เปิดคลิป 3D ดูโครงสร้างเซลล์ของเมล็ด Strawberry Field

เปิดคลิป 3D ดูโครงสร้างเซลล์ของเมล็ด Strawberry Field
X-ray Tomography เปิดมิติใหม่ในการวิเคราะห์กาแฟ (ตอน 2)

-------
เมื่อเดือนก่อน ผมนำภาพ X-ray ดูโครงสร้างภายในของเมล็ดกาแฟ โดยที่ไม่ได้ตัดหรือเฉือนเมล็ดออกเลย โดยไล่เรียงตั้งแต่ยังเป็น green bean ไปจนถึงคั่วเสร็จเป็น StrawberryFiled ที่คั่วขายจริงๆของปรีดา
[ ดูบทความตอน 1 ที่ลิงค์นี้เลย https://bit.ly/3idw1qC ]

คราวนี้ทางสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ได้กรุณา render เป็นคลิปสามมิติแบบค่อยๆปอกให้เห็นโครงสร้างเซลล์ทีละชั้น (layer) ตั้งแต่หัวเมล็ดยันท้ายเมล็ดกันเลย โดยทำเปรียบเทียบพร้อมกัน 2 เมล็ด คือ สารกาแฟ (ซ้าย) และเมล็ดกาแฟที่คั่วเสร็จแล้ว (ขวา) ผมเลยขออนุญาตทางทีมอาจารย์เอาออกมานำเสนอเป็นความรู้กัน
ส่วนตัวแล้วผมตื่นเต้นมากเลยครับ เพราะนี่เป็นก้าวใหญ่มิติใหม่ของวงการกาแฟไทยเลยนะที่มีการเอากาแฟมาวิเคราะห์ด้วยเทคนิคล้ำสมัยขนาดนี้
----
ทบทวนความเข้าใจเรื่องลำแสงซินโครตรอน (Synchrotron) และเทคนิคการทำ X-ray Tomography
ลำแสงซินโครตรอน (Synchrotron) คืออะไร?

ซินโครตรอนเป็นแสงความเข้มสูงที่มีค่าพลังงานต่อเนื่อง ครอบคลุมช่วงพลังงานกว้างตั้งแต่ช่วงของรังสีอินฟราเรดจนถึงรังสีเอ็กซ์ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย โดยต้องเริ่มต้นจากการมีเครื่องให้กำเนิดแสงที่ใช้หลักการยิงประจุอิเลคตรอนออกไปแล้วทำการเร่งประจุให้มีความเร็วสูงจนใกล้เคียงความเร็วแสง อิเลคตรอนก็จะปลดปล่อยอนุภาคโฟตอนหรือลำแสงซินโครตรอนออกมา

เมื่อได้แสงที่มีความเข้มสูงและย่านความถี่กว้าง เขาก็สามารถจะเลือกเอาย่านความถี่ไหนก็ได้ไปใช้ประโยชน์ในงานวิเคราะห์วิจัย โดยเฉพาะการดูโครงสร้างหรือองค์ประกอบของวัสดุต่างๆ ในระดับที่มีความละเอียดสูงมากๆ อย่างเช่นการเอาแสงในย่านความถี่ของรังสี X ไปส่องกระทบวัตถุ พอวัตถุเจอรังสี X ก็จะมีการดูดกลืนแสง มีการกระเจิงของแสง หรือมีบางสิ่งที่หลุดออกมาจากวัตถุ เขาก็เอาค่าที่ตรวจวัดได้หลังการทำ interaction นั้นไปวิเคราะห์ต่อไป

เมืองไทยเรามีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเพียงหนึ่งเดียวใน ASEAN อยู่ที่ในสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์กรมหาชน) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จ.นครราชสีมา ซึ่งถือว่าล้ำสมัยและเท่ห์มาก ๆ
----
X-ray Tomography คืออะไร?
คือการถ่ายภาพรังสีเอ๊กซ์โดยค่อยๆหมุนตัวอย่างไปทีละน้อย จนได้ภาพถ่ายหลายๆภาพซ้อนกันแล้วภาพเหล่านี้จะถูกนำไปสร้างใหม่ด้วยโปรแกรม เพื่อสร้างภาพ 3D ซึ่งคล้ายหลักการทำ CT Scan (Computed Tomography) ที่คนไข้ต้องเข้าไปในเครื่องนี้แล้ว X-ray ภายในเครื่องจะ expose ที่อวัยวะที่ต้องการถ่าย โดยที่เครื่องจะหมุนรอบๆ วัตถุ แต่ในกรณีของซินโครตรอน เราหมุนเครื่องไม่ได้เลยต้องหมุนวัตถุเอง

เมื่อเราใช้ X-Ray ที่ได้มาจากลำแสงซินโครตรอน เทคนิคนี้ก็เลยเรียกว่า Synchrotron Radiation X-ray Tomography (SRXTM)
รู้จักห้องวิจัย SRXTM เข้าเว็บไซต์นี้เลย https://xtmbeamline.wixsite.com/home
----

คลิปสแกนเมล็ดกาแฟ LTLH ทำให้เห็นอะไรบ้าง?
เราจะดูแบบเพลิน ๆ กันไปก่อนก็ได้นะครับ คือเห็นว่าเขาค่อยๆหมุนทีละแนวทั้งทางแนวตั้ง ทางแนวนอน และทางขวาง คือแสดงทุกๆแกนตั้งแต่ x-y-z หากเพื่อนดูไปเรื่อยๆก็จะเห็น anatomy ของเมล็ดทุกซอกทุกมุม จนจินตนาการเห็นถึงภาพการเติบโตของเมล็ดนี้ได้เลย

 
ส่วนผมเห็นเองเห็นประมาณนี้ครับ
1. เนื้อเมล็ดกาแฟทั่วไปมีโครงสร้างที่ไม่ได้ซับซ้อนอะไรมากคือ มีส่วนเนื้อที่มีลักษณะเหมือนแผ่นแป้งที่ห่อเป็นวงชนกันแบบปลายปิดแล้วถูกจับเบียดเข้าชิดกันอีกที พอห่อเบียดกันมากเข้าก็เกิดเป็นแนวเส้นกลางที่เรียกว่า center cut

2. Embryo หรือต้นอ่อนที่พักตัวรออยู่ในเนื้อเมล็ด จะฝังตัวเป็นแนวยาวตั้งแต่บริเวณหัวเมล็ดพาดยาวมาจนเกือบถึงกลางเมล็ด โดยเนื้อเมล็ด (seed) กับ embryo มีองค์ประกอบทางเคมีที่ต่างกัน นักคั่วกาแฟจะมีประสบการณ์เรื่องนี้ดีว่าเมื่อเราคั่วไปจนถึงประมาณคั่วกลาง แถวๆปลายด้านหนึ่งของเมล็ดจะเกิดจุดไหม้สีดำๆขึ้น ถ้าหากลองผ่าด้วยมีดคัตเตอร์ดูก็จะพบว่ามีห้องเล็กๆอยู่ตรงนั้นแล้วก็มีเศษวัสดุชิ้นเล็กๆที่ไหม้ติดคาอยู่ ซึ่งนั่นก็คือเอมบริโอที่ไหม้สลายตัวไปก่อนนั่นเอง

3. หากมองไปที่ภาพทางขวาซึ่งเป็นเมล็ดกาแฟคั่วที่ 204ºC เราเห็นรอยปริแตกที่เกิดจากการแตกตัว first crack และเห็นเอมบริโอที่ยังคงอยู่ภายในนั้น (ภาพเมล็ดคั่วกับภาพสารกาแฟจะแสดงตำแหน่งเอมบริโอที่ต่างกันเล็กน้อย เป็นเพราะว่าเมล็ดสารกับเมล็ดคั่วนั้นไม่ใช่เมล็ดเดียวกัน)

4. เรายังไม่เห็นการสลายตัวของเอมบริโอที่การคั่วอ่อน 204ºC ของ Strawberry Field

5. ขนาดรูพรุนในเนื้อเมล็ดกาแฟคั่วมีขนาดใกล้เคียงกันทั้งหมด ซึ่งแสดงถึงการพัฒนาตัวที่ขึ้นมาถึงระดับใกล้เคียงกันทุกจุดแล้ว

เสริมข้อมูลให้นิดนึงนะครับ เท่าที่เคยศึกษาจากงานวิจัยหลายชิ้น สนามอุณหภูมิหรือการกระจายตัวของอุณหภูมิในเมล็ดกาแฟระหว่างคั่วโดยปกติแล้วจะไม่ได้เท่ากันทั้งหมดเนื่องจากรูปทรงกึ่งวงรีของมัน โดยโซนที่มีอุณหภูมิต่ำสุดจะอยู่ที่แถว ๆ เนื้อด้านแบนของเมล็ด ส่วนโซนที่อุณหภูมิสูงสุดจะอยู่แถว ๆ ส่วนโค้งด้านล่างที่เกือบจะถึงด้านแบน โดยมีความแตกต่างกันราว ๆ 4ºC ระหว่างสองโซนนี้ ณ ช่วงที่กำลังจะเกิดแครก

การคั่วที่กาแฟพัฒนาตัวครบทั้งหมดหรือไม่จึงอาจจะถูกกำหนดตรงที่ว่า รูพรุนแถวๆโซนด้านแบนใกล้ center cut นี้มันขยายตัวพอหรือยัง? ถ้าหากว่ารูพรุนยังไม่เกิดมากพอ เราก็จะรู้สึกแข็งๆเหนียวๆด้านในเวลาเคี้ยวเมล็ดพวกนี้
----
ประโยชน์ที่ใหญ่กว่ารออยู่ข้างหน้า
เพียงแค่งาน prelim ของสถาบันฯ เราก็ได้ความรู้แบบที่ไม่เคยรู้และได้เห็นภาพที่ไม่เคยได้เห็นกันแล้ว
จะเป็นอย่างไรถ้าหากเรามีประเด็นที่ดี แนวทางที่ชัดเจนในการมุ่งหน้าค้นคว้าหาความรู้เพื่อสร้างประโยชน์กันต่อไป?
เชื่อเหลือเกินว่าในอนาคตอันใกล้จะมีผลงานดี ๆ จากสถาบันซินโครตรอนออกมาให้ชาวกาแฟได้เห็นกันอีก ซึ่งจะเป็นประโยชน์ให้แก่อุตสาหกรรมกาแฟไทยโดยรวมอย่างแน่นอน การพัฒนากันด้วยความรู้วิทยาศาสตร์แท้ๆจะช่วยให้พวกเราเจริญอย่างยั่งยืนได้แท้จริง

ผมได้แต่หวังว่าทุกอย่างจะเดินหน้าไปอย่างไม่มีอุปสรรค ที่สำคัญคือ นักวิจัยหรือคนทำงานที่มุ่งมั่นทั้งหลายเหล่านี้ต่างก็ต้องการแรงสนับสนุนครับ อย่างน้อยก็ขอกำลังใจ ให้แรงเชียร์ ท่ามกลางความผันผวนของคลื่นลมแรงในโลกกาแฟ...

เราก็ยังพอจะเห็นแสงแห่งความหวังจากประภาคารหลังนั้นกันอยู่บ้าง
ขอบคุณสำหรับการติดตามนะครับ

กี้ อาคม สุวัณณกีฏะ
4 ม.ค. 66

---

เครดิต
1.ขอขอบคุณทีมวิจัย XTM Beam line โดย ดร.แคทลียา โรจนวิริยะ สำหรับงานวิเคราะห์ XTM
2. ขอบคุณ ดร.กรองทอง กมลสรวงเกษม และ ดร.นิชาดา เจียรนัยกูร สำหรับการประสานงานและเป็นผู้จุดประกายความร่วมมือระหว่างปรีดาและสถาบันซินโครตรอน
3. ภาพและคลิปวีดิโอประกอบทางวิชาการทั้งหมดจากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนแห่งชาติ (องค์การมหาชน)