Esrar Biyokütlesinden Esrar Destekli Esrar Asidinin Ultrasonik Destekli Ekstraksiyonu
Summary
Ultrasonik yardımlı ekstraksiyon (BAE), çözücülerin ekstraksiyon verimliliğini arttırır ve Esrar spp. biyokütlesine uygulandığında, ekstraksiyon için gereken süreyi azaltır. Bu, bozulma nedeniyle maliyeti ve potansiyel kanabinoid kaybını azaltır. Ek olarak, BAE düşük çözücü kullanımı nedeniyle yeşil bir yöntem olarak kabul edilir.
Abstract
Endüstriyel kenevir (Cannabis spp.), potansiyel tıbbi yararları olan birçok ilgi çekici bileşiğe sahiptir. Bu bileşiklerden, kanabinoidler, özellikle asidik kanabinoidler olmak üzere ilgi odağına gelmiştir. Odak, psikotropik aktivite eksikliği nedeniyle asidik kanabinoidlere yöneliyor. Kenevir bitkileri, düşük düzeyde psikotropik kanabinoid üreten kenevir bitkileri ile asidik kanabinoidler üretir. Bu nedenle, asidik kanabinoid ekstraksiyonu için kenevir kullanımı, kanabinoidler için bir kaynak olarak ekstraksiyondan önce dekarboksilasyon ihtiyacını ortadan kaldıracaktır. Solvent bazlı ekstraksiyonun kullanımı, asidik kanabinoidlerin elde edilmesi için idealdir, çünkü süperkritik CO2 gibi çözücülerdeki çözünürlükleri, çözünürlük sabitlerine ulaşmak için gereken yüksek basınç ve sıcaklık nedeniyle sınırlıdır. Çözünürlüğü artırmak için tasarlanmış alternatif bir yöntem ultrasonik destekli ekstraksiyondur. Bu protokolde, çözücü polaritesinin (asetonitril 0.46, etanol 0.65, metanol 0.76 ve su 1.00) ve konsantrasyonunun (% 20,% 50,% 70,% 90 ve% 100) ultrasonik destekli ekstraksiyon verimliliği üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sonuçlar, suyun en az etkili olduğunu ve asetonitrilin incelenen en etkili çözücü olduğunu göstermektedir. Etanol, en düşük toksisiteye sahip olduğu ve genellikle güvenli (GRAS) olarak kabul edildiği için daha fazla incelenmiştir. Şaşırtıcı bir şekilde, sudaki% 50 etanol, kenevirden en yüksek miktarda kanabinoid çıkarmak için en etkili etanol konsantrasyonudur. Kannabidiolik asit konsantrasyonundaki artış,% 100 etanol ile karşılaştırıldığında% 28 ve% 100 asetonitril ile karşılaştırıldığında% 23 idi. Uygulamamız için %50 etanolün en etkili konsantrasyon olduğu belirlenirken, yöntemin alternatif çözücülerle de etkili olduğu gösterilmiştir. Sonuç olarak, önerilen yöntemin asidik kanabinoidlerin ekstraksiyonu için etkili ve hızlı olduğu düşünülmektedir.
Introduction
Endüstriyel kenevir (Cannabis spp.), çeşitli bitki dokularında (çiçekler, yapraklar ve saplar) asidik kanabinoidler üretir ve çiçekte bulunan en yüksek konsantrasyon1’dir. Esrar endüstrisi bu bileşikleri çıkarmak için çeşitli yöntemler kullanır. Böyle bir yöntem, etanolün en yaygın kullanıldığı polar olmayan ve / veya polar bir çözücü kullanan çözücü ekstraksiyonudur. Bununla birlikte, tek başına çözücü ekstraksiyonu kabiliyetinde sınırlıdır; Bu nedenle, mikrodalga destekli ekstraksiyon (MAE) ve ultrasonik destekli ekstraksiyon (BAE) gibi arttırıcı ekstraksiyon teknikleri, verimi artırmak için tasarlanmıştır. Ek olarak, yüksek konsantrasyonlu kanabidiol (CBD), süperkritik sıvı teknolojileri kullanılarak ekstrakte edilebilir2.
