บทท 2 หลกการและทฤษฎ

2.1 การใหความรอนดวยไมโครเวฟ

เตาอบไมโครเวฟ ใหความรอนโดยการ แผคลนยานความถไมโครเวฟ โดยปกตจะใช ชวงความถ 2.45 กกะเฮรตซ (GHz) หรอ ความยาวคลน 12.24 เซนตเมตร การท าความรอนดวยคลนไมโครเวฟจะอาศยคณสมบตของการดดซบพลงงานจากคลนไมโครเวฟภายในวสด ซงวสดนเรยกวสดไดอเลกตรก (Dielectric Materials) วสดอเลกตรกคอวสดกงฉนวนทมโครงสรางพนฐานจลภาคทมลกษณะเปนขวทางไฟฟา (Dipole) เชนโมเลกลของน า เปนตน วสดจะดดซบพลงงานของคลนทผานเขาไปและเกดเปนความรอนขน ในกระบวนการทเรยกวา การเกดความรอนในสารไดอเลกตรก (Dielectric heating) เนองจากโมเลกลสวนใหญนนเปนโมเลกลทมขวไฟฟา คอ มประจบวก และ ประจลบทขวตรงกนขาม เมอคลนไมโครเวฟ ซงเปนสนามไฟฟาผานเขาไป โมเลกลเหลานกจะถกเหนยวน าและหมนขวเพอปรบเรยงตวตามสนามไฟฟาของคลน และคลนนเปนสนามไฟฟาทเปลยนแปลงสลบไปมาจงสงผลใหโมเลกลเหลานหมนกลบไปมา ท าใหเกดความรอนขน การใหความรอนดวยคลนไมโครเวฟนจะมประสทธภาพการเกดความรอนสงสด ในการใหความรอนแกน า และ ประสทธภาพต า เมอใหความรอนแก ไขมน น าตาล และ น าแขง การใหความรอนดวยคลนไมโครเวฟน เตาอบไมโครเวฟ นนไมไดแปลงพลงงานไฟฟาทงหมดเปนคลนไมโครเวฟ เตาอบไมโครเวฟทพบเหนตามบานทวไปอาจจะกนไฟ 1100 วตต แตใหคลนไมโครเวฟทมก าลงงานเพยง 700 วตต สวนอก 400 วตตทเหลอนนจะสญเสยไปกบอปกรณภายในเครองในรปของความรอน จดทมการสญเสยมากคอ ในทอแมกนตรอน ซงมประสทธภาพต ากวา 100% มาก ในการแปลงพลงงานไฟฟาเปนคลนไมโครเวฟ สวนอนทมการสญเสยแตไมมากนกคอ หลอดไฟใหแสงสวาง หมอแปลงไฟฟา พดลมใหความเยนแกแมกนตรอน มอเตอรหมนจานรองอบ และวงจรควบคม ความรอนทสญเสยนไมไดสงผานใหกบอาหารทอบ แตจะถกถายเทออกมาทางชองระบายความรอนสภายนอก กกกกกกกกคลนแมเหลกไฟฟาเปนคลนทไมตองอาศยตวกลางในการเคลอนทความเรวในการเคลอนทของคลนแมเหลกไฟฟามคา 299,792,458 เมตรตอวนาท โดยทวไปคลนแมเหลกไฟฟาเกดจากการรวมตวของสนามไฟฟาและสนามแมเหลกทมลกษณะตงฉากกนและกนพรอมเคลอนทไปยงทศทางเดยวกนหรอเกดจากการเปลยนแปลงของสนามไฟฟาและสนามแมเหลกตามหลกทฤษฎ

8

แมกซเวลทกลาวไววา เ มอสนามไฟฟามการเปลยนแปลงตามเวลาจะเหนยวน าให เ กดสนามแมเหลกหรอเมอสนามแมเหลกมการเปลยนแปลงตามเวลากจะเหนยวน าใหเกดสนามไฟฟา แสดงความสมพนธไดดงสมการ 2.1 ถง 2.4

กกกกกกกก BE

t

(2.1)

กกกกกกกก DH J

t

(2.2)

กกกกกกกก .D (2.3) กกกกกกกก . 0B (2.4) โดยท แทน ตวกระท าทางแคลคลสเวกเตอร เปนคาคงทตามระบบพกดแกนประสานสามแกน E แทน ความเขมสนามไฟฟาเปนปรมาณเวกเตอร (โวลต ตอ เมตร) D แทน คาความหนาแนนสนามไฟฟา เปนปรมาณเวกเตอร (คลอมบ ตอ ตารางเมตร) H แทน ความเขมสนามแมเหลก เปนปรมาณเวกเตอร (แอมแปร ตอ เมตร) B แทน คาความหนาแนนสนามแมเหลก เปนปรมาณเวกเตอร (เวบเบอร ตอ ตารางเมตร) J แทน คาความหนาแนนกระแสไฟฟา เปนปรมาณเวกเตอร (แอมแปร ตอ ตารางเมตร) แทน คาความหนาแนนประจไฟฟา เปนปรมาณสกาลาร(คลอมบ ตอ ลกบาศกเมตร) การอธบายพฤตกรรมการเกดของคลนแมเหลกไฟฟาทไดจากการจายไฟฟากระแสสลบใหสายอากาศทท าหนาทเปลยนสญญาณไฟฟาเปนสนามไฟฟาและสนามแมเหลกทเปลยนแปลงตามเวลามลกษณะเปนเสนวงปดเกยวโยงกนและกนดงแสดงในภาพ 2.1

