Electronic Nose (E-Nose): Hidung Tiruan Dalam Teknologi Sensori

93

Penilaian sensori merupakan salah satu cabang dalam bidang sains makanan yang berfungsi untuk merangsang, mengukur, menganalisis dan menginterpretasi tindakbalas di antara ciri-ciri pada sesuatu makanan serta bahan-bahannya apabila ia dinilai menggunakan lima deria asas. Di antara kelima-lima deria asas tersebut, deria olfaktori atau deria bau merupakan antara komponen terpenting dalam penilaian sensori selain daripada deria rasa. Ciri-ciri bagi kualiti sistem olfaktori sebagai satu kaedah dalam kawalan jaminan mutu telah memberikan satu pengaruh yang besar dalam industri makanan.

Perkembangan dalam bidang sensori ini seterusnya telah mendorong para penyelidik dan saintis untuk menghasilkan satu aplikasi baru dalam teknologi sensori yang berasaskan sistem olfaktori. Teknologi sensori sebagai satu bidang yang semakin pesat berkembang, telah berjaya membangunkan teknologi baru dalam kaedah penilaian sensori yang mana ia bukan sahaja dapat diaplikasikan dalam bidang makanan, bahkan juga dalam bidang perubatan dan alam sekitar.

Penyelidikan telah membuktikan bahawa terdapat beberapa aspek pada prinsip-prinsip serta fisiologi sistem olfaktori manusia yang masih kabur dan tidak difahami. Justeru itu, banyak kajian serta penyelidikan yang telah dijalankan dalam mengkaji kemungkinan penghasilan satu sistem olfaktori tiruan yang boleh diaplikasikan dalam pelbagai kaedah penilaian makanan. Hasil daripada penyelidikan tersebut, maka terciptalah satu teknologi baru yang dinamakan Electronic Nose.

Sejarah penghasilan E-Nose

Berdasarkan sejarah, penyelidikan yang telah dijalankan terhadap penghasilan E-Nose ini telah bermula sejak sekitar tahun 80-an lagi di mana para saintis telah membayangkan kewujudan suatu teknologi yang menyerupai sistem olfaktori manusia dengan menggunakan sistem pengesanan (sensor) yang tertentu. Istilah Electronic Nose ini muncul apabila ia digunakan secara rasmi sewaktu persidangan teknologi pada tahun 1987. Malah, tiga tahun selepas itu, iaitu pada tahun 1990, persidangan pertama yang memfokuskan terhadap topik Electronic nose ini telah diadakan. Pada tahun 1994, istilah Electronic Nose ini mendapat definisinya yang tersendiri, iaitu ‘suatu instrumen yang mengandungi suatu jujukan/aturan pengesan (sensor) kimia elektronik dengan sistem pengesanan bentuk yang mampu untuk mengenalpasti bau-bauan biasa dan kompleks’.

Secara rasminya, Electronic nose yang pertama telah dibangunkan oleh syarikat Cyrano Sciences, yang berpangkalan di Pasadena, California pada tahun 2000. Electronic nose ini yang dinamakan sebagai Cyranose 320, merupakan sebuah alat pengesan bau yang menyerupai sebuah walkie-talkie. Penghasilan Cyaranose 320 ini adalah hasil daripada penyelidikan terhadap sensor yang dijalankan oleh Profesor Nathan Lewis daripada California Institute of Technology.

Konsep Electronic Nose

Secara umumnya, Electronic nose terdiri daripada sistem pengesan kimia serta sistem pemprosesan data. Kombinasi kedua-dua bahagian ini membolehkan Electronic nose memproses serta mengenalpasti bau yang baru berdasarkan corak-corak aroma yang telah dihasilkan sebelum itu, di mana ia berfungsi seperti sistem olfaktori manusia.

Hidung manusia sebenarnya menggunakan satu sistem yang kompleks yang menghubungkan reseptor-reseptor dan neuron-neuron yang mana ia menghasilkan isyarat terus ke sistem limbik otak (brain limbic system). Fungsi inilah yang telah diaplikasikan dalam penghasilan hidung tiruan (E-nose) di mana setiap pengesannya (sensors) dicipta untuk bertindakbalas terhadap bau dan aroma yang berbeza. Seperti sistem sensori manusia, sistem pengenalpastian bau elektronik ini menggabungkan dua bahagian utama iaitu bahagian pengesan yang menyerupai reseptor olfaktori manusia dan bahagian pemprosesan data (data processing) yang menyamai saraf otak manusia.

