Ultraljudsassisterad utvinning av cannabidiolic syra från cannabis biomassa
Summary
Ultraljudsassisterad extraktion (UAE) ökar extraktionseffektiviteten av lösningsmedel och när den appliceras på Cannabis spp. Detta minskar kostnaden och potentiell cannabinoidförlust på grund av nedbrytning. Dessutom anses UAE vara en grön metod på grund av låg lösningsmedelsanvändning.
Abstract
Industrihampa (Cannabis spp.) har många intressanta föreningar med potentiella medicinska fördelar. Av dessa föreningar har cannabinoider kommit till centrum för uppmärksamhet, särskilt sura cannabinoider. Fokus riktas mot sura cannabinoider på grund av deras brist på psykotrop aktivitet. Cannabisväxter producerar sura cannabinoider med hampväxter som producerar låga nivåer av psykotropa cannabinoider. Som sådan skulle användning av hampa för sur cannabinoidextraktion eliminera behovet av dekarboxylering före extraktion som en källa för cannabinoiderna. Användningen av lösningsmedelsbaserad extraktion är idealisk för att erhålla sura cannabinoider eftersom deras löslighet i lösningsmedel såsom superkritisk CO2 är begränsad på grund av det höga tryck och temperatur som krävs för att nå deras löslighetskonstanter. En alternativ metod för att öka lösligheten är ultraljudsassisterad extraktion. I detta protokoll har effekten av lösningsmedelspolaritet (acetonitril 0,46, etanol 0,65, metanol 0,76 och vatten 1,00) och koncentration (20%, 50%, 70%, 90% och 100%) på ultraljudsassisterad extraktionseffektivitet undersökts. Resultaten visar att vatten var det minst effektiva och acetonitril var det mest effektiva lösningsmedlet som undersöktes. Etanol undersöktes ytterligare eftersom den har den lägsta toxiciteten och allmänt betraktas som säker (GRAS). Överraskande nog är 50% etanol i vatten den mest effektiva etanolkoncentrationen för att extrahera den högsta mängden cannabinoider från hampa. Ökningen av cannabidiolic syrakoncentrationen var 28% jämfört med 100% etanol och 23% jämfört med 100% acetonitril. Även om det bestämdes att 50% etanol är den mest effektiva koncentrationen för vår applikation, har metoden också visat sig vara effektiv med alternativa lösningsmedel. Följaktligen anses den föreslagna metoden vara effektiv och snabb för att extrahera sura cannabinoider.
Introduction
Industrihampa (Cannabis spp.) producerar sura cannabinoider i olika växtvävnader (blommor, blad och stjälkar), med den högsta koncentrationen som finns i blomman1. Cannabisindustrin använder flera metoder för att extrahera dessa föreningar. En sådan metod är lösningsmedelsextraktion som använder ett icke-polärt och/eller polärt lösningsmedel, varav etanol är det vanligaste. Lösningsmedelsextraktion ensam är emellertid begränsad i sin förmåga; Därför är augmentativa extraktionstekniker, såsom mikrovågsassisterad extraktion (MAE) och ultraljudsassisterad extraktion (UAE), utformade för att öka avkastningen. Dessutom kan cannabidiol med hög koncentration (CBD) extraheras med hjälp av superkritisk vätsketeknik2.
Extraktion är en dynamisk process, och flera faktorer påverkar dess effektivitet, nämligen fuktinnehåll, partikelstorlek och lösningsmedel3. Specifikt för UAE-tekniken styrs effektiviteten av temperatur, tryck, frekvens och tid4.
Ultraljudsassisterad extraktion är processen där ultraljudsvågor passeras genom en vätska för att agitera partiklar. Under omrörningsprocessen upplever växtmaterial akustisk kavitation, kompressionscykler och expansion som bildar bubblor som kollapsar i lösning vilket resulterar i generering av extrem temperatur och tryck5. Tryck- och temperaturförändringarna förändrar lösningsmedlens fysikaliska egenskaper, vilket kan resultera i ökad effekt av extraktion6. Dessutom kan kavitation störa molekylära interaktioner som leder till att organiska och oorganiska föreningar läcker ut från växtmatrisen7. Processen involverar två huvudtyper av fysiska fenomen: (1) diffusion över cellväggen och (2) sköljning av cellinnehållet efter att väggen harbrutits 8. Användningen av UAE är dock inte utan fallgropar; det finns flera rapporter om att UAE kan bryta ner föreningar 9,10. Dessutom är temperaturerna som genereras vid kavitationsställena över de som är nödvändiga för dekarboxylering av cannabinoider. Mudge et al.11 använde dock UAE och observerade inte stor dekarboxylering av CBD eller tetrahydrocannabinol (THC), vilket visar att UAE är en effektiv och grön metod för extraktion av cannabinoider eftersom de kan extraheras snabbt med låg energi.
