Development of Common Calibration Model for Determining Total Sugars to Sucrose Ratio of Osmotic Dehydrated Mango Pineapple and Papaya prior to drying using Near Infrared Spectroscopy

Abstract

Thailand is a major manufacturer and exporter of dried tropical fruits especially papaya mango and pineapple. The total sugars to sucrose ratio (TS.S-1) of osmotic dehydrated fruit is a crucial parameter, and it has been currently used for process quality control prior to convective drying by the industry. If the TS.S-1 of osmotic dehydrated fruit slice is too high, the surface of dried product will be too sticky. On the other hand, if the TS.S-1 is too low, the sugar crystallization can occur during storing. Generally, this ratio is being checked by using a conventional Lane-Eynon method and high performance liquid chromatography, which is invasive sample, the time consuming and has a high cost for the chemicals. The objective of this study was to destructive the possibility of using near infrared spectroscopy (NIRS) for determining TS.S-1 of osmotic dehydrated mango, pineapple and papaya slices before drying. The total of 600 fruit slices were immersed in sugar solutions under different conditions for obtaining the TS.S-1 in the ranges of 1.03-3.99. The fruit samples were rinsed by distill water before spectral measurement. The samples were measured diffuse reflectance spectra in the range of 12500-4000 cm-1 using FT-NIR spectrometer with resolution of 32 cm-1 and 64 number of scanning. Calibration and validation models were built by external group in 70:30. Moreover, calibration model was developed by applying partial least squares (PLS) regression using the average spectra data and reference measurement of TS.S-1. The optimize model of osmotic dehydrated mango and pineapple slices showed satisfactory predictions as measured by coefficients of determination (R2) = 0.77 and 0.82, standard error of prediction (SEP) = 0.31 and 0.10 and bias = 0.02 and -0.002 respectively. On the other hand the model in osmotic dehydrated papaya slices had R2 = 0.91, SEP = 0.17 and bias = 0.01. The common calibration model developed from the combined sample set predicted TS.S-1 in osmotic dehydrated mango pineapple and papaya slices with R2 = 0.76, SEP = 0.27 and bias = 0.03. The best models were predicted by new sample including osmotic dehydrated mango pineapple and papaya slices of 20 slices per each. Calibration model of osmotic dehydrated mango was predicted by a total of 20 osmotic dehydrated mango slices. As same as calibration model of osmotic dehydrated pineapple slices was predicted by 20 of osmotic dehydrated pineapple slices and the optimize model of osmotic dehydrated papaya slices was predicted by 20 of osmotic dehydrated papaya slices. The result showed percentage accuracy of prediction with 80, 70 and 75 respectively. The common model was predicted by total of 60 sample with 81.6 percentage accuracy of prediction. The NIRS have a possibility for determining TS.S-1 of those osmotic dehydrated fruit slices before drying.

