超声辅助提取（UAE）可提高溶剂的提取效率，应用于Cannabis spp. 生物量时，能够缩短提取所需时间。这降低了成本，并减少了因降解导致的 cannabinoids 损失。此外，由于溶剂使用量较低，UAE 被认为是一种绿色环保的提取方法。
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摘要
摘要
工业大麻（Cannabis spp.）含有多种具有潜在医疗价值的化合物。在这些化合物中，大麻素尤其是酸性大麻素正受到越来越多的关注。之所以将研究重点转向酸性大麻素，是因为它们不具备精神活性。大麻植物能够产生酸性大麻素，而工业大麻植株中精神活性大麻素的含量较低。因此，利用工业大麻提取酸性大麻素可省去提取前的脱羧步骤，直接作为大麻素的来源。基于溶剂的提取方法非常适合获取酸性大麻素，因为这些化合物在超临界CO2等溶剂中的溶解度有限，需在高压和高温条件下才能达到其溶解常数。一种旨在提高溶解度的替代方法是超声辅助提取法。本实验方案考察了溶剂极性（乙腈0.46、乙醇0.65、甲醇0.76、水1.00）和浓度（20%、50%、70%、90%和100%）对超声辅助提取效率的影响。结果表明，水的提取效果最差，而乙腈是最有效的溶剂。由于乙醇毒性最低且被公认为安全（GRAS），因此对其进行了进一步研究。令人意外的是，50%乙醇水溶液是提取工业大麻中最大量大麻素的最有效乙醇浓度。与100%乙醇相比，大麻二酚酸浓度提高了28%；与100%乙腈相比，提高了23%。尽管确定50%乙醇是本应用中最有效的浓度，但该方法也被证实对其他溶剂同样有效。因此，所提出的提取方法被认为是一种高效且快速的酸性大麻素提取方法。
引言
工业大麻（大麻 spp.) 在多种植物组织（花、叶和茎）中产生酸性大麻素，其中以花中的浓度最高1。该 大麻 工业上采用多种方法提取这些化合物。其中一种方法是溶剂提取法，利用非极性或/和极性溶剂，乙醇为最常用的溶剂。然而，仅使用溶剂提取法存在一定的局限性，因此开发了辅助提取技术，如微波辅助提取（MAE）和超声波辅助提取（UAE），以提高提取率。此外，还可利用超临界流体技术提取高浓度的大麻二酚（CBD）。2.
萃取是一个动态过程，其效率受多种因素影响，主要包括水分含量、颗粒大小和溶剂3。具体而言，对于超声辅助萃取（UAE）技术，其效率由温度、压力、频率和时间所决定4。
超声辅助提取是一种通过液体传递超声波以搅动颗粒的过程。在搅动过程中，植物材料经历声学空化现象，即经历压缩与膨胀的循环，形成并在溶液中破裂的气泡，从而产生极高的温度和压力5。压力和温度的变化会改变溶剂的物理性质，进而提高提取效率6。此外，空化作用可破坏分子间相互作用，导致有机和无机化合物从植物基质中溶出7。该过程涉及两种主要的物理现象：（1）溶质穿过细胞壁的扩散；（2）细胞壁破裂后细胞内容物的冲洗8。然而，超声辅助提取的使用也存在一些缺陷；已有若干报道指出，超声辅助提取可能导致化合物降解9，10。此外，空化位点产生的温度高于大麻素脱羧所需的温度。然而，Mudge 等人11采用超声辅助提取，并未观察到 CBD 或四氢大麻酚（THC）发生显著脱羧，从而证明超声辅助提取是一种高效且环境友好的大麻素提取方法，因其可在低能耗条件下实现快速提取。
De Vita 等人12专门研究了微波辅助提取（MAE）和超声辅助提取（UAE）方法，发现当采用每种方法的最佳条件时，UAE 能够从植物材料中提取出更多的酸性及中性大麻二酚（CBD）和四氢大麻酚（THC）。同样，Rožanc 等人13比较了多种提取方法（UAE、索氏提取、浸渍提取和超临界流体提取），并检测了所得提取物的生物活性。Rožanc 的研究表明，所有方法均能有效提取大麻素；然而，超临界流体提取和 UAE 在提取大麻二酚酸（CBDA）方面效果最佳。此外，通过 2,2-二苯基-1-苦基肼（DPPH）法测定，UAE 提取物表现出最高的生物活性。Rožanc 的研究还表明，尽管这些提取工艺能够有效制备粗提物，但其中仍含有部分非大麻素类化合物，这些成分会影响提取物的生物活性。此外，这些化合物还可能使从粗提物中分离和纯化单一的大麻素成分变得更加复杂13。
超临界流体萃取（SFE）技术已被用于提取中性大麻素。多项研究表明，将SFE与乙醇等有机溶剂结合使用，可显著提高中性大麻素的萃取效率2,3。当压力升高至足以萃取酸性大麻素的水平时，非大麻素成分的含量也随之增加。因此，这些高压条件在工业加工中并不实用，因为SFE对大麻素的选择性下降，且需要额外的后续处理步骤。因此，在进行SFE之前必须先进行脱羧处理，而这可能导致高达18%的大麻素损失2。为了提高SFE的效率，已有研究将其与固相萃取等技术联用，以提高最终提取物的纯度14。然而，尽管最终产物纯度较高，但仅能获得中性大麻素。
