Báo cáo khoa học của viện chăn nuôi năm 2006 [24] về nghiên cứu hiệu quả của việc sử dụng khoáng vi lượng hữu cơ (amino axit chelat) trong nuôi dưỡng lợn nái giai đoạn nuôi con và lợn con giai đoạn sau cai sữa đã đưa ra kết luận: Sử dụng khoáng vi lượng dạng methionin chelat như nguồn bổ sung khoáng trong khẩu phần của lợn nái giai đoạn tiết sữa đã làm tăng khả năng tiết sữa, tăng khối lượng lợn con lúc cai sữa và giảm tỉ lệ mắc bệnh tiêu chảy của lợn con giai đoạn bú mẹ so với sử dụng khoáng vi lượng dạng vô cơ. Mức bổ sung thích hợp là (ppm): Fe: 200; Cu: 7,5; Mn: 30; Zn: 75; Co: 0,075 và I: 0,45. Bổ sung khoáng vi lượng dạng methionin chelat trong khẩu phần đã làm tăng tốc độ sinh trưởng và hiệu quả sử dụng thức ăn của lợn con giai đoạn sau cai sữa. Mức bổ sung thích hợp là (ppm): Fe: 200; Cu: 7,5; Mn: 30; Zn: 200; Co: 0,375 và I: 0,45.
Nhóm tác giả [13] đã công bố kết quả xác định tỉ lệ sử dụng thích hợp của khoáng hữu cơ trong khẩu phần vịt nuôi thịt trong báo cáo khoa học của Viện Chăn Nuôi đã kết luận: Có thể thay thế khoáng vô cơ bằng khoáng hữu cơ (phức chelat của khoáng và methionin) trong khẩu phần cho vịt siêu thịt với các tỉ lệ 25, 50, 75 và 100%. Mức thay 25 và 50% đã làm tăng tốc độ sinh trưởng, hiệu quả chuyển hóa thức ăn và hàm lượng vi khoáng tích lũy trong gan của vịt nuôi thịt.
Như vậy, sử dụng thức ăn bổ sung khoáng kim loại và amino axit dạng phức chất có những ưu điểm vượt trội so với dạng muối vô cơ. Tuy nhiên, những sản phẩm này hiện nay ở Việt Nam gần như chưa sản xuất được. Nghiên cứu phức chất kim loại sinh học với amino axit mở ra khả năng sản xuất thức ăn bổ sung khoáng amino axit trong nước với giá thành thấp và chủ động được nguồn sản phẩm.
1.4 Nghiên cứu in vitro sự hấp thu phức chất qua thành ruột của động vật động vật
Công trình [103] đã đưa ra các phương pháp nghiên cứu hấp thu đường ruột và tổng quan về các phương pháp thường được sử dụng để nghiên cứu sự hấp thu đường ruột của các hợp chất tiêu hóa. Theo các tác giả, hiệu quả của việc tiêu hóa các chất trong cơ thể người và động vật được thể hiện trên đại lượng sinh khả dụng của chất đó. Hình 1.15 chỉ ra
các bước tham gia vào sinh khả dụng của một chất tiêu hóa.Bước đầu tiên là sự phân giải
của chất vào ruột. Thứ hai, chất được hấp thu bởi các tế bào ruột và vận chuyển đến tĩnh mạch. Thứ ba, chất có thể bị loại bỏ trong gan trước khi vào cơ thể.
27
Tất cả các đoạn của ống tiêu hoá đều có khả năng hấp thu, nhưng ở người và động vật
bậc cao sự hấp thu ở ruột non là quan trọng nhất vì các lý do: Niêm mạc ruột non có cấu
trúc đặc biệt tạo nên diện tích hấp thu rất lớn; Các chất dinh dưỡng ở ruột non, qua quá trình tiêu hoá đã sẵn sàng ở dạng hấp thu được. Chính nhờ sự hấp thu ở ruột non mà cơ thể
nhận được các chất dinh dưỡng cần thiết đáp ứng cho hoạt động sống của mình. Hấp thu ở
ruột non là sự xuyên thấm của các chất dinh dưỡng từ hốc ruột vào máu và bạch huyết ngang qua lớp tế bào niêm mạc ruột có cấu trúc tinh vi và theo những cơ chế rất phức tạp.