ประเทศไทยมีการผลิตและส่งออกผลไม้เขตร้อนแช่อิ่มอบแห้งในปริมาณสูงติดอันดับ 1 ใน 10 ของโลก โดยผลไม้แช่อิ่มอบแห้งที่ส่งออกมากได้แก่ มะละกอ มะม่วงและสับปะรด เป็นต้น ดัชนีคุณภาพที่สำคัญในการตรวจสอบผลไม้แช่อิ่มก่อนการทำแห้งเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพคืออัตราส่วนน้ำตาลทั้งหมดต่อน้ำตาลซูโครส (total sugars to sucrose ratio, TS.S-1) โดยชิ้นผลไม้แช่อิ่มก่อนการทำแห้งที่มีค่า TS.S-1 ที่สูงมากเกินไปจะส่งผลให้ชิ้นผลไม้อบแห้งมีลักษณะเหนียวเยิ้ม อบไม่แห้งหรือใช้เวลานานในการอบ ในขณะที่ชิ้นผลไม้แช่อิ่มก่อนการทำแห้งที่มีค่า TS.S-1 ต่ำมากเกินไปจะส่งผลให้ชิ้นผลไม้อบแห้งมีลักษณะตกผลึกและแห้ง ในปัจจุบันการตรวจสอบค่า TS.S-1 ใช้วิธีการไทเทรตร้อน (Lane Eynon method) หรือวิธีโครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูง ซึ่งเป็นวิธีที่ทำลายตัวอย่าง ไม่สามารถตรวจสอบคุณภาพได้ครบทุกชิ้น ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดย่านใกล้ (near infrared spectroscopy, NIRS) ในการทำนายค่า TS.S-1 ในชิ้นผลไม้แช่อิ่มก่อนการทำแห้ง และการศึกษาความเป็นไปได้ในการสร้างสมการเทียบมาตรฐานทั่วไปสำหรับใช้ในการทำนายค่า TS.S-1 ของผลไม้ทั้งสามชนิดที่ศึกษา โดยนำชิ้นมะม่วง สับปะรดและมะละกอ จำนวนชนิดละ 200 ชิ้น ไปทำการแช่อิ่มในสารละลายน้ำตาลที่สภาวะต่างๆ เพื่อให้มีค่า TS.S-1 ในชิ้นผลไม้ก่อนการทำแห้งที่แตกต่างกันในช่วง 1.03-3.99 จากนั้นนำชิ้นผลไม้ที่ผ่านการแช่อิ่มรวม 600 ชิ้น ไปวัดสเปกตรัมด้วยเครื่องสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดย่านใกล้ในช่วงเลขคลื่น 12500-4000 cm-1 ที่ความถี่ในการวัด 32 cm-1 และจำนวนครั้งในการสแกนตัวอย่าง 64 ครั้ง ในโหมดการวัดแบบสะท้อนกลับ แล้วสร้างสมการทำนายค่าด้วยเทคนิคการทดสอบสมการภายนอกใช้สัดส่วน 70:30 สร้างความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลสเปกตรัมเฉลี่ยกับค่าทางเคมีด้วยวิธีการถดถอยกำลังสองน้อยที่สุดบางส่วน (PLSR) พบว่าสมการทำนาย TS.S-1 ที่เหมาะสมในชิ้นมะม่วงและสับปะรดแช่อิ่มมีค่าสัมประสิทธิ์การตัดสินใจ (coefficients of determination, R2) เท่ากับ 0.77 และ 0.82 และค่าความผิดพลาดมาตรฐานในการทำนายของกลุ่มตัวอย่างที่ใช้ในการตรวจสอบสมการ (SEP) เท่ากับ 0.31 และ 0.10 และความผิดพลาดในการทำนาย (bias) เท่ากับ 0.02 และ -0.002 ตามลำดับ ในขณะที่สมการทำนาย TS.S-1 ที่เหมาะสมในชิ้นมะละกอแช่อิ่มมีค่า R2 เท่ากับ 0.91 ค่า SEP เท่ากับ 0.17 และ bias เท่ากับ 0.01 สำหรับสมการทำนายทั่วไปสำหรับ TS.S-1 ที่สร้างจากผลไม้แช่อิ่มสามชนิดมีค่า R2 เท่ากับ 0.76 ค่า SEP เท่ากับ 0.27 และ bias เท่ากับ 0.03 จากนั้นทดสอบการทำนายค่า TS.S-1 ด้วยตัวอย่างกลุ่มนอกโดยใช้มะม่วงแช่อิ่มจำนวน 20 ชิ้น เพื่อทำนาย TS.S-1 ด้วยสมการของมะม่วงแช่อิ่ม สับปะรดแช่อิ่มจำนวน 20 ชิ้น เพื่อทำนายด้วยสมการของสับปะรดแช่อิ่ม และมะละกอแช่อิ่มจำนวน 20 ชิ้น เพื่อทำนายด้วยสมการของมะละกอแช่อิ่มพบว่าร้อยละความถูกต้องโดยเฉลี่ยของการทำนายเท่ากับ 80, 70 และ 75 ตามลำดับ ในขณะที่เมื่อใช้สมการทำนาย TS.S-1 ทั่วไปที่สร้างจากข้อมูลของผลไม้แช่อิ่มรวมสามชนิดทดสอบตัวอย่างกลุ่มนอกของผลไม้ทั้งสามชนิดจำนวน 60 ชิ้นข้างต้นพบว่ามีร้อยละความถูกต้องโดยเฉลี่ยของการทำนายเท่ากับ 81.6 ดังนั้นเทคนิค NIRS สามารถใช้ติดตาม TS.S-1 ในชิ้นผลไม้แช่อิ่มก่อนทำแห้งได้