Ultraschallgestützte Extraktion von Cannabidiolsäure aus Cannabis-Biomasse

Zusammenfassung

Die ultraschallgestützte Extraktion (VAE) erhöht die Extraktionseffizienz von Lösungsmitteln und reduziert bei der Anwendung auf Cannabis spp. Biomasse die für die Extraktion erforderliche Zeit. Dies verringert die Kosten und den potenziellen Cannabinoidverlust aufgrund des Abbaus. Darüber hinaus gelten die VAE aufgrund des geringen Lösungsmittelverbrauchs als grüne Methode.

Zusammenfassung

Industriehanf (Cannabis spp.) hat viele interessante Verbindungen mit potenziellen medizinischen Vorteilen. Von diesen Verbindungen sind Cannabinoide in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit gerückt, insbesondere saure Cannabinoide. Der Fokus richtet sich aufgrund ihres Mangels an psychotroper Aktivität auf saure Cannabinoide. Cannabispflanzen produzieren saure Cannabinoide, wobei Hanfpflanzen geringe Mengen an psychotropen Cannabinoiden produzieren. Daher würde die Verwendung von Hanf für die saure Cannabinoidextraktion die Notwendigkeit einer Decarboxylierung vor der Extraktion als Quelle für die Cannabinoide beseitigen. Die Verwendung der lösungsmittelbasierten Extraktion ist ideal für die Gewinnung saurer Cannabinoide, da ihre Löslichkeit in Lösungsmitteln wie überkritischem CO₂ aufgrund des hohen Drucks und der hohen Temperatur, die erforderlich sind, um ihre Löslichkeitskonstanten zu erreichen, begrenzt ist. Eine alternative Methode zur Erhöhung der Löslichkeit ist die ultraschallgestützte Extraktion. In diesem Protokoll wurde der Einfluss der Lösungsmittelpolarität (Acetonitril 0,46, Ethanol 0,65, Methanol 0,76 und Wasser 1,00) und der Konzentration (20%, 50%, 70%, 90% und 100%) auf die ultraschallunterstützte Extraktionseffizienz untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Wasser am wenigsten wirksam war und Acetonitril das wirksamste untersuchte Lösungsmittel war. Ethanol wurde weiter untersucht, da es die geringste Toxizität aufweist und allgemein als sicher (GRAS) gilt. Überraschenderweise ist 50% Ethanol in Wasser die effektivste Ethanolkonzentration zur Extraktion der höchsten Menge an Cannabinoiden aus Hanf. Der Anstieg der Cannabidiolsäurekonzentration betrug 28% im Vergleich zu 100% Ethanol und 23% im Vergleich zu 100% Acetonitril. Während festgestellt wurde, dass 50% Ethanol die effektivste Konzentration für unsere Anwendung ist, hat sich die Methode auch mit alternativen Lösungsmitteln als wirksam erwiesen. Folglich wird die vorgeschlagene Methode als wirksam und schnell für die Extraktion saurer Cannabinoide angesehen.

Einleitung

Industriehanf (Cannabis spp.) produziert saure Cannabinoide in verschiedenen Pflanzengeweben (Blüten, Blätter und Stängel), wobei die höchste Konzentration in der Blüte^{gefunden wird 1}. Die Cannabisindustrie verwendet mehrere Methoden, um diese Verbindungen zu extrahieren. Eine solche Methode ist die Lösungsmittelextraktion, bei der ein unpolares und/oder polares Lösungsmittel verwendet wird, von dem Ethanol am häufigsten verwendet wird. Die Lösungsmittelextraktion allein ist jedoch in ihrer Fähigkeit begrenzt; Daher sind augmentative Extraktionstechniken wie die mikrowellengestützte Extraktion (MAE) und die ultraschallgestützte Extraktion (VAE) darauf ausgelegt, die Ausbeute zu erhöhen. Darüber hinaus kann hochkonzentriertes Cannabidiol (CBD) mit überkritischen Fluidtechnologien^{extrahiert werden 2}.

