Phân tích thành phần trong thực phẩm bằng điện thoại thông minh

Có bao giờ bạn tưởng tượng rằng chỉ với một chiếc smartphone trong tay, bạn có thể phân tích được một số thành phần dinh dưỡng hoặc độc tố của các loại thực phẩm đang bày bán trong chợ? Nghiên cứu mới của các nhà khoa học ở Trường Đại học Nguyễn Tất Thành (Tp. Hồ Chí Minh) đang giúp chúng ta tiến gần hơn đến ứng dụng này.

Khi muốn đưa một sản phẩm ra thị trường, các doanh nghiệp sản xuất thực phẩm đều phải trải qua bước phân tích kiểm định. Thông thường, họ sẽ gửi mẫu đến một đơn vị phân tích nào đó, sau đó sẽ nhận được kết quả của các chỉ tiêu kiểm nghiệm nhằm phản ánh và chứng minh chất lượng, tính an toàn của các sản phẩm. Tưởng chừng điều này chẳng có gì đáng bàn, song thực chất, vẫn còn một số vướng mắc đối với nhiều đơn vị sản xuất quy mô nhỏ và vừa tại Việt Nam. “Toàn bộ quy trình gửi mẫu và nhận kết quả thường mất vài ngày. Điều này sẽ làm gián đoạn quá trình phát triển sản phẩm và đôi khi nếu kết quả không đạt thì họ phải gửi lại mẫu để phân tích lại từ đầu. Trong bối cảnh đó, hãy tưởng tượng rằng, nếu ở doanh nghiệp có một số thiết bị phân tích đơn giản, gần gũi, dễ thực hiện, tích hợp luôn trên điện thoại thông minh thì thật tuyệt vời – doanh nghiệp có thể tiết kiệm được thời gian và một phần chi phí. Lúc đó, để đưa sản phẩm ra thị trường, họ chỉ cần kiểm định sản phẩm cuối cùng hoặc ở những khâu quan trọng mà không phải gửi quá nhiều sản phẩm trung gian”, chị Lê Thị Anh Đào, từng là kỹ thuật viên ở Khoa Kỹ thuật Thực phẩm và Môi trường, Trường ĐH Nguyễn Tất Thành, hiện đang học cao học ở Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju (GIST) tại Hàn Quốc, kể lại.

Câu chuyện trên đã dẫn chị cùng các đồng nghiệp ở Khoa Kỹ thuật Thực phẩm và Môi trường, Trường ĐH Nguyễn Tất Thành đến với ý tưởng về một thiết bị phân tích nhanh, hiệu quả và ít tốn kém cho tất cả mọi người. “Chúng tôi mong muốn phát triển quy trình phân tích dựa trên ảnh chụp bằng điện thoại thông minh, có thể xác định được hàm lượng các chất thông qua sự thay đổi màu sắc của hình ảnh”, ThS. Nguyễn Công Hậu, giảng viên Khoa Kỹ thuật Thực phẩm và Môi trường, trường ĐH Nguyễn Tất Thành, hiện là nghiên cứu sinh tại GIST (Hàn Quốc) cho biết. “Mục tiêu cốt lõi của chúng tôi là tạo ra một thiết bị phân tích cầm tay nhỏ gọn, giảm chi phí và rút ngắn thời gian phân tích, nhờ đó giúp mọi người dễ dàng tiếp cận hơn”.

Tìm mối liên hệ giữa màu sắc và hàm lượng

Việc ứng dụng phương pháp phân tích nhanh bằng điện thoại thông minh chưa phổ biến tại Việt Nam, song đây là lĩnh vực nhận được nhiều sự quan tâm trên thế giới trong những năm gần đây. Nguyên lý chung xuất phát từ các kỹ thuật quang phổ. Cụ thể, các mẫu cần phân tích sẽ được kết hợp với một số hóa chất (thuốc thử) để tạo ra sự thay đổi về màu sắc. Sau đó camera trong điện thoại thông minh được dùng để chụp lại hình ảnh của màu sắc đó và xử lý bằng phần mềm phân tích màu, cường độ và thành phần về màu sắc sẽ phản ánh giá trị nồng độ của chất đang quan tâm. Phương pháp này đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới ứng dụng trong phân tích thực phẩm và môi trường như phân tích polyphenol trong rượu vang, một số ion kim loại trong nước uống hay nước môi trường, curcumin trong thực phẩm, chất hoạt động bề mặt trong nước…

