Dinh dưỡng thủy sản: Kỷ nguyên phân tử và AI

Cuộc cách mạng dinh dưỡng phân tử

Trong vòng hai mươi năm trở lại đây, nuôi trồng thủy sản đã ghi nhận tốc độ tăng trưởng hiếm có trong lịch sử ngành thực phẩm. Sản lượng toàn cầu tăng từ 42 triệu tấn năm 2002 lên 130,9 triệu tấn vào năm 2022, song hành với sự cải tiến mạnh mẽ về công nghệ nuôi và quản lý cho ăn. Đặc biệt, hệ số chuyển đổi thức ăn đã giảm đáng kể, phản ánh sự gia tăng hiệu quả sinh học và kinh tế của toàn ngành. Trong bối cảnh thức ăn chiếm gần hai phần ba tổng chi phí sản xuất, những tiến bộ trong nghiên cứu dinh dưỡng đóng vai trò quyết định.

Sự chuyển dịch lớn nhất diễn ra ở cấu trúc nguyên liệu thức ăn. Từ chỗ phụ thuộc gần như tuyệt đối vào bột cá và dầu cá, ngành đã từng bước mở rộng sang các nguồn protein thay thế như phụ phẩm động vật, nguyên liệu thực vật và protein đơn bào. Ở nhiều công thức thức ăn thương phẩm hiện nay, tỷ lệ nguyên liệu có nguồn gốc từ cá đã giảm xuống dưới 10%, chủ yếu chỉ còn được duy trì ở các giai đoạn nhạy cảm như ương giống, nuôi bố mẹ hoặc giai đoạn hoàn thiện chất lượng thịt.

Song song với thay đổi về nguyên liệu là cuộc cách mạng về tư duy khoa học. Dinh dưỡng thủy sản không còn dừng lại ở việc xác định tỷ lệ protein, lipid hay năng lượng tối ưu cho tăng trưởng, mà đã tiến sâu vào cấp độ phân tử và tế bào. Các nghiên cứu về gen thụ thể vị giác cho thấy hành vi ăn và khả năng chấp nhận thức ăn thực vật ở cá chịu sự chi phối trực tiếp của các gen cảm nhận vị umami. Việc điều chỉnh các gen này có thể làm thay đổi chiến lược chuyển hóa năng lượng, mở ra tiềm năng giảm phụ thuộc vào khẩu phần giàu protein và lipid.

Những tiến bộ trong hiểu biết về cảm nhận axit amin, đặc biệt là vai trò của các con đường mTOR và GCN2, đã giúp giải thích cách cá điều hòa chuyển hóa protein khi nguồn đạm trong khẩu phần thay đổi. Điều này mang ý nghĩa then chốt trong bối cảnh protein thực vật với cấu trúc axit amin mất cân đối đang thay thế dần bột cá. Đồng thời, các phát hiện về chuyển hóa lipid, khả năng tổng hợp axit béo không no chuỗi dài và vai trò của DHA trong điều hòa viêm đã đặt nền móng cho các chiến lược dinh dưỡng vừa hiệu quả vừa thân thiện môi trường.

Tổng thể, giai đoạn này đánh dấu sự chuyển dịch căn bản của dinh dưỡng thủy sản, từ một ngành khoa học ứng dụng dựa trên thử nghiệm tăng trưởng sang một lĩnh vực khoa học tích hợp, nơi sinh học phân tử, sinh lý học và công nghệ cùng hội tụ để tối ưu hóa hiệu quả nuôi.

Tiến bộ và thách thức

Nghiên cứu dinh dưỡng thủy sản được hình thành từ những năm 1950, với các công trình đặt nền móng cho việc xác định nhu cầu dinh dưỡng cơ bản của nhiều loài nuôi chủ lực. Trong nhiều thập kỷ, tăng trưởng, hiệu suất thức ăn và các chỉ số enzyme là thước đo chính để đánh giá khẩu phần. Tuy nhiên, hai mươi năm gần đây chứng kiến bước nhảy vọt về phương pháp luận, khi sinh học phân tử và sinh học tế bào được ứng dụng rộng rãi, đưa lĩnh vực này bước sang kỷ nguyên dinh dưỡng phân tử.

Việc giải mã các gen và protein điều hòa chuyển hóa dinh dưỡng cho thấy cá có những cơ chế độc đáo so với động vật trên cạn, một phần do quá trình nhân đôi bộ gen trong tiến hóa. Sự phức tạp này giúp cá có khả năng thích nghi linh hoạt với môi trường và khẩu phần, nhưng đồng thời cũng đặt ra thách thức lớn trong việc hiểu đầy đủ chức năng của từng gen và con đường chuyển hóa. Bên cạnh đó, các cơ chế điều hòa đa tầng, đặc biệt là biến đổi sau dịch mã, đã được xác định là yếu tố then chốt quyết định hiệu quả sử dụng dinh dưỡng.