Pada hari ini, pengesan (sensor) yang biasa didapati pada Electronic nose terdiri daripada metal oxide semiconductor (MOS), conducting polymer, dan surface acoustic wave (transducers). Kebanyakan E-nose yang dihasilkan tidak akan memberikan maklumat mengenai komposisi bagi sesuatu sampel yang diujinya, tetapi memberikan data dalam bentuk cap jari digital melalui pengesanan bentuk. Teknologi ini merupakan satu konsep baru yang mengaplikasikan penggunaan alat pengesan yang mampu menghasilkan cap jari digital terhadap bau serta aroma tertentu. Electronic nose amat berpotensi kerana ia bukan sahaja mampu menjamin kualiti sesuatu produk, malah turut membantu untuk menghalang pengeluaran produk secara berlebihan serta pembaziran dalam penghasilan produk.

Kebanyakan instrumen Electronic nose ini menggunakan banyak pengesan bagi mengesan wap dan bau yang dibebaskan bagi sesuatu sampel. Terdapat satu jenis instrumen E-nose yang dinamakan sebagai Deferential e-nose (Den-nose) yang mana instrumen ini menggunakan dua jujukan chemosensor bagi membezakan jenis-jenis bau yang terhasil. Berbeza dengan manusia yang tidak perlu mengenalpasti setiap unsur yang berlainan dalam sesuatu jenis bau, hidung tiruan ini pula bertindak sebaliknya dengan mengenalpasti corak bagi setiap komponen bau.

Aplikasi Electronic Nose

Umumnya, teknologi hidung tiruan ini dapat diaplikasikan secara meluas dalam industri makanan serta bidang-bidang lain seperti industri kosmetik, tembakau, automatif dan alam sekitar (kualiti udara dan bahan cemar). Hidung tiruan ini dianggap sebagai satu teknologi baru dimana ia telah menjadi satu kaedah yang berguna bagi penilaian organoleptik khusus untuk paramater makanan dimana ini berhubungkait dengan deria dan bau. Selain itu, ia juga amat berpotensi dalam menjaga kawalan kualiti sesuatu produk yang memerlukan penilaian aroma secara objektif, cepat dan sistematik. Teknologi E-nose ini membolehkan pengenalpastian sebarang kecacatan bagi sesuatu proses atau dalam sesuatu produk yang berlainan.

Kini, teknologi E-nose dilihat mampu untuk berfungsi sebagai pengesan bau yang paling berkesan dan lebih tepat berbanding instrumen-instrumen lain seperti kromatografi gas dan analisis sensori. Pengawalan terhadap rasa dan aroma komponen sesuatu makanan merupakan antara aplikasi E-nose yang paling meluas digunakan. Antara penggunaan E-nose yang terawal dilaporkan adalah untuk mengesan kompleks wap udara iaitu kajian yang dijalankan oleh para penyelidik di Syarikat Neotronics, Cambridge, United Kingdom. Terdapat beberapa jenis produk yang menggunakan aplikasi E-nose bagi mengawal rasa serta aromanya.

Dalam pembuatan wain, penghasilan aroma yang berlaku semasa fermentasi wain merupakan salah satu daripada contoh pengawalan terhadap rasa dan aroma yang menggunakan aplikasi E-nose. Melalui proses ini, aroma tersebut terhasil daripada metabolisma yis dan terdiri daripada beberapa komponen tertentu. Setiap komponen tersebut adalah berbeza di antara satu sama lain sama ada dari segi kepekatan, sifat kimia dan sifat organoleptiknya. 

Selain daripada itu, hidung tiruan ini turut diaplikasikan dalam membezakan jenis-jenis minyak zaitun yang dikeluarkan dengan mengenalpasti ciri-ciri tertentu pada setiap produk tersebut. Dalam kes ini, E-nose terdiri daripada 6 semikonduktor metal oxide yang bertindak sebagai pengesan dan berfungsi untuk menghasilkan corak bagi komponen-komponen yang terdapat dalam sampel minyak tersebut. Dalam industri pula, Alan Galperin daripada Bell Laboratories telah mengadaptasi penggunaan sistem hidung tiruan untuk membezakan produk-produk yang berlainan di pasaraya seperti pengkelasan untuk epal dan oren.

