วิธีการวัด TDS ในกาแฟแบบต่างๆ ( Coffee TDS Measurement Method)

ก่อนที่เราจะหาว่ากาแฟแก้วนั้นๆมี %Extraction Yield เท่าไรสิ่งสำคัญที่สุดคือ เราจำเป็นต้องหาว่า TBS, TDS, หรือ %TDS ของกาแฟแก้วนั้นๆมีปริมาณเท่าไร ซึ่งการหาค่า TBS, TDS, หรือ %TDS ของกาแฟที่อยู่ตรงหน้าเรานั้นค่อนข้างจะเป็นเรื่องที่ท้าทาย แล้วเราจะใช้วิธีการใดในการหาค่า TDS (TDS Measurement Method)

อ่านเรื่อง TBS,TDS ,TSS, and %Extraction Yield

อ่านเรื่อง %TDS และ TDS

Total Dissolved Solid คือ สารประกอบต่างๆที่ละลายอยู่ในสารละลายกาแฟที่ปกติจะอยู่ในรูปของของแข็ง แต่จะละลายเมื่อมีน้ำเป็นตัวทำละลาย

Oven Dry Method

ดังนั้นวิธีเริ่มแรกที่สุดที่ถูกนำมาใช้คือ Oven Dry method หรือ ใช้เตาอบในการไล่ความชื้นออกไปเพื่อหาน้ำหนักของผงกาแฟที่เหลืออยู่ภายหลังจากการชง 

ขั้นตอนการทำค่อนข้างจะเรียบง่ายคือ

1. ชั่งน้ำหนักกาแฟที่บดแล้วพร้อมที่จะชง
2. ทำการชงกาแฟ
3. นำผงกาแฟที่ใช้ชงเสร็จแล้วไปเข้าเตาอบจนกว่าความชื้นทั้งหมดจะหายไป
4. ชั่งน้ำหนักของผงกาแฟที่แห้งแล้ว

ปริมาณของกาแฟที่ละลายลงไปอยู่ในน้ำกาแฟนั้นคือน้ำหนักของที่หายไประหว่างน้ำหนักของผงกาแฟก่อนชง และน้ำหนักของผงกาแฟหลังชง สิ่งที่หายไปนั้นเราจะเรียกโดยรวมว่า Total Brew Solid ซึ่งประกอบด้วย Total Dissolved Solid, TDS (ของแข็งที่ละลายน้ำทั้งหมด) กับ Total Suspended Solid,TSS (ของแข็งที่ลอยอยู่ในน้ำ) ถ้าอยากทราบแต่ปริมาณ Total Dissolved Solid ก็สามารถทำได้โดยกรองน้ำกาแฟที่ชงเพื่อแยก Total Suspended Solid และนำมาใส่รวมกับผงกาแฟที่ใช้ชงเสร็จแล้ว หรือ กรองน้ำกาแฟเพื่อ แยก TSS ออกแล้วนำน้ำกาแฟไปอบให้แห้งเพื่อหาปริมาณของแข็งที่ละลายอยู่ในน้ำ

ถ้าทำอย่างถูกต้อง (ไม่มีผงกาแฟหายไประหว่างการชงเช่น ทำตก, ทำหก, เหลือติดเครื่องชง) Oven Dry Method นั้นเป็นวิธีที่ดีที่สุดที่จะสามารถหา TDS หรือ TBS แต่ก็ต้องแลกมาด้วยระยะเวลาในการวัดค่อนข้างนาน

Hydro Meter

ดังนั้นจึงมีการหาวิธีอื่นๆที่จะทำให้การหาค่าของ  TDS ได้เร็วและง่ายยิ่งขึ้น วิธีถัดมาที่ถูกนำมาใช้ก็คือ Hydrometer โดยลักษณะของ Hydrometer นั้นเป็นหลอดแก้วที่มีกระเปาะอยู่ตรงปลายซึ่งจะถูกออกแบบมาเพื่อให้ลอยอยู่ในน้ำได้ โดยถ้าสารละลายมีปริมาณ ของแข็งที่ละลายน้ำอยู่เยอะ Hydrometer  ก็จะลอยสูงกว่า Hydrometer ที่ลอยอยู่ในน้ำเปล่า

Hydrometer นั้นดูเหมือนจะเป็นวิธีที่ง่ายและเร็วกว่า Oven dry method แต่การใช้งานจริงๆนั้นค่อนข้างลำบากเนื่องจาก Hydrometer ไวต่ออุณหภูมิ และผู้ใช้จำเป็นต้องถูกฝึกฝนการใช้งานอย่างถูกต้อง อีกทั้งเนื่องจาก Hydrometer ทำจากแก้วทำให้แตกหักง่ายซึ่งยากต่อการนำไปใช้งานในที่อื่นๆนอกเหนือจากห้องทดลอง