Die Extraktion ist ein dynamischer Prozess, und mehrere Faktoren beeinflussen seine Effizienz, nämlich Feuchtigkeitsgehalt, Partikelgröße und Lösungsmittel³. Insbesondere für die VAE-Technik wird die Effizienz durch Temperatur, Druck, Frequenz und Zeit⁴ bestimmt.

Die ultraschallgestützte Extraktion ist der Prozess, bei dem Ultraschallwellen durch eine Flüssigkeit geleitet werden, um Partikel zu rühren. Während des Rührprozesses erfahren Pflanzenmaterialien akustische Kavitation, Kompressions- und Expansionszyklen, die Blasen bilden, die in Lösung kollabieren, was zur Erzeugung extremer Temperaturen und Drücke^{führt 5}. Die Druck- und Temperaturänderungen verändern die physikalischen Eigenschaften der Lösungsmittel, was zu einer erhöhten Wirksamkeit der Extraktion^{führen kann 6}. Darüber hinaus kann die Kavitation molekulare Wechselwirkungen stören, die dazu führen, dass organische und anorganische Verbindungen aus der Pflanzenmatrix^{ausgelaugt werden 7}. Der Prozess beinhaltet zwei Haupttypen von physikalischen Phänomenen: (1) Diffusion über die Zellwand und (2) Spülen des Zellinhalts nach dem Durchbrechen der Wand⁸. Die Verwendung der VAE ist jedoch nicht ohne Fallstricke; Es gibt mehrere^Berichte, dass VAE Verbindungen ^9,10 abbauen können. Darüber hinaus liegen die an den Kavitationsstellen erzeugten Temperaturen über denen, die für die Decarboxylierung von Cannabinoiden erforderlich sind. Mudge et ^al.11 verwendeten jedoch die VAE und beobachteten keine große Decarboxylierung von CBD oder Tetrahydrocannabinol (THC), wodurch gezeigt wurde, dass die VAE eine effiziente und umweltfreundliche Methode für die Extraktion von Cannabinoiden sind, da sie mit geringer Energie schnell extrahiert werden können.

De Vita et ^al.12 untersuchten die Verwendung von MAE- und UAE-Methoden speziell und fanden heraus, dass die VAE bei der Anwendung der optimalen Bedingungen für jede Methode mehr von dem sauren und neutralen CBD und THC extrahierten, das im Pflanzenmaterial vorhanden ist. In ähnlicher Weise verglichen Rožanc et ^al.13 mehrere Extraktionsmethoden (VAE, Soxhlet, Mazeration und überkritische Flüssigkeit) und untersuchten die biologische Aktivität der Extrakte. Rožanc zeigte, dass alle Methoden bei der Extraktion von Cannabinoiden wirksam waren; Überkritische Flüssigkeit und VAE waren jedoch am effektivsten bei der Extraktion von Cannabidiolsäure (CBDA). Darüber hinaus hatte die VAE-Extraktion die höchste biologische Aktivität, wenn sie mit dem 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) -Assay gemessen wurde. Die Studie von Rožanc zeigte auch, dass, während die Extraktionsprozesse bei der Herstellung von Rohextrakten wirksam sind, es einen Teil der Nicht-Cannabinoid-Verbindungen gibt, die die biologische Aktivität der Extrakte beeinflussen. Darüber hinaus können diese Verbindungen die Isolierung und Reinigung einzelner Cannabinoidverbindungen aus den Rohextrakten erschweren¹³.

Techniken der überkritischen Flüssigkeitsextraktion (SFE) wurden verwendet, um neutrale Cannabinoide zu extrahieren. Mehrere Studien zeigten, dass SFE plus ein organisches Lösungsmittel wie Ethanol zu höheren Extraktionseffizienzen von neutralen Cannabinoiden führten ^2,3. Als der Druck auf ein Niveau erhöht wurde, das in der Lage war, die sauren Cannabinoide zu extrahieren, stieg auch der Nicht-Cannabinoid-Gehalt an. Daher sind diese hohen Drücke für die industrielle Verarbeitung nicht praktikabel, da die Selektivität von SFE für Cannabinoide abnahm und eine zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich ist. Folglich muss die Decarboxylierung vor der SFE durchgeführt werden, was zu Cannabinoidverlusten von bis zu 18%2 führen kann^. Um die Effizienz in SFE zu erhöhen, wurde es mit Techniken wie der Festphasenextraktion kombiniert, um die Reinheit des endgültigen Extrakts¹⁴ zu erhöhen. Trotz der hohen Reinheit als Endprodukt werden jedoch nur neutrale Cannabinoide erhalten.

