 1 year ใช๎เครื่องแทงดีบัว 1,440 h คําใช๎จํายในการใช๎เครื่อง 19 Baht kg-1 ระยะเวลาคืนทุน 3 month และการใช๎งานที่จุดคุ๎มทุน 82 h year-1 เมื่อเปรียบเทียบกับแรงงานคน

สม

คาสาคัญ: บัวหลวง, เมล็ดบัวหลวง, ดีบัว, เครื่องแทง Abstract A machine for removing the lotus seed embryo was designed and fabricated to reduce the puncturing time and a number of workers. The prototype consisted of a main frame, conveyor unit, removing unit, power transmission unit and a gear motor. Lotus seeds were manually fed to the feeding chute of the conveyor unit at the back of the machine. The seeds were further conveyed by the conveyor to the removing unit and also the lotus seed embryo was pushed and falls to the discharge chute. The lotus seeds were conveyed and fall to another discharge chute at the front of the machine. At the conveyor speed of 0.5 m min-1, the machine gave the best operation. The removal percentage was 70.0±5.2%, contained 13.3±3.8% of damaged seed, working capacity 1.2±0.02 kg h.-1, and energy consumption of 0.4 kW-h. Based on the engineering economic analysis compared to the manual removing, it showed that the total cost of 19 Baht kg-1 was found and the payback period is 3 months. Also the break-even point of the machine was 82 h year-1 for 1,440 hours annually. Keywords: Lotus, Lotus seed, Lotus seed embryo, Removing machine 9

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 9-15

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

Figure 1 Traditional lotus seed embryo removing method. 2 อุปกรณ์และวิธีการ งานวิจัยนี้ให๎ความสาคัญในการออกแบบและพัฒนาเครื่องแทง ดีบัวที่ปลูกในประเทศไทย ซึ่งมีวิธีการวิจัยดังรายละเอียดตํอไปนี้

ทย

2.1 ศึกษาข้อมูลที่จาเป็นต่อการออกแบบ

ระ เท ศไ

2.1.1 ศึกษาปัญหาและวิธีการแทงดีบัวของเกษตรกร วัตถุ ประสงค์ เพื่ อให๎ทราบถึ งปัญหาและวิ ธีการแทงดี บัวของ เกษตรกรในปัจจุบัน เพื่อใช๎เป็นข๎อมูลสาหรับเปรียบเทียบการทางาน ระหวํางเครื่องแทงดีบัวต๎นแบบกับวิธีการที่ใช๎อยูํในปัจจุบัน จากการ สัมภาษณ์กลุํมแมํบ๎านบึงสีไฟ อ. เมือง จ. พิจิตร ได๎ผลการศึกษาดังนี้ - แรงงานสํวนใหญํเป็นแรงงานภายในชุมชน โดยจานวนแรงงาน และเวลาที่ใช๎ในการแกะ และแทงเมล็ดบัวขึ้นอยูํกับปริมาณผลผลิต ของเมล็ดบัว - คําจ๎างแรงงานแกะ และแทงเมล็ดบัว 70 Baht kg-1 - ปริ มาณการแกะและแทงเมล็ดบัวแตํ ละวั นประมาณ 20 kg (ทางาน 7-8 h) โดยขึ้นอยูํกับความชานาญ ใช๎แรงงาน 6-8 คน หรือ เฉลี่ยตํอคนทางานได๎ 0.3 kg h-1 - ในการทางานจะแทงดีบัวออกจากเมล็ดบัวจนหมด ถ๎าแทงครั้ง แรกไมํออกจะแทงซ้าอีกจนกวําดีบัวจะหลุดออกมา และมีเมล็ดบัว แตกเสียหายจากการทางาน 0.7% - ปัญหาที่ พบในขั้ นตอนการแกะและแทงเมล็ดบั ว คือ ความ เหนื่อยยาก และความไมํปลอดภัยในการทางาน เชํน ยางของเมล็ด บัวหลวงทาให๎มือดาล๎างไมํออก เกิดอุบัติเหตุจากมีดบาดหรือไม๎จิ้ม ฟันแทงมือ และบางชํวงที่มีผลผลิตของเมล็ดบัวออกมามาก แรงงาน ที่มีอยูํไมํเพียงพอ ทาให๎เมล็ดบัวที่เก็บไว๎นานจะแกะยากและเนํ า เสียหาย

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

1 บทนา ประเทศไทยได๎สนับสนุนให๎ปลูกบัวเพิ่มขึ้นโดยเฉพาะในพื้นที่ที่มี น้าทํวมขังไมํสามารถปลูกพืชชนิดอื่นได๎ โดยมีพื้นที่ปลูกบัวประมาณ 5,000 ไรํ กระจายอยูํทั่วทุกภาคของประเทศ เชํน นนทบุรี นครปฐม สุ พรรณบุ รี อุ บลราชธานี ขอนแกํ น พิ จิ ตร พะเยา นครสวรรค์ พิษณุโลก และพัทลุง (กรมสํงเสริมการเกษตร, 2551) ดีบัว หรือไส๎ในของลูกบัว คือสํวนที่มีสีเขียว ลักษณะเรียวยาว อยูํใจกลางเมล็ดบัว มีรสขม เป็นผลพลอยได๎ในกระบวนการกะเทาะ เมล็ดบัวออกจาหนําย ในอดีตเป็นสํวนที่เหลือทิ้งแตํในปัจจุบันพบวํา ดีบัวเป็นยาสมุนไพรที่มีสรรพคุณบารุงหัวใจ ละลายไขมันในเลือด ลดความดั นโลหิต และใช๎ เป็นยาขยายหลอดเลือดที่ ไปเลี้ยงหั วใจ (ทวีศักดิ์, 2550) อีกทั้งยังมีการรับรองจากกระทรวงสาธารณสุข ดีบัว จึงเป็นที่นิยมนามาบริโภคเพิ่มมากขึ้น โดยนามาชงกับน้าร๎อนแล๎ว ดื่มเป็นชา หรือปั้นเป็นเม็ด กินกํอนอาหารเช๎าและเย็น นอกจากนั้น ดีบัวยังสามารถนามาแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์สินค๎าโอท็อปของจังหวัด ที่ มี การท านาบั ว เชํ น วิ สาหกิ จชุ มชนกลุํ มสตรี บึ งสี ไฟ อ.เมื อง จ.พิจิตร ผลิต “ดีบัวแคปซูล” โดยใช๎วิธีการตากหรืออบแห๎ง แล๎ว นามาบดให๎ละเอียดบรรจุลงในแคปซูล จาหนํายให๎กับนักทํองเที่ยว ทั้งในจังหวัดพิจิตรและจังหวัดใกล๎เคียง ซึ่งดีบัวแคปซูลและเมล็ดบัว อบแห๎ งกลายมาเป็นผลิ ตภั ณฑ์ สิ นค๎ าประจาจังหวั ดพิ จิตร มียอด จาหนํายแตํละปีกวํา 1.2 ล๎านบาท (พรพรรณ, 2552) วิ ธี การแกะเปลื อกเมล็ ดบั วและแทงดี บั วในปั จจุ บั น เริ่ มจาก เกษตรกรจะใช๎มีดกรีดรอบเมล็ดบัว ใช๎มือแกะเปลือก ขูดเยื่อออก และใช๎ไม๎จิ้มฟันแทงดีบัวออกจากเมล็ด (Figure 1) แล๎วแยกเมล็ดบัว และดีบัวนาไปแปรรูปหรือจาหนํายตํอไป ซึ่งขั้นตอนดังกลําวยังใช๎ แรงงานคนเป็นหลัก ทาให๎เกษตรกรเสี่ยงตํอการถูกมีดบาด ใช๎เวลา และแรงงานในการแกะคํอนข๎างมาก จากการสืบค๎นข๎อมูลยังไมํพบวํา มี การน าเครื่ องจั กรกลเกษตรมาใช๎ ในการแกะเมล็ ดบั วหลวงใน ประเทศไทย แตํมีใช๎ในตํางประเทศ เชํน ประเทศจีน ซึ่งไมํสามารถ นาเครื่องดังกลําวมาใช๎ในประเทศไทยได๎ เนื่องจากเมล็ดบัวมีลักษณะ ทางกายภาพที่แตกตํางกัน สํวนเครื่องแทงดีบัวยังไมํพบวํามีการใช๎ ทั้งในและตํางประเทศ ดังนั้นจึงควรทาการวิจัยทั้งเครื่องแกะเมล็ด บัวและเครื่องแทงดีบัวเพื่อชํวยลดปัญหาดังกลําวข๎างต๎น และชํวย พัฒนาผลิตภัณฑ์วิสาหกิจชุมชนของประเทศเราให๎มีความเข๎มแข็ง ตํอไป ซึ่งงานวิจัยที่นาเสนอในบทความนี้จะอยูํในสํวนของการพัฒนา เครื่องแทงดีบัวสาหรับแทงดีบัวออกจากเมล็ด เหมาะสมกับบัวพันธุ์ ที่ปลูกในประเทศ

2.1.2 ลักษณะทางกายภาพของเมล็ดบัวหลวง การศึกษาในขั้นตอนนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อให๎ได๎ข๎อมูลลักษณะทาง กายภาพของเมล็ ดบัวหลวงสาหรั บใช๎ในการออกแบบเบ๎าลาเลียง เมล็ดบัว ได๎แกํ ขนาดเส๎นผํานศูนย์กลาง และความยาวเฉลี่ยของ

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 9-15

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

เมล็ดบัว (Figure 2) โดยเมล็ดบัวหลวงที่ใช๎ศึกษาเป็นเมล็ดบัวหลวง ซึ่งเบ๎ารับเมล็ดบัวจะต๎องเคลื่อนมาหยุดให๎ตรงกับจังหวะที่เข็ม ปทุมเก็บจากฝักอายุ 30 day หลังจากที่ดอกรํวง ซึ่งเป็นอายุที่แกํ แทงเคลื่อนที่ลงมาแทงดีบัว และเคลื่อนที่ตํอไปหลังจากที่เข็ม พอเหมาะและมีคุณคําทางโภชนาการสูง จากการสุํมวัดขนาดเมล็ด แทงได๎เคลื่อนที่กลับขึ้นไปแล๎ว บัวหลวงจานวน 500 เมล็ด ด๎วยเวอร์เนียร์คาลิปเปอร์ ได๎เส๎นผําน  ชุดแทงดีบัว (Figure 3c): ทาหน๎าที่แทงแยกดีบัวออกจากเมล็ด ศู นย์ กลางเฉลี่ ย 13.05±1.1 mm และความยาวเฉลี่ ย 20.72±3.2 บัว ประกอบด๎วย ชุ ดเข็มแทง (Puncturing unit) ซึ่ งเข็ มแทง mm (Puncher) มีลักษณะปลายมนเส๎นผํานศูนย์กลาง 2 mm โดย อ๎างอิงจากขนาดเส๎นผํานศูนย์กลางใหญํที่สุดของไม๎จิ้มฟัน และ ใช๎อุปกรณ์ลูกเบี้ยว (Cam) ควบคุมจังหวะการแทงของชุดเข็ม แทงให๎สอดคล๎องกับการเคลื่อนที่ของชุดลาเลียงเมล็ดบัว ซึ่งใน จังหวะการแทง เมื่อเบ๎ารับเมล็ดบัวได๎เคลื่อนมาหยุดตรงกับชุด เข็ มแทงสํ วนนู นของลู กเบี้ ยวจะต๎ องหมุ นมากดให๎ เข็ มแทง เคลื่อนที่ลงมาแทงดีบัว หลังจากนั้นเข็มแทงจะเคลื่อนที่กลับ Figure 2 Schematic of lotus seed for dimension ด๎วยแรงของสปริงในจังหวะที่ลูกเบี้ยวหมุนผํานสํวนนูนไปแล๎ว measurement.  ระบบสํ งก าลั ง: การสํ งก าลั งไปยั งสํ วนประกอบตํ างๆ ของ เครื่ องต๎ นแบบจะใช๎ ระบบเฟื องโซํ และโซํ เนื่ องจากต๎ องการ 2.2 ออกแบบและสร้างเครื่องแทงดีบัว ความแมํนย าในการเคลื่ อนที่ ของชุ ดลาเลี ยงกั บชุ ดแทงดี บั ว หลั ง จากการรวบรวมข๎ อ มู ล ที่ จ าเป็ น ตํ อ การออกแบบ จากการทดสอบแทงดีบัวเบื้องต๎นโดยใช๎ ไม๎จิ้มฟัน พบวําเมื่ อ เครื่องต๎นแบบได๎ถูกออกแบบตามหลักการออกแบบทางวิศวกรรม แทงดีบัวด๎วยความเร็ว ดีบัวไมํคํอยหลุดออกมาจากเมล็ดและยัง (Shigley and Mischke, 1989) และหลักการออกแบบเครื่องจักรกล ฉีกขาดบางสํวน แตํเมื่อแทงช๎าๆ ดีบัวจะหลุดออกมาได๎ดีและ เกษตร (Krutz et al., 1994) เครื่ องแทงดี บั ว ประกอบด๎ วย ไมํ เสี ยหาย ดั งนั้ นการออกแบบอั ตราทดของระบบสํ งก าลั ง สํ ว นประกอบหลั ก คื อ โครงสร๎ า งของเครื่ อ ง (Main frame) จึงได๎พิจารณาให๎ความเร็วของชุดเข็มแทงเคลื่อนที่ช๎าๆ แตํต๎อง ชุ ดล าเลี ยงเมล็ ด บั ว (Conveyor unit) ชุ ดแทงดี บั ว (Removing สัมพันธ์กับความเร็วของชุดลาเลียงที่ต๎องเคลื่อนที่ให๎เร็วที่สุด unit) ระบบสํงกาลัง (Power transmission unit) และมอเตอร์เกียร์ เทําที่จะเป็นไปได๎ เพื่อให๎เครื่องมี ความสามารถในการทางาน (Gear motor) ดัง Figure 3 สูงสุดเทําที่จะทาได๎ จึงออกแบบให๎ทั้งสองชุดทางานที่ความเร็ว  โครงสร๎ า งของเครื่ อ ง: ใช๎ ส าหรั บ ติ ด ตั้ ง อุ ป กรณ์ ตํ า งๆ รอบของตัวขับเทํากัน ของเครื่องต๎นแบบ มีขนาด 400x450x565 mm (กว๎างxยาวx สู ง) ส ร๎ า งจ า กเ ห ล็ กกลํ องขน า ด 31x31 mm ห น า  มอเตอร์เกียร์: ถูกเลือกให๎เป็นต๎นกาลังเนื่องจากเครื่องต๎นแบบ ทางานที่ความเร็วรอบต่า และยังสะดวกในการปรับความเร็ว 2 mm โดยอุปกรณ์สํวนใหญํถูกยึดเข๎ากับโครงสร๎างด๎วยนอต รอบเพื่อทดสอบเครื่อง ซึ่งสามารถปรับความเร็วรอบได๎ระหวําง และสกรู 90-1,400 rpm มีขนาด 60 W  ชุดลาเลียงเมล็ดบัว (Figure 3b) : ทาหน๎าที่รับเมล็ดบัวจากการ หลักการทางานของเครื่องเริ่มจากผู๎ควบคุมป้อนเมล็ดบัวลงใน ป้อนของผู๎ควบคุมเครื่อง แล๎วลาเลียงเมล็ดบัวไปแทงดีบัวออก เบ๎าป้อนเมล็ดบัวของชุดลาเลียงทางด๎านท๎ายของตัวเครื่อง หลังจาก ที่ชุดแทงดีบัว ประกอบด๎วย เบ๎ารับเมล็ดบัว (Feeding chute) นั้นเมล็ดบัวหลวงจะถูกลาเลียงเข๎าสูํชุดแทงดีบัว ซึ่งดีบัวที่ถูกแทงจะ โซํ ล าเลี ย ง (Conveyor chain) และใช๎ ล๎ อ เจนิ ว า (Geneva รํวงลงสูํชํองรับดีบัว สํวนเมล็ดบัวจะเคลื่อนที่ไปกับชุดลาเลียงเมล็ด wheel unit) เป็ นตั วขั บ เคลื่ อ น เบ๎ า รั บ เมล็ ด บั วสร๎ า งจาก บัวและรํวงลงสูํชํองรับเมล็ดบัวทางด๎านหน๎าของเครื่อง ซุปเปอร์ลีน ลักษณะเป็นทรงกระบอก และมีชํองรับเมล็ดบัว เส๎ นผํ านศู นย์ กลาง 15 mm ซึ่ งการออกแบบจะอ๎ างอิ งจาก ขนาดเมล็ดบัวหลวงที่ใหญํที่สุด การทางานของชุดลาเลียงเมล็ด บั วจะต๎ องสั มพั นธ์ กั บการท างานของชุ ดแทงดี บั ว โดยชุ ด ล าเลี ยงจะเคลื่ อนที่ เป็ นจั งหวะตามการหมุ นของล๎ อเจนิ วา 11

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 9-15

ระ เท ศไ

ทย

d) The prototype of the lotus seed embryo removing a) The lotus seed embryo removing machine design by machine. using CAD. Figure 3 The schematic of the lotus seed embryo removing machine prototype.

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

จานวนเมล็ดทีแ่ ทงดีบั วออก จานวนเมล็ดทีใ่ ช๎ทดสอ บทัง้ หมด

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

b) The conveyor unit.

2.3 การทดสอบและประเมินผล เครื่องแทงดีบัวต๎นแบบได๎ถูกทดสอบสมรรถนะการทางาน และ คุ ณภาพในการแทงดี บั ว โดยประเมิ นสมรรถนะการท างานจาก เป อร์ เ ซ็ นต์ กา ร แทงดี บั ว (Percentage of removing) ( %, Equation 1) เปอร์ เซ็ นต์ความเสี ยหาย (Percentage of damage) (%, Equation 2) ความสามารถในการทางาน (Working Capacity) (kg h-1, Equation 3) และอั ต ราการใช๎ พ ลั ง งานไฟฟ้ า (Power requirements) (kW-h, Equation 4)

c) The removing unit.

จานวนเมล็ดทีเ่ สียหาย จานวนเมล็ดทีใ่ ช๎ทดสอ บทัง้ หมด

(2)

น้าหนักของ เมล็ดบัวทีแทงดี ่ บวั ออ กได๎ทงั้ หม ด เวลาทางานท ั้งหมด

(3)

IVt 1000 เมื่อ

(1)

(4)

I = กระแสไฟฟ้า (A) V = แรงเคลื่อนไฟฟ้า (V) t = เวลาในการทางาน (h) ใช๎ เ มล็ ด บั ว หลวงปทุ ม ที่ มี ข นาดเส๎ น ผํ า นศู น ย์ ก ลางเฉลี่ ย 9-13±1.2 mm ความยาวเฉลี่ย 17±1.5 mm (สุํมวัด 100 เมล็ดด๎วย เวอร์เนียคาลิปเปอร์) ตลอดการทดสอบ จากการทดสอบเบื้องต๎น 12

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 9-15

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

2.4.1 การวิเคราะห์และประเมินค่าใช้จ่ายโดยเฉลี่ย วิธีการประเมินคําใช๎จํายโดยรวมเกี่ยวกับต๎นทุนในการใช๎งาน เครื่องแทงดีบัว สมมติวําเกษตรกรซื้อเครื่องแทงดีบัวแทนวิธีการใช๎ แรงงานคน ซึ่งคําใช๎จํายโดยรวมจะประกอบด๎วยต๎นทุนคงที่ (Fixed cost) และต๎ นทุ นผั นแปร (Variable cost) โดยต๎ นทุ นคงที่ ได๎ แกํ คํ าเสื่ อมราคาของเครื่ อง (คิ ดคํ าเสื่ อมราคาโดยวิ ธี เส๎ นตรงเมื่ อ ประมาณอายุการใช๎งานของเครื่องแทงดีบัวได๎ 5 year) และคําเสีย โอกาสของเงินทุน (คิดอัตราดอกเบี้ย 10%) ซึ่งคําใช๎จํายที่เป็นต๎นทุน คงที่ จะไมํ เปลี่ ยนแปลงไปตามปริ มาณของการแทงดี บั ว (Hunt, 1995)

ทย

2.4 การวิเคราะห์เชิงเศรษฐศาสตร์

ขณะทดสอบเมื่อเพิ่มความเร็วของชุดลาเลียงขึ้น ความเร็วในการ แทงของชุดแทงดีบัวจะต๎องเร็วขึ้นให๎เทํากับความเร็วของชุดลาเลียง เพื่อให๎ทันกับความเร็วในการป้อนของชุดลาเลียงดังที่ได๎กลําวไว๎ใน หัวข๎อของการออกแบบระบบสํงกาลังของเครื่องต๎นแบบ จากการ สังเกตพบวําความเร็วของชุดแทงดีบัวที่เพิ่มขึ้นนี้จะสํงผลให๎ดีบัวฉีก ขาดและติ ดอยูํในเมล็ดบัว จึ งทาให๎เปอร์เซ็นต์ การแทงดีบัวลดลง นอกจากนั้นในบางจังหวะการแทงเมล็ดบัวของชุดเข็มแทง จะมีเมล็ด บั วบางเมล็ ดเกิ ดการแตกเสี ยหายจากการกระแทกของเข็ มแทง ดั งนั้ นความเร็ วของชุ ดล าเลี ยงที่ 0.5 m min-1 จึ งเหมาะสมที่ จะ นาไปใช๎งาน

ระ เท ศไ

พบวํ าความเร็ วของชุ ดล าเลี ยงที่ ต่ ากวํ า 0.5 m min-1 ไมํ มี ผลตํ อ คุณภาพในการแทงดี บัวในสํวนของเปอร์ เซ็ นต์ การแทงดีบั ว และ เปอร์ เซ็ นต์ ความเสี ยหาย แตํ ถ๎ าเครื่ องท างานที่ ความเร็ วของชุ ด ลาเลียงช๎าลงจะทาให๎ความสามารถในการทางานลดลงเชํนกัน ดังนั้น จึงเลือกทดสอบที่ความเร็วของชุดลาเลียง 0.5, 0.6 และ 0.7 m min-1 ตามลาดับ ที่แตํละความเร็วรอบทาการทดสอบซ้ากัน 3 ซ้า แตํละซ้า ใช๎เมล็ดบัว 50 เมล็ด

Figure 4 Removing percentages at different conveyor speeds.

วก

รร

2.4.2 การวิเคราะห์ระยะเวลาคืนทุน (Pay-back period) เป็ น การคาดคะเนวํ า เมื่ อลงทุ น ใช๎ เครื่ อ งแทงดี บั ว ไปแล๎ ว จะได๎รับผลตอบแทนกลับคืนมาในจานวนเงินเทํากับที่ลงทุนไปแล๎ว ภายในระยะเวลากี่ปี โดยพิจารณาจากการทราบคํา (i = 10%) แตํไมํ ทราบคํา n ทาการเปลี่ยน n ไปเรื่อยๆ จนคําทั้งสองข๎างของสมการ เทํากันก็จะได๎คํา n โดยที่ n คือระยะเวลาคืนทุน (year)

สม

าค ม

วิศ

3.2 เปอร์เซ็นต์ความเสียหาย เมล็ ด บั ว ดี บั ว และเมล็ ด บั ว ที่ เ สี ย หายจากการทดสอบ เครื่องต๎นแบบแสดงใน Figure 5 ที่ความเร็ว 0.5, 0.6 และ 0.7 m min-1 2.4.3 การคานวณหาจุดคุ้มทุน (Break-even point) เมล็ ดบั วมี ความเสี ยหาย 13.3±3.8, 16.7±4.5 และ 26.7±5.7% เป็นการคานวณเปรียบเทียบการแทงดีบัว โดยใช๎แรงงานคนกับ ตามลาดับ (Figure 6) เมื่อเพิ่มความเร็วของชุดลาเลียง เมล็ดบัวจะมี เครื่องต๎นแบบวําสามารถใช๎ต๎นทุนในการทางานเทํากับต๎นทุนของ เปอร์เซ็นต์ความเสียหายเพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงกระแทกของชุดเข็ม การแทงดีบัวได๎ปริมาณเทําไร แทงที่มีความเร็วเพิ่มขึ้น เป็นผลให๎เมล็ดบัวบางเมล็ดแตกเสียหาย จากการกดอัดกับเบ๎ารับเมล็ดบัว ดังนั้นความเร็วของชุดลาเลียงที่ 3 ผลและวิจารณ์ ควรนาไปใช๎จึงไมํควรเกิน 0.5 m min-1 เพราะเมล็ดบัวจะเสียหาย 3.1 เปอร์เซ็นต์การแทงดีบัว เพิ่มขึ้นดังผลการทดสอบที่กลําวไว๎ข๎างต๎น จากการทดสอบเครื่องแทงดีบัวต๎นแบบที่ความเร็วรอบของชุด ลาเลียงตํ างๆ (Figure 4) พบวําที่ความเร็ว 0.5, 0.6 และ 0.7 m min-1 มี เปอร์ เ ซ็ น ต์ การแทงดี บั ว 70.0±5.2, 53.3±4.8 และ 50.0±5.6% ตามลาดับ ซึ่งเปอร์เซ็นต์การแทงดีบัวจะลดลงเมื่อเพิ่ม ความเร็วของชุดลาเลียง และมีคําสูงที่สุดเมื่อชุดลาเลียงมีความเร็ว 0.5 m min-1 13

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 9-15

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Figure 5 Lotus seed (a), lotus seed embryo (b) and Seed Figure 7 Machine capacity at different conveyor speeds. damaged (c) after removing by the prototype.

Figure 8 Power requirements at conveyor speeds.

3.3 ความสามารถในการทางานของเครื่องแทงดีบัว ความสามารถในการทางานของเครื่องแทงดีบัวจะเพิ่มขึ้นตาม ความเร็ วของชุ ดล าเลี ยง ที่ ความเร็ ว 0.5, 0.6 และ 0.7 m min-1 เครื่องสามารถทางานได๎ 1.2±0.02, 1.5±0.05 และ 1.9±0.09 kg h-1 (Figure 7) แตํ ในการท างานควรจะใช๎ ความเร็ วที่ ท าให๎ เครื่ องมี เปอร์ เซ็ นต์ การแทงดี บั วสู งที่ สุ ด และมี ความเสี ยหายน๎ อยที่ สุ ด ซึ่งเทํากับ 0.5 m min-1 และจากการสังเกตขณะทดสอบพบวํา ความเร็วนี้เป็นความเร็วที่ผู๎ควบคุมเครื่องสามารถป้อนเมล็ดบัวได๎ อยํางสบายขณะทางาน (ทางานโดยไมํมีความเครียด) กวําความเร็วที่ สูงกวํานี้

3.5 ผลการวิเคราะห์และประเมินผลเชิงเศรษฐศาสตร์ จากผลการวิเคราะห์เชิงเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม โดยคิดที่ราคา เครื่ อ งต๎ น แบบ 20,000 Baht (Table 1) อายุ ก ารใช๎ งาน 5 year อัตราดอกเบี้ย 10% ใช๎ผู๎ควบคุมเครื่อง 1 คน ความสามารถในการ ทางาน 1.2±0.02 kg h-1 อัตราการใช๎พลังงานไฟฟ้า 0.4 kW-h และ ทางาน 1,440 h year-1 จะได๎คําใช๎จํายในการใช๎เครื่อง 19 Baht kg-1 ระยะเวลาคื น ทุ น 3 month และจุ ด คุ๎ ม ทุ น 82 h year-1 เมื่ อ เปรี ยบเที ยบกั บการแทงดี บั วด๎ วยแรงงานคน 1 คน ที่ ท างานได๎ 0.3 kg h-1 ด๎วยคําจ๎าง 70 Baht kg-1

3.4 อัตราการสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้า จากการทดสอบจะเห็นวําชํวงความเร็วของชุดลาเลียงที่ใช๎ในการ ทดสอบทัง้ สามความเร็ว ไมํทาให๎เกิดความแตกตํางในการใช๎พลังงาน ไฟฟ้า โดยจะมีคําประมาณ 0.04 kW-h (Figure 8) ซึ่งจะนาคํานี้ไป เป็นคําใช๎จํายในการวิเคราะห์เชิงเศรษฐศาสตร์วิศวกรรมตํอไป

4 สรุป จากการทดสอบสมรรถนะเครื่ อ งแทงดี บั ว โดยใช๎ คํ า ชี้ วั ด การศึ กษา คือ เปอร์เซ็นต์ การแทงดีบัว เปอร์เซ็นต์ ความเสี ยหาย ความสามารถในการทางาน และอัตราการใช๎พลังงานไฟฟ้า พบวํา เครื่องต๎นแบบสามารถทางานได๎ดี ที่สุดที่ ความเร็วชุ ดลาเลียง 0.5 m min-1 โดยเครื่องสามารถทางานได๎ 1.2±0.02 kg h-1 แทงดีบัวได๎ 70±5.2% ความเสี ย หาย 13.3±3.8% และใช๎ พ ลั ง งานไฟฟ้ า 0.4 kW-h สามารถท างานได๎ เ ร็ วกวํ าเกษตรกร 4 เทํ า แตํ ยั งมี

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

Figure 6 Seed damaged at different conveyor speeds.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 9-15 เปอร์เซ็นต์ความเสียหายที่คํอนข๎างสูง ดังนั้นจึงควรศึกษาวัสดุที่ใช๎ สร๎างเบ๎ารับเมล็ดบัวชนิดตํางๆ เพื่อชํวยลดความเสียหายของเมล็ด บั วที่ เ กิ ดจากการกระแทกของชุ ด แทงดี บั วกั บ เบ๎ า รั บเมล็ ดบั ว ให๎เครื่องแทงดีบัวสามารถนาไปใช๎ทดแทนแรงงานคนได๎ตํอไป Table 1 Price of lotus seed embryo removing machine prototype.

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

1,000 4,500 2,500 2,000 4,000 20,000

ทย

Amount (Baht) 6,000

ระ เท ศไ

Item 1. Gear motor and speed control 2. Materials cost 2.1 Main frame 2.2 Conveyor unit 2.3 Removing unit 2.4 Power transmission unit 3. Skilled labor cost for fabrication Total

5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุ ณ สกว. ที่ สนั บสนุ นงบประมาณในการวิ จั ย และ ภาควิ ชาวิ ศวกรรมเกษตร คณะวิ ศวกรรมศาสตร์ มทร. ธั ญบุ รี ที่สนับสนุนสถานที่และอุปกรณ์ในการทดสอบตํางๆ

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

6 เอกสารอ้างอิง กรมสํงเสริมการเกษตร. 2551. สถานการณ์การผลิตบัว. แหลํงข๎อมูล: http://www.doae.go.th/LIBRARY/html/ detail/sacreslotus/01.htm. เข๎าถึงเมื่อ 20 เมษายน 2552. ทวีศักดิ์ สุนทรธนศาสตร์. 2550. เมล็ดบัว. นิตยสารวิทยาศาสตร์และ เทคโนโลยี 22(1), 33-34. พรพรรณ วิจิตรวิทยาพงศ์. 2552. เมล็ดบัวแปรรูปที่พิจิตร สร๎าง งาน-เงิน ให๎ชาวบึงสีไฟ. คอลัมน์ ชุมชนเข๎มแข็ง. หนังสือพิมพ์ ม ติ ช น . แ ห ลํ ง ข๎ อ มู ล : http://www.matichon.co.th/ matichon/view_news.php?newsid. เข๎าถึงเมื่อ 20 กันยายน 2553. Hunt, D. 1995. Farm Power and Machinery. (9th ed.). Iowa, State University Press. Ames: Iowa. Krutz, G., Thomson, L., Claar, P. 1994. Design of Agricultural Machinery. John Wiley and Sons. New York Chicheter Brisbne, Toronto, Sigapore. 472 P. Shigley, J.E., Mischke, C.R. 1989. Mechanical Engineering Design. (5th ed.). McGraw-Hill Book Company, USA. 779 P.

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 16-25

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557) 16-25 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

การพัฒนาและปัจจัยที่มีผลต่อการละลายเนื้อไก่แช่แข็งด้วยวิธีเทอร์โมอะคูสติก Improvement and Effecting Factors of Thawing of Frozen Chicken by Thermoacoustic Method ฤทธิชัย อัศวราชันย์1*, น้าฝน ไชยลังกา1, ปองพล สุริยะกันธร1 Rittichai Assawarachan1*, Namphon Chailungka1, Pongpon Suriyakunthorn1 1

สาขาวิศวกรรมอาหาร คณะวิศวกรรมและอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยแมํโจ๎ สันทราย เชียงใหมํ 50290 Department of Food Engineering, Faculty of Engineering and Agro-Industry; Maejo University, Sansai, Chiang Mai, Thailand 50290 *Corresponding author: Tel: +66-8-5704-9146, Fax: +66-34-351-896, E-mail: rittichai@mju.ac.th, rittichai.assawarachan@gmail.com 1

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีจุดมุํงหมายเพื่อศึกษาวิธีการละลายเนื้อไกํแชํแข็งที่แตกตํางกันจานวน 3 วิธี ได๎แกํ การละลายแบบการพาโดยธรรมชาติ การละลายโดยการแชํ น้ า และการละลายโดยการแชํ น้ ารํ วมกั บคลื่นอะคู สติกหรื อวิ ธี เทอร์ โมอะคู สติ ก ผลการศึ กษาพบวํ า อั ตราการ เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเฉลี่ยในระหวํางการแชํแข็งเนื้อไกํ ที่อุณหภูมิเริ่มต๎น 10°C ลดลงจนเหลือ -22°C ใช๎เวลาประมาณ 492 minutes หรือ คิดเป็นอั ตราการแชํ แข็งที่ ประมาณ 0.0650° minute-1 และเนื้ อไกํ มี จุดเยือกแข็งประมาณ -0.18°C เวลาที่โมเลกุ ลของน้ าในโครงสร๎ าง เปลี่ยนเป็นผลึกน้าแข็งทั้งหมด ใช๎เวลาประมาณ 250 minutes อัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในระหวํางการละลายและเวลาในการละลาย ที่อุ ณหภูมิ เริ่ มต๎ น -22°C จนอุณหภู มิเพิ่มขึ้ น 10°C โดยวิธี เทอร์ โมอะคู สติ กเป็นวิ ธีที่ มีประสิทธิภาพในการละลายที่ ดี ที่สุ ด มีอั ตราการ เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในระหวํางการละลายที่เร็วกวําวิธีการละลายแบบอื่น และปริมาณจุลินทรีย์ทั้งหมดที่อยูํรอดในระหวํางการละลายน๎อย ที่สุด ซึ่งมีคําเทํากับ 2.1772°C minute-1, 7.05 minutes และ 0.02 x 105 cfu g-1 ตามลาดับ การหารูปแบบสมการความสัมพันธ์ของการ เปลี่ยนแปลงคุณภาพของเนื้อไกํแชํแข็งด๎วยวิธีเทอร์โมอะคูสติกด๎วยเทคนิคการหาพื้นผิวผลตอบสนองแบบสามมิติเพื่อหารูปแบบความสัมพันธ์ ของอัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ อัตราการสูญเสียน้าหนักในระหวํางการละลาย ปริมาณจุลินทรีย์ทั้งหมดที่อยูํรอดในระหวํางการละลาย ปริมาณความร๎อนที่ใช๎ในการละลาย ซึ่งเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ (°C) และระดับความถี่ (Hz) ซึ่งจะเป็นรูปแบบสมการที่เหมาะสมและสามารถ ทานายได๎แมํนยา

สม

คาสาคัญ: เนื้อไกํ, วิธีการละลาย, เทอร์โมอะคูสติก Abstract This study was aim to investigate three different thawing processes of frozen chicken which were thawing in air at ambient temperature, in water and in water with acoustic wave assisted or thermoacoustic. The results showed that it took 492 minutes for decreasing the chicken temperature from 10°C to -22°C during freezing. The freezing rate was 0.0650°C minute-1, the freezing point was -0.18°C and the freezing time were 250 minutes. The thermoacoustic assisted thawing process at 50°C and 1,500 Hz resulted in the highest thawing rate of 2.1772°C minute-1, the shortest thawing time of 7.05 minutes and the lowest total aerobic microorganism growth (Total Plate Count) of 0.02 x 105 cfu g-1. The 3-D response surface plot and the contour plot derived from the mathematical models were applied to determine the thawing quality prediction equations. The Response surface analysis (3-D) showing the effect of thawing temperature (°C) and ultrasonic frequency (Hz) on the response the change in temperature profile of thawing process drip loss total plate count or aerobic plate count and thawing energy during ultrasonic thawing, which is well in close agreement with the value predicted by the model. Keywords: Frozen Chicken, Thawing Processes, Thermoacoustic 16

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 16-25

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

ระ เท ศไ

ทย

ก า ร ล ะ ล า ย ด๎ ว ย เ ท ค โ น โ ล ยี เ ท อ ร์ โ ม อ ะ คู ส ติ ก (Thermoacoustic Thawing) เป็ น แนวทางที่ ส าคั ญ ในการ พัฒ นากระบวนการละลายด๎ ว ยวิ ธี การแชํ ใ นน้ าเนื่ อ งจากคลื่ น ความถี่จะเป็นแหลํงพลังงานกลชนิดที่ชํวยเรํงอัตราการเปลี่ยน เฟสของน้าแข็ง โดยคลื่นเสียงสามารถชํวยเรํงอัตราการเปลี่ยน เฟสของผลึ ก น้าแข็ งและการถํ า ยเทความร๎ อ นจากภายในเนื้ อ อาหารแชํ แ ข็ ง สํ งผลให๎ ร๎ อ ยละของการเกิ ด Drip loss ลดลง กลไกการละลายของวัสดุอาหารแชํแข็ง เทียบกับการละลายโดย กลไกการถํายเทความร๎อนแบบธรรมชาติ พบวําการประยุกต์คลื่น เสียงมาใช๎ในการละลายอาหารแชํแข็งจะชํวยเพิ่มประสิทธิภาพใน การละลาย (Mason et al., 1996) เนื่องจากคลื่นเสียงจะชํวย กระตุ๎นการเปลี่ยนสถานะของผลึกน้าแข็งภายในวัสดุอาหารแชํ แข็งได๎ดีกวําการละลายโดยกลไกการถํายเทความร๎อนแบบทั่วไป คลื่นเสียงจะเรํงการสั่นสะเทือนของผลึกน้าแข็งให๎เกิดการเสียดสี กันและเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวทันที (Figure 1) สามารถลด ปรากฏการณ์ ก ารรวมตั ว ของผลึ ก น้ าแข็ ง ขนาดเล็ ก เป็ น ผลึ ก น้าแข็งขนาดใหญํหรือการตกผลึกใหมํ (Recrystallization) ซึ่ง การเกิด ปรากฏการณ์ดั งกลําวจะสํงผลเสียตํ อโครงสร๎ างเซลล์ อาหารหรือการสูญเสียน้าหนักของอาหารระหวํางการแชํแข็ง (Li and Sun, 2002) Kissam et al. (1981) พัฒนาการละลายด๎วย คลื่นอะคูสติก (ความถี่ 1,500 Hz และระดับพลังงาน 60 W) ในการ ละลายปลาแชํ แข็ งรู ปทรงสี่ เหลี่ ยม (ความหนา 91 mm และมี น้ าหนั กประมาณ 12.7 kg) รํ วมกั บการแชํ ในน้ า การละลายด๎ วย คลื่นอะคูสติกใช๎เวลาในการละลายน๎อยกวําวิธีการแชํด๎วยน้าเพียง อยํางเดียว 71% สอดคล๎องกับงานวิจัยของ Miles et al. (1999) ซึ่งศึกษาการ ละลายเนื้อวัวและเนื้อปลาแชํแข็งด๎วยคลื่นอะคูสติก ที่ระดับความถี่ 500 kHz ซึ่งแม๎วําการละลายด๎วยเทคโนโลยีคลื่นความถี่จะชํวยลด เวลาในการละลาย และลดอัตราการสูญเสียคุณภาพของวัสดุอาหาร แชํแข็งได๎เป็นอยํางดี อยํางไรก็ตามข๎อมูลที่เกี่ยวข๎องกับการละลาย ด๎ วยเทคโนโลยี คลื่ นความถี่ ยั งมี อยูํ น๎ อย ดั งนั้ นจุ ดประสงค์ ของ โครงงานวิจัยนี้ ทาการเปรียบเทียบและศึกษาผลกระทบของวิธีการ ละลายเนื้อไกํแชํแข็ง ด๎วยวิธีการละลายแบบตํางๆ ได๎แกํ การละลาย โดยใช๎อากาศและน้าเป็นตัวกลางในการแลกเปลี่ยนความร๎อน และ การละลายโดยใช๎น้าเป็นตัวกลางรํวมกับคลื่นอะคูสติกหรือวิธีเทอร์ โมอะคู ส ติ ก (Thermoacoustic Thawing) และศึ ก ษาปั จ จั ย ที่ มี ผลกระทบตํอการเปลี่ ยนแปลงคุณภาพของเนื้อไกํ ในระหวํ างการ ละลายด๎วยวิธีเทอร์โมอะคูสติก ได๎แกํ อัตราการละลาย ร๎อยละของ

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

1 บทนา การละลายอาหารแชํแข็งเป็นขั้นตอนในการเตรียมที่สาคัญ อยํางยิ่งในการแปรรูปอาหาร ปัจจุบันวิธีการละลายที่ใช๎ในระดับ อุตสาหกรรม ได๎แกํ การปลํอยให๎เกิดการละลายที่อุณหภูมิห๎อง และการแชํในน้าเพื่อให๎น้าเป็นตัวกลางในการถํายเทความร๎อน ซึ่งทั้งสองวิ ธีมีห ลักการที่งํายและไมํซั บซ๎อ น แตํ ใช๎เ วลาในการ ละลายที่ยาวนาน และสํงผลกระทบตํอการสูญเสียคุณภาพของ อาหารอยํางมาก เกิดการสูญเสียน้าหนักในระหวํางการละลาย การเสื่อ มเสียของคุณภาพสีและเนื้อสัม ผัส รวมทั้งการสูญเสี ย คุณคําทางโภชนาการ นอกจากนี้ยังเสี่ยงตํอการปนเปื้อนสารพิษ จากการเจริญ เติบโตของเชื้ อจุลิน ทรีย์ในระหวํา งการละลายที่ ยาวนาน (Shirai and Yoshikawa, 1999) การละลายอาหารแชํแข็ง สามารถแบํงออกได๎ 2 วิธีการตาม ลักษณะของกลไกการถํา ยเทความร๎อ นในระหวํ างการละลาย ได๎แกํ การใช๎ตัวกลางในการถํายเทความร๎อนสูํผลิตภัณฑ์ ซึ่งเป็น วิ ธี ก ารแบบดั้ งเดิ ม และการสร๎ า งความร๎ อ นให๎ เ กิ ด ขึ้ น ภายใน ผลิ ต ภั ณ ฑ์ ซึ่ ง เป็ น เทคโนโลยี ส มั ย ใหมํ (ฤทธิ ชัย , 2546) แตํ ใ น ปัจจุบันวิธีการละลายอาหารแชํแข็งในอุตสาหกรรมการแปรรูปใน ประเทศไทยนั้น ยังใช๎การละลายด๎วยวิธีการแบบดั้งเดิม เนื่องจาก มีการควบคุมการทางานที่งําย และคําใช๎จํายต่า เชํน การละลาย ปลาแชํแข็งด๎วยวิธีการแชํในบํอน้า โดยใช๎น้าเป็นตัวกลางในการ แลกเปลี่ยนความร๎อน หรือที่เรียกวําการละลายโดยใช๎อากาศเป็น ตัว กลาง เชํ น การวางซู ริมิ แชํ แ ข็งทิ้งไว๎ ใ ห๎เ กิด การละลายตาม ธรรมชาติ วิธีการละลายแบบดั้งเดิมนี้ มีอัตราการละลายช๎าและ ใช๎ เ วลานาน และใช๎ พื้ นที่ เ ป็น จ านวนมาก ซึ่ งจะท าให๎ เ กิด การ สู ญ เสี ย น้ าหนั ก ของอาหารระหวํ า งการละลาย เนื่ อ งจากใน ระหวํางการละลายผลึกน้าแข็งขนาดเล็กที่อยูํรอบๆ โครงสร๎าง เซลล์ในอาหารจะรวมตัวกั นเป็นผลึกน้าแข็งขนาดใหญํซึ่งแทรก อยูํระหวํางโครงสร๎างเซลล์และคมของผลึกน้าแข็งที่เกิดขึ้นจะ ทาลายผนังโครงสร๎างเซลล์ในอาหาร สํงผลทาให๎ของเหลวภายใน เซลล์ เ กิ ด การสู ญ เสี ย หรื อ การสู ญ เสี ย น้ าหนั ก ในระหวํ า งการ ละลาย (Drip Loss) ดังนั้นการละลายอาหารแชํแข็งที่มีอัตรา การละลายแบบช๎าๆ จึงเป็นสาเหตุสาคัญที่ทาให๎อาหารเกิดการ สูญเสียคุณคําทางโภชนาการ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะ ทางกายภาพ และเคมีของอาหารแชํแข็งอยํางมาก นอกจากนี้ยัง มีโอกาสเกิ ดความเสี่ย งของการปนเปื้อ นสารพิษเนื่ องจากการ เจริญเติบโตของเชื้อจุลินทรีย์ (Miao et al., 2007)

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 16-25 การสูญเสี ยน้าหนักในระหวํางการละลาย (Drip Loss) การอยูํรอด ของจุลินทรีย์ในระหวํางการละลาย และอัตราการสิ้นเปลืองพลังงาน

Figure 2 Frozen chicken of this experiment.

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Figure 1 Effect of ice relaxation frequency acoustic waves on the phase change region as compared to passive 2.2 วิธีการละลาย 2.2.1 การละลายโดยใช้อากาศ conduction heating. (Li and Sun, 2002) นาเนื้ออกไกํที่แชํแข็งมาวางบนชั้นตะแกรงที่มีการถํายเทอากาศ 2 อุปกรณ์และวิธีการ โดยธรรมชาติแบบสม่าเสมอจนอุณหภูมิของเนื้อไกํเพิ่มขึ้นถึง 10°C 2.1 วัตถุดิบ 2.2.2 การละลายโดยแช่ในอ่างน้าอุ่น เนื้อไกํที่ใช๎ในการทดลองทั้งหมดเป็นผลิตภัณฑ์เนื้อไกํอนามัย นาเนื้ออกไกํที่แชํแข็งจุํมในอํางน้าอุํนที่ควบคุมอุณหภูมิที่ 50°C (Fresh Hygienic Chicken) ซึ่ ง ผํ า น ก า ร ช า แ ห ล ะ ชิ้ น สํ ว น จนอุณหภูมิของเนื้อไกํเพิ่มขึ้นถึง 10°C ตามมาตรฐานความปลอดภัยในการผลิตอาหาร ผํานการตรวจสอบ และควบคุมคุณภาพจากบริษัท เอก-ชัย ดิสทริบิวชั่นซิสเต็ม จากัด 2.2.3 การละลายโดยแช่ในอ่างน้าอุ่นร่วมกับคลื่นอะคูสติก นาเนื้ออกไกํที่แชํแข็งจุํมในอํางน้าอุํนที่ควบคุมอุณหภูมิที่ 50°C ในเครือเจริญโภคภัณฑ์ (Tesco Lotus) เนื้อไกํที่ใช๎ในการศึกษาใน งานวิจัยนี้ เลือกใช๎เนื้อไกํสํวนเนื้ออกที่ลอกไขมันตํางๆ ออกจนหมด และเปิดระบบสร๎างคลื่นความถี่ ที่ระดับ 1,500 Hz จนอุณหภูมิของ โดยเนื้ออกไกํมีพื้นที่หน๎าตัดเฉลี่ย 72.22±1.62 cm2 ความหนาเฉลี่ย เนื้อไกํเพิ่มขึ้นถึง 10°C โดยทั้ง 3 วิธีทาการบันทึกคําอุณหภูมิที่เวลา 3.13±0.73 cm และมีน้าหนักเฉลี่ยเทํากับ 190±5.86 g ตามลาดับ ตํางๆ เพื่อหาจุดหลอมเหลวและอัตราการแชํแข็งของเนื้ออกไกํ และทดลองหาจุดที่ร๎อนน๎อยที่สุด (Cold Spot) พบวําจุดที่ร๎อนน๎อย ที่สุดอยูํ ที่ตาแหนํงพิ กัด (3.7 cm, 12 cm) ซึ่งเป็นตาแหนํ งที่ มีชั้น 1 ความหนามากที่ สุ ด ตาม Figure 2 น าตั ว อยํ า งเนื้ อ อกไกํ ส อด 2 เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิชนิด RT ชนิด pt 100 โอห์ม (ขนาดเส๎นผําน ศูนย์กลาง 2 mm) ที่ตาแหนํงที่ร๎อนน๎อยที่สุดในเนื้ออกไกํ และตํอ เข๎าเครื่องบันทึกอุณหภูมิ (Testo Model: 177-T3) จากนั้นนาไปแชํ แข็งด๎วยตู๎แชํแข็ง (Sanyo Model: SF-C997 (GYN), ผลิตที่ประเทศ 3 ไทย) ที่อุณหภูมิอากาศเย็นประมาณ -30±2.8oC บันทึกคําอุณหภูมิ ของเนื้ ออกไกํ จนอุ ณหภู มิ ของเนื้ ออกไกํ มี คํ าเทํ ากั บ -22±0.5oC Figure 3 Schematic of thermoacoustic thawing. จึงนามาละลายด๎วยวิธีการละลายโดยใช๎อากาศและน้าเป็นตัวกลาง (1) Water bath (2) Immersion heater (3) Frequency ในการแลกเปลี่ยนความร๎อนและการละลายโดยใช๎น้าเป็นตัวกลาง generator รํวมกับคลื่นอะคูสติกหรือวิธีเทอร์โมอะคูสติก 2.3 ร้อยละของน้าหนักที่สูญเสียในระหว่างการละลาย (Drip Loss) การวั ดปริ มาณน้ าหนั กของเนื้ อไกํ แชํ เยื อกแข็ ง ซึ่ งอยูํ ในรู ป ร๎อยละของอัตราสํวนของน้าหนั กเนื้อไกํที่ สูญเสียตํอน้าหนักของ 18

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 16-25 เนื้ อไกํ เริ่ มต๎ น ดั งที่ แสดงใน Eq. (1) (Miao et al., 2007; Bozkurt and ÍÇier, 2009) Drip Loss 

W1  W2 x 100 W1

(1)

เมื่ อ Drip Loss คื อ ร๎ อยละของน้ าหนั กที่ สู ญเสี ยในระหวํ างการ ละลาย W1 และ W2 คือ น้าหนักของเนื้อไกํกํอนแชํแข็ง และหลังการ ละลาย (g) ตามลาดับ

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

Figure 4 Determation of total plate count using bacteriological analytical manual.

ระ เท ศไ

ทย

2.5 การวิเคราะห์พลังงานในการละลาย การวิเคราะห์ปริมาณความร๎อนเป็นการวัดอัตราการสิ้นเปลือง พลังงานสาหรับการสร๎างความร๎อนและคลื่นอะคูสติ กที่ใช๎ในการ ละลายเนื้อไกํแชํแข็ง โดยการใช๎พาวเวอมิเตอร์แบบตัวเลข (Digital Power Meter) ยี่ห๎อ PRIMUS Model: KM-16 เพื่อวัดกระแสไฟฟ้า ที่ไหลผํานสายไฟของอํางอะคูสติกที่สร๎างความร๎อนและคลื่นความถี่ ที่ระดับตํางๆ

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

2.4 การอยู่รอดของเชื้อจุลินทรีย์ การเปรี ยบเที ยบคุณภาพทางชีวภาพของเนื้ ออกไกํ แชํแข็ งใน ระหวํางการละลายด๎วยวิธีตํางๆ โดยวิธีการตรวจหาปริมาณจุลินทรีย์ ทั้งหมดที่มีในอาหาร (Total Plate Count, TPC) การทดสอบ Total Plate Count หรือ Aerobic Plate Count เป็นการตรวจสอบ เชื้ อจุลิ นทรี ย์ ทั่วไป ที่ เป็ นเชื้ อแบคทีเรี ยทุ กชนิ ดที่ปนเปื้ อนอยูํ ใน ตัวอยําง ซึ่งเจริญได๎ทั้งบนผิวหน๎าอาหาร ในอาหาร และใต๎อาหาร เลี้ยงเชื้อที่ใช๎ทดสอบ สามารถตรวจได๎โดยการนับจานวนโคโลนีของ เชื้อที่เจริญในอาหารที่ใช๎ทดสอบ ซึ่งจานวนเชื้อแบคทีเรียทั่วไปนั้นใช๎ เป็นตัวชี้วัดอายุการเก็บรักษาผลิตภัณฑ์ ถ๎ามีจานวนเชื้อจุลินทรีย์สูง ผลิตภัณฑ์ก็จะมีอายุการเก็บรักษาสั้นลง แตํจานวนเชื้อจุลินทรีย์ต่า ผลิตภัณฑ์ก็จะมีอายุการเก็บรักษาเพิ่มขึ้น ในการหาจานวนจุลินทรีย์ ในอาหารนั้น ไมํได๎กาหนดวิธีการมาตรฐานที่เฉพาะเอาไว๎ แตํวิธีการ มาตรฐานที่นิยมใช๎ในหลายๆ ห๎องปฏิบัติการ ได๎แกํ วิธีการมาตรฐาน Bacteriological Analytical Manual (BAM) ขององค์การอาหาร และยา ประเทศสหรัฐอเมริกา และวิธีมาตรฐาน AOAC Official Method of Analysis ซึ่งเป็นมาตรฐานที่ได๎รับการยอมรับอยําง แพรํห ลายขึ้ น อยูํ กั บ ห๎ อ งปฏิ บั ติ ก ารแตํ ล ะแหํ งจะเลื อ กใช๎ ใ ห๎ เหมาะสม โดยในงานทดลองนี้เลือกใช๎วิธีการตามมาตรฐาน AOAC Official Method of Analysis 18th ed. (2010) ตัดชิ้นเนื้อไกํที่ผําน การละลายด๎วยวิธีตํางๆ จานวน 25 g ไปตรวจหาปริมาณจุลินทรีย์ ทั้งหมดด๎วยการเพาะเชื้อแบบ Pour Plate โดยใช๎อาหารเลี้ยงเชื้อ ชนิด Plate Count Agar (PCA) ยี่ห๎อ Difco, BBL ผลิตที่ประเทศ สหรั ฐอเมริ กา จ านวน 23.5 g ตํ อน้ ากลั่ น จ านวน 1 Liter และ สารละลายที่ ใ ช๎ เ จื อ จาง คื อ Peptone water และน าไปบํ ม ที่ อุณหภูมิ 37ºC เป็นเวลา 48 h จากนั้นนับจุลินทรีย์ที่ปรากฏบนจาน เพาะเชื้อเพื่อวิเคราะห์ปริมาณการอยูํรอดของเชื้อจุลินทรีย์ของเนื้อ ไกํในระหวํางการละลายด๎วยวิธีตํางๆ

2.6 การออกแบบการทดลอง การศึ กษาผลกระทบของวิ ธี การละลาย และผลกระทบของ อุณหภูมิ และคําความถี่ เพื่อหารูปแบบสมการความสัมพันธ์ของการ เปลี่ยนแปลงคุ ณภาพเนื้ อไกํ แชํ แข็งในระหวํ างการละลายด๎ วยวิ ธี เทอร์ โมอะคู สติ ก จะถู กวิเคราะห์ ด๎วยวิ ธี การพื้ นผิวผลตอบสนอง (Response Surface Methodology, RSM) ซึ่งเป็นการรวบรวมเอา เทคนิคทั้งทางคณิตศาสตร์และทางสถิติที่มีประโยชน์ตํอการสร๎าง แบบจาลองและวิเคราะห์ปัญหาโดยที่ผลตอบสนองที่สนใจขึ้นอยูํกับ หลายตั ว แปร และมี วั ต ถุ ป ระสงค์ ที่ จ ะหาคํ า ที่ ดี ที่ สุ ด ของ ผลตอบสนองนี้ แสดงใน Eq. (2) y  f ( x1 , x 2 )  

(2)

ดังนั้นโครงงานวิจัยนี้จึงได๎ศึกษาผลการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของ เนื้อไกํแชํแข็ง (yi) เชํน อัตราการละลายเนื้อไกํแชํแข็ง (y1) ร๎อยละ ของการสูญเสียน้าหนักในระหวํางการละลาย (y2) ปริมาณจุลินทรีย์ ที่อยูํรอดในระหวํางการละลาย (y3) และปริมาณความร๎อนที่ใช๎ใน การละลาย (y4) ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่ขึ้นอยูํกับตัวแปรของระดับความถี่ (x1) และระดับอุณหภูมิ (x2) โดยที่  คือ คําความผิดพลาดของ ผลตอบสนอง y ที่เป็นผลมาจากการทดลอง ถ๎ากาหนดวํา E(y) = f 19

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 16-25

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

(x1 , x2) ดังนั้นสามารถคานวณพื้นผิวผลตอบสนอง (Response ผํานชํวงวิกฤตหรือชํวงที่โมเลกุลของน้าในโครงสร๎างเปลี่ยนเป็นผลึก surface) ตาม Eq. (3) โดยมีรายละเอียดดังนี้ น้าแข็งทั้งหมด ใช๎เวลาประมาณ 250±3.68 minutes ดังแสดงใน Figure 5(a) โมเลกุลของน้าในเนื้อไกํเริ่มเกิดนิวคลีชัน (Nucleation) (3)   f ( x1 , x 2 ) ซึ่งเป็นการเกิดนิวเคลียสรอบๆ อนุภาคที่แขวนลอยหรือผนังเซลล์ การแสดงพื้นผิวผลตอบสนองในรูปแบบของกราฟฟิก โดยที่จะ ของโมเลกุลของน้า และโมเลกุลของน้าในสํวนอื่นๆ จะเคลื่อนที่ไปยัง ถูกพล็อตระหวํางระดับของ x1 และ x2 เพื่อที่จะชํวยให๎มองรูปรําง นิวเคลียสที่มีอยูํเพื่อสร๎างนิวเคลียสขึ้นมาใหมํและเปลี่ยนเป็นผลึก ของพื้นผิวผลตอบสนองได๎ดียิ่งขึ้น โดยมากแล๎วจะพล็อตเส๎นโครงรําง น้าแข็ง (วิไล, 2547) จาก Figure 5(b), 5(c) และ 5(d) แสดงการ (Contour Plot) ของพื้นผิวผลตอบสนองในการสร๎างเส๎นโครงรําง เปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของเนื้อไกํแชํแข็งที่อุณหภูมิ เชํนนี้ เส๎นที่มีคําของผลตอบสนองคงที่จะถูกวาดอยูํบนระนาบ x1 -22°C จนมีอุณหภูมิประมาณ 10°C พบวําวิธีการละลายแบบการพา และ x2 เส๎นโครงรํางแตํละเส๎นจะมีความสูงของพื้นผิวผลตอบสนองที่ โดยธรรมชาติที่ อุ ณหภู มิ ห๎ อง การแชํ น้ าที่อุ ณหภูมิ 50°C และวิ ธี เทํ ากั นคํ าหนึ่ ง ในปั ญหาเกี่ ยวกั บพื้ นผิ วผลตอบสนองสํ วนมาก เทอร์โมอะคูสติก มีอัตราการเพิ่มอุณหภูมิของเนื้อไกํแชํแข็งเทํากับ 1.6984±0.0236 แ ล ะ 2.1772±0.0752°C ไมํทราบความสัมพันธ์ระหวํางผลตอบสนองและตัวแปรอิสระ ดังนั้น 0.2095±0.0071, -1 ขั้นตอนแรกก็คือต๎องหาตัวประมาณที่เหมาะสมที่จะใช๎เป็นตัวแทน minute ตามลาดับ ในขณะที่เวลาในการละลายของวิธีการพาโดย สาหรับแสดงความสัมพันธ์ที่แท๎จริงระหวําง y และเซตของตัวแปร ธรรมชาติที่อุณหภูมิห๎อง การแชํน้าอุํน และการแชํน้าอุํนรํวมกั บ อิสระ ซึ่งตามปกติแล๎วใช๎ฟังก์ชันพหุนามที่มีกาลังต่าๆ ที่อยูํภายใต๎ ค ลื่ นอะ คู ส ติ ก มี คํ า เ ทํ า กั บ 90.19±2.62, 9.07±0.85 แ ล ะ อาณาเขตบางสํวนของตัวแปรอิสระ ถ๎าแบบจาลองของผลตอบสนอง 7.05±0.52 minutes ตามลาดับ จากปรากฏการณ์ดังกลําว พบวํา มีความสัมพันธ์เป็นแบบเชิงเส๎นกับตัวแปรอิสระ ฟังชันที่จะใช๎ในการ การละลายด๎วยวิธีเทอร์โมอะคูสติกจะชํวยเรํงอัตราการถํายเทความ ร๎อนจากน้าอุํนเข๎าสูํโครงสร๎างเนื้อไกํมากขึ้น โดยคลื่นอะคูสติกจะทา ประมาณความสัมพันธ์นี้ก็คือแบบจาลองกาลังหนึ่ง ให๎ โครงสร๎ างของผลึ กน้ าแข็ งเกิ ดการสั่ นและแตกตั วออกจากกั น y  0  1 x1  2 x 2  ...   (4) ชํ ว ยลดการเรี ย งตั ว ของผลึ ก น้ าแข็ ง หรื อ การตกผลึ ก ใหมํ (Recrystallization) ในระหวํางการละลาย เนื่องจากปรากฏการณ์ เมื่อ 0, 1, 2, …,  x คือ คําสัมประสิทธ์ xi คือ ตัวแปรอิสระ แคปวิ เ ตชั น (Cavitation) ซึ่ งหมายถึ งกระบวนการที่ เ กิ ดขึ้ น ใน สํวนคํา  คือ คําความผิดพลาดของแบบจาลอง ตัวกลางที่ได๎รับคลื่นอะคูสติกทาให๎เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ (แรงกล) จากฟองอากาศ (Bubbles) เนื่ อ งจากโครงสร๎ า งของ 3 ผลและวิจารณ์ ของเหลวที่ได๎รับคลื่นอะคูสติก จะถูกบีบอัดและคลายตัวซ้าไปมา 3.1 การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเฉลี่ยในระหว่างการแช่แข็งและการ เป็นจานวนหลายพันรอบ (Athley and Crum, 1998) สํวนการ ละลาย ละลายด๎วยวิ ธี การพาโดยธรรมชาติ ที่ อุ ณหภู มิ ห๎ องใช๎ เวลาในการ อัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเฉลี่ยของการแชํแข็งเนื้อไกํด๎วย ละลายที่นานกวําวิธีอื่นจึงสํงผลทาให๎เกิดการเรียงตัวของผลึกน้าแข็ง เครื่องแชํแข็งแบบใช๎ลมเย็น (Cooled Air Freezer) โดยใช๎อุณหภูมิ เกิดเป็นผลึกน้าแข็งขนาดใหญํ ทาให๎ใช๎เวลาในการเปลี่ยนสถานะ อากาศเย็นเทํากับ -30°C อัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของเนื้อไกํ ยาวนาน อยํางไรก็ตามวิธีการละลายโดยการแชํน้าอุํนรํวมกับคลื่นอะ จากอุ ณหภู มิ เริ่ มต๎ นเทํ ากั บ 10ºC ลดลงจนเหลื อ -22°C ใช๎ เวลา คูสติกก็มีอัตราการใช๎พลังงานสาหรับการสร๎างความร๎อนและคลื่น ประมาณ 492±5.74 minutes หรือคิดเป็นอัตราการแชํแข็งที่ อัลตร๎าโซนิกมากกวําวิธีการละลายวิธีอื่น โดยสามารถวัดอัตราการใช๎ ประมาณ 0.065±0.004°C minute-1 ความสัมพันธ์ระหวํางเวลาและ พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดในระหวํางการละลายได๎เทํากับ 241.41±0.64 อุณหภูมิระหวํางการแชํแข็ง พบวําเนื้อไกํมีจุดเยือกแข็งประมาณ kJ ในขณะที่ วิ ธี ก ารละลายโดยใช๎ ก ารแชํ น้ าอุํ น ใช๎ พ ลั ง งาน -0.18°C ซึ่งใกล๎เคียงกับจุดเยือกแข็งของน้า การแชํแข็งที่ใช๎ในการ 222.06±0.92 kJ เตรี ยมตั วอยํ างของงานวิ จั ยนี้ จั ดเป็ นระบบการแชํ แข็ งแบบเร็ ว (Quick Freezing System) การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของอาหาร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 16-25

วก

รร

Figure 5 The change in temperature profile of freezing and three different thawing processes of freezing of chicken. (a) Temperature profile of freezing of chicken, (b) Temperature profile of air thawing, (c) Temperature profile of water thawing at 50°C, and (d) Temperature profile of thermoacoustic thawing at 50°C.

สม

าค ม

วิศ

3.2 ผลกระทบของวิธีการละลายต่อการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของ อาหาร การศึ กษาผลกระทบของวิ ธี การละลายตํ อการเปลี่ ยนแปลง คุณภาพของเนื้อไกํแชํแข็ง โดยการศึกษาร๎อยละการสูญเสียน้าหนัก ในระหวํางการละลาย (Drip Loss) และการอยูํรอดของจุลินทรีย์ใน ระหวํางการละลายของวิธี การละลายแบบการพาโดยธรรมชาติ ที่ อุณหภูมิห๎อง การแชํน้าที่อุณหภูมิ 50°C และวิธีเทอร์โมอะคูสติก เพื่อเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงคุณภาพที่เกิดขึ้น โดยข๎อมูลตํางๆ แสดงใน Table 1 พบวํา วิธีการละลายแบบการพาโดยธรรมชาติที่ อุณหภูมิห๎องมีร๎อยละของการสูญเสียน้าหนักในระหวํางการละลาย มากที่ สุ ด ในขณะที่ วิ ธี เทอร์ โมอะคู สติ กมี ร๎ อยละของการสู ญเสี ย น้าหนักในระหวํางการละลายน๎อยที่สุด โดยร๎อยละของการสูญเสีย น้ าหนั กในระหวํ างการละลายของวิ ธี การละลายแบบการพาโดย ธรรมชาติ ที่ อุ ณหภู มิ บรรยากาศ การละลายด๎ วยวิ ธี การแชํ น้ าที่ อุณหภูมิ 50oC และวิธีเทอร์โมอะคูสติก มีคําเทํากับ 8.62±0.43%, 2.45±0.05% และ 1.99±0.12% ตามล าดั บ โดยร๎ อยละของการ สูญเสียน้าหนักในระหวํางการละลายของวิธีการละลายแบบการพา

โดยธรรมชาติที่อุณหภูมิห๎องมากกวําการละลายด๎วยวิธีอื่น เนื่องจาก ใช๎เวลาในการละลายที่นานที่สุด สํงผลให๎เกิดการเรียงตัวของผลึก น้าแข็งหรือการตกผลึกใหมํ จากผลึกน้าแข็งขนาดเล็กรวมเป็นผลึก น้าแข็งขนาดใหญํ ผลของการเกิดผลึกน้าแข็งขนาดใหญํจะไปทาลาย ผนังโครงสร๎างเซลล์ของเนื้อไกํ ผนังเนื้อเยื่อเซลล์จะเกิดการฉีกขาด และของเหลวภายในเซลล์ซึ่งเป็นสารอาหารจะไหลออกจากเซลล์ เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทาให๎เนื้อเยื่อในโครงสร๎างเซลล์ไมํสามารถดูดซึมน้า กลั บได๎ เนื้ อไกํ แชํ แข็ งที่ ละลายด๎ วยวิ ธี ดั งกลํ าวจะมี ลั กษณะของ เหลวไหลซึมออกมาสอดคล๎องกั บผลการตรวจวั ดการอยูํรอดของ จุ ลิ นทรี ย์ ในระหวํ างการละลาย พบวํ าวิ ธี การละลายด๎ วยการแชํ น้าอุํนรํวมกับคลื่นอะคูสติก จะมีปริมาณจุลินทรีย์ที่เหลือรอดเพียง 0.02 x105 cfu g-1 น๎อยกวําปริมาณจุลินทรีย์ที่เหลือรอดของวิธีการ ละลายแบบการพาโดยธรรมชาติที่อุณหภูมิห๎อง และการแชํน้าอุํนถึง 248.5 และ 16.0 เทํา ตามลาดับ ทั้งนี้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ที่ เกิ ดขึ้ นได๎ เนื่ องจากวิ ธี การละลายด๎ วยการแชํ น้าอุํ นรํ วมกั บคลื่ น อะคูสติก จะทาให๎จุลินทรีย์ถูกทาลายจากการเปลี่ยนแปลงของความ ดั น สู ง ในการแตกตั ว (Implosions) ของฟองอากาศ อั น เป็ น 21

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 16-25 ปรากฏการณ์ตํอเนื่องจากการเกิดแคปวิเตชัน ซึ่งเรียกกระบวนการ ดั ง กลํ า ววํ า เทอร์ โ มอะคู ส ติ ก เคชั น (Thermoacoustication) สอดคล๎ อ งกั บ ผลงานวิ จั ย ของ Garcia et al. (1989) ซึ่ ง พบวํ า กระบวนการเทอร์ โมอะคูสติ กเคชันสามารถลดจ านวนสปอร์ของ Bacillus subtilis ได๎ ดี ก วํ า การใช๎ ค วามร๎ อ นเพี ย งอยํ า งเดี ย ว เชํนเดียวกับผลการศึกษาของ Claudia et al. (2011) กระบวนการ เทอร์ โมอะคู สติ กเคชั น สามารถลดจ านวนจุ ลิ ทรี ย์ Aspergillus flavus ดังนั้นวิธีการละลายด๎วยการแชํน้าอุํนรํวมกับคลื่นอะคูสติก หรื อการละลายด๎ ว ยกระบวนการเทอร์ โมอะคู สติ กเคชั น จึ งมี ผลกระทบตํอการเปลี่ยนแปลงคุณภาพของเนื้อไกํแชํแข็งน๎อยที่สุด ดังนั้น วิธีการละลายด๎วยการแชํน้าอุํนรํวมกับคลื่นอะคูสติกจึงเป็น วิ ธี การละลายที่ มี ประสิ ทธิ ภาพมากที่ สุ ด ในขณะที่ รายงานวิ จั ย Bozkurt and ÍÇier (2009) และ Robert et al. (1998) ศึกษาการ ประยุกต์ใช๎การเกิดความร๎อนแบบโอห์มมิครํวมกับการละลายด๎วย วิธีการแชํน้าของเนื้อวัวและกุ๎งแชํแข็งสามารถลดเวลาและปริมาณที่ ใช๎ในการละลายได๎มากกวํา 30-35 เทํา อยํางไรก็ตามการเกิดความ ร๎อนแบบโอห์มมิครํวมกับการละลายด๎วยวิธีการแชํน้าจะเหมาะสม เฉพาะเนื้อสัตว์แชํแข็งในเรื่องตัวกลางที่มีคุณสมบัติในการนาไฟฟ้า ได๎ดีเทํานั้น การแชํน้าอุํนรํวมกับคลื่นอะคูสติกสามารถทาได๎กับการ ละลายเนื้อสัตว์แชํแข็งทุกประเภทโดยไมํต๎องคานึงถึงคุณสมบัติของ ตัวกลางที่ใช๎ในการละลาย

ระหวํางการละลาย ปริมาณจุลินทรีย์ทั้งหมดที่อยูํรอดในระหวํางการ ละลาย และปริ มาณความร๎ อนที่ ใช๎ ในการละลายในระหวํ างการ ละลายเนื้ อไกํ แชํ แข็ งที่ ระดั บอุ ณหภู มิ 10, 30 และ 50oC และที่ ระดับความถี่ 900, 1,200 และ 1,500 Hz การเปลี่ยนแปลงคุณภาพ ของเนื้อไกํ แชํแข็ งในระหวํางการละลายด๎ วยวิ ธี เทอร์ โมอะคู สติ ก ซึ่งเป็นฟังก์ชันกับอุณหภูมิ (X1) และความถี่ (X2) วิเคราะห์ผลที่ได๎ จากกราฟพื้ น ผิ ว ผลตอบสนองแบบสามมิ ติ เพื่ อ หารู ป แบบ ความสัมพันธ์โดยมีรายละเอียดดังตํอไปนี้

ระ เท ศไ

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

ทย

3.3.1 อัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ที่ ระดั บอุ ณหภู มิ และความถี่ ต่ าจะมี อั ตราการเปลี่ ยนแปลง อุ ณหภู มิ ในระหวํ างการละลายเนื้ อไกํ แชํ แข็ งในระดั บที่ ต่ าด๎ วย เนื่องจากใช๎เวลาในการละลายที่นานกวําระดับอุณหภูมิและความถี่ที่ ระดับสูง จึงสํงผลทาให๎เกิดการเรียงตัวของผลึกน้าแข็งเกิดเป็นผลึก น้าแข็งขนาดใหญํ ทาให๎ใช๎เวลาในการเปลี่ยนสถานะยาวนาน แตํถ๎า ระดับอุณหภูมิและความถี่สูง จะมีอัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิใน ระหวํางการละลายเนื้อไกํแชํแข็งในระดับที่สูงด๎วย คลื่นอะคูสติกจะ ชํวยเรํงอัตราการถํายเทความร๎อนจากน้าเข๎าสูํโครงสร๎างเนื้อไกํมาก ขึ้น รวมทั้งทาให๎โครงสร๎างของผลึกน้าแข็งเกิดการสั่นและแตกตัว ออกจากกัน ชํวยลดการเรียงตัวของผลึกน้าแข็งหรือการตกผลึกใหมํ (Recrystallization) ในระหวํ างการละลายเนื่ องจากปรากฏการณ์ แคปวิ เตชั น (Cavitation) ซึ่ งหมายถึ งกระบวนการที่ เ กิ ด ขึ้ น ใน Table 1 Comparision of thawing in air at ambient ตัวกลางที่ได๎รับคลื่นอะคูสติกทาให๎เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ temperature, in water and in water with ultrasonic (แรงกล) จากฟองอากาศ (Bubbles) เนื่ อ งจากโครงสร๎ า งของ assisted. ของเหลวที่ได๎รับคลื่นอะคูสติก จะถูกบีบอัดและคลายตัวซ้าไปมา เป็นจานวนหลายพันรอบ ผลการวิเคราะห์หาสมการความสัมพันธ์ Thawing Drip Loss (%) TCP (cfu g-1) ของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเฉลี่ย (y1) ของเนื้อไกํแชํเยือกแข็งซึ่ง Process Air thawing 8.62±0.43a 4.97 x 105 เป็นฟังก์ชันของความถี่ (x1) และอุณหภูมิ (x2) ในระหวํางการละลาย (ambient temperature) ด๎วยวิธีเทอร์โมอะคูสติก ซึ่งวิเคราะห์ด๎วยวิธีการพื้นผิวผลตอบสนอง Water thawing 2.45±0.05b 0.32 x 105 มีรูปแบบความสัมพันธ์ตาม Eq. (5) (temperature at 50°C) y1  0.6399  5.61  104 x1  0.0362 x 2 (5) Thermoacoustic thawing 1.99±0.12c 0.02 x 105 (temperature at 50°C) Mean±standard deviation, a, b, c Mean values followed by 3.3.2 อัตราการสูญเสียน้าหนักในระหว่างการละลาย ที่ระดับอุณหภูมิสูงจะสํงผลทาให๎เนื้อไกํสุก เนื้อไกํจึงเกิดการ the different letter in the same column are significantly สูญเสียน้าบริเวณผิวหน๎าจึงสํงผลตํอร๎อยละการสูญเสียน้าหนักใน different (P≤0.05). ระหวํางการละลายเพิ่มขึ้น เนื่องจากเกิดการสูญเสียสภาพธรรมชาติ 3.3 การหารูปแบบสมการความสัมพันธ์ของการละลายเนื้อไก่แช่ ของโปรตีน (Protein Denaturation) จากการได๎รับความร๎อน และที่ แข็งด้วยวิธีเทอร์โมอะคูสติก ระดับความถี่สูงจะมีร๎อยละการสูญเสียน้าหนักในระหวํางการละลาย การศึ กษาผลกระทบของอุ ณหภู มิ และความถี่ ตํ ออั ตราการ ลดลง เนื่องจากคลื่นอะคูสติกจะทาให๎โครงสร๎างของผลึกน้าแข็งเกิด เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของเนื้อไกํแชํแข็ง อัตราการสูญเสียน้าหนักใน

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 16-25

(6)

รร

วก

สม

าค ม

วิศ

(8)

4 สรุป อัตราการเปลี่ ยนแปลงอุณหภู มิของการละลายเนื้ อไกํแชํแข็ ง ด๎ ว ยวิ ธี ก ารละลายแบบการพาโดยธรรมชาติ ที่ อุ ณ หภู มิ ห๎ อ ง การละลายโดยการแชํในน้า (50°C) และการละลายด๎วยวิธีเทอร์โม อะคู ส ติ ก มี คํ า เทํ า กั บ 0.2095±0.0071, 1.6984±0.0236 และ 2.1772±0.0752°C minute-1 ตามลาดับ และเวลาในการละลาย เ ทํ า กั บ 90.19±2.62, 9.07±0.85 แ ล ะ 7.05±0.52 minutes ตามลาดับ โดยวิธีการละลายด๎วยวิธีเทอร์โมอะคูสติก มีผลกระทบตํอ การเปลี่ ย นแปลงคุ ณ ภาพของเนื้ อ ไกํ แ ชํ แ ข็ งน๎ อ ยที่ สุ ด และมี ประสิทธิภาพในการรักษาคุณภาพได๎ดีที่สุด โดยมี ร๎อยละของการ สู ญ เสี ยน้ าหนั ก ในระหวํ า งการละลาย ( Drip Loss) เพี ย ง 1.99±0.12% และปริ ม าณการอยูํ ร อดของจุ ลิ น ทรี ย์ เทํ า กั บ 0.02x105 cfu g-1 การหาผลกระทบของอุณหภูมิ และระดับความถี่ เพื่อหารูปแบบสมการความสัมพันธ์ของการละลายเนื้อไกํแชํแข็งด๎วย วิธีเทอร์โมอะคูสติก ของอัตราการละลายเนื้อไกํแชํแข็ง (y1) ร๎อยละ ของการสูญเสียน้าหนักในระหวํางการละลาย (y2) ปริมาณจุลินทรีย์ ที่อยูํรอดในระหวํางการละลาย (y3) และปริมาณความร๎อนที่ใช๎ใน การละลาย (y4) ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่ขึ้นอยูํกับตัวแปรของระดับความถี่ (x1) และระดับอุณหภูมิ (x2) ซึ่งมีรูปแบบความสัมพันธ์ดังนี้

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

3.3.3 ปริมาณจุลินทรีย์ทั้งหมดที่อยู่รอดในระหว่างการละลาย ที่ระดับอุณหภูมิและความถี่สูงจะมีปริมาณจุลินทรีย์ทั้งหมดที่ อยูํรอดในระหวํางการละลายน๎อยกวําที่ระดับอุณหภูมิและความถี่ต่า เนื่องจากวิธีการละลายโดยการแชํน้ารํวมกับคลื่นอะคูสติกจะทาให๎ จุลินทรีย์ถูกทาลายจากการเปลี่ยนแปลงของความดันสูงในการแตก ตัว (Implosions) ของฟองอากาศ อันเป็นปรากฏการณ์ตํอเนื่องจาก การเกิดแคปวิเตชัน ซึ่งเรียกกระบวนการดังกลําววําเทอร์โมอะคูสติก เคชัน จากการวิเคราะห์ผลที่ได๎จากราฟพื้นผิวผลตอบสนองแบบสาม มิ ติ พบวํ าการละลายด๎ วยวิ ธี เทอร์ โมอะคู สติ กที่ มี ผลตํ อปริ มาณ จุลินทรีย์ทั้งหมดที่อยูํรอดในระหวํางการละลายได๎ดีที่สุด ผลการ วิเคราะห์หาสมการความสัมพันธ์ของปริมาณจุลินทรีย์ทั้งหมดที่อยูํ รอดในระหวํางการละลาย (y3) ซึ่งเป็นฟังก์ชันของความถี่ (x1) และ อุณหภูมิ (x2) ในระหวํางการละลายด๎วยวิธีเทอร์โมอะคูสติกซึ่ง วิเคราะห์ด๎วยวิธีการพื้นผิวผลตอบสนองมีรูปแบบความสัมพันธ์ตาม Eq. (7)

y4  3.8795  2.28  103 x1  0.11x 2

ทย

y2  3.8795  2.28  103 x1  0.1082 x 2

ในการละลายน้าแข็งโดยใช๎น้าเป็นตัวกลางในการถํายเทความร๎อน อัตราการนาความร๎อนของผิวหน๎าสูํน้าแข็งด๎านในของอาหารลดลง ผลการเป็นฉนวนนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อชั้นของน้าแข็งที่ละลายหนาขึ้นมีผล ทาให๎ใช๎เวลาในการละลายเพิ่มมากขึ้น ผลการวิเคราะห์หาสมการ ความสัมพั นธ์ ของปริ มาณพลังงานความร๎ อน (y4) ในระหวํางการ ละลายซึ่งเป็นฟังก์ชันของความถี่ (x1) และอุณหภูมิ (x2) ในระหวําง การละลายด๎วยวิธีเทอร์โมอะคูสติกซึ่งวิเคราะห์ด๎ วยวิธีการพื้นผิ ว ผลตอบสนองมีรูปแบบความสัมพันธ์ตาม Eq. (8)

ระ เท ศไ

การสั่นและแตกตัวออกจากกัน จึงชํวยลดการเกิดผลึกน้าแข็งหรือ การตกผลึกใหมํ ทั้งนี้การตกผลึกใหมํจากผลึกน้าแข็งขนาดเล็กรวม เป็นผลึกน้าแข็งขนาดใหญํ ผลของการเกิดผลึกน้าแข็งขนาดใหญํจะ ไปทาลายผนังโครงสร๎างเซลล์ของเนื้อไกํ ผนังเนื้อเยื่อเซลล์เกิดการ ฉีกขาดและของเหลวภายในเซลล์ซึ่งเป็นสารอาหารจะไหลออกจาก เซลล์ เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทาให๎เนื้อเยื่อในโครงสร๎างเซลล์ไมํสามารถดูด ซึมน้ากลับได๎ จึงมีลักษณะของเหลวไหลซึมออกมา ผลการวิเคราะห์ หาสมการความสัมพันธ์ของร๎อยละการสูญเสียน้าหนักในระหวํางการ ละลาย (y2) ซึ่งเป็นฟังก์ชันของความถี่ (x1) และอุณหภูมิ (x2) ใน ระหวํางการละลายด๎วยวิธีเทอร์โมอะคูสติก ซึ่งวิเคราะห์ด๎วยวิธีการ พื้นผิวผลตอบสนองมีรูปแบบความสัมพันธ์ตาม Eq. (6)

y3  0.3388  2.31  103 x1  2.50  102 x 2

(7)

3.3.4 ปริมาณความร้อนที่ใช้ในการละลาย ปริมาณความร๎อนที่ใช๎ในการสร๎างอุณหภูมิให๎สูงขึ้นเพื่อถํายเท ความร๎อนเข๎าสูํโครงสร๎างเนื้อไกํมีผลตํออัตราการสิ้นเปลืองพลังงาน มากกวําการใช๎พลังงานเพื่อสร๎างคลื่นอะคูสติก เพราะสมบัติคําการ นาความร๎อนของน้าแข็งสูงกวําน้าถึง 4 เทํา ดังนั้นเมื่อมีการสํงถําย ความร๎อนที่ผิวหน๎าของผลิตภัณฑ์ (บริเวณแรกที่มีการแลกเปลี่ยน ความร๎อน) น้าแข็งที่ชั้นผิวหน๎าของอาหารจะละลายกลายเป็นชั้นน้า

y1 = 0.6399 - (5.61x10-4)x1 + 0.0362x2 y2 = 3.8795 - (2.28x10-3)x1 - 0.1082x2 y3 = -0.3388 - (2.31x10-3)x1 - (2.50x10-2)x2 y4 = 3.8195 - (2.28x10-3)x1 - 0.11x2

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 16-25

วก

รร

Figure 6 Response surface (3-D) showing the effect of thawing temperature (°C) and acoustic frequency (Hz) on the response (a) the change in temperature profile of thawing process (b) drip loss (c) total plate count or aerobic plate count (d) thawing energy.