Sơ lược cấu trúc bộ máy hấp thu ở ruột non: Niêm mạc ruột non có nhiều nếp nhô lên là van ruột. Trên mặt van ruột có các nếp gấp nhỏ hơn gọi là nhung mao. Nhung mao được phủ một lớp liên bào hình trụ - là tế bào hấp thu, trên bề mặt mỗi tế bào có 1500 - 4000 vi nhung mao (còn gọi bờ bàn chải). Do cấu trúc như vậy nên diện tích của niêm mạc
ruột tăng lên nhiều lần, đạt tới 500m2
. Trên mặt và khe giữa các vi nhung mao có các siêu nhung mao đan với nhau tạo nên hệ thống lưới 3 chiều gọi là glycocalyx, có vai trò lớn trong quá trình tiêu hoá hấp thu ở ruột. Dưới lớp liên bào là tổ chức liên kết, trong đó có mạng lưới thần kinh, các mao động mạch và mao tĩnh mạch nối với nhau tạo nên mạng lưới dày đặc. Ở giữa nhung mao có ống bạch mạch, các ống này đi ra ngoài nhung mao gom vào các bạch huyết ở ruột.
Hình 1.15Các bước tham gia vào sinh khả dụng của một chất tiêu hóa
Hấp thu các chất ở ruột non: Hầu hết các chất đều được hấp thu ở ruột non. Các chất như gluxit, protein, lipit, các vitamin, nước và các chất muối khoáng có những cơ chế hấp
28
tiêm) vào máu để rồi đi khắp cơ thể, tới nơi tác dụng. Như vậy sự hấp thu khoáng chất sẽ phụ thuộc vào [49]:
- Dạng hóa học của khoáng chất (vô cơ hay phức chelat)
- Độ hòa tan của chất; Cấu hình electron và số lượng của các nguyên tố và cạnh tranh
đối kháng; Đường dùng (uống, tiêm,…); Sự hiện diện của các tác nhân phức như các chất chelat; pH tại chỗ hấp thu vì có ảnh hưởng đến độ ion hóa và độ tan của chất; Nồng độ của chất, nồng độ càng cao càng hấp thu nhanh; Tuần hoàn tại vùng hấp thu: Càng nhiều mạch, càng hấp thu nhanh; Diện tích vùng hấp thu: Phổi, niêm mạc ruột có diện tích lớn, hấp thu nhanh; Trong đường ruột sự hấp thu các nguyên tố khoáng còn phụ thuộc tương tác của chúng với các phối tử tự nhiên như protein, peptit, amino axit, cacbohidrat, lipit, các anion và kim loại khác; Tại màng ruột và qua màng ruột sự hấp thu khoáng kim loại còn chịu ảnh hưởng của sự cạnh tranh với các phối tử kim loại vận chuyển, phối tử điều hòa nội sinh…
Theo tài liệu [103], các tác giả đã nghiên cứu in vitro sự hấp thu các chất qua ruột
bằng công nghệ túi ruột lộn. Công nghệ túi ruột lộn được mô tả đầu tiên bởi Wilson và Wiseman (1954) để nghiên cứu sự vận chuyển của đường và amino axit. Một túi ruột được chuẩn bị bằng cách đảo ngược một đoạn ruột trên đũa thủy tinh. Như vậy, biểu mô niêm mạc với các nhung mao được lộn trong ra ngoài, trong khi màng cơ tạo thành bề mặt bên trong của túi ruột lộn. Khoang bên trong được làm đầy với dung dịch đệm, cả hai đầu thắt lại. Túi sau đó được đặt trong cốc thủy tinh chứa dung dịch oxi hóa và hợp chất nghiên cứu (hình 1.16 ).
