Cà phê là một trong những ngành nông nghiệp lớn nhất thế giới, với sản lượng hàng năm vượt 170 triệu bao (mỗi bao 60 kg), cung cấp cho hơn 2 tỷ tách cà phê mỗi ngày. Cà phê không chỉ là một loại đồ uống phổ biến mà còn là nguồn thu nhập chính cho hàng triệu nông dân tại các quốc gia đang phát triển như Việt Nam, Brazil, Colombia và Ethiopia. Tuy nhiên, ngành này đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm gian lận nguồn gốc, ô nhiễm môi trường và biến động chất lượng do thay đổi khí hậu. Theo Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO), khoảng 10-20% cà phê cao cấp trên thị trường bị làm giả, dẫn đến thiệt hại kinh tế hàng tỷ đô la và làm suy giảm lòng tin của người tiêu dùng. Trong bối cảnh đó, kỹ thuật hạt nhân nổi lên như một công cụ mạnh mẽ để bảo đảm chất lượng và truy xuất nguồn gốc hạt cà phê. Kỹ thuật hạt nhân tập trung vào các phương pháp phân tích đồng vị ổn định và nguyên tố vi lượng. Kỹ thuật này cho phép các nhà khoa học “đọc” câu chuyện của từng hạt cà phê, từ mưa nuôi dưỡng cây trồng đến đất đai cung cấp dưỡng chất, qua đó xác minh nguồn gốc địa lý và kiểm tra chất lượng dinh dưỡng cũng như an toàn.
Kỹ thuật hạt nhân được sử dụng trong nông nghiệp và thực phẩm chủ yếu bao gồm phân tích đồng vị ổn định và phân tích nguyên tố vi lượng, dựa trên các nguyên tắc vật lý hạt nhân như kích hoạt neutron hoặc chùm ion. Những phương pháp này không phá hủy mẫu, chính xác cao và có thể phát hiện nồng độ rất nhỏ, xuống đến phần tỷ (ppb). Phân tích đồng vị ổn định (Stable Isotope Analysis) là kỹ thuật cốt lõi để truy xuất nguồn gốc. Đồng vị ổn định như hydro (H), oxy (O) và carbon (C) trong hạt cà phê phản ánh điều kiện môi trường nơi cây trồng phát triển, chẳng hạn như lượng mưa, độ cao và loại đất. IAEA giải thích rằng kỹ thuật này tạo ra “dấu vân tay” độc đáo cho từng vùng, bằng cách đo tỷ lệ đồng vị qua máy quang phổ khối lượng (Mass Spectrometry). Ví dụ, tỷ lệ O-18/O-16 cao hơn ở vùng khô hạn, giúp phân biệt cà phê từ các khu vực khác nhau. Trong dự án nghiên cứu kéo dài 5 năm của IAEA với 16 quốc gia, kỹ thuật này được tinh chỉnh để xác minh nhãn mác cà phê, chống gian lận.
Phân tích Kích hoạt Neutron Công cụ (Instrumental Neutron Activation Analysis – INAA) sử dụng neutron từ lò phản ứng hạt nhân để kích hoạt các nguyên tố trong mẫu cà phê, sau đó đo bức xạ gamma phát ra để xác định nồng độ. Nghiên cứu trên các mẫu cà phê từ Pakistan cho thấy INAA có thể đo 20 nguyên tố vi lượng, bao gồm mangan (Mn), sắt (Fe) và kẽm (Zn). Kết quả cho thấy lượng Mn trong cà phê có thể vượt gấp 4 lần khuyến nghị hàng ngày, nhưng các nguyên tố độc hại như chì (Pb) nằm dưới giới hạn an toàn. Phương pháp này hỗ trợ chất lượng bằng cách thiết lập giá trị cơ sở cho các nguyên tố thiết yếu và độc hại.
Kỹ thuật khác là phân tích chùm ion (Ion Beam Analysis – IBA), bao gồm Particle-Induced X-ray Emission (PIXE) và micro-PIXE. PIXE sử dụng chùm proton để kích thích nguyên tử phát ra tia X đặc trưng, cho phép đo các nguyên tố từ magiê (Mg) đến strontium (Sr). Trong một tổng quan, PIXE đã phân tích hạt cà phê từ Brazil, Colombia và Ethiopia, phát hiện sự khác biệt về nồng độ Rb và Sr theo nguồn gốc. Micro-PIXE cung cấp bản đồ phân bố nguyên tố trong hạt, cho thấy kali (K) và canxi (Ca) tập trung ở vỏ, giúp đánh giá chất lượng rang xay. RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) bổ sung bằng cách đo carbon, nitrogen và oxy, với hạt cà phê rang chứa khoảng 84% carbon. Các kỹ thuật này thường kết hợp với chemometrics (phân tích dữ liệu đa biến) để xử lý dữ liệu phức tạp, như PCA-LDA trong dự án IAEA, nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu bền vững cho xác minh nguồn gốc. Chúng đòi hỏi thiết bị chuyên dụng nhưng ngày càng tiếp cận hơn nhờ hỗ trợ từ IAEA cho các nước đang phát triển.
Bảo đảm chất lượng cà phê bao gồm kiểm tra dinh dưỡng, phát hiện ô nhiễm và đánh giá quy trình sản xuất. Kỹ thuật hạt nhân đóng vai trò quan trọng bằng cách cung cấp dữ liệu chính xác, không phá hủy. Trong kiểm tra nguyên tố vi lượng, INAA và PIXE giúp phát hiện các chất độc hại như asen (As) hoặc cadmium (Cd), có thể tích tụ từ đất ô nhiễm. Một nghiên cứu sử dụng INAA trên hạt cà phê từ các nguồn gốc khác nhau cho thấy nồng độ độc tố thấp, nhưng nhấn mạnh nhu cầu giám sát để tránh vượt ngưỡng an toàn của WHO. Điều này đặc biệt quan trọng cho cà phê hữu cơ, nơi người tiêu dùng mong đợi không có hóa chất.
Đối với chất lượng dinh dưỡng, phân tích chùm ion tiết lộ rằng hạt cà phê chứa các nguyên tố thiết yếu như Mn, Fe và Zn, góp phần vào giá trị sức khỏe. Ví dụ, PIXE cho thấy cà phê Brazil giàu Fe và Cu hơn Colombia, ảnh hưởng đến hương vị và lợi ích chống oxy hóa. Trong quá trình rang, micro-PIXE theo dõi sự thay đổi phân bố nguyên tố, giúp tối ưu hóa quy trình để giữ nguyên tố có lợi. Kỹ thuật hạt nhân cũng hỗ trợ phát hiện pha trộn hoặc ô nhiễm trong chuỗi cung ứng. IAEA sử dụng đồng vị ổn định để kiểm tra xem cà phê có bị pha loãng với hạt kém chất lượng không, bằng cách so sánh dấu vân tay đồng vị với cơ sở dữ liệu. Tại Costa Rica, dự án IAEA đang xây dựng cơ sở dữ liệu cho cà phê Tarrazú, giúp phòng thí nghiệm toàn cầu xác minh chất lượng và ngăn chặn gian lận. Ngoài ra, các kỹ thuật này hỗ trợ phát triển giống cà phê kháng bệnh. IAEA đào tạo chuyên gia sử dụng kỹ thuật đột biến hạt nhân để tạo giống kháng nấm lá cà phê, cải thiện chất lượng tổng thể mà không dùng thuốc trừ sâu. Tổng thể, ứng dụng này không chỉ nâng cao an toàn mà còn tăng giá trị thương mại, giúp các nước xuất khẩu như Việt Nam đáp ứng tiêu chuẩn EU.
Truy xuất nguồn gốc là yếu tố then chốt để bảo vệ thương hiệu cà phê cao cấp, và kỹ thuật hạt nhân cung cấp bằng chứng khoa học vững chắc. Phân tích đồng vị ổn định là công cụ chính, như trong dự án IAEA, nơi nó phân biệt cà phê Blue Mountain (Jamaica) với các loại khác dựa trên tỷ lệ đồng vị phản ánh khí hậu núi cao. Kỹ thuật này theo dõi hành trình hạt cà phê từ mưa đến đất, đảm bảo nhãn mác chính xác. Dự án CRP D52037 của IAEA đã xây dựng cơ sở dữ liệu đồng vị cho các sản phẩm GI, bao gồm cà phê Colombia và Indonesia, hỗ trợ 8 quốc gia đang phát triển. Phân tích nguyên tố vi lượng bổ sung, với INAA và PIXE xác định “dấu vân tay nguyên tố”. Nghiên cứu PIXE cho thấy cà phê Colombia giàu Rb và Sr, trong khi Brazil cao Fe và Zn, cho phép phân biệt nguồn gốc mà không cần DNA. Điều này hữu ích cho truy xuất trong chuỗi cung ứng toàn cầu, đặc biệt khi giấy tờ bị giả mạo. Ứng dụng thực tế bao gồm chống gian lận: IAEA hỗ trợ Uganda và Morocco áp dụng kỹ thuật này cho cà phê và trà, bảo vệ xuất khẩu. Tại Jamaica, nó xác minh Blue Mountain, giá cao gấp 10 lần cà phê thông thường. Kết hợp với công nghệ số, như blockchain, kỹ thuật hạt nhân tạo hệ thống truy xuất toàn diện, từ nông trại đến tách cà phê.
Lợi ích chính bao gồm tính chính xác cao, không phá hủy và khả năng phát hiện gian lận, hỗ trợ kinh tế cho nông dân và an toàn cho người tiêu dùng. IAEA nhấn mạnh rằng kỹ thuật này thúc đẩy thương mại công bằng và bền vững. Thách thức là chi phí thiết bị cao và nhu cầu đào tạo, nhưng IAEA đang giải quyết qua các chương trình hỗ trợ. Ngoài ra, nhận thức cộng đồng về “hạt nhân” cần được cải thiện để tránh hiểu lầm.
Từ khóa: truy xuất nguồn gốc;
– CMD –