De Vita et al.12 undersökte användningen av MAE- och UAE-metoder specifikt och fann att när man tillämpade de optimala förhållandena för varje metod extraherade UAE mer av den sura och neutrala CBD och THC som finns i växtmaterialet. På samma sätt jämförde Rožanc et al.13 flera extraktionsmetoder (UAE, soxhlet, maceration och superkritisk vätska) och undersökte extraktens biologiska aktivitet. Rožanc visade att alla metoder var effektiva för att extrahera cannabinoider; men superkritisk vätska och UAE var mest effektiva för att extrahera cannabidiolic syra (CBDA). Dessutom hade UAE-extraktionen den högsta biologiska aktiviteten mätt med 2,2-difenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) -analysen. Rožancs studie visade också att även om extraktionsprocesserna är effektiva för att producera råextrakt, finns det fortfarande en del av icke-cannabinoidföreningar som påverkar extraktens biologiska aktivitet. Dessutom kan dessa föreningar komplicera isoleringen och reningen av enskilda cannabinoidföreningar från de råa extrakten13.
Superkritisk vätskeextraktion (SFE) tekniker har använts för att extrahera neutrala cannabinoider. Flera studier visade att SFE plus ett organiskt lösningsmedel, såsom etanol, resulterade i högre extraktionseffektivitet av neutrala cannabinoider 2,3. När trycket ökades till nivåer som kunde extrahera de sura cannabinoiderna ökade också icke-cannabinoidinnehållet. Som sådan är dessa höga tryck inte praktiska för industriell bearbetning eftersom selektiviteten hos SFE för cannabinoider minskade och ytterligare efterbehandling krävs. Följaktligen måste dekarboxylering göras före SFE, vilket kan resultera i cannabinoidförluster på upp till 18%2. För att öka effektiviteten i SFE har det kombinerats med tekniker som fastfasextraktion för att öka renheten hos det slutliga extraktet14. Trots att de har hög renhet som slutprodukt erhålls endast neutrala cannabinoider.
Traditionellt, i det analytiska laboratoriet, extraherades cannabinoider i en 9: 1 metanol: kloroformblandning. Mudge et al.11 visade dock att effektiv extraktion kan utföras med enstaka lösningsmedel vid användning av UAE. Studien visade att 80% metanol var lika effektivt som den traditionella 9:1-metanol:kloroformextraktionen, vilket indikerar att grönare lösningsmedel kan vara lika effektiva. Som sådan undersöktes UAE för dess potentiella användning på grund av att det hade flera fördelar, inklusive låg kapitalkostnad, minskad extraktionstid och lägre energianvändning och lösningsmedelsvolymer. Men när det gäller UAE, när polära lösningsmedel används, kan klorofyll och andra icke-cannabinoider extraheras, vilket kan orsaka problem i färg7. Följaktligen, för att undersöka potentialen för att erhålla sura cannabinoider i kommersiell skala, användes UAE med hjälp av den industriella hampsorten Cherry Wine. Cherry Wine är en hybrid av C. sativa och C. indica, en korsning mellan sorterna The Wife och Charlotte’s Cherries. Cherry Wine-sorten är en hög CBDA-producerande stam (15% till 25% CBD) med låga nivåer av tetrahydrocannabinolsyra (THCA). Sorten är en C. indica-dominerande stam som har 7 till 9 veckors blomning.
För att upprätta det optimala UAE-extraktionsprotokollet togs två tillvägagångssätt: den traditionella en faktor i taget (OFT) optimering och en Design of Experiment (DoE) -metod med hjälp av en Central Composite Design (CCD)15. För DoE optimerades CBDA/CBD-extraktion baserat på prov/lösningsmedelsförhållandet, extraktionstiden och lösningsmedelskoncentrationen som faktorer, och de resulterande uppgifterna analyserades med Response Surface Methodology (RSM). Sammanfattningsvis beskriver det beskrivna protokollet den optimala metoden för att extrahera den högsta mängden CBDA / CBD.
Protocol
Representative Results
Discussion
Polariteten hos ett lösningsmedel spelar en kritisk roll vid effektiv extraktion av föreningar. Eftersom sura cannabinoider är något polära till sin natur, till stor del på grund av karboxylsyradelen, antogs det att ett polärt lösningsmedel såsom metanol eller etanol skulle vara mest effektivt. Garrett och Hunt19 visade i sin studie med THC att lösligheten i vattenhaltig etanol baserades på procent etanol i lösningen och lösningens jonstyrka. Även om jonstyrka inte undersöktes i den…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av Institute of Cannabis Research vid Colorado State University-Pueblo, Korea Innovation Foundation-bidraget finansierat av den koreanska regeringen (MSIT) (2021-DD-UP-0379) och Chuncheon city (Hemp R&D och industrialisering, 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).