สม

าค ม

วิศ

5 กิตติกรรมประกาศ บทความวิจัยนี้เป็นสํวนหนึ่งของรายงานการศึกษาตามหลักสูตร ปริญญาวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต สาขาวิศวกรรมอาหาร เรื่องการ พัฒนาวิธีการละลายเนื้อไกํแชํแข็งด๎วยคลื่นอะคูสติก ของนางสาว น้าฝน ไชยลั งกา และนายปองพล สุ ริ ยะกั น ธร และได๎ รั บเงิ นทุ น สนับสนุนในการทาวิจัยจากหนํวยวิจัยเทคโนโลยีการลดความชื้นและ การอบแห๎ ง และสาขาวิ ศ วกรรมอาหาร คณะวิ ศ วกรรมและ อุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยแมํโจ๎

6 เอกสารอ้างอิง ฤทธิชัย อัศวราชันย์. 2546. การศึกษาคําการนาไฟฟ้าและวิธีการ ละลายด๎วยวิธี Ohmic ของซูริมิแชํแข็ง. โครงงานวิศวกรรม มหาบั ณฑิ ต สาขาวิ ศวกรรมอาหาร คณะวิ ศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยพระจอมเกล๎าธนบุรี (วพ 149231). วิไล รังสาดทอง. 2547. เทคโนโลยีการแปรรูปอาหาร. พิมพ์ครั้งที่ 4. กรุงเทพมหานคร: บริษัท เท๏กซ์แอนด์เจอร์นัล พับลิเคชัน จากัด.

A.O.A.C. 2010. Official Methods of Analysis. 18th ed. The Association of Official Analytical Chemists, Arlington, Virginia. Athley, A.A., Crum, L.A. 1998. Acoustic cavitation and bubbles dynamics. In “Ultrasounds, its chemical, physical and biological effect” K.S. Suslick (ed). VCH Publishers, Inc. New York. Bacteriological Analytical Manual. USA Food and Drug Administration center for safety & Applied nutrition 2124 p. (online version on 25 April 2011) Bozkurt, H., ÍÇier, F. 2009. Ohmic Thawing of Frozen Beef cuts. Journal of food Process Engineering. (online version on 25 April 2011) Claudia, P.C., Maria, T.J., Aurelio L.M., Enrique, P. 2011. Modelling thermosonication inactivation of Aspergillus flavus combining natural antimimicrobial at different pH. Procedia Food Science 1, 1007-1014.

ระ เท ศไ

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

Garcia, M.L., Burgos, J., Sanz, B., Ordonez, J.A. 1989. Effect of heat and ultrasonic waves on the survival of two strains of Bacillus subtilis. Journal of Applied Bacteriol 67, 619-628. Kissam, A.D., Neison, R.W., Ngao, J., Hunter, P. 1981. Waterthawing of fish using low frequency acoustics. Journal of Food Science 47, 71-75. Li, B., Sun, D.W. 2002. Novel methods for rapid freezing and thawing of Food – a review. Journal of food engineering 54, 175-182 Mason, T.J., Paniwnyk, L., Lorimer, J.P. 1996. The uses of ultrasound in food technology. Ultrasonics Sonochemistry 3, 253-260. Miao, Y., Chen, J.Y., Noguchi, A. 2007. Studies on ohmic Thawing of frozen surimi. Food Science and Technology. Res 13(4), 296-300. Miles, C.A., Morley, M.J., Rendell, M. 1999. High power ultrasonic thawing of frozen food. Journal of Food Engineering 39, 151–159. Roberts, J.S., Balaban, O., Zimmerman, R., Luzuriaga, D. 1998. Design and testing of a prototype ohmic thawing unit. Journal Computers and Electronics in Agriculture 19, 211–222 Shirai, T., Yoshikawa, T. 1999. Changes in components during freezing and thawing for food storage. Nippon Shokuhin Kagaku Kogaku Kaishi 50, 151-156. (in Japanese).

ทย

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 16-25

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 26-31

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557) 26-31 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

การวิเคราะห์ฮิสตามีนในปลาซาร์ดีนสดด้วยเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปีช่วงความยาวคลื่นยาว Evaluation of Histamine in Sardine Fish by Long Wave Near Infrared Spectroscopy ปานมนัส ศิริสมบูรณ์1, กิ่งดาว ชนะโชติ1* Panmanas Sirisomboon1, Kingdow Chanachot1* 1

ทย

หลักสูตรวิศวกรรมเกษตร สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล๎าเจ๎าคุณทหารลาดกระบัง เขตลาดกระบัง กรุงเทพฯ 10520 1 Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, King Mongkut’s Institite of Technology Ladkrabang, Bangkok, 10520 *Corresponding author: Tel: 082-777-5688, E-mail: al_kingdow_63@hotmail.com

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

บทคัดย่อ วัตถุประสงค์ของงานวิจัยนี้คือ เพื่อสร๎างแบบจาลองการวิเคราะห์ฮิสตามีนในปลาซาร์ดีนสดด๎วยเทคนิคเนียร์อินฟราเรดสเปก โทรสโกปี โดยตรวจวัดสเปกตรัมของตัวอยํางปลาซาร์ดีน ด๎วยเครื่อง MICRO NIR Spectrometer ชํวงความยาวคลื่น 1150-2150 nm โดยใช๎ปลาซาร์ดีนสด sadinell longiceps จากประเทศจีน จานวน 149 ตัว โดยลักษณะปลาที่ใช๎ในการสแกนมีดังตํอไปนี้ ปลาเต็มตัว (Intact fish) ปลาผําครึ่งเอาก๎างออก (Fillet) เนื้อปลาบด (Minced meat) และเนื้อปลาบดจะสแกนผํานแก๎ว (Minced meat with glass) จากนั้นนาข๎อมูลสเปกตรัมการดูดกลืนคลื่นแสงดั้งเดิมและที่ผํานการจัดการทางคณิตศาสตร์โดยวิธีตํางๆ ไปสร๎าง แบบจาลองในการทานายปริมาณฮิสตามีนด๎วยวิธี Partial least square regression (PLSR) พบวําแบบจาลองในการทานายสามารถ ให๎การทานายปริมาณฮิสตามีนในเนื้อปลาบดและในเนื้อปลาบดที่สแกนผํานแก๎วได๎ผลดีที่สุด โดยแบบจาลองทั้งสองได๎มาจากการ พัฒนาสเปกตรัมด๎วยวิธี Smoothing 5 point+Derivative S. Golay 2 nd 11 point โดยมีคํา Coefficient of determination (R2), Standard error of prediction (SEP) และ Bias ของทั้งสองแบบจาลองเทํากัน คือ 0.470, 27.209 และ 1.094 ppm ตามลาดับ โดยมี PLS factor เทํากับ 7 จากคํา R2 ระหวําง 0.26-0.49 แสดงวําความสัมพันธ์ระหวํางข๎อมูลเชิงแสงกับคําที่วัดโดยวิธี มาตรฐานมีความสัมพันธ์ที่ไมํดี อาจเป็นเพราะองค์ประกอบภายในของปลามีน้ามาก ทาให๎เกิดการบดบังพีคของฮีสตามีนซึ่งมีปริมาณ น๎อยมากในระดับ ppm คาสาคัญ: ฮิสตามีน, เนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี, การดูดกลืนแสง, การสะท๎อนแสง Abstract Objective of this research was to evaluate the histamine in sardine by measuring spectra of sardine samples using MICRO NIR spectrometer (1150-2150 nm). The 149 fresh sardine fish (sadinell longiceps) from China were subjected to the experiment in four different forms including intact fish, fillet, minced meat, and minced meat through glass. The absorbance spectra with or without different mathematic pretreatment were used to develop the prediction model for histamine using Partial Least Square Regression (PLSR). The best form of fish that gave better model performance was minced meat and minced meat with glass. The best model was developed after spectra pretreatment of Smoothing (5 points)+Derivative S. Golay 2 nd 11 point and they provided the same coefficient of determination (R2), Standard Error of Prediction (SEP) and bias of 0.470, 27.209 ppm and 1.094 ppm, respectively with 7 PLS factors. The R2 between 0.26-0.49 indicated that the correlation between optical data and the reference values of histamine was not good. This might be 26

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 26-31 because fish contained a lot of water and the water absorbance band coverred the peak of the histamine content which was very low in ppm level.

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Keywords: Histamine, Near Infrared Spectroscopy, Absorbance, Reflectance 1 บทนา กับสิ่งแวดล๎อม ไมํต๎องเตรียมตัวอยําง แตํการนาเทคโนโลยีนี้มาใช๎ อุตสาหกรรมการทาปลาซาร์ดีนกระป๋องนับเป็นกิจการที่มีมูลคํา จาเป็นต๎องมีการสร๎างแบบจาลองเพื่อใช๎ในการทานาย (Calibration ทางเศรษฐกิจอยํางหนึ่งของประเทศไทย จากสถิติของกรมศุลกากร model) กํอนการนาไปใช๎งานเพื่อเปรียบเทียบความแมํนยากับวิธี รายงานวํา ประเทศไทยมีการสํงออกปลาซาร์ ดีนกระป๋อง ปี 2554 อ๎างอิงที่เป็นมาตรฐานในปัจจุบัน หากพิสูจน์ได๎วํามีความแมํนยาเป็น (ม.ค.–มี .ค.) ปริ มาณ 16,909.69 ตั น คิ ดเป็นมู ลคํ า 1,153.39 ที่ยอมรับได๎จะใช๎เวลาเพียง 2-3 s ในการวิเคราะห์ ทาให๎ลดต๎นทุนใน ล๎านบาท และปี 2555 (ม.ค.–มี.ค.) ปริมาณ 24,444.99 ตัน คิดเป็น การตรวจรั บ ปลาซาร์ ดี น เข๎ า สูํ โรงงาน ดั งนั้ นด๎ ว ยเหตุ ผ ลและ มูลคํา 1,919.96 ล๎านบาท อัตราการเปลี่ยนแปลงปริมาณ 44.56 ตัน ความสาคัญดังที่กลําวมาจึงทาการวิจัย เพื่อศึกษาความเป็นไปได๎ใน คิดเป็นมูลคํา 66.46 ล๎านบาท การตรวจรับปลาซาร์ดีนเข๎าสูํโรงงาน การใช๎ เทคนิ คเนี ยร์ อิ นฟราเรดสเปกโทรสโกปี ในการวิ เคราะห์ จ าเป็ น ต๎ อ งตรวจความสดของปลาโดยวั ด ปริ ม าณฮิ ส ตามี น ฮิสตามีนของปลาซาร์ดีนที่ตัวปลาโดยตรง เป็นวิธีไมํทาลายซึ่งชํวยให๎ (histamine) เนื่องจากในเนื้อปลามีสารฮิสติดีน (histidine) ที่เป็น ประหยัดเวลาและลดคําใช๎จํายในการวิเคราะห์ กรดอะมิโนจาเป็นตํอรํางกายและสารฮิสติดีนเป็นสารตั้งต๎นของสาร ฮิสตามีน (histamine) ที่เกิดจากการเก็บรักษาปลาไว๎เป็นเวลานาน 2 อุปกรณ์และวิธีการ ในอุ ณ หภู มิ สู ง เกิ น ไปท าให๎ แ บคที เ รี ย ที่ เ ป็ น ตั ว สร๎ า งเอนไซม์ 2.1 การเตรียมตัวอย่างปลา ปลาที่ใช๎ในโครงงานวิจัยคือซาร์ดีนสด sadinell longiceps จาก histidinedecarboxylase ทาการยํอยสลายกรดอะมิโนฮิสติดีนให๎ กลายเป็นสารฮิสตามีนซึ่งเป็นพิษตํอรํางกายมนุษย์ ฉะนั้น ระดั บ ประเทศจี น ซึ่ งได๎ รั บความอนุ เคราะห์ ตั วอยํ างปลาจากบริ ษั ท ฮิสตามีนในเนื้อปลาเป็นดัชนีหนึ่งในการบํงบอกความสดของปลา ไทยยูเนี่ยน โฟรเซํน โปรดั กส์ จากัด มหาชน จังหวัดสมุทรสาคร และการวิเคราะห์ปริมาณฮิสตามีนในเนื้อปลาจึงเกี่ยวข๎องกับสุขภาพ จานวน 149 ตัว จะแบํงออกเป็นสองชุด คือ ชุดแรก 100 ตัว จะถูก ของผู๎บริโภค และอายุการเก็บรักษาเนื้อปลา การทดสอบฮิสตามีนจึง สุํมมาจากบล็อกที่แชํเยือกแข็งไว๎ในห๎องเย็นของโรงงาน อุณหภูมิ เป็นกลยุทธ์ในการควบคุมคุณภาพและความปลอดภัยซึ่งสามารถใช๎ ประมาณ -20°C โดยการสุํมจะสุํมตามกรรมวิธีของโรงงาน คือจะสุํม โดยผู๎ประกอบการอาหารทะเล จากรายงานของ Köse et al. (2011) มาจากบล็อกๆ ละ 25 ตัว จานวน 4 บล็อก ปลาที่ถูกแชํเยือกแข็งจะ กลํ า ววํ า ระดั บ การควบคุ ม ปริ ม าณฮิ ส ตามี น ในปลาตระกู ล ถูกนามาแชํน้าประมาณ 5-10 min จนกวําอุณหภูมิตัวปลาจะเป็น scombrotoxic มีคําประมาณ 10-200 ppm ระดับที่ผิดปกติของ 0°C แล๎ วน าขึ้ น และชุ ดที่ สองอี ก 49 ตั ว จะสุํ มตามกรรมวิ ธี ของ ฮิสตามีน คือสูงกวํา 50 ppm ซึ่งกาหนดในสหรัฐอเมริกา ตามที่ โรงงานเชํนกัน คือจะสุํมมาจากบล็อกๆ ละ 7 ตัว จานวน 7 บล็อก กลํ า วถึ งโดย Köse et al. (2011) ซึ่ งได๎ อ๎ า งอิ งผลการวิ จั ย ของ แล๎วนามาแชํน้าประมาณ 5-10 min แล๎วนาขึ้น โดยในชุดที่สองจะ เป็นการปรับระดับฮิสตามีน โดยจะเก็บไว๎ในอุณหภูมิห๎อง ที่เวลาที่ Federal Register (1995) การวัดปริมาณฮิสตามีนโดยวิธีดั้งเดิมต๎องใช๎เวลาและขั้นตอนที่ แตกตํางกัน 7 ชํวงเวลา คือ 10, 20, 30, 40, 50, 60 และ 70 h ซับซ๎อนด๎วยวิธีการที่มีราคาแพงใช๎สารเคมีจานวนมาก ซึ่งวิธีการที่ ชํวงเวลาละ 7 ตัว ปลาที่ละลายแล๎วจะแชํน้าแข็งไว๎ รักษาอุณหภูมิ ยอมรับในการนาเข๎าและสํงออกในอุตสาหกรรมปลากระป๋อง คือ วิธี ประมาณ 0°C กํ อนน าออกมาทดลองในห๎ องที่ ควบคุ มอุ ณหภู มิ ตามมาตรฐานของโรงงานซึ่งประยุกต์มาจากมาตรฐานสากล AOAC ประมาณ 25°C ลักษณะปลาที่ใช๎ในการสแกนมีดังตํอไปนี้ ปลาเต็ม official method 977.13 และ AOAC official method 957.07 ตัว (Intact fish) ปลาผําครึ่งเอาก๎างออก (Fillet) และเนื้อปลาบด Histamine in seafood โดยวิธี Fluorometric method ด๎วย (Minced meat) เครื่อง Fluorometer ซึ่งต๎องใช๎สารเคมีจานวนมาก เชํน Histamine 2.2 การสแกนคลื่นแสงที่มองเห็นได้และหรือคลื่นเนียร์อินฟราเรด dichloride, o-Phthaldialdehyde (OPT), Phosphoric acid และ ปลาที่นาออกมาใช๎ผ๎าซับน้าออก แล๎วสแกนบริเวณกลางลาตัว Ion-exchange resin เป็นต๎น ปลาด๎ วยเครื่อง MICRO NIR (JDSU, USA) ชํวงความยาวคลื่ น เทคนิ คเนี ยร์ อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี เป็ นวิ ธีการวิ เคราะห์ 1,150-2,150 nm จากนั้ นน าปลามาผํ าครึ่ ง น าด๎ านที่ ไมํ มี ก๎ างมา องค์ประกอบทางเคมีที่รวดเร็ว แมํนยา ไมํต๎องใช๎สารเคมี เป็นมิตร 27

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 26-31

ทย

3 ผลและวิจารณ์ จากการตรวจวั ดสเปกตรั มของฮิ สตามี นบริ สุ ทธ์ พบวํ า มี พี ค เกิดขึ้นที่เลขคลื่น 3,942, 4,304 และ 5,909 cm-1 (2,537, 2,323 และ 1,692 nm) (Figure 2)

าค ม

d) d MICRO NIR Figure 1 Fish sample presentation for spectrometer a) Intact fish, b) Fillet, c) Minced meat and d) Minced meat through glass.

สม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

2.3 การวิเคราะห์หาปริมาณฮิสตามีน นาเนื้อปลาบดที่ผํานการสแกนไปวิเคราะห์หาปริมาณฮิสตามีน ด๎วยวิธีทางเคมีดั้งเดิมตามมาตรฐานของโรงงานซึ่งประยุกต์มาจาก มาตรฐานสากล AOAC official method 977.13 และ AOAC official method 957.07 Histamine in seafood ด๎วยเครื่อง Fluorometer (Quantech, USA)

แบบจาลองความสัมพันธ์ระหวํางปริมาณฮิสตามีนของปลาซาร์ดีน กับการดูดกลืนคลื่นที่ความยาวคลื่นตํางๆ ตั้งแตํ 1,255-2,067 nm สาหรับตัวอยํางปลาเต็มตัว, 1,181-2,030 nm สาหรับตัวอยํางชิ้น เนื้อปลา และ 1,159-2,036 nm สาหรับตัวอยํางเนื้อปลาบดและเนื้อ ปลาบดที่ สแกนผํานแก๎ ว โดยวิธีทาง Chemometric แบบ Partial least squares regression โดยแบํงข๎อมูลเป็นสองชุด คือ ชุดสร๎าง แบบจ าลองและชุ ดพิ สู จน์ แบบจ าลองโดยมี อั ตราสํ วนข๎ อมู ล 8:2 ข๎ อมู ลสเปกตรั มที่ ได๎ จากเครื่ องสเปกโทรมิ เตอร์ วิ เคราะห์ โดย โปรแกรม Unscrambler 9.8 (Camo, Norway) โดยมีการจัดการ สเปกตรัมเบื้องต๎นโดยวิธี Smoothing S. Golay, Normalization (Mean, Maximum, Range), Baseline offset, Standard normal variate (SNV), de-trending, SNV+De-trending, Multiplicative scattering correction (MSC), First derivative (5 and 11 points) และ Second derivative (5 and 11 points) และจะ คัดเลื อกแบบจ าลองที่ ดีที่ สุ ดโดยพิ จารณาจากคํ า Coefficient of determination (R2) ที่ สู งที่ สุ ด Standard error of prediction (SEP) และ Bias ต่าที่สุด

ระ เท ศไ

สแกนเนื้ อปลาด๎ านในโดยวางบนจานแก๎ วกลม ขนาดเส๎ นผํ าน ศู น ย์ ก ลาง 100 mm สู ง 20 mm ด๎ ว ยเครื่ อ งสเปกโทรมิ เ ตอร์ จากนั้นนาชิ้นเนื้อปลามาชั่งน้าหนักประมาณ 80 g (ตัดบริเวณสํวนที่ ผํานการสแกน) นามาปั่นด๎วยเครื่องปั่น (OKU SAN NO, Thailand) เป็นเวลา 1 min แล๎วนาเนื้อปลาที่ปั่นได๎ใสํในจานแก๎วกลมขนาดเส๎น ผํานศูนย์กลาง 50 mm สูง 15 mm จากนั้นจะนาปลาบดมาสแกน ด๎วยเครื่องสเปกโทรมิเตอร์บริเวณด๎านหน๎าเนื้อปลาบดและผํานก๎น จานแก๎ว การสแกนทุกแบบทา 2 ซ้าตํอ 1 ตัวอยําง

2.4 การวิเคราะห์ข้อมูลและสร้างแบบจาลอง กํอนทาการวิเคราะห์ต๎องทาการตรวจสอบคํานอกกลุํม (Outlier) Figure 2 Average spectrum of pure histamine. ของข๎อมูลฮิสตามีนโดยใช๎สมการดังตํอไปนี้ จากการตรวจวั ด สเปกตรั ม แบบ Reflectance ของเครื่ อ ง X X สเปกโทรมิ เตอร์ ในตัวอยํ างปลาทั้งตัวพบวํา พี คการดูดกลื นคลื่ น 3 SD เดํ นชั ดเกิ ด ที่ ค วามยาวคลื่ น 1,432, 1,705 และ 1,882 nm โดยที่ X คือ คําฮิสตามีนที่วัดจากวิธีทางเคมี X คือ คําเฉลี่ยของ ตามลาดับ (Figure 3) ซึ่งพีคที่กว๎างในชํวง 1,350-1,500 nm และ ฮิสตามีน และ SD คือ คําเบี่ยงเบนมาตรฐาน และนาข๎อมูลของ 1,800-2,050 nm เป็นพีคของน้า สเปกตรั ม ที่ ไ ด๎ ม าตรวจสอบคํ า นอกกลุํ ม ด๎ ว ยวิ ธี Principal component analysis (PCA) จากนั้ น น าข๎ อ มู ล ทั้ งหมดมาสร๎ า ง 28

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 26-31

Figure 6 Average spectrum of minced meat with glass.

รร วก สม

าค ม

วิศ

ทย

จาก Table 1 แสดงทางสถิติของคําฮิสตามีนของปลาซาร์ดีน โดยแบํงเป็น 2 กลุํม คือ Calibration set และ Prediction set คําที่ ติดลบแสดงถึงปริมาณฮิสตามีนที่วัดโดย Fluorometer มีคําน๎อย มากและออกนอกชํวงสมการมาตรฐานของการวัด Table 2 แสดงสมรรถนะของแบบจาลอง PLS สาหรับการวัด ฮิสตามีนของปลาซาร์ดีนในตัวอยํางชนิดตํางๆ โดยแสดงแบบจาลอง ที่ดีที่สุดสาหรับชุด Prediction และชุด Calibration จะเห็นได๎วําใน ตั วอยํ างเนื้ อปลาบดและตั วอยํ างเนื้ อปลาบดที่ สแกนผํ านแก๎ ว แบบจาลองสามารถทานายความแมํนยาได๎เทํากัน แสดงวําจานแก๎ว ไมํมีผลตํอสเปกตรัม ซึ่งจะเห็นวําการสแกนเนื้อปลาบดได๎ผลดีที่สุด ทั้งนี้อาจเป็นเพราะการบดเนื้อปลาทาให๎เนื้อของตัวอยํางสม่าเสมอ ขึ้นและน้าบางสํวนได๎ระเหยออกไปจากตัวอยําง และจากการสแกน เนื้ อ ปลาบดจะเห็ น พี ค ของฮิ ส ตามี น ปรากฏดั ง Figure 5 จาก Williams ระบุวําคํา R2 ระหวําง 0.26-0.49 แสดงวําความสัมพันธ์ ระหวํางข๎อมูลเชิงแสงกับคําที่วัดโดยวิธีมาตรฐานมีความสัมพันธ์ที่ไมํ ดี ความแมํนยาที่ต่าอาจเป็นเพราะเนื้อปลามีปริมาณน้ามาก ดังจะ เห็นใน Figure 3 ในกรณีตัวอยํางปลาเต็มตัว พบพีคเดํนชัดที่เป็นพีค กว๎างของน้าที่ความยาวคลื่น 1,450 และ 1,940 nm ในกรณีตัวอยําง ชิ้นเนื้อปลา (Figure 4) เกิด over absorbtion (ดูดกลืนคลื่นมาก) คือสัญญาณการสะท๎อนกลับของคลื่นต่ามาก ในชํวงประมาณ 0.3 และในกรณีของเนื้อปลาบดและเนื้อปลาบดที่สแกนผํานแก๎ว (Figure 5 and 6) ลักษณะของสเปกตรัมพบการดูดกลืนแสงของน้ามาก (พี ค ของน้ าสู ง ) แตํ มี ก ารดู ด กลื น คลื่ น ของฮิ ส ตามี น น๎ อ ยกวํ า จากเหตุผลดังกลําวประกอบกับปริมาณที่ต่าของฮิสตามีนในเนื้อปลา จึงทาให๎ความแมํนยาในการตรวจวัดโดยใช๎เทคนิคเนียร์อินฟราเรด สเปกโทรสโกปีไมํเพียงพอ

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ในตัวอยํางชิ้นเนื้อปลา พบวําพีคการดูดกลืนคลื่น ไมํเดํนชัดที่ ความยาวคลื่น 1,417, 1,698 และ 1,860 nm ตามลาดับ (Figure 4) ในตัวอยํางเนื้อปลาบด พบวําพีคการดูดกลืนคลื่นเดํนชัดเกิดที่ ความยาวคลื่น 1,417, 1,690 และ 1,853 nm ตามลาดับ (Figure 5) ซึ่งพีคที่ 1,690 nm เป็นพีคของฮิสตามีน และในตัวอยํางเนื้อปลาบด ที่ สแกนผํ านแก๎ วพบวํ า พี ค การดู ด กลื น คลื่ น แสงเดํ น ชั ดเกิ ด ที่ ความยาวคลื่ น 1,410, 1,653, 1,816 และ 1,941 nm ตามล าดั บ (Figure 6) ซึ่งพีคที่กว๎างในชํวง 1,350-1,500 nm และ 1,900-2,050 nm เป็นพีคของน้า

ระ เท ศไ

Figure 3 Average spectrum of intact fish.

Figure 4 Average spectrum of fillet.

Figure 5 Average spectrum of minced meat.

4 สรุป จากการวิเคราะห์ผลและสร๎างแบบจาลองความสัมพันธ์ระหวําง สเปกตรัมการสะท๎ อนแสงของปลาซาร์ดีนจากการตรวจวัดเครื่อง 29

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 26-31 MICRO NIR Spectrometer (JDSU, USA) ชํ ว งความยาวคลื่ น 1,150-2,150 nm กับปริมาณฮิสตามีนในเนื้อปลา Table 1 Statistic of histamine content (ppm) in sardine of calibration set and prediction set. Sample

Calibration set N Mean Max Min 233 23.364 188.190 -1.450 235 23.101 188.190 -1.450 238 27.454 188.190 -1.450

SD N 36.207 57 36.075 58 36.052 58

Mean 23.826 24.006 24.305

Prediction set Max Min 188.190 -1.250 154.970 -1.250 154.970 -1.250

SD 37.276 37.049 37.389

Table 2 Result of PLS modelling for histamine in sardine. Pre treatment

ระ เท ศไ

Calibration set SEC

Bias

Prediction set SEP

Bias

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

Sample (Wavelength Range, nm)

ทย

Intact Fillet Minced meat Minced meat 236 23.085 188.190 -1.450 36.112 58 23.663 153.010 -1.250 36.729 with glass Ramark: N= Number of scanned spectra, Mean= Average, Max= Maximum, Min= Minimum, SD= Standard deviation.

De-trending 8 0.570 23.750 -1.691e-05 0.467 27.485 -8.231 Raw spectrum 13 0.609 22.582 -2.325e-05 0.307 30.069 -7.622 SNV+De-trending 10 0.609 22.640 2.225e-06 0.253 30.727 -9.587 SM 11 point+ 8 0.354 28.994 2.215e-05 0.389 30.764 -1.612 Normalize Range Fillet SM 11 point+ 1181-2030 Derivative S.Golay 6 0.358 28.908 -4.232e-06 0.318 30.289 -4.204 2nd 5 point SM 5 point+ Derivative S.Golay 7 0.409 27.726 7.763e-08 0.470 27.209 1.094 Minced meat 2nd 11 point 1159-2053 SM 5 point+ 5 0.340 29.280 4.410e-06 0.376 29.516 -0.682 Normalize Max SM 5 point+ Minced meat Derivative S.Golay 7 0.489 27.726 7.763e-08 0.470 27.209 1.094 with glass 2nd 11 point 1158-2053 SM 5 point 19 0.608 22.59 -0.0002 0.136 33.954 -3.433 2 Remark: SM= Smoothing, PC= PLS factor, SNV= Standard normal variate, R = Coefficient of determination, SEC= Standard error of Calibration, SEP= Standard error of prediction, Bias= average error.

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

Intact 1255-2060

พบวําแบบจาลองในการทานายสามารถให๎การทานายปริมาณ ที่ สุ ด โดยแบบจ าลองได๎ ม าจากการพั ฒ นาสเปกตรั ม ด๎ ว ยวิ ธี ฮิสตามีนในเนื้อปลาบดและในเนื้อปลาบดที่สแกนผํานแก๎วได๎ผลดี Smoothing 5 points+Derivative S. Golay 2 nd 11 points 30

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 26-31 โดยมี คํ า R2 , SEP และ Bias คื อ 0.470, 27.209 และ 1.094 ตามล าดั บ โดยมี PLS factor เทํ ากั บ 7 แสดงวํ าความสั มพั นธ์ ระหวํางข๎อมูลเชิงแสงกับคําที่วัดโดยวิธีมาตรฐานมีความสัมพันธ์ที่ ไมํดี อาจเป็นเพราะองค์ประกอบภายในของปลามีน้ามาก ทาให๎เกิด การบดบังพีคของฮีสตามีนซึ่งมีปริมาณน๎อยมากในระดับ ppm

ระ เท ศไ

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

6 เอกสารอ้างอิง กลุํ มวิ เคราะห์ การค๎ าสิ นค๎ าประมงระหวํ างประเทศ กองประมง ตํ างประเทศ กรมประมง ประมวลข๎ อมู ลจากกรมศุ ลกากร 2012. การสํ ง ออกสิ น ค๎ า ประมงของไทย, แหลํ ง ข๎ อ มู ล : http://www.fisheries.go.th/foreign/images/pdf/v07255. pdf เข๎าถึงเมื่อ 15 กรกฎาคม 2556. AOAC international. 2005. AOAC Official Method 977.13 and AOAC Official Method 957.07 Histamine in Seafood. Federal Register. 1995. Decomposition and histamine--raw, frozen tuna and mahi-mahi; canned tuna; and related, Species 60, 39754–30956. Köse S., Kaklıkkaya N., Koral S., Tufan B., Buruk K. C, Aydın F. 2011. Commercial test kits and the determination of histamine in traditional (ethnic) fish productsevaluation against an EU accepted HPLC method, Journal of Food Chemistry 125, 1490-1497. Williams, P. 2007. Near-infrared Technology-Getting the Best out of Light, Canada: PDK Grain.

