Sở Khoa học và Công Nghệ

https://sokhcn.tayninh.gov.vn

Kỹ thuật hạt nhân và vấn đề dinh dưỡng

Kỹ thuật hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc giúp cải thiện khả năng tiếp cận với nguồn cung cấp thực phẩm an toàn, đảm bảo và có chất lượng dinh dưỡng cao ở quy mô toàn cầu.
Những ứng dụng công nghệ hạt nhân trong trồng trọt và chăn nuôi đã và đang liên tục phát triển nhằm mục tiêu hiệu quả và hiệu suất lương thực - thực phẩm từ việc giảm thiểu thất thoát chất dinh dưỡng của đất trồng đến việc sử dụng hiệu quả các sản phẩm phân bón hiện nay. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong các khía cạnh về dĩnh dưỡng thực phẩm, lượng nước phù hợp cho con người hay đánh giá các tương tác sinh học giữa thực phẩm, dinh dưỡng và sức khỏe con người.
Báo cáo đánh giá toàn cầu về những tác động trên diện rộng của việc lựa chọn thực phẩm với sức khỏe và Trái Đất được công bố ngày 23/11/2021 cho biết gần 50% dân số thế giới trong tình trạng dinh dưỡng kém. Báo cáo Dinh dưỡng toàn cầu (GNR) được thực hiện hàng năm trong đó phân tích các dữ liệu mới nhất về dinh dưỡng và các vấn đề liên quan sức khỏe con người cũng chỉ ra có tới 48% dân số toàn cầu hiện được cung cấp dinh dưỡng không đúng khoa học, dẫn đến nhiều nguy cơ về sức khỏe. Nếu tình trạng hiện nay tiếp diễn, thế giới sẽ không thể đạt 8 trong số 9 mục tiêu dinh dưỡng mà Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đề ra cho đến năm 2025. Báo cáo GNR cũng chỉ ra một thực tế là người dân trên thế giới vẫn chưa sử dụng đủ lượng thực phẩm có chất dinh dưỡng tốt cho sức khỏe như rau, củ và các loại hoa quả, đặc biệt là ở các nước thu nhập thấp. Trong khi đó, người dân ở các nước có thu nhập cao hơn lại có xu hướng tiêu thụ những thực thẩm có thể gây những tác động có hại tới sức khỏe.
1. Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân đánh giá tính khả dụng sinh học của vi chất dinh dưỡng
Tính khả dụng sinh học đặc trưng cho tỷ lệ các vi chất dinh dưỡng được hấp thụ, sử dụng và lưu trữ. Khái niệm này đặc biệt quan trọng đối với một số vi chất dinh dưỡng, như sắt nonheme và caroten tiền vitamin A, do mức độ khả dụng sinh học khác nhau phụ thuộc vào một số yếu tố nhất định. Sắt nonheme là sắt được tìm thấy trong các nguồn thực vật như đậu, quả hạch, đậu lăng, lá xanh,... hay trứng, sữa. Caroten tiền vitamin A (hay còn gọi là Beta caroten) là một loại chất dinh dưỡng thiết yếu, thường có trong thực phẩm nguồn gốc từ thực vật, giúp cơ thể phòng tránh được tình trạng thiếu hụt vitamin A, hạn chế tình trạng mù lòa, tăng sức đề kháng cho hệ miễn dịch. Các kỹ thuật đồng vị bền (không phóng xạ) để đánh giá tính khả dụng sinh học của vi chất dinh dưỡng đã được phát triển trong khoảng 20 năm qua và đã góp phần đáng kể vào hiểu biết của con người về tầm quan trọng của khả dụng sinh học trong dinh dưỡng. Ưu điểm của các kỹ thuật đồng vị bền là không khiến đối tượng nghiên cứu hoặc điều tra viên phải tiếp xúc với các nguy cơ sức khỏe tiềm ẩn liên quan đến bức xạ, có tính khả thi đối với các nhóm dân số có nguy cơ cao bị thiếu hụt vi chất dinh dưỡng.
Trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu và khảo sát, đánh giá đã cung cấp một lượng thông tin khá lớn về các chất tăng cường chế độ ăn uống và chất ức chế hấp thu sắt nonheme ở trẻ sơ sinh và trẻ em. Việc sử dụng các kỹ thuật đồng vị bền đã góp phần đáng kể vào cơ sở dữ liệu về tính khả dụng sinh học của sắt nonheme từ các hợp chất sắt được sử dụng trong những chương trình tăng cường vi chất dinh dưỡng vào thực phẩm. Kỹ thuật đồng vị bền ước tính lượng vitamin A trong cơ thể cũng cung cấp thông tin quan trọng về hiệu quả sinh học của các caroten tiền vitamin A và ảnh hưởng của chế độ ăn uống cũng như tình trạng dinh dưỡng của con người.
Kỹ thuật đồng vị bền để đánh giá khả dụng sinh học của sắt đã được phát triển trên cơ sở kết hợp các đồng vị sắt ổn định vào hồng cầu. Thông thường, tỷ lệ kết hợp sắt mới được hấp thụ vào hồng cầu được cho là tương đối ổn định (khoảng 80 - 90%). Tuy nhiên, khi tỷ lệ kết hợp không thể duy trì ổn định (ví dụ như phụ nữ mang thai hoặc ở những người bị nhiễm bệnh sốt rét), đồng vị bền có thể được sử dụng để điều chỉnh những thay đổi về tỷ lệ kết hợp đó. Sự khác biệt đáng kể giữa các cá thể về khả năng hấp thụ sắt đã được chứng minh là phần lớn do sự khác biệt về tình trạng sắt trong cơ thể và do đó, so sánh theo cặp là cần thiết khi đánh giá tính hấp thụ sắt của các loại thực phẩm thông thường hoặc thực phẩm ở dạng tăng cường khác nhau. Với việc sử dụng kỹ thuật hạt nhân (kỹ thuật đồng vị kép, nghĩa là sử dụng 2 đồng vị sắt ổn định Fe-57 và Fe-58), có thể thu được đồng thời thông tin về khả năng hấp thụ sắt trong thực phẩm từ những bữa ăn thông qua việc làm giàu Fe-57 và Fe-58 bằng phép đo phổ khối ion hóa nhiệt hoặc phép đo khối phổ plasma kết hợp cảm ứng có độ phân giải cao.
Ứng dụng kỹ thuật đồng vị bền trong nghiên cứu nhằm giúp khắc phục tình trạng thiếu máu do thiếu sắt.
Kỹ thuật đồng vị bền đánh giá sự thay đổi vitamin A trong cơ thể đã góp phần đáng kể vào việc phát triển các biện pháp can thiệp trên cơ sở tiền caroten vitamin A. Đặc biệt, kỹ thuật pha loãng đồng vị bền theo cặp còn được sử dụng để tạo dữ liệu về các yếu tố chuyển đổi tiền vitamin A. Kỹ thuật này dựa trên việc sử dụng retinol (còn được gọi là vitamin A1, thường được sử dụng để điều trị và ngăn ngừa thiếu vitamin A) được đánh dấu bằng đồng vị bền (đơteri hoặc C-13) cùng với thực phẩm đánh giá sự chuyển đổi sinh học của tiền caroten vitamin A thành retinol. Gần đây hơn, kỹ thuật này còn được sử dụng để đánh giá sự chuyển đổi sinh học của caroten tiền vitamin A trong gạo được bổ sung vi chất sinh học (gạo vàng). Nhìn chung, các nghiên cứu trên động vật và con người với các loại cây trồng chủ lực được tăng cường sinh học bằng tiền vitamin A cho thấy tỷ lệ chuyển đổi tiền vitamin A thành retinol rất tốt, điều này chứng tỏ tính khả thi của kỹ thuật này. Các caroten tiền vitamin A vẫn là một vấn đề cộng đồng ở trẻ sơ sinh, trẻ em và phụ nữ trong độ tuổi sinh đẻ. Các ước tính chính xác về việc chuyển retinol và caroten tiền vitamin A qua sữa mẹ là điều cần thiết để hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa lượng retinol và tiền vitamin A của mẹ đối với tình trạng vitamin A của trẻ sơ sinh.
2. Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân đánh giá chuyển hóa vi chất từ mẹ sang trẻ sau sinh
Theo khuyến cáo của Tổ chức Y tế Thế giới và Quỹ Nhi đồng Liên Hợp Quốc, bú mẹ hoàn toàn trong 06 tháng đầu đời, sau đó bổ sung ăn dặm và tiếp tục cho bú mẹ là nền tảng trong dinh dưỡng trẻ sơ sinh. Tuy nhiên, thông tin về lượng sữa mẹ được tiêu thụ còn hạn chế đã gây khó khắn cho việc đưa ra ước tính chính xác về lượng vi chất dinh dưỡng hấp thụ ở trẻ bú mẹ, đặc biệt là ở những nhóm dân số có nguy cơ cao bị thiếu vi chất dinh dưỡng. Với kỹ thuật thông thường là cân kiểm tra, trẻ sơ sinh được cân trước và sau mỗi lần bú. Kỹ thuật này rất tốn thời gian và có thể làm xáo trộn mô hình cho ăn bình thường. Ngoài ra, trẻ sơ sinh được cho bú cả vào ban đêm nên dẫn đến những hạn chế nghiêm trọng của việc sử dụng cân đo kiểm tra.

Kỹ thuật đồng vị bền (định lượng ôxit đơteri cho mẹ) có thể khắc phục những vấn đề thực tế trên do không làm xáo trộn mô hình cho ăn bình thường và tổng lượng sữa mẹ không bị ảnh hưởng, cũng như có thể ước tính được lượng nước lấy từ các nguồn khác ngoài sữa mẹ mà trẻ tiêu thụ trong khoảng thời gian 14 ngày. Phương pháp này không xâm lấn vì lượng ôxit đơteri được người mẹ tiêu thụ qua đường tiêu hóa và chỉ lấy mẫu nước tiểu hoặc nước bọt để phân tích. Sau khi người mẹ hấp thụ ôxit đơteri, đơteri được trộn với nước trong cơ thể của người mẹ và được trẻ hấp thụ qua sữa mẹ. Bằng cách đo lường sự biến mất của đơteri khỏi người mẹ và sự xuất hiện ở trẻ, lượng sữa mẹ hấp thụ có thể được tính toán dựa trên một quy trình chuẩn; đồng thời, có thể thu được thông tin về việc liệu trẻ có uống nước từ các nguồn khác ngoài sữa mẹ hay không và có thể đo được lượng nước trong cơ thể của người mẹ. Trên cơ sở ước tính tổng lượng nước trong cơ thể, thành phần cơ thể của người mẹ (khối lượng không có chất béo và khối lượng chất béo) cũng có thể được xác định.
3. Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân đánh giá lượng chất dinh dưỡng
Kỹ thuật đồng vị bền tốt nhất được thực hiện với liều lượng chất đánh dấu nhỏ để không làm xáo trộn nhóm chất dinh dưỡng cần đánh giá. Đối với vitamin A và beta caroten, kỹ thuật này sử dụng 14C-retinol và phương pháp phổ khối gia tốc (AMS) được gắn đồng vị phóng xạ. Kỹ thuật AMS ban đầu được phát triển để xác định niên đại bằng cácbon và là một phương pháp định lượng chính xác, có độ nhạy cao đối với C-14. Kỹ thuật phân tích này đã được áp dụng cho nghiên cứu y sinh tuy bị hạn chế do thiết bị và chi phí bảo trì cao của máy phổ khối gia tốc. Gần đây, kỹ thuật này đã được sử dụng trong nghiên cứu thực địa ở Zambia để đánh giá khả năng hấp thụ, duy trì và đào thải vitamin A ở các bé trai sau khi sử dụng một liều rất nhỏ 14C-retinol (liều phóng xạ là 0,02 mSv, tương đương với một chuyến bay kéo dài trong 6 giờ hoặc một ca X-quang răng). Kỹ thuật này còn được ứng dụng để xác định ảnh hưởng của vitamin A bổ sung đối với quá trình chuyển hóa 14C-β-caroten, chuyển hóa caroten thành retinol và chuyển hóa thành các retinoid khác, sự phân cắt ngoại tâm của 14C-β-caroten. Ngoài các nghiên cứu về vitamin A và caroten tiền vitamin A, AMS và cyanocobalamin (một dạng vitamin B12 nhân tạo, có công dụng ngăn ngừa và điều trị tình trạng thiếu hụt vitamin B12 trong máu) được gắn C-14 gần đây đã được sử dụng để theo dõi vitamin B12 trong quá trình đi qua đường tiêu hóa ở người. Những nghiên cứu độc đáo này đã cung cấp thông tin mới về sự thay đổi của quá trình phân hủy vitamin B12 và do đó, góp phần hiểu rõ hơn về quá trình chuyển hóa của cyanocobalamin. Kỹ thuật xạ hình cho nghiên cứu động học vi chất dinh dưỡng trong y học hạt nhân đã làm cho cái vô hình trở nên hữu hình trong chẩn đoán và điều trị bệnh.
Chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) được sử dụng để nghiên cứu động lực học của máu và sự hấp thu của các cơ quan trong cơ thể người. Những nghiên cứu này cho thấy rõ tiềm năng của PET trong các nghiên cứu về chuyển hóa sắt. Tuy nhiên, ứng dụng này yêu cầu Fe-52, một đồng vị có chu kỳ bán rã 8,3 giờ và thường không được sử dụng trong các ứng dụng y học hạt nhân, do đó, không được sản xuất phổ biến. Với khả năng tiếp cận toàn cầu rộng rãi hơn với PET và cyclotron, tính khả thi của việc sử dụng kỹ thuật này để giải quyết các lĩnh vực quan trọng như chuyển hóa sắt và các bệnh truyền nhiễm như sốt rét, HIV/AIDS,… có tiềm năng rất lớn.
4. Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân xác định lượng nước nên uống hàng ngày
Một nghiên cứu mới đây của nhóm các nhà khoa học quốc tế được công bố trên tạp chí Science, trong đó khám phá sự luân chuyển nước bằng cách sử dụng dữ liệu được thu thập thông qua kỹ thuật phân tích hạt nhân đối với nước được gắn nhãn kép chỉ thị, đã làm sáng tỏ lượng nước thực sự mà con người cần uống hàng ngày. Sự luân chuyển nước thể hiện chính xác lượng nước cơ thể sử dụng. Mặc dù có liên quan chặt chẽ với nhau, nhưng sự luân chuyển nước thường không cao như nhu cầu nước của cơ thể, bởi vì cơ thể người cũng hấp thụ nước từ không khí qua da và thực phẩm. Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các hướng dẫn và khuyến nghị trước đây về lượng nước nên sử dụng mỗi ngày có thể đang ở mức quá cao đối với hầu hết mọi người ở hầu hết khu vực, con số thực tế hàng ngày ở khoảng 1,5 lít đối với nam giới và 1,3 lít đối với nữ giới (ở độ tuổi trưởng thành). Con số này cũng sẽ thay đổi theo các yếu tố liên quan đến hoạt động và cơ địa mỗi người.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science cho thấy: Nam giới 20 tuổi điển hình ở Mỹ hoặc Châu Âu nên uống khoảng 1,5 đến 1,8 l nước mỗi ngày và phụ nữ là 1,4 l.
