Kẽm oxit (ZnO) đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ như một trong những giải pháp phòng ngừa tiêu chảy sau cai sữa hiệu quả nhất cho heo con. Hiệu quả của hoạt chất này đã được công nhận rộng rãi trong thực tiễn chăn nuôi, tuy nhiên cơ chế tác dụng của nó khá phức tạp và thường bị đơn giản hóa quá mức. Kẽm oxit thường được mô tả như một tác nhân kháng khuẩn đơn giản, dầu vậy cách hiểu này chưa phản ánh đầy đủ tính đa dạng của các cơ chế về mặt sinh-hóa-lý của hoạt chất này. Trên thực tế, kẽm oxit tác dụng thông qua nhiều con đường bổ trợ lẫn nhau, phụ thuộc vào sinh lý đường ruột, hoạt động của hệ vi sinh, cũng như các đặc tính nội tại của chính nguồn kẽm oxit
Để hiểu rõ cơ chế tác dụng của kẽm oxit, việc làm rõ nguồn gốc của vi khuẩn Escherichia coli là rất cần thiết. Có hai nguồn nhiễm chính.
Thứ nhất là nguồn nội sinh. Các chủng E. coli vốn hiện diện tự nhiên trong đường ruột heo con, bao gồm hỗng tràng nơi duy trì mật độ E. coli thấp và trong mức kiểm soát. Tuy nhiên, sau cai sữa, những thay đổi đột ngột về khẩu phần, stress, hệ miễn dịch còn non yếu và sự rối loạn nhu động ruột đã tạo điều kiện thuận lợi để các vi khuẩn nội tại này tăng sinh tại chỗ và biểu hiện độc lực. Thứ hai là nguồn ngoại sinh. Thức ăn có thể đưa vi khuẩn E.coli vào đường tiêu hóa, và chúng có thể tăng sinh trong dạ dày, đặc biệt ở heo con non. Trong giai đoạn cai sữa, dịch tiết dạ dày còn hạn chế và thậm chí còn hạn chế hơn nữa khi trong thành phần thức ăn có chứa các chất đệm axit như calcium carbonate.
Khi pH dịch vị tăng, dạ dày sẽ mất đi một phần chức năng của hàng rào kháng khuẩn, tạo điều kiện cho vi khuẩn sống sót đi vào ruột non, từ đó làm tăng áp lực nhiễm khuẩn
Kẽm oxit tác dụng ở hia vị trí bổ trợ lẫn nhau. Vị trí thứ nhất ở giai đoạn tiêu hóa dạ dày. Kẽm oxit hạn chế sự phát triển của vi khuẩn bằng cách giảm khả năng sống sót của E. coli trong môi trường acid. Khi số lượng vi khuẩn còn sống rời khỏi dạ dày giảm xuống, kẽm oxit giúp hạn chế tình trạng sinh sản liên tục của vi khuẩn trong ruột non. Tác dụng này đặc biệt quan trọng với heo con có axit dạ dày thấp. Vị trí tác dụng thứ hai diễn ra tại biểu mô ruột. Kẽm oxit hỗ trợ tính toàn vẹn của đường ruột thông qua nhiều cơ chế phối hợp. Kẽm trực tiếp tăng cường biểu hiện của protein mối nối liên kết chặt như occludin, claudins và ZO-1, cải thiện cấu trúc liên kết giữa các tế bào và giảm tính thấm gian bào. Song song đó, kẽm thúc đẩy sự tăng sinh của tế bào biểu mô ruột và phục hồi nhung mao sau stress cai sữa, góp phần khôi phục khả năng hấp thu. Vi khuẩn E. coli sinh độc tố ruột làm kích hoạt các con đường phụ thuộc cAMP và cGMP trong tế bào ruột, làm cho chloride (Cl) tiết ra quá mức và theo đó nước cũng bị mất thụ động vào lòng ruột. Kẽm can thiệp vào các tín hiệu này, giúp giảm bài tiết chloride và hạn chế thất thoát nước, ngay cả khi độc tố vi khuẩn vẫn còn tồn tại. Nhờ đó, kẽm oxit không chỉ tăng cường hàng rào bảo vệ của ruột mà còn làm suy giảm đáp ứng tiết dịch, giúp biểu mô ruột hạn chế phát sinh sự tiêu chảy, ngay cả khi vi khuẩn vẫn tồn tại trong lòng ruột.