Hình 1.16Túi ruột lộn: Túi ruột lộn được ủ trong môi trường oxi hóa nuôi cấy mô trong khi rung. Mỗi túi được lấy ra ở một thời điểm yêu cầu. Phân tích hợp chất được xác định
cả bên trong túi (không gian màng thanh dịch) và trong mô
Công trình [104] đã nghiên cứu hệ thống hòa tan - hấp thu liên tục của chất nghiên
29
bỏ chất nhầy bằng cách rửa với dung dịch đệm pH = 7,4 (Dung dịch Krebs Ringer
Bicacbonat (KRB): là dung dịch chứa 6,3 g NaCl, 0,35 g KCl, 0,14 g CaCl2, 0,16 g
KH2PO4, 0,15 g MgSO4.7H2O, 2,1 g NaHCO3 và 5 g glucoza trong 1 lít nước cất). Đoạn
ruột gà được rửa kỹ lại với dung dịch KRB ấm, sau đó dùng đũa thủy tinh lộn mặt trong của đoạn ruột ra ngoài. Sơ đồ thí nghiệm như trên hình 1.17.
Hình 1.17Thiết bị nghiên cứu in vitro hấp
thu ở ruột
A, B là hai ống thủy tinh; C là đoạn ruột gà sau khi đã rửa sạch bằng dung dịch KRB, lộn và nối thông với hai ống A và B. Rót dung dịch KRB vào ống A (hoặc B) đến vạch như hình vẽ. Ngâm hệ thống trên vào dung dịch chứa chất nghiên cứu
hấp thu trong hệ thống hòa tan – hấp thu liên tục ở 37 oC sao
cho ngập đoạn ruột gà. Sau mỗi 15 phút lấy 2 ml dung dịch trong ngăn hấp thu (gồm cả ống A, ống B và đoạn ruột) ra phân tích bằng quang phổ, tổng thời gian khảo sát sự hòa tan - hấp thu chất qua thành ruột là 2 giờ. Kết quả cho thấy sự hấp thu chất qua thành ruột tăng dần theo thời gian.
Bài báo cũng công bố kết quả nghiên cứu so sánh khả năng hấp thu chất qua thành ruột ở các nồng độ khác nhau. Metformin HCl được sử dụng ở các nồng độ 50, 100, 200 và 500 mg/l, kết quả chỉ ra rằng, ở cùng thời gian khảo sát nồng độ của dung dịch càng cao thì phần trăm hấp thu qua thành ruột của chất đó càng giảm.
(a) (b)
Hình 1.18Mô bệnh học của ruột gà ở 0 giờ (a) và 2 giờ (b)
Công trình [104] cũng nghiên cứu mô bệnh học của các tế bào đường ruột. Các đoạn ruột được rửa sạch bằng nước muối đẳng trương thông thường ở thời điểm ban đầu (chưa nhúng trong dung dịch metformin HCl). Sau khi kết thúc thí nghiệm đoạn ruột được rửa với dung dịch đệm formalin trung tính 10% và xử lý với kỹ thuật parafin. Đoạn ruột được cắt thành các mảnh có độ dày 5 µm và nhuộm màu bằng phương pháp Haematoxylin –
30
Eosin. Hình 1.18(a) là hình ảnh biểu mô ruột gà ngay trước khi thí nghiệm và hình 1.18(b) là hình ảnh biểu mô của ruột gà ngay lập tức sau khi thí nghiệm.
