Nhìn vào mặt sau của một gói bánh snack, bạn sẽ thấy những con số được ghi rõ ràng như “Năng lượng 250kcal”. Nhưng ai đã đo con số này và đo bằng cách nào? Nhà máy không đốt từng chiếc bánh để thử, cũng không cho người ăn rồi kiểm tra. Lượng năng lượng của phần lớn thực phẩm được xác định bằng một phương pháp tính đơn giản do một nhà khoa học hệ thống hóa cách đây hơn 100 năm. Phương pháp đó chính là “hệ số Atwater (Atwater General Factor System)”.
Nói một cách đơn giản, hệ số Atwater là phương pháp ước tính năng lượng của thực phẩm bằng cách nhân lượng từng chất dinh dưỡng với giá trị năng lượng được quy định sẵn, chẳng hạn “carbohydrate và protein cung cấp 4kcal cho mỗi 1g, chất béo cung cấp 9kcal cho mỗi 1g”. Con số năng lượng trên bảng thành phần dinh dưỡng là kết quả của phép nhân này, và tiêu chuẩn ghi nhãn thực phẩm của Hàn Quốc cũng tuân theo nguyên tắc tương tự.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu từ quá trình ra đời của đơn vị calo và hệ số Atwater đến nguyên lý tính toán, ứng dụng thực tế và những giới hạn của các con số này.
Quy ước chuyển năng lượng của thực phẩm thành con số
Hệ số Atwater ra đời như thế nào?
Đơn vị năng lượng 1kcal là lượng nhiệt năng cần để tăng nhiệt độ của 1kg nước thêm 1℃, tương đương khoảng 4.184kJ. Những nỗ lực đo năng lượng thực phẩm bằng đơn vị này diễn ra sôi nổi tại Đức vào thế kỷ 19, và người đưa phương pháp này sang Mỹ rồi phát triển thành một hệ thống là nhà hóa học Wilbur Olin Atwater.
(1) Nghiên cứu dinh dưỡng học được tại Đức
Sau khi nhận bằng tiến sĩ hóa học nông nghiệp tại Đại học Yale, Atwater sang Đức học với nhà sinh lý học Carl von Voit. Ông trở về Đại học Wesleyan ở Connecticut, Mỹ, dẫn dắt các nghiên cứu phân tích thành phần và tỷ lệ tiêu hóa của thực phẩm, và ngày nay được gọi là cha đẻ của ngành dinh dưỡng học hiện đại ở Mỹ.
(2) Thiết bị đo nhiệt lượng có thể chứa người bên trong
Atwater cùng nhà vật lý Edward Bennett Rosa và nhà dinh dưỡng học Francis Gano Benedict chế tạo một thiết bị đo nhiệt lượng hô hấp mà con người có thể ở bên trong suốt vài ngày. Thiết bị này đo nhiệt lượng và hơi thở do một người tạo ra khi ăn, ngủ và làm việc trong một buồng bằng đồng dài khoảng 2.1m; từ năm 1896, khoảng 500 thí nghiệm đã được tiến hành liên tiếp. Các thí nghiệm này xác nhận rằng định luật bảo toàn năng lượng cũng áp dụng nguyên vẹn cho cơ thể con người.
Các giá trị 4·9·4 được tính như thế nào?
Khi đốt cháy hoàn toàn thực phẩm trong oxy, ta có thể đo toàn bộ năng lượng bên trong dưới dạng nhiệt. Thiết bị dùng để đo theo cách này được gọi là thiết bị đo nhiệt lượng bom (Bomb Calorimeter). Tuy nhiên, vì cơ thể chúng ta không thể tận dụng hết thực phẩm, Atwater chọn cách lấy giá trị thu được khi đốt trừ đi phần cơ thể không sử dụng được.
- Năng lượng thô (Gross Energy): Là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn thực phẩm. Mỗi 1g protein cung cấp khoảng 5.65kcal, chất béo khoảng 9.4kcal và carbohydrate khoảng 4.15kcal.
- Hệ số tiêu hóa (Digestibility Coefficient): Là tỷ lệ được cơ thể hấp thu. Phần không được hấp thu bị thải ra theo phân; tỷ lệ hấp thu được xem là khoảng 92% đối với protein, khoảng 95% đối với chất béo và khoảng 97% đối với carbohydrate.
- Năng lượng thất thoát qua nước tiểu (Urinary Loss): Nitơ trong protein chuyển thành urê và bị thải qua nước tiểu, vì vậy lượng năng lượng tương ứng được trừ thêm một lần nữa.