传统上，在分析实验室中，大麻素是使用9:1的甲醇:氯仿混合溶剂进行提取的。然而，Mudge等人11证明，在采用超声辅助提取（UAE）时，使用单一溶剂即可实现有效的提取。该研究表明，80%甲醇的提取效果与传统的9:1甲醇:氯仿提取相当，表明更环保的溶剂同样有效。因此，由于UAE具有多项优势，包括设备成本低、提取时间短、能耗低以及溶剂用量少，其潜在应用价值受到关注。然而，在UAE过程中，若使用极性溶剂，可能会同时提取出叶绿素及其他非大麻素成分，从而导致颜色干扰问题7。因此，为评估在工业化规模下获取酸性大麻素的可行性，本研究采用工业大麻品种Cherry Wine进行UAE提取。Cherry Wine是C. sativa与C. indica的杂交品种，由The Wife和Charlotte's Cherries两个品种杂交而来。该品种为高CBDA产量菌株（CBD含量为15%至25%），四氢大麻素酸（THCA）含量较低，属于以C. indica为主的品系，花期为7至9周。
为了建立最佳的超声辅助提取（UAE）方案，采用了两种方法：传统的单因素优化法（OFT）和基于中心复合设计（CCD）的实验设计（DoE）方法15。在实验设计中，以样品/溶剂比例、提取时间和溶剂浓度为影响因素，对CBDA/CBD的提取进行了优化，并通过响应面法（RSM）对所得数据进行分析。综上所述，本文所述方案明确了提取最大量CBDA/CBD的最佳方法。
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方案
1. 植物材料准备
- 从田间种植的植株上采集Cherry Wine花序，植株按南北方向配置，株距1米，行距1.2米（种植地位于美国科罗拉多州朗蒙特）。
- 在35 °C条件下将花序风干48小时。使用研磨机在177 µm设置下研磨花序。
- 将研磨后的粉末过80目筛。将所得粉末置于密封袋中，室温保存以备后续使用。
2. 超声提取
- 称取0.5 g的 大麻 将花序粉末放入50 mL锥形管中。向容器中加入40 mL溶剂（例如，去离子水中含50%乙醇）。
- 将提取容器置于设定为40 kHz、室温的超声波清洗仪中（超声功率为100 W）。
- 在超声波水浴中进行提取，持续30分钟，将水浴温度从25 °C升至30 °C。
- 将提取液倒入离心管中。
- 以 3,000 x g 离心液体 g 在15 °C下孵育15分钟。在真空条件下，通过8 µm滤纸过滤上清液。
3. 高效液相色谱（HPLC）定量分析
- 用100%甲醇将七种大麻素标准品：大麻色原烯（CBC）、CBD、CBDA、大麻酚（CBN）、四氢大麻酸（THCA）、Δ8-THC 和 Δ9-THC 稀释至工作浓度，分别为100、50、25和12.5 µg/mL。在设定为40 kHz频率、超声功率100 W的超声水浴中混合并超声处理5分钟。
- 使用0.45 µm聚四氟乙烯（PTFE）注射器滤膜过滤标准品溶液。同样使用0.45 µm PTFE注射器滤膜过滤样品上清液（来自步骤2.5）。
- 将待分析的样品放入1.5 mL进样瓶中，置于HPLC自动进样器内，每次进样10 µL。
- 按照表1提供的条件和参数运行HPLC。根据生成的标准曲线计算样品中大麻素浓度（范围为50–200 µg/mL）。
- 乘以提取过程中所用溶剂体积（40 mL），得到大麻素的总含量（µg）。将大麻素含量从µg转换为mg，即除以1000。
- 除以提取所用植物材料的原始重量（0.5 g），得到以mg/g干重表示的大麻素含量。
4. 采用响应面法进行优化
- 使用数据分析工具建立模型，该模型包含15次实验运行，其中包括12个析因点和3个中心点，如表4所示。
- 采用响应面法和中心复合设计优化提取参数，包括提取时间（T）、溶剂浓度（S）和样品/溶剂比例（R）。设定变量T、S和R的范围分别为5–30分钟、20%–100%和60–100（1:X）。
- 选择脂溶性提取物的总得率以及CBD和CBDA的提取得率作为响应因子（RF）。
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结果
所使用的溶剂极性范围从中等极性（0.460 - ACN）到极性溶剂（1.000 - 水）。从表2可以看出，水对大麻素的提取效果不佳，这并不意外，因为大麻素具有疏水性，在水中的溶解度有限13。与水相比，其他溶剂对CBD和CBDA的提取量相似，其中极性最低的溶剂乙腈（ACN）比两种醇类溶剂的提取效率更高。尽管统计上偏低，乙醇对主要大麻素CBDA的提取量仍分别比ACN和甲醇高出93%和99%。此外，乙醇提取物中THCA（Δ9-THC的前体）含量最低。降低THCA含量有助于限制其转化为精神活性物质Δ9-THC，这对工业应用尤为重要16。虽然所有有机溶剂通常被认为是安全的（GRAS），但只有乙醇在最终产品中的用量没有限制2。乙醇与甲醇所得结果之间的差异表明两者均可使用，但考虑到乙醇毒性较低，更适合商业化应用。同样，尽管ACN在提取物中获得了更多的大麻素，但因其允许残留量极低，若需额外纯化以去除痕量残留物，而CBDA浓度仅提高7%...