ทย

5 กิตติกรรมประกาศ คณะผู๎วิจัยขอขอบพระคุณบริษัท ไทยยูเนี่ยนโฟรเซํน โปรดักส์ จากัด มหาชน จังหวัดสมุทรสาคร ที่เอื้อเฟื้อสถานที่ในการเก็บข๎อมูล ตัวอยํางปลาและเครื่องมือในการวัดปริมาณฮิสตามีน

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 32-39

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557) 32-39 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

ผลกระทบของกะลามะพร้าวชื้นต่อการเผาไหม้ในเตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวยแบบหมุนวน Effect of Coconut Shell Moisturizing on Combustion in Conical Swirling Fluidized Bed Combustor รัชดาภรณ์ แก้วกล่า1*, ทศวรรษ ไถ่ประยูร2, ภูเบศร์ จันดี2, สมิทธิ์ สุวรรณ2 Rachadaporn Kaewklum1*, Tossawat Thaipayon2, Phubed Jandee2, Smith Suwan2 1

ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร, คณะวิศวกรรมศาสตร์, สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล๎าเจ๎าคุณทหารลาดกระบัง, กรุงเทพมหานคร, 10520 Department of Agricultural Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Instutute of Technology Ladkrabang, Bangkok, 10520 2 ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยบูรพา, ชลบุรี, 20131 2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Burapha University, Chonburi, 20131 *Corresponding author: Tel: +662-329-8336, Fax: +662-329-8337, E-mail: kkrachad@kmitl.ac.th

ทย

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

บทคัดย่อ โครงการวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลกระทบของความชื้นเชื้อเพลิงตํอการเผาไหม๎ในเตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวยแบบหมุนวน โดยใช๎กะลามะพร๎าวเป็นเชื้อเพลิง หัวกระจายลมแบบเกลียววงแหวนทามุม 14° ในแนวนอน ถูกใช๎เพื่อสร๎างการเคลื่อนที่แบบหมุนวนภายใน ห๎องเผาไหม๎ เชื้อเพลิงถูกเพิ่มความชื้นโดยการสเปรย์น้า ความชื้นเชื้อเพลิงอยูํระหวําง 10-35% ทรายขนาด 600–850 µm ถูกใช๎เป็นเบด โดย เบดมีความสูง 20 cm เหนือหัวกระจายลม อัตราการป้อนเชื้อเพลิงคงที่ 45 kg h-1 โดยเปลี่ยนแปลงอากาศสํวนเกิน 40–100% จากการ ทดลองพบวํา อุณหภูมิตามความสูงของเตาเมื่อวัดที่ด๎านบนมีคําคํอนข๎างสม่าเสมอและไมํขึ้นกับอากาศสํวนเกิน แตํอุณหภูมิได๎รับผลกระทบ ของความชื้นเชื้อเพลิงอยํางเห็นได๎ชัด ความเข๎มข๎นของก๏าซคาร์บอนมอนอกไซด์และไนโตรเจนมอนอกไซด์ลดลงอยํางมาก ตลอดความสูงของ เตาในทุกๆ การทดลอง เนื่องจากผลกระทบของการฉีดอากาศทุติยภูมิจากหัวเผาเข๎าสูํห๎องเผาไหม๎ ดังนั้น มลพิษคาร์บอนมอนอกไซด์ และ ไนโตรเจนมอนอกไซด์ถูกพบวํามีคําน๎อยมาก จากผลลัพธ์ที่ได๎จากการทดลอง ในการเพิ่มความชื้นให๎กับเชื้อเพลิงกะลามะพร๎าว มลพิษ ไนโตรเจนมอนอกไซด์สามารถถูกทาให๎ลดลงได๎ อยํางไรก็ตาม มลพิษคาร์บอนมอนอกไซด์เพิ่มขึ้น แตํขึ้นอยูํกับปริมาณอากาศสํวนเกิน มลพิษ คาร์บอนมอนอกไซด์อยูํในชํวง 100-350 ppm และ 50-230 ppm สาหรับมลพิษไนโตรเจนมอนอกไซด์ในการเผาไหม๎กะลามะพร๎าวที่มีการ เปลี่ยนแปลงความชื้น ประสบผลที่นําพอใจ เนื่องจากประสิทธิภาพการเผาไหม๎อยูํในชํวง 88-99% คาสาคัญ: กะลามะพร๎าว, ประสิทธิภาพการเผาไหม๎, มลพิษ CO, มลพิษ NO, ความชื้น Abstract This work aimed to study the effects of fuel moisture on firing in conical swirling fluidized bed combustor by using shredded coconut shell as a fuel. Annular spiral distributor at 14 degree to horizontal axis was used to generate the swirled motion inside the combustor. The fuel was moisturized by spraying water to acquire fuel moisture content from 10-35%. Sand particle size of 600–850 µm was used as the inert bed material with 20 cm bed height. The fuel feed rate was fixed at 45 kg h-1, for variable excess air (of 40–100%). The axial temperature profile in free board region were found to be rather uniform and independent of excess air but noticeably affected by the fuel moisture. CO and NO concentrations reduced drastically along the combustor height in all the test run affected by the injection of secondary air from the burner. Therefore, CO and NO emissions were at a quite low level. As revealed by experimental results, through moisturizing as–received coconut shell, NO emission could be reduced, however, CO emission increased, its depend on the excess air. CO emission were found about 100-350 ppm and 50-230 ppm for NO emission. Firing shredded coconut shell at the above fuel moistures could be achieved 88-99% combustion efficiency. Keywords: Coconut shell, Combustion efficiency, CO emission, NO emission, Moisturizing 32

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 32-39

2 อุปกรณ์และวิธีการ

ระ เท ศไ

ทย

2.1 การติดตั้งอุปกรณ์ Figure 1 แสดงลักษณะของเตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวยแบบ หมุนวน โดยเตาเผานี้สามารถแบํงออกได๎เป็น 2 สํวน คือ สํวนที่ 1 ทรงกรวยด๎านลํ างสูง 0.9 m ท ามุ มกรวย 40° เส๎ นผํ านศูนย์กลาง ด๎านบน 0.9 m และเส๎นผํานศูนย์กลางด๎านลําง 0.25 m สํวนที่ 2 ทรงกระบอกด๎านบนเตา สูง 2.5 m เส๎นผํานศูนย์กลางภายใน 0.9 m ที่ผนังเตามี ฉนวนซีเมนต์ทนไฟหนา 5 cm คลุ มพื้ นผิ วเหล็ ก และ เชํนเดียวกับในไซโคลนทรายขนาด 600–850 µm ถูกใช๎เป็นเบดโดย มีความสูง 20 cm เหนือหัวกระจายลม หัวกระจายลมแบบเกลียววง แหวนที่ใบพั ดทามุม 14° กับแนวระดับถูกใช๎ ในการทาให๎เกิ ดการ หมุนวนภายในเตาเผา

รร

วก

สม

าค ม

วิศ

ปัญหาตํางๆ เหลํานี้ก็จะลดความรุนแรงลงหรือหมดไป ซึ่งความท๎า ทายหนึ่งคือ การทาให๎เบดและเชื้อเพลิงเกิดการเคลื่อนที่แบบหมุน วน เพื่อทาให๎เวลาในการเผาไหม๎ยาวนานขึ้น ได๎ประสิทธิภาพการเผา ไหม๎ที่สูงขึ้นและมลพิษลดลง (Kaewklum and Kuprianov, 2009) งานวิจัยนี้ ได๎ทาการทดลองการเผาไหม๎เชื้อเพลิงกะลามะพร๎าว ในเตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวยแบบหมุนวนโดยเชื้อเพลิงมีความชื้น และเงื่อนไขในการเผาไหม๎ที่แตกตํางกัน โดยจะมุํงเน๎นที่การศึกษา ผลกระทบของคุ ณ สมบั ติ เ ชื้ อ เพลิ ง และอากาศสํ ว นเกิ น ตํ อ ประสิทธิภาพในการเผาไหม๎และผลกระทบตํอสิ่งแวดล๎อมที่ได๎จาก การเผาไหม๎

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

1 บทนา ปัจจุบันเรากาลังประสบปัญหาเรื่องพลังงาน เนื่องจากเชื้อเพลิง หลักที่เดิมมีการใช๎งานกันมานาน คือ เชื้อเพลิงฟอสซิล กาลังเข๎าสูํ สภาวะขาดแคลน อีกทั้งมีราคาเพิ่มสูงขึ้นอยํางเห็นได๎ชัด ไมํวําจะ เป็นก๏าซธรรมชาติ น้ามัน หรือแม๎กระทั่งถํานหิน แตํสาหรับประเทศ ไทย เนื่องจากเชื้อเพลิงฟอสซิลในประเทศ มีปริมาณที่น๎อยลงมาก ทาให๎ในการใช๎งาน จะต๎องนาเข๎าเชื้อเพลิงฟอสซิลจากตํางประเทศ เราจึ งต๎ องหั นมาพึ่ งพาเชื้ อเพลิ งจากวั สดุ ทางการเกษตร หรื อ เชื้อเพลิงชีวมวล ถึงแม๎วําจะเริ่มมีการนามาใช๎ในการผลิตพลังงาน บ๎างแล๎ว เชํน แกลบ ขี้เลื่อย แตํศักยภาพของเชื้อเพลิงชีวมวลก็ยังคง มี อ ยูํ ม าก (กรมพั ฒ นาพลั ง งานทดแทนและอนุ รั ก ษ์ พ ลั ง งาน กระทรวงพลังงาน) และไมํได๎มีการนามาศึกษาทดลองอยํางจริงจัง ถึงผลกระทบและมลพิษที่ เกิดขึ้ น ในการเผาไหม๎เชื้อเพลิงชีวมวล เตาเผาฟลูอิไดซ์เบดได๎ขึ้นชื่อวําเป็นเทคโนโลยีที่ให๎ประสิทธิภาพใน การเผาไหม๎ สู งกวํ าเตาเผารู ปแบบอื่ นๆ (Natarajan et al., 1998; Werther et al., 2000) จากข๎อมูลการทดลองพบวํา ในการเผาไหม๎ แกลบในเตาเผาฟลูอิไดซ์เบด ประสิทธิภาพการเผาไหม๎จะอยูํในชํวง 81-99% แตํมลพิษคํอนข๎างสูง (Permchart and Vladimir, 2004, Armesto et al., 2002; Fand et al., 2004) อีกทั้งขี้เถ๎าที่ได๎จาก การเผาไหม๎เชื้อเพลิงชีวมวลจะเกิดการหลอมละลาย ทาให๎เกิดการ รวมตั ว กั น ของขี้ เ ถ๎ า และเบดท าให๎ ก ารฟลู อิ ไ ดซ์ เ ซชั่ น อาจจะ หยุดชะงัก เนื่องจากเบดมีอุณหภูมิสูง (Chirone et al., 2006, Thy et al., 2006 และ Chunjiang Yu et al., 2011) ซึ่งจะเป็นอุปสรรค ตํอการเผาไหม๎ ซึ่ งถ๎ าเราสามารถลดมลพิ ษและลดอุ ณหภู มิลงได๎

Figure 1 Schematic diagram of the experimental set-up with the conical swirling fluidized-bed combustor.

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 32-39 Table 1 Ultimate analysis (wt.%) and lower heating values (MJ kg-1) of coconut shell used in this study (W = fuel moisture, A = fuel ash; LHV = lower heating value). A 3.43 3.23 2.85 2.49

C 46.82 44.06 38.90 33.96

2.2 คุณสมบัติของเชื้อเพลิง กะลามะพร๎าวถูกนามาทาการบดยํอยและใช๎เป็นเชื้อเพลิงในการ ทดลอง โดยกะลามะพร๎าวมีความชื้นเริ่มต๎นที่ 10% (as received) ถูกนามาเพิ่มความชื้นโดยการสเปรย์น้าลงไป ทาให๎ความชื้นเพิ่มขึ้น เป็ น 15, 25 และ 35% ตามล าดั บ Table 1 แสดงการวิ เคราะห์ เชื้อเพลิงกะลามะพร๎าวแบบ ultimate และคําความร๎อนต่า (Lower heating value) ที่ ไ ด๎ ซึ่ ง จะเปลี่ ย นแปลงไปตามความชื้ น ของ เชื้อเพลิง (Basu et al., 2000)

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

3 ผลการทดลองและวิเคราะห์ผล จากการศึกษาพฤติกรรมการเผาไหม๎และประสิทธิภาพการเผา ไหม๎ ของกะลามะพร๎ าว โดยเพิ่ มความชื้ นให๎ กั บเชื้ อเพลิ ง ซึ่ งได๎

O 34.45 32.42 28.63 24.98

N 0.18 0.17 0.15 0.13

S 0.03 0.03 0.02 0.02

LHV 17.11 15.95 13.79 11.72

พิจารณาพฤติกรรมการเผาไหม๎ ด๎วยโปรไฟล์ของอุณหภูมิและก๏าซ เผาไหม๎ภายในแนวกึ่งกลางเตาและแนวรัศมีเตาที่ระดับความสูงตํางๆ ของเตา 3.1 ผลกระทบของความชื้ น ต่ ออุ ณหภู มิ และความเข้ มข้ นก๊ าซ ออกซิเจนในเตาเผา SFBC Figure 2 แสดงผลกระทบของความชื้นเชื้อเพลิงกะลามะพร๎าว ตํออุณหภูมิ และก๏าซออกซิเจน ภายในเตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวย แบบหมุ นวน ตามความสูงของเตา เมื่อทาการทดลองที่อั ตราการ ป้อนเชื้อเพลิง 45 kg h-1 สาหรับอากาศสํวนเกิน 40% จาก Figure 2a ความชื้นในเชื้อเพลิงทาให๎อุณหภูมิภายในเตาเผาลดลงอยํางเห็น ได๎ ชัด อุณหภูมิ ด๎ านบนเตาเผาเหนื อโซนของเบดจะคํ อนข๎ างคงที่ เปลี่ยนแปลงไมํมากนัก อากาศสํวนเกินแทบจะไมํมีผลตํออุณหภูมิ เผาไหม๎ที่เกิดขึ้น จากการทดลอง เมื่ออากาศสํวนเกินเพิ่มจาก 40% เป็น 80% สาหรับที่ความสูง 0.74 m เหนือหัวกระจายลม จะเป็นบริเวณที่ มีอุณหภูมิสูงที่สุดภายในเตา เนื่องจากเป็นตาแหนํงใกล๎กับ screw feeder สํ วนที่ ความสู งประมาณ 1 m (จาก Figure 2a) จะพบวํ า อุ ณหภู มิ จะมี คํ าลดลง เนื่ องจากที่ จุ ดดั งกลํ าวมี การจํ ายอากาศ ทุติยภูมิเข๎าสูํเตาเผาผํานหัวเผา ทาให๎อุณหภูมิภายในเตาเผาลดลง ประมาณ 100°C เมื่อความชื้นของเชื้อเพลิงกะลามะพร๎าวเพิ่มขึ้น จาก 10 ถึง 35% อุณหภูมิภายในเตาเผาลดลงประมาณ 300°C ผลกระทบของความชื้นเชื้อเพลิงกะลามะพร๎าวตํอความเข๎มข๎น ของก๏าซออกซิเจน ตลอดความสูงของเตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวย แบบหมุนวน แสดงใน Figure 2b ความเข๎มข๎นของก๏าซออกซิเจนจะ เปลี่ ยนแปลงเนื่ องจากความชื้ นในเชื้ อเพลิ งกะลามะพร๎ าวเพี ยง เล็กน๎อย แตํจะขึ้นอยูํกับปริมาณอากาศสํวนเกินอยํางเห็นได๎ชัด ถ๎า ปริมาณอากาศสํวนเกินเพิ่มสูงขึ้น ความเข๎มข๎นของก๏าซออกซิเจนก็ สูงขึ้นเชํนกัน

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

2.3 ขั้นตอนการทดลอง ในการทดลอง จะท าการเปลี่ ยนแปลงปริ มาณความชื้ นใน เชื้อเพลิงและเปอร์เซ็นต์อากาศสํวนเกิน โดยทุ กๆ การทดลองจะ ควบคุมอัตราการป้อนเชื้อเพลิงให๎คงที่ 45 kg h-1 และเปลี่ยนแปลง อากาศสํวนเกิน 40, 60, 80 และ 100% กํอนการทดลอง เตรียม เชื้อเพลิงกะลามะพร๎าวให๎มีความชื้นตามที่กาหนด ใช๎หัวเผาดีเซลใน การให๎ความร๎อนแกํเบดจนอุณหภูมิของเบดอยูํระหวําง 500–600°C จากนั้ น จึ ง ท าการดั บ หั ว เผา พร๎ อ มทั้ ง ท าการป้ อ นเชื้ อ เพลิ ง กะลามะพร๎าวที่อัตราการป้อนที่กาหนด รอให๎อุณหภูมิภายในเตา คงที่ จึงเริ่มทาการวัดปริมาณก๏าซ O2 ที่บริเวณทางออกของไซโคลน และปรับวาล์วปีกผีเสื้อบริเวณด๎านหน๎าพัดลม เพื่อให๎ได๎ปริมาณก๏าซ O2 สาหรับอากาศสํวนเกิน 40% จากนั้นทาการวัดความเข๎มข๎นของ ก๏าซภายในเตาและที่บริเวณทางออกของไซโคลน (O2, CO และ NO) พร๎ อมทั้ งเก็ บตั วอยํ างขี้ เถ๎ าลอยจากห๎ องเก็ บเถ๎ าที่ ด๎ านลํ างของ ไซโคลน เพื่อนามาวิเคราะห์ความร๎อนสูญเสียจากปริมาณคาร์บอนที่ ไมํถูกเผาไหม๎ จากนั้นปรับอากาศสํวนเกินเป็น 60, 80 และ 100% ตามลาดับ

H 5.09 4.79 4.23 3.69

ทย

W 10.1 15.4 25.3 34.8

ระ เท ศไ

Test series No. 1 2 3 4

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 32-39

(a)

(b)

Figure 2 Axial temperature (a) and O2 concentraton (b) profiles in the conical SFBC firing 45 kg h-1 coconut shell with variable fuel-moisture content at excess air of about 40%.

รร

วก

วิศ

ทย

ระ เท ศไ

สม

าค ม

คาร์ บอนมอนอกไซด์ ลดลงอยํ างรุนแรงในทุ กๆ การทดลอง สํ วน บริเวณด๎านบนของเตาเผาที่ความสูง 1.5 < Z < 1.8 m ความเข๎มข๎น ของก๏าซคาร์บอนมอนอกไซด์ในบริเวณนี้จะยังคงมีอยูํ เล็กน๎อยใน บางการทดลอง เนื่ องจากในบริ เวณดังกลํ าวยั งคงมี ถํานคาร์บอน (char C) หลงเหลืออยูํ เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของถํานคาร์บอน สํวนสุดท๎ายของเตาเผา ที่ความสูง Z > 1.8 m ความเข๎มข๎นของก๏าซ คาร์บอนมอนอกไซด์ ลดลงอยํางมีนัยสาคัญ จากปฏิกิริยาเอกพันธ์ (homogeneous reaction) ของคาร์บอนมอนอกไซด์กับออกซิเจน ความเข๎มข๎นก๏าซคาร์บอนมอนอกไซด์ที่สูงขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงมีความชื้น มากขึ้น สามารถอธิบายได๎จาก (1) อุณหภูมิของเบดลดลง ซึ่งทาให๎ การเกิดออกซิเดชั่น CO/CO2 ของถํานคาร์บอนเพิ่มขึ้น (2) เพิ่มอัตรา การเกิ ด ออกซิ เดชั่ นของถํ านคาร์ บอนที่ เ ปี ยก เกิ ดเป็ น คาร์บอนมอนอกไซด์มากขึ้น

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

3.2 การฟอร์มตัวและการลดลงของก๊าซมลพิษ Figure 3 แสดงผลกระทบของความชื้ นเชื้ อเพลิ งและปริ มาณ อากาศสํวนเกินตํอความเข๎มข๎นของก๏าซคาร์บอนมอนอกไซด์ และ ไนโตรเจนมอนอกไซด์ ตามความสูงของเตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวย แบบหมุ นวน ที่ ต าแหนํ งและเงื่ อนไขในการทดลองเชํ นเดี ยวกั บ Figure 2 จาก Figure 3a สามารถแบํงเตาเผาออกได๎เป็น 4 สํวน ในเตาเผา สํวนแรก ได๎แกํ ที่ความสูง 0 < Z < 0.8 m เหนือหัวกระจายลม เป็ นบริ เวณที่ มี เบดและเชื้ อเพลิ งอยูํ หนาแนํ น การฟอร์ มตั วของ คาร์ บ อนมอนอกไซด์ จ ะเกิ ด ขึ้ น สู ง ที่ สุ ด ภายในเตา และก๏ า ซ คาร์บอนมอนอกไซด์จะมีความเข๎มข๎นมากอยํางเห็นได๎ชัด เมื่อทา การทดลองที่ความชื้น 25-35% ทั้งอากาศสํวนเกิน 40 และ 80% เตาเผาสํวนที่สอง ที่ความสูง 0.8 < Z < 1 m เป็นบริเวณที่ได๎รับ ผลกระทบของอากาศทุ ติ ยภู มิ จากหั วเผา ความเข๎ มข๎ นของก๏ าซ

(a)

(b)

Figure 3 Axial CO (a) and NO concentraton (b) profiles in the conical SFBC firing 45 kg h-1 coconut shell with variable fuelmoisture content at excess air of about 40%. 35

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 32-39

(a)

(b)

Figure 4 Effects of the fuel-moisture content on the radial CO (a) and NO concentration (b) profiles at different levels in the conical SFBC for excess air of 40%. 36

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 32-39 NH3 เกิ ดท าปฏิ กิ ริ ยาออกซิ เดชั่ น ที่ บริ เวณกลางเตามี สู งกวํ าที่ ผนังเตา

ทย

3.3 การปล่อยก๊าซมลพิษ Figure 5 แสดงมลพิษที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม๎จากเตาเผาฟลูอิ ไดซ์เบดทรงกรวยแบบหมุนวน ที่อัตราการป้อน 45 kg h-1 ในชํวง การเปลี่ยนแปลงความชื้นและอากาศสํวนเกินที่ทดลอง พบวํามลพิษ คาร์ บอนมอนอกไซด์ และไนโตรเจนมอนอกไซด์ มี คํ าไมํ มากนั ก (น๎อยกวํา 350 ppm) ซึ่งเกิดจากการจํายอากาศทุติยภูมิเข๎าสูํบริเวณ ที่คาร์บอนมอนอกไซด์เกิดการฟอร์มตัวพอดี มลพิษคาร์บอนมอนอก ไซด์ ได๎ รั บอิ ทธิ พลจากปริ มาณอากาศสํ วนเกิ นมาก เชํ นเดี ยวกั บ ความชื้ นเชื้ อเพลิ ง แตํ ผลกระทบจะไมํ รุ นแรงเทํ าปริ มาณอากาศ สํวนเกิน ตรงกันข๎ามมลพิษไนโตรเจนมอนอกไซด์จะได๎รับอิทธิพล จากความชื้นเชื้อเพลิงมากกวําผลกระทบจากปริมาณอากาศสํวนเกิน 3.4 ประสิทธิภาพการเผาไหม้ Table 2 แสดงคาร์บอนที่ยังถูกเผาไหม๎ในขี้เถ๎าลอยและมลพิษ คาร์บอนมอนนอกไซด์ (ความเข๎มข๎นคาร์บอนมอนอกไซด์ที่ทางออก ไซโคลน) และความร๎อนที่สูญเสียจากการเผาไหม๎ ความร๎อนสูญเสีย จากคาร์บอนที่ไมํถูกเผาไหม๎ และความร๎อนสูญเสียจากการเผาไหม๎ ไมํสมบูรณ์ ความร๎อนสูญเสียจากคาร์บอนที่ไมํถูกเผาไหม๎จะมีมากขึ้นเมื่อ ความชื้ นเชื้ อเพลิ งสู งขึ้ น และจะเห็ นผลชั ดเจนเมื่ อเชื้ อเพลิ งมี ความชื้ นมากกวํ า 25% และอากาศสํ วนเกิ น 80% ที่ เป็ นเชํ นนี้ เนื่องจากที่ความชื้นดังกลําว อุณหภูมิภายในเตาเผาลดลงอยํางเห็น ได๎ชัด ทาให๎การแตกสารระเหยเป็นไปได๎ไมํดีเทําที่ควร ซึ่งผลกระทบ นี้จะเกิ ดขึ้ นกั บความร๎ อนสู ญเสี ยจากการเผาไหม๎ ไมํสมบู รณ์ ด๎ วย เชํนกัน

(a)

(b)

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

รร

วก

สม

วิศ

ระ เท ศไ

าค ม

เมื่อเปรียบเทียบกับความเข๎มข๎นของก๏าซไนโตรเจนมอนอกไซด์ ในเตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวยแบบหมุนวนตามความสูงของเตา (แสดงใน Figure 3b) สาหรับที่อากาศสํวนเกิน 40% ความเข๎มข๎น ก๏าซไนโตรเจนมอนอกไซด์ได๎รับผลกระทบของความชื้นเชื้อเพลิงด๎วย เชํ นกั น โดยความเข๎ มข๎ นก๏ าซไนโตรเจนมอนอกไซด์ ลดลงเมื่ อ เชื้อเพลิงมีความชื้นมากขึ้นและอากาศสํวนเกินมากขึ้น การฟอร์มตัว ของไนโตรเจนมอนอกไซด์เกิดจาก ในกระบวนการเผาไหม๎เชื้อเพลิง ชีวมวล จะมี กลไก fuel-NO mechanism ซึ่ งจะเกิ ดการฟอร์ มตั ว จาก (1) การท าปฏิ กิ ริ ยาขององค์ ประกอบไนโตรเจนที่ ถู กปลํ อย ออกมาจากเชื้อเพลิงรํวมด๎วยกับสารระเหย เชํน ไฮโดรเจนไซยาไนด์ (HCN) และ แอมโมเนีย (NH3) และการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของ ไนโตรเจนในเชื้อเพลิงในถําน ซึ่งไนโตรเจนมอนอกไซด์สามารถถูกทา ให๎ลดลงได๎จากการเกิดปฏิกิริยาระหวําง ไนโตรเจนมอนอกไซด์กับ แอมโมเนี ย หรื อกั บคาร์ บอนมอนอกไซด์ บนผิ วของถํ าน (char surface) Figure 4 แสดงความเข๎ ม ข๎ น ก๏ า ซคาร์ บ อนมอนอกไซด์ แ ละ ไนโตรเจนมอนอกไซด์ตามแนวรั ศมีของเตาที่ระดับความสูงตํางๆ เหนือหัวกระจายลมสาหรับอากาศสํวนเกิน 40% ที่อัตราการป้อน เชื้อเพลิง 45 kg h-1 เมื่อความชื้นเชื้อเพลิงกะลามะพร๎าวแตกตํางกัน เชํนเดียวกับ figure 3 เมื่อความชื้นเชื้อเพลิงมากขึ้นสํงผลตํอการ ฟอร์ มตั วของก๏ าซคาร์ บอนมอนอกไซด์ มากขึ้ น โดยจะเห็ นการ เปลี่ ยนแปลงได๎ ชัดในบริ เวณที่ อากาศทุ ติ ยภู มิ ถู กจํ ายเข๎ าเตาเผา ตรงกันข๎ามกับก๏าซไนโตรเจนมอนอกไซด์ ที่มีคําลดลงเมื่อเชื้อเพลิงมี ความชื้ นเพิ่ มขึ้น และจากผลกระทบของรู ปแบบการหมุ นวนของ เตาเผาฟลู อิ ไดซ์ เบดนี้ ก๏ าซคาร์ บอนมอนอกไซด์ และไนโตรเจน มอนอกไซด์ ที่ ตรงกลางเตามี คํ าสู งกวํ าที่ ผนั งเตาอยํ างเห็ นได๎ ชั ด ที่เป็นเชํนนี้เนื่องจากบริเวณกลางเตามีอัตราการเกิด (1) การแตกสาร ระเหย (fuel devolatilization) (2) ถํ านคาร์ บอน และสารระเหย

Figure 5 Effects of the fuel moisture and excess air on the CO (a) and NO (b) emissions from the conical SFBC firing coconut shell at the 45 kg h-1 feed rate. 37

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 32-39 Table 2 Heat losses and combustion efficiency (LHV%) for the conical SFBC firing coconut shell at 45 kg h-1 and different values of excess air for the selected fuel moistures.

25.3 34.8

Heat loss owing to unburned carbon (%) 1.71 0.78 4.92 2.57 5.02 11.65 1.81 10.71

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

4 สรุปผลการทดลอง เตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวยแบบหมุนวนเมื่อทาการทดสอบการ เผาไหม๎ เชื้ อเพลิ งกะลามะพร๎ าว ที่ อั ตราการป้ อน 45 kg h-1 โดยมี ความชื้นเชื้อเพลิงและเปอร์เซ็นต์อากาศสํวนเกินที่แตกตํางกัน สามารถ ลดการปลดปลํอยมลพิษจากการเผาไหม๎ได๎อยํางดี ข๎อสรุปดังตํอไปนี้มาจากการทางานวิจัยที่ดาเนินการ ได๎แกํ ในการเพิ่มความชื้นเชื้อเพลิงโดยการสเปรย์น้าในกะลามะพร๎าว asreceived อุ ณหภู มิ ของเบดสามารถถู กท าให๎ ลดลงได๎ (ประมาณ 300°C) ซึ่งนาไปสูํการลดลงของมลพิษไนโตรเจนมอนอกไซด์ และการ ลดลงของปัญหาการเกาะตัวกันของขี้เถ๎าภายในเตาเผาได๎ อากาศสํวนเกินมีผลกระทบตํออุณหภูมิในเตาเผาเพียงเล็กน๎อย การจํายอากาศทุติยภูมิเข๎าสูํโซนเผาไหม๎ทาให๎เห็นผลกระทบตํอ ความเข๎มข๎นของก๏าซออกซิเจนและรวมถึงการฟอร์มตัวและการลดลง ของความเข๎มข๎นก๏าซคาร์บอนมอนอกไซด์และไนโตรเจนมอนอกไซด์ ซึ่ งการฟอร์ มตั วของก๏ าซเหลํ านี้ จะอยูํ ในบริ เวณเบดที่ ด๎ านลํ างของ เตาเผาซึ่งเป็นโซนของการเผาไหม๎และถูกทาให๎ความเข๎มข๎นลดลงจาก อากาศทุติยภูมิ เมื่ อท าการเผาไหม๎ เชื้ อเพลิ งกะลามะพร๎ าวที่ อากาศสํ วนเกิ น 40-100% มลพิษคาร์บอนมอนอกไซด์จากเตาเผาฟลูอิไดซ์เบด ทรง กรวยแบบหมุนวน สามารถถูกควบคุมให๎อยูํในปริมาณมลพิษไมํรุนแรง 100-350 ppm ในขณะที่มลพิษไนโตรเจนมอนอกไซด์จากเตาเผาไหม๎ 38

Combustion efficiency (%) 98.17 99.14 94.96 97.35 94.84 88.24 98.03 89.16

อยูํในระดับปานกลาง และที่ความชื้นสูงที่สุดที่ทาการทดสอบ 35% มลพิ ษ ไนโตรเจนมอนอกไซด์ ล ดลงเหลื อ แคํ 50 -100 ppm ประสิทธิภาพการเผาไหม๎คํอนข๎างสูง 88-99% โดยประสิทธิภาพการ เผาไหม๎ที่ดีที่สุดและมลพิษที่น๎อยที่สุด ประสบความสาเร็จจากการเผา ไหม๎เชื้อเพลิงกะลามะพร๎าวที่มีความชื้น 15-20% และอากาศสํวนเกิน 40-50%

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ประสิทธิภาพการเผาไหม๎จากเตาเผาฟลูอิไดซ์เบดทรงกรวยแบบ หมุ นวนเมื่ อเผาไหม๎ เชื้ อเพลิ งกะลามะพร๎ าวที่ มี การเปลี่ ยนแปลง ความชื้นและอากาศสํวนเกิน พบวําประสิทธิภาพจะมีคําอยูํ 88-99% ขึ้นอยูํกับอากาศสํวนเกินและความชื้น

Heat loss owing to incomplete combustion (%) 0.12 0.08 0.13 0.08 0.14 0.10 0.16 0.14

ทย

15.4

Excess air (%) 40 80 40 80 40 80 40 80

ระ เท ศไ

Fuel moisture (wt.%) 10.1

5 กิตติกรรมประกาศ คณะผู๎ วิ จั ยขอขอบคุ ณ ส านั กงานสนั บสนุ น การวิ จั ย (สกว.) ในโครงการทุนพัฒนาศักยภาพในการทางานวิจัยของอาจารย์รุํนใหมํ (สกว. รํวมกับสานักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา) ที่ได๎อนุเคราะห์ งบประมาณในการศึกษาวิจัยครั้งนี้ 6 เอกสารอ้างอิง กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน รายงานพลั งงานทดแทนของประเทศไทย 2555. แหลํ งข๎ อมู ล : http://www.dede.go.th/dede/images/stories/stat_dede/A lternative_1012/thailand%20alternative%20energy%20sit uation%202012.pdf. เข๎าถึงเมื่อ 10 สิงหาคม 2556. Armesto, L., Bahillo, A., Veijonen, K., Cabanillas, A., Otero, J. 2002. Combustion Behaviour of Rice Husk in a Bubbling Fluidised Bed. Biomass and Bioenergy 23, 171−179. Basu, P., Cen, K.F., Jestin, L. 2000. Boilers and Burners. Springer, New York, USA. Chirone, R., Micco, F, Scala, F. 2006. Mechaniam and prediction of bed agglomeration during fluidized bed

ระ เท ศไ

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

combustion of a biomass fuel: Effect of the reactor scale. Chemical Engineering Journal 123, 71−80 Fang, M., Yang, L., Chen, G., Shi, Z., Luo, Z., Cen, K. 2004. Experimental Study on Rice Husk Combustion in a Circulating Fluidized Bed. Fuel Processing Technology 85, 1273−1282. Kaewklum, R., Kuprianov, V.I. 2009. Experimental studies on a novel swirling fluidized-bed combustor using an annular spiral air distributor. Fuel 89, 43−52. Natarajan, E., Nordin, A., Rso, A.N. 1998. Overview of combustion and gasification of rice husk in fluidized bed rectors. Biomass and Bioenergy 14, 533-546. Permchart, W., Kouprianov, V.I. 2004. Emision Performance and Combustion Efficiency of a Conical Fluidized-Bed Combustion Firing Various Biomass Fuels. Bioresource Technology 92, 83−91. Thy, P., Jenkins, B.M., Williams, R.B., Lesher, C.E., Bakker, R.R. 2010. Bed agglomeration in fluidized combustor fueled by wood and rice straw blends. Fuel processing Technology 91, 1464−1485. Werther, J., Saenger, M., Hartge, E.U., Ogada, T., Siagi, Z. 2000. Combustion of Agricultural residues. Progress in Energy and Combustion Science 26, 1−27. Yu Chunjiang, et al. 2011. Experimental research on agglomeration in straw-fired fluidized beds. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University.

ทย

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 32-39

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 40-46

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557) 40-46 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

ผลของสภาวะในกระบวนการเจลาทิไนเซชันและการตัดกิ่งสายโซ่โมเลกุลสตาร์ชต่อสมบัติของสตาร์ชต้านทานการย่อย จากกล้วยน้าว้า (Musa sapientum Linn.) Effects of Gelatinization Condition and Starch Debranching on Resistant Starch Properties from Namwa Banana (Musa sapientum Linn.) 1

สาวิณี แก้วสวัสดิ์ *, สมเกียรติ ปรัชญาวรากร , สมชาติ โสภณรณฤทธิ์ Sawinee kaewsawat1*, Somkiat Prachayawarakorn1, Somchart Soponronnarit2 1

ภาควิชาวิศวกรรมเคมี, คณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล๎าธนบุรี, กรุงเทพฯ, 10140 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok, 10140 2 สาขาเทคโนโลยีพลังงาน, คณะพลังงานสิ่งแวดล๎อมและวัสดุ, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล๎าธนบุรี, กรุงเทพฯ, 10140 2 Energy Technology, School of Energy, Environment and Materials, King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok, 10140 *Corresponding author: Tel: +66- 2-470-9222, Fax: +66-2-428-3534, E-mail: kaewsawat.s@gmail.com

ระ เท ศไ

ทย

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีจุดประสงค์เพื่อศึกษาผลของสภาวะในกระบวนการเจลาทิไนเซชันและเวลาในการตัดกิ่งสายโซํโมเลกุลสตาร์ชตํอสมบัติของ สตาร์ชต๎านทานการยํอย (RS) RS ถูกเตรียมได๎จากกระบวนการเจลาทิไนเซชัน นาน 30 min ที่ 2 สภาวะ คือ ที่อุณหภูมิ 121°C ความดัน 1.1 bar gauge และอุณหภูมิ 100°C ภายใต๎ความดันบรรยากาศ และตัดกิ่งด๎วยเอนไซม์พูลูลาเนสเป็นเวลา 24 และ 48 h ตามด๎วยการบํมที่อุณหภูมิ 4°C เป็นเวลา 3 d จากผลการทดลองพบวําสตาร์ชที่ผํานการตัดกิ่งมีปริมาณ RS มากกวําสตาร์ชที่ไมํผํานการตัดกิ่ง อยํางไรก็ตามสตาร์ชที่ผํานการตัด กิ่งมีกาลังการพองตัว และร๎อยละการละลายต่ากวําสตาร์ชที่ไมํผํานการตัดกิ่ง และเวลาในการตัดกิ่งไมํมีผลตํอปริมาณของ RDS, SDS, RS กาลังการพองตัว และร๎อยละการละลาย การเจลาทิไนซ์สตาร์ชที่อุณหภูมิ 121°C ให๎ปริมาณ RDS ต่ากวําการเจลาทิไนซ์สตาร์ชที่อุณหภูมิ 100°C สํวนคํา SDS, RS กาลังการพองตัว และการละลายไมํตํางกันอยํางมีนัยสาคัญ

สม

คาสาคัญ: สตาร์ชต๎านทานการยํอย, การตัดกิ่งสตาร์ช, กระบวนการเจลาทิไนเซชัน Abstract The aim of the present work was to study the effects of gelatinization condition and debranching of starch on properties of resistant starch (RS). Starch was prepared by gelatinization for 30 min at two conditions i.e. at 121°C, 1.1 bar gauge and at 100°C under atmospheric pressure, debranched by pullulanase enzyme for 24 and 48 h and then incubated at 4°C for 3 days. The experimental results showed that the debranched strach contained higher amount of RS content more than non-debranched starch. However, the retrograded starch obtained from the deblanchig had a lower swelling and solubility than non-debranching and debranching time did not affect the amount of RDS, SDS, RS, swelling and solubility. The gelatinization of starch at 121°C provided the lower amount of RDS than that of gelatinized at 100°C whilst SDS, RS, swelling and solubility were no significantly different at both gelatinization temperatures. Keywords: Resistant starch, Debranching starch, Gelatinization

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 40-46

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

ระ เท ศไ

ทย

กลูโคส หลังจากที่มีการทาปฏิกิริยากับเอนไซม์แล๎ว 100 min พบได๎ ในสตาร์ชจากพืช ธัญชาติ และผลิตภัณฑ์เส๎นที่ทาสุกแล๎ว (3) สตาร์ช ต๎านทานการยํอย (Resistant Starch; RS) สตาร์ชชนิดนี้เป็นสํวน ของสตาร์ ชที่ มี ความสามารถทนตํ อการยํ อยด๎ วยเอนไซม์ โดยที่ เอนไซม์ไมํสามารถยํอยสตาร์ชชนิดนี้ได๎หลังจากปลํอยให๎ทาปฏิกิริยา ยํอยสลายเป็นเวลา 120 min ซึ่งทาให๎สตาร์ชชนิดนี้มีสมบัติคล๎าย เ ส๎ น ใ ย European FLAIR Concerted Action on Resistant Starch (EURESTA) ได๎ให๎นิยามของ RS วําหมายถึง สตาร์ชและ ผลิตภัณฑ์ของสตาร์ ชที่ไมํสามารถถู กยํ อยสลายด๎ วยเอนไซม์ และ ดู ดซึ มในล าไส๎ เล็ กของมนุ ษย์ สุ ขภาพดี จากข๎ อมู ลดั งกลํ าว RS จึงนําสนใจที่จะนามาผลิตเป็นอาหารเพื่อสุขภาพ ซึ่งปัจจุบันมีการ ประยุกต์ใช๎ RS ในอุตสาหกรรมอาหาร โดยใช๎เป็นสํวนผสมในอาหาร ประเภทตํ างๆ เพื่ อเพิ่ มปริ มาณเส๎ นใย เชํ น ขนมอบกรอบ ขนม ขบเคี้ยว ผลิตภัณฑ์ธัญชาติสาเร็จรูป อาหารเส๎น เป็นต๎น (ไพลาภา, 2550; สุรีย์พร, 2552; Eerlingen and Delcour, 1995; Faraj et al., 2004; Gonzalez-Solo et al., 2007) ปัจจัยที่มีผลตํอการเกิด RS คือ สภาวะในกระบวนการเจลาทิไน เซชัน (Gelatinization) ความยาวสายโซํโมเลกุลสตาร์ช และสภาวะ ในกระบวนการคืนตัว (Retrogradation) ของเจลสตาร์ช (Eerlingen and Delcour,1995; Gonzalez-Solo et al., 2007; Leeman et al., 2006) โดยกระบวนการเจลาทิไนเซชั น เป็ นกระบวนการที่ ให๎ ความร๎อนกั บน้าสตาร์ชจนถึงอุณหภูมิใดอุณหภู มิหนึ่ง (ประมาณ 60–70°C) พันธะไฮโดรเจนภายในผลึกสตาร์ชจะถูกทาลาย ทาให๎ อะมิโลสและอะไมโลเพกทินคลายตัวจากผลึกหมูํไฮดรอกซิลภายใน สายโซํ จะเกิ ดพั นธะกั บโมเลกุ ลของน้ า เป็ นผลให๎ สตาร์ ชเกิ ดการ พองตัว อะมิโลสสายสั้นบางสํวนเริ่มละลายออกมากับน้าเกิดเป็นเจล สตาร์ช เมื่อเพิ่มอุณหภูมิขึ้นอีกพันธะไฮโดรเจนจะถูกทาลายมากขึ้น และผลึกของสตาร์ชน๎อยลงเนื่องจากการคลายตัวออกของอะไมโล เพกทิน การละลายของอะมิโลสมากขึ้นและการพองตัวจะมีมากขึ้น เชํนกัน (Baik et al., 1997; Eerlingen et al., 1993; Eliasson, 2004) ทั้งนี้อุณหภูมิที่ใช๎ในการเจลาทิไนซ์และการแตกตัวของผลึก สตาร์ชมีผลมากตํอการตัดกิ่งสตาร์ช เนื่องจากหากมีการแตกตัวของ ผลึกสตาร์ชสูง เอนไซม์ที่ใช๎ในการตัดกิ่งจะสามารถเข๎าตัดกิ่งของอะ ไมโลเพกทินได๎มากนั่นเอง กระบวนการตัดกิ่งอะไมโลเพกทินภายในเจลสตาร์ชสามารถทา ได๎ด๎วยเติมเอนไซม์พูลูลาเนส หรือเอนไซม์ไอโซอะไมเลส (วิไล และ คณะ, 2543; Miao et al., 2009; Eliasson, 2004; Cai et al., 2010) ลงในเจลสตาร์ช โดยเอนไซม์จะเข๎าไปทาลายพันธะระหวําง สายโซํ กิ่ งและสายโซํ หลั ก (แอลฟา-1, 6 กลู โคซิ ดิ ก) ของสายโซํ

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

1 บทนา กล๎วยเป็นพืชที่เจริญเติบโตได๎ดีในประเทศไทย และให๎ผลผลิต ออกมาตลอดทั้งปี ดังนั้นกล๎วยจึงจัดได๎วําเป็นพืชเศรษฐกิจที่สาคัญ ชนิดหนึ่ง ไพลาภา (2550) ได๎สกัดสตาร์ชจากกล๎วยสามสายพันธุ์ ได๎ แกํ กล๎ วยน้ าว๎ า กล๎ วยหอมทอง และกล๎ วยไขํ ด๎ วยสารละลาย โซเดียมไฮดรอกไซด์ 0.05 N พบวําร๎อยละของปริมาณผลได๎ของการ สกัดสตาร์ชจากกล๎วยน้าว๎าให๎ปริมาณมากที่สุด คือ 33.18% สํวน กล๎วยหอมทอง และกล๎วยไขํได๎ปริมาณของสตาร์ชใกล๎เคียงกัน คือ 29.67% และ 30.37% ตามลาดับ วสันต์ (2543) ได๎ทาการทดลอง สกัดสตาร์ชจากกล๎วยดิบ โดยใช๎ตัวแปรในการศึกษา คือ สายพันธุ์ ของกล๎วย และสารละลายที่ใช๎สกั ด สายพันธุ์กล๎ วยที่ นามาศึ กษา ได๎แกํ กล๎วยน้าว๎า กล๎วยหักมุก และกล๎วยตานี สํวนสารละลายที่ใช๎ ในการศึกษา ได๎แกํ สารละลายโซเดียมไบซัลไฟด์ (NaHSO3) 0.1 N สารละลายโซเดี ยมไฮดรอกไซด์ (NaOH) 0.05 N และน้ า พบวํ า สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ 0.05 N ให๎ปริมาณสตาร์ชสูงสุดเมื่อ เทียบกับสารละลายชนิดอื่น ซึ่งกล๎วยน้าว๎า กล๎วยหักมุก และกล๎วย ตานีให๎ปริมาณสตาร์ชเทํากับ 34.09%, 33.72% และ 21.07% ตามลาดับ จากผลการทดลองข๎างต๎น เห็นได๎วําปริมาณของสตาร์ชใน กล๎วยน้าว๎ามีถึง 33–34% ซึ่งมากกวํากล๎วยสายพันธุ์อื่นๆ รวมทั้ง สามารถหาซื้ อได๎ งํายและราคาถู ก ดังนั้ นกล๎ วยน้ าว๎ าจึงเป็ นพื ชที่ นําสนใจในการนามาเป็นวัตถุดิบในการผลิตสตาร์ชต๎านทานการยํอย (RS) สตาร์ชเป็นโพลีแซ็กคาไรด์ที่พบในพืช ประกอบด๎วยสายโซํพอลี เมอร์กลูโคส 2 ชนิด คือ พอลีเมอร์เชิงเส๎น (อาจมีกิ่งก๎านเล็กน๎อย) หรืออะมิโลส และพอลีเมอร์เชิงกิ่งหรืออะไมโลเพกทิน (Eerlingen and Delcour, 1995; Fuentes-Zaragoza et al., 2010; aralampu, 2000; Peroni-Okita et al., 2010) เมื่อพิจารณา ความสามารถในการถูกยํอยโดยเอนไซม์ภายในรํางกาย เชํน เอนไซม์ แอลฟาอะไมเลส พบวําสตาร์ซสามารถแบํงออกเป็น 3 ประเภท (ยุรี, 2553; สุรีย์พร, 2552; Miao et al., 2009) ได๎แกํ (1) สตาร์ชที่ถูก ยํอยอยํางรวดเร็ว (Rapidly Digestible Starch; RDS) สตาร์ชชนิดนี้ มีองค์ประกอบหลักเป็นโครงสร๎างแบบอสัญฐาน และมีสํวนของผลึก อยูํ น๎ อยนิ ด พบในอาหารที่ หุ งสุ กใหมํ ๆ เมื่ อให๎ สตาร์ ชชนิ ดนี้ ท า ปฏิกิริยากับเอนไซม์แอลฟาอะไมเลส สตาร์ชจะถูกเปลี่ยนให๎อยูํในรูป ของน้าตาลกลูโคสในเวลา 20 min (2) สตาร์ชที่มีการยํอยอยํางช๎าๆ (Slow Digestible Starch; SDS) สตาร์ชชนิดนี้มีองค์ประกอบหลัก เป็นโครงสร๎างแบบอสัณฐานเชํนเดียวกับ RDS แตํมีสํวนของผลึ ก มากกวํา RDS สํงผลให๎ถูกยํอยสลายด๎วยเอนไซม์ช๎ากวํา และคาดวํา ถูกยํอยสลายได๎สมบูรณ์ในลาไส๎เล็ก โดยจะถูกเปลี่ยนให๎เป็นน้าตาล

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 40-46

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 วัสดุ กล๎วยน้าว๎าดิบ, เอนไซม์พูลูลาเนส จากบริษัท Novo Nordisk A/S, เอทานอล (absolute, ≥99.8%, Merck, Germany) 2.2 การสกัดสตาร์ชจากกล้วยน้าว้าดิบตามวิธีของ วสันต์ (2543) การสกั ดเริ่ มจากสั บกล๎ วยดิ บที่ ปอกเปลื อกแล๎ วให๎ ละเอี ยด เติมสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ ความเข๎มข๎น 0.05 N อัตราสํวน เนื้อกล๎ วยตํอสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ 1:2 g mL-1 ปั่นกวน ด๎วยเครื่องผสม ความเร็วรอบ 1,000 rpm นาน 2 h จากนั้นนาของ ผสมไปหมุนเหวี่ยงโดยใช๎ความเร็วรอบ 10,000 rpm นาน 10 min นาตะกอนที่ได๎มาผสมน้าแล๎วกรองด๎วยตะแกรงรํอนขนาด 100, 200 และ 325 mesh ตามลาดับ ทิ้งสตาร์ชให๎ตกตะกอน เทน้าสํวนบนทิ้ง 42

รินน้าลงไปอีกครั้งแล๎วกรองซ้า ทาเชํนนี้ตํอไปเรื่อยๆ จนกระทั่งน้า สํ วนบนใส กรองผํ านกระดาษกรอง Whatman เบอร์ 1 จากนั้ น นาไปอบที่อุณหภูมิ 50°C เป็นเวลา 6 h สุดท๎ายนาไปบดและรํอน ผํานตะแกรงรํอนขนาด 100 mesh เก็บสตาร์ชไว๎ในถุงพลาสติกที่ ปิดสนิท

ระ เท ศไ

ทย

2.3 การเตรียมสตาร์ชตัดกิ่ง ผสมสตาร์ชกับน้ากลั่น (อัตราสํวน 8% w/v) ปรับ pH เป็น 5.0 ด๎ วยสารละลายบั ฟเฟอร์ โซเดี ยมอะซิ เตท จากนั้ นเจลาทิ ไนซ์ ที่ อุณหภูมิ 121ºC ความดัน 1.1 bar gauge และ 100ºC ความดัน บรรยากาศนาน 30 min ลดอุณหภูมิเป็น 50ºC ใน water bath shaker จากนั้นเติมเอนไซม์พูลูลาเนส จานวน 5% v/w (Lehmann et al., 2002) บํมนาน 24 และ 48 h จากนั้นหยุดปฏิกิริยาของ เอนไซม์ โดยให๎ ความร๎อนกั บเจลสตาร์ช ที่ อุณหภู มิ 85ºC นาน 20 – 30 min (วรวิกัลยา และสุนันทา, 2007; สุรีย์พร, 2552) และ บํมเจลสตาร์ชที่อุณหภูมิ 4ºC นาน 3 d สุดท๎ายนาไปไลํน้าออกโดย เติมเอทานอล เขยําให๎เข๎ากัน กรองผํานกระดาษกรอง Whatman เบอร์ 1 และอบที่ 50ºC นาน 6 h บดแล๎วกรองผํานตะแกรงรํอน เบอร์ 100 เก็บสตาร์ชตัดกิ่งไว๎ในถุงพลาสติกที่ปิดสนิท

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

โมเลกุลสตาร์ชทาให๎มีสายโซํตรงภายในเจลสตาร์ชมากขึ้น ซึ่งเมื่อนา เจลสตาร์ชที่ผํานการตัดกิ่งไปทาการคืนตัวโดยการบํมที่ระยะเวลา ตํางๆ พบวําเจลสตาร์ชที่ผํานการตัดกิ่งแล๎วนาไปบํมนั้น มีปริมาณ ของ RS มากกวําการบํมเจลสตาร์ชที่ไมํผํานการตัดกิ่ง Lehmann et al. (2002) ได๎เปรียบเทียบผลของการตัดกิ่งสายโซํโมเลกุลสตาร์ชตํอ ปริมาณของ RS โดยเจลาทิไนซ์สตาร์ชที่ อุณหภู มิ 121°C นาน 30 min และตัดกิ่งด๎วยเอนไซม์พูลูลาเนส (อัตราสํวน สตาร์ช : เอนไซม์ เทํากับ 20:1) นาน 24 h แล๎วนาไปบํมที่ 25°C พบวําการตัดกิ่งสาย โซํโมเลกุลสตาร์ชให๎ RS เทํากับ 45.7% และสตาร์ชที่ไมํถูกตัดกิ่งให๎ RS เทํากับ 5.9% Gonzalez-Solo et al. (2007), Leeman et al. (2006) พร๎อมด๎วย Shamai et al. (2003) พบวําสายโซํโมเลกุล สตาร์ชที่มีความยาวเทํากับ 20 หนํวยกลูโคส มีการฟอร์มตัวเป็น RS สู งที่ สุ ด เนื่ องจากความยาวสายโซํ ขนาดดั งกลํ าว เป็ นขนาดที่ เหมาะสมในการฟอร์มตัวเป็นเกลียวคูํ (double helices) ได๎ดีที่สุด ซึ่ งในกระบวนการคื นตั วนั้ น การเกิ ดเกลี ยวคูํ ของสายโซํ โมเลกุ ล สตาร์ชเกิดจากโมเลกุลที่มีรูปรํางเกลียวสุํมของอะมิโลส (random coil) เคลื่อนที่เข๎ามาใกล๎กันและจับตัวกันด๎วยพันธะไฮโดรเจนเกิด เป็นสายเกลียวคูํ ปัจจัยที่มีผลตํอการคืนตัวนอกจากความยาวของ สายโซํ ต รงกลู โ คสแล๎ ว ยั งมี ปั จจั ย อื่ น ทั้ งในเรื่ อ งอุ ณ หภู มิ แ ละ ระยะเวลาบํ ม โดย ยุ รี (2553), Gonzalez-Solo et al. (2007) พร๎อมด๎วย Schmiedl et al. (2000) พบวําอุณหภูมิที่ให๎การคืนตัว ได๎ดีที่สุด คือ 4°C และเมื่อเพิ่มระยะเวลาบํมมากขึ้นจะทาให๎ปริมาณ ของ RS เพิ่มมากขึ้น ดังนั้นในงานวิจัยนี้มีความประสงค์ที่จะศึกษาสภาวะที่เหมาะสม ของกระบวนการเจลาทิไนเซชัน และผลของการตัดกิ่งสายโซํโมเลกุล สตาร์ชด๎วยเอนไซม์พูลูลาเนสตํอสมบัติของ RS

2.4 การหาองค์ประกอบทางเคมี การวิเคราะห์ปริมาณโปรตีน ไขมัน เถ๎า และความชื้นของสตาร์ช ใช๎วิธีตาม AOAC (2000) สํวนปริมาณของสตาร์ชทั้งหมดใช๎วิธีของ Mahin และ Carr (1923) 2.5 การกระจายตั วของสายโซ่ โมเลกุ ลสตาร์ช ด้ วยเครื่อง High Performance Size Exclusion Chromatography (HPSEC) นาสตาร์ชตัดกิ่งที่เวลา 24 และ 48 h (เจลาทิไนซ์ที่อุณหภู มิ 121°C ความดั น 1.1 bar gauge) จ านวน 4 mg ละลายใน สารละลาย Dimethyl Sulfoxide (DMSO) ความเข๎มข๎น 90% v/v จานวน 1 mL ตามวิธีของ Jiranuntakul et al. (2012) จากนั้น น ามากรองผํ านเมมเบรนขนาด 0.45 µm เริ่ มแรกล๎ างคอลั มน์ (Zorbax PSM 60 ขนาด 6.2x250 mm บรรจุด๎วยเม็ดซิลิการูพรุน ขนาด 5 µm) โดยฉีดสารละลายสตาร์ช จานวน 100 µL เข๎าไปใน เครื่อง HPSEC (LC-20AD; Shimadzu, RI detector (RID-10A; Shimadzu)) อัตราการไหลของเฟสเคลื่อนที่ (DMSO, 90% v/v) เทํากับ 0.5 mL min-1 อุณหภูมิ 50°C หลังจากนั้นฉีดสารละลาย สตาร์ช จานวน 40 µL ไปในเครื่อง HPSEC อีกครั้ง เพื่อทาการ ทดสอบการกระจายตัวของสายโซํกลูโคส แล๎ววิเคราะห์กราฟที่ได๎ จากการทดสอบด๎วยซอฟแวร์ Shimadzu CLASS-VP (version 6.14 SP2)

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 40-46 2.6 การหาปริมาณ RDS, SDS และ RS การวิเคราะห์ RDS, SDS และ RS ดัดแปลงมาจากวิธีของ Zhang and Hamaker (2010) โดยชั่งสตาร์ช 100 mg ในขวดก๎นแบน ใสํลูกแก๎วขนาดเส๎นผํานศูนย์กลาง 5 mm จานวน 15 ลูก แล๎วเติม น้ากลั่น 2 mL สารละลายโซเดียมอะซิเตทบัฟเฟอร์ pH 5.2 จานวน 5 mL และ เอนไซม์ผสม (แอลฟาอะไมเลส 600 U mL-1 และ อะไมโลกลูโคซิเดส 26 U mL-1 จานวน 54 และ 6 mL ตามลาดับ) จานวน 5 mL จากนั้นนาไปบํมที่ 37°C ใน water bath shaker ดูด สารละลายออกมา 0.5 mL เมื่ อ ครบเวลา 20 และ 120 min หยุดปฏิกิริยาด๎วยสารละลายเอทานอล ความเข๎มข๎น 80% จานวน 4.5 mL หมุ นเหวี่ ยงที่ ความเร็ วรอบ 5,000 rpm นาน 10 min วิ เคราะห์ หาปริ ม าณกลู โคสด๎ วยชุ ดทดสอบหาปริ มาณกลู โคส Kit Glucose Oxidase/Peroxidase (Sigma Glucose (GO) Assay kit, Sigma GAGO20) แล๎วคานวณหาคํา RDS, SDS และ RS ดังในสมการ

3 ผลและวิจารณ์ 3.1 องค์ประกอบทางเคมีของสตาร์ช ร๎อยละขององค์ประกอบทางเคมีสามารถแสดงได๎ดัง Table 1 Table 1 Composition of starch. Composition of starch (% in dry matter) starch fiber protein fat moisture 92.88 1.80±0 0.29 0.01 4.86 ±0.3 0.1 ±0.1 ±0.2 ±0.8

ash 0.16 ±0.1

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Table 1 พบวําสตาร์ชที่สกัดได๎จากกล๎วยน้าว๎ามีความบริสุทธิ์ คํอนข๎างสูง คือมีสตาร์ชร๎อยละ 92.88 ในขณะที่ เส๎นใย โปรตีน ไขมั น และเถ๎ า มี ป ริ ม าณที่ น๎ อ ยมาก เมื่ อ น าคํ า ในตารางไป เปรี ยบเที ยบกั บงานวิ จั ยอื่ น เชํ น ไพล าภา (2550) ซึ่ งได๎ รายงาน ร๎อยละขององค์ประกอบทางเคมี คือ ความชื้น โปรตีน ไขมัน และ เถ๎า ของสตาร์ชกล๎วยน้าว๎า มีปริมาณเทํากับ 7.16, 0.20, 0.12 และ RDS=(G20x0.9)/TS (1) 0.05 ตามลาดับ Lehmann et al. (2002) ได๎ศึกษาองค์ประกอบ ทางเคมี ของสตาร์ ชกล๎ วย (Musa acuminata Var.) แล๎ วพบวํ า SDS=((G120-G20)×0.9)/TS (2) สตาร์ชกล๎วยมีองค์ประกอบทางเคมี ได๎แกํ ความชื้นร๎อยละ 14.3, RS=[TS-(RDS+SDS)]/TS (3) ไขมั น ร๎ อยละ 0.18, โปรตี น ร๎ อ ยละ 0.44 และเถ๎ า ร๎ อ ยละ 0.04 Zhang et al. (2010) ได๎ ร ายงานผลจากการหาปริ ม าณของ โดยที่ G20 คือ ปริมาณของกลูโคสที่เวลา 20 min, G120 คือ ปริมาณ องค์ประกอบทางเคมีภายในสตาร์ชกล๎วย วํามีปริมาณของความชื้น ของกลูโคสที่เวลา 120 min และ TS คือ ปริมาณของสตาร์ชทั้งหมด ร๎อยละ 11.9, โปรตีนร๎อยละ 0.39 และเถ๎าร๎อยละ 0.1 ซึ่งจะเห็นได๎ 2.7 ร้อยละการละลายและกาลังการพองตัว วําปริมาณขององค์ประกอบทางเคมีของสตาร์ชใน Table 1 และ ผสมสตาร์ชจานวน 100 mg ลงในหลอดทดลอง จากนั้นเติม ของนักวิจัยทํานอื่นมีคําใกล๎เคียงกัน น้ากลั่น จานวน 10 mL นาไปให๎ความร๎อนที่อุณหภูมิ 60, 80 และ 3.2 ความยาวสายโซ่โมเลกุลสตาร์ช 100°C นาน 30 min (น าออกมาเขยํ าทุ กๆ 5 min) ทิ้ งไว๎ ให๎ เย็ น ผลของระยะเวลาในการตัดกิ่งสายโซํโมเลกุลสตาร์ชตํอความยาว แล๎วหมุนเหวี่ยงที่ความเร็วรอบ 4,500 rpm นาน 15 min แยกสํวน สายโซํ แสดงดังใน Figure 1 โดยเห็นได๎วําเมื่อเพิ่มเวลาในการตัดกิ่ง ใสใสํในจานอะลูมิเนียมแล๎วอบที่ 120°C จนน้าระเหยหมด ทิ้งไว๎ให๎ สายโซํ โมเลกุลสตาร์ ช มากขึ้ นจาก 24 h เป็ น 48 h จะได๎ สายโซํ เย็นแล๎วชั่งน้าหนัก นาตะกอนที่ได๎จากการหมุนเหวี่ยงไปชั่งน้าหนัก โมเลกุ ลสตาร์ ชที่ มี ขนาดที่ สั้ นมากขึ้ น ดั งจะเห็ นได๎ ชัดเจนในชํ วง แล๎วคานวณตามสมการ ความยาวสายโซํเทํากับ 1–3 หนํวยกลูโคส แตํเมื่อพิจารณาความยาว ของสายโซํโมเลกุลสตาร์ชในชํวงที่ความยาวสูงกวํา 3 หนํวยกลูโคส ร๎อยละการละลาย (S)=(Sw/W)×100 (4) พบวําระยะเวลาในการตัดกิ่งสายโซํโมเลกุลสตาร์ช ที่ 24 h และ กาลังการพองตัว (Sp)=(Sd×100)/(W×(100-S)) (5) 48 h ให๎คําไมํแตกตํางกันมากนัก โดยที่ Sw คือ น้าหนักตัวอยํางที่ละลายน้า, Sd คือ น้าหนักตัวอยําง 3.3 ปริมาณของ RDS, SDS และ RS ร๎อยละของ RDS, SDS และ RS สามารถแสดงได๎ใน Figure 2 เปียก และ W คือ น้าหนักตัวอยํางแห๎ง จาก Figure 2 พบวําสตาร์ชที่ได๎จากการคืนตัวของเจลสตาร์ชที่ผําน การตัดกิ่งให๎ปริมาณของ RS มากกวําการบํมเจลสตาร์ชที่ไมํผํานการ ตัดกิ่ง เมื่อเปรียบเทียบผลของระยะเวลาการตัดกิ่ง ที่เวลา 24 และ 43

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 40-46 100 is retrograded starch. It was gelatinization at 100ºC, atmospheric pressure and debranching 24 h. *หมายเหตุ อักษรที่ตํางกันบนกราฟ แสดงถึงคําที่ตํางกันทางสถิติ (p ≤ 0.05)

ทย

3.4 กาลังพองตัวและการละลาย ก าลั ง พองตั ว และร๎ อ ยละการละลายของสตาร์ ช ที่ ผํ า น กระบวนการตํางๆ แสดงดังใน Figure 3

(a)

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

48 h (เจลาทิ ไนซ์ สตาร์ ชที่ อุ ณหภู มิ 121ºC ความดั น 1.1 bar gauge) ตํอปริมาณของ RDS, SDS และ RS พบวําไมํมีความแตกตําง กันอยํางมีนั ยสาคั ญ ส าหรั บผลของอุณหภูมิ และความดันในการ เจลาทิไนซ์สตาร์ชตํอปริมาณ RS (ตัดกิ่งสตาร์ชนาน 24 h) พบวําการ เจลาทิไนซ์ที่อุณหภูมิ 100ºC ความดันบรรยากาศ ให๎ปริมาณ RDS มากกวําสตาร์ชที่ผํานการเจลาทิไนซ์ที่อุณหภูมิ 121ºC ความดัน 1.1 bar gauge และปริ มาณของ SDS มี น๎ อยกวํ า สํ วน RS ไมํ ตํ างกั น อยํางมีนัยสาคัญ จากผลการทดลอง สามารถบํงชี้โดยอ๎อมได๎วําผลึก สตาร์ชภายในเจลถูกทาลายเนื่องมาจากกระบวนการเจลาทิไนเซชัน ที่อุ ณหภู มิ 100ºC ความดั นบรรยากาศ ได๎ เกื อบสมบู รณ์ ซึ่งอาจ เหลื อผลึ กของสตาร์ ชธรรมชาติ จ านวนเล็ กน๎ อย ดั งนั้ นเมื่ อเพิ่ ม อุณหภูมิในการเจลาทิไนซ์เป็น 121ºC ความดัน 1.1 bar gauge จึงมี ผลกระทบตํอการแตกตัวของผลึกในเจลสตาร์ชไมํมากนัก

สม

าค ม

วิศ

Figure 1 Degree of polymerization (Glucose unit) at debranching times of 24 and 48 h (gelatinization at 121ºC, 1.1 bar gauge).

(b)

Figure 3 (a) Swelling power and (b) % solubility of retrograde starch (incubating at 4ºC, 3 d). 3-n-121, 3-24-121, 3-48-121 are retrograded starch and were gelatinized at 121ºC, 1.1 bar gauge, non-debranching, and debranching for 24 h and 48 h. 3-24-100 is retrograded starch and was gelatinized at 100ºC, atmospheric Figure 2 Effect of production conditions on RDS, SDS and pressure and debranching for 24 h. RS in retrograded starch (incubating at 4ºC, 3 days). Where จาก Figure 3 พบวําสตาร์ชที่ผํานการเจลาทิไนซ์ที่อุณหภูมิ 3-n-121, 3-24-121, 3-48-121 are retrograded starch. They 121ºC ความดัน 1.1 bar gauge ไมํตัดกิ่ง มีกาลังพองตัวและการ were gelatinization at 121ºC, 1.1 bar gauge, non- ละลายสูงสุด เนื่องจากผลึกสตาร์ชที่ผํานกระบวนการนี้เกิดจากการ debranching, debranching 24 h and 48 h respective. 3-24- จับตัวกันของสายโซํอะไมโลเพกทิน กิ่งก๎านของอะไมโลเพกทินจะไป 44

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 40-46

รร

วก

สม

าค ม

วิศ

5 กิตติกรรมประกาศ ขอขอบคุ ณสานักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี แหํ งชาติ (สวทช.) ที่ชํวยสนับสนุนทุนวิจัย ซึ่งทาให๎งานวิ จั ยในครั้งนี้สาเร็ จ ลุลํวงไปได๎ด๎วยดี

ทย

6 เอกสารอ้างอิง ไพลาภา นิ่มสังข์. 2550. คุณสมบัติของแป้งและสตาร์ชจากกล๎วยดิบ เพื่อใช๎ในอุตสาหกรรมอาหาร. กรุงเทพฯ:วิทยานิพนธ์ปริญญา วิทยาศาสตร์มหาบัณฑิต, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. ยุรี วันดี. 2553. ผลของการเจลาติไนซ์และการเก็บเจลที่สภาวะ ตํางๆ ตํอการเกิด RESISTANT STARCH ของแป้งพุทธรักษา. กรุ งเทพฯ: วิ ท ยานิ พนธ์ ปริ ญญาวิ ทยาศาสตร์ มหาบั ณ ฑิ ต , มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล๎าธนบุรี. วรวิกัลยา เกียรติ์พงษ์ลาภ และสุนันทา ทองทา. 2007. สมบัติทาง กายภาพของแป้งมันสาปะหลังตัดกิ่ง. วารสารเทคโนโลยีสุรนารี. 14(2). 195 – 204. วสันต์ ศิริวงศ์. 2543. สมบัติเคมีกายภาพของสตาร์ซที่สกัดได๎จาก กล๎วยไทยบางชนิด, กรุงเทพฯ:วิทยานิพนธ์ปริญญาวิทยาศาสตร์ มหาบัณฑิต, จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. วิไล สันติโสภาศร, วชิราพรรณ บุญญาพุทธิพงศ์, เกื้อกูล ปิยะจอม ขวัญ และกล๎าณรงค์ ศรีรอต. 2543. การเปลี่ยนแปลงโครงสร๎าง ของแป้ งมั นส าปะหลั งโดยเอนไซม์ พลู ลู ลาเนส.รายงานการ ประชุมทางวิชาการของมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ครั้งที่ 38 ประจาปี 2543, 454 – 461. กรุงเทพฯ: ภาควิชาชีวเคมี คณะวิ ทยาศาสตร์ มหาวิ ทยาลั ยเกษตรศาสตร์ . กุ มภาพั นธ์ 2543, กรุงเทพฯ. สุรีย์พร บุญนา. 2552. ผลของสภาวะการบํมและวิธีการแยกน้าตํอ การเกิ ด แป้ ง ทนตํ อ การยํ อ ยของแป้ ง ข๎ า ว. นครราชสี ม า: วิ ทยานิ พนธ์ ปริ ญญาวิ ทยาศาสตร์ มหาบั ณฑิ ต มหาวิ ทยาลั ย เทคโนโลยีสุรนารี. A.O.A.C. 2000. Official Methods of Analysis. Association of Official Analytical Chemists. EUA. Baik, M., Kim, K., Kim, W. 1997. Recrystallization Kinetics and Glass Transition of Rice Starch Gel System. Journal of Agriculture and Food Chemistry, 45, 4242 – 4248. Cai, L., Shi, Y. Ch., Rong, L., Hsiao, B.S. 2010. Debranching and crystallization of waxy maize starch in relation to

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

สํวนสตาร์ชที่ได๎จากกระบวนการเจลาทิไนเซชันที่ 100ºC ความ ดันบรรยากาศ ตัดกิ่งที่ 24 h ให๎คํากาลังพองตัวตํางจากสตาร์ชที่ ผํานการเจลาทิไนซ์ที่อุณหภูมิ 121ºC ความดัน 1.1 bar gauge เล็กน๎อย คือ ในอุณหภูมิ 60ºC สตาร์ชที่ได๎จากกระบวนการนี้ได๎เกิด การพองตัวกํอน เนื่องจากปริมาณ RDS ที่มีมากกวํา และคํอนข๎างมี กาลังพองตัวที่คงที่เมื่อเพิ่มอุณหภูมิมากขึ้นเป็น 80ºC สํวนสตารช์ที่ ผํ านการเจลาทิ ไ นซ์ ที่ 121ºC ก าลั งพองตั ว ที่ 60ºC มี น๎ อยกวํ า แตํเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 80ºC กาลังพองตัวกลับเพิ่มขึ้นอยําง รวดเร็วและมากกวําสตาร์ชที่ผํานการเจลาทิไนซ์ที่ 100ºC ซึ่งเกิดมา จากปริ มาณ SDS ในสตาร์ ชที่ ผํ านการเจลาทิ ไนซ์ ที่ 121ºC ที่ มี ปริมาณมากกวําสตาร์ชที่ผํานการเจลาทิไนซ์ที่ 100ºC แตํสุดท๎าย แล๎วสตาร์ชที่ได๎จาก 3 กระบวนการคือสตาร์ชที่ผํานการเจลาทิไนซ์ ที่อุณหภูมิ 121ºC ความดัน 1.1 bar gauge ตัดกิ่ง ที่ 24 และ 48 h กระบวนการเจลาทิไนเซชันที่ 100ºC ความดันบรรยากาศ ตัดกิ่งที่ 24 h ให๎ คํ า ก าลั งการพองตั วและการละลายไมํ ตํ า งกั นอยํ า งมี นัยสาคัญ

121ºC ความดัน 1.1 bar gauge แตํปริมาณของ SDS และ RS ไมํตํางกันอยํางมีนัยสาคัญ

ระ เท ศไ

ขัดขวางไมํให๎มีการจัดเรียงตัวเป็นผลึกที่เป็นระเบียบ ดังนั้นสตาร์ช ชนิดนี้จึงไมํมีความแข็งแรง และขาดเสถียรภาพทางความร๎อน นั่นคือ เมื่อนาไปต๎มผลึกสตาร์ชจะถูกทาลายไปอยํางรวดเร็ว สํวนสตาร์ช ที่ได๎จากกระบวนการเจลาทิไนซ์ ตามด๎วยการตัดกิ่งสายโซํอะไมโล เพกทิน การรวมตัวเป็นผลึกใหมํนั้นจะเป็นระเบียบ และมีการอัดตัว กันแนํ นมากกวําสตาร์ชที่ได๎จากการคืนตั วของเจลสตาร์ชที่ไมํถู ก ตั ดกิ่ ง เนื่ องจากไมํ มี กิ่ งก๎ านมาขั ดขวางการจั ดเรี ยงตั วท าให๎ มี เสถียรภาพทางความร๎อนมากกวําสตาร์ชชนิดดังกลําว สตาร์ชที่ผําน การเจลาทิไนซ์ที่อุณหภูมิ 121ºC ความดัน 1.1 bar gauge ตัดกิ่งที่ 24 และ 48 h ให๎คํากาลังพองตัวและการละลายไมํตํางกันอยํางมี นัยสาคัญ

4 สรุป จากการทดลองสรุปได๎วําการตัดกิ่งของสายโซํโมเลกุลอะไมโล เพกทินสามารถเพิ่มปริมาณของ RS และลดปริมาณของ RDS, SDS, ก าลั งการพองตั ว และร๎ อ ยละการละลายได๎ อ ยํ า งมี นั ย ส าคั ญ (p ≤ 0.05) เมื่อพิจารณาถึงระยะเวลาในการตัดกิ่งสายโซํโมเลกุล สตาร์ชนาน 24 h และ 48 h พบวําระยะเวลาการตัดกิ่งทั้งสอง ให๎ ปริมาณ RDS, SDS, RS, กาลังการพองตัว และร๎อยละการละลายไมํ แตกตํ างกั นอยํ างมี นั ยส าคั ญ สํ วนผลของสภาวะในกระบวนการ เจลาทิไนเซชันตํอปริมาณของ RS (ตัดกิ่งสายโซํโมเลกุลสตาร์ชที่ 24 h) พบวําการเจลาทิไนซ์ที่อุณหภูมิ 100ºC ความดันบรรยากาศ ให๎ปริมาณ RDS มากกวําสตาร์ชที่ผํานการเจลาทิไนซ์ที่อุณหภูมิ

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 40-46

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

ระ เท ศไ

ทย

Jiranuntakul, W., Puttanlek, Ch., Rungsardthong, V., Puncha-amon, S., Uttapap, D. 2012. Amylopectin structure of heat-moisture treated starches. Starch/Stärke, 64, 470 – 480. Leeman, A.M., Karlsson, M.E., Eliasson, A.C., Bjorck, I.M. E. 2006. Resistant starch formation in temperature treated potato starches varying in amylase/ amylopectin ratio. Journal of Carbohydrate Polymers, 65, 306 – 313. Lehmann, U., Jacobasch, G., Schmiedl, D. 2002. Characterization of resistant starch type III from banana (Musa acuminate). Journal Agriculture and Food Chemistry, 50, 5536 – 5240. Mahin, E.G., Carr, R.H. 1923. Quantitative agricultural analysis, First ed. McGraw-Hill, N. Y. Miao, M., Jiang, B., Zhang, T. 2009. Effect of pullulanase debranching and recrystallization on structure and digestibility of waxy maize starch. Carbohydrate Polymer, 76, 214 – 221. Peroni-Okita, F.H.G., Simao, R.A., Cardoso, M.B., Soares, C.A., Lajolo, F.M., Cordenunsi, B.R. 2010. In vivo degradation of banana starch: Structural characterization of the degradation process. Carbohydrate Polymers, 81, 291 – 299. Schmiedl, D., Bauerlein, M., Bengs, H., Jacobasch, G. 2000. Production of heat-stable, butyrogenic resistant starch. Journal of Carbohydrate Polymers, 43, 183 – 193. Shamai, K., Binco-Peled, H., Shimoni, E. 2003. Polymorphim of resistant starch type III. Journal of Carbohydrate Polymers, 54, 363 – 369. Zhang, P., Hamaker, B.R. 2010 .Banana starch structure and digestibity. Journal of Carbohydrate Polymers, 87, 1552 – 1558.

