Ultralydassistert ekstraksjon av cannabidiolic acid fra Cannabis Biomass

Summary

Ultralydassistert ekstraksjon (UAE) øker utvinningseffektiviteten til løsningsmidler, og når det brukes på Cannabis spp. biomasse reduserer det tiden som kreves for utvinning. Dette reduserer kostnadene og potensielt cannabinoidtap på grunn av nedbrytning. I tillegg anses De forente arabiske emirater som en grønn metode på grunn av lav bruk av løsningsmidlet.

Abstract

Industriell hamp (Cannabis spp.) har mange forbindelser av interesse med potensielle medisinske fordeler. Av disse forbindelsene har cannabinoider kommet til sentrum av oppmerksomheten, spesielt sure cannabinoider. Fokuset vender seg mot sure cannabinoider på grunn av deres mangel på psykotrop aktivitet. Cannabisplanter produserer sure cannabinoider med hampplanter som produserer lave nivåer av psykotrope cannabinoider. Som sådan vil utnyttelse av hamp for sur cannabinoidutvinning eliminere behovet for dekarboksylering før utvinning som kilde for cannabinoidene. Bruken av løsningsmiddelbasert ekstraksjon er ideell for å oppnå sure cannabinoider, da deres løselighet i løsningsmidler som superkritisk CO₂ er begrenset på grunn av høyt trykk og temperatur som kreves for å nå oppløselighetskonstantene. En alternativ metode designet for å øke løseligheten er ultralydassistert ekstraksjon. I denne protokollen er effekten av løsemiddelpolaritet (acetonitril 0,46, etanol 0,65, metanol 0,76 og vann 1,00) og konsentrasjon (20%, 50%, 70%, 90% og 100%) på ultralydassistert utvinningseffektivitet undersøkt. Resultatene viser at vann var minst effektivt og acetonitril var det mest effektive løsningsmidlet som ble undersøkt. Etanol ble videre undersøkt siden det har lavest toksisitet og anses generelt som trygt (GRAS). Overraskende nok er 50% etanol i vann den mest effektive etanolkonsentrasjonen for å trekke ut den høyeste mengden cannabinoider fra hamp. Økningen i cannabidiolic acid konsentrasjon var 28% sammenlignet med 100% etanol, og 23% sammenlignet med 100% acetonitrile. Selv om det ble fastslått at 50% etanol er den mest effektive konsentrasjonen for vår applikasjon, har metoden også vist seg å være effektiv med alternative løsningsmidler. Følgelig anses den foreslåtte metoden som effektiv og rask for å trekke ut sure cannabinoider.

Introduction

Industriell hamp (Cannabis spp.) produserer sure cannabinoider i ulike plantevev (blomster, blader og stengler), med den høyeste konsentrasjonen som finnes i blomsten¹. Cannabisindustrien bruker flere metoder for å trekke ut disse forbindelsene. En slik metode er løsningsmiddelutvinning som bruker et ikke-polart og / eller polart løsningsmiddel, hvorav etanol er det mest brukte. Imidlertid er løsningsmiddelutvinning alene begrenset i sin evne; Derfor er augmentative ekstraksjonsteknikker, som mikrobølgeassistert ekstraksjon (MAE) og ultralydassistert ekstraksjon (UAE), designet for å øke utbyttet. I tillegg kan høykonsentrasjon cannabidiol (CBD) ekstraheres ved hjelp av superkritiske væsketeknologier².

Ekstraksjon er en dynamisk prosess, og flere faktorer påvirker effektiviteten, nemlig fuktighetsinnhold, partikkelstørrelse og løsningsmiddel³. Spesielt for UAE-teknikken styres effektiviteten av temperatur, trykk, frekvens og tid⁴.

Ultralydassistert ekstraksjon er prosessen der ultralydbølger overføres gjennom en væske for å røre partikler. Under agitasjonsprosessen opplever plantematerialer akustisk kavitasjon, sykluser av kompresjon og ekspansjon som danner bobler som kollapser i løsningen, noe som resulterer i generering av ekstrem temperatur og trykk⁵. Trykk- og temperaturendringene endrer de fysiske egenskapene til løsningsmidlene, noe som kan føre til økt effekt av ekstraksjon⁶. I tillegg kan kavitasjon forstyrre molekylære interaksjoner som fører til organiske og uorganiske forbindelser som lekker ut fra plantematrisen⁷. Prosessen innebærer to hovedtyper av fysiske fenomener: (1) diffusjon over celleveggen, og (2) skylling av det cellulære innholdet etter å ha brutt veggen⁸. Bruken av De forente arabiske emirater er imidlertid ikke uten fallgruvene; Det er flere rapporter om at De forente arabiske emirater kan forringe forbindelser ^9,10. I tillegg er temperaturene som genereres på kavitasjonsstedene over de som er nødvendige for dekarboksylering av cannabinoider. Mudge et ^al.11 brukte imidlertid De forente arabiske emirater og observerte ikke stor dekarboksylering av CBD eller tetrahydrocannabinol (THC), og viste dermed at Uae er en effektiv og grønn metode for utvinning av cannabinoider siden de raskt kan ekstraheres ved hjelp av lav energi.