Theo tài liệu [49], thí nghiệm so sánh khả năng hấp thu kim loại dạng muối vô cơ và dạng phức vòng càng qua thành ruột được tiến hành như sau: Lấy đoạn hỗng tràng từ chuột bạch đực trưởng thành bắt đầu 10 cm dưới môn vị và kéo dài đến 20 cm. Các đoạn ruột
được đặt trong đĩa làm lạnh chứa dung dịch đệm và duy trì ở 5 o
C. Mỗi đoạn ruột được cắt thành những đoạn nhỏ 2 cm. Các phân đoạn được chọn ngẫu nhiên, rửa sạch, ủ trong dung
dịch KRB ở 37 oC đồng thời khí chứa 95,5% O2 và 4,5% CO2 sục vào dung dịch qua ống
thủy tinh chia nhỏ. Các phân đoạn hỗng tràng được tiếp xúc với 50 µg các ion Cu, Fe, Mn và Zn trong hai phút ở cả dạng muối vô cơ và phức. Tất cả được hòa tan trong dung dịch mô phỏng dịch dạ dày trước khi đưa lên phân đoạn ruột. Vào thời điểm cuối cùng của 120 giây, các phân đoạn ruột được rửa sạch và sau đó xác định hàm lượng kim loại hấp thu bằng quang phổ hấp thụ nguyên tử. Kết quả được chỉ ra ở bảng 1.9.
Cũng trong tài liệu này, tác giả đã đánh giá sự hấp thu và vận chuyển kim loại từ niêm mạc đến thanh mạc phức tạp hơn. Trong các thí nghiệm, một nửa các thí nghiệm để định
lượng sự vận chuyển của 65
Zn trong 65ZnCl2 từ niêm mạc đến thanh mạc, và nửa khác được
sử dụng để định lượng sự vận chuyển của 65Zn từ niêm mạc đến thanh mạc trong phức
chelat với histidin. Kết quả chỉ ra rằng sự chuyển động từ niêm mạc đến thanh mạc của Zn dưới dạng phức chất với amino axit không chỉ nhanh hơn mà số lượng cũng nhiều hơn so
với ZnCl2. Các thí nghiệm cũng được làm tương tự với Fe, Mn và Cu.
Bảng 1.9Sự hấp thu ở ruột non của các dạng khoáng có nguồn gốc khác nhau (ppm)
Kim loại Phức Muối sunphat Oxit Muối cacbonat
Cu 35 8 11 6
Mn 94 36 23 51
Fe 298 78 61 82
Zn 191 84 66 87
Trên cơ sở các nghiên cứu trên, việc nghiên cứu in vitro đánh giá khả năng hấp thu qua thành ruột của các phức chất tổng hợp được là cần thiết. Nó là cơ sở ban đầu cho nghiên cứu in vivo khả năng hấp thu phức chất trong cơ thể sống.
31
1.5 Tổng hợp và nghiên cứu đặc trƣng vật liệu khung hữu cơ – kim loại
Không chỉ dừng lại ở ứng dụng cung cấp các nguyên tố vi lượng và các amino axit
thông qua các hợp chất phức, khi các kim loại nhóm B k ết hợp với các amino axit có thể
tạo ra những liên kết cơ kim tạo ra được vật liệu có cấu trúc với độ xốp và diện tích bề mặt
riêng lớn g ọi là vâ ̣t liê ̣u khung h ữu cơ-kim loại (Metal Organic Framework, MOF) [65].
Đây là lĩnh vực đang được đầu tư nghiên cứu rất mạnh trong khoảng 10 năm trở lại đây. Một loại vật liệu được đánh giá là tiên tiến nhất ở thời điểm hiện tại. MOF là vật liệu có độ xốp cao được tạo thành khi các phối tử hữu cơ gắn kết với các cụm kim loại để tạo ra cấu trúc khung không gian ba chiều với những lỗ xốp có kích thước ổn định. Trong vật liệu MOF, các nút kim loại (Cr, Cu, Zn, Al, Ti, V, Fe…) và các cầu nối hữu cơ (các phối tử) tạo thành một hệ thống khung mạng không gian ba chiều, liên kết với hầu như toàn bộ các nguyên tử trên bề mặt bên trong, do đó đã tạo nên diện tích bề mặt và thể tích mao quản rất
lớn (6000 m2/g; 1-2 m3/g). Bằng cách thay đổi các cầu nối hữu cơ hoặc ion kim loại ta có
thể thay đổi được kích thước lỗ xốp của vật liệu thông qua đó điều chế được các vật liệu xốp có khả năng hấp thụ chọn lọc. Cấu trúc khung của vật liệu có độ ổn định cao nhờ độ bền của liên kết kim loại-oxy. Các khung này giữ nguyên cấu trúc ngay cả khi các phân tử dung môi nằm trong các lỗ xốp bị giải hấp ra ngoài. Kết quả là vật liệu có dạng khung tinh thể với tỉ trọng thấp và diện tích bề mặt cao [31]. Điều này có ý nghĩa lớn trong nghiên cứu ứng dụng để làm chất mang để bổ sung khoáng trong cơ thể sống, góp phần tăng hiệu quả hấp thu khi sử dụng.
