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Biochemistry

Ultraschallgestützte Extraktion von Cannabidiolsäure aus Cannabis-Biomasse

Published: May 27, 2022 doi: 10.3791/63076
Automatic Translation
*1, *2, 2, 2, 2, 1,3, 2, 3
1Department of Chemistry, Colorado State University-Pueblo, 2Chuncheon Bioindustry Foundation, 3Institute for Cannabis Research, Colorado State University-Pueblo
* These authors contributed equally

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

Industriehanf (Cannabis spp.) produziert saure Cannabinoide in verschiedenen Pflanzengeweben (Blüten, Blätter und Stängel), wobei die höchste Konzentration in der Blütegefunden 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 Fluidtechnologienextrahiert 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 Drückeführt 5. Die Druck- und Temperaturänderungen verändern die physikalischen Eigenschaften der Lösungsmittel, was zu einer erhöhten Wirksamkeit der Extraktionführen kann 6. Darüber hinaus kann die Kavitation molekulare Wechselwirkungen stören, die dazu führen, dass organische und anorganische Verbindungen aus der Pflanzenmatrixausgelaugt 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 mehrereBerichte, 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.

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Protocol

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), Δ8-THC und Δ9-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).

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Representative Results

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 Acetonitril (ACN) im Vergleich zu den beiden Alkoholen eine höhere Extraktion aufwies. Obwohl statistisch niedriger, war Ethanol in der Lage, fast 93% bzw. 99% Anstieg des wichtigsten Cannabinoids CBDA, das durch ACN bzw. Methanol extrahiert wurde, zu extrahieren. Darüber hinaus hatte der Ethanolextrakt die niedrigsten THCA-Gehalte, die Vorstufe von Δ9-THC. Erniedrigte THCA-Spiegel wurden gewünscht, um das Potenzial für eine Umwandlung in das psychotrope Δ9-THC zu begrenzen, ein Problem für industrielle Anwendungen16. Während alle organischen Lösungsmittel im Allgemeinen als sicher gelten (GRAS), hat nur Ethanol keine Begrenzung seiner Menge im Endprodukt2. Die Differenz zwischen den für Ethanol und Methanol erhaltenen Werten würde es rechtfertigen, dass einer von ihnen verwendet werden könnte, aber die geringere Toxizität von Ethanol macht es zu einer besseren Wahl für den kommerziellen Gebrauch. Auch wenn ACN mehr Cannabinoide im Extrakt lieferte, rechtfertigten die niedrigen Mengen an ACN-Resten seine Verwendung angesichts der zusätzlichen Reinigung zur Entfernung von Spurenmengen nicht, wenn es nur einen Anstieg der CBDA-Konzentration um 7% gab.

Eine Untersuchung des Einflusses, den eine wässrige Ethanollösung auf die Cannabinoidkonzentration hat, ist in Tabelle 3 dargestellt. Es hat sich gezeigt, dass die Lösungskonzentration die Extraktionseffizienzbeeinflussen kann 17,18. Die Extraktion von Cannabinoiden unter Verwendung der VAE ist keine Ausnahme. Die maximale Extraktion wurde bei der Ethanolkonzentration von 50% beobachtet. Dies entspricht einer Steigerung von 39,7% gegenüber 100% Ethanol für die Extraktion von CBDA. Darüber hinaus reduzierte 50% Ethanol auch den Gehalt an THCA, der extrahiert wurde, um 20,3%.

Um die Ergebnisse der OFT-Optimierung zu bestätigen, wurde DoE (Tabelle 4) mit RSM untersucht, wie in Tabelle 5 gezeigt. Die RSM-Analyse (Abbildung 1) bestätigte eine 30-minütige Extraktion und ein Verhältnis von Probe zu Lösungsmittel von 1:100. Die RSM-Analyse ergab eine ideale Konzentration von 53,4% Ethanol in Wasser. Dies bestätigt die von der OFT erhaltenen 50%. Während die optimale Ethanolkonzentration von DoE etwas höher war als die 50% von OFT, wurde 50% Ethanol in dem Protokoll aufgrund seiner Bequemlichkeit der Zubereitung und der vernachlässigbaren Abnahme der gesamten CBDA / CBD-Extraktion verwendet.

Die Ergebnisse, die mit 50 % Ethanol für die VAE erzielt wurden, wurden mit den Ergebnissen verglichen, die mit 50 % Ethanol zur Mazeration (0,5 g des Cannabisblütenstandes in ein 50-ml-