Traditionell wurden im analytischen Labor Cannabinoide in einem 9:1-Methanol:Chloroform-Gemisch extrahiert. Mudge et ^al.11 zeigten jedoch, dass eine effektive Extraktion mit einzelnen Lösungsmitteln durchgeführt werden kann, wenn VAE verwendet werden. Die Studie zeigte, dass 80% Methanol genauso wirksam war wie die traditionelle 9: 1-Methanol: Chloroform-Extraktion, was darauf hindeutet, dass umweltfreundlichere Lösungsmittel genauso wirksam sein können. Daher wurden die VAE auf ihre potenzielle Verwendung untersucht, da sie mehrere Vorteile haben, darunter niedrige Kapitalkosten, reduzierte Extraktionszeit und geringerer Energieverbrauch und Lösungsmittelvolumen. Im Falle der VAE können jedoch bei der Verwendung von polaren Lösungsmitteln Chlorophyll und andere Nicht-Cannabinoide extrahiert werden, was zu einem Problem in Farbe⁷ führen kann. Um das Potenzial für die Gewinnung saurer Cannabinoide im kommerziellen Maßstab zu untersuchen, wurden die Vereinigten Arabischen Emirate mit der industriellen Hanfsorte Cherry Wine eingesetzt. Cherry Wine ist eine Hybride aus C. sativa und C . indica, eine Kreuzung zwischen den Sorten The Wife und Charlotte's Cherries. Die Kirschweinsorte ist eine stark CBDA produzierende Sorte (15% bis 25% CBD) mit niedrigem Gehalt an Tetrahydrocannabinolsäure (THCA). Die Sorte ist eine C. indica-dominante Sorte, die 7 bis 9 Wochen Blütezeit hat.

Um das optimale VAE-Extraktionsprotokoll zu etablieren, wurden zwei Ansätze gewählt: die traditionelle OFT-Optimierung (One Factor at a Time) und ein Design of Experiment (DoE) -Ansatz unter Verwendung eines Central Composite Design (CCD)¹⁵. Für das DoE wurde die CBDA/CBD-Extraktion basierend auf dem Proben-/Lösungsmittelverhältnis, der Extraktionszeit und der Lösungsmittelkonzentration als Faktoren optimiert, und die resultierenden Daten wurden mittels Response Surface Methodology (RSM) analysiert. Zusammenfassend skizziert das beschriebene Protokoll die optimale Methode zur Extraktion der höchsten Menge an CBDA/CBD.

Protokoll

1. Aufbereitung von Pflanzenmaterial

1. Erhalten Sie Kirschweinblütenstände von Pflanzen, die auf dem Feld angebaut werden, gepflanzt in einer Süd-Nord-Konfiguration, mit Pflanzen 1 m voneinander entfernt in der Mitte und Reihen 1,2 m voneinander entfernt (Anbau in Longmont, Colorado, USA).
2. Die Blütenstände 48 h lang bei 35 °C an der Luft trocknen. Schleifen Sie die Blütenstände mit einer Schleifmaschine, die auf 177 μm eingestellt ist.
3. Führen Sie das pulverisierte Material durch das Netzsieb Nr. 80. Lagern Sie das resultierende Pulver in einem versiegelten Beutel bei Raumtemperatur für die zukünftige Verwendung.

2. Ultraschall-Extraktion

1. Wiege 0,5 g des Cannabis-Blütenstandespuldes in einen 50 ml konischen Schlauch. 40 ml des Lösungsmittels (z. B. 50% Ethanol in entionisiertem Wasser) in den Behälter geben.
2. Stellen Sie das Absauggefäß in das Ultraschallbadset bei 40 kHz und bei Raumtemperatur (Beschallungsleistung beträgt 100 W).
3. Führen Sie die Extraktion im Ultraschallbad für 30 min durch und erhöhen Sie die Temperatur des Bades von 25 ° C auf 30 ° C.
4. Dekantieren Sie die Extraktionsflüssigkeit in ein Zentrifugenröhrchen.
5. Zentrifugieren Sie die Flüssigkeit bei 3.000 x g bei 15 °C für 15 min. Filtern Sie den Überstand unter Vakuum durch ein 8 μm Filterpapier.