Ekstraksiyon dinamik bir işlemdir ve verimliliğini etkileyen çeşitli faktörler, yani nem içeriği, partikül boyutu ve çözücü3. Özellikle, BAE tekniği için verimlilik sıcaklık, basınç, frekans ve zaman4 tarafından yönetilir.
Ultrasonik yardımlı ekstraksiyon, ultrasonik dalgaların parçacıkları çalkalamak için bir sıvıdan geçirildiği işlemdir. Karıştırma işlemi sırasında, bitki materyalleri akustik kavitasyon, sıkıştırma ve genleşme döngüleri yaşar ve bu da çözelti içinde çöken kabarcıklar oluşturarak aşırı sıcaklık ve basınçoluşumuna neden olur 5. Basınç ve sıcaklık değişimleri, çözücülerin fiziksel özelliklerini değiştirir, bu da ekstraksiyonun etkinliğinin artmasına neden olabilir6. Ek olarak, kavitasyon, organik ve inorganik bileşiklerin bitki matrisinden sızmasına yol açan moleküler etkileşimleri bozabilir7. İşlem iki ana fiziksel fenomen türünü içerir: (1) hücre duvarı boyunca difüzyon ve (2) duvarı kırdıktan sonra hücresel içeriğin durulanması8. Bununla birlikte, BAE’nin kullanımı tuzakları olmadan değildir; BAE’nin 9,10 bileşiklerini bozabileceğine dair birkaç rapor var. Ek olarak, kavitasyon bölgelerinde üretilen sıcaklıklar, kanabinoidlerin dekarboksilasyonu için gerekli olanların üzerindedir. Bununla birlikte, Mudge ve ark.11 BAE’yi kullandı ve CBD veya tetrahidrokanabinolün (THC) büyük dekarboksilasyonunu gözlemlemedi, böylece BAE’nin kanabinoidlerin ekstraksiyonu için etkili ve yeşil bir yöntem olduğunu gösterdi.
De Vita ve ark.12 , MAE ve BAE yöntemlerinin kullanımını özel olarak incelemiş ve her yöntem için en uygun koşulları uygularken, BAE’nin bitki materyalinde bulunan asidik ve nötr CBD ve THC’den daha fazlasını çıkardığını bulmuştur. Benzer şekilde, Rožanc ve ark.13 , çoklu ekstraksiyon yöntemlerini (BAE, soxhlet, maserasyon ve süperkritik sıvı) karşılaştırdı ve ekstraktların biyolojik aktivitesini inceledi. Rožanc, tüm yöntemlerin kanabinoidlerin çıkarılmasında etkili olduğunu göstermiştir; Bununla birlikte, süperkritik sıvı ve BAE, kanabidiolik asidin (CBDA) çıkarılmasında en etkili olanıydı. Ek olarak, BAE ekstraksiyonu, 2,2-difenil-1-pikrilhidrazil (DPPH) testi ile ölçüldüğünde en yüksek biyolojik aktiviteye sahipti. Rožanc’ın çalışması ayrıca, ekstraksiyon işlemlerinin ham ekstraktların üretilmesinde etkili olmasına rağmen, ekstraktların biyolojik aktivitesini etkileyen kanabinoid olmayan bileşiklerin bir kısmının kaldığını göstermiştir. Ek olarak, bu bileşikler, bireysel kanabinoid bileşiklerinin ham ekstraktlardan izolasyonunu ve saflaştırılmasını zorlaştırabilir13.
