Extracción asistida por ultrasonidos de ácido cannabidiólico de biomasa de cannabis

El cáñamo industrial (Cannabis spp.) produce cannabinoides ácidos en varios tejidos vegetales (flores, hojas y tallos), con la mayor concentración que se encuentra en la flor¹. La industria del cannabis utiliza varios métodos para extraer estos compuestos. Uno de estos métodos es la extracción con solvente que utiliza un solvente no polar y / o polar, de los cuales el etanol es el más comúnmente utilizado. Sin embargo, la extracción con disolvente por sí sola es limitada en su capacidad; por lo tanto, las técnicas de extracción aumentativa, como la extracción asistida por microondas (MAE) y la extracción asistida por ultrasonidos (EAU), están diseñadas para aumentar el rendimiento. Además, se puede extraer cannabidiol (CBD) de alta concentración utilizando tecnologías de fluidos supercríticos².

La extracción es un proceso dinámico, y varios factores influyen en su eficiencia, a saber, el contenido de humedad, el tamaño de partícula y el disolvente³. Específicamente, para la técnica de los EAU, la eficiencia se rige por la temperatura, la presión, la frecuencia y el tiempo⁴.

La extracción asistida por ultrasonidos es el proceso en el que las ondas ultrasónicas se pasan a través de un líquido para agitar las partículas. Durante el proceso de agitación, los materiales vegetales experimentan cavitación acústica, ciclos de compresión y expansión que forman burbujas que colapsan en solución dando como resultado la generación de temperatura y presión^{extremas 5}. Los cambios de presión y temperatura alteran las propiedades físicas de los disolventes, lo que puede resultar en una mayor eficacia de la extracción⁶. Además, la cavitación puede interrumpir las interacciones moleculares que conducen a la lixiviación de compuestos orgánicos e inorgánicos de la matriz vegetal⁷. El proceso involucra dos tipos principales de fenómenos físicos: (1) difusión a través de la pared celular y (2) enjuague del contenido celular después de romper la pared⁸. Sin embargo, el uso de los EAU no está exento de dificultades; hay varios informes de que los EAU pueden^degradar compuestos ^9,10. Además, las temperaturas generadas en los sitios de cavitación están por encima de las necesarias para la descarboxilación de los cannabinoides. Sin embargo, Mudge et ^al.11 utilizaron los EAU y no observaron una gran descarboxilación de CBD o tetrahidrocannabinol (THC), lo que demuestra que los EAU son un método eficiente y ecológico para la extracción de cannabinoides, ya que se pueden extraer rápidamente utilizando baja energía.

De Vita et ^al.12 examinaron el uso de los métodos MAE y UAE específicamente y encontraron que al aplicar las condiciones óptimas para cada método, UAE extrajo más del CBD y THC ácidos y neutros presentes en el material vegetal. Del mismo modo, Rožanc et ^al.13 compararon múltiples métodos de extracción (EAU, soxhlet, maceración y fluido supercrítico) y examinaron la actividad biológica de los extractos. Rožanc demostró que todos los métodos eran efectivos para extraer cannabinoides; sin embargo, el líquido supercrítico y los EAU fueron más efectivos en la extracción de ácido cannabidiólico (CBDA). Además, la extracción de los EAU tuvo la mayor actividad biológica cuando se midió mediante el ensayo de 2,2-difenil-1-picrilhidracilo (DPPH). El estudio de Rožanc también mostró que, si bien los procesos de extracción son efectivos para producir extractos crudos, queda una porción de compuestos no cannabinoides que influyen en la actividad biológica de los extractos. Además, estos compuestos pueden complicar el aislamiento y la purificación de compuestos cannabinoides individuales de los extractos crudos¹³.

Se han utilizado técnicas de extracción de fluidos supercríticos (SFE) para extraer cannabinoides neutros. Varios estudios demostraron que el SFE más un disolvente orgánico, como el etanol, dio como resultado una mayor eficiencia de extracción de cannabinoides neutros ^2,3. Cuando la presión se incrementó a niveles capaces de extraer los cannabinoides ácidos, el contenido de cannabinoides no cannabinoides también aumentó. Como tal, estas altas presiones no son prácticas para el procesamiento industrial, ya que la selectividad de SFE para los cannabinoides disminuyó y se requiere un post-procesamiento adicional. En consecuencia, la descarboxilación debe realizarse antes de la SFE, lo que puede provocar pérdidas de cannabinoides de hasta el 18%². Para aumentar la eficiencia en SFE, se ha combinado con técnicas como la extracción en fase sólida para aumentar la pureza del extracto final¹⁴. Sin embargo, a pesar de tener una alta pureza como producto final, solo se obtienen cannabinoides neutros.

Tradicionalmente, en el laboratorio analítico, los cannabinoides se extraían en una mezcla de metanol:cloroformo 9:1. Sin embargo, Mudge et ^al.11 demostraron que la extracción efectiva se puede llevar a cabo con disolventes individuales cuando se emplean los EAU. El estudio mostró que el 80% de metanol fue tan efectivo como la extracción tradicional de metanol: cloroformo 9: 1, lo que indica que los solventes más ecológicos pueden ser tan efectivos. Como tal, los EAU fueron examinados por su uso potencial debido a que tienen varios beneficios, incluido el bajo costo de capital, el tiempo de extracción reducido y el menor uso de energía y volúmenes de solventes. Sin embargo, en el caso de los EAU, cuando se utilizan disolventes polares, se puede extraer clorofila y otros no cannabinoides, lo que puede causar un problema en el color⁷. En consecuencia, para examinar el potencial de obtener cannabinoides ácidos a escala comercial, los Emiratos Árabes Unidos se emplearon utilizando la variedad de cáñamo industrial Cherry Wine. Cherry Wine es un híbrido de C. sativa y C. indica, un cruce entre las variedades de The Wife y Charlotte’s Cherries. La variedad Cherry Wine es una cepa alta productora de CBDA (15% a 25% CBD) con bajos niveles de ácido tetrahidrocannabinólico (THCA). La varietal es una cepa dominada por C. indica que tiene de 7 a 9 semanas de floración.

Para establecer el protocolo óptimo de extracción de los EAU, se adoptaron dos enfoques: la optimización tradicional de un factor a la vez (OFT) y un enfoque de Diseño de Experimento (DoE) utilizando un Diseño Compuesto Central (CCD)¹⁵. Para el DoE, la extracción de CBDA / CBD se optimizó en función de la relación muestra/disolvente, el tiempo de extracción y la concentración de disolvente como factores, y los datos resultantes se analizaron mediante la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM). En conclusión, el protocolo descrito describe el método óptimo para extraer la mayor cantidad de CBDA / CBD.