استخراج بمساعدة الموجات فوق الصوتية من حمض الكانابيديول من الكتلة الحيوية للقنب
Summary
يزيد الاستخراج بمساعدة الموجات فوق الصوتية (الإمارات العربية المتحدة) من كفاءة استخراج المذيبات وعند تطبيقه على الكتلة الحيوية للقنب ، فإنه يقلل من الوقت اللازم للاستخراج. هذا يقلل من التكلفة وفقدان القنب المحتمل بسبب التدهور. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر الإمارات العربية المتحدة طريقة خضراء بسبب انخفاض استخدام المذيبات.
Abstract
يحتوي القنب الصناعي (Cannabis spp.) على العديد من المركبات ذات الأهمية مع الفوائد الطبية المحتملة. من بين هذه المركبات ، أصبح القنب في مركز الاهتمام ، وتحديدا القنب الحمضي. يتحول التركيز نحو القنب الحمضي بسبب افتقارها إلى النشاط العقلي. تنتج نباتات القنب القنب الحمضي مع نباتات القنب التي تنتج مستويات منخفضة من القنب المؤثرات العقلية. على هذا النحو ، فإن استخدام القنب لاستخراج القنب الحمضي من شأنه أن يلغي الحاجة إلى إزالة الكربوكسيل قبل الاستخراج كمصدر للقنب. يعد استخدام الاستخراج القائم على المذيبات مثاليا للحصول على القنب الحمضي لأن قابليته للذوبان في المذيبات مثل CO2 فوق الحرج محدودة بسبب الضغط العالي ودرجة الحرارة المطلوبة للوصول إلى ثوابت الذوبان الخاصة بها. طريقة بديلة مصممة لزيادة الذوبان هي الاستخراج بمساعدة الموجات فوق الصوتية. في هذا البروتوكول ، تم فحص تأثير قطبية المذيبات (الأسيتونيتريل 0.46 ، الإيثانول 0.65 ، الميثانول 0.76 ، والماء 1.00) والتركيز (20٪ ، 50٪ ، 70٪ ، 90٪ ، و 100٪) على كفاءة الاستخراج بمساعدة الموجات فوق الصوتية. وأظهرت النتائج أن الماء كان الأقل فعالية وأن الأسيتونيتريل كان المذيب الأكثر فعالية الذي تم فحصه. تم فحص الإيثانول بشكل أكبر لأنه يحتوي على أدنى سمية ويعتبر عموما آمنا (GRAS). والمثير للدهشة أن 50٪ من الإيثانول في الماء هو تركيز الإيثانول الأكثر فعالية لاستخراج أكبر كمية من القنب من القنب. كانت الزيادة في تركيز حمض الكانابيديوليك 28٪ بالمقارنة مع الإيثانول بنسبة 100٪ ، و 23٪ عند مقارنتها ب 100٪ من الأسيتونيتريل. في حين تم تحديد أن 50٪ من الإيثانول هو التركيز الأكثر فعالية لتطبيقنا ، فقد ثبت أيضا أن الطريقة فعالة مع المذيبات البديلة. وبالتالي ، تعتبر الطريقة المقترحة فعالة وسريعة لاستخراج القنب الحمضي.
Introduction
ينتج القنب الصناعي (Cannabis spp.) القنب الحمضي في الأنسجة النباتية المختلفة (الزهور والأوراق والسيقان) ، مع أعلى تركيز موجود في الزهرة1. تستخدم صناعة القنب عدة طرق لاستخراج هذه المركبات. إحدى هذه الطرق هي استخراج المذيبات التي تستخدم مذيبا غير قطبي و / أو قطبي ، وهو الإيثانول الأكثر استخداما. ومع ذلك ، فإن استخراج المذيبات وحده محدود في قدرته ؛ لذلك ، تم تصميم تقنيات الاستخراج المعزز ، مثل الاستخراج بمساعدة الميكروويف (MAE) والاستخراج بمساعدة الموجات فوق الصوتية (الإمارات العربية المتحدة) ، لزيادة الغلة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخراج الكانابيديول عالي التركيز (CBD) باستخدام تقنيات السوائل فوق الحرجة2.