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

enzyme digestibility. Carbohydrate Polymers, 81, 385 – 393. Eerlingen, R.C., Crombez, M., Delcour, J.A. 1993. EnzymeResistant Starch. I. Quantitative and Qualitative Influence of Incubation Time and Temperature of Autoclaved Starch on Resistant Starch Formation. Cereal Chemistry Journal, 70, 339 – 344. Eerlingen, R.C., Delcour, J.A. 1995. Formation, Analysis, Structure and Properties of Type III Enzyme Resistant Starch. Journal of Cereal Science, 22, 129 – 138. Eliasson, C.A. 2004. Starch in food Structure, function and applications. Woodhead Publishing Limited, England, 264 – 270. Escarpa, A., Gonzalez, M.C., Manas, E., Garcia-Diz, L., Saura-Calixto, F. 1996. Resistant Starch Formation: Standardization of a High-Pressure Autoclave Process. Journal of Agriculture and Food Chemistry, 44, 924 – 928. Faraj, A., Vasanthan, T., Hoover, R. 2004. The effect of extrusion cooking on resistant starch formation in waxy and regular barley flours. Food research International, 37, 517 – 525. Fuentes-Zaragoza, E., Riquelme-Navarrete, M.J., SanchezZapata, E., Perez-Alvarez, J.A. 2010. Resistant starch as functional ingradient: A review. Food Research International, 43, 931 – 942. Gonzalez-Solo, R.A., Mora-Escobedo, R., HernandezSanchez, H., Sanchez-Rivera, M., Bello-Perez, L.A. 2007. The influence of time and storage temperature on resistant starch formation from autoclaved debranched banana starch. Food Research International, 40, 304 – 310. Haralampu, S.G. 2000. Resistant starch – a review of the physical properties and biological impact of RS3. Carbohydrate polymers, 41, 285 – 292.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 47-59

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557) 47-59 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

การพัฒนาระบบถ่ายภาพทางอากาศระยะไกลแบบติดตั้งบนเฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุสาหรับการเฝ้าระวังการระบาด ของโรคพืชในพื้นที่ปลูกพืชมันสาปะหลัง Development of Image Data Acquisition System with Unmanned Radio Controlled HelicopterMounted Low-Altitude Remote Sensing (LARS) Platform for Disease Infestation Monitoring in Cassava Plantation เกรียงไกร แซมสีม่วง1*, เกียรติศักดิ์ แสงประดิษฐ์2 Grianggai Samseemoung1*, Kriattisak Sangpradit2 1,2

ทย

สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องจักรกลเกษตร ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี, ปทุมธานี, 12110 Agricultural machinery engineering, Agricultural engineering, Faculty of engineering, Rajamangala university of technology thanyaburi (RMUTT), Pathumthani, 12110 * Corresponding author: Tel: +6 6 -8 -9641-7532 or +6 6 -8 -2798-8098, Fax: +6 6 -2-549-3581, E-mail: kkriankkai@hotmail.com or grianggai.s@en.rmutt.ac.th

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

1,2

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

บทคัดย่อ ระบบถํายภาพทางอากาศควบคุมระยะไกล ติดตั้งบนเฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุที่พัฒนาขึ้น สามารถถํายภาพมุมสูงที่คมชัด ทันตํอ เหตุการณ์ เหมาะสมที่จะตรวจวัด ประเมินผลการระบาดของโรคพืชเพื่อป้องกันผลผลิตลดต่าลงได๎เป็นอยํางดี ข๎อมูลจากความสูง 10-30 m จะถูกประมวลผลด๎วยโปรแกรมที่ออกแบบไว๎ในโปรแกรม MATLAB โดยกล๎องสามารถบันทึกคําการสะท๎อนแสงแบบใกล๎ชํวงคลื่นอินฟราเรดที่ 800 nm และแบบชํวงคลื่นสีแดงที่ 650 nm สํงผลให๎การจาแนกต๎นมันสาปะหลังที่สมบูรณ์กับที่เป็นโรค และการระบุตาแหนํงของโรคพืชนั้น สามารถทาได๎อยํางแมํนยา จากนั้นจึงเปรียบเทียบผลกับเครื่องมือวัดมาตรฐาน และทาการวิเคราะห์ทางสถิติ พบวําคําสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ ระหวํางคําดัชนีพืชพรรณของมันสาปะหลังที่อายุตํางกันทั้งสมบูรณ์และเกิดโรค กับระดับความสูงที่ 10-30 m นั้น มีแนวโน๎มลดลง เมื่อระดับ ความสูงมากขึ้นอยูํในชํวง 0.978-0.988 และคําสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ระหวํางคําดัชนีพืชพรรณแบบคํา NDVI และแบบคํา GNDVI ที่ได๎จาก ระบบกับระดับคําคลอโรฟิลล์จากเครื่องมือวัดมาตรฐานมีแนวโน๎มคําเพิ่มสูงขึ้นของพืชมันสาปะหลังอายุ 3 เดือน แบบสมบูรณ์ และเกิดโรค อยูํในชํวง 0.780-0.954 และ 0.877-0.930 และพืชมันสาปะหลังอายุ 6 เดือน แบบสมบูรณ์ และเกิดโรค อยูํในชํวง 0.860-0.931 และ 0.725-0.907 ตามลาดับ และพบวําโปรแกรมประมวลผลภาพถําย มีคุณภาพที่สามารถยอมรับได๎เมื่อสอบเทียบกับการตรวจวัดด๎วยคน คาสาคัญ: ระบบถํายภาพมุมสูงควบคุมระยะไกล, การประมวลผลภาพถํายดิจิตอล, ดัชนีพืชพรรณ, กล๎องถํายภาพดิจิตอล, กล๎องถํายภาพใกล๎ ชํวงคลื่นอินฟราเรด Abstract The developed unmanned radio controlled helicopter mounted with RGB and NIR band digital cameras can offer near real-time results upon user demand for timely detection of disease infections in cassava plantation which is extremely important for controlling the spread of disease and preventing crop productivity losses. This system is capable of acquiring images at altitudes ranging from 10 to 30 m, and the acquired LARS images were processed to estimate vegetative-indices with MATLAB program (Red=650 nm and NIR=800 nm band center) and thereby detecting diseases in both young and mature cassava plants. Good correlations and clear data clusters were obtained in characteristic plots of NDVI and various altitude levels, by which infested plants were discriminated from healthy plants in both young and mature crops. The correlation coefficients (R2) were in an acceptable range (0.978-0.988). Furthermore, good correlations 47

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 47-59 were obtained in characteristic plots of NDVI and GNDVI against chlorophyll content, the chlorophyll content values (mol m-2) according to t-test showed notable differences among clusters for healthy young (R2=0.780-0.954), for infested young (R2=0.877-0.930), for healthy mature (R2=0.860-0.931), and for infested mature (R2=0.725-0.907) cassava plantation, respectively. The vegetation indices based on LARS images processed, provided satisfactory results comparing with a manual measurement. Keywords: Image data acquisition system, Digital image processing, NDVI, RGB-camera, NIR-camera

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

ระ เท ศไ

ทย

ผู๎เพาะปลูกได๎โดยตรง จากประเด็นการลดต๎นทุนการผลิตเพื่อเพิ่ม กาไรแกํเกษตรกรผู๎ผลิตดังกลําว งานวิ จั ย นี้ จึ ง มี วั ต ถุ ป ระสงค์ เ พื่ อ เสนอวิ ธี ก ารประยุ ก ต์ ใ ช๎ เทคโนโลยีความแมํนยาทางการเกษตร เพื่อเข๎ามาชํวยพัฒนาระบบ การจัดการ และการบารุงรั กษา โดยมุํงเป้าหมายไปยังการบริหาร จัดการ การให๎ปุ๋ย และการตรวจวัดเฝ้าระวังการระบาดของโรคพืชใน พื้นที่ปลูก (Samseemoung et al., 2010) โรคใบไหม๎ (Cassava Bacterial Blight: CBB) ที่เกิดจากเชื้อแบคทีเรีย Xanthomonas axonopodis pv. Manihotis, โรคใบจุดสีน้าตาล (Brown Leaf Spot) ที่เกิดจากเชื้อรา Cercosporidium henningsii, โรคยอดพุํมที่ เกิดจากเชื้อไฟโตพลาสมาหรือโรคพุํมแจ๎ มันสาปะหลัง (Phyllody) และโรคแอนแทรคโนส (Cassava Anthracnose Disease, CAD) ที่ เ กิ ด จากเชื้ อ รา Colletotrichum gloeosporioides f. sp. Manihotis เหลํานี้นั้น สามารถที่จะระบุตาแหนํงบริเวณที่เกิดโรค ซึ่งจะเกี่ยวข๎องโดยตรงในด๎านของการลดต๎นทุนการผลิต การป้องกัน ความเสียหายแบบทันทํวงที (Swain et al., 2007) และสุดท๎ายแล๎ว เป็นการเพิ่มผลผลิตของหัวมันสาปะหลังสดตํอไรํ ให๎มีปริมาณสูงขึ้น จึ งได๎ ท าการออกแบบและสร๎ างระบบถํ ายภาพทางอากาศมุ มสู ง ควบคุ ม ระยะไกล แบบติ ด ตั้ ง บนเฮลิ ค อปเตอร์ บั ง คั บ วิ ท ยุ ที่ประกอบด๎ วยกล๎ องถํ ายภาพดิ จิตอลแบบ Near-Infrared bands และแบบ RGB bands ซึ่งมีราคาที่ถูกกวํา (Samseemoung et al., 2011) โดยที่ตั วกล๎ องจะติ ดตั้ งระบบกดชั ตเตอร์ ภาพแบบควบคุ ม ระยะไกล ด๎วยรีโมทแบบคลื่นสัญญาณความถี่ 72 MHz ขึ้นมา โดย ข๎ อ มู ล ภาพถํ า ยที่ ไ ด๎ จ ะถู ก ประมวลผลเพื่ อ ตรวจวั ด อั ต ราการ เจริญเติบโตของพืช ความหนาแนํน และบริเวณที่เสี่ยงตํอการระบาด ของโรคพืช ด๎วยโปรแกรมประมวลผลภาพถํายที่ออกแบบไว๎ (IPAS) โดยใช๎คาสั่งในโปรแกรม MATLAB จากนั้นจึงทาการเปรียบเทียบ คุณภาพของข๎อมูลภาพถํายมุมสูงที่ได๎จากกล๎องทั้งสองชนิด ที่ระดับ ความสู ง และอั ตราการเจริ ญเติ บโตหลั งจากพื ชงอกแตกตํ างกั น ตามลาดับ โดยมีวัตถุประสงค์ของงานวิจัย ดังนี้ 1. ทาการออกแบบ และสร๎างระบบถํายภาพทางอากาศมุมสูง แบบติดตั้งบนเฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุ ที่สามารถบินถํายภาพเหนือ แปลงปลูกมันสาปะหลัง ที่ระยะความสูง 10-30 m พร๎อมทั้งระบบ กดชัตเตอร์ถํายภาพได๎ในระยะไกล โดยที่เฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุนั้น

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

1 บทนา มันสาปะหลังเป็นพืชเศรษฐกิจที่สาคัญชนิดหนึ่งของประเทศไทย โดยในปัจจุ บันนั้ นประเทศไทยเป็นประเทศผู๎ ผลิ ต และสํงออกมั น สาปะหลังเป็นอันดับ 1 ของโลก มีปริมาณผลผลิตแปรรูปรวม 7.27 ล๎ านตั น คิ ดเป็ นมู ลคํ ากวํ า 2,153 ล๎ านเหรี ยญสหรั ฐ โดยที่ ความ ต๎องการผลผลิตมันสาปะหลังทั้งภายในประเทศ และตลาดโลก ยังคง มีแนวโน๎มเพิ่มสูงขึ้นอยํางตํอเนื่อง มูลคําการสํงออกมันสาปะหลัง ของไทยในปี พ.ศ. 2550-2555 เพิ่มขึ้นถึง 18.8% และมีแนวโน๎มเพิ่ม สูงยิ่งขึ้นอยํางตํอเนื่อง อยํางไรก็ตามในการศึกษาปริมาณการสํงออก ผลผลิตมันสาปะหลังในรายไตรมาสกลับพบวํามีความผันผวนสูง อัน เนื่องมาจากการระบาดของโรคพืช ผลกระทบเนื่องจากความผันแปร ของสภาวะอากาศโลก และฤดูกาลเข๎ามามีสํวนเกี่ยวข๎อง ข๎อมูลที่ได๎ จากการศึกษาดังกลําวพบวํา ผลผลิตหัวมันสาปะหลังสดจากปริมาณ การผลิต 27.76 ล๎านตัน ในเนื้อที่เพาะปลูก 7.78 ล๎านไรํ มีคําที่ลดลง คิดเป็นร๎อยละ 9.93 เพื่อตอบสนองตํอความต๎องการผลผลิตที่เพิ่ม มากขึ้น จึงมีความจาเป็นอยํางยิ่งที่จะต๎องสํงเสริมให๎เกษตรกรได๎มี การนาเทคโนโลยีและเทคนิคสมัยใหมํ เข๎ามาชํวยในการเพิ่มผลผลิต หั วมั นส าปะหลั งสดตํ อไรํ (ส านั กงานสถิ ติ แหํ งชาติ (สสช.) สถิ ติ การเกษตร. 2551) ทั้งนี้หนํวยงานภาครัฐที่เกี่ยวข๎องหลายหนํวยงาน ได๎สํ งเสริ มให๎เกษตรกรประยุ กต์ ใช๎ เทคนิคในการชํ วยเพิ่มผลผลิ ต หลายวิธีการด๎วยกัน อาทิเชํน เทคนิคในการเลือกใช๎มันสาปะหลัง พันธุ์ดีที่มีความเหมาะสมกับสภาพพื้นที่ปลูก เทคนิคในการเลือกใช๎ ต๎นพั นธุ์ที่สมบู รณ์ เทคนิคในการปรั บปรุงโครงสร๎ างดิน และการ บารุงดินในพื้นที่ปลูก เทคนิคการให๎น้าในพื้นที่ปลูก และเทคนิคที่ สาคัญในการเพิ่มผลผลิตประการหนึ่งที่สํงผลโดยตรงตํอต๎นทุนการ ผลิต ก็คือการใช๎ ปุ๋ยเคมี โดยการใช๎อยํางถูกต๎อง และในปริมาณที่ เหมาะสมเพียงพอตํอความต๎องการใช๎จริงของต๎นมันสาปะหลังในแตํ ละจุ ดของพื้ นที่ รํ วมกั บการเฝ้ าระวั งการระบาดของโรคพื ชนั้ น จะสามารถชํวยลดต๎นทุนการผลิตลงได๎โดยตรง โดยที่ราคาหัวมัน สาปะหลังสดในตลาดอาจมีความผันผวนตามที่ได๎กลําวถึงข๎างต๎นก็ ตาม หากแตํเกษตรกรสามารถควบคุม และลดต๎นทุนการผลิตลงได๎ แล๎ ว ก็ ยํ อมจะเป็ นอี กแนวทางหนึ่ งในการเพิ่ มก าไรตํ อเกษตรกร

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 47-59 ดัชนีพืชพรรณ โดยจะแยกเอาข๎อมูลวั ตถุที่สนใจออกจากภาพพื้ น หลัง Background และยังสามารถทาการประมวลผลวัตถุที่สนใจใน ภาพถํายออกมาเป็นคําเปอร์เซ็นต์ความหนาแนํนของวัตถุตํอพื้นที่ได๎ อีกด๎วย 3. ทาการจัดทาแผนที่ประยุกต์ทางการเกษตร ที่สอดคล๎องกับ ระบบที่จะพัฒนา และข๎อมูลที่จดบันทึกจากข๎อ 1 และ 2 ตามลาดับ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการบริหารจัดการการใช๎ปุ๋ยเคมี และลดความ เสียหายที่เกิดจากการระบาดของโรคพืชแบบทันทํวงที

Wireless Altitude Sensor (Seagull) & Illumination Sensor (SKR 1800)

Garmin Etrex GPS-Reciever (USA)

วก

รร

RGB and NIR-Cameras with Wireless Trigger Control

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

Low-Altitude Remote Sensing with Unmanned Radio Controlled Helicopter-attached

ทย

จะมี อุ ปกรณ์ เซนเซอร์ วั ดความสู งแบบระบบดิ จิ ตอล ที่ สามารถ ควบคุมความสูงในการบินได๎ที่ระดับภาคพื้นดิน โดยระบบถํายภาพ ทางอากาศมุ มสู งนี้ จะท าการถํ ายภาพในแนวตั้ งฉากกั บพื้ นโลก เพื่อการได๎มาซึ่งข๎อมูลที่ใกล๎เคียงกับความเป็นจริงมากที่สุด ป้องกัน ปัญหาการซ๎อนทับกันของวัตถุในภาพถํายที่เกิดจากแสงตกกระทบ ข๎อมูลภาพถํายที่ได๎จากระบบจะถูกบันทึกเก็บไว๎ในหนํวยความจา ของกล๎องถํายภาพ 2. ท าการออกแบบ และพั ฒนาระบบซอฟท์ แวร์ ประมวลผล ภาพถํายทางอากาศ ที่สามารถทาการวิเคราะห์ภาพถําย หาคําของ

Grid Soil Sampling for soil collection and Grid Point Coordinates

สม

าค ม

วิศ

Low altitude image data with RGB and NearInfrared bands and Grid Point Coordinate

Image Processing Technique (Segmentation by Image Processing Analysis Software)

Soil sampling analysis/NDVI/GNDVI/Chlorophyll content for healthy and infected cassava

GIS application mapping

Figure 1 Instrumentation and overall procedural configuration. Low-altitude remote sensing image data acquisition system in cassava plantation.

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 47-59

2 อุปกรณ์และวิธีการ

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

typical Velocity: 0.05 meter/sec steady state) และชุดอุปกรณ์ วัดความเข๎มแสงสวําง (Two channels, band center of 660 nm and 730 nm, SKR 1800, Skye Instruments Ltd., UK) ที่มี sensor type: cosine corrected head, Absolute calibration error: <3%, Detector: GaAsP Photocells, Response time: 10 ns เป็นต๎น ในสํวนของพิกัดที่มีการบิดเบือนไปของภาพถํายมุมสูงที่ได๎จาก ระบบนั้ น จะมี สาเหตุ มาจากคํามุมดั งตํอไปนี้ (Samseemoung et al., 2012) 1) มุมพิตช์ (Pitch angle, ) โดยเป็นคํามุมที่คิดจากระบบ หมุนรอบแกน x มีคําตั้งแตํ 0 ถึง ±90 2) มุมโรล (Roll angle, ) โดยเป็นคํามุมที่คิดจากระบบ หมุนรอบแกน y มีคําตั้งแตํ 0 ถึง ±180 3) มุมยอว์ (Yaw angle, ) โดยเป็นคํามุมที่คิดจากระบบ หมุนรอบแกน z มีคําตั้งแตํ 0 ถึง ±180 มุมที่สร๎างปัญหาการบิดเบือนของภาพถํายมุมสูงมากที่สุดได๎แกํ มุมยอว์ (Yaw angle, ) เมื่ อน าข๎ อมู ลที่ ได๎ จากภาพถํ ายมาสร๎ าง เป็นแผนที่ทางการเกษตร จะใช๎ระบบพิกัดแกนรวมใหญํแทนพิกัด แกนยํ อ ย โดยจะท าการแปลงคํ า พิ กั ด ละติ จู ด และลองติ จู ด ในทิศทางเดียวกับระบบ ดังแสดงใน Figure 2 โดยจะมีอุปกรณ์ digital compass (C-100, KVH, USA) บั น ทึ ก ทิ ศ ทางในแนวทิ ศ เหนือ (0-360) เมื่อระบบทาการถํายภาพมุมสูง และมีอุปกรณ์ IMU (Inertial Measurement Units) sensor VG-400 ทาการบันทึกคํา มุม roll และมุม pitch อีกด๎วย โดยอุปกรณ์เหลํานี้จะถูกติดตั้งขึ้นไป บนเฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุด๎วย

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

2.1 การออกแบบ และสร้างระบบถ่ายภาพทางอากาศระยะไกล แบบติดตั้งบนเฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุ ทาการสร๎างระบบถํายภาพทางอากาศระยะไกล แบบติดตั้งบน เฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุขึ้น โดยการทางานของกล๎องนั้นจะควบคุม การกดชัตเตอร์ที่พื้นดินด๎านลํางแบบควบคุมระยะไกล ด๎วยรีโมท แบบคลื่ นสั ญญาณความถี่ 72 MHz ที่ มี ระยะควบคุ มการท างาน 400 m ขึ้นมา โดยระบบนี้จะติดตั้งอยูํบนเฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุ ที่สามารถบินถํายภาพเหนือแปลงปลูกมันสาปะหลัง ที่ระยะความสูง 10-30 m เพื่อทาการถํายภาพมุมสูง รายละเอียดสํวนประกอบของ ระบบถํายภาพมุมสูงควบคุมระยะไกลแบบบนเฮลิคอปเตอร์บังคับ วิทยุ ดัง Figure 1 จะประกอบด๎วยกล๎องดิจิตอลแบบธรรมดา (True color (R-G-B) digital camera photography EOS 1000D (Canon Co. Ltd.) ที่มี image size resolution: 1280x1024 (10.1 Mpixels), Lens: 18 mm) กล๎องดิจิตอลแบบถํายภาพในชํวงคลื่น ใ ก ล๎ อิ น ฟ ร า เ ร ด (Color-infrared (CIR) digital (G-R-NIR) photography (ADC Tetracam Inc.) ที่มี image size resolution: 1280x1024 (1.3 Mpixels), Lens: 8.5 mm) ชุดรีโมทควบคุมการ กดชัตเตอร์ภาพระยะไกล (Wireless trigger control (Jelsoft Enterprises Ltd.)) ชุดอุปกรณ์วัดระดับความสูง (Altitude sensor (Seagull Wireless Dashboard Flight System FCC 900 MHz version; Jelsoft Enterprises Ltd.) ที่มี System accuracy: 1 foot) อุปกรณ์วัดพิกัดตาแหนํงบนพื้นผิวโลก (Global Positioning System, GPS ที่มี GPS accuracy: Position: < 15 meters, 95%

ระ เท ศไ

ทย

Figure 2 Unmanned radio-controlled helicopter platform. Positioning transformation from local image coordinate to global coordinate.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 47-59  x,  การแปลงคําพิกัดแกนรวมใหญํนี้จะทาการคานวณคํามุม (, ,  x  ,   ) ออกมาในรูปแบบของระบบเมทริกซ์ (Mi) ดังแสดงในสมการที่ 1  y   M 1  M 1   y   z,  และใน Figure 2 แสดงวิธีการหาคําจุดศูนย์กลางของพิกัดแกนรวม  z    (4) ใหญํ P(X, Y, Z) ซึ่งสามารถทาได๎โดยจะต๎องทราบคําจุดอ๎างอิงที่ พื้นผิวโลกหรือคําพิกัด Ground coordinate, P(Xi, Yi, Zi) และระยะ หรือวําเป็น ความสูงจากพิกัดอ๎างอิงถึงระบบถํายภาพ z กํอน จากนั้นกาหนดให๎ จุดกึ่งกลางของเลนส์กล๎องบนเฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุมีคําพิกัดเป็น  x,   Cos 0  Sin  1 0 0   x  ,    P(x, y, z) จากพิ กั ดจุ ดอ๎ างอิ งที่ พื้ นผิ วโลกหรื อคํ าพิ กั ด Ground  y    0 1 0   0 Cos Sin    y  , coordinate, P(Xi, Yi, Zi) จะได๎จุดพิกัดกึ่งกลางของภาพถํายมุมสูงที่  z   Sin 0 Cos  0  Sin Cos   z  แปลงแล๎วเป็น P(x’, y’, z’) จากคําพิกัดนี้เมื่อแก๎สมการเมทริกซ์ ออกมา ก็จะทราบคําจุดศูนย์กลางของพิกัดแกนรวมใหญํ P(X, Y, Z) นาคําที่ได๎จากด๎านบนไปแทนในรูปของสมการที่ 3 จะได๎ ดังรายละเอียดแสดงด๎านลํางนี้  X   xCos  ySin Sin  zSinCos   X  i

ทย

0 0 1

ระ เท ศไ

 0

 Sin Cos 0

ดังนั้นผลลัพธ์ของคําพิกัดแกนรวมใหญํที่ได๎จะเป็นดังนี้

 Cos 0  Sin  M 1     0 1 0   Sin 0 Cos  0  Sin  Cos 

(2)

สม

าค ม

วิศ

x   x  ,    y   M  ,  ,   y   z,   z    ,

(1)

วก

รร

0 1  M 1    0 Cos 0  Sin

, X  x  Xi  Y    y,    Y       i  Z   z ,   Z i 

X  xCos  ySinSin  zSinCos  X i

(5)

Y  yCos  zSin  Yi

(6)

Z   xSin   yCosSin  zCosCos  Z i

(7)

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

Cos

M 1     Sin

Y      Y  yCos  zSin      i  Z   xSin   yCosSin  zCosCos   Z i 

ดังนั้นแล๎วคําจุดกึ่งกลางของพิกัดแกนรวมใหญํ P(X, Y, Z) ที่ คานวณได๎ ดังสมการที่ 5, 6 และ 7 จะถูกใช๎เป็นจุดอ๎างอิงของ ภาพถํายมุ มสู งเมื่อเข๎าสูํกระบวนการประมวลผลภาพถํายตํ อไป และพิกัดแกน Z หรือความสูงนั้นจะไมํใช๎ 2.2 การออกแบบพัฒนาระบบซอฟท์แวร์ประมวลผลภาพถ่ายทาง อากาศมุมสูง และการประเมินผลพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้อง

2.2.1 การออกแบบ และพั ฒนาระบบซอฟท์ แวร์ ประมวลผล ภาพถ่ายทางอากาศมุมสูง ระบบโปรแกรมที่พัฒนาจะทาการดึงข๎อมูลภาพจากดาต๎าเบส จากสมการที่ 2 จะได๎วํา (Database) โดยที่ผู๎ใช๎สามารถที่จะทาการ เลือกข๎อมูลภาพได๎ โดยที่ ตัวโปรแกรมจะทาการตรวจสอบจานวนพืชโดยวิธีการแบํงพื้นที่  x,   x  ,   ออกเป็นสํวนยํอยๆ (Sub image) แล๎วทาการตรวจจับสีของวัตถุที่  y   M 1  M 1  M 1   y  , z  สนใจเพื่อหาจานวนตํอพื้นที่ โดยขั้นตอนการประมวลผลภาพในการ  z    ตรวจจั บ สี เขี ยวของพื ชเพื่ อหาจ านวนตํ อ พื้ นที่ นั้ น ดั งแสดงใน ในแนวทิศทางแกน z นั่นคือ M1() นั้นจะไมํนามาคิดเนื่องจาก Figure 3 ความสามารถของโปรแกรม 1) โปรแกรมสามารถดึงข๎อมูล เป็นมุมยอว์ที่เกิดการหมุนในแนวความสูง ดังนั้นจะได๎ จากดาต๎าเบสมาเพื่อแสดงผลออกทางหน๎าตํางของโปรแกรม และทา การประมวลผลภาพ ดังแสดงใน Figure 4 รวมถึงการแสดงผลออก (3)

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 47-59 ทางหน๎าตํางของโปรแกรม เพื่อแจ๎งให๎ระบบทราบถึงข๎อมูลสีเขียว ของพืชที่ทาการตรวจจับ 2) โปรแกรมจะต๎องสามารถทาการเปลี่ยน แมํแบบสี จากภาพสีเป็นภาพโทนขาวดาได๎ 3) โปรแกรมจะต๎ องมี ความสามารถในการท าการบั นทึ กข๎ อมู ลรู ปภาพที่ กระท าการ ประมวลผลแล๎วลงฮาร์ดดิสก์ได๎ (Gray image, Bimodal image) ดังแสดงใน Figure 5 START Load NIR image

END

Convert Grey scale image

Convert HSV color space YES

YES

Is it HSV?

Is it

Otsu’s Threshold

Grey? NO

Count Interest Pixels

NIR image processing

RGB image processing 1

2.2.2 การประเมินผลพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้อง ด้วยค่าดัชนีพืช พรรณ และค่าคลอโรฟิลล์ คํ า ดั ช นี พื ช พรรณ (Normalized difference vegetation index, NDVI) คือคําดัชนีการสะท๎อนแสง นิยมนามาใช๎ในงานวิจัย ทางการเกษตรทั่วไป (Samseemoung et al., 2011) สามารถหาคํา ได๎จากสมการที่ 8 ด๎านลํางนี้

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

Segment Color

Figure 5 GUI output windows. Image processing analysis software (IPAS) in terms of disease infestation monitoring.

ทย

Load RGB image

ระ เท ศไ

START

Figure 3 Image processing technique. Flowchart of the image processing analysis software (IPAS).

(8)

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

โดยที่ NIR หมายถึง คําการสะท๎อนแสงในชํวงคลื่นใกล๎อินฟราเรด 800 nm และ R หมายถึง คําการสะท๎อนแสงในชํวงคลื่นสีแดง 650 nm คําคลอโรฟิลล์ (Chlorophyll content, Chl (mol m-2)) ดังแสดงในสมการที่ 9 (Jayasuriya et al., 2012) จะใช๎พิจารณาถึง ความสัมพันธ์กันของพืชมันสาปะหลังที่เกิดโรค โดยที่พืชที่เริ่มเกิด โรคจะมี คํ าการสะท๎ อนแสงที่ ใบลดลงและมี คํ าความเข๎ มข๎ นของ คลอโรฟิลล์ที่ต่า โดยอุปกรณ์ที่ใช๎ทาการวัดคํานี้คือ Minolta SPAD 502 Meter, Spectrum Technology Inc., USA ที่มี Measure Figure 4 Detail of the program. The image processing sample: crop leaves, Measure system: optical density analysis software (IPAS) window. difference, Measure area: 2x3 mm และ Accuracy: within +/- 1.0 SPAD unit reading ดังแสดงใน Figure 9(c) ด๎านบน (9) โดยที่ คํา M จะหมายถึง ปริมาณคลอโรฟิลล์ของใบพืชที่เครื่องวัด อํานได๎ จะเป็นตัวเลขดิจิตอล และคํา Chl หมายถึง ปริมาณความ เข๎มข๎นของคําคลอโรฟิลล์ (มีหนํวยเป็น mol m-2) คําของ Green normalized difference vegetation index (GNDVI) ที่ใช๎ในงานวิจัยนี้จะหมายถึง คําคลอโรฟิลล์ ที่หามาจากคํา 52

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 47-59

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

การสะท๎อนแสงที่ใบพืช เมื่อพืชนั้นมีอายุการเจริญเติบโตไมํเทํากัน 2.4 การเตรียมแปลงทดสอบ สามารถคานวณได๎ดังสมการที่ 10 (Samseemoung et al., 2011) แปลงทดสอบนี้ ตั้ ง อยูํ ที่ พิ กั ด (Latitude 14.14ºN) และ (Longitude 101.48ºE) ในต าบลโนนห๎ อ ม อ าเภอประจั น ตคาม (10) จั งหวั ดปราจี นบุ รี โดยแปลงทดสอบนี้ จะปลู กเป็ นพื้ นที่ ทั้ งหมด 40x40 m2 ลักษณะเป็นพื้นที่ราบไมํต๎องยกรํอง พันธุ์ที่ใช๎ปลูกเป็น โดยที่ NIR จะหมายถึง คําการสะท๎อนแสงในชํวงคลื่นใกล๎อินฟราเรด มั นส าปะหลั งระยอง 5 โดยมี ระยะปลู กระหวํ างแถวประมาณ 800 nm และ G หมายถึง คําการสะท๎อนแสงในชํวงคลื่นสีเขียว 80-100 cm และระยะระหวํางต๎น 80-100 cm ตํอจากนั้นทาการ 550 nm แบํงพื้นที่ออกเป็น ตารางสี่เหลี่ยม โดยมีระยะหําง 5x5 m2 ดังแสดง 2.2.3 การประเมินผลพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้อง ด้วยค่าดัชนีพืช ใน Figure 7 โดยใสํปุ๋ยสูตร 15-15-15 หรือสูตร 16-8-16 ในอัตรา 50-100 กิโลกรัมตํอไรํ โดยจะแบํงใสํ 2 ครั้งๆ ละเทําๆ กัน ในครั้ง พรรณ และค่าการบดอัดตัวของดิน การวัดคําการบดอัดตัวของดินนั้น จะใช๎เครื่องมือเซนเซอร์ SC แรกให๎ใสํปุ๋ยหลังจากปลูกไปแล๎ว 1 เดือน ครั้งที่ 2 ใสํปุ๋ยเมื่อมีอายุ 900 soil compaction meter of Spectrum® Technologies, ได๎ 3 เดือน หลังจากนั้นปลํอยให๎เจริญเติบโตและเกิดโรคระบาดตาม Inc., USA. ดังแสดงใน Figure 9(c) ด๎านลําง โดยสามารถนามาใช๎วัด ธรรมชาติ โดยคุณสมบัติทั้งทางเคมีและทางกายภาพของดินในแปลง คําการบดอัดตัวดิน ซึ่งลักษณะของดินที่มีการบดอัดตัวสูง ชั้นดินจะ ทดสอบนั้น ข๎อมูลทั้งหมดแสดงไว๎ดัง Table 1 มีการป้องกันการแทรกซึมของน้าและลดอัตราการดูดซึมปุ๋ยลง สํงผล Table 1 Physical and chemical properties of soil in cassava กระทบตํอการเจริญเติบโตของรากพืช ในบางกรณีเครื่องมือสามารถ crop plantation. อํานความลึกของดินจะถูกกาหนดโดยความลึกของเสียงเซ็นเซอร์ คํา Soil Depth (cm) 0-25 ดัชนีกรวยจะวั ดจากโหลดเซลล์เซ็นเซอร์ และสามารถแสดงคําใน pH levels 5.5 หนํวยของ psi หรือ kPa Soil Texture Sand (%) 40 2.3 การสอบเทียบข้อมูลที่ได้จากระบบที่ออกแบบไว้กับข้อมูลที่ (Clay) Silt (%) 15 เก็บได้จากการตรวจวัดด้วยคน Clay (%) 45 สาหรับการสอบเทียบการประมวลผลภาพถําย จะมีวิธีการสอบ Organic Matter (%) 1.59 เทียบที่จะกระทาได๎โดยการกาหนดพื้นที่ขนาด 1 m2 จากนั้นทาการ Particle Density (g/cm3) 2.57 โปรยชิ้นไม๎ที่ทาสีแดง ขนาด 1 นิ้ว x 1 นิ้ว เอาไว๎ (เนื่องจากเป็นคําสี Bulk Density (g/cm3) 1.39 ที่ประมวลผลภาพถํายออกมาชัดเจนที่สุด) จานวนหนึ่งร๎อยชิ้นคิด Moisture Content (%) 20.12 เป็น 100% ดังแสดงใน Figure 6 ทาการทดสอบที่ระดับความสูง แตกตํางกัน 10, 15, และ 20 m และวิธีการที่แตกตํางกัน ได๎แกํ ข๎ อ มู ล ภาพถํ า ยจากกล๎ อ งถํ า ยภาพดิ จิ ต อลแบบ Near-Infrared bands (NIR-camera) และข๎อมูลภาพถํายที่ได๎จากกล๎องถํายภาพ ดิจิตอลแบบ RGB bands (RGB-camera) (a)

(b)

(c)

Figure 7 Low-altitude unmanned radio-controlled helicopters with image acquisition system. (a) Preparation of instruments, (b) Plant material and site selection at cassava 1 month, (c) Site selection at cassava 5 month Figure 6 Image processing calibration methods. The wood (Lat. 14.14ºN, Long. 101.48ºE). particles in 1 m2 areas at different heights. 53

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 47-59

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

3.1 การสอบเทียบข้อมูลที่ได้จากระบบที่ออกแบบไว้กับข้อมูลที่ เก็บได้จากการตรวจวัดด้วยคน คุ ณภาพที่ สามารถท าการยอมรั บได๎ ของการสอบเที ยบการ ประมวลผลภาพถํายทางอากาศ ที่มีลักษณะที่แตกตํางกันของระดับ ความสูง และชนิดของกล๎องหรือระบบถํายภาพทางอากาศ วิธีการ สอบเทียบสามารถกระทาได๎โดยการกาหนดพื้นที่ขนาด 1 m2 แล๎ว โปรยชิ้ นไม๎ ที่ ทาสี แดงเอาไว๎ จ านวนหนึ่ งร๎ อยชิ้ นคิ ดเป็ น 100% ทาการทดสอบที่ระดับความสูงแตกตํางกันและวิธีการที่แตกตํางกัน ดั ง แสดงใน Figure 8 ซึ่ ง ที่ ร ะดั บ ความสู ง 10 m เมื่ อ ท าการ ประมวลผลข๎อมูลภาพถํายจากกล๎องถํายภาพดิจิตอลแบบ NearInfrared bands (NIR-camera) นั้น พบวํามีจานวนเปอร์เซ็นต์ของ ชิ้นไม๎ที่ตรวจจับได๎สูงที่สุดคือ 87.33% จานวนเปอร์เซ็นต์ของชิ้นไม๎ จากข๎อมูลภาพถํายที่ได๎จากกล๎องถํายภาพดิจิตอลแบบ RGB bands (RGB-camera) พบวํามีคําดังนี้ 76.89% ตํอไปที่ระดับของความสูง 15 และ 20 m พบวําจานวนเปอร์เซ็นต์ของชิ้นไม๎ของ NIR-camera และ RGB-camera ลดลงโดยมีคําเทํากับ 81.53%-83.07% และ 68.56%-73.86% ตามลาดับ ดังนั้นจะพบวําชนิดของระบบตรวจจับ ข๎อมูลแบบ NIR-camera นั้น มีความเหมาะสมคมชัดเป็นอยํางมาก ในการนามาใช๎ที่ทุกระดับความสูง ดังแสดงใน Table 2

ทย

3 ผลและวิจารณ์

Table 2 Artificial test plot for image processing calibration at different altitudes and image data acquisition system. (Average illumination during observations: Red=1650 µmol m-2 s-1 and NIR=1050 µmol m-2 s-1 at 12:00 hrs.) No. of image Altitude levels acquisition (m) system 10 15 20 1. Labor force 100a 100a 100a 2. RGB-camera 76.89b 73.86b 68.56c 3. NIR-camera 87.33d 83.07d 81.53d Means for each characteristic followed by the same column are not significantly different at P<0.05 by Duncan’s Multiple Range test

ระ เท ศไ

2.5 การจัดทาแผนที่ประยุกต์ทางการเกษตร ทาการวิเคราะห์และแปรผลภาพถําย และวัดและรวบรวมข๎อมูล อ๎างอิงภาคพื้นดิน (Ground Truth) ได๎แกํ ข๎อมูลพิกัดตาแหนํงใน พื้ นที่ ที่ ท าการทดสอบ ข๎ อมู ลธาตุ อาหารในพื้ นที่ ข๎ อมู ลลั กษณะ โครงสร๎างของดิน คํ าความเป็ นกรดดํ างของดิน คําความชื้ น และ ตาแหนํงการกระจายตัวของโรคพืชในพื้นที่ โดยในสํวนของการจัดทา ออกมาเป็ นแผนที่ ประยุกต์ทางการเกษตรนั้น จะต๎ องท าการแบํ ง พื้นที่ออกเป็นจุด โดยมีระยะหํางแตํละจุดนั้นเทํากัน ตํอจากนั้นนา ข๎ อมู ลภาพถํ ายที่ ได๎ จากระบบที่ ออกแบบไว๎ มาประมวลผลเพื่ อ ตรวจวัดหาคําข๎อมูลดังที่กลําวมาแล๎ว พร๎อมกับทาการจดบันทึกคํา พิ กั ดต าแหนํ งของแตํ ละจุ ด ด๎ วย แล๎ วจึ งน าข๎ อมู ลเหลํ านี้ เข๎ า สูํ โปรแกรม ArcView GIS 3.2 จัดทาออกมาเป็นแผนที่ประยุกต์ ทางการเกษตรตํอไป (Swain and Jayasuriya, 2007)

(a)

(b)

(c)

Figure 8 Stages of image data calibration. (a) An image processing calibration, the percentage of wood particles in 1 m2 areas, (b) Raw image from RGB-camera, (c) Raw image from NIR-camera at height of 10, 15 and 20 m, respectively.

Table 3 Practical independence of NDVI values from illumination level from 10:30 hrs (Azimuth angle: 33 degree) to 14:30 hrs (Azimuth angle: 10 degree) recorded with SKR 1800 of Skye Instruments Ltd. Illumination levels NDVI values (µmol m-2 s-1) Experiment Young Mature No. Red NIR cassava cassava (3 months) (6 months) 1 1967 1298 0.639 0.638 2 1852 1214 0.636 0.636 3 1587 978 0.637 0.637 4 1675 988 0.638 0.637 5 1462 867 0.637 0.640

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 47-59 จากข๎อมูลใน Table 3 พบวําระดับของคําดัชนีพืชพรรณของพืช มันสาปะหลังอายุ 3 เดือน และ 6 เดือนที่คานวนได๎จากภาพถํายมุม สูงตามคําการสะท๎อนแสงที่ใบพืชจากระบบออกแบบที่แปรผันตาม คําของระดับความสวํางของแสงตามชํวงเวลา ตั้งแตํเวลา 10:30 น. จนถึ ง เวลา 14:30 น. นั้ น มี คํ า ที่ ค งที่ ไ มํ แ ตกตํ า งกั น มากนั ก นั่ นหมายความวํ าชํ วงเวลาของวั นดั งกลํ าวสามารถที่ จะท าการ ทดสอบโดยที่คําการดัชนีการสะท๎อนแสงนั้นจะไมํคลาดเคลื่อนเลย ดัง Figure 9(a) และ 9(b)

ความเชื่ อ มั่ น 95% และจากระดั บ คํ า ดั ช นี พื ช พรรณของพื ช มันสาปะหลัง (NDVI) ที่มีอายุ 3 และ 6 เดือน ทั้งเกิดโรคและไมํ เกิดโรค พบวําจะแตกตํางอยํางมีนัยสาคัญทางสถิติที่ทุกระดับความ สูงที่ระดับความเชื่อมั่น 95% จาก Figure 10 แสดงความสัมพันธ์ระหวํางคําดัชนีพืชพรรณ ของมันสาปะหลังที่มีอายุตํางกัน กับคําระดับความสูงที่ 10, 15, 20 และ 30 m นั้น จะพบวําคําดัชนีพืชพรรณของมันสาปะหลังจะมี แนวโน๎ ม ลดลงเมื่ อ ระดั บ ความสู ง เพิ่ ม มากขึ้ น ดั งนี้ R2=0.988 ส าหรั บ มั น ส าปะหลั งที่ อ ายุ 3 เดื อ น (สมบู ร ณ์ ), R2=0.978 สาหรับมันสาปะหลังที่อายุ 3 เดือน (เกิดโรค), R2=0.987 สาหรับ มั น ส าปะหลั ง ที่ อ ายุ 6 เดื อ น (สมบู ร ณ์ ) และคํ า R2=0.985 สาหรับมันสาปะหลังที่อายุ 6 เดือน (เกิดโรค)

3.2.1 ความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งค่ า ดั ช นี พื ช พรรณของพื ช มั น สาปะหลังที่อายุ 3 และ 6 เดือน กับค่าระดับความสูงที่ แตกต่างกัน โดยใช้กล้องดิจิตอลถ่ายภาพมุมสูงในช่วง คลื่นใกล้อินฟราเรด จาก Table 4 จะพบวําที่ระดับความสูง 15 และ 20 m นั้นมีคํา ดัชนีพืชพรรณที่ไมํแตกตํางกัน แตํจะแตกตํางจากระดับความสูงที่ ระดับความสูง 10 และ 30 m อยํางมีนัยสาคัญทางสถิติที่ระดับ

NDVI values from LARS system

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Table 4 Artificial test plot for NDVI values at differences (b) (c) of height and image data acquisition system. (Average (a) -2 -1 Figure 9 Effect of illumination level on NDVI index values. illumination during observations: Red=1650 µmol m s -2 -1 (a) SKR 1800 of Skye Instruments Ltd., (b) Normal image at and NIR=1050 µmol m s at 12:00 hrs.) 3 months (infected) from RGB-camera at 10:30 and 14:30 NDVI values hrs., (c) Using an instrument of Leaf chlorophyll content Altitude NIRNIRNIRNIRmeter (Minolta SPAD 502) and SC 900 Soil compaction levels camera camera camera camera (m) meter of Spectrum® Technologies, Inc., USA. (3 months (3 months (6 months (6 months healthy) infect) healthy) infect) 3.2 ความสัมพันธ์ของค่าดัชนีพืชพรรณของพืชมันสาปะหลังที่ 10 0.714i 0.465d 0.648g 0.421c 15 0.682h 0.438c 0.616f 0.401b สมบูรณ์ และที่เริ่มเกิดโรค (6 เดือน) กับค่าพารามิเตอร์ 20 0.668h 0.429c 0.604f 0.392b ต่ า งๆ ที่ เ กี่ ย วข้ อ งที่ ไ ด้ จ ากระบบถ่ า ยภาพทางอากาศ 30 0.613f 0.394b 0.555e 0.360a ระยะไกล แบบติดตั้งบนเฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุ ที่ระดับ Means for each characteristic followed by the same ความสูงที่แตกต่างกัน column are not significantly different at P<0.05 by ในสํวนของการหาคําความสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหวํางพืชที่สมบูรณ์ Duncan’s Multiple Range test และที่เริ่มเกิดโรค จากการประยุกต์ใช๎คําดัชนีของการสะท๎อนแสง 0.8 ที่ ค านวณได๎ จากภาพถํ ายมุ มสู งจากระบบที่ ออกแบบไว๎ แล๎ วนั้ น 0.7 R² = 0.9887 0.6 คําดัชนีเหลํานี้ ได๎แกํ คํา NDVI และคํา GNDVI จาก NIR-camera R² = 0.9878 NIR-camera 3 month healthy 0.5 R² = 0.978 NIR-camera 3 month infected (3 เดือน สมบูรณ์), NIR-camera (3 เดือน เกิดโรค), NIR-camera 0.4 0.3 R² = 0.9853 NIR-camera 6 month healthy (6 เดือน สมบูรณ์), NIR-camera (6 เดือน เกิดโรค) ตามลาดับ NIR-camera 6 month infected 0.2 0.1 0 0

10 15 20 25 30 35 40 Altitude levels (m)

Figure 10 Cross-correlation characteristics between low altitude remote sensing images based NDVI indices and various altitudes from healthy, infested, young and mature cassava. 55

R² = 0.8609 R² = 0.7803 NIR-camera 3 month healthy NIR-camera 3 month infected

R² = 0.9545 R² = 0.931

0.2

0.4

0.6

0.8

NDVI values from LARS system

NIR-camera 3 month healthy NIR-camera 3 month infected

R² = 0.8779 R² = 0.725 R² = 0.9308

0.2

0.4

0.6

0.8

GNDVI values from LARS system

Figure 12 Correlation between leaves chlorophyll content estimated from leaf reflectance values and reflectance indices GNDVI for healthy and infested cassava plantation.