Secara umumnya, kawalan kualiti yang menggunakan sistem hidung tiruan banyak diaplikasikan untuk produk buah-buahan serta sayur-sayuran. Menurut hasil kajian DiNatale bersama pasukan penyelidiknya,  kualiti buah oren dan epal selepas dipetik (post harvest) telah diperiksa dengan menggunakan TSM quartz resonator yang berasaskan kepada E-nose. Sistem ini mampu untuk mengesan sebarang kecacatan pada buah-buah tersebut sama ada ia disebabkan oleh skin damage, jangkitan atau over-ripening yang boleh membawa kepada perubahan dalam aroma. Di samping bahan makanan seperti sayur-sayuran dan buah-buahan, sistem E-nose turut boleh digunakan dalam mengenalpasti kesan penggunaan pelbagai agen pewarna (taints) ke atas sifat-sifat sensori bahan pembungkusan. Melalui kaedah ini, hidung tiruan akan mengesan setiap jenis bahan pembungkusan tersebut berdasarkan taints atau lacquering yang digunakan.

Penggunaan E-nose turut diaplikasikan dalam bidang perubatan dan melalui teknologi baru ini diharap mampu untuk mengenalpasti masalah-masalah kesihatan tertentu dalam jangkamasa yang lebih singkat. Pada masa akan datang, teknologi hidung tiruan bakal digunakan untuk mengenalpasti bau badan daripada nafas, luka atau cecair dalam badan yang berupaya untuk mengesan sebarang masalah kesihatan yang mungkin timbul. Sebagai contoh, analisis yang dilakukan terhadap bau nafas seseorang individu boleh mengesan masalah pada sistem gastrointestinal, sinus, jangkitan, penyakit diabetes serta masalah hati.

Di samping bidang perubatan, teknologi hidung tiruan juga berperanan penting dalam bidang persekitaran. Kini, terdapat beberapa projek penyelidikan yang telah dijalankan bagi mengaplikasikan sistem E-nose dalam pengenalpastian bahan buangan toksik, kebocoran minyak, analisis campuran bahan bakar serta pengawalan terhadap kualiti udara. David Walt daripada Universiti Tufts telah menghasilkan E-nose yang menggunakan pengesan yang diperbuat daripada fiber optik yang berfungsi untuk mengesan bahan letupan serta pengesanan terhadap asid nukleik pada DNA dan sel biologi. Di NASA pula, para penyelidiknya giat menjalankan pelbagai kajian terhadap penggunaan E-nose dalam mengesan kehadiran bahan mudah terbakar seperti gasolin serta kebocoran gas pada kelengkapan carigali minyak.

Electronic Nose telah dianggap sebagai satu permulaan dimensi baru dalam analisis sensori dan penggunaannya bukan sahaja terhad dalam penilaian sesuatu jenis makanan, malahan ia turut diaplikasikan dalam bidang-bidang lain seperti perubatan, industri kosmetik serta persekitaran. Sifatnya yang menyamai ciri-ciri yang terdapat pada sistem olfaktori manusia telah mendorong sebahagian besar pakar serta saintis dalam sensori untuk memilih E-nose sebagai kaedah utama dalam proses penilaian deria sesuatu jenis makanan.

Secara keseluruhannya, E-nose adalah bukti hasil perkembangan pesat dalam bidang teknologi sensori dengan menggabungkan prinsip pengesanan kimia serta pemprosesan data menggunakan sistem komputer. Kesimpulannya, melalui penghasilan teknologi hidung tiruan ini diharap mampu memenuhi kehendak serta mencapai matlamat para saintis dan penyelidik sensori dalam meningkatkan lagi perkembangan dalam bidang penilaian deria.

Rujukan

Ahluwalia, A., & Rossi, D. De. (2001). Artificial Noses and Tongues. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology (pp. 344–347). Elsevier Science Ltd.

Baldwin, E. A., Bai, J., Plotto, A., & Dea, S. (2011). Electronic noses and tongues: Applications for the food and pharmaceutical industries. Sensors, 11(5), 4744–4766.

Chilo, J., Pelegri-Sebastia, J., Cupane, M., & Sogorb, T. (2016, February). E-Nose Application to Food Industry Production. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 27–33.

Gardner, J. W., & Bartlett, P. N. (1994). A brief history of electronic noses. Sensors and Actuators, 19, 211–220.

Shi, H., Zhang, M., & Adhikari, B. (2018). Advances of electronic nose and its application in fresh foods: A review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 58(16), 1–40. h

Komen yang ditutup, tetapi jejak balik dan ping balik terbuka.