Nötr kanabinoidleri çıkarmak için süperkritik sıvı ekstraksiyonu (SFE) teknikleri kullanılmıştır. Birkaç çalışma, SFE artı etanol gibi organik bir çözücünün, nötr kanabinoidlerin 2,3 daha yüksek ekstraksiyon verimliliğine neden olduğunu göstermiştir. Basınç, asidik kanabinoidleri ekstrakte edebilen seviyelere yükseltildiğinde, kannabinoid olmayan içerik de artmıştır. Bu nedenle, bu yüksek basınçlar, kannabinoidler için SFE’nin seçiciliği azaldığı ve ek işlem sonrası işlem yapılması gerektiğinden, endüstriyel işleme için pratik değildir. Sonuç olarak, dekarboksilasyon SFE’den önce yapılmalıdır, bu da kanabinoid kayıplarına% 18’e kadar neden olabilir2. SFE’deki verimliliği artırmak için, nihai ekstraktın saflığını arttırmak için katı faz ekstraksiyonu gibi tekniklerle birleştirilmiştir14. Bununla birlikte, nihai ürün olarak yüksek saflığa sahip olmasına rağmen, sadece nötr kanabinoidler elde edilir.
Geleneksel olarak, analitik laboratuvarda, kanabinoidler 9: 1 metanol: kloroform karışımında ekstrakte edildi. Bununla birlikte, Mudge ve ark.11 , BAE kullanırken etkili ekstraksiyonun tek çözücülerle gerçekleştirilebileceğini göstermiştir. Çalışma,% 80 metanolün, geleneksel 9: 1 metanol: kloroform ekstraksiyonu kadar etkili olduğunu ve böylece daha yeşil çözücülerin etkili olabileceğini göstermiştir. Bu nedenle, BAE, düşük sermaye maliyeti, azaltılmış ekstraksiyon süresi ve daha düşük enerji kullanımı ve çözücü hacimleri dahil olmak üzere çeşitli avantajlara sahip olması nedeniyle potansiyel kullanımı açısından incelenmiştir. Bununla birlikte, BAE durumunda, polar çözücüler kullanıldığında, klorofil ve diğer kanabinoid olmayanlar ekstrakte edilebilir, bu da7 renginde bir soruna neden olabilir. Sonuç olarak, asidik kanabinoidleri ticari ölçekte elde etme potansiyelini incelemek için BAE, endüstriyel kenevir çeşidi Cherry Wine kullanılarak kullanılmıştır. Vişne Şarabı, The Wife ve Charlotte’s Cherry çeşitleri arasında bir haç olan C. sativa ve C. indica’nın bir melezidir. Vişne Şarabı çeşidi, düşük tetrahidrokanabinolik asit (THCA) seviyelerine sahip yüksek CBDA üreten bir suştur (% 15 ila% 25 CBD). Varietal, 7 ila 9 haftalık çiçeklenmeye sahip bir C. indica baskın suştur.
En uygun BAE ekstraksiyon protokolünü oluşturmak için iki yaklaşım benimsenmiştir: bir seferde geleneksel bir faktör (OFT) optimizasyonu ve Merkezi Kompozit Tasarım (CCD) 15 kullanan bir Deney Tasarımı (DoE) yaklaşımı. DoE için, cbda / cbd ekstraksiyonu, numune / çözücü oranına, ekstraksiyon süresine ve faktör olarak çözücü konsantrasyonuna dayanarak optimize edildi ve elde edilen veriler Yanıt Yüzeyi Metodolojisi (RSM) ile analiz edildi. Sonuç olarak, açıklanan protokol, en yüksek miktarda CBDA / CBD’yi çıkarmak için en uygun yöntemi özetlemektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir çözücünün polaritesi, bileşiklerin etkili bir şekilde ekstraksiyonunda kritik bir rol oynar. Asidik kanabinoidler doğada hafif polar olduklarından, büyük ölçüde karboksilik asit köstebeği nedeniyle, metanol veya etanol gibi polar bir çözücünün en etkili olacağı varsayılmaktadır. Garrett ve Hunt19, THC kullanarak yaptıkları çalışmada, sulu etanoldeki çözünürlüğün, çözeltideki yüzde etanol ve çözeltinin iyonik mukavemetine dayandığını göstermiştir….
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, Colorado Eyalet Üniversitesi-Pueblo’daki Esrar Araştırma Enstitüsü, Kore hükümeti (MSIT) (2021-DD-UP-0379) tarafından finanse edilen Kore İnovasyon Vakfı hibesi ve Chuncheon şehri (Kenevir Ar-Ge ve sanayileşme, 2020-2021) tarafından desteklenmiştir.
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).