Hoạt tính kháng khuẩn của kẽm oxit có liên quan chặt chẽ đến sự giải phóng các ion kẽm (Zn²⁺), những ion này có khả năng xâm nhập vào tế bào vi khuẩn và làm rối loạn các hệ enzym và sự trao đổi chất của vi khuẩn. Tuy nhiên, hiệu quả này chỉ có được khi nồng độ ion Zn²⁺ đủ cao ở vị trí tác dụng. Chỉ riêng ion Zn2+ không đủ để tạo ra tác dụng kháng khuẩn đặc trưng của kẽm oxit, điều này lý giải vì sao kẽm sulfat không đạt hiệu quả tương tự, dù cung cấp cùng hàm lượng kẽm. Sự khác biệt cốt lõi nằm ở cách kẽm oxit giải phóng ion kẽm. Không giống các dạng kẽm tan nhanh, kẽm oxit hòa tan từ từ, nhờ đó tạo ra vùng nồng độ (gradient) Zn²⁺ cao ngay xung quanh tinh thể kẽm oxit. Tại khu vực cận bề mặt hạt, nồng độ Zn²⁺ có thể đạt mức đủ để ức chế vi khuẩn, trong khi đó nồng độ Zn2+ giảm nhanh chóng theo khoảng cách. Hiện tượng này thể hiện rõ nhất ở dạ dày, nơi môi trường axit làm kẽm oxit hòa tan một phần, trong khi ở ruột sự hòa tan giảm đi do pH xấp xỉ 6,5.
Bên cạnh sự giải phóng Zn²⁺, kẽm oxit còn thể hiện tính kháng khuẩn ngay trên bề mặt hạt. Khi tiếp xúc với nước và oxy, bề mặt này có khả năng tạo ra các loại oxy phản ứng (ROS), chẳng hạn như gốc superoxide (O₂•⁻). Hiện tượng này xảy ra nhiều hơn trong môi trường acid, điều này lý giải vì sao kẽm oxit phát huy tác dụng mạnh nhất ở dạ dày và kém hiệu quả hơn ở ruột. Các ROS này chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn và chỉ tác động ở phạm vi rất gần bề mặt hạt kẽm oxit. Vì vậy, tác dụng kháng khuẩn của chúng chỉ xảy ra khi vi khuẩn tiếp xúc trực tiếp với hạt, chứ không lan rộng trong môi trường xung quanh. Các ROS tác động lên màng tế bào vi khuẩn bằng cách làm thay đổi tính toàn vẹn của màng tế bào vi khuẩn, làm tăng tính thấm màng và tạo điều kiện cho ion Zn²⁺ khuếch tán vào nội bào. Vì vậy, hiệu quả kháng khuẩn của kẽm oxit xuất phát từ sự hiệp đồng giữa ROS và Zn²⁺ được tạo ra tại bề mặt hạt, một cơ chế mà các loại kẽm hòa tan không thể đơn thuần được tái hiện.
Trong ruột, các hạt kẽm oxit không khuếch tán đồng đều trong lòng ruột mà được cố định trong lớp chất nhầy phủ lên biểu mô ruột. Sự khu trú này cho phép kẽm oxit duy trì nồng độ kẽm cục bộ trong chất nhầy–biểu mô, từ đó quyết định hiệu quả tác động sinh học.
Mức độ phân bố kẽm cục bộ này quyết định trực tiếp đáp ứng của ruột. Nồng độ kẽm cao hơn và được duy trì ổn định hơn trong lớp chất nhầy giúp tăng cường chức năng hàng rào biểu mô, nhờ ổn định các liên kết chặt giữa các tế bào và điều hòa các con đường phụ thuộc cAMP và cGMP. Nhờ đó sự bài tiết ion chloride giảm xuống, nước cũng vì thế mà được giảm tiết vào lòng ruột.
Về khả năng đạt được nồng độ ion Zn²⁺ và ROS đủ cao trong dạ dày để tạo hoạt tính kháng khuẩn lẫn trong ruột để bảo vệ biểu mô, không phải tất cả các nguồn kẽm oxit đều hoạt động giống nhau. Có thể phân biệt ba loại chính.
- Loại 1 = Kẽm oxit trắng có kích thước hạt nhỏ và diện tích bề mặt lớn, thường được gọi là kẽm nano và được sử dụng phổ biến ở châu Á, hòa tan rất nhanh trong môi trường axit của dạ dày. Sự hòa tan rất nhanh này giải phóng một lượng lớn ion Zn²⁺ trong thời gian ngắn, tạo ra đỉnh kẽm không dài.
Vì các ion này được giải phóng mà không có hạt kẽm oxit rắn nào đóng vai trò neo giữ, chúng nhanh chóng bị pha loãng khắp dịch vị dạ dày và mất đi nồng độ cục bộ. Đồng thời, các ion Zn²⁺ tự do nhanh chóng bị phytate có trong thức ăn liên kết. Vì hầu hết kẽm oxit đã được hòa tan trong dạ dày, nên rất ít hoặc không còn tinh thể kẽm oxit rắn nào còn lại để đến ruột. Trên thực tế, nguồn kẽm oxit này tác dụng rất giống với muối kẽm hòa tan như kẽm sulfat, cung cấp ion kẽm mà không duy trì sự lưu trú. Do đó, nó không thể thâm nhập hoặc tồn tại hiệu quả trong lớp niêm mạc ruột, hạn chế khả năng tạo ra nồng độ kẽm cao cục bộ ở biểu mô và bảo vệ hàng rào ruột.