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讨论
溶剂的极性在化合物的有效提取中起着关键作用。由于酸性大麻素因其羧酸基团而具有一定的极性，因此推测甲醇或乙醇等极性溶剂的提取效果最佳。Garrett 和 Hunt19 在使用 THC 的研究中表明，其在含水乙醇中的溶解度取决于溶液中乙醇的百分比和溶液的离子强度。尽管本研究未考察离子强度的影响，但可以推测其在50%乙醇条件下提取效率的提高中发挥了重要作用。此外，Garrett 和 Hunt19 的研究还表明，pH 值会影响其在水溶液中的溶解度。Metcalf20 也强调了 pH 值的重要性，其研究显示大麻二酚在水溶液中的 pKa 值介于 8.0 至 8.5 之间，而其他文献报道的 pKa 值则在 9.13 至 9.64 之间。
水溶液的应用还得到了无溶剂水提法的支持。该方法通过动态浸提使大麻（Cannabis）的腺毛从植物材料中脱落21。随后可将腺毛与提取液干燥，得到可用于进一步...
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披露
作者声明无竞争利益。
致谢
本研究得到了普韦布洛科罗拉多州立大学大麻研究所、韩国政府（MSIT）资助的韩国创新基金会项目（2021-DD-UP-0379）以及春川市（Hemp R&D 与工业化，2020-2021年）
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 乙腈 | J.K.Baker | 9017-88 | 溶剂 |
| 大麻色烯 | Cerilliant | C-143 | 大麻素标准品 |
| 大麻二酚 | Cerilliant | C-045 | 大麻素标准品 |
| 大麻二酚酸 | Cerilliant | C-144 | 大麻素标准品 |
| 大麻二酚变烯 | Cerilliant | C-140 | 大麻素标准品 |
| 大麻萜酚 | Cerilliant | C-141 | 大麻素标准品 |
| 大麻酚 | Cerilliant | C-046 | 大麻素标准品 |
| 离心机 | Hanil Scientific Inc | Supra 22K | 离心机 |
| Cherry Wine 工业大麻 | CFH, Ltd. | - | 花材提取原料 |
| 蒸馏水 | TEDIA | WS2211-001 | 溶剂 |
| 乙醇 | TEDIA | ES1431-001 | 溶剂 |
| 滤纸 | Whatman | #2 | 过滤 |
| 研磨机 | Daesung Artlon | DA280-S | 研磨 |
| HPLC | 岛津 | LC-10 系统 | 大麻素分析 |
| 甲醇 | TEDIA | MS1922-001 | 溶剂 |
| Minitab 16.2.0 | Minitab Inc. | ||
| 注射器滤器 | Whatman | 6779-1304 | 过滤 |
| 四氢大麻酚变烯 | Cerilliant | T-094 | 大麻素标准品 |
| 三氟乙酸 | Sigma-aldrich | 302031-1L | HPLC 流动相溶剂 |
| 超声波清洗器 | Jinwoo | 4020P | 超声提取 |
| Zorbax Eclipse plus C18 HPLC 色谱柱 | 安捷伦 | 9599990-902 | HPLC 色谱柱 |
| Δ8 - 四氢大麻酚 | Cerilliant | T-032 | 大麻素标准品 |
| Δ9 - 四氢大麻酚 | Cerilliant | T-005 | 大麻素标准品 |
| Δ9 - 四氢大麻酚酸 | Cerilliant | T-093 | 大麻素标准品 |
参考文献
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