Có thể nói đây là một lĩnh vực nghiên cứu mới và tương đối khó trên thế giới, thành công nhất phải nói tới nhóm nghiên cứu của GS. Yaghi thuộc University of California, Los
Angeles [47, 51, 57, 61, 92, 108]. GS Yaghi là người phát minh ra vâ ̣t liê ̣u MOF và cho
đến nay ông là người thành công nhất tron g lĩnh vực này. Nhóm đã nghiên cứu thành công
rất nhiều loại vật liệu MOF với diện tích bề mặt riêng rất lớn đến vài nghìn m2/g và đang
hướng tới những loại vật liệu có thể có diện tích bề mặt riêng lên đến 10.000 m2
/g. Một số
sản phẩm đã được nghiên cứu thành công và được công bố như : MIL-53(Al), MIL-53(Cr), MIL-53(Fe), MIL-88(A, B, C, D), MIL-100, MIL-101, HKUST-1, MOF-5, MOF-177, UIO-6…
Quá trình tổng hợp MOF thường được tiến hành trong pha lỏng với yêu cầu không những về độ sạch mà còn cả độ ổn định của hỗn hợp dung môi. Sự hình thành khung tinh
32
thể được diễn ra nhờ sự tự kết hợp của các đơn vị cấu trúc bởi liên kết phối trí giữa ion kim
loại và phối tử. Phương pháp tổng hợp MOF phổ biến nhất là phương pháp kết tinh thủy
nhiệt [45], trong đó ta có thể dùng thêm hoặc là không các hợp chất phụ trợ để làm tăng hiệu quả của quá trình kết tinh. Bên cạnh đó phương pháp sol-gel và phương pháp đồng kết tủa cũng được sử dụng. Môi trường, dung môi, các phối tử, cation kim loại, và sự có mặt của các phân tử khác (các chất phụ trợ hoặc thậm trí là các tạp chất) đều có ảnh hưởng đến quá trình hình thành cấu trúc tinh thể trong quá trình tổng hợp MOF. Vì vậy khi các điều kiện tiến hành có sự thay đổi thì có thể hình thành nên nhiều các cấu trúc khác nhau.
GS. Gerard Férey [66] đã tổng hợp ra một loại vật liệu và được đặt tên là MIL-101,
đây là vật liệu hiệu quả nhất để lưu trữ khí CO2, khí chủ yếu gây nên hiệu ứng nhà kính.
Làm giảm lượng khí CO2 trong khí quyển hiện nay là một ưu tiên. Các nhà hóa học đã
nhanh chóng nhận ra rằng bằng cách thiết kế vật liệu xốp có thể bẫy khí. Các nhà nghiên
cứu từ một số phòng thí nghiệm của CNRS (Trung tâm nghiên cứu khoa học quốc gia
Pháp - Centre National de la Recherche Scientifique) chứng minh rằng bột MIL-101 là vật
liệu hiện hành tốt nhất để lưu trữ CO2 ở nhiệt độ phòng: một mét khối vật liệu này có khả
năng lưu trữ về 400 m3
khí CO2 ở 250C so với 200m3 khí CO2 đối với các vật liệu tốt nhất