De Vita et ^al.12 undersøkte bruken av MAE- og UAE-metoder spesielt og fant at når de brukte de optimale forholdene for hver metode, hentet De forente arabiske emirater mer av den sure og nøytrale CBD og THC som finnes i plantematerialet. På samme måte sammenlignet Rožanc et ^al.13 flere metoder for utvinning (UAE, soxhlet, maceration og superkritisk væske) og undersøkte ekstraktenes biologiske aktivitet. Rožanc viste at alle metodene var effektive for å trekke ut cannabinoider; men superkritisk væske og De forente arabiske emirater var mest effektive til å trekke ut cannabidiolic acid (CBDA). I tillegg hadde UAE-utvinningen den høyeste biologiske aktiviteten målt ved analysen 2,2-difenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH). Rožancs studie viste også at selv om utvinningsprosessene er effektive til å produsere råoljeekstrakter, er det fortsatt en del ikke-cannabinoidforbindelser som påvirker ekstraktenes biologiske aktivitet. I tillegg kan disse forbindelsene komplisere isolasjon og rensing av individuelle cannabinoidforbindelser fra råekstraktene¹³.

Superkritisk væskeutvinning (SFE) teknikker har blitt brukt til å trekke ut nøytrale cannabinoider. Flere studier viste at SFE pluss et organisk løsningsmiddel, som etanol, resulterte i høyere utvinningseffektivitet av nøytrale cannabinoider ^2,3. Når trykket ble økt til nivåer som er i stand til å trekke ut de sure cannabinoidene, økte også ikke-cannabinoidinnholdet. Som sådan er disse høye trykkene ikke praktiske for industriell prosessering, da selektiviteten til SFE for cannabinoider reduseres og ytterligere etterbehandling er nødvendig. Følgelig må dekarboksylering gjøres før SFE, noe som kan føre til cannabinoidtap på opptil 18%². For å øke effektiviteten i SFE, har den blitt kombinert med teknikker som solidfaseutvinning for å øke renheten til det endelige ekstraktet¹⁴. Til tross for å ha høy renhet som sluttprodukt, oppnås imidlertid bare nøytrale cannabinoider.

Tradisjonelt, i det analytiske laboratoriet, ble cannabinoider ekstrahert i en 9:1 metanol:kloroformblanding. Mudge et ^al.11 viste imidlertid at effektiv utvinning kan utføres med enkle løsningsmidler ved bruk av De forente arabiske emirater. Studien viste at 80% metanol var like effektiv som den tradisjonelle 9:1 metanol:kloroform ekstraksjon, og dermed indikerer at grønnere løsningsmidler kan være like effektive. Som sådan ble De forente arabiske emirater undersøkt for sin potensielle bruk på grunn av flere fordeler, inkludert lave kapitalkostnader, redusert utvinningstid og lavere energibruk og løsningsmiddelvolumer. Men når det gjelder De forente arabiske emirater, når polare løsningsmidler brukes, kan klorofyll og andre ikke-cannabinoider ekstraheres, noe som kan forårsake et problem i farge⁷. Følgelig, for å undersøke potensialet for å skaffe sure cannabinoider i kommersiell skala, ble De forente arabiske emirater ansatt ved hjelp av det industrielle hamp-sorten Cherry Wine. Cherry Wine er en hybrid av C. sativa og C. indica, en krysning mellom varianter av The Wife og Charlotte’s Cherries. Cherry Wine-sorten er en høy CBDA-produserende stamme (15% til 25% CBD) med lave nivåer av tetrahydrocannabinolic acid (THCA). Sorten er en C. indica-dominerende stamme som har 7 til 9 ukers blomstring.

For å etablere den optimale UAE-utvinningsprotokollen ble det tatt to tilnærminger: den tradisjonelle enfaktoren om gangen (OFT) optimalisering og en Design of Experiment (DoE) tilnærming ved hjelp av en Central Composite Design (CCD)¹⁵. For DoE ble CBDA / CBD-ekstraksjon optimalisert basert på prøve / løsningsmiddelforhold, ekstraksjonstid og løsningsmiddelkonsentrasjon som faktorer, og de resulterende dataene ble analysert av Response Surface Methodology (RSM). Til slutt skisserer protokollen som er beskrevet den optimale metoden for å trekke ut den høyeste mengden CBDA / CBD.

Protocol

1. Forberedelse av plantemateriale Få Cherry Wine blomsterstand fra planter dyrket i feltet, plantet i en sør-til-nord-konfigurasjon, med planter 1 m fra hverandre i midten og rader 1,2 m fra hverandre (dyrking ligger i Longmont, Colorado, USA). Lufttørk blomstringene ved 35 °C i 48 timer. Slip blomstringene ved hjelp av en slipemaskin som er satt til 177 μm. Før det pulveriserte materialet gjennom maskesikten Nr. 80. Oppbevar det resulterende pulveret i en forseglet p…

Representative Results

Løsningsmidlene som brukes varierer fra midten av polaritetsindeksen (0,460 – ACN) til polar (1.000 – vann). Fra tabell 2 kan det ses at vann ikke gjorde et effektivt ekstraktorant for cannabinoider, noe som ikke er uventet, da cannabinoider har begrenset løselighet i vann på grunn av deres hydrofobiskhet13. I motsetning til vann hadde de andre løsningsmidlene lignende ekstraherte verdier av CBD og CBDA, med minst polar løsningsmiddel acetonitrile (ACN) som hadde høyere ekst…

Discussion

Polariteten til et løsningsmiddel spiller en kritisk rolle i effektiv utvinning av forbindelser. Siden sure cannabinoider er litt polare i naturen, på grunn av karboksylsyremoiety, ble det antatt at et polart løsningsmiddel som metanol eller etanol ville være mest effektivt. Garrett og Hunt¹⁹, i studien ved hjelp av THC, viste at løselighet i vandig etanol var basert på prosent etanol i løsningen og ionisk styrke av løsningen. Mens ionstyrke ikke ble undersøkt i den nåværende studien, k…

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