الاستخراج هو عملية ديناميكية ، وتؤثر عدة عوامل على كفاءتها ، وهي محتوى الرطوبة وحجم الجسيمات والمذيب3. على وجه التحديد ، بالنسبة لتقنية الإمارات العربية المتحدة ، تخضع الكفاءة لدرجة الحرارة والضغط والتردد والوقت4.
الاستخراج بمساعدة الموجات فوق الصوتية هو العملية التي يتم فيها تمرير الموجات فوق الصوتية عبر سائل لتحريك الجسيمات. أثناء عملية الإثارة ، تعاني المواد النباتية من التجويف الصوتي ، ودورات الضغط والتمدد التي تشكل فقاعات تنهار في محلول مما يؤدي إلى توليد درجة حرارة وضغط شديدين5. تغير تغيرات الضغط ودرجة الحرارة الخصائص الفيزيائية للمذيبات ، مما قد يؤدي إلى زيادة فعالية الاستخراج6. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يعطل التجويف التفاعلات الجزيئية مما يؤدي إلى ترشيح المركبات العضوية وغير العضوية من مصفوفة النبات7. تتضمن العملية نوعين رئيسيين من الظواهر الفيزيائية: (1) الانتشار عبر جدار الخلية ، و (2) شطف المحتويات الخلوية بعد كسر الجدار8. ومع ذلك ، فإن استخدام دولة الإمارات العربية المتحدة لا يخلو من المزالق. هناك العديد من التقارير التي تفيد بأن دولة الإمارات العربية المتحدة يمكن أن تتحلل المركبات 9,10. بالإضافة إلى ذلك ، فإن درجات الحرارة المتولدة في مواقع التجويف أعلى من تلك اللازمة لإزالة الكربوكسيل من القنب. ومع ذلك ، استخدم Mudge et al.11 الإمارات العربية المتحدة ولم يلاحظ إزالة الكربوكسيل الكبيرة من CBD أو tetrahydrocannabinol (THC) ، مما يدل على أن الإمارات العربية المتحدة هي طريقة فعالة وخضراء لاستخراج القنب حيث يمكن استخراجها بسرعة باستخدام طاقة منخفضة.
درس De Vita et al.12 استخدام طرق MAE و UAE على وجه التحديد ووجدوا أنه عند تطبيق الظروف المثلى لكل طريقة ، استخرجت الإمارات العربية المتحدة المزيد من CBD و THC الحمضية والمحايدة الموجودة في المواد النباتية. وبالمثل ، قارن Rožanc et al.13 طرقا متعددة للاستخراج (الإمارات العربية المتحدة ، soxhlet ، النقع ، والسوائل فوق الحرجة) وفحص النشاط البيولوجي للمستخلصات. أثبت Rožanc أن جميع الطرق كانت فعالة في استخراج القنب. ومع ذلك ، كان السائل فوق الحرج والإمارات العربية المتحدة أكثر فعالية في استخراج حمض الكانابيديوليك (CBDA). بالإضافة إلى ذلك، كان لاستخراج الإمارات العربية المتحدة أعلى نشاط بيولوجي عند قياسه بواسطة فحص 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH). أظهرت دراسة روزانج أيضا أنه في حين أن عمليات الاستخراج فعالة في إنتاج المستخلصات الخام ، لا يزال هناك جزء من المركبات غير القنب التي تؤثر على النشاط البيولوجي للمستخلصات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لهذه المركبات تعقيد عزل وتنقية مركبات القنب الفردية من المستخلصات الخام13.