รปท 2.1 ความสมพนธระหวางสนามไฟฟาและสนามแมเหลก

E E E H H

~

9

จากรปท 2.1 พบวาความสมพนธระหวางสนามไฟฟาและสนามแมเหลกทเกดขนสงผลท าใหคลนแมเหลกไฟฟาสามารถเดนทางไปยงบรเวณทหางออกไปจากสายอากาศทใชเปนแหลงก าเนดคลนโดยไมตองอาศยตวกลาง ปจจบนคลนแมเหลกไฟฟาถกน ามาใชในงานตาง ๆ โดยแบงตามชวงความถหรอชวงของความยาวคลนสามารถดไดจากรปท 2.2 ทใชแสดงสเปคตรมของคลนแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic spectrum)

รปท 2.2 สเปคตรมของคลนแมเหลกไฟฟา

จากสเปคตรมของคลนแมเหลกไฟฟาทแสดงดงรปท 2.2 พบวาชวงความถทน ามาใชงานกบอาหาร คอ ความถไมโครเวฟมความยาวคลนระหวาง 1 มลลเมตร ถง 1 เมตร 2.1.1 หลกการพนฐานของการท าความรอนดวยคลนแมเหลกไฟฟา 1. คลนแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic waves) โดยปกตมนษยสมผสกบคลนแมเหลกไฟฟาตลอดเวลา ซงมตวอยางของคลนดงกลาวไดแก คลนแสง รงสเอกซ (X-Irradiation) คลนโทรทศน คลนวทยท งคลน AM (Amplitude Modulation) และคลน FM (Frequency Modulation) รงสอลตราไวโอเลต รงสอนฟราเรด และคลนไมโครเวฟ ในรปท 2.2 แสดงแถบสเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟา 2. กลไกการเกดความรอน (Heating Mechanism) คลนแมเหลกไฟฟาทงในชวงยานความถไมโครเวฟและชวงไดอเลกตรกไมใชพลงงานความรอนแตคลนเหลานสามารถแปลงเปนความรอนไดเมอเกดอนตรกรยากบวสด (Lossy Material) ซงจะเหนไดจากการเกดความรอนขนภายในเนอวสดเอง โดยมหลายกลไกในการแปลงพลงงานดงกลาว ตารางท 2.1 โดยใน

10

กระบวนการท าความรอนดวยคลนไมโครเวฟนนอาศยสองกลไกแรกซงเปนกลไกหลกในการวเคราะหเทานน 3. กลไกชนดการเหนยวน าเชงไอออน (Ionic Conduction) กลไกนเรมขนเมอประจไอออนซงเกดการแตกตวในสารละลายถกเรงดวยแรงของสนามไฟฟาทกระท ายกตวอยางเชน สารละลายเกลอในน าซงในสารละลายจะประกอบไปดวยไอออนของโซเดยม (Na+) คลอไรด (Cl- ) ไฮโดรเนยมไอออน (H3O

+, H+) และไฮดรอกซลไอออน (OH- ) ซงเคลอนทโดยสนามไฟฟาในทศทางตรงกนขามกบประจทมอยแตละไอออน ซงจากการเคลอนทดงกลาวท าใหไอออนชนกบโมเลกลของน าทยงไมเกดการแตกตวเปนไอออนอยางตอเนอง สงผลท าใหพลงงานจลนเพมขนและเปนเหตใหไอออนเกดความเรงและสงผลเปนลกโซตอการชนของโมเลกลอนๆ คลายกบการชนของลกบลเลยด และเมอคาประจเปลยนแปลงไอออนจงยงมความเรงเพมขนในทศทางตรงกนขาม โดยเหตการณดงกลาวจะเกดขนดวยอตราความถสงนบลานครงตอวนาท ท าใหมการชนและถายเทพลงงานเกดขนในโมเลกลอยางมหาศาล ดงนนจงมขนตอนของการเปลยนแปลงพลงงาน 2 ขนตอนคอ พลงงานของสนามไฟฟาถกแปลงไปเปนพลงงานจลนโดยการเหนยวน าแบบบงคบทศทาง (Ordered Kinetic Energy) ซงจะถกเปลยนกลบมาเปนพลงงานจลนโดยการเหนยวน าแบบไรทศทาง (Disordered Kinetic Energy) ณ จดซงมการเปลยนเปนพลงงานความรอน และพลงงานความรอนทเกดขนดวยกลไกนจะไมขนอยกบระดบของอณหภมหรอความถ 4. กลไกชนดการหมนของทงสองขว (Dipolar Rotation) ส าหรบโมเลกลหลายๆ ชนด เชน โมเลกลของน าซงมคณสมบตเปนสองขว (Dipole) โดยธรรมชาตซงหมายถง โมเลกลมสมบตของการกระจายประจทไมสมมาตรเมอเทยบกบจดศนยกลาง สวนโมเลกลของสสารชนดอนกจะเกดความไมสมมาตรไดหากเกดการเหนยวน าโดยสนามไฟฟาทปอนเขาไป ท งนเพราะสนามไฟฟาท าใหเกดหนวยแรงเคนภายในโมเลกล โดยขวท งสองจะไดรบอทธพลจากกลไกดงกลาวท าใหเกดการเปลยนแปลงเชงขวอยางรวดเรวตามสนามไฟฟาทมากระท า ดงแสดงในรป 2.3 ยกตวอยางเชน คลนไมโครเวฟทมความถ 2,450 MHz สามารถท าใหมการเปลยนแปลงของขวประจถง 4,900 ลานครงตอหนงรอบคลน แมวาในตอนเรมตน ประจในโมเลกลจะมการกระจายตวอยางไมเปนระเบยบหรออยางสมกจะไดรบผลใหมการจดเรยงประจตามทศทางหรอขวของสนามไฟฟาทมากระท า อยางไรกตามเมอสนามไฟฟาทมากระท ามคาลดลงจนมคาเปนศนยท าใหขวทเกดจากการเหนยวน าของสนามไฟฟาดงกลาวเปลยนกลบมามการกระจายตวอยางไมเปนระเบยบเชนเดมซงกคอ การคลายสนาม (Relaxes) และเชนกนเมอมสนามไฟฟามากระท าในทศทางตรงกนขาม ดงนนการสรางหรอการจดเรยง (Alignment) และการคลายสนามทความถหนงจะเกดขนนบลานครงในหนงวนาท ซงการเปลยนแปลงพลงงานสนามไฟฟาไปเปนศกยเกบไวในวสด

11

แลวเปลยนแปลงเปนพลงงานจลนหรอพลงงานความรอนนนเอง นอกจากนนขนาดของโมเลกลทขนอยกบเวลาและอณหภมในขณะทมการสรางหรอการจดเรยง (Alignment) และการคลายสนามไฟฟานนจะถกนยามเปนความถของการคลายสนาม (Relaxation Frequency) โดยโมเลกลทมขนาดเลกเชน น าและโมโนเมอรจะมคาความถของการคลายสนาม มากกวาความถของคลนไมโครเวฟ และมคาเพมขนตามอณหภมทเพมขน จงเปนเหตใหการเปลยนพลงงานไปเปนความรอนไดชาลง ในทางตรงกนขามกบโมเลกลทมขนาดใหญ เชน โพลเมอร จะมคาความถของการคลายสนามนอยกวาความถของคลนไมโครเวฟ มผลท าใหอณหภมสงขนไดในบางสภาวะซงนนกคอมการแปลงพลงงานไปเปนความรอนไดสงและน าไปสการเกดปรากฏการณเทอรมอลรนอะเวย (Thermal Runaway) ในวสดไดงาย ในเงอนไขอดมคต พลงงานของไมโครเวฟทงหมดถกดดซบไวโดยวสดไดอเลกตรกจะถกเปลยนรปเปนพลงงานความรอนทงหมด อยางไรกตามในความเปนจรงพลงงานไมโครเวฟทงหมดไมสามารถเปลยนเปนพลงงานความรอนไดทงหมด อนเนองมาจากเหตผลทวา ความสามารถในการดดซบพลงงานไมโครเวฟของวสดไดอเลกตรกแตละชนดมไมเทากนหรอมคาไดอเลกตรกลอสแฟกเตอรทตางกนนนเอง และอกประการหนงคอ มการสญเสยพลงงานไปกบอปกรณของระบบไมโครเวฟ

รปท 2.3 การเกดความรอนเมอวสดไดรบคลนไมโครเวฟ

12

2.1.2 การท างานของเตาอบไมโครเวฟเชงพาณชย 1.หลกการท างานของเตาอบไมโครเวฟ โดยทวไปเตาอบไมโครเวฟเชงพาณชยจะมตวตงเวลาเพอใชควบคมการท างานของเตาอบไมโครเวฟพรอมสวตชกลไกสลกกลอนตรวจสอบการปดประตเพอความปลอดภยกอนเรมท าการจายแรงดนไฟฟากระแสสลบ 220 โวลต 50 เฮรตซ เขาสระบบโดยมหลอดแมกนตรอนเปนตวสรางคลนไมโครเวฟสงผานทอน าคลนปอนเขาสหองอบโดยทปากทางเขาสหองอบจะมการใชพดลมกวนใหคลนสะทอนไปมาลงสวสดในหองอบใหเกดความรอนขนตามระยะเวลาทตงไว 2. การสรางคลนไมโครเวฟดวยหลอดแมกนตรอน เตาอบไมโครเวฟเชงพาณชยอาศยแมกนตรอนในการใหก าเนดคลนไมโครเวฟทความถ 2.45 กกะเฮรตซ ลกษณะรปรางและโครงสรางของแมกนตรอนแสดงดงรปท 2.4

รปท 2.4 รปรางและโครงสรางของแมกนตรอน

จากรป 2.4 แมกนตรอนจะประกอบดวยไสหลอดท าหนาทเปนขวแคโถดถกบรรจอยในชองสญญากาศโดยสวนของผนงรอบ ๆ ชองสญญากาศท าหนาทเปนขวแอโนดมไวส าหรบสรางสนามไฟฟาสวนสนามแมเหลกมวงแหวนแมเหลกถาวรเปนตวสรางโดยหลกการสรางคลนไมโครเวฟของแมกนตรอนอาศยสนามไฟฟาทเปลยนแปลงตามเวลาในลกษณะต งฉากกบสนามแมเหลกและเคลอนทไปทางเดยวกนเกดเปนคลนไมโครเวฟขน กระบวนการสรางคลนไมโครเวฟของแมกนตรอนเรมจากการจายก าลงงานไฟฟากระแสสลบแรงดนต าคาประมาณ 3 - 4 โวลต กระแส 10 แอมแปรใหไสหลอดเกดความรอนปลอยอเลกตรอนออกมาบงคบวงผานสนามไฟฟาความเขมสงทอาศยการจายไฟฟาแรงดนสงไปยงขวแคโถดเทยบกบขวแอโนดผลท าให

13

อเลกตรอนทปลอยออกมาถกบงคบใหเคลอนทภายใตความเขมสงของสนามไฟฟาและสนามแมเหลกไดคลนไมโครเวฟออกมาทความถ 2.45 กกะเฮรตซ ตามโครงสรางภายในชองสญญากาศระหวางขวแคโถดกบขวแอโนด 2.2 ลปด ลปดเปนสารประกอบอนทรยไมมขว ไมละลายในน าหรอละลายไดเพยงเลกนอยแตละลายไดดในตวท าละลายอนทรย เชน คลอโรฟอรม อเทอร เอทานอลและเบนซน ลปดสวนใหญเปน เอสเทอรของกรดไขมน (Fatty acid) สารประกอบทจดอยในกลมลปด มหลายชนดเชน Triacylglycerols, Terpenes และ Terpenoids, Steroids, Prostaglandins, Phospholipids, Waxes เปนตนกรดไขมนเปนผลตภณฑทไดจากการสลายลปด กรดไขมนสวนใหญเปนสายโซของไฮโดรคารบอนทมหมคารบอกซลค (COOH) 1 หม และมจ านวนคารบอนอะตอมตงแต 2 ถง 20 กรดไขมนจ าแนกออกเปน 2 ชนดคอ กรดไขมนอมตวและกรดไขมนไมอมตว โดยทวไปแลวคนสวนใหญมกเรยกลปดวา ไขมน แตแทจรงแลวไขมนเปนลปดประเภทหนง โมเลกลของลปดประกอบดวยหนวยยอย คอ กลเซอรอลซงเปนแอลกอฮอลชนดหนงกบกรดไขมน ซงกลเซอรอลมสตรทวไป คอ C

3H

8O

3 และมโครงสรางโมเลกล ดงรป 2.5

รปท 2.5 สตรโครงสรางทวไปของกลเซอรอล

ลปดทจดอยในกลม Triglyceride ไดแก ไขมน (Fat) และน ามน (Oil) ทไดจากพชและสตว โครงสรางของ Triglyceride ประกอบดวยสวนทมาจากกรดไขมน (Fatty acid) กบ กลเซอรอล (Glycerol) Triacylglycerols ทมหม Acyl เหมอนกนเรยกวา Simple Triacylglycerols แตถามหม Acyl ตางกนจะเรยกวา Mixed Triacylglycerols ถาน าไขมนหรอน ามนมาไฮโดรไลซ (Hydrolyse) จะไดผลตภณฑเปนกลเซอรอลกบกรดไขมน ตามสมการ

14

รปท 2.6 สมการการท าไฮโดรไลซของไขมน

กรดไขมนทเปนองคประกอบในไขมนและน ามน มกมโครงสรางหมแอลคลเปนโซตรง และจ านวนอะตอมคารบอนในโมเลกลเปนเลขค ถามพนธะคในโมเลกลกมกเปนแบบ cis ซงอาจมพนธะคหลายพนธะได แตไมพบพนธะคแบบ Conjugated ไขมนและน ามนทไดจากสตวและพชประกอบดวยของผสมของกรดไขมนหลายชนด ของผสมทมรอยละของกรดไขมนอมตวสงจะเปนของแขง กคอเปนไขมน เชน ไขวว แตถามรอยละของกรดไขมนไมอมตวสงกจะเปนน ามน เชน น ามนพช ไขมนจากพช มกรดไขมนไมอมตวมากกวากรดไขมนอมตว ไขมนคอ Triglycerides ทประกอบดวยกรดไขมนชนดอมตว มจดหลอมเหลวสง มกเปนของแขงทอณหภมหอง สวนน ามนคอ Triglycerides ทประกอบดวยกรดไขมนชนดไมอมตว ซงท าใหมจดหลอมเหลวต าและเปนของเหลวทอณหภมหอง น ามนทมความไมอมตวสงสามารถเกด autoxidation ไดท าใหเหมนหน (Rancid)การทมกรดไขมนไมอมตวมาก จะชวยใหไบโอดเซลทผลตไดเปนผลตภณฑชนดอลคลเอสเทอรไมอมตว (Unsaturated Alkyl Ester) ซงเปนไบโอดเซลทมคณภาพด มความหนดไมสงเกนมาตรฐานสากล อยางไรกตาม การเลอกใชวตถดบเพอน ามาผลตเปนไบโอดเซลโดยมากมกขนอยกบความยากงายในการหาวตถดบ และราคาของวตถดบเปนส าคญ 2.2.1 ประเภทของลปด ลปดแบงตามโครงสราง ไดเปน 3 ชนด ไดแก 1. ลปดเชงเดยว (Simple Lipid) ประกอบดวยกรดไขมนและแอลกอฮอล ไดแกไขมน น ามน และไข ไขมนมสถานะเปนของแขงทอณหภมหอง สวนน ามนเปนของเหลวทอณหภมหอง ส าหรบไขเปนสารทประกอบดวยกรดไขมนโมเลกลใหญกบแอลกอฮอลมกไมละลายน า พบตามผวหนง ใบไมและผลไมบางชนด 2. ลปดเชงซอน หรอ ลปดเชงประกอบ (Compound Lipid) เปนลปดทมสารอนเปนองค ประกอบดวย ไดแก ฟอสโฟลปด (Phospholipid) ไกลโคลปด (Glycolipid) และ ลโพโปรตน (Lipoprotein) ฟอสโฟลปด เปนลปดทมโครงสรางทางเคมคลายกบไตรกลเซอไรด แตกตางกนทหมของกรดไขมน 1 หม จะมหมฟอสเฟตเปนองคประกอบ ท าใหบรเวณทมหม

CH2

CH

CH2

O

O

O C

C

C

O

R

R'

R"

O

O

CH2

CH

CH2

OH

OH

OH R C

O

OH

R' C

O

OH

R" C

O

OH

H2O

H+

glycerol

+

fatty acid

15

ฟอสเฟตเปนสวนทมประจ เรยกวาไฮโดรฟลกเฮด (Hydrophilic Head) ท าใหสามารถดดตดกบโมเลกลของน าได สวนบรเวณทมกรดไขมน เปนสวนทไมมประจ เรยกวา ไฮโดรโฟบกเทล (Hydrophobic Tails) 3. อนพนธลปด (Derived Lipid) เปนสารประกอบอนทรยทมโครงสรางแตกตางจากลปดทวไป แตเนองจากมสมบตคลายลปดเชน ละลายไดในตวท าละลายอนทรย จงถกจดไวในกลมลปด ตวอยางอนพนธลปดทส าคญ เชน สเตรอยด มโครงสรางทวไปเปนวง 4 วง ประกอบดวยอะตอมของคารบอน 17 อะตอม และหม R ซงจะแตกตางกนตามชนดของสเตรอยด 2.2.2 ชนดของกรดไขมน กรดไขมนทไดจากการน าไตรกลเซอไรดมาไฮโดรไลซจะเปนโซตรง และมจ านวนคารบอนเปนเลขคอยระหวาง 12–24 อะตอม กรดไขมนทเกดขนตามธรรมชาตมประมาณ 40 ชนด ซงแบงเปนประเภทไดดงน 1. กรดไขมนอมตว (Saturated Fatty Acid) เปนกรดไขมนทพนธะระหวางอะตอมคารบอนกบคารบอนยด เหนยวดวยพนธะเ ดยวท งหมด มสตรทวไปเปน CnH2nO2 หรอ CnH2n+1COOH หรอเขยนสตรไดเปน CH3 (CH2)nCOOH เชน กรดไขมนอมตวทมจ านวนอะตอมคารบอน 18 อะตอม จะมสตรทวไปเปน C18H36O2 ซงเขยนสตรดงน

CH3 (CH2)16COOH หรอ C17H35COOH กรดไขมนอมตวทพบมากทสด ไดแก กรดปาลมตก (Palmitic acid) และกรดสเตยรก (Stearic acid) 2. กรดไขมนไมอมตว (Unsaturated Fatty acid) เปนกรดไขมนทพนธะระหวางอะตอมคารบอนกบคารบอนยดเหนยวดวยพนธะคอยางนอย 1 พนธะ ซงมจ านวนอะตอมคารบอนนอยกวากรดไขมนอมตว 2 อะตอม มสตรทวไปเปน CnH2n–2O2 หรอ CnH2n–1COOH หรอเขยนสตรไดเปน CH3 (CH2)yCH=CH(CH2)xCOOH เชน กรดไขมนไมอมตวทมจ านวนอะตอมคารบอน 18 อะตอม มพนธะคทคารบอนต าแหนง 9–10 จะมสตรทวไปเปน C18H34O2 ซงเขยนสตรดงน CH3 (CH2)7CH=CH (CH2)7COOH หรอ C17H33COOH กรดไขมนไมอมตวทพบมากทสด ไดแก กรดโอเลอก (Oleic Acid) และกรดไลโนเลอก (Linoleic Acid)

16

ตารางท 2.1 สมบตและโครงสรางของกรดไขมนอมตวและกรดไขมนไมอมตวบางชนด Common

Name Systematic Name Number

of Carbons

Structure Symbol M.P.