Nguyên lý của phương pháp dựa trên sự luân chuyển của nước trong cơ thể con người. Sự luân chuyển nước là quá trình từ lúc nước được hấp thu vào cơ thể đến khi thoát ra khỏi cơ thể. Nước thoát khỏi cơ thể qua đường tiêu hóa, thoát qua da và qua mồ hôi, qua đường hô hấp. Để duy trì sự cân bằng nước cơ thể, sự thoát nước phải phù hợp với sự hấp thu nước từ đồ uống, thực phẩm, hơi nước trong lượng khí hô hấp, lượng nước hấp thụ qua da và nước hình thành trong quá trình hiếu khí hô hấp và trao đổi chất. Toàn bộ chuyển động của nước trong cơ thể, bao gồm cả lượng nước vào và lượng nước mất đi, được gọi là lượng nước luân chuyển (lít/ngày). Kỹ thuật đồng vị được áp dụng trong nghiên cứu này là kỹ thuật sử dụng đồng vị hydro do đây là nguyên tố chính cấu thành nên các phân tử nước. Kỹ thuật này theo dõi lượng đồng vị hydro và bằng phép đo hạt nhân có thể xác định chính xác tổng lượng nước trong cơ thể và lượng nước luân chuyển. Nước uống vào cơ thể sẽ được làm giàu với khoảng 5% nước khử màu (DHO). Đơtơri hòa vào nước sẽ cung cấp ước tính tổng lượng nước trong cơ thể thông qua nguyên tắc pha loãng. Đồng vị đơtơri dư thừa sau đó được loại bỏ khỏi cơ thể bằng các con đường đào thải. Do không tồn tại thêm chất đánh dấu nào đi vào hệ thống nên đồng vị làm giàu giảm theo cấp số nhân trở lại mức cơ bản. Tham số tốc độ này khi trở lại đường cơ sở là lúc lượng nước cơ thể bằng với lượng nước luân chuyển.
Việc ước tính lượng nước luân chuyển bằng cách sử dụng các phương trình mới này không chỉ giúp thiết kế chiến lược nước mà còn thiết kế nhu cầu nước trong tương lai - điều rất quan trọng đáp ứng sự gia tăng dân số và biến đổi khí hậu. Nghiên cứu dựa trên dữ liệu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA). Cơ sở dữ liệu chứa dữ liệu của hơn 8.300 người, trở thành bộ dữ liệu lớn nhất thế giới cho đến nay và được thu thập bằng cách sử dụng kỹ thuật đồng vị bền đơtơri và oxy-18.
5. Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân cải thiện dinh dưỡng cây trồng
Vấn đề dinh dưỡng của con người chịu nhiều chi phối từ các nguồn cây trồng sử dụng hiện nay. Theo thống kê, con người đã và đang sử dụng tới 95% thực phẩm hàng ngày là rau, củ, quả và các loại cây lương thực. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên thiết yếu này đang bị đe dọa do rất nhiều nguyên nhân khác nhau, đặc biệt là do sự suy thoái đất. Theo Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hợp quốc (FAO), khoảng 1/3 đất trên thế giới đã bị tổn hại do các phương thức canh tác lạc hậu, kém bền vững và do sự biến đổi khí hậu hoặc ô nhiễm. Phạm vi ảnh hưởng đã lên tới 50.000 km2 đất bị xuống cấp mỗi năm. Thực vật cần 18 chất dinh dưỡng quan trọng để phát triển và tạo ra thực phẩm tốt cho sức khỏe, 3 trong số đó được lấy từ khí quyển thông qua quá trình quang hợp, phần còn lại đến từ đất. Việc canh tác liên tục mà không bổ sung đủ chất dinh dưỡng cần thiết đã dẫn đến sự suy giảm độ phì nhiêu của đất.