Để bắt kịp với xu hướng này, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn đối tượng thử nghiệm là phân tích các hợp chất phenolic trong trà và cà phê – những đồ uống phổ biến ở Việt Nam cũng như thế giới. Các hợp chất phenolic hay polyphenol chiếm hàm lượng lớn trong trà và cũng khá cao trong cà phê, có hoạt tính chống oxy hóa mạnh, được ứng dụng nhiều trong ngành thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm. Do vậy, việc xác định hàm lượng phenolic tổng (TPC) là một trong những yếu tố quan trọng để biết được chất lượng và lợi ích về về sức khoẻ của trà và cà phê.

Thử nghiệm hộp chụp ảnh tích hợp với điện thoại

Mỗi chất hay nhóm hợp chất cần phân tích sẽ cần đến một loại thuốc thử khác nhau, và kết quả là tạo ra những hỗn hợp có màu sắc khác nhau. Cụ thể như phenolic sau khi phản ứng với chất thử sẽ tạo thành phức có màu xanh lam. Nhóm nghiên cứu lý giải: “Việc chọn chất thử sẽ tùy vào bản chất của chất cần phân tích. Vì mỗi chất sẽ có các tiêu chất (chẳng hạn như TCVN, ISO hay AOAC) hướng dẫn về quy trình xác định, hoặc có thể căn cứ trên các bài báo đã công bố. Có những chỉ tiêu có nhiều quy trình xác định, lúc đó đương nhiên mình sẽ chọn quy trình nào có giá thành thấp nhất, đơn giản nhất vì mục tiêu cuối cùng là đưa ứng dụng đến tay của người dân, những người có thể không ‘rành’ về công việc chuyên môn phân tích hay hoá học. Nhưng nếu với các chỉ tiêu chỉ có một quy trình, lúc này bạn sẽ không có lựa chọn về hóa chất, việc của chúng ta là tối ưu hóa quy trình như giảm lượng hóa chất sử dụng, giảm thời gian phản ứng”, TS. Đỗ Minh Huy, từng công tác tại Khoa Kỹ thuật Thực phẩm và Môi trường (Trường ĐH Nguyễn Tất Thành), hiện nay đang làm việc tại Khoa Hoá học, Trường ĐH Khoa học tự nhiên (ĐHQG TP.HCM), lý giải.

Sự đậm nhạt trong màu sắc có mối liên hệ mật thiết với nồng độ chất, ví dụ phenolic càng cao thì màu xanh lam của phức sẽ càng đậm. Nhưng để biết được con số cụ thể, chúng ta cần một công cụ để đọc các giá trị màu. Ở đây, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ màu RGB – một hệ màu phổ biến và đơn giản, để biểu diễn màu sắc dưới dạng con số. RGB là viết tắt của ba màu sắc cơ bản là đỏ, xanh lá và xanh dương, bất cứ màu sắc nào cũng có thể được biểu diễn bằng các giá trị thành phần của hệ màu này. Nhiệm vụ của nhóm nghiên cứu là phải xây dựng hàm toán học để biểu thị quan hệ giữa nồng độ chất với giá trị RGB (có thể R, G, B đơn lẻ hoặc R + G + B hoặc R + G – B). “Như vậy, khi dùng điện thoại chụp lại hình ảnh của phức màu xanh lam hình thành giữa các hợp chất phenolic và thuốc thử, chúng ta sẽ thu được giá trị R, G, B để áp dụng vào hàm toán học trên để suy ra nồng độ phenolic. Đây cũng có thể nói đơn giản là nguyên lý chung cho các chỉ tiêu khác”, ThS. Nguyễn Công Hậu giải thích.

Xây dựng hàm toán học không phải là công việc duy nhất mà nhóm nghiên cứu phải giải quyết. Vấn đề tiếp theo là ổn định màu sắc của các bức ảnh chụp bằng điện thoại di động. Việc chụp ảnh trong những điều kiện khác nhau, chẳng hạn trong nhà với ngoài trời sẽ tạo ra hình ảnh có cường độ màu sắc khác nhau. Do vậy, họ phải thiết kế một hộp chụp ảnh tích hợp với điện thoại thông minh để cố định điều kiện chụp ảnh. Chiếc hộp sẽ có kích cỡ bao nhiêu để cho ra tấm ảnh “tốt” nhất mà vẫn nhỏ gọn? Màu sắc phông nền bên trong chiếc hộp là gì? Cường độ ánh sáng của đèn led gắn trong hộp như thế nào? Họ phải tính toán kỹ càng tất cả những yếu tố trên vì chúng sẽ quyết định chất lượng ảnh chụp. “Việc chế tạo các thiết bị này cũng gặp một số khó khăn, nhưng chúng tôi vẫn xoay xở được. Chúng tôi phải tìm những linh kiện đơn giản, “biến tấu” một chút, sau đó ghép nối lại cho phù hợp”, TS. Đỗ Minh Huy cho biết.

Trái ngược với vẻ ngoài có vẻ thô sơ – một chiếc hộp cũ bọc ngoài bằng nhựa đen, vốn là hộp đựng trà và cà phê được nhóm nghiên cứu tận dụng, hiệu quả mà chúng mang lại có thể khiến nhiều người bất ngờ. Kết hợp giữa hàm toán học với ảnh chụp từ thiết bị trên, nhóm nghiên cứu đã đo được nồng độ phenolic trong các mẫu trà với độ chính xác tương đương khi đo bằng phương pháp quang phổ UV-VIS (quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến), một phương pháp phân tích được áp dụng rộng rãi trong phân tích thực phẩm và hóa học. Họ cũng đã phối hợp với Công ty CP Warrantek để thực hiện một số phép phân tích đối chứng. Một trong những kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Food Chemistry – một trong những tạp chí quốc tế uy tín về hoá học thực phẩm, thuộc danh mục ISI Q1 theo xếp hạng của SCImago.

TS. Đỗ Minh Huy (bìa phải) cùng các sinh viên tham gia Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Eureka với nghiên cứu phân tích thành phần thực phẩm bằng smartphone

Mở rộng lĩnh vực ứng dụng

Mục tiêu của nhóm nghiên cứu không chỉ dừng lại ở việc công bố bài báo. “Chúng tôi muốn hướng đến một phương pháp phân tích nhanh, đơn giản và tiện dụng để phù hợp cho nông dân (những người muốn theo dõi điều kiện canh tác, chất lượng sản phẩm sau thu hoạch) hay những hộ sản xuất gia đình (theo dõi một số chỉ tiêu chất lượng trong quá trình phát triển sản phẩm). Với những thiết bị phân tích nhanh thì có thể họ chỉ mất khoảng 1 giờ để nhận được kết quả thay vì mất khoảng 3-7 ngày cho toàn bộ quá trình gửi mẫu và nhận kết quả ở các trung tâm phân tích, thông thường là như vậy. Và đương nhiên, sau đó họ chỉ mất thời gian và chi phí để gửi đi sản phẩm cuối cùng”, chị Lê Thị Anh Đào cho biết.

Đằng sau một giải pháp thuận tiện như vậy là rất nhiều công việc cần làm: từ tối ưu thiết bị chụp hình, sản xuất bộ kit, và đặc biệt là phát triển phần mềm phân tích để người dân có thể dễ dàng tải về và sử dụng. Dù trên thế giới đã có những phần mềm tương tự về một số chỉ tiêu nông nghiệp rồi, song nhóm nghiên cứu cho biết, việc phát triển ứng dụng riêng phù hợp với điều kiện của Việt Nam là điều cần thiết để đảm bảo hiệu quả phân tích.

Những thành công bước đầu đã giúp họ có thêm tự tin để tiếp tục theo đuổi con đường này. “Hiện tại, nhóm đang chuẩn bị bản thảo cũng như triển khai thực nghiệm nhằm mở rộng thêm chỉ tiêu, ứng dụng như phân tích vitamin C trong trái cây, phospho trong đất, sắt trong nước môi trường… Hy vọng trong tương lai gần, chúng tôi sẽ tìm thêm được nguồn kinh phí từ các đề tài để đi sâu hơn về hướng nghiên cứu này”, ThS. Nguyễn Công Hậu nói.

Theo Báo Khoa học và Phát triển

Phân tích thành phần trong thực phẩm bằng điện thoại thông minh