Saturated Fatty acid

Luaric acid Dodecanoic acid 12 CH3(CH2)10COOH 12:0 44 Myristic acid Tetradecanoic acid 14 CH3(CH2)12COOH 14:0 54 Palmitic acid Hexadecanoic acid 16 CH3(CH2)14COOH 16:0 53 Stearic acid Octadecanoic acid 18 CH3(CH2)16COOH 18:0 70 Arachidic acid Eicosanoic acid 20 CH3(CH2)18COOH 20:0 75 Behenic acid Docasanoic acid 22 CH3(CH2)20COOH 22:0 80 Lignoceric acid Tetracasanoic acid 24 CH3(CH2)24COOH 24:0 84.2

Unsaturated Fatty acid

Palmitoleic acid

9-Hexadecenoic acid 16 CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7 COOH 16:1 32

Oleic acid 9-Octadecenoic acid 18 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7 COOH 18:1 13 Linoleic acid 9,12-Octadecadienoic

acid 18 CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6

COOH 18:2 -5

-Linoleic acid

9,12,15-Octadecatrienoic acid

18 CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6COOH 18:3 -11

-Linoleic acid 6,9,12-Octadecatrienoic acid

18 CH3(CH2)4(CH=CHCH2)3(CH2)3COOH

18:3 -

Arachidonic acid

5,8,11,14-Eicosatetraenoic acid

20 CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2

COOH 20:4 -50

Nervonic acid 15-Tetracosenoic acid 24 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)13COOH 24:1 42-43

ทมา: Garrett & Grasham. Biochemistry. 2nd ed. 1999.

17

2.3 การสกดดวยตวท าละลาย (Solvent extraction) การสกดดวยตวท าละลายเปนวธท าสารใหบรสทธหรอท าใหสารแยกออกจากกน โดยอาศยสมบตของการละลายของสารแตละชนด เนองจากสารตางชนดกนละลายในตวท าละลายตางชนดไดตางกนและสารชนดเดยวกนละลายในตวท าละลายตางชนดไดตางกน การสกดดวยตวท าละลายตองเลอกตวท าละลายทเหมาะสมคอ สกดสารทตองการไดมาก ตวท าละลายตองไมเปนพษและแยกออกไดงาย 2.3.1 หลกการ เลอกตวท าละลายใหเหมาะสมกบสารทตองการแยก 1.ตวท าละลายสามารถละลายสารทตองการสกดได 2.ตวท าละลายจะตองไมละลายสารอนๆทเราไมตองการสกด 3.ตวท าละลายจะตองไมท าปฏกรยากบสารทเราตองการสกด 4.ตวท าละลายสามารถแยกออกจากสารทเราตองการสกดไดงาย 5.ตวท าละลายไมเปนพษ และมราคาถก 2.3.2 การสกดสารโดยใชเครองซอหกเลต (Soxhlet extraction apparatus) การสกดสารโดยใชเครองส าเรจซอหกเลต เทคนคนถอวาเปน Conventional method หลกการของเครองมอซอหกเลต (Soxhlet Extraction) จะใชท าละลายในปรมาณนอย เนองจากตวท าละลายทใชสกดสารแลวจะถกท าใหระเหยและควบแนนกลบมาเมอเจอระบบหลอเยน ท าใหสกดไดอกเปนลกษณะหมนเวยน โดยตวท าละลายทเราใสลงไปในเครองมอจะหมนเวยนผานสารทเราตองการสกดหลายๆครงเปนการเพมประสทธภาพการสกด จนกระทงสารทเราตองการสกดออกมามปรมาณเขมขนมากพอ

รปท 2.7 เครองซอหกเลต (Soxhlet extraction apparatus)

