Lysozyme-Clays: an innovative system for controlled release of bioactive molecules in feed application

A synthetic approach to bond lysozyme (LY) to commercial natural carriers, namely clay minerals (bentonite, BN, and sepiolite, SP) and commercial zeolite (Phil 75®, PH), already in use in feed formulation, is proposed. The synthetic route, which implies solid/liquid adsorption, is a simple and effective way for preparing hybrid materials characterized by LY loadings up to 37 mgLY/gcarrier. By operating at pH 4.3, initial LY content of 37.5 mgLY/gcarrier, and reaction time of 90 min, hybrid materials with LY loadings of 37, 35 and 12 mgLY/gcarrier for LY-SP, LY-BN and LY-PH, respectively were obtained. LY initial concentration and pH, as well as the physico-chemical properties of the carries were found to be the parameters that govern the synthesis of the materials. The driving force for an effective LY adsorption and interaction is the combination Zero Point Charge (ZPC) of the carriers, always negative (in the range -4 and -170 mV) and the positive ZPC of LY, as well as the carrier morphology, characterized by mesoporosity (pore dimensions in the range 5-12 nm). However, it is the interaction of charges of opposite sign that mainly affects LY loadings and bond strength. Based on SEM-EDX analysis, LY molecules are quite homogeneously spread onto the carriers' surface. TG-DTG analyses showed that the LY-carrier interaction in the hybrid materials is stronger than that in a simple mechanical mixture of the components. Specifically, in the hybrid materials the phenomenon at a 300°C, associated to LY decomposition, is broadened and slightly shifted towards higher temperatures (320-350°C), whereas in a mechanical mixture of same composition it occurs at temperatures closer to those of free LY, as if there were no or very weak interactions. At pH 3 a very little LY release, 0.03 and 0.01 mgLY/gcarrier, were found for LY-BN and LY-PH, respectively. The latter became larger at pH 7, 0.06 mgLY/gcarrier for both BN and PH carriers, suggesting that BN and PH are better modulators of LY release. The paper provides insights for the study and the development of new optimized feed formulations for targeted delivery of natural compounds with antimicrobial activity, alternatives to antibiotics and vaccinal antigens.

Viene proposto un approccio sintetico per legare il lisozima (LY) a vettori naturali commerciali, ossia minerali argillosi (bentonite, BN, e sepiolite, SP) e zeolite commerciale (Phil 75®, PH), già utilizzati nella formulazione di mangimi. La via sintetica, che implica l'adsorbimento solido/liquido, è un metodo semplice ed efficace per preparare materiali ibridi caratterizzati da cariche di LY fino a 37 mgLY/carrier. Operando a pH 4,3, con un contenuto iniziale di LY di 37,5 mgLY/carrier e un tempo di reazione di 90 minuti, sono stati ottenuti materiali ibridi con carichi di LY di 37, 35 e 12 mgLY/carrier rispettivamente per LY-SP, LY-BN e LY-PH. La concentrazione iniziale di LY e il pH, così come le proprietà fisico-chimiche dei carrier, sono risultati essere i parametri che regolano la sintesi dei materiali. La forza trainante per un efficace adsorbimento e interazione con il LY è la combinazione della carica di punto zero (ZPC) dei carrier, sempre negativa (nell'intervallo -4 e -170 mV) e la ZPC positiva del LY, nonché la morfologia del carrier, caratterizzata da mesoporosità (dimensioni dei pori nell'intervallo 5-12 nm). Tuttavia, è l'interazione di cariche di segno opposto che influenza principalmente il carico di LY e la forza del legame. In base all'analisi SEM-EDX, le molecole di LY sono distribuite in modo abbastanza omogeneo sulla superficie dei carrier. Le analisi TG-DTG hanno mostrato che l'interazione LY-vettore nei materiali ibridi è più forte di quella di una semplice miscela meccanica dei componenti. In particolare, nei materiali ibridi il fenomeno a 300°C, associato alla decomposizione del LY, è ampliato e leggermente spostato verso temperature più elevate (320-350°C), mentre in una miscela meccanica della stessa composizione si verifica a temperature più vicine a quelle del LY libero, come se le interazioni fossero assenti o molto deboli. A pH 3 è stato riscontrato un rilascio di LY molto ridotto, 0,03 e 0,01 mgLY/carrier, rispettivamente per LY-BN e LY-PH. Quest'ultimo è diventato maggiore a pH 7, 0,06 mgLY/carrier per entrambi i carrier BN e PH, suggerendo che BN e PH sono migliori modulatori del rilascio di LY. Il lavoro fornisce spunti per lo studio e lo sviluppo di nuove formulazioni di mangimi ottimizzati per la somministrazione mirata di composti naturali con attività antimicrobica, alternativi agli antibiotici e agli antigeni vaccinali.