Water Conductivity Meter

เนื่อจากความเปราะบางของ Hydrometer ทำให้มีการนำ Conductivity Meter หรือ เครื่องวัด TDS ในน้ำมาใช้ทดแทน

Conductivity Meter ทำงานโดยวัดค่าการนำไฟฟ้าระหว่างหัววัดสองหัว โดยถ้ามีค่าการนำไฟฟ้าที่สูงแสดงว่าในน้ำนั้นมีปริมาณของแข็งที่ละลายน้ำอยู่มากกว่าของเหลวที่มีค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่า โดยวิธีนี้เป็นวิธีที่ง่าย รวดเร็วและไม่ยุ่งยากเท่ากับวิธี  Oven dry method หรือ Hydrometer แต่ว่าวิธีนี้ก็มีข้อด้อยที่สำคัญอยู่

ปัญหาของการใช้ Conductivity Meter ในการหาค่า TDS นั้นเกิดจากวิธีการวัดค่าการนำไฟฟ้าในสารละลาย ดังนั้นของแข็งที่ละลายอยู่ในน้ำนั้นต้องสามารถนำไฟฟ้าด้วยทำให้ Conductivity Meter สามารถหาค่าที่เปลี่ยนแปลงไปได้ เช่นถ้าเกลือละลายอยู่ในน้ำค่าการนำไฟฟ้าก็จะสูงขึ้น แต่ถ้าหากของแข็งที่ละลายอยู่ในน้ำไม่นำไฟฟ้าแล้ว Conductivity Meter ก็จะไม่สามารถหาค่าได้ว่ามีสารประกอบอะไรบ้างที่ละลายอยู่ในน้ำ เช่นน้ำตาลเมื่อละลายน้ำแล้วไม่ทำไฟฟ้าเป็นต้น ทำให้ค่าที่เครื่องมืออ่านได้มีความผิดพลาด และนอกจากนี้ ถ้าในน้ำที่ใช้ในการชงกาแฟมีแร่ธาตุละลายอยู่มาก ก็จะทำให้ค่าที่เครื่องอ่านได้เพี้ยนไปจากเดิม

เพื่อแก้ปัญหาที่เกิดขึ้น ทำให้เราต้องหาเครื่องมืออันใหม่มาใช้แทน Conductivity Meter โดยเครื่องมือนั้นต้องมีความแม่นยำและสามารถวัดผลได้ไว

Coffee Refractometer

Brix Refractometer นั้นถูกนำมาใช้ทดแทน Conductivity Meter โดย Brix Refractometer ใช้หลักการหักเหของแสงในการวัดปริมาณน้ำตาลที่ละลายอยู่ในสารละลาย Alan Adler ผู้ประดิษฐ์ Aeropress เป็นคนแรกๆที่นำประเด็นเกี่ยวกับการนำ Brix Refractometer มาใช้พูดคุยบน coffeegeek.com  (สามารถอ่านตัวเต็มได้ที่ https://goo.gl/z7Aytg) ปัญหาสำคัญของการนำ Brix Refractometer มาใช้นั้นคือการหาค่าความสัมพันธ์ระหว่าง %Brix กับ %TDS ซึ่งเริ่มแรกนั้น Randy Pope จาก Bunn Technology Centre ได้ค้นพบว่า %TDS นั้นเท่ากับ %Brix * 0.85 (ปัจจุบันไม่ได้ใช้ค่านี้แล้ว)

เพื่อที่จะเข้าใจการทำงานของ Brix Refractometer จำเป็นต้องอธิบายฟิสิกซ์ที่เกี่ยวข้องกลับเรื่องนี้เล็กน้อย โดยทั่วไปแล้วแสงเดินทางด้วยความเร็วคงที่ในสูญญากาศ แต่เมื่อแสงต้องเดินทางผ่านสิ่งที่มีความหนาแน่นมากกว่าสูญญากาศ แสงจะเดินทางช้าลง เช่น สมมุติว่าเมื่อแสงเดินทางในสูญญากาศ แสงมีความเร็วเท่ากับ 1 กิโลเมตรต่อวินาทีแต่เมื่อแสดงต้องผ่านสู่น้ำทันที ทำให้ความเร็วของแสดงลดลงประมาณ 30% หรือ เหลือประมาณ 0.7 กิโลเมตรต่อวินาทีโดยความเร็วที่เปลี่ยนไปนั้นทำให้แสงเกิดการหักเหในองศาที่จำเพาะ โดยองศาที่แสงหักเหไปเมื่อเทียบกับแสงในสูญญากาศ เรียกว่า Refractive index หรือดัชนีการหักเหของแสง