18

2.3.3 ตวแปรทมผลตอการสกด 1. ชนดของตวท าละลาย ชนดของตวท าละลายตองเหมาะสมกบการสกดสารทสนใจ โดยอาศยหลกการ Like dissolve like 2. ปรมาตรตวท าละลายทใชสกด ปรมาตรตวท าละลายตองมมากพอ คอเมอตวท าละลายสวนหนงเกดการระเหยขนไปสกดสารกอนทจะเตม Reflux sidearm แลวจากนนจะเปนแบบลกษณะของกาลกน าตอไป ในสวนของ Flask กจะตองมตวท าละลายเหลออย เพอท าใหการสกดเกดขนอยางตอเนองตลอดเวลา ซงตวท าละลายทมากเกนพอ สามารถระเหยออกไดเมอสกดสารทสนใจไดตามทตองการ ดวยเครอง Rotary evaporator. 3. เวลาทใชสกด เวลาทใชสกดตองมความเหมาะสม ทจะสามารถสกดเอาสารทสนใจออกจากตวอยางใหไดมากทสด ซงในเทคนคน สวนใหญเวลาทใชสกดมกยาวนานเปนชวโมง เพอใหเกดการ Reflux ของตวท าละลายหลายๆ ซ า ท าใหสารทสนใจถกสกดออกจากตวอยางไดมากทสด 4. ตวอยาง เทคนคนตวอยางมกจะเปนของแขง ดงนน ตองท าตวอยางใหมพนผวสมผสกบสารมากทสด คอพยายามสบ หรอ หน ใหตวอยาง มขนาดเลกทสด เพอเพมพนทผวสมผส 2.4 การใชไมโครเวฟชวยสกด (Microwave-Assisted Extraction, MAE) การใชไมโครเวฟชวยสกดมประสทธภาพในการสกดและลดเวลาในการเตรยมตวอยางและลดปรมาณตวท าละลายทใชเมอเปรยบเทยบกบเทคนคการสกดตวอยางแบบเดม โดยการใหความรอนส าหรบ Microwave-Assisted Extraction (MAE) อยบนพนฐานของการสกดโดยตรงของคลนไมโครเวฟตอโมเลกลพลงงานจากคลนไมโครเวฟมผลท าใหโมเลกลเกดการเคลอนไหว โดยเกดการไมเกรตของไอออนและการหมนของคขวโดยการหมนของคขวเปนผลใหเกดเปนสนามไฟฟาของโมเลกลทงในตวท าละลาย และในตวอยางท าใหมความรอนเกดขนอยางฉบพลน

19

รปท 2.8 การสกดดวยวธ Soxhlet โดยใชไมโครเวฟชวย

ระบบการวเคราะห • ระบบปด สกดสารกงระเหยใหประสทธภาพการสกดเนองจากอณหภมตวท าละลายทเพมสงขน (กฎของเก-ลซก, Joseph Louis Gay-Lussac) ท าใหประสทธภาพในการถายเทมวลของสารทสนใจจากตวอยางสตวท าละลายทใชสกดท าไดดขน • ระบบเปด สกดสารทมคาการระเหยต า เชน ยาฆาแมลง PAHs ใหเกดกระบวนการรฟลกซเพอชวยประสทธภาพในการสกด

รปท 2.9 ระบบในการวเคราะหแบบเปดและแบบปด

20

ปจจยทตองค านงถง

ชนดตวท าละลาย: เลอกตวท าละลายทใหคาการสกดสงสดดดกลนพลงงานไมโครเวฟมความจ าเพาะสงเพอใหปฏกรยาเกดไปขางหนา (ตวท าละลายทมขวเชน MeOH, acetone...)

ปรมาตร: ปรมาตรของตวท าละลายตองพอเพยงและแนนอน อณหภม: อณหภมมผลตอการเรงถายเทมวล ท าใหสารเคลอนทดขน ตวท าลายม

ความหนดนอยลงสารเคลอนทเขาไปไดด เวลา : เวลาการสกดมผลตอการใหเกดสมดล สารรบกวน: สารรบกวนมผลตอสญญาณการไดกลบคนของวธ

2.5 น ามนสาหราย (Algae oil) สาหรายมลปดและกรดไขมนเปนองคประกอบของเยอเซลลเมมเบรนบางชนดมน ามน เปน อาหารสะสมเกบไว จากตาราง 2.3 แสดงใหเหนวาสาหรายมการสะสมลปดอย จากรายงานน ามนทสกดไดจากสาหรายขนาดเลกนน มคา Saturated faction ของ Alkane ทเหมอนกนกบน ามนดเซลและยงมปรมาณออกซเจนต าและมคาความรอนสงท 29 MJ/kg ความหนาแนนท 1.16 Kg/l และคาความหนดเทากบ 0.10 Pa.s ตาราง 2.2 ปรมาณน ามนของสาหรายขนาดเลกบางชนด