ระ เท ศไ

ทย

3.2.3 ค่ าความสั มพั นธ์ ระหว่างค่ าดั ชนี พืชพรรณของพื ชมั น สาปะหลัง กับค่าการบดอัดตัวของดิน สาหรับมันสาปะหลังที่มีอายุ 3 และ 6 เดือน จะพบวํา คําดัชนี พืชพรรณ NDVI นั้นจะมีความสัมพันธ์กันกับระดับคําการบดอัดตัว ของดิน (psi) ในแนวโน๎มที่เพิ่มสูงขึ้นเชํนกัน ดังแสดงใน Figure 13 ดังนี้ R2=0.882 ส าหรั บมันสาปะหลังที่อายุ 3 เดือน (สมบูรณ์ ), R2=0.700 สาหรับมันสาปะหลังที่อายุ 3 เดือน (เกิดโรค), R2=0.790 สาหรับมันสาปะหลังที่อายุ 6 เดือน (สมบูรณ์) และคํา R2=0.731 สาหรับมันสาปะหลังที่อายุ 6 เดือน (เกิดโรค) ตามลาดับ ในด๎านการเปรียบเทียบกันระหวําง คําการบดอัดตัว (psi) กับคํา ดัชนีพืชพรรณแบบ NDVI ที่ได๎จากระบบที่ออกแบบไว๎นั้น พบวํามี ความชั ด เจนสู ง โดยจะอยูํ ใ นชํ ว งตั้ ง แตํ 225-330 psi ส าหรั บ มันสาปะหลังอายุ 3 เดือน (สมบูรณ์ ), 255-371 psi สาหรั บ มันสาปะหลั งอายุ 3 เดือน (เกิดโรค), 420-490 psi ส าหรั บ มันสาปะหลังอายุ 6 เดือน (สมบูรณ์ ), 420-534 psi สาหรั บ มันสาปะหลังอายุ 6 เดือน (เกิดโรค) ตามลาดับ 800 600

R² = 0.9079

Soil compaction values (psi)

รร

วก

วิศ

สม

าค ม

Chlorophyll content, Chl (mol m-2)

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

3.2.2 ค่ าความสั มพั นธ์ ระหว่างค่ าดั ชนี พืชพรรณของพื ชมั น สาปะหลังที่มีอายุต่างกันที่ได้จากระบบที่ออกแบบไว้กับ ระดับค่าคลอโรฟิลล์ สาหรับมันสาปะหลังที่มีอายุ 3 และ 6 เดือน จะพบวํา คําดัชนี พืชพรรณ NDVI นั้นจะมีความสัมพันธ์กับระดับคําคลอโรฟิลล์ใน แนวโน๎มที่เพิ่มสูงขึ้น ดังนี้ R2=0.780 สาหรับมันสาปะหลังที่อายุ 3 เดือน (สมบูรณ์), R2=0.954 สาหรับมันสาปะหลังที่อายุ 3 เดือน (เกิดโรค), R2=0.860 สาหรับมันสาปะหลังที่อายุ 6 เดือน (สมบูรณ์) และคํา R2=0.931 สาหรับมันสาปะหลังที่อายุ 6 เดือน (เกิดโรค) คําดัชนีพืชพรรณ GNDVI ของพืชมันสาปะหลังอายุ 3 เดือน แบบสมบูรณ์ และแบบเกิดโรค แสดงความสัมพันธ์แบบมีแนวโน๎ม เพิ่ ม สู ง ขึ้ น กั บ คํ า คลอโรฟิ ล ล์ (Figure 11) ด๎ ว ยคํ า R2= 0.877 และ 0.930 คําดัชนีพืชพรรณ GNDVI ของพืชมันสาปะหลังอายุ 6 เดือน แบบสมบูรณ์ และแบบเกิดโรค แสดงความสัมพันธ์แบบมีแนวโน๎ม เพิ่มสูงขึ้นเชํนกัน ด๎วยคํา R2= 0.907 และ 0.725 ตามลาดับ ในด๎านการเปรียบเทียบกันระหวําง คําคลอโรฟิลล์ (mol m-2) กับคําดัชนีพืชพรรณแบบ NDVI และแบบ GNDVI ที่ได๎จากระบบที่ ออกแบบไว๎ นั้ น พบวํ ามี คํ าที่ นํ าเชื่ อถื อสู งโดยจะอยูํ ในชํ วงตั้ งแตํ 781-1220 mol m-2 สาหรับมันสาปะหลังอายุ 3 เดือน (สมบูรณ์), 348-662 mol m-2 สาหรับมันสาปะหลังอายุ 3 เดือน (เกิดโรค), 1012-1430 mol m-2 ส าหรั บ มั น ส าปะหลั ง อายุ 6 month (สมบู ร ณ์ ), 131-364 mol m-2 ส าหรั บ มั น ส าปะหลั ง อายุ 6 month (เกิดโรค) ดังแสดงใน Figure 11 และ 12 ตามลาดับ

Chlorophyll content, Chl (mol m-2)

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 47-59

R² = 0.7314

R² = 0.7901

400

R² = 0.7001

200

R² = 0.8827

NIR-camera 3 month healthy NIR-camera 3 month infected

0 Figure 11 Correlation between leaves chlorophyll content 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 estimated from leaf reflectance values and reflectance NDVI values from LARS system indices NDVI for healthy and infested cassava plantation. Figure 13 Correlation between the soil compaction estimated from the precision instrument and reflectance indices NDVI for healthy and infested cassava plantation.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 47-59

ทย

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

4 สรุป จากผลการทดสอบที่ได๎ในงานวิจัยนี้ พบวําระบบถํายภาพทาง อากาศควบคุมระยะไกล แบบติดตั้งบนเฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุ ด๎ ว ยกล๎ อ งดิ จิ ต อลแบบ RGB และแบบ Near-Infrared band ที่ พั ฒนาขึ้ นมา สามารถถํ ายภาพมุ มสู งที่ มี ความคมชั ด ทั นตํ อ เหตุการณ์ มีความเหมาะสมที่จะตรวจวัด ประเมินผล และเฝ้าระวัง การระบาดของโรคพืช ในพื้นที่ปลูกพืชมันสาปะหลังได๎เป็นอยํางดี โดยกล๎องถํายภาพมุมสูงแบบใกล๎ชํวงคลื่นอินฟราเรดนั้นจะบันทึกคํา การสะท๎อนแสงในชํวงคลื่นใกล๎อินฟราเรดที่ 800 nm และในชํวง คลื่ น สี แ ดงที่ 650 nm แบบตํ อ เนื่ อ ง จึ ง สํ ง ผลให๎ ก ารจ าแนก มันสาปะหลังวําสมบูรณ์หรือไมํนั้นสามารถกระทาได๎อยํางแมํนยา จากนั้ นได๎ มี การเปรี ยบเที ยบผลที่ ได๎ จากระบบที่ ออกแบบไว๎ กั บ เครื่องมือวัดมาตรฐานที่ภาคพื้นดิน ทาการวิเคราะห์ทางสถิติเพื่อหา คําความสัมพันธ์ออกมา ซึ่งสิ่งเหลํานี้จะสร๎างความเชื่อมั่นได๎วําผลที่ ออกมาสามารถที่ จ ะจ าแนก มั น ส าปะหลั ง ที่ เ ป็ น โรค กั บ มันสาปะหลังสมบูรณ์ ได๎อยํางถูกต๎อง และสามารถทดแทนภาพถําย จากดาวเทียมที่มีราคาสูงได๎เป็นอยํางดี โร คใบไ หม๎ ที่ เ กิ ด จ า กเ ชื้ อแบ คที เรี ย Xanthomonas axonopodis pv. Manihotis, โรคใบจุดสีน้าตาลที่เกิดจากเชื้อรา Cercosporidium henningsii, โรคยอดพุํมที่เกิดจากเชื้อไฟโต พลาสมา และโรคแอนแทรคโนสที่เกิดจากเชื้อรา Colletotrichum gloeosporioides f. sp. Manihotis เหลํานี้นั้น สามารถที่จะระบุ ตาแหนํง และจาแนกออกมาตั้งแตํระยะ 3 เดือน และระยะ 6 เดือน ในพื้นที่แปลงปลูกได๎โดยวิธีการวิเคราะห์หาคําดัชนีพืชพรรณจากคํา การสะท๎อนแสงที่ใบพืชในชํวงคลื่นใกล๎อินฟราเรดที่ 800 nm และ

ในชํวงคลื่นสีแดงที่ 650 nm และทาการตรวจสอบคําความแมํนยา กั บ อุ ป กรณ์ เ ครื่ อ งมื อ วั ด มาตรฐานอี ก ครั้ ง หนึ่ ง จึ ง ท าให๎ ก าร ประยุ กต์ ใช๎ วิ ธี การวิ เคราะห์ หาคํ าดั ชนี พื ชพรรณนั้ น มี คํ าความ เชื่อมั่นสูง จากกราฟความสั ม พั น ธ์ ร ะหวํ า งคํ า ดั ช นี พื ช พรรณของ มันสาปะหลังที่มี อายุตํางกันทั้งสมบูรณ์และเกิดโรค กับคําระดั บ ความสูงที่ 10, 15, 20 และ 30 m นั้น พบวํามีแนวโน๎มคํา R2 ลดลงเมื่อที่ระดับความสูงมากขึ้น โดยอยูํในชํวง 0.978-0.988 จากกราฟความสั มพั น ธ์ ระหวํ างคํ า ดั ชนี พื ชพรรณของพื ช มันสาปะหลังที่มีอายุตํางกันแบบคํา NDVI และแบบคํา GNDVI ที่ได๎ จากระบบที่ออกแบบไว๎ กับระดับคําคลอโรฟิลล์ที่วัดได๎จากเครื่องมือ วัดมาตรฐาน พบวํามีแนวโน๎มคํา R2 เพิ่มสูงขึ้นของพืชมันสาปะหลัง อายุ 3 เดื อ น แบบสมบู ร ณ์ และแบบเกิ ด โรค โดยอยูํ ใ นชํ ว ง 0.780-0.954 และ 0.877-0.930 และพืชมันสาปะหลังอายุ 6 เดือน แบบสมบู รณ์ และแบบเกิ ดโรค โดยอยูํ ในชํ วง 0.860-0.931 และ 0.725-0.907 ตามลาดับ

ระ เท ศไ

3.2.4 การจัดทาแผนที่ประยุกต์ทางการเกษตร แผนที่ประยุกต์ทางการเกษตรที่จัดทาขึ้นมานี้จะประกอบไปด๎วย ข๎อมูลของพิกัดตาแหนํงบนพื้นผิวโลกประมาณ 30 จุด และข๎อมูล จานวนคําเปอร์เซ็นต์ความหนาแนํนของพืช ที่ได๎จากกล๎องดิจิตอล ทั้งสองที่ระดับความสูง 15 m ขั้นตอนการสร๎างแผนที่ทางการเกษตร นั้น จะเริ่ มจากการน าภาพถํ ายมุ มสู งแตํ ละเฟรมภาพที่ ได๎ ท าการ แบํงกริดพื้นที่ ระยะหําง 5x5 m นามาตํอกันเป็นภาพใหญํ จากนั้นที่ แตํละกริดหรือบริเวณใกล๎ เคียงจะต๎องทาการประมวลผลภาพเพื่อ ค านวนหาคํ าเปอร์ เซ็ นต์ ความหนาแนํ นของพื ช จากนั้ นน าข๎ อมู ล ทั้งหมดเข๎าสูํโปรแกรม ArcView GIS 3.2 เพื่อทาการสร๎างออกมา เป็นแผนที่ทางการเกษตร ดังแสดงใน Figure 14 โดยแผนที่จะบํง บอกถึงความหนาแนํนของพืช ตาแหนํงของการเจริญเติบโตดี ไมํดี ในแปลงปลู ก บริ เวณที่ มี การบดอั ดตั วสู ง และบริ เวณที่ เกิ ดโรค ระบาด

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 47-59 (b) GIS application mapping for Leaves chlorophyll content

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

(a) GIS application mapping for Plant density

Figure 14 GIS application maps for crop status monitoring and herbicide application for healthy and infested cassava plantation. (a) GIS application maps for Plant density, (b) GIS application maps in leaves Chlorophyll content estimated from leaf reflectance values, (c) GIS application maps in soil compaction estimated from the precise instrument measurement, respectively. จากกราฟความสั มพั น ธ์ ระหวํ างคํ า ดั ชนี พื ชพรรณของพื ช และพืชมันสาปะหลังอายุ 6 เดือน แบบสมบูรณ์ และแบบเกิดโรค มันสาปะหลังที่มีอายุตํางกันแบบคํา NDVI ที่ได๎จากระบบที่ออกแบบ โดยอยูใํ นชํวง 0.731-0.790 ตามลาดับ ไว๎ กับระดับคําการบดอัดตัวที่วัดได๎จากเครื่องมือวัดมาตรฐาน พบวํา เมื่อทาการเปรียบเทียบระบบที่ออกแบบไว๎กับการตรวจวัดด๎วย 2 มีแนวโน๎มคํา R แบบมีแนวโน๎มเพิ่มสูงขึ้นของพืชมันสาปะหลังอายุ คนที่ระดับความสูงที่แตกตํางกันแล๎ว จะพบวํา จานวนคําเปอร์เซ็นต์ 3 เดือน แบบสมบูรณ์ และแบบเกิดโรค โดยอยูํในชํวง 0.700-0.882 58

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 47-59

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

ความหนาแนํนของพืช จากระบบ NIR-camera และระบบ RGBgrowth and weed infestation in a soybean plantation. camera นั้นจะมีคําลดลง ที่ระดับความสูง 10 m ขึ้นไป Precision Agriculture, 13, 611 – 627. ในสํ ว นของคุ ณ ภาพของระบบที่ ย อมรั บ ได๎ จ ากซอฟแวร์ Jayasuriya, H.P.W., Swain, K.C., Samseemoung, G. 2012. ประมวลผลภาพถํายที่พัฒนาขึ้น เมื่อทาการเปรียบเทียบกับการสอบ Potential Applications of low-altitude remote sensing เทียบแล๎ว พบวํามีคําที่สามารถยอมรับได๎ (LARS) with radio-controlled helicopter platforms: ข๎อเสนอแนะหรือแนวคิดงานวิจัย งานวิจัยนี้สามารถที่จะเป็น Case studies on nutrient and pest management under ฐานข๎อมูลเพื่อใช๎ในการตํอยอดในการนาเอาเทคโนโลยีเฮลิคอปเตอร์ agriculture systems in developing countries. Presented บังคับวิทยุ เข๎ามาประยุกต์ใช๎ในการเก็บข๎อมูลภาพถํายมุมสูงได๎ และ at 11th International Conference on Precision ที่ระดับความสูง 5 m ขึ้นไป ผู๎วิจัยทํานอื่นสามารถที่จะนากล๎องแบบ Agriculture, 15 - 18 July, Indianapolis, USA. Web-cam มาประยุกต์ใช๎แทนกล๎องที่มีราคาสูงได๎ Swain, K.C., Jayasuriya, H.P.W. 2007. Land-use suitability evaluation criteria for precision agriculture adoption in 5 กิตติกรรมประกาศ a moderately yielding soybean cropping area in คณะผู๎ ท าการวิ จั ย ขอขอบคุ ณ ส านั กงานคณะกรรมการวิ จั ย Thailand. Asia-Pacific Journal of Rural Development, แหํงชาติ (วช.) โครงการวิจัย–เงินงบประมาณ พ.ศ. 2556 รํวมกับ 17, 113 - 125. สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องจักรกลเกษตร ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร Swain, K.C., Jayasuriya, H.P.W., Salokhe, V.M. 2007. Low คณะวิ ศวกรรมศาสตร์ มหาวิ ทยาลั ยเทคโนโลยี ราชมงคลธั ญบุ รี altitude remote sensing (LARS): A potential จังหวัดปทุมธานี ที่สนับสนุนเงินงบประมาณ อุปกรณ์ บุคลากร และ substitution to satellite based remotes sensing for สถานที่ ในการเตรียมการทดสอบงานวิจัยในครั้งนี้ precision agriculture adoption in fragmented and diversified farming conditions, Agricultural Engineering 6 เอกสารอ้างอิง International: the CIGR Ejournal, Invited Overview No. สานักงานสถิติแหํงชาติ (สสช.) สถิติการเกษตร. 2551. เอกสารสถิติ 12, Volume IX. September, 2007. การเกษตรของประเทศไทย ปี 2551. แหลํ งข๎ อมู ล:

สม

าค ม

วิศ

วก

http://service.nso.go.th/nso/nsopublish/service/agricult/ ais-northe/ais-northe.pdf. เข๎าถึงเมื่อ 9 ตุลาคม 2556. Samseemoung, G., Hemantha, P., Jayasuriya, W., Soni., P. 2010. Detection and Analysis of Oil Palm Pest Infestation by Radio-Controlled Helicopter-Mounted Low- Altitude Remote Sensing Platform: Methodology Using Image Processing and Vegetation Indices Analyses. Asia Forum, International Agricultural Engineering Conference (IAEC)-2010, Shanghai (China), 17-20 September 2010. Samseemoung, G., Hemantha, P., Jayasuriya, W., Soni, P. 2011. Oil palm pest infestation monitoring and evaluation by helicopter-mounted, low altitude remote sensing platform. Journal of Applied Remote Sensing, 5, 053540-053540-16. Samseemoung, G., Soni, P., Hemantha, P., Jayasuriya, W. and Salokhe, V.M.. 2012. Application of low altitude remote sensing (LARS) platform for monitoring crop

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 60-63

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557) 60-63 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

An Updated Model for Fast Total Solids Content Determination in Natural Rubber Latex Using Shortwave Near Infrared Spectroscopy Lim Chin Hock1, Panmanas Sirisomboon1* 1

Curriculum of Agricultural Engineering, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok 10520, Thailand. *Corresponding author: Tel: +66-2-329-8000 Ext. 5120, Fax: +66-2-329-8336, E-mail: kspanman@kmitl.ac.th

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Abstract The analysis of total solids content (TSC) of Para rubber latex including field latex and concentrated latex, using near-infrared spectroscopy was carried out by a ultra violet/visible/near-infrared (UV/VIS/NIR) Spectrometer in transmittance mode over the wavelength range of 350–1100 nm. The original model provided the best accuracy of prediction was developed using the partial least square regression (PLSR) from the spectra which were pretreated by the smoothing and range normalization in the wavelength range of 700-950 nm. The slope, offset, correlation coefficient (r), standard error of prediction (SEP) and bias were 1.0084, -0.2332, 0.9940, 1.3611% and 0.1456%, respectively. The updated model was done by adding the 160 samples merged into the 280 original samples. The slope, offset, correlation coefficient (r), standard error of prediction (SEP) and bias were 0.9795, 0.7150, 0.9834, 1.6186% and -0.0802%, respectively. Therefore, the robust updated model by NIRS technique was more accurate and faster method for determining the TSC of Para rubber latex, for both field latex and concentrated latex.

สม

าค ม

วิศ

วก

Keywords: Natural rubber latex, Total solids content, Shortwave, Near infrared spectroscopy 1 Introduction the latex is. Thus, NRC can be calculated by the difference The total solids content (TSC) of a latex is defined as between the TSC and the DRC of the latex. the percentage by mass of the whole which is non-volatile In addition, the TSC is an important parameter on under specified conditions of drying in an open which the various parameters are based on, namely, atmosphere at an elevated temperature (Blackley, 1997). volatile fatty acid number (VFA number), Potassium Natural rubber latex is the raw materials used for the Hydroxide number (KOH number), mechanical stability manufacture of various latex products such as gloves testing (MST) and Brookfield viscosity. (both examination and household), condoms, baby teats, NIR spectroscopy uses the electromagnetic radiation catheters, foam products, latex thread for undergarments, absorption at wavelengths range of 780–2500 nm. NIR adhesives for various applications and cast products like bands are generated from overlapping absorptions toys etc. corresponding mainly to overtones and combinations of The TSC includes dry rubber content (DRC) and other vibration of C–H, O–H, and N–H chemical bonds which are solid matter called non-rubber solids content (NRC) in the included in the biological materials. According to Huang et latex. The non-rubber content is the indicator for the al. (Huang et al., 2008), in practice, the common modes cleanliness of the latex. The lower the NRC, the cleaner are transmittance, interactance, transflectance, diffuse transmittance, and diffuse reflectance, with the last two 60

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 60-63

รร

วก

วิศ

าค ม

2 Materials and methods

สม

160 samples. The experiment for NIR scanning was conducted at 25±2C room temperature.

ระ เท ศไ

ทย

2.2 NIR Scanning The NIR scanning was conducted followed Sirisomboon et al. (2013b). A latex sample without bubbles was scanned in a quartz cuvette with the size of 1 cm×0.5 cm (width×thickness) over the wavelength range of 350–1100 nm by a spectrometer (AVA-Spec-2048-USB2, Avantes, The Netherlands) in transmission mode. The scanning was done on a sample with two replicates and 5 scans per replicate, and the transmission spectra were transformed to be absorption spectra before analysis. The Teflon with the thickness of 1 cm was used for scanning as the reference material. 2.3 Total Solids Content (TSC) Measurement The total solids content of rubber latex was measured following the standard method used by the factory following the ISO 124:2011(E) Latex, rubber – Determination of total solids content (ISO, 2011). The description of the total solids content measurement by the ISO standard is in Sirisomboon et al. (2013b).

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

being most frequently used. Diffuse transmittance measurements are suitable for samples of 1-2 cm thickness using shortwave near infrared radiation (780-1100 nm) while long wavelength (1100-2500 nm) could be applied to thinner samples. The diffuse reflectance measurement, where most of the incident radiation is reflected, is suitable for thicker samples. NIR spectroscopy is a rapid, accurate, non-destructive, less or no sample preparation, no chemical, enviromental friendly and can be applied off line, at line, in line or online for quality assurance and process control. It is reported that various agro-industries such as flour milling (Miralbés et al., 2004), soybean meal factory (Haughey et al., 2013), bakery factory (Albanell et al., 2012), etc. use NIR spectroscopy. There are a few research reported the application of NIR spectroscopy in rubber latex factory (Sirisomboon et al., 2012, 2013a, 2013b) and there is still a need for further research for the real application in the factory. Therefore, the objective of our work was to update the shortwave near infrared spectroscopy model developed previously (Sirisomboon et al., 2013b) for fast total solids content determination in natural rubber latex production factory to facilitate the quality and process control.

2.1 Samples Samples of Para rubber field latex and concentrated latex for updating the model were collected from the factory of the Thai Rubber Latex Corp. (Thailand) Public Company Limited in Nongyai district, Chonburi province, Thailand. The samples were immediately subjected to the experiment during 24-25 May, 19, 25, 29 June, 17 August, 7 September and 4 October 2012. The 131 field latex samples were obtained from the latex that the farmers in the Chonburi and near-by provinces sold to the factory. The 29 concentrated latex samples were obtained from the storage tanks of the factory. In total the samples were

2.4 Model updating and data analysis The new reference data of 160 samples for model updating were merged with the corresponding 700-950 nm NIR absorption spectra. Then they were combined to the old data of 280 samples of the original model developed by Sirisomboon et al. (2013b). The 280 samples of field latex and concentrated latex were collected from the same factory between 3rd and 28th October 2011. After sorting the added samples in ascending order of dry rubber content, the samples were divided into a calibration set and a prediction set in the ratio of 8:2. Then the updated model was developed by Partial least squares regression (PLSR), using the calibration set, with spectral mathematical pretreatment (17 point S. Golay smoothing and range normalization). The updating of calibration model was done using Unscrambler 9.8 (Camo, Norway). The performance of the 61

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 60-63

Predicted TSC by NIRS %

model was determined by the slope, offset, correlation coefficient plots of PLSR model for TSC of the latex. The coefficient (r), standard error of prediction (SEP) and bias. signal at about 905 and 918 nm appeared to have a strong effect on the model and 906 nm is the natural rubber 3 Results and discussion band (Sirisomboon et al., 2013b). Table 1 shows the statistical values of TSC of field 70 latex and concentrated latex of the calibration, prediction 60 sets. The PLS regression updated model was developed. 50 The results showed that the optimal model required five 40 factors (PLS vectors). The five factors were the slope, 30 offset, correlation coefficient (r), standard error of 20 prediction (SEP) and bias, of which the values were 0.9795, 10 0.7150, 0.9834, 1.6186% and -0.0802%, respectively.

Max 64.385 7 64.203 0

Min 27.695 8 30.609 0

SD 9.603 7 9.550 4

สม

าค ม

วิศ

วก

Williams (2010) suggested that with the r between 0.960.98 the model was usable in most application including quality assurance. Comparing with old model where the slope, offset, correlation coefficient (r), standard error of prediction (SEP) and bias were 1.0084, -0.2332, 0.9940, 1.3611% and 0.1456%, respectively, it could be seen that though the r value of the updated model was not higher than that of the old model but the bias was significantly lower by 0.2258%. These proved that the model can be used for the process control in a factory. By using shortwave near infrared spectrometer the fixed cost will be around 30,000 US$, while the traditional method using hot air oven and accessory needs a fixed cost of at least twice as much. With the NIR technique, the TSC measurement can be done in only a few seconds, while the traditional method needs 16 h. Figure 1 shows the linear correlation plots of measured versus predicted TSC. Figure 2 shows the regression 62

ทย

Measured TSC %

Figure 1 Linear correlation plots of measured versus predicted total solids content (TSC) of Para rubber of field latex and concentrated latex. 918

905

Regression Coefficient

Mean 38.816 4 39.605 4

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

N 32 7 11 3

รร

Data set Calibration Set Prediction Set

ระ เท ศไ

Table 1 Statistical values of total solids content (TSC) of field and concentrated lattices of Para rubber of calibration set and prediction set.

807

1 0

-1

911

-2

860

-3 -4 700

750

800

850

900

950

Wavelength nm

Figure 2 Regression coefficient plot of PLSR model for total solids content (TSC) of the latex. 4 Conclusions The near infrared spectroscopy technique developed for measuring the total solids content of field latex and concentrated latex using shortwave near infrared spectrometer shows its high performance and this could be done within 2-3 minutes per sample. With the short wave near infrared technology the investment cost and operating cost will be tremendously low compared to long wave technology. (approximately 30,000 US$ as

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 60-63

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

6 Referrences Albanell, E., Miñarro, B., Carrasco, N. 2012. Detection of low-level gluten content in flour and batter by near infrared reflectance spectroscopy (NIRS). Journal of Cereal Science 56(2), 490-495. Blackley, D.C. 1997. Polymer Latices, Vol. 1, 2nd Edition, Chapman & Hall, London, Haughey, S.A., Graham S.F., Cancouët, E., Elliott, C.T. 2013. The application of near-infrared reflectance spectroscopy (NIRS) to detect melamine adulteration of soya bean meal. Food Chemistry, 136(3–4), 1557-1561. Huang, H., Yu, H., Xu, H., Ying, Y. 2008. Near infrared spectroscopy for on/in-line monitoring of quality in foods and beverages: A review. Journal of Food Engineering 87(3), 303-313. ISO 124:2011(E) Latex, rubber – Determination of total solids content. Miralbés, C. 2004. Quality control in the milling industry using near infrared transmittance spectroscopy. Food Chemistry 88(4), 621-628. Sirisomboon P, Chowbankrang R, Williams P. 2012. Evaluation of apparent viscosity of Para rubber latex by diffuse reflection near-infrared spectroscopy. Applied Spectroscopy 66(5), 595-599. Sirisomboon, P., Deeprommit, M., Suchaiboonsiri, W., Lertsri, W. 2013b. Shortwave near infrared spectroscopy

ทย

5 Acknowledgments The authors gratefully acknowledge the facilities and material support of Thai Rubber Latex Corporation (Thailand) Public Company Limited. Special thanks to the staff (both past and present) of the R&D laboratory for the assistance rendered in carrying out the research projects. The authors also wish to thank KMITL for providing the NIR spectrometer used in this research.

for determination of dry rubber content and total solids content of Para rubber latex. Journal of Near Infrared Spectroscopy 2, 269–279. Sirisomboon, P., Kaewkuptong, A., Williams, P. 2013a. Feasibility study on the evaluation of the dry rubber content of field and concentrated latex of Para rubber by diffuse reflectance near infrared spectroscopy. Journal of Near Infrared Spectroscopy 21, 81–88. Williams, P. 2010. Near-infrared Technology – Getting the best out of light. A short course in the practical implementation of near-infrared spectroscopy for the user. 5.4. ed. PDK Grain, Nanaimo, Canada.

ระ เท ศไ

compared to 100,000 US$) The technique now is tested for the real use in the concentrated latex factory in Thailand.

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 64-71

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแห่งประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557) 64-71 Available online at www.tsae.asia

บทความวิจัย ISSN 1685-408X

การพัฒนากรรมวิธีการผลิตวัสดุกันกระแทกย่อยสลายได้ในธรรมชาติจากแป้งมันสาปะหลัง Development of Methodology for Production of Biodegradable Cushion from Tapioca Starch นัฐพิชน บุตรี1, สุวรรณ เอกรัมย์1, วีระศักดิ์ เลิศสิริโยธิน2* Natphichon Budtri1, Suwan Aekrum1, Weerasak Lertsiriyothin Author name2* 1

สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล, สานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี, นครราชสีมา, 30000 School of Mechanical Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology, Nakhon Ratchasima, 30000 2 สาขาวิชาวิศวกรรมเกษตร, สานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี, นครราชสีมา, 30000 2 School of Agricaltural Engineering, Institute of Engineering, Suranaree University of Technology, Nakhon Ratchasima, 30000 *Corresponding author: Tel: +66-8-9722-1603, Fax: +66-44-224-610, E-mail: natphichon@gmail.com, lsrytw@sut.ac.th

ทย

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

บทคัดย่อ การพัฒนากรรมวิธีการผลิตวัสดุกันกระแทกยํอยสลายได๎ในธรรมชาติจากแป้งมันสาปะหลัง ครอบคลุมการศึกษาวิจัยเพื่อพัฒนา วิธีการเตรียมเรซินพลาสติกที่มีแป้งมันสาปะหลังเป็นองค์ประกอบหลักสาหรับผลิตวัสดุกันกระแทก และวิธีการขึ้นรูปเป็นวัสดุกันกระแทก โดยงานในสํวนแรกกลําวถึง การผลิตเทอร์โมพลาสติกสตาร์ช และกระบวนการทาคอมปาวนด์ให๎ได๎วัสดุผสมที่เหมาะสาหรับการผลิตวัสดุกัน กระแทก เม็ดเรซินคอมปาวนด์ที่ได๎จากการเตรียมสูตรคอมปาวนด์นามาขึ้นรูปเป็นชิ้นงานด๎วยกระบวนการกดอัดในแมํพิมพ์ด๎วยความร๎อน เพื่อทดสอบหาสมบัติทางกลซึ่งประกอบด๎วยคํา tensile strength, elongation at break, Young’s modulus และหาคํา melt flow index และในสํวนของกระบวนการผลิตวัสดุกันกระแทกใช๎สารกํอโฟมทางเคมีโดยทาการผลิตด๎วยเครื่องเอกซ์ทรูชั่นชนิดสกรูเดี่ยว ตัวอยํางที่ได๎ทา การทดสอบหาความหนาแนํน อัตราการพองตัว และคํา compressive strength ผลการวิจัยแสดงถึงผลสาเร็จของการพัฒนาสูตรคอมปาวนด์ ที่มีแป้งมันสาปะหลังเป็นสํวนประกอบซึ่งเหมาะสาหรับการผลิตเป็นผลิตภัณฑ์วัสดุกันกระแทก

าค ม

วิศ

คาสาคัญ: แป้งมันสาปะหลัง, โฟมกันกระแทก, เทอร์โมพลาสติกสตาร์ช

สม

Abstract The research report covered the development of methodology to compound a plastic resin suitable for making a loose-fill foam product and the processing method for producing loose-fill foam. The first part of the research reported the processing method for transform tapioca starch into thermoplastic starch and a compounding method for producing a compound resin that was designed for processing into the loose-fill foam. The compound resins were thermoformed into dumbbell shape samples which then were subjected to mechanical strength testing and determination of a melt flow index. In the latter part of the research, the extrusion technique for producign a loose-fill foam product was described. Development included a foaming method with a chemical blowing agent by using a single screw extruder. The loose-fill foam samples were investigated for density, expansion ratio, and compression strength. This research also showed a success of using the developed compound resin, which contained tapioca starch, to produce the loose-fill foam product. Keywords: Tapioca starch, Loose-fill foam, Thermoplastic starch

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 64-71

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

ระ เท ศไ

ทย

เพราะวําหนึ่งสาเหตุด๎านราคาที่สูงกวําราว 30% เมื่อเทียบกับราคา ของวัสดุกันกระแทกชนิด loose-fill foam ที่ทาจาก expanded polystyrene (ราคาขายเฉลี่ ยในสหรั ฐประมาณ 21.6 บาท ตํ อ 16.4 ft3) และสองสาเหตุเรื่องความแตกตํางด๎านคุณสมบัติทาง กายภาพและทางกลของวัสดุกันกระแทกที่ยํอยสลายได๎ ซึ่งปัจจุบัน นี้รัฐบาลสหรัฐก็ยังสนับสนุนงานวิจัยเพื่อพัฒนาให๎เทคโนโลยีการ ผลิตวัสดุกันกระแทกที่ยํอยสลายได๎จากแป้งให๎สามารถแขํงขันกับ วัสดุกันกระแทกที่ทาจากพอลิเมอร์ได๎มากขึ้น (Anon, 1996) จาก การสารวจข๎อมูลด๎านงานวิจัยของเมืองไทยและข๎อมูลที่กลําวมา ข๎างต๎นนี้ตระหนักได๎วําเราไมํมีงานวิจัยพัฒนาวัสดุกันกระแทกที่ ยํอยสลายได๎ จากผลผลิตที่เมืองไทยเพาะปลูกได๎ในปริ มาณมาก อยํางจริงจัง หรือกลําวได๎วําเรายังคงต๎องพึ่งพาเทคโนโลยีการผลิต วัสดุกันกระแทกที่ยํอยสลายได๎จากตํางประเทศและยิ่งจะเพิ่มมาก ขึ้ น เมื่ อ มี ก ารเข๎ ม งวดตํ อ กฎหมายคุ๎ ม ครองเรื่ อ งสิ่ งแวดล๎ อ ม โดยเฉพาะกับตลาดสํงออก การนาวัสดุที่เกิดขึ้นใหมํได๎ในธรรมชาติมาผลิตเป็นวัสดุด๎าน บรรจุภั ณฑ์ถื อได๎ วํ าเป็ นการปฏิ รู ปทางวั สดุ ศาสตร์ ก็ วําได๎ ทั้ งนี้ เพราะวํ าเทคโนโลยี ขณะนี้ สามารถสั งเคราะห์ หรื อแปรรู ปวั สดุ ดังกลําวขึ้นเพื่อทาเป็นบรรจุภัณฑ์บางประเภทที่ใช๎งานได๎ดีราวกับ ที่ทามาจากวัสดุพอลิเมอร์สังเคราะห์ และมีข๎อดีเหนือกวําอีกตรงที่ วัสดุเกิดขึ้นใหมํได๎ในธรรมชาตินี้เกิดการยํอยสลายได๎สมบูรณ์แบบ กลับเข๎าสูํหํวงโซํอาหารทาให๎มีการผลิตกลับมาทดแทนขึ้นใหมํได๎ วัสดุที่เกิดขึ้นใหมํได๎ในธรรมชาติในกลุํมของ biopolymer ที่กลําว มานี้แบํงเป็นที่ มาได๎สามประเภทหลั ก ได๎แกํ วัสดุที่สกัดมาจาก ผลผลิตทางเกษตรโดยตรง เชํน แป้งจากพืช และโปรตีนจากพืช (casein และ wheat gluten) สอง คือ วัสดุที่เกิดจากสารที่ได๎จาก กระบวนการทางเคมีหรือกระบวนการหมักดองของผลผลิตทาง การเกษตร เชํ น polylactate ที่ ท าจาก lactic acids และ chitosan ซึ่งจัดเป็นสารจาพวกคาร์โบไฮเดรต์ที่มาจากผนังเซลของ พื ชชั้ นต่ า หรื อ มาจากเปลื อกหุ๎ มเนื้ อ เยื่ อของสั ตว์ ชั้ นต่ าพวก arthropods และ mollusks (Harish et al., 2002) สาม คือ วัสดุ ที่ ผลิ ตจากสารที่ ได๎ จากจุ ลิ นทรี ย์ เชํ น polyhydroxyalkanoate จากแบคทีเรีย (Peterson et al., 1999) ระหวํางสามกลุํมนี้วัสดุใน กลุํมแรกกาลังได๎รับความนิยมมากที่สุดในการนามาพัฒนาเป็นวัสดุ กันกระแทกทั้งประเภทที่เรียกวํา “loose-fill foam” และ “foam in place” การวิจัยและพัฒนาที่นาแป้งจากผลิตผลทางการเกษตร มาใช๎ผลิตเป็นวัสดุกันกระแทกประเภทนี้สืบเนื่องมาจากการทราบ กันมานานแล๎วในอุตสาหกรรมอาหารวําแป้งมีคุณสมบัติจัดเป็น พอลิเมอร์โดยเฉพาะเมื่อผํานกระบวนการให๎ความร๎อนและการทา

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

1 บทนา วัสดุกันกระแทกที่ใช๎กันในอุตสาหกรรมไทยสํวนมากจะผลิตมา จากวั ส ดุ พ อลิ เ มอร์ เชํ น polystyrene polyurethane และ polyolefin ซึ่งจาเป็นต๎องนาเข๎าวัสดุกันกระแทกจากตํางประเทศ หรือผลิตในประเทศแตํใช๎วัสดุและกรรมวิธีการผลิตภายใต๎ลิขสิทธ์ ของตํางประเทศสํงผลให๎ราคาสินค๎าโดยเฉพาะในเรื่องบรรจุภัณฑ์มี มูลคําคํอนข๎างสูง นอกจากปัญหาด๎านราคาแล๎วขณะนี้ทั่วโลกได๎มี การรณรงค์เพื่อลดการผลิตหรือการใช๎วัสดุกันกระแทกที่ไมํสามารถ ยํอยสลายได๎ทางธรรมชาติเพราะผลิตภัณฑ์เหลํานี้ได๎สร๎างปัญหา ตํอการกาจัดทิ้งจนกระทั่งประเทศคูํค๎าสาคัญของไทยทั้งในสหภาพ ยุโรป และสหรัฐอเมริกาได๎ออกกฎหมายหรือระเบียบข๎อบังคับด๎าน สิ่งแวดล๎อมที่มีผลกระทบตํอการเลือกใช๎วัสดุกันกระแทกที่ไมํเป็น พิษตํอสิ่งแวดล๎อม วัสดุกันกระแทกแบํงตามรูปแบบของการใช๎งาน ได๎สองประเภท คือ วัสดุกันกระแทกชนิดขึ้นเป็นรูปทรงให๎เข๎ากับ ชํองวํางระหวํางผลิตภัณฑ์กับบรรจุภัณฑ์ (foam-in-place) และ วัสดุกันกระแทกชนิดที่ใช๎เติมเข๎าชํองวํางแตํไมํได๎มีรูปทรงพอดีตาม ชํองวําง (loose-fill foam) เป็นที่นําสนใจวําวัสดุกันกระแทกที่ ยํอยสลายได๎ทางธรรมชาติที่เป็นที่ยอมรับใช๎ในเชิงการค๎ายังจากัด การใช๎อยูํแคํวัสดุกันกระแทกชนิด loose-fill foam และมีเพียง ผลิตภัณฑ์เดียวภายใต๎ชื่อ ENVIROMOLD® ของบริษัท EnPac ที่ พึ่งจะขายเทคโนโลยีการทาวัสดุกันกระแทกชนิด foam-in-place ด๎วยวิธีการประสานชิ้นวัสดุกันกระแทกที่ยํอยสลายได๎ชนิด loosefill foam ด๎วยน้า วัสดุกันกระแทกที่ยํอยสลายได๎ทางธรรมชาติ ชนิด loose-fill foam ที่ ผลิตขายเชิงการค๎าที่วํานี้ทามาจาก วัตถุดิบจาพวกแป้งเป็นหลักอันได๎แกํ สินค๎าภายใต๎เครื่องหมาย การค๎าชื่อ CLEAN GREEN® ENVIROFIL® ECO-FOAM® FLOPAK BIO® RENATURE® และ STAR-KORE® และผู๎ผลิตกลุํมนี้ ล๎วนแล๎วแตํเป็นบริษัทของสหรัฐอเมริกาทั้งสิ้น เพราะการผลิตเชิง การค๎านี้ทาโดยอาศัยผลงานวิจั ยพื้นฐานเกี่ยวกับแป้ งข๎าวโพดที่ สหรัฐผลิตได๎มากและรัฐบาลของสหรัฐสนับสนุนงานวิจัยเกี่ยวกับ ข๎ าวโพดอยํ างจริ งจั งและตํ อเนื่ องเพื่ อหาประโยชน์ ของการใช๎ ข๎าวโพดให๎มากที่สุดซึ่งสํงผลโดยตรงตํอการยกระดับราคาข๎าวโพด จ า ก ส ถิ ติ ข๎ อ มู ล ข อ ง Bureau of Alcohol, Tobacco and Firearms, USA รายงานวํ าปริ มาณการใช๎ วั สดุ กั นกระแทกชนิ ด loose-fill foam ในสหรั ฐ เฉลี่ ย อยูํ ที่ 42.5 ล๎ า นกิ โ ลกรั ม ตํ อ ปี ในจานวนนี้คิดเป็นวัสดุกันกระแทกที่ยํอยสลายได๎อยูํราว 15-20% หรือราว 6.38-8.5 ล๎านกิโลกรัมตํอปี และประมาณการอัตราการ เติบโตไว๎ที่ 2% ตํอปี สาหรับชํวงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 90 (Anon, 1996) ตัวเลขการใช๎วัสดุกันกระแทกที่ยํอยสลายได๎ที่ยังน๎อยเป็น

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 64-71

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

2 อุปกรณ์และวิธีการ 2.1 คัดเลือกวัตถุดิบและส่วนประกอบที่ใช้ในการผลิต แป้งที่สามารถใช๎ในการผลิตที่สามารถจัดหาได๎ภายในประเทศ ไทย ซึ่งในการทดลองนี้จะใช๎แป้งมันสาปะหลังที่ผํานการดัดแปร ชนิดอะซิเลตเพื่อให๎มีปริมาณอะไมโลสสูงขึ้น และพอลิเมอร์หลักที่ ใช๎ เชํน เม็ดเรซินชนิดพอลิบิวทิลีนซักซิเนต (PBS) ซึ่งยํอยสลายได๎ ในธรรมชาติ โดยมีองค์ประกอบอื่นเพื่อเอื้อตํอการผสมเข๎าเป็นเนื้อ เดี ย วกั น และให๎ ไ ด๎ ผ ลิ ต ภั ณ ฑ์ โ ฟม ได๎ แ กํ nucleating agent, plasticizer, compatibilizer และสารกํอโฟม (blowing agent) เป็นต๎น

ระ เท ศไ

ทย

2.2 การเตรียมสูตรคอมปาวนด์ การเตรียมเทอร์โมพลาสติกสตาร์ช (thermoplastic starch, TPS) เริ่มจากน าแป้ งมั นสาปะหลั งจากบริษั ท สงวนวงษ์ จากั ด จั ง หวั ด นครราชสี ม า อบในตู๎ อ บสุ ญ ญากาศที่ อุ ณ ภู มิ 60°C เป็นเวลา 4 h จากนั้นนาแป้งปริมาณ 70% ผสมกับกลีเซอรอล ปริมาณ 30% นามาผลิตเป็น TPS ด๎วยเครื่องเอกซ์ทรูเดอร์ชนิดสก รูเดี่ยว (Betol BC32, Betol Machinery Limited, England) ที่อุณหภูมิ 90-130°C ที่ความเร็วรอบ 20 rpm การเตรียมสูตรคอมปาวนด์สาหรับทาเป็นตัวอยํางโฟมทาโดย การผสมองค์ประกอบของสูตรคอมปาวนด์เข๎าเป็นเนื้อเดียวกันให๎ ได๎มาในลักษณะของเม็ดเรซินเทอร์โมพลาสติก การผสมเริ่มจาก การนาเม็ดเรซิน poly(butylene succinate) (PBS) อบในตู๎อบ สุญญากาศที่อุณหภูมิ 50-60°C เป็นเวลา 4 h จากนั้นนา TPS เม็ด พลาสติ ก และองค์ ประกอบอื่ นมาผสมกั นตามสู ตรสํ วนผสม ดัง Table 1 ด๎วยเครื่องเอกซ์ทรูเดอร์ชนิดสกรูเดี่ยว โดยปรับตั้งคํา อุณหภูมิที่ 110-140°C ที่ความเร็วรอบ 20 rpm

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ให๎เย็นตัวลง การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและทางเคมีของแป้งที่ สังเกตเห็นกันในอุตสาหกรรมอาหารแสดงให๎เห็นถึงคุณลักษณะที่ คล๎ายกับคุณลักษณะที่จาเป็นต๎องมีของวัสดุกันกระแทกที่ทาจาก พอลิเมอร์ เชํน ความคงตัว การขยายตัวอันเนื่องมาจากเซลอากาศ ความยืดหยุํน ความสามารถในการรั บแรงกดทับ และความแข็ ง เชิ งกล เป็ นต๎ น จุ ดนี้ เองท าให๎ องค์ กรทั้ งภาคเอกชนและรั ฐของ หลายประเทศที่ มี หน๎ าที่ เกี่ ยวพั นกั บการดู แลผลผลิ ตเกษตรที่ แปรรูปเป็นแป้งได๎ให๎ความสาคัญกับงานวิจัยเพื่อพัฒนาวัสดุกัน กระแทกจากแป้งกันเป็นจานวนมาก สาเหตุที่จาเป็นและยังต๎องมีการทาวิจัยก็เพราะวําคุณลักษณะ ทางกายภาพและทางเคมีของแป้งที่ผํานกระบวนการแปรรูปเป็น วั สดุ กั นกระแทกยั งมี คุ ณลั กษณะเหมื อนอาหารจ าพวกขนม ขบเคี้ยวอยูํมาก เป็นต๎นวําคุณสมบัติทางกลที่คํอนข๎างหํางไกลกับ คุ ณสมบั ติ ที่ ได๎ จากพอลิ เมอร์ ความเปราะบางของวั สดุ ความ ยืดหยุํนที่ต่า การสูญเสียลักษณะทางกายภาพเมื่อได๎รับความชื้น หรือความไวตํอความชื้น และปัญหาการคงสภาพหรืออายุของวัสดุ กั นกระแทกที่ ท าขึ้ นมาได๎ เป็ นต๎ น นอกจากปั ญหาในเรื่ องของ คุณสมบัติพื้นฐานของผลิตภัณฑ์ที่มาจากวัสดุธรรมชาติแล๎ว สิ่งที่ เป็ น หั ว ใจของการพั ฒ นาวั ส ดุ กั น กระแทกจากแป้ ง ก็ คื อ กระบวนการแปรรูปสํวนผสมของสารที่ มีแป้งเป็นองค์ ประกอบ หลักนี้ไปเป็นวัสดุกันกระแทก อันที่จริงนําจะกลําวได๎วํากรรมวิธี การผลิตวั สดุ กันกระแทกนี้ เป็ นตั วกาหนดสํ วนผสมที่ จะใช๎ เป็ น วัตถุดิบมากกวําหรือเป็นปัจจัยกาหนดคุณลักษณะทางกายภาพ และทางเคมีของวัตถุดิบนั่นเอง ปัญหาเหลํานี้นี่เองที่ทาให๎ผู๎วิจัย เห็นวําประเทศไทยยังขาดทั้งงานวิจัยและศูนย์ปฏิบัติการวิจัยขั้น สูงที่มุํงทาวิจัยในเรื่องการพัฒนาวัสดุกันกระแทกที่ยํอยสลายได๎ จากวั สดุ ที่สามารถนากลั บมาใช๎ใหมํ (renewable resources เน๎นที่วัสดุจาพวก biomaterial) งานวิจัยนี้จะถูกนามาใช๎ในการ วางรากฐานที่ ส าคั ญนี้ เพื่ อตอบปั ญหาและให๎ ความชํ วยเหลื อ ถํ ายทอดเทคโนโลยี การใช๎ ประโยชน์ จากวั สดุ จากผลผลิ ตทาง การเกษตรที่มีความเป็นไปได๎สูงมากโดยเฉพาะแป้งมันสาปะหลังใน การน ามาพั ฒนาเป็ นวั สดุ กั นกระแทก ด๎ วยสภาพความพร๎ อม ทางด๎ า นเครื่ อ งมื อ หลั ก ที่ ส าคั ญ ตํ อ งานวิ จั ย ชิ้ น นี้ ที่ มี อ ยูํ ที่ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี และสภาพที่ตั้งที่ใกล๎กลับแหลํง ผู๎ผลิตแป้งมันสาปะหลังผู๎วิจัยเชื่อวําโครงงานต๎นแบบนี้จะสามารถ พั ฒ นาให๎ บ รรลุ วั ต ถุ ป ระสงค์ ไ ด๎ และจะเป็ น แรงจู ง ใจให๎ ภาคอุตสาหกรรมรํวมลงทุนพัฒนาศูนย์วิจัยชั้นสูงอยํางตํอเนื่อง

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 64-71 Table 1 The concentrations of loosfill foam formulas. PBS 99.5 79.5 69.5 59.5

PBS TPS20 TPS30 TPS40 *phr is parts per hundred

Concentration (%) TPS 20 30 40

2.3 กระบวนการขึ้นรูปแบบต่อเนื่องด้วยเครื่องเอกซ์ทรูชั่น ในกรณีของตัวอยํางโฟมประเภทโฟมแบบไมํ คงรูป (loose-fill foam) เตรี ย มขึ้ น โดยใช๎ เ ครื่ อ งเอกซ์ ท รู ชั่ น ชนิ ด สกรู เ ดี่ ย ว เส๎นผําศูนย์กลาง 31.6 mm และ L/D เทํากับ 24.62 ซึ่งงานวิจัยนี้ ครอบคลุ ม การศึ ก ษาหาสภาวะเหมาะสมของตั ว แปรควบคุ ม กระบวนการขึ้นรู ป โดยตั้ งคํ าอุณหภูมิ ระหวํ าง 90-140°C และที่ ความเร็ วรอบ 35 rpm โดยตัวอยํางโฟมขึ้นเป็นรูปได๎ด๎วยหัวดาย (die) เป็นรูปทรงกระบอกขนาดของรูหัว 3 mm

Talc 0.5 0.5 0.5 0.5

Concentration (phr) Blowing Agent 5 5 5 5

ตั ว อยํ า งที่ ใ สํ ล งไปกํ อ นหน๎ า น าไปชั่ ง น้ าหนั ก และค านวณ ดังสมการที่ 1 D

WE DR WRT  WR

(1)

ทย

Sample

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

โดยที่ WE คือ น้าหนักของตัวอยํางโฟม DR คือ ความหนาแนํนทราย WRT คือ น้าหนักของทรายในปริมาตร 100 ml และ WR คือ น้าหนัก ของทรายที่เหลือในปริมาตร 100 ml หลังจากการแทนที่ อัตราการผลิ ตของตั วอยํ างหลังผํ านกระบวนการอั ดพองด๎ วย 2.4 ทดสอบคุณสมบัติก่อนการขึ้นรูปโฟม เอกซ์ ทรู เดอร์ ค านวณจากผลหารของมวลตั วอยํ างโฟมที่ ผํ าน ทดสอบสมบั ติ ทางกลโดยน าตั วอยํางโฟมที่ พัฒนาขึ้ นเตรี ยม กระบวนการเอกซ์ทรูชั่นออกมาเมื่อเที่ยบกับเวลา ตัวอยํางให๎ได๎ตามมาตรฐานการวัดตาม ASTM หมายเลข D638 compression strength วัดตามวิธีของ Guan and Hanna วั ด ด๎ ว ย เ ค รื่ อ ง universal testing machine (Instron (2004) ด๎ วยเครื่ อง universal testing machine (Instron 5565, Instron Corp., Canton, MA, USA) โดยให๎แรงกับตัวอยําง 5565, Instron Corp., Canton, MA, USA) โดยการตัดตัวอยําง โฟมและวัดคําเป็น tensile strength และ elongation at braek จะต๎องอยูํในแนวเส๎นตรงตั้งฉากกับแกนของตัวอยําง แรงที่ใช๎ในการ และ Young’s modulus ซึ่งขึ้นรูปชิ้นงานจากสูตรคอมปาวนด์ที่ กดอัดที่ 80% ของคํา compression strain ความเร็วที่ใช๎ในการกด พัฒนาขึ้นเองโดยหลักการกดอัดขึ้นรูปในแมํพิมพ์ด๎วยเครื่องกดอัด อัด 10 mm/min พลาสติกที่ความดัน 100 bar ที่อุณหภูมิ 160-180°C ทดสอบการไหลตัวโดยนาไปหาคําการไหลตัวของพลาสติกตาม 3 ผลและวิจารณ์ การศึ กษาวิ จั ยนี้ ได๎ เน๎ นใช๎ วั ตถุ ดิ บที่ ได๎ จากแป้ งมั นส าปะหลั ง มาตรฐาน ASTM หมายเลข D1238 ที่อุณหภูมิ 190°C การทดลองได๎ เลื อกใช๎ มั นส าปะหลั งดั ดแปรชนิ ดอะซิ เลตซึ่ งจาก 2.5 ทดสอบคุณสมบัติการขึ้นรูปโฟม อัตราการขยายตัวของตัวอยํางหลังผํานกระบวนการอัดพองด๎วย คุณสมบัติของแป้งมันสาปะหลังจะมีความหนืดสูงกวําแป้งชนิดอื่นๆ เครื่องเอกซ์ทรูชั่น คานวณจากผลหารของเส๎นผํานศูนย์กลางของ สํ งผลตํ อกระบวนการผลิ ตโฟมซึ่ งอาจจะสํ งผลให๎ แ ป้ งไหม๎ ติ ด ตั วอยํ างโฟมที่ ผํ านกระบวนการเอกซ์ ทรู ชั่ นออกมากั บเส๎ นผํ าน เครื่องมือการผลิตบริเวณที่ใช๎ความร๎อนสูง และพอลิเมอร์ที่ใช๎ในการ ทดลองคือ PBS จากคุณสมบัติของ PBS เป็นพอลิเมอร์ที่สามารถ ศูนย์กลางของหัวดายโดยใช๎ vernier caliper เป็นเครื่องมือวัด ความหนาแนํ น (g/cm3) วั ดโดยการประยุ กต์ ใช๎ ตามวิ ธี ของ ยํอยสลายได๎ในธรรมชาติ มีความหนืดคํอนข๎างสูงและคํา Tm ต่า Bhatnagar and Hanna (1996) โดยใช๎วิธีการแทนที่ด๎วยทรายใน (~108°C) และในการทดลองเริ่มจากการผลิต TPS โดยใช๎แป้ง กระบอกตัวอยํางขนาด 100 ml ใสํตัวอยํางไปในกระบอกตัวอยําง มั น ส าปะหลั ง ผสมกั บ กลี เ ซอรอล 30% อุ ณ ภู มิ ใ นการผลิ ต หลังจากนั้นใสํทรายลงไปในภาชนะทรงกระบอกตามพื้นที่วํางของ 110-140°C พบวําลักษณะของตัวอยํางจะมีลักษณะปรากฏ ใส นุํม มีความเป็นพลาสติก และนา TPS ที่ได๎ผสมกับพอลิเมอร์ชนิด PBS 67

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 64-71 น้าหนักตํางกันก็นาไปหาคําการกระจายตัวของน้าหนักโมเลกุลของ พลาสติก หรือ molecular weight distribution ซึ่งในการทดสอบ หาคํา MFI ตามมาตารฐาน ASTM พบวํา คําอัตราการไหลของเรซิน ที่มีปริมาณ TPS 20 30 และ 40% มีคําใกล๎เคียงกันอยูํที่ประมาณ 47-50 g/10 min Figure 3 แสดงให๎เห็นวํา TPS มีผลตํอการไหล ของเรซินผสมสํงให๎ความหนืดลดลงอาจจะสํงผลตํอกระบวนการผลิต โฟมซึ่งจะต๎องอาศัยความหนืดของพอลิเมอร์เพื่อให๎พอลิเมอร์มีการ ต๎ า นแรงยกของแก๏ ส ตํ อ ผนั งเซลล์ โ ฟม ไมํ ใ ห๎ แ ก๏ ส ละลายผํ า น พอลิเมอร์เมทตริกกํอนการเกิดเป็นโฟม 300

Tensile strength (MPa) Young’s Modulus (MPa)

ทย

100

ระ เท ศไ

MPa

200

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ท าการผลิ ต เม็ ด เรซิ่ น ด๎ ว ยเครื่ อ งเอกซ์ ท รู เ ดอร์ ที่ คํ า อุ ณ หภู มิ 110-140°C ผลการทดสอบสมบัติทางกลของตัวอยํางเรซินผสมกํอนการขึ้น รูปโฟมพบวํา คํา tensile strength จะมีคําลดลงเมื่อปริมาณ TPS เพิ่มขึ้นดัง Figure 1 ที่ปริมาณ TPS 40% คํา tensile strength จะมีคําต่าที่สุดเทํากับ 16.09 MPa และที่ปริมาณ TPS 0% จะมีคํา สูงที่สุดเทํากับ 33.95 MPa จะเห็นวําคํา tensile strength ลดลงถึง 2.11 เทําเมื่อเทียบกับปริมาณ TPS 40% และสภาพการยืดหยุํน สามารถอธิ บ ายจากคํ า Young’s modulus เมื่ อ ปริ ม าณ TPS เพิ่ มขึ้ น คํา Young’s modulus มี แนวโน๎ มลดลงแสดงวํ าปริ มาณ TPS ที่ เพิ่ มขึ้ นสํ งผลตํ อความยื ดหยุํ นของตั วอยํ างเรซิ นผสม คําดังกลําวสอดคล๎องกับงานวิจัยของ Huneault and Li (2007) ซึ่งได๎ศึกษาสัณฐานวิทยาและคุณสมบัติของการเข๎ากันได๎ระหวําง polylactic acid (PLA)/TPS ผสม พบวําเมื่อปริมาณ TPS เพิ่มขึ้น คํา tensile strength Young’s modulus และ elongation at break มี แ นวโน๎ ม ลดลง เมื่ อ เติ ม PLA ที่ ถู ก graft ด๎ ว ย maleic anhydride ลงไปในสํวนผสมพบวําคํา elongation at break จะ เพิ่มขึ้น และที่ปริมาณ TPS 46% จะมีคํา elongation at break สูง ที่สุด และ Jun (2000) ได๎ทาการศึกษาการผสม PLA กับแป้ง โดยใช๎ แป้ ง ข๎ า วโพดและตั วท าละลายแป้ ง 3 ชนิ ด คื อ toluene diisocyanate (TDI), isoporone diisocyanate (IPD), diethylene triamine, 1 ,6 -diisocyanatohexane (DIH), แ ล ะ 4 ,4 ′-methylenebis(phen-ylisocyanate) (MDI) พ บ วํ า เ มื่ อ ปริมาณแป้งเพิ่มขึ้น คํา tensile strength Young’s modulus และ elongation at break ลดลง และปริมาณของแป้งที่ 25% สูตรที่ เติม TDI ให๎คํา tensile strength สูงที่สุด และสูตรที่เติม DIH ให๎คํา elongation at break สูงที่สุด แตํปริมาณของแป้งที่ 25% และ 50% มีคํา elongation at break ไมํแตกตํางกันมาก ซึ่งสอดคล๎อง ในการทดลองนี้ซึ่งคํา elongation at break มีแนวโน๎มคํอนข๎างคงที่ ดัง Figure 2 คํ าอั ตราการไหลของพอลิ เมอร์ สามารถบํ งบอกถึ งสภาพของ พอลิเมอร์ครําวๆ เมื่ออยูํในเครื่องเอกซ์ทรูชัน นอกจากนี้ยังสามารถ ใช๎ในการบอกคําน้าหนักของโมเลกุลของเม็ดพลาสติก (molecular weight) ได๎ ถ๎าพอลิเมอร์ที่ทดสอบหา melt flow rate มีคําสูงก็ แส ด งวํ า พอลิ เ ม อร์ นั้ นมี คํ า molecular weight ต่ า แ ล ะ ขณะเดียวกัน melt flow rate ยังบอกถึงความสามารถในการหลอม ไหลของวัสดุภายใต๎แรงดัน ในทางกลับกัน melt flow rate ยังใช๎ใน การวิเคราะห์หาคําความหนืดของวัสดุภายใต๎สภาวะการรับแรงตํางๆ อัตราสํวนระหวํางคําการทดสอบหา melt flow rate 2 ครั้ง ที่คํา

PBS

TPS20

TPS30

TPS40

Figure 2 Elongation at break. 60

Melt flow index (g/10 min)

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

Figure 1 Tensile strength and Young’s modulus.

50 40 30 20 10 0 PBS

TPS20

TPS30

TPS40

Figure 3 Melt flow index (MFI). ตัวอยํางโฟมที่ได๎จากกระบวนการขึ้นรูปด๎วยเครื่องเอกซ์ทรูชั่นที่ สภาวะเหมาะสมถูกแสดงใน Figure 4 พบวําสูตรคอมปาวนด์ที่ผู๎วิจัย

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 64-71

Expansion ratio (mm)

Expansion (%)

สม

าค ม

วิศ

วก

รร

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

ระ เท ศไ

ทย

Density (kg/m3)

2500 คิ ดขึ้ นเมื่ อน าไปผํ านกระบวนการขึ้ นรู ปด๎ วยเครื่ องเอกซ์ ทรู ชั่นที่ สภาวะเหมาะสมสามารถทาให๎เกิดการขยายตัวของตัวอยํางโฟมได๎ 2000 และพบวําอัตราการขยายตัวของโฟมมีคําแปรผกผันกับปริมาณแป้ง 1500 ที่ผสมในสูตรคอมปาวนด์ที่นามาขึ้นรูป ดังจะเห็นได๎จาก Figure 4 1000 (A) ซึ่งเป็นโฟมที่ขึ้นรูปจากเรซิน PBS มีการพองตัวของโฟมมากที่สุด เนื่องจากไมํได๎มีการผสมแป้งและมีอัตราการขยายตัวลดลงเมื่อเพิ่ม 500 ปริ มาณแป้ งในสู ตรคอมปาวนด์ ที่ น ามาขึ้ นรู ป แตํ อยํ างไรก็ ตาม 0 หากพิจารณาขนาดของโฟมที่ผํานการขึ้นรูปแล๎วพบวํา การขึ้นรูป PBS TPS20 TPS30 TPS40 โดยใช๎สูตรคอมปาวนด์ TPS20 โฟมมีขนาดสม่าเสมอ นอกจากนั้น Figure 5 Density of foam. แล๎ วบริ เวณผิ วของตั วอยํ างยั งมี ลั กษณะเรี ย บซึ่ งเป็ นลั กษณะที่ พึงประสงค์ของโฟม สาหรับสูตรคอมปาวนด์ TPS30 และ TPS40 พิจารณา Figure 6 พบวําอัตราการพองตัวของโฟมมีคําสูงมาก พบวําถึงแม๎สูตรคอมปาวนด์ดังกลําวจะสามารถขึ้นรูปโฟมได๎แตํมี โดยเฉพาะการขึ้นรูปโฟมโดยใช๎เรซิน PBS ซึ่งมีอัตราการพองตัวสูง ขนาดไมํสม่าเสมอ มากกวํา 400% และมีคําอัตราการพองตัวลดลงเมื่อเพิ่มปริมาณแป้ง ในสูตรคอมปาวนด์ที่นามาขึ้นรูปโฟม แตํอยํางไรก็ตามกลับพบวํา C D A B อัตราการพองตัวของตัวอยํางโฟมต่าสุดยังมีคําสูงกวํา 200% ซึ่งจาก ผลดังกลําวเป็นดัชนีบํงชี้ได๎เป็นอยํางดีถึงขีดความสามารถของสูตร คอมปาวนด์ที่ผู๎วิจัยได๎คิดขึ้นวําสามารถนาไปผลิตเป็นโฟมได๎ถึงแม๎ จะมีปริมาณแป้งเป็นสํวนผสมอยูํในปริมาณมากก็ตาม ในการทดลอง นี้มีทิศทางของอัตราการพองตัวของโฟมตรงข๎ามกับ Xu and Hanna (2005) ซึ่งได๎ศึกษาการเตรียมและคุณสมบัติของโฟมที่ยํอยสลายได๎ ในธรรมชาติ จ ากแป้ ง ชนิ ด อะซิ เ ตทกั บ poly(tetramethylene adipate-co-terephthalate) โดยปริมาณแป้ง 60-100% และผลิต โฟมด๎วยเครื่องเอกซ์ทรูชั่นชนิดสกรูคูํใช๎เอทานอลและน้าเป็นสาร Figure 4 Loose-fill foam by extrusion process (A) PBS, (B) กํอโฟม พบวําเมื่อปริมาณแป้งลดลงอัตราการพองตัวของโฟมลดลง TPS20, (C) TPS30 and (D) TPS40. ซึ่งอัตราการพองตัวของโฟมมีคําสูงที่สุดที่ประมาณ 27 ที่ปริมาณ ใน Figure 5 แสดงให๎เห็นวําความหนาแนํนของโฟมมีคําแปรผัน แป้ง 95% ตามปริมาณของแป้ งที่ผสมในสู ตรคอมปาวนด์ กลําวคื อเมื่ อเพิ่ ม 600 20 อัตราการพองตัว (%) ปริมาณแป้งในสูตรคอมปาวนด์ให๎มีคําเพิ่มมากขึ้นจะสํงผลให๎โฟมที่ 500 อัตราการพองตัว (mm) ผํานกระบวนการขึ้นรูปแล๎วมีคําความหนาแนํนเพิ่มมากขึ้นตามไป 15 400 ด๎วย ซึ่งความสัมพันธ์ดังกลําวสามารถบํงชี้ได๎วําการเพิ่มปริมาณแป้ง 300 10 ในสูตรคอมปาวนด์จะสํงผลให๎อัตราการขยายตัวของโฟมมีคําลดลง 200 อั ตราการพองตั วของตั วอยํ างโฟมเป็ นดั ชนี บํ งชี้ ส าคั ญถึ งขี ด 5 100 ความสามารถของสูตรคอมปาวนด์และกระบวนการขึ้นรูปโฟม โดย ผลการวัดอัตราการพองตัวของตัวอยํางโฟมที่ได๎จากงานวิจัยนี้ถูก 0 0 PBS TPS20 TPS30 TPS40 แสดงไว๎ใน Figure 6 Figure 6 Expansion ratio of foam.

คํา compressive strength เป็นคําความสามารถของโฟมในการ ต๎านแรงกดที่กระทาตํอโฟมจนเสียรูปหรือรับแรงกดตํอไปอีกไมํได๎ ซึ่งเป็นคําแรงที่มากที่สุดที่โฟมสามารถรับแรงกดได๎ คําดังกลําวยัง 69

Thai Society of Agricultural Engineering Journal Vol. 20 No. 1 (2014), 64-71

20 15 10

รร

5 0

วิศ

TPS20 TPS30 TPS40 PP-Foam

าค ม

PBS

Figure 7 Compressive strength of foam.

สม

100 50 0

PBS

TPS20 TPS30 TPS40 PP-Foam

Figure 8 Rate of return of foam.

ระ เท ศไ

ทย

4 สรุป การพั ฒนากรรมวิ ธี การผลิ ตวั สดุ กั นกระแทกยํ อยสลายได๎ ใน ธรรมชาติจากแป้งมันสาปะหลัง เริ่มต๎นจากการพัฒนาคิดค๎นสูตร คอมปาวนด์สาหรับทา loose-fill foam ที่มีแป้งเป็นสํวนผสมหลัก เทคนิคการผลิตเรซินคอมปาวนด์ครอบคลุมเรื่องกระบวนการแปรรูป แป้งเป็น thermoplastic starch และการปรับปรุงสมบัติเชิงกลสูตร คอมปาวนด์ให๎เหมาะแกํการผลิตเป็ นแผํ นไมโครเซลโฟม ผลการ ศึกษาวิจัยพบวําการเพิ่มความยืดหยุํนสูตรคอมปาวนด์ทาได๎โดยการ เพิ่มสารเติมแตํงในเฟสผสม เชํน PBS และสารเติมแตํงอื่นๆ ทั้งนี้ ปริมาณสารเติมแตํงที่ใช๎มีผลตํอการเข๎ากันได๎ของเฟสผสม และขึ้น รูปโฟมแบบตํอเนื่องโดยเครื่องเอกซ์ทรูชั่นในการผลิตพบวํา อั ตรา การพองตัวของโฟมเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณแป้งลดลง และความหนาแนํน ของโฟมเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณแป้งเพิ่มขึ้น นอกจากนี้แป้งยังมีผลทาให๎ คํา compressive strength สูงขึ้นเมื่อปริมาณแป้งเพิ่มขึ้น และการ คืนตัวของโฟมหลั งจากขั้นตอนการ compression สํงผลให๎ ทราบ ความนุํมของโฟมที่มีแป้งเป็นสํวนผสม

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

วก

Compressive Stress (MPa)

150

Rate of return (%)

บํงบอกถึงความแข็งของโฟมได๎ด๎วย และจาก Figure 7 แสดงถึงคํา compressive strength ที่ เ ปลี่ ยนแปลงตามปริ มาณ TPS ที่ เปลี่ ยนไป เมื่ อปริ มาณ TPS เพิ่ มขึ้ น สํ งผลให๎ คํ า compressive strength เพิ่ มขึ้ น และที่ ปริ มาณ TPS 40% มี คํ า compressive strength สู งที่ สุ ด และปริมาณ TPS 0% มี คํา compressive strength ต่าสุด ที่ 16.24 และ 10.60 MPa ตามลาดับ เมื่อเทียบ กั บ โฟมทางการค๎ า (PP-Foam) ซึ่ งมี คํ า compressive strength เทํากับ 0.09 MPa แสดงให๎เห็นถึงตัวอยํางโฟมที่ได๎จากการทดลอง ยังมีความแข็งน๎อยกวําโฟมทางการค๎า และจากการทดลองสอดคล๎อง กับงานวิจัยของ Xu and Hanna (2005) พบวําคํา compressibility มีคําเพิ่มเมื่อปริมาณแป้งลดลง คํา compressibility สูงที่สุดเทํากับ 6.93 MPa ที่ปริมาณแป้ง 60% ซึ่งจะเห็นได๎วําแป้งสํงผลให๎โฟมมี ลักษณะที่นุํมขึ้น ดังนั้นแป้งจึงเป็นวัตถุดิบที่นําสนใจในการผลิตโฟม พร๎ อ มทั้ ง ยั ง เป็ น พอลิ เ มอร์ ที่ ยํ อ ยสลายได๎ ใ นธรรมชาติ ด๎ ว ย กระบวนการยํอยของจุลินทรีย์

นอกจากนี้ TPS ยังมีผลตํอคําการคืนตัวของโฟมหลังจากขั้นตอน การ compression ดัง Figure 8 ซึ่งอัตราการคืนตัวที่ TPS ปริมาณ 40% ที่อัตราการคืนตัว 66% และอัตราการคืนตัวต่าสุดคือ 47% ที่ ปริมาณ TPS 0% ซึ่งมีอัตราการคืนตัวเกิน 50% เป็นแนวทางที่ดีใน การใช๎แป้งเป็นสํวนผสมเพื่อผลิตเป็นโฟม และเมื่อเทียบกับโฟมทาง การค๎าอัตราการคืนตัวสูงถึง 99%

5 กิตติกรรมประกาศ คณะผู๎ วิ จั ยขอขอบคุ ณมหาวิ ทยาลั ยเทคโนโลยี สุ รนารี ในการ สนั บสนุ นงบประมาณเพื่ องานศึ กษาวิ จั ยครั้ งนี้ และขอขอบคุ ณ ศูนย์เครื่องมือวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และหนํวยวิจัยนวัตกรรม บรรจุ ภั ณฑ์ และอาหาร มหาวิ ทยาลั ยเทคโนโลยี สุ รนารี จั งหวั ด นครราชสี มา ที่ ได๎ อ นุ เคราะห์ สถานที่ เครื่ องมื อ และอุ ปกรณ์ ในการศึกษาวิจัย 6 เอกสารอ้างอิง Anon, 1996. Ethanol production down but packaging and adhesive uses are up. Economic Research Service, USDA, Industrial Uses, IUS-6, 12-16. Boehmer, E.W., Hanlon, D.L. 1993. Biodegradable expanded foam material. US Patent No. 5,272,181.

วารสารสมาคมวิศวกรรมเกษตรแหํงประเทศไทย ปีที่ 20 ฉบับที่ 1 (2557), 64-71

รร

วก

วิศ

าค ม

สม

ระ เท ศไ

ทย

Lacourse, N.L., Altieri, P.A. 1991. Biodegradable shaped products and the method of preparation thereof. US Patent No. 5,043,196. Myllarinen, P., Buleon, A., Lahtinen, R., Forssell, P. 2002. The crystallinity of amylose and amylopectin films. Carbohydrate Polymers 48, 41-48. Nabeshima, E.H., Grossmann, M.V.E. 2001. Functional properties of pregelatinized and cross-linked cassava starch obtained by extrusion with sodium trimetaphosphate. Carbohydrate Polymers 45, 347-353. National Starch and Chemical Co. 2000. Pregelatinized starches obtained from different botanical sources as binders in high-shear wet granulation system. Poster#1283 presented at the AAPS 2000 annual meeting. Neumann, P.E., Seib, P.A. 1993. Starch-based biodegradable packing filler and method of preparing same. US Patent No. 5,248,702. Peterson, J.M., Bartoshuk, L.M., Duffy, V.B. 1999. Intensity and preference for sweetness influenced by genetic taste variation. Journal of the American Dietetic Association, 99(supply 1), A-28. Shogren, R.L., Lawton, J.W., Tiefenbacher, K.F. 2002. Baked starch foams: starch modifications and additives improve process parameters, structure and properties. Industrial Crops and Products, 16, 69-79. Tormey, B.C., Altieri, P.A., Rose, R.R. 1996. Expanded starchbased shaped products and the method of preparation thereof. European Patent No. 0712883. Tsai, J., Kulp, C.L., Maliczyszyn, W., Altieri, P.A., Rawlins, D.C. 1999. Starch foam products with improved flexibility and the method of preparation thereof. US Patent No. 5,863,342. Wollerdorber, M., Bader, H. 1998. Influence of natural fibers on the mechanical properties of biodegradable polymers. Industrial Crops and Products, 8, 105-112. Xu, Y., Hanna, M.A. 2005. Preparation and properties of biodegradable foams from starch acetate and poly(tetramethylene adipate-co-terephthalate). Carbohydrate Polymers, 59, 521-529.

สง มเ วน กษ ลิข ตร สิท แห ธิ์ ่งป

Biby, G., Hanna, M., Fang, Q. 2001. Water resistant degradable foam and method of making the same. US Patent No. 6,184,261. Bhatnagar S., Hanna M.A. 1996. Physical, mechanical, and thermal properties of starch-based plastic foam. Transactions of ASAE, 38, 567–571. Fang, Q., Hanna, M.A. 2001. Preparation and characterization of biodegradable copolyester starch based foams. Bioresource Technology, 78, 115-122. Gilbert, R.D., Kadla, J.F. 1998. Chapter 3 PolysaccharidesCellulose in Biopolymers from Renewable Resources (Kaplan D.L.), Spinger, Verlag Berlin Heidelberg, Germany. Guan, J., Hanna, M.A. 2004. Functional properties of extruded foam composites of starch acetate and corn cob fiber. Industrial Crops and Products, 19, 255–269. Harish, P.K.V., Kittur, F.S., Tharanathan, R.N. 2002. Solid state structure of chitosan prepared under different Ndeacetylating conditions. Carbohydrate Polymers, 50, 27-33. Hudson, S.M., Smith, C. 1998. Chapter 4 Polysaccharides: Chitin and Chitosan: Chemistry and Technology of Their Use ad Structure Materials, in Biopolymers from Renewable Resources (Kaplan D.L.). Spinger, Verlag Berlin Heidelberg, Germany. Huneault, M.A., Li, H. 2007. Morphology and properties of compatibilized polylactide/ thermoplastic starch blends. Polymer, 48, 270-280. Jane, J.L., Zhang, S.S. 1998. Soy protein-based thermoplastic composition for foamed articles. US Patent No. 5,710,190. Jun, C.L. 2000. Reactive Blending of Biodegradable Polymers: PLA and Starch. Journal of Polymers and the Environment, 8, 33-37. Knight, A.T. 1994. Starch derived shaped articles. US Patent No. 5,314,754. Lacourse, N.L., Altieri, P.A. 1991. Biodegradable shaped products and the method of preparation thereof. US Patent No. 5,035,930.