Refractometer ใช้คุณสมบัติเหล่านี้ในการวัดว่าในสารละลายนั้นมีปริมาณของแข็งที่ละลายน้ำเท่าไร โดยสารละลายแต่ละชนิดนั้นที่ความเข้มข้นต่างกัน จะมีค่าการหักเหแสงต่างกันเช่น สารละลายน้ำตาล 50% มีค่าการหักเหแสงที่ 1.42 ในขณะที่สารละลายน้ำตาล 75% มีค่าการหักเหแสงที่ 1.4774 เมื่อวัดค่าการหักเหของแสงและเทียบกับกราฟความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของน้ำตาลกับค่าการหักเหของแสง จะทำให้เครื่องสามารถบอกได้ว่ามีประมาณของน้ำตาลละลายอยู่ในน้ำเท่าไร refractometer จะให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำถ้าในสารละลายนั้นมีของแข็งที่ละลายน้ำแค่ชนิดเดียว เช่น มีแค่น้ำกับน้ำตาล แต่ถ้าในน้ำนั้นมีของแข็งที่ละลายน้ำอยู่หลายตัวค่าการหักเหของแสงก็จะเปลี่ยนแปลงไปทำให้ เครื่องไม่สามารถให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำได้ว่าการหักเหของแสงที่เกินขึ้นนั้นเกิดจากน้ำตาลหรือ สารชนิดอื่น

Digital Refractometer ทำงานอย่างไร

การทำงานของเครื่อง Digital Refractometer นั้นไม่ซับซ้อน มีส่วนประกอบหลักสามส่วนด้วยกันคือ แหล่งกำเนิดแสง ปริซึม และ เซนเซอร์รับแสง

ตัวอย่างที่ต้องการทดสอบนั้นจะถูกหยดลงไปบน ปริซึม

แสงจากแหล่งกำเนิดแสงฉายเข้าไปในปริซึมและเกิดการหักเหด้านในกลับมายังเซนเซอร์รับแสงอีกด้าน

ถ้าใช้น้ำกลั่นเป็นตัวอย่าง Refractometer ได้ถูกออกแบบมาให้แสงจากแหล่งกำเนิดแสงนั้นเกิดการหักเหกลับมายังทุกๆส่วนของเซนเซอร์รับแสง 

ถ้าใช้น้ำผสมน้ำตาลเป็น sample แสงจากแหล่งกำเนิดแสงที่หักเหในปรึซึม บางส่วนจะหักเหผ่าน sample ออกไปทำให้แสงที่หักเหกลับมายังเซนเซอร์รับแสงนั้นหายไป เกิดเป็นแถบมืดบนเซนเซอร์ แถบมืดบนเซนเซอร์นั้นมีความสำคัญ โดย refractometerจะวัดขนาดแถบมืดนั้นแล้วคำนวนกลับไปเป็นความเข้มข้นของสารละลาย

อุณหภูมิของสารละลายนั้นเป็นอีกปัจจัยที่ส่งผลต่อดัชนีการหักเห เนื่องจากถ้าสารละลายมีอุณหภูมิสูงขึ้นจะทำให้ความหนาแน่นลดลง ทำให้องศาการหักเหลดลง แต่ส่วนใหญ่แล้วเครื่อง Refractometer มีการชดเชยอุณหภูมิทำให้ปัญหานี้ลดน้อยลงไป แต่อย่างไรก็ตามควรจะรอจนกว่าสารละลายจะเย็นลงแล้วค่อยทำการวัด

นอกเหนือจากอุณหภูมิที่ส่งผลต่อการหักเหของแสง ปริมาณสารแขวนลอยในสารละลายก็มีผลต่อการหักเหของแสง เนื่องจากสารแขวนลอยเหล่านี้จะไปบังหรือ สะท้อน แสงที่หักเหออกไปจากปริซึมทำให้แสงที่สะท้อนกลับมาไม่มีส่วนที่เป็นแถบมืดชัดเจนทำให้ยากต่อการคำนวนดัชนีค่าการหักเหแสงได้ ดังนั้นควรจะทำการกรองเอาสารแขวนลอยเหล่านี้ออกจากสารละลายกาแฟก่อนที่จะทำการวัด

เมื่อเทียบกับวิธีอื่นๆแล้ว Digital Refractometer นั้นเป็นเครื่องมือที่มีขนาดเล็กและใช้งานง่าย ให้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างแม่นยำและรวดเร็ว ทำให้ Digital Refractometer ได้รับความนิยมอย่างรวดเร็ว

Reference :

SCAA BREWING HANDBOOK by TED R. Lingle