Ở cấp độ tế bào, mối tương tác giữa lưới nội chất, ty thể và giọt lipid ngày càng được quan tâm, bởi đây là trung tâm điều phối chuyển hóa năng lượng và lipid. Stress tế bào, rối loạn chức năng ty thể hay mất cân bằng trao đổi lipid không chỉ ảnh hưởng đến tăng trưởng mà còn liên quan trực tiếp đến bệnh lý chuyển hóa và sức khỏe tổng thể của vật nuôi. Song song đó, các dạng chết tế bào có kiểm soát như tự thực hay ferroptosis được chứng minh có vai trò điều hòa tích lũy lipid và khả năng thích nghi với stress dinh dưỡng.

Dù đạt nhiều tiến bộ về lý thuyết, thực tiễn sản xuất vẫn đối mặt với hàng loạt thách thức. Cơ sở dữ liệu về nhu cầu dinh dưỡng chính xác theo loài, giai đoạn phát triển và điều kiện môi trường vẫn chưa hoàn chỉnh. Công nghệ chế biến thức ăn, đặc biệt là ép đùn, có ảnh hưởng sâu sắc đến độ ổn định và khả năng tiêu hóa dưỡng chất, song các thông số tối ưu vẫn thiếu sự tiêu chuẩn hóa. Việc thay thế hoàn toàn bột cá vẫn là bài toán khó, bởi protein thực vật dù rẻ hơn nhưng bị hạn chế bởi yếu tố kháng dinh dưỡng và khả năng tiêu hóa không đồng đều.

Trong bối cảnh đó, phụ gia chức năng, thức ăn lên men và thức ăn có tác dụng điều hòa chuyển hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng. Chúng không chỉ giúp bù đắp hạn chế của nguyên liệu thay thế mà còn mở ra hướng tiếp cận mới, nơi thức ăn không đơn thuần là nguồn dinh dưỡng mà còn là công cụ quản lý sức khỏe và hiệu quả sản xuất.

Dinh dưỡng chính xác và bền vững

Sự mở rộng bền vững của nuôi trồng thủy sản trong tương lai phụ thuộc chặt chẽ vào khả năng giảm phát thải, tối ưu hóa sử dụng dinh dưỡng và đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường về chất lượng sản phẩm. Trong bối cảnh đó, thức ăn carbon thấp, công nghệ giảm thải và quản lý cho ăn chính xác nổi lên như những trụ cột chiến lược.

Ngành thủy sản đã từng bước mở rộng sang các nguồn protein thay thế bột cá. Ảnh: Tép Bạc

Việc lựa chọn nguyên liệu thức ăn không chỉ còn dựa trên giá thành và giá trị dinh dưỡng, mà còn phải tính đến dấu chân carbon trong toàn bộ vòng đời sản phẩm. Protein đơn bào, bột côn trùng và các nguồn nguyên liệu mới có khả năng chuyển hóa chất thải thành protein chất lượng cao đang được xem là lời giải tiềm năng, dù vẫn còn thách thức về chi phí và quy mô sản xuất. Song song đó, các giải pháp enzyme, axit hữu cơ và công nghệ lên men giúp cải thiện khả năng tiêu hóa và giảm thất thoát nitơ, phốt pho ra môi trường.

Công nghệ sinh học hiện đại đang đóng vai trò then chốt trong việc hiện thực hóa dinh dưỡng chính xác. Các mô hình tế bào, công nghệ giải trình tự gen, phân tích proteome, metabolome và hệ vi sinh đường ruột cho phép hiểu sâu hơn mối liên hệ giữa khẩu phần, chuyển hóa và sức khỏe vật nuôi. Đặc biệt, chỉnh sửa gen bằng CRISPR/Cas9 mở ra triển vọng cải thiện hiệu quả sử dụng dinh dưỡng và khả năng chống chịu stress, dù vẫn còn những rào cản về kỹ thuật, pháp lý và chấp nhận xã hội.

Trong dài hạn, tương lai của dinh dưỡng thủy sản nằm ở sự hội tụ giữa khoa học phân tử, công nghệ sinh học và trí tuệ nhân tạo. Các cơ sở dữ liệu lớn về nhu cầu dinh dưỡng, kết hợp với hệ thống cho ăn thông minh dựa trên IoT và AI, sẽ cho phép tối ưu hóa khẩu phần theo thời gian thực. Đây không chỉ là chìa khóa nâng cao hiệu quả kinh tế mà còn là nền tảng để nuôi trồng thủy sản trở thành ngành sản xuất thực phẩm bền vững, đóng góp thiết thực vào an ninh lương thực toàn cầu trong thế kỷ XXI.

Dũng Nguyên
(Theo Aquaculture)