Ultrasoon-geassisteerde extractie van cannabidiolzuur uit cannabisbiomassa

Summary

Ultrasoon-geassisteerde extractie (VAE) verhoogt de extractie-efficiëntie van oplosmiddelen en wanneer toegepast op Cannabis spp. biomassa vermindert het de tijd die nodig is voor extractie. Dit verlaagt de kosten en het potentiële verlies van cannabinoïden als gevolg van degradatie. Bovendien wordt de VAE beschouwd als een groene methode vanwege het lage gebruik van oplosmiddelen.

Abstract

Industriële hennep (Cannabis spp.) heeft veel verbindingen van belang met potentiële medische voordelen. Van deze verbindingen zijn cannabinoïden in het middelpunt van de belangstelling komen te staan, met name zure cannabinoïden. De focus ligt op zure cannabinoïden vanwege hun gebrek aan psychotrope activiteit. Cannabisplanten produceren zure cannabinoïden met hennepplanten die lage niveaus van psychotrope cannabinoïden produceren. Als zodanig zou het gebruik van hennep voor zure cannabinoïde-extractie de noodzaak van decarboxylatie voorafgaand aan extractie als bron voor de cannabinoïden elimineren. Het gebruik van extractie op basis van oplosmiddelen is ideaal voor het verkrijgen van zure cannabinoïden, omdat hun oplosbaarheid in oplosmiddelen zoals superkritisch CO₂ beperkt is vanwege de hoge druk en temperatuur die nodig zijn om hun oplosbaarheidsconstanten te bereiken. Een alternatieve methode die is ontworpen om de oplosbaarheid te verhogen, is ultrasoon geassisteerde extractie. In dit protocol is de impact van oplosmiddelpolariteit (acetonitril 0,46, ethanol 0,65, methanol 0,76 en water 1,00) en concentratie (20%, 50%, 70%, 90% en 100%) op ultrasoon geassisteerde extractie-efficiëntie onderzocht. De resultaten tonen aan dat water het minst effectief was en acetonitril het meest effectieve onderzochte oplosmiddel. Ethanol werd verder onderzocht omdat het de laagste toxiciteit heeft en over het algemeen als veilig (GRAS) wordt beschouwd. Verrassend genoeg is 50% ethanol in water de meest effectieve ethanolconcentratie voor het extraheren van de hoogste hoeveelheid cannabinoïden uit hennep. De toename van de cannabidiolzuurconcentratie was 28% in vergelijking met 100% ethanol en 23% in vergelijking met 100% acetonitril. Hoewel werd vastgesteld dat 50% ethanol de meest effectieve concentratie is voor onze toepassing, is ook aangetoond dat de methode effectief is met alternatieve oplosmiddelen. Bijgevolg wordt de voorgestelde methode als effectief en snel beschouwd voor het extraheren van zure cannabinoïden.

Introduction

Industriële hennep (Cannabis spp.) produceert zure cannabinoïden in verschillende plantenweefsels (bloemen, bladeren en stengels), met de hoogste concentratie in de bloem¹. De cannabisindustrie gebruikt verschillende methoden om deze verbindingen te extraheren. Een dergelijke methode is oplosmiddelextractie waarbij gebruik wordt gemaakt van een apolair en /of polair oplosmiddel, waarvan ethanol het meest wordt gebruikt. Oplosmiddelextractie alleen is echter beperkt in zijn vermogen; daarom zijn augmentatieve extractietechnieken, zoals microgolfondersteunde extractie (MAE) en ultrasoon geassisteerde extractie (VAE), ontworpen om de opbrengst te verhogen. Bovendien kan cannabidiol (CBD) met hoge concentratie worden geëxtraheerd met behulp van superkritische vloeistoftechnologieën².

Extractie is een dynamisch proces en verschillende factoren beïnvloeden de efficiëntie ervan, namelijk vochtgehalte, deeltjesgrootte en oplosmiddel³. Specifiek voor de VAE-techniek wordt efficiëntie bepaald door temperatuur, druk, frequentie en tijd⁴.

