Biosensor สำหรับการวิเคราะห์อาหาร
อุตสาหกรรมเกษตรA Turner (Cranfield Biotechnology Center, Bedford, UK) เป็นผู้ที่กล่าวถึงความเป็นไปได้ในการใช้ biosensor สำหรับวิเคราะห์อาหาร ในการบรรยายแรกคือ biosensor แบบพกกระเป๋า ที่มีความสามารถในการวัดตัวอย่างหลายชนิดแบบ on-the-spot กำลังเป็นที่สนในในอุตสาหกรรมอาหาร สิ่งที่น่าสนใจพอกันคือความเป็นไปได้ในการตรวจวัดแบบ On-Line ของ parameter ที่ซับซ้อนทางชีวเคมีในระหว่างกระบวนการผลิตอาหารต่างๆ ซึ่ง biosensor จะวัดค่า parameter ที่ไม่สามารถตรวจสอบได้ง่ายด้วยการวิเคราะห์แบบธรรมดาในขณะที่มีการผลิตอยู่ ความสามารถในการวัดและให้ข้อมูลอย่างต่อเนื่องของ biosensor จะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการควบคุมกระบวนการผลิต รวมทั้งความไวของ biosensor ที่มีต่อสารพิษต่างๆ ได้ทำให้ biosensor กลายเป็นคู่แข่งที่สำคัญต่อสัญญาณบอกเหตุช่วงกว้าง (broad-alarms) ในอีกแง่หนึ่งคุณสมบัติความจำเพาะอย่างยิ่งของ enzyme ยังช่วยในการจัดจำแนกสารชนิดเดียวกัน ที่มีโครงสร้าง stereoisomer ต่างกันได้ ซึ่งจะทำให้ได้ข้อมูลขององค์ประกอบอาหารที่วิเคราะห์ถูกต้องมากยิ่งขึ้นสำหรับสารตกค้างที่มีปริมาณน้อย เช่น สารฆ่าแมลง, สารฆ่าหญ้า, สารปฏิชีวนะ และฮอร์โมน ก็ได้มีการพัฒนาอุปกรณ์ที่สามารถวิเคราะห์สารที่มีปริมาณเล็กน้อยเหล่านี้แล้ว การพัฒนาในเรื่องดังกล่าวอาจต้องอาศัยอุปกรณ์ทาง immunosensor ซึ่งสามารถนำมาใช้งานได้หลากหลาย เช่น การจำแนกความแตกต่างของเนื้อ และการตรวจสอบชนิดของจุลินทรีย์ คุณสมบัติ พร้อมทั้งประโยชน์ของ biosensor ในอุตสาหกรรมอาหาร
Turner คิดว่าในอุตสาหกรรมการผลิตและการควบคุมคุณภาพของอาหาร จะเป็นแหล่งสำคัญที่จะสามารถถ่ายทอดเทคโนโลยีทางการแพทย์ระดับสูง ได้เป็นอย่างดี อย่างไรก็ตาม ความร่วมมือระหว่างประเทศ, กฎหมายรองรับ และการตอบสนองของทุกๆ คน จะช่วยส่งเสริมการแพร่หลายของเทคโนโลยี biosensor ในการควบคุมสิ่งแวดล้อม นอกเหนือไปจากการใช้งานหลักใน อุตสาหกรรมอาหาร ปัญหาสำคัญที่อาจเกิดขึ้นจะเกี่ยวกับเรื่องของตลาด, ความจำกัดของเทคโนโลยี และลักษณะเฉพาะของแต่ละอุตสาหกรรม ในเรื่องที่เกี่ยวกับอุตสาหกรรมอาหารนั้น ในการสัมมนาวันที่สอง N.Morris (Unilever Research, Bedford, UK) ชี้ให้เห็นถึงลักษณะบางประการ ที่ทำให้ยากแก่การนำ biosensor มาใช้งาน อันได้แก่ความแตกต่างกันอย่างมากของวัสดุอุปกรณ์, การประดิษฐ์ และความแตกต่างทางสภาวะแวดล้อมอื่นๆ อีกมากมาย ตัวอย่าง เช่น pH-sensor ซึ่งแม้จะได้รับการพัฒนามาอย่างดีแล้วก็ตาม ก็ยังก่อให้เกิดปัญหาขึ้นได้ในขณะที่ทำการใช้งานในโรงงาน