Qua quá trình này, ông xác định được năng lượng mà cơ thể thực sự có thể sử dụng, tức năng lượng trao đổi (Metabolizable Energy), rồi làm tròn để hình thành những con số đơn giản: protein 4, chất béo 9 và carbohydrate 4. Cồn được tính là 7kcal cho mỗi 1g.
Hệ số Atwater trong bảng thành phần dinh dưỡng
Lý do lớn nhất khiến hệ số Atwater được sử dụng rộng rãi là sự đơn giản. Chỉ cần biết lượng carbohydrate, protein và chất béo trong thực phẩm, bất kỳ ai cũng có thể dùng máy tính để tính năng lượng.
(1) Tiêu chuẩn ghi nhãn thực phẩm của Hàn Quốc
Tiêu chuẩn ghi nhãn thực phẩm của Hàn Quốc quy định tính năng lượng bằng cách nhân lượng chất dinh dưỡng với các hệ số trên mỗi 1g: 4kcal cho carbohydrate và protein, 9kcal cho chất béo, 7kcal cho cồn và 3kcal cho axit hữu cơ. Nếu hàm lượng chất xơ được ghi riêng, phần này có thể được tính là 2kcal cho mỗi 1g, còn rượu đường được tính là 2.4kcal; những chất tạo ngọt hầu như không được cơ thể sử dụng làm năng lượng như erythritol được xem là 0kcal.
(2) Ví dụ tính toán đơn giản
Nếu một loại bánh snack chứa 30g carbohydrate, 5g protein và 10g chất béo thì năng lượng sẽ là 30×4 + 5×4 + 10×9 = 230kcal. Con số ở mặt sau bao bì chính là tổng các giá trị thu được khi nhân hàm lượng chất dinh dưỡng với hệ số như vậy.
(3) Các hệ số riêng chính xác hơn
Vào thập niên 1950, Annabel Merrill và Bernice Watt thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) đề xuất phương pháp sử dụng các hệ số khác nhau cho từng nhóm thực phẩm. Phương pháp này phản ánh thực tế rằng dù cùng là protein, thịt và ngũ cốc vẫn khác nhau về nhiệt lượng tỏa ra khi đốt và tỷ lệ hấp thu.
Những điều các con số bỏ sót
Hệ số Atwater là một quy ước tiện lợi, nhưng không hoàn toàn chính xác với mọi thực phẩm và mọi người.
(1) Điều bất ngờ từ các loại hạt
Năm 2012, các nhà nghiên cứu thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ cho 18 người trưởng thành ăn hạnh nhân và đo toàn bộ lượng ăn vào cùng lượng bài tiết, kết quả cho thấy năng lượng thực tế của 28g hạnh nhân là khoảng 129kcal. Giá trị này thấp hơn khoảng 32% so với mức 168–170kcal tính bằng hệ số Atwater. Nguyên nhân được cho là một phần chất béo nằm trong thành tế bào cứng không được tiêu hóa mà bị thải ra nguyên trạng.
(2) Chế biến và khác biệt giữa các cá nhân
Cùng một loại thực phẩm, nếu được nấu chín hoặc xay mịn thì có thể dễ tiêu hóa hơn, làm tăng năng lượng cơ thể thu được. Ngoài ra, thành phần hệ vi sinh đường ruột và năng lượng cần để tiêu hóa thức ăn khác nhau giữa mỗi người, nên dù ăn cùng một lượng năng lượng, lượng còn lại trong cơ thể cũng không giống nhau.
Hệ số Atwater chuyển năng lượng phức tạp của thực phẩm thành vài con số như 4, 9, 4, tạo ra ngôn ngữ chung cho việc ghi nhãn thực phẩm, quản lý chế độ ăn và nghiên cứu dinh dưỡng. Tuy nhiên, cần nhớ rằng đây là những giá trị ước tính dựa trên giả định về một người trung bình và một bữa ăn trung bình. Thay vì xem con số năng lượng là đáp án tuyệt đối, chúng ta cần hiểu đó là điểm khởi đầu có thể thay đổi tùy theo loại thực phẩm, cách chế biến và người ăn.
Hiểu được con số ở mặt sau bao bì đến từ đâu chính là bước đầu tiên của khoa học thực phẩm và dinh dưỡng trong việc xây dựng một chế độ ăn uống hợp lý.