تم استخدام تقنيات استخراج السوائل فوق الحرجة (SFE) لاستخراج القنب المحايد. أظهرت العديد من الدراسات أن SFE بالإضافة إلى مذيب عضوي ، مثل الإيثانول ، أدى إلى ارتفاع كفاءة استخراج القنب المحايد 2,3. عندما تم زيادة الضغط إلى مستويات قادرة على استخراج القنب الحمضي ، زاد المحتوى غير القنب أيضا. على هذا النحو ، فإن هذه الضغوط العالية ليست عملية للمعالجة الصناعية حيث انخفضت انتقائية SFE للقنب ويلزم إجراء معالجة إضافية لاحقة. وبالتالي ، يجب أن يتم إزالة الكربوكسيل قبل SFE ، مما قد يؤدي إلى خسائر في القنب تصل إلى 18٪ 2. لزيادة الكفاءة في SFE ، تم دمجه مع تقنيات مثل استخراج الطور الصلب لزيادة نقاء المستخلص النهائي14. ومع ذلك ، على الرغم من وجود نقاء عال كمنتج نهائي ، يتم الحصول على القنب المحايد فقط.
تقليديا ، في المختبر التحليلي ، تم استخراج القنب في خليط من الميثانول 9: 1: الكلوروفورم. ومع ذلك ، أثبت Mudge et al.11 أنه يمكن إجراء الاستخراج الفعال باستخدام مذيبات مفردة عند استخدام الإمارات العربية المتحدة. أظهرت الدراسة أن 80٪ من الميثانول كان فعالا مثل استخراج الميثانول التقليدي 9: 1: الكلوروفورم ، مما يشير إلى أن المذيبات الخضراء يمكن أن تكون فعالة. على هذا النحو ، تم فحص دولة الإمارات العربية المتحدة لاستخدامها المحتمل بسبب وجود العديد من الفوائد ، بما في ذلك انخفاض تكلفة رأس المال ، وتقليل وقت الاستخراج ، وانخفاض استخدام الطاقة وأحجام المذيبات. ومع ذلك ، في حالة الإمارات العربية المتحدة ، عند استخدام المذيبات القطبية ، يمكن استخراج الكلوروفيل وغيره من غير القنب ، مما قد يسبب مشكلة في اللون7. وبالتالي ، لدراسة إمكانية الحصول على القنب الحمضي على نطاق تجاري ، تم توظيف الإمارات العربية المتحدة باستخدام مجموعة القنب الصناعية Cherry Wine. Cherry Wine هو مزيج من C. sativa و C. indica ، وهو تقاطع بين أنواع The Wife و Charlotte’s Cherries. صنف نبيذ الكرز هو سلالة عالية من إنتاج CBDA (15٪ إلى 25٪ CBD) مع مستويات منخفضة من حمض رباعي هيدروكانابينوليك (THCA). الصنف هو سلالة تهيمن على C. indica لديها 7 إلى 9 أسابيع من الإزهار.
من أجل وضع بروتوكول الاستخراج الأمثل في دولة الإمارات العربية المتحدة، تم اتباع نهجين: التحسين التقليدي لعامل واحد في كل مرة (OFT) ونهج تصميم التجربة (DoE) باستخدام التصميم المركب المركزي (CCD)15. بالنسبة لوزارة الطاقة ، تم تحسين استخراج CBDA / cbd بناء على نسبة العينة / المذيبات ، ووقت الاستخراج ، وتركيز المذيبات كعوامل ، وتم تحليل البيانات الناتجة بواسطة منهجية سطح الاستجابة (RSM). في الختام ، يحدد البروتوكول الموصوف الطريقة المثلى لاستخراج أكبر كمية من CBDA / CBD.
Protocol
Representative Results
Discussion
تلعب قطبية المذيب دورا حاسما في الاستخراج الفعال للمركبات. نظرا لأن القنب الحمضي ذو طبيعة قطبية قليلا ، ويرجع ذلك في جزء كبير منه إلى moiety حمض الكربوكسيل ، فقد افترض أن المذيب القطبي مثل الميثانول أو الإيثانول سيكون الأكثر فعالية. أظهر غاريت وهانت19 ، في دراستهما باستخدام THC ، أ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا البحث من قبل معهد أبحاث القنب في جامعة ولاية كولورادو – بويبلو ، ومنحة مؤسسة كوريا للابتكار الممولة من الحكومة الكورية (MSIT) (2021-DD-UP-0379) ، ومدينة Chuncheon (القنب R & D والتصنيع ، 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 |
References
- 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).