Ultrasoon-geassisteerde extractie is het proces waarbij ultrasone golven door een vloeistof worden geleid om deeltjes te roeren. Tijdens het roerproces ervaren plantaardige materialen akoestische cavitatie, cycli van compressie en expansie die bellen vormen die in de oplossing instorten, wat resulteert in het genereren van extreme temperatuur en druk⁵. De druk- en temperatuurveranderingen veranderen de fysische eigenschappen van de oplosmiddelen, wat kan resulteren in een verhoogde effectiviteit van extractie⁶. Bovendien kan cavitatie moleculaire interacties verstoren die leiden tot organische en anorganische verbindingen die uit de plantenmatrix^{7 lekken}. Het proces omvat twee hoofdtypen fysische verschijnselen: (1) diffusie over de celwand en (2) spoelen van de cellulaire inhoud na het breken van de wand⁸. Het gebruik van de VAE is echter niet zonder valkuilen; er zijn verschillende rapporten dat de VAE verbindingen ^9,10 kan afbreken. Bovendien zijn de temperaturen die op de cavitatieplaatsen worden gegenereerd hoger dan die welke nodig zijn voor decarboxylatie van cannabinoïden. Mudge et ^al.11 gebruikten echter de VAE en observeerden geen grote decarboxylatie van CBD of tetrahydrocannabinol (THC), waardoor werd aangetoond dat de VAE een efficiënte en groene methode is voor de extractie van cannabinoïden, omdat ze snel kunnen worden geëxtraheerd met behulp van lage energie.

De Vita et ^al.12 onderzochten specifiek het gebruik van MAE- en VAE-methoden en ontdekten dat bij het toepassen van de optimale omstandigheden voor elke methode, de VAE meer van de zure en neutrale CBD en THC in het plantmateriaal extraheerde. Evenzo vergeleken Rožanc et ^al.13 meerdere extractiemethoden (VAE, soxhlet, maceratie en superkritische vloeistof) en onderzochten de biologische activiteit van de extracten. Rožanc toonde aan dat alle methoden effectief waren in het extraheren van cannabinoïden; superkritische vloeistof en VAE waren echter het meest effectief in het extraheren van cannabidiolzuur (CBDA). Bovendien had de VAE-extractie de hoogste biologische activiteit wanneer gemeten met de 2,2-difenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) -test. De studie van Rožanc toonde ook aan dat hoewel de extractieprocessen effectief zijn in het produceren van ruwe extracten, er een deel van niet-cannabinoïde verbindingen overblijft die de biologische activiteit van de extracten beïnvloeden. Bovendien kunnen deze verbindingen de isolatie en zuivering van individuele cannabinoïdeverbindingen uit de ruwe extracten¹³ bemoeilijken.

Superkritische vloeistofextractietechnieken (SFE) zijn gebruikt om neutrale cannabinoïden te extraheren. Verschillende studies toonden aan dat SFE plus een organisch oplosmiddel, zoals ethanol, resulteerde in een hogere extractie-efficiëntie van neutrale cannabinoïden ^2,3. Wanneer de druk werd verhoogd tot niveaus die in staat waren om de zure cannabinoïden te extraheren, nam ook het niet-cannabinoïdegehalte toe. Als zodanig zijn deze hoge drukken niet praktisch voor industriële verwerking, omdat de selectiviteit van SFE voor cannabinoïden afneemt en extra nabewerking vereist is. Daarom moet decarboxylatie worden uitgevoerd voorafgaand aan SFE, wat kan resulteren in cannabinoïdeverliezen tot 18%². Om de efficiëntie in SFE te verhogen, is het gecombineerd met technieken zoals vastefase-extractie om de zuiverheid van het uiteindelijke extract¹⁴ te verhogen. Ondanks de hoge zuiverheid als eindproduct worden echter alleen neutrale cannabinoïden verkregen.

Traditioneel werden cannabinoïden in het analytisch laboratorium geëxtraheerd in een 9:1 methanol:chloroform mengsel. Mudge et ^al.11 toonden echter aan dat effectieve extractie kan worden uitgevoerd met enkele oplosmiddelen bij gebruik van de VAE. De studie toonde aan dat 80% methanol net zo effectief was als de traditionele 9:1 methanol:chloroform extractie, wat aangeeft dat groenere oplosmiddelen net zo effectief kunnen zijn. Als zodanig werd de VAE onderzocht op het potentiële gebruik ervan vanwege verschillende voordelen, waaronder lage kapitaalkosten, kortere extractietijd en lager energieverbruik en oplosmiddelvolumes. In het geval van de VAE kunnen chlorofyl en andere niet-cannabinoïden echter worden geëxtraheerd wanneer polaire oplosmiddelen worden gebruikt, wat een probleem in kleur⁷ kan veroorzaken. Om het potentieel voor het verkrijgen van zure cannabinoïden op commerciële schaal te onderzoeken, werd de VAE daarom gebruikt met behulp van de industriële hennepvariëteit Cherry Wine. Cherry Wine is een hybride van C. sativa pt C. indica, een kruising tussen de variëteiten van The Wife en Charlotte’s Cherries. De Cherry Wine-variëteit is een hoge CBDA-producerende soort (15% tot 25% CBD) met lage niveaus van tetrahydrocannabinolzuur (THCA). De variëteit is een C. indica-gedomineerde soort die 7 tot 9 weken bloei heeft.