Các quá trình nông học và hóa sinh quan trọng thay đổi trong quá trình phục hồi độ phì nhiêu của đất trồng
Kỹ thuật hạt nhân có thể giúp giảm thiểu thất thoát chất dinh dưỡng của đất bằng cách cho phép các nhà khoa học thu thập dữ liệu về đất để đánh giá và quản lý tốt hơn chất lượng và sức khỏe của đất. Thông qua các đồng vị của cacbon, nitơ, phốt pho và các nguyên tố khác, kỹ thuật hạt nhân theo dõi sự di chuyển của các chất dinh dưỡng từ phân bón hữu cơ và vô cơ trong đất đến cây trồng và môi trường. Dựa trên thông tin này, nhà quản lý sẽ đưa ra các biện pháp quản lý đất tốt nhất nhằm đảm bảo cân đối và chính xác lượng chất dinh dưỡng được bón vào đất đúng thời điểm và đúng số lượng, từ đó làm tăng hiệu quả hấp thu chất dinh dưỡng và tính bền vững của các loại đất. Cải thiện độ màu mỡ của đất và hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng giúp tăng sản lượng và chất lượng dinh lưỡng cho cây lương thực, góp phần chống đói và suy dinh dưỡng.
Kỹ thuật đồng vị ổn định như kỹ thuật sử dụng đồng vị bền N-15 để đo tốc độ của quá trình biến đổi N khác nhau trong các hệ thống đất-thực vật-nước và khí quyển, chẳng hạn như cố định-khoáng hóa N, nitrat hóa, cố định khí N sinh học, hiệu quả sử dụng N và nguồn vi sinh vật tạo oxit nitơ trong đất - loại khí gây hiệu ứng nhà kính và làm suy giảm tầng ôzôn.
Việc sử dụng oxy-18, hydro-2 (đơtơri) và các đồng vị khác là một phần không thể thiếu trong quản lý đất-nước nông nghiệp, cho phép xác định nguồn nước và theo dõi chuyển động và đường đi của nước trong đất và cây trồng. Kỹ thuật này cũng giúp hiểu về việc cây trồng sử dụng nước từ đất, định lượng sự thoát hơi nước của cây trồng và sự bốc hơi nước từ đất, cho phép đưa ra các chiến lược cải thiện sản lượng cây trồng, giảm thất thoát nước và ngăn ngừa suy thoái đất và nước.
Kết luận
Các kỹ thuật hạt nhân cung cấp công cụ hiệu quả để giải quyết các vấn đề quan trọng trong dinh dưỡng; đặc biệt là sự đóng góp của các kỹ thuật đồng vị bền nhằm tăng sự hiểu biết về khả dụng sinh học của vi chất dinh dưỡng và vai trò quan trọng của nó trong việc phát triển các phương pháp can thiệp dinh dưỡng hiệu quả. Tính hữu ích của các kỹ thuật đồng vị bền đã được khẳng định, chẳng hạn như kỹ thuật pha loãng đồng vị để đánh giá lượng sữa mẹ tiêu thụ ở trẻ và thành phần cơ thể của các bà mẹ đang cho con bú (cũng như thành phần cơ thể của bất kỳ nhóm dân số nào khác) để đánh giá quá trình chuyển giao vi chất dinh dưỡng từ mẹ sang con cũng như các nghiên cứu về thành phần cơ thể để đánh giá sự tương tác giữa thừa cân và béo phì, viêm nhiễm và dinh dưỡng. Việc sử dụng các kỹ thuật xạ hình trong dinh dưỡng đã làm cho những thứ vô hình trở nên hữu hình, đóng vai trò cần thiết để thúc đẩy các phương pháp đánh giá và liệu trình bổ sung dinh dưỡng khoa học.
Tài liệu tham khảo
1. New frontiers in science and technology: nucle ar techniques in nutrition, Lena Davidsson and Sherry Tanumihardjo, Tạp chí National Library of Medicine, 8/6/2011.
2. Nuclear Science Helps Enhance Soil Fertility for More Nutritious Food, Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), 2022.
3. Variation in human water turnover associated with environmental and lifestyle factors, Yosuke Yamada, Xueying Zhang, Mary e. T. Henderson, Hiroyuki Sagayama, và Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), Tạp chí Journal of Bi omedical Science and Engineering, Vol.9 No.8, 07/2016.
4. Nuclear Technique Reveals How Much Water You Should Drink Daily, Muhammad Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), 8/12/2022.
ThS. Đỗ Ngọc Điệp - Cục Năng lượng Nguyên tử
Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây