Ультразвуковая экстракция каннабидиолевой кислоты из биомассы каннабиса
Summary
Ультразвуковая экстракция (ОАЭ) повышает эффективность экстракции растворителей, а при применении к биомассе Cannabis spp. сокращает время, необходимое для экстракции. Это снижает стоимость и потенциальную потерю каннабиноидов из-за деградации. Кроме того, ОАЭ считается зеленым методом из-за низкого использования растворителей.
Abstract
Промышленная конопля (Cannabis spp.) имеет много интересных соединений с потенциальными медицинскими преимуществами. Из этих соединений в центр внимания оказались каннабиноиды, в частности кислые каннабиноиды. Акцент смещается в сторону кислых каннабиноидов из-за отсутствия у них психотропной активности. Растения каннабиса производят кислые каннабиноиды, а растения конопли производят низкий уровень психотропных каннабиноидов. Таким образом, использование конопли для кислой экстракции каннабиноидов устранит необходимость декарбоксилирования до экстракции в качестве источника каннабиноидов. Использование экстракции на основе растворителя идеально подходит для получения кислых каннабиноидов, поскольку их растворимость в растворителях, таких как сверхкритический CO2 , ограничена из-за высокого давления и температуры, необходимых для достижения их констант растворимости. Альтернативным методом, предназначенным для повышения растворимости, является ультразвуковая экстракция. В этом протоколе изучалось влияние полярности растворителя (ацетонитрил 0,46, этанол 0,65, метанол 0,76 и вода 1,00) и концентрации (20%, 50%, 70%, 90% и 100%) на эффективность ультразвуковой экстракции. Результаты показывают, что вода была наименее эффективной, а ацетонитрил был наиболее эффективным исследуемым растворителем. Этанол был дополнительно изучен, поскольку он имеет самую низкую токсичность и, как правило, считается безопасным (GRAS). Удивительно, но 50% этанола в воде является наиболее эффективной концентрацией этанола для извлечения наибольшего количества каннабиноидов из конопли. Увеличение концентрации каннабидиоловой кислоты составило 28% по сравнению со 100% этанолом и 23% по сравнению со 100% ацетонитрилом. Хотя было определено, что 50% этанол является наиболее эффективной концентрацией для нашего применения, было также продемонстрировано, что метод эффективен с альтернативными растворителями. Следовательно, предложенный способ считается эффективным и быстрым для извлечения кислых каннабиноидов.
Introduction
Промышленная конопля (Cannabis spp.) производит кислые каннабиноиды в различных тканях растений (цветы, листья и стебли), с самой высокой концентрацией, обнаруженной в цветке1. Индустрия каннабиса использует несколько методов для извлечения этих соединений. Одним из таких способов является экстракция растворителем, в которой используется неполярный и/или полярный растворитель, из которых этанол является наиболее часто используемым. Однако только экстракция растворителем ограничена в своей способности; поэтому методы аугментативной экстракции, такие как микроволновая экстракция (MAE) и ультразвуковая экстракция (ОАЭ), предназначены для увеличения выхода. Кроме того, каннабидиол высокой концентрации (КБД) может быть извлечен с использованием сверхкритических жидкостных технологий2.
Экстракция является динамическим процессом, и на его эффективность влияют несколько факторов, а именно содержание влаги, размер частиц и растворитель3. В частности, для техники ОАЭ эффективность регулируется температурой, давлением, частотой и временем4.
Ультразвуковая экстракция – это процесс, в котором ультразвуковые волны проходят через жидкость для перемешивания частиц. Во время процесса перемешивания растительные материалы испытывают акустическую кавитацию, циклы сжатия и расширения, которые образуют пузырьки, которые разрушаются в растворе, что приводит к образованию экстремальной температуры и давления5. Изменения давления и температуры изменяют физические свойства растворителей, что может привести к повышению эффективности экстракции6. Кроме того, кавитация может нарушать молекулярные взаимодействия, приводящие к вымыванию органических и неорганических соединений из растительной матрицы7. Процесс включает в себя два основных типа физических явлений: (1) диффузию через клеточную стенку и (2) промывание клеточного содержимого после разрушения стенки8. Однако использование ОАЭ не лишено своих подводных камней; есть несколько сообщений о том, что ОАЭ могут разлагать соединения 9,10. Кроме того, температуры, генерируемые в местах кавитации, выше тех, которые необходимы для декарбоксилирования каннабиноидов. Тем не менее, Mudge et al.11 использовали ОАЭ и не наблюдали большого декарбоксилирования КБД или тетрагидроканнабинола (ТГК), тем самым демонстрируя, что ОАЭ является эффективным и зеленым методом экстракции каннабиноидов, поскольку их можно быстро извлечь с использованием низкой энергии.
De Vita et al.12 изучили использование методов MAE и ОАЭ и обнаружили, что при применении оптимальных условий для каждого метода ОАЭ извлекали больше кислотного и нейтрального КБД и ТГК, присутствующих в растительном материале. Аналогичным образом, Rožanc et al.13 сравнили несколько методов экстракции (ОАЭ, сокслет, мацерация и сверхкритическая жидкость) и изучили биологическую активность экстрактов. Рожанц продемонстрировал, что все методы эффективны при извлечении каннабиноидов; однако сверхкритическая жидкость и ОАЭ были наиболее эффективны при извлечении каннабидиоловой кислоты (CBDA). Кроме того, экстракция ОАЭ имела самую высокую биологическую активность при измерении анализа 2,2-дифенил-1-пикрилгидразил (DPPH). Исследование Рожанца также показало, что, хотя процессы экстракции эффективны при производстве сырых экстрактов, остается часть неканнабиноидных соединений, которые влияют на биологическую активность экстрактов. Кроме того, эти соединения могут усложнять выделение и очистку отдельных каннабиноидных соединений из сырых экстрактов13.
Методы сверхкритической жидкостной экстракции (SFE) были использованы для извлечения нейтральных каннабиноидов. Несколько исследований показали, что SFE плюс органический растворитель, такой как этанол, привели к более высокой эффективности экстракции нейтральных каннабиноидов 2,3. Когда давление было увеличено до уровней, способных извлекать кислые каннабиноиды, содержание неканнабиноидов также увеличивалось. Таким образом, эти высокие давления непрактичны для промышленной обработки, поскольку селективность SFE для каннабиноидов снизилась, и требуется дополнительная постобработка. Следовательно, декарбоксилирование должно быть сделано до SFE, что может привести к потерям каннабиноидов до 18%2. Для повышения эффективности SFE он был объединен с такими методами, как твердофазная экстракция, для повышения чистоты конечного экстракта14. Однако, несмотря на высокую чистоту в качестве конечного продукта, получаются только нейтральные каннабиноиды.
Традиционно в аналитической лаборатории каннабиноиды экстрагировали в смеси метанол:хлороформ 9:1. Тем не менее, Mudge et al.11 продемонстрировали, что эффективная экстракция может быть осуществлена с помощью одиночных растворителей при использовании ОАЭ. Исследование показало, что 80% метанола было столь же эффективным, как и традиционная экстракция метанола: хлороформа 9: 1, тем самым указывая на то, что более экологичные растворители могут быть столь же эффективными. Таким образом, ОАЭ были проверены на предмет его потенциального использования из-за наличия ряда преимуществ, включая низкие капитальные затраты, сокращение времени добычи и снижение потребления энергии и объемов растворителей. Однако в случае ОАЭ, когда используются полярные растворители, хлорофилл и другие неканнабиноиды могут быть извлечены, что может вызвать проблему в цвете7. Следовательно, чтобы изучить потенциал для получения кислых каннабиноидов в коммерческих масштабах, ОАЭ были использованы с использованием промышленного сорта конопли Cherry Wine. Вишневое вино представляет собой гибрид C. sativa и C. indica, помеси сортов The Wife и Charlotte’s Cherries. Сорт Cherry Wine является штаммом с высоким содержанием CBDA (от 15% до 25% CBD) с низким уровнем тетрагидроканнабинолевой кислоты (THCA). Сорт является C . indica-доминирующим штаммом, который имеет от 7 до 9 недель цветения.
Чтобы установить оптимальный протокол извлечения ОАЭ, были приняты два подхода: традиционная оптимизация одного фактора за раз (OFT) и подход проектирования эксперимента (DoE) с использованием центрального композитного проектирования (CCD)15. Для Министерства энергетики экстракция CBDA/CBD была оптимизирована на основе соотношения образец/растворитель, времени экстракции и концентрации растворителя в качестве факторов, и полученные данные были проанализированы с помощью методологии Response Surface Methodology (RSM). В заключение, описанный протокол описывает оптимальный метод извлечения наибольшего количества CBDA / CBD.
Protocol
Representative Results
Discussion
Полярность растворителя играет решающую роль в эффективной экстракции соединений. Поскольку кислые каннабиноиды имеют слегка полярную природу, в значительной степени из-за фрагмента карбоновой кислоты, предполагалось, что полярный растворитель, такой как метанол или этанол, будет на…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Институтом исследований каннабиса в Университете штата Колорадо-Пуэбло, грантом Корейского инновационного фонда, финансируемым корейским правительством (MSIT) (2021-DD-UP-0379) и городом Чхунчхон (Hemp R&D and industrialization, 2020-2021).
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 |
Referências
- Hemphill, J. K., Turner, J. C., Mahlberg, P. G. Cannabinoid content of individual plant organs from different geographical strains of Cannabis sativa L. Journal of Natural Products. 43 (1), 112-122 (1980).
- Baldino, L., Scognamiglio, M., Reverchon, E. Supercritical fluid technologies applied to the extraction of compounds of industrial interest from Cannabis sativa L. and to their pharmaceutical formulations: A review. Journal of Supercritical Fluids. 165, 104960 (2020).
- Daniel, R. G., et al. Supercritical extraction strategies using CO2 and ethanol to obtain cannabinoid compounds from cannabis hybrid flowers. Journal of CO2 Utilization. 30, 241-248 (2019).
- Azmir, J., et al. Techniques for extraction of bioactive compounds from plant materials: A review. Journal of Food Engineering. 117 (4), 426-436 (2013).
- Ohl, C. D., Kurz, T., Geisler, R., Lindau, O., Lauterborn, W. Bubble dynamics, shock waves and sonoluminescence. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 357 (1751), 269-294 (1999).
- Castro-Puyana, M., Marina, M. L., Plaza, M. Water as green extraction solvent: Principles and reasons for its use. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 5, 31-36 (2017).
- Herrera, M. C., De Castro, M. L. Ultrasound-assisted extraction of phenolic compounds from strawberries prior to liquid chromatographic separation and photodiode array ultraviolet detection. Journal of Chromatography A. 1100 (1), 1-7 (2005).
- Mason, T. J., Paniwnyk, L., Lorimer, J. P. The uses of ultrasound in food technology. Ultrasonics Sonochemistry. 3 (3), 253-260 (1996).
- Soares, V. P., et al. Ultrasound assisted maceration for improving the aromatization of extra-virgin olive oil with rosemary and basil. Food Research International. 135, 109305 (2020).
- Kshitiz, K., et al. Ultrasound assisted extraction (UAE) of bioactive compounds from fruit and vegetable processing by-products: A review. Ultrasinics Sonochemistry. 70, 105325 (2017).
- Mudge, E. M., Murch, S. J., Brown, P. N. Leaner and greener analysis of cannabinoids. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 409 (12), 3153-3163 (2017).
- De Vita, D., et al. Comparison of different methods for the extraction of cannabinoids from cannabis. Natural Product Research. 34 (20), 2952-2958 (2020).
- Rožanc, J., et al. Different Cannabis sativa extraction methods result in different biological activities against a colon cancer cell line and healthy colon cells. Plants. 10 (3), 566 (2021).
- Karğili, U., Aytaç, E. Supercritical fluid extraction of cannabinoids (THC and CBD) from four different strains of cannabis grown in different regions. The Journal of Supercritical Fluids. 179, 105410 (2022).
- Sushma, C., et al. Optimization of ultrasound-assisted extraction (UAE) process for the recovery of bioactive compounds from bitter gourd using response surface methodology (RSM). Food and Bioproducts Processing. 120, 120-122 (2022).
- David, J. P., et al. Potency of Δ9-THC and Other Cannabinoids in Cannabis in England in 2005: Implications for Psychoactivity and Pharmacology. Journal of Forensic Sciences. 11, 129 (2008).
- Agarwal, C., Máthé, K., Hofmann, T., Csóka, L. Ultrasound-assisted extraction of cannabinoids from Cannabis Sativa L. optimized by response surface methodology. Journal of Food Science. 83 (3), 700-710 (2018).
- Oroian, M., Ursachi, F., Dranca, F. Influence of ultrasonic amplitude, temperature, time and solvent concentration on bioactive compounds extraction from propolis. Ultrasonics Sonochemistry. 64 (2020), 105021 (2020).
- Garrett, E. R., Hunt, A. Physiochemical properties, solubility, and protein binding of Δ9-tetrahydrocannabinol. Journal of Pharmaceutical Sciences. 63 (7), 1056-1064 (1974).
- Metcalf, D. G. Chemical Abstracts. United States patent. , (2020).
- Lazarjani, M. P., Young, O., Kebede, L., et al. Processing and extraction methods of medicinal cannabis: a narrative review. Journal of Cannabis Research. 3 (1), 1-15 (2021).
- Lewis-Bakker, M. M., Yang, Y., Vyawahare, R., Kotra, L. P. Extractions of medical cannabis cultivars and the role of decarboxylation in optimal receptor responses. Cannabis and Cannabinoid Research. 4 (3), 183-194 (2019).
- Brighenti, V., Pellati, F., Steinbach, M., Maran, D., Benvenuti, S. Development of a new extraction technique and HPLC method for the analysis of non-psychoactive cannabinoids in fibre-type Cannabis sativa L.(hemp). Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 143, 228-236 (2017).
- . FDA Available from: https://www.cfsanappsexternal.fda.gov/scripts/fdcc/?set=SCOGS (2021)
- Rae, J., et al. Estimation of ultrasound induced cavitation bubble temperatures in aqueous solutions. Ultrasonics Sonochemistry. 12, 325-329 (2005).
- Moreno, T., Montanes, F., Tallon, S. J., Fenton, T., King, J. W. Extraction of cannabinoids from hemp (Cannabis sativa L.) using high pressure solvents: An overview of different processing options. Journal of Supercritical Fluids. 161, 104850 (2020).
- Zhang, Q. W., Lin, L. G., Ye, W. C. Techniques for extraction and isolation of natural products: a comprehensive review. Chinese Medicine. 13 (20), 1-26 (2018).
- Fathordoobady, F., Singh, A., Kitts, D. D., Singh, A. P. Hemp (Cannabis sativa L.) extract: Anti-microbial properties, methods of extraction, and potential oral delivery. Food Reviews International. 35 (7), 664-684 (2019).