ถึงแม้ว่าจะมีปัญหาเกิดขึ้นก็ตามที Morris ก็ยังตั้งความหวังในส่วนของการนำ biosensor ไปใช้งานอยู่ เขาได้ชี้ให้เห็นถึงวิถีทางต่างๆ มากมาย ที่จะนำ biosensor ไปใช้กับเครือข่ายของอุตสาหกรรมอาหาร ตั้งแต่วัตถุดิบ ไปยัง supplier และจากผู้ผลิตไปยังสินค้า รวมทั้งในการจัดจำหน่าย ความต้องการตัวบ่งชี้คุณภาพและความแตกต่างของวัตถุดิบในแต่ละฤดูกาล ซึ่งอาจทราบได้โดยการวัดค่าน้ำตาลทั้งหมดและการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ ในระหว่างกระบวนการผลิต การควบคุมกระบวนการดำเนินไปได้ด้วยการวัด parameter ทางฟิสิกส์ และเคมีหลายค่า ได้แก่ pH และปริมาณน้ำตาล จนถึงขั้นตอนสุดท้าย คุณภาพของสินค้าจัดเป็นสิ่งสำคัญที่หนึ่ง เครื่องมือที่สามารถวัดความเน่าเสีย โดยวัดค่า aldehydes, ketones หรือ เครื่องมือที่สามารถบอกให้ทราบถึง “กลิ่นไม่ดี” และ “กลิ่นสดใหม่” ได้เป็นสิ่งซึ่งถูกคาดหวังไว้อย่างสูงในอนาคต
Enzyme Biosensorsเมื่อมีการพัฒนา enzyme electrode กันนั้น parameterทั้งหลายที่มีอิทธิพลกับเอนไซม์โดยตรง จะต้องนำมาพิจารณาด้วยเสมอ ได้แก่ แหล่งของ enzyme, ความจำเพาะ, ปริมาณ, วิธีที่ใช้ตรึงเอนไซม์ และเสถียรภาพของ enzyme ในสภาวะที่ถูกตรึงนั้น ทั้งในระหว่างใช้งานและเก็บรักษา พร้อมทั้งความเหมาะสมกับสภาพการใช้งาน transducer นั้น ดังคำบอกเล่าของ P.R. Coulet (Universite Claude Bernard, Lyon, France) ในทางปฏิบัติ enzyme biosensor ที่วางจำหน่ายและที่ใช้ในกระยวนการทางชีวภาพนั้นจะสามารถ วิเคราะห์สารหลัก 2 ตัว คือ glucose และ lactate ได้ ข้อจำกัดดังกล่าวมีสาเหตุมาจากความยากลำบาก ซึ่งโดยปกติแล้วจะพบได้น้อยในระดับทดลอง แต่มักเกิดขึ้นได้ในระดับใหญ่ และการใช้งานกับตัวอย่างที่แท้จริง สำหรับ Coulet แล้ว เขาจะให้ความสนใจกับการเตรียมชั้นของเอนไซม์เป็นพิเศษ จุดประสงค์แรกก็คือเอนไซม์ที่จะนำมาใช้งานจะต้องเตรียมได้รวดเร็ว ราคาถูกใช้งานง่าย และย่อยสลายได้ ซึ่งจะต้องสามารถทำงานสัมพันธ์กับ electrochemical หรือ optical transducer ได้ ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการใช้ preactivated polyamide membranes ซึ่งทำให้เอนไซม์สามารถถูกตรึงในระยะเวลาสั้นเพียงไม่กี่นาที sensor ซึ่งพัฒนาขึ้นมาจากหลักการทาง electrochemistry นี้ สามารถวัดได้ตั้งแต่ glucose, lactate, phosphate และอื่นๆ การตรวจวัดสามารถกระทำได้ในอาหารหลากหลายชนิด คือ ไวน์, น้ำผึ้ง, แยม และผลิตภัณฑ์นม เมื่อเร็วๆนี้ได้มีการออกแบบ enzyme sensor ที่อาศัยหลักของเส้นใยนำแสง (fibre optic) พร้อมด้วยเอนไซม์เรืองแสงจากหิ่งห้อยสำหรับ ATP หรือจากแบคทีเรียเรืองแสง สำหรับ NADH ขึ้นเอนไซม์ที่เป็นองค์ประกอบร่วมมีชื่อว่า dehydrogenase ซึ่งถูกตรึงร่วมกับระบบเรืองแสงของแบคทีเรีย ได้ทำให้ของเขตในการวิเคราะห์ตัวอย่างเพิ่มขึ้นจากเดิมอีก อันได้แก่ sorbital, ethanol หรือ oxaloacetate Transduction ทั้งสองชนิดดังกล่าวช่วยให้ข้อจำกัดในการวิคราะห์สารลดน้อยลงและใช้งานได้กว้างขวางขึ้น สิ่งสำคัญคือ ตัวอย่างนั้นไม่ต้องถูกเตรียมเป็นพิเศษให้ยุ่งยาก ซึ่งเป็นสิ่งที่น่าสนใจมาก สำหรับการวิเคราะห์อาหาร
J.D.R. Thomas (University of Wales, Cardiff, UK) คิดว่าการวิเคราะห์ด้วย enzyme biosensor แบบ flow injection เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวิเคราะห์อาหารในงานประจำ เพื่อให้ได้ข้อมูลที่รวดเร็วและด้วยระบบนี้ เขาได้ทำการวัดความเข้มข้นของ glucose ในสตรอเบอร์รี่, ไอศกรีม, น้ำเชื่อม, glucose powder, lactose ในน้ำนม และ starch ในแป้ง
M.Mascini (University of Florence, ltaly) ได้เล่าความคืบหน้าของ biosensor เพื่อการวิเคราะห์อาหารในอิตาลีว่า กลุ่มนักวิจัยของเขาได้พัฒนา lactate biosensor สำหรับวัดการปนเปื้อนที่เกิดขึ้นในน้ำนมและยังมี ATP กับ Uric acid biosensor ซึ่งใช้วัดความสดใหม่ของปลาได้ สารอีกกลุ่มที่ได้รับความสนใจเป็นพิเศษ ในกลุ่มของอุตสาหกรรมอาหาร คือ สารฆ่าแมลง โดยกิจกรรมของ Acetylcholinesterase จะถูกยับยั้งโดยสารฆ่าแมลงในกลุ่ม phosphoric และ carbamic และในอิตาลีกำลังสนใจใช้ค่า “total anticholin esterase activity” เป็นดรรชนีที่บ่งบอกปริมาณของสารฆ่าแมลง ในน้ำดื่มด้วย
สำหรับในประเทศเยอรมันนั้น A. Warsinke (University of Potsdaus, Germany)ได้พูดถึง enzyme biosensor หลายชนิดที่ใช้วิเคราะห์อาหารเช่น biosensor ที่วัดปริมาณ glucose และ sucrose ในผงโก้โก้สำเร็จ, lactose ในน้ำนม, putrescine ซึ่งเป็นดัชนีบอกความสดของปลา, gluconolactone ในน้ำหมัก และ essential fatty acid ในน้ำมัน
Commercial biosensorsU.Jonsson (Pharmacia Biosensor, Uppsala, Sweden) เป็นผู้เดียวที่กล่าวถึง optical biosensor ในครั้งนี้ คือในปี 1990 Pharmacia ได้เปิดตัว optical biosensor เครื่องแรกคือ BIAcore ขึ้น ต่อมาไม่นานนัก BIAcore ได้ถูกตีพิมพ์ขึ้นมาประมาณ 90 ฉบับ biosensor ชนิดนี้ถูกนำไปใช้ในทางยาเป็นส่วนใหญ่ ได้แก่ antibody characterization, epitope mapping, drug design, immunoassay development จวบจนปัจจุบันก็ยังไม่มีการนำ BIAcore ไปใช้งานด้านอาหาร อย่างไรก็ดี Pharmacia เองก็กำลังมองหาความเป็นไปได้ในการนำ BIAcore เข้าสู่ตลาดอาหารให้ได้ T.D.Gibson (University of Leeds, UK) ได้แสดงผลงานทาง biosensor ของYellow Springs lnstruments (USA) ซึ่งเป็น enzyme biosensor ที่สามารถวิเคราะห์ตัวอย่างได้หลายชนิด ได้แก่ glucose, lactate, lactose, methanol,ethanol, galactose, glutamate และ sucrose การทำให้เอนไซม์คงตัวใน biosensor จัดว่าเป็นขั้นตอนที่มีความสำคัญมากในขั้นตอนการผลิต sensor โดยส่วนใหญ่แล้วอายุของ biosensor ไม่ว่าจะใช้หรือไม่ใช้งานก็ตาม จะถูกกำหนดด้วยเสถียรภาพของเอนไซม์ Gibson ยังชี้ให้เห็นอีกว่ากิจกรรมเอนไซม์ของ alcohol biosensor จะสูญเสียไปถึง 95-100 % ถ้าหากเก็บไว้ที่ 370C นานเกิน 14 วัน หรือ sensor โดยส่วนใหญ่แล้วอายุของ biosensor ไม่ว่าจะใช้หรือไม่ใช้งานก็ตาม จะถูกกำหนดด้วยเสถียรภาพของเอนไซม์ Gibson ยังชี้ให้เห็นอีกว่ากิจกรรมเนไซม์ของ alcohol biosensor จะสูญเสียไปถึง 95-100 % ถ้าหากเก็บไว้ที่ 370C นานเกิน 14 วัน หรือ sensor ถูกทำให้แห้งในสภาวะที่ขาด stabilizer ในขณะที่ถ้า sensor ดังกล่าวมี stabilizer จะทำให้กิจกรรมเอนไซม์ ลดลงเพียง 25-30% หลังจากผ่านไป 35 วัน Stabilizers คือ สารประกอบพวก cationic polyelectrolytes และ polyhydroxyl additives ซึ่งทาง Leeds Biochemicals (UK)ได้ผลิตขึ้นจำหน่ายเป็นการค้าด้วย
Wine
Malolactic fermentation มีบทบาทสำคัญเกี่ยวข้องกับคุณภาพของไวน์แดงและไวน์ขาว รวมทั้งคุณสมบัติทางกลิ่นรสอีกด้วย เนื่องจากกระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยน L-malic เป็น L-lactic acid ดังนั้นหากสามารถวัดปริมาณของสารทั้งสองชนิดนี้ได้ในระหว่างกระกระบวนการหมักแล้ว จะทำให้สามารถควบคุมคุณภาพของไวน์ได้เป็นอย่างดี G-Palleschi (University of Rome, Italy) ได้แสดงถึงวิธีการวิเคราะห์สารทั้งสองชนิดดังกล่าวด้วยวิธีทางเคมีไฟฟ้า (electrochemistry)
Electronic nosesเช่นเดียวกับที่ Morris ได้กล่าวไว้ในตอนแรกแล้วว่า biosensor ถูกนำไปใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมอาหารที่ซึ่งคุณภาพและความเข้มข้นของกลิ่นรสได้ใช้ในการประเมินของวัตถุดิบ, กระบวนการผลิต, ผลิตภัณฑ์ และการบรรจุของผลิตภัณฑ์ การประมวลกลิ่นรสที่สลับซับซ้อนสามารถกระทำได้ดีที่สุด โดยผู้เชี่ยวชาญเฉพาะด้านซึ่งจำเป็นจะต้องอาศัยวิธีการวิเคราะห์ที่ทันสมัย เช่น gas chromatography, mass spectrometry (GC-MS) แต่อย่างไรก็ตามวิธีดังกล่าว ก็ยังใช้เวลานานและเสียค่าใช้จ่ายสูง ดังนั้นเครื่องมือวัดกลิ่นและรสที่ทำงานได้รวดเร็วจึงเป็นที่ต้องการอย่างมาก เครื่องมือชนิดนี้จะต้องสามารถประเมินกลิ่นและรสที่ทำงานได้รวดเร็วจึงเป็นที่ต้องการอย่างมาก