2. Loại 2 : Kẽm oxit có kích thước hạt lớn và diện tích bề mặt thấp, màu đen, được sử dụng phổ biến ở châu Mỹ, hòa tan chậm và cho phép hình thành kẽm bền vững nhưng nồng độ chênh lệch thấp. Tuy nhiên, để bù đắp cho nồng độ chênh lệch thấp này, người ta thường sử dụng hàm lượng kẽm cao lên đến 3.000 ppm.
Ở liều lượng như vậy, kẽm oxit góp phần làm tăng pH trong dạ dày do khả năng đệm của nó. Ở heo con, sự tiết axit dạ dày hạn chế, sự tăng pH này có thể làm suy yếu hàng rào kháng khuẩn của dạ dày và phần nào làm giảm tác dụng của kẽm oxit.
3. Loại 3 = Kẽm oxit cấu trúc xốp, kết hợp kích thước hạt lớn với diện tích bề mặt rộng, được thiết kế để tối đa hóa khả năng tồn tại và phản ứng dọc theo đường tiêu hóa.
Cấu trúc vật lý này tối ưu cho việc tạo ra nồng độ Zn²⁺ cục bộ cao xung quanh các tinh thể kẽm oxit, tạo ra một môi trường vi mô rất bất lợi cho sự sống sót của vi khuẩn. Sự kết hợp giữa lõi khoáng rắn và bề mặt tác dụng tăng cho phép giải phóng kẽm liên tục trực tiếp tại vị trí hạt, thay vì pha loãng đồng đều trong dịch tiêu hóa.
Trong dạ dày, cấu trúc này hỗ trợ hoạt động kháng khuẩn cục bộ mạnh mẽ thông qua nồng độ kẽm ổn định mà không phụ thuộc vào thời điểm các ion kẽm Zn²⁺ đạt đỉnh ngắn. Trong ruột, nơi pH cao hơn và độ hòa tan của kẽm oxit giảm, các hạt kẽm oxit tồn tại trong lớp niêm mạc và duy trì nồng độ Zn²⁺ cục bộ tại biểu mô. Nồng độ này đủ để kích hoạt hàng rào biểu mô và các con đường kiểm soát tiết dịch, giải thích hiệu quả vượt trội của kẽm oxit có độ xốp cao trong việc giảm tiêu chảy sau cai sữa.
Kẽm oxit vi bọc không phải là một cấu trúc kẽm oxit đặc biệt mà là một sự biến đổi công nghệ được áp dụng cho một trong ba loại kẽm oxit đã mô tả ở trên. Lớp phủ được thiết kế để ngăn ngừa hoặc hạn chế mạnh mẽ sự hòa tan của kẽm oxit trong dạ dày. Kết quả là, các ion Zn²⁺ và ROS chủ yếu được biểu hiện công dụng ở ruột, nơi kẽm oxit được giải phóng với tốc độ chậm hơn do pH cao hơn. Do đó, hiệu quả của kẽm oxit vi bọc không chỉ phụ thuộc vào công nghệ vi bọc mà còn phụ thuộc vào các đặc tính lý hóa nội tại của kẽm oxit được dùng, bao gồm kích thước hạt và diện tích bề mặt, nên được xem là một biện pháp can thiệp tác động chủ yếu ở cấp độ ruột mà không có tác dụng ngăn chặn vi khuẩn trong dạ dày.
Kết luận, hiệu quả của oxit kẽm (ZnO) không thể chỉ dựa vào hàm lượng kẽm. Kích thước hạt, diện tích bề mặt, động học hòa tan và công nghệ phủ vi bọc là những yếu tố cơ bản quyết định hoạt tính sinh học của nó. Do đó, các chuyên gia dinh dưỡng nên tránh chỉ dựa vào các công bố của nhà sản xuất. Chỉ có các phân tích lý hóa nghiêm ngặt, bao gồm phân bố kích thước hạt và đo diện tích bề mặt, mới có thể giúp đánh giá khách quan các nguồn kẽm oxit. Ngay cả đối với các sản phẩm vi bọc, các thông số này vẫn rất quan trọng để dự đoán hiệu quả và thiết kế các chiến lược bổ sung kẽm hiệu quả trong dinh dưỡng heo con.
Tóm lại, mục tiêu là tạo ra một sản phẩm kẽm oxit mà khi vào ruột có nồng độ (gradient) cục bộ cao Zn2+ và ROS. Nồng độ cục bộ đó phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc của oxit kẽm.
David Serene
Giám đốc Nutrispices