Om het optimale extractieprotocol van de VAE vast te stellen, werden twee benaderingen gevolgd: de traditionele one factor at a time (OFT) -optimalisatie en een Design of Experiment (DoE) -benadering met behulp van een Central Composite Design (CCD)¹⁵. Voor de DoE werd CBDA /CBD-extractie geoptimaliseerd op basis van de verhouding tussen monster en oplosmiddel, extractietijd en oplosmiddelconcentratie als factoren, en de resulterende gegevens werden geanalyseerd door Response Surface Methodology (RSM). Kortom, het beschreven protocol schetst de optimale methode voor het extraheren van de hoogste hoeveelheid CBDA / CBD.

Protocol

1. Voorbereiding van plantaardig materiaal Verkrijg Cherry Wine bloeiwijzen van planten die in het veld worden gekweekt, geplant in een zuid-naar-noord configuratie, met planten 1 m uit elkaar in het midden en rijen 1,2 m uit elkaar (teelt in Longmont, Colorado, VS). Droog de bloeiwijzen aan de lucht bij 35 °C gedurende 48 uur. Maal de bloeiwijzen met behulp van een maalmachine van 177 μm. Laat het verpulverde materiaal door de no. 80 gaaszeef gaan. Bewaar het resulterende…

Representative Results

De gebruikte oplosmiddelen variëren van het midden van de polariteitsindex (0,460 – ACN) tot polair (1,000 – water). Uit tabel 2 kan worden gezien dat water geen effectieve extractiestof voor cannabinoïden was, wat niet onverwacht is, omdat cannabinoïden een beperkte oplosbaarheid in water hebben vanwege hun hydrofobiciteit13. In tegenstelling tot water hadden de andere oplosmiddelen vergelijkbare geëxtraheerde waarden van CBD en CBDA, waarbij het minst polaire oplosmiddelacet…

Discussion

De polariteit van een oplosmiddel speelt een cruciale rol bij de effectieve extractie van verbindingen. Omdat zure cannabinoïden licht polair van aard zijn, grotendeels te wijten aan het carbonzuurgedeelte, werd aangenomen dat een polair oplosmiddel zoals methanol of ethanol het meest effectief zou zijn. Garrett en Hunt¹⁹ toonden in hun studie met THC aan dat de oplosbaarheid in waterige ethanol gebaseerd was op procent ethanol in de oplossing en ionische sterkte van de oplossing. Hoewel ionische…

Materials

Acetonitrile	J.K.Baker	9017-88	solvent
Cannabichromene	Cerilliant	C-143	Cannabinoids standard
Cannabidiol	Cerilliant	C-045	Cannabinoids standard
Cannabidiolic acid	Cerilliant	C-144	Cannabinoids standard
Cannabidivarin	Cerilliant	C-140	Cannabinoids standard
Cannabigerol	Cerilliant	C-141	Cannabinoids standard
Cannabinol	Cerilliant	C-046	Cannabinoids standard
Centrifuge	Hanil Scientific Inc	Supra 22K	Centrifuge
Cherry Wine hemp	CFH, Ltd.	–	Flower extraction material
Distilled water	TEDIA	WS2211-001	solvent
Ethanol	TEDIA	ES1431-001	solvent
Filter paper	Whatman	#2	Filtering
Grinder	Daesung Artlon	DA280-S	Milling
HPLC	Shimadzu	LC-10 system	Analysis of Cannabinoid
Methanol	TEDIA	MS1922-001	solvent
Minitab 16.2.0	Minitab Inc.
Syringe filters	Whatman	6779-1304	Filtering
Tetrahydrocannabivarin	Cerilliant	T-094	Cannabinoids standard
Trifluoroacetic acid	Sigma-aldrich	302031-1L	HPLC flow solvent
Untrasonic bath	Jinwoo	4020P	Ultrasonic extraction
Zorbax Eclipse plus C18 HPLC column	Agilent	9599990-902	HPLC column
Δ8 – Tetrahydrocannabinol	Cerilliant	T-032	Cannabinoids standard
Δ9 – Tetrahydrocannabinol	Cerilliant	T-005	Cannabinoids standard
Δ9 – Tetrahydrocannabinolic acid	Cerilliant	T-093	Cannabinoids standard