Strain Protein Carbohydrates Lipids Nucleic acid

Scenedesmus obliquus 50-56 10-17 12-14 3-6

Scenedesmus quadricauda 47 - 1.9 -

Scenedesmus dimorphus 8-18 21-52 16-40 -

Chlamydomonas rheinhardii 48 17 21 -

Chlorella vulgaris 51-58 12-17 14-22 4-5

Chlorella pyrenoidosa 57 26 2 -

Spirogyra sp. 6-20 33-64 11-21 -

Dunaliella bioculata 49 4 8 -

Dunaliella salina 57 32 6 -

Euglena gracilis 39-61 14-18 14-20 -

Prymnesium parvum 28-45 25-33 22-38 1-2

Tetraselmis maculata 52 15 3 -

Porphyridium cruentum 28-39 40-57 9-14 -

Spirulina platensis 46-63 8-14 4–9 2-5

Spirulina maxima 60-71 13-16 6-7 3-4.5

Synechoccus sp. 63 15 11 5

Anabaena cylindrica 43-56 25-30 4-7 -

ทมา : Becker, 1994

21

2.6 การวเคราะหโดยวธแกสโครมาโทกราฟ-แมสสเปกโตรมทร (Gas Chromatography-Mass Spectrometry) การวเคราะหโดยวธ แกสโครมาโทกราฟ-แมสสเปกโตรมทรเปนวธทสามารถท านายชนดขององคประกอบทมอยในสารไดอยางคอนขางแมนย าโดยอาศยการเปรยบเทยบ Fingerprint ของเลขมวล (Mass Number) ของสารตวอยางนนๆ กบขอมลทมอยใน Library นอกจากนยงสามารถใชในการวเคราะหไดท งในเชงปรมาณ (Quantitative Analysis) และเชงคณภาพ (Qualitative Analysis) GC-MS ประกอบดวย 2 สวน คอ สวนของเครอง GC (Gas Chromatography) และสวนของเครอง MS (Mass Chromatography) 2.6.1 หลกการแกสโครมาโทกราฟ (Gas Chromatography; GC) กาซ โครมาโตกราฟ (Gas Chromatography) เปนเทคนคการแยกสารเนอเดยวออกจากกน โดยตวอยางทจะน าเขาสระบบจะตองสามารถระเหยกลายเปนไอไดและมความเสถยรเมอถกความรอน ตวอยางทเปนไอจะถกพาดวยกาซเฉอย (Mobile Phase) ไปยงคอลมน (Stationary Phase) เพอท าการแยกสารออกจากกน สารทแยกไดจะถกบนทก เพอท าการวเคราะหตอไป ดงรป 2.10

รปท 2.10 หลกการท างานของการแยกองคประกอบโดย GC-MS

กลไกทใชในการแยกองคประกอบตางๆ ในสารตวอยางอาศยหลกของความชอบทแตกตางกนขององคประกอบในตวอยางทมตอเฟส 2 เฟส คอ Stationary Phase และ Mobile Phase องคประกอบทส าคญของเครอง GC สามารถแบงออกไดเปน 3 สวน คอ

A E C B

D

Abundance

Time (minutes) Gas Chromatogram

GC A

BC

D

E

Sample

22

1. Injector คอ สวนทสารตวอยางจะถกฉดเขาสเครองและระเหยเปนไอกอนทจะเขาส Column อณหภมทเหมาะสมของ injector ควรเปนอณหภมทสงพอทจะท าใหสารตวอยางสามารถระเหยไดแตตองไมท าใหสารสลายตว ตวอยางของ injectorไดแก Split, Split less, on column 2. Oven คอ สวนทใชส าหรบบรรจ Column และเปนสวนทควบคมอณหภมของ Column ใหเปลยนไปตามความเหมาะสมกบสารทตองการวเคราะหซงการควบคมอณหภมของ Oven นนม 2 แบบ คอ

1. Isocratic Temperature 2. Gradient Temperature ขอดของการท า Gradient temperature คอสามารถใชกบสารตวอยางทมจดเดอดกวาง

(Wide boiling range) และยงชวยลดเวลาในการวเคราะห 3. Detector คอสวนทจะใชส าหรบตรวจวดองคประกอบทมอยในสารตวอยางและดวาสาร ตวอยางชนดทเราสนใจมปรมาณอยเทาใด

รปท 2.11 องคประกอบทส าคญของเครองแกสโครมาโทรกราฟ

2.6.2 หลกการแมสสเปกโตรมทร (Mass Spectrometer; MS) เปน Detector ทใชตรวจวดองคประกอบทมอยในสารตวอยางโดยอาศยกลไก คอ โมเลกลขององคประกอบทถกแยกออกมาจากสารตวอยางโดยเครอง GC จะถกไอออไนซในสภาวะสญญากาศแลวตรวจวดออกมาเปนเลขมวล (Mass number) เทยบกบฐานขอมลอางอง แลว แปลผลออกมาเปนชอขององคประกอบนนๆ

23

รปท 2.12 แสดงองคประกอบพนฐานของแมสสเปกโตรมทร

โดยท Ionization Source แบงออกเปน 2 แบบคอ - Electron Ionization (EI) เปนการท าใหสารเกด Fragment โดยใชล า Electron ซง Ionization chamber ตองมความดนต าประมาณ 10 -8 Torr โดย Electron จาก Filament ทรอนจะถกโฟกสผานหองนและถกดงเขาหา repeller voltage ทมความตางศกย 70 โวลตซงจะใหพลงงานกบ Electron เปน 70 eV ท าใหของผสมทซบซอนของไอออนเกดการแตกหก (Fragmentation ion) ทสามารถใหขอมลเกยวกบโครงสรางและความอดมสมพทธ (Relative abundance) - Chemical Ionization (CI) เปนการท าใหสารเกดการ Fragment ดวยวธทางเคมโดยผสมสารตวอยาง (ความดน10 -4Torr) เขากบแกสทท าปฏกรยาดวย (ความดน 1 Torr) แลวผานสารผสมเขาไปใน Ionization chamber โดยการท าใหเกดการ Fragment ดวยการชนกบ Electron เชนเดยวกนแกสทใชไดแก Methane, Isobutane, Ammonia

Data System

GC

Analyzer

Vacuum

Detector

Ionization source Interface

Fore pump