3. Quantitative Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)

1. Verdünnen Sie sieben Cannabinoid-Standards: Cannabichromen (CBC), CBD, CBDA, Cannabinol (CBN), Tetrahydrocannabinolsäure (THCA), Δ^8-THC und Δ^9-THC auf Betriebskonzentrationen von 100, 50, 25 und 12,5 μg/ml in 100% Methanol. Mischen und beschallen Sie für 5 min in einem Ultraschallbad mit 40 kHz und einer Beschallungsleistung von 100 W
2. Filtern Sie die Standards durch einen 0,45 μm Polytetrafluorethylen (PTFE) Spritzenfilter. Filtern Sie den Probenüberstand (ab Schritt 2.5) durch einen 0,45 μm PTFE-Spritzenfilter.
3. Geben Sie die zu analysierende Probe in einer 1,5-ml-Durchstechflasche in den HPLC-Autosampler und laden Sie jeweils 10 μL.
4. Führen Sie HPLC gemäß den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen und Parametern aus. Leiten Sie Cannabinoidkonzentrationen in 50-200 μg/ml aus der erzeugten Standardkurve ab.
5. Multiplizieren Sie mit dem Volumen des Lösungsmittels (40 ml), das im Extraktionsprozess verwendet wird, um μg Cannabinoid zu erhalten. Wandeln Sie das μg Cannabinoid in mg Cannabinoid um, indem Sie es durch 1000 teilen.
6. Teilen Sie mit dem ursprünglichen Gewicht des Pflanzenmaterials (0,5 g), das bei der Extraktion verwendet wurde, um mg/g Trockengewicht zu erhalten.

4. Optimierung mittels Response-Surface-Methodik

1. Erstellen Sie das Modell, das aus 15 experimentellen Durchläufen mit 12 faktoriellen Punkten und drei Mittelpunkten besteht, wie in Tabelle 4 gezeigt, mit einem Datenanalysetool.
2. Optimieren Sie die Extraktionsparameter, die Extraktionszeit (T), die Lösungsmittelkonzentration (S) und das Proben-Lösungsmittel-Verhältnis (R) mithilfe der Ansprechmethodik und des zentralen Verbunddesigns. Legen Sie den Bereich der Variablen T, S und R auf 5-30 min, 20%-100 % bzw. 60-100 (1:X) fest.
3. Wählen Sie die Gesamtausbeute an lipophilem Extrakt und die Ausbeute an extrahiertem CBD und CBDA als Reaktionsfaktoren (RF).

Ergebnisse

Die verwendeten Lösungsmittel reichen von der Mitte des Polaritätsindex (0,460 - ACN) bis polar (1.000 - Wasser). Aus Tabelle 2 geht hervor, dass Wasser keine wirksame Extraktion für Cannabinoide darstellte, was nicht unerwartet ist, da Cannabinoide aufgrund ihrer Hydrophobie eine begrenzte Löslichkeit in Wasser aufweisen¹³. Im Gegensatz zu Wasser hatten die anderen Lösungsmittel ähnliche extrahierte Werte von CBD und CBDA, wobei das am wenigsten polare Lösungsmittel Aceton...

Diskussion

Die Polarität eines Lösungsmittels spielt eine entscheidende Rolle bei der effektiven Extraktion von Verbindungen. Da saure Cannabinoide leicht polar sind, was zum großen Teil auf den Carbonsäureanteil zurückzuführen ist, wurde angenommen, dass ein polares Lösungsmittel wie Methanol oder Ethanol am effektivsten wäre. Garrett und Hunt¹⁹ zeigten in ihrer Studie mit THC, dass die Löslichkeit in wässrigem Ethanol auf prozentualem Ethanol in der Lösung und der Ionenstärke der Lösung basier...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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