เครื่องมือชนิดนี้จะต้องสามารถประเมินกลิ่นและรสและแปลงค่าดังกล่าวให้ตรงกับการรับรู้ของมนุษย์ได้ K.C. Persaud (University of Manchester, UK) ได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับเรื่องนี้ว่า chemical sensor พวกโพลีเมอร์ของตัวนำอินทรีย์ชนิดต่างๆ จะถูกนำมาใช้งานในกรณีนี้ซึ่งสามารถแสดงความเปลี่ยนแปลงแบบย้อนกลับอย่างเร็วของความต้านทานไฟฟ้าได้ เมื่อนำไปสัมผัสกับสารระเหยได้ชนิดมีขั้ว ดังนั้นถ้านำอุปกรณ์ชนิดนี้ที่มีความจำเพาะกับสารเคมีต่างชนิดกัน มารวมกันเข้า จะทำให้สามารถแสดงผลลัพธ์ออกมาเป็นชุด ๆ ซึ่งสามารถใช้วิเคราะห์กลิ่นที่มีความซับซ้อนได้ ซึ่งขณะนี้ได้มีชุดผลลัพธ์สำหรับ acetone, ethyl acetate, methanol และ toluene แล้ว
Optimization of biosensor performance
L.Lin (University of Leeds, UK)ได้ช่วยให้การประชุมครั้งนี้สมบูรณ์ครบถ้วนมากยิ่งขึ้น ด้วยการนำ “EXPERT” computer modelling system อันมีประโยชน์อย่างมากในการทำให้ biosensor ทำงานได้ดีที่สุด เนื่องจาก biosensor เป็นเครื่องมือที่ประกอบด้วยส่วนประกอบอยู่หลายชิ้น ดังนั้นการทำให้ส่วนประกอบอยู่หลายชิ้น ดังนั้นการทำให้ส่วนประกอบทั้งหมดใช้งานได้ดีที่สุด จำเป็นต้องใช้ขั้นตอนมากมาย และเสียเวลาเป็นอันมาก แต่ “EXPERT” สามารถช่วยลดวิธีการที่ยุ่งยากดังกล่าว โดยอาศัยคณิตศาสตร์วิเคราะห์ขั้นสูง เข้ามาทำงานแทน
Conclusionsเทคโนโลยีทาง biosensor ได้ถือกำเนิดขึ้น เนื่องจากการพัฒนาอย่างมากมายเพื่อตลาดทางด้านการแพทย์ จากการประชุมเชิงวิชาการดังกล่าวทำให้สรุปได้ว่า biosensor สามารถวิเคราะห์ตัวอย่างในอาหารได้ทุกชนิด แต่เนื่องจากอุตสาหกรรมอาหาร มีความหลากหลายสูงทำให้การวิเคราะห์ตัวอย่างจากอาหารทุกชนิดมีรูปแบบที่จำเพาะแตกต่างกันออกไป ดังนั้นการจะหา biosensor ที่ทำงานได้ทุกอย่างตามความต้องการนั้นเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ อย่างไรก็ตาม การพัฒนา biosensor ให้มีความจำเพาะกับงานแต่ละประเภทนั้น จำเป็นที่จะต้องใช้ทั้งเวลาและกำลังเงิน ในขณะที่ผลกำไรจากอุตสาหกรรมอาหารนั้นมีเพียงไม่มากนัก ในอนาคตการร่วมทุนระหว่างประเทศ และกฎหมายรับรอง จะเป็นสิ่งจำเป็นในการสนับสนุนการแพร่หลายของเทคโนโลยีทาง biosensor ในอุตสาหกรรมอาหาร ในขณะเดียวกันสิ่งสำคัญที่จะต้องกล่าวถึงอันเป็นเหตุให้มีการผลิต biosensor ทางการค้าขึ้น คือการกำหนดความต้องการที่แน่นอน ซึ่งทำหใตัวแทนในภาคอุตสาหกรรมอาหารแต่ละประเภทจำเป็นที่จะต้องมาร่วมพบปะพูดคุยกัน ดังเช่นในครั้งนี้
ที่มา :
http://library.uru.ac.th/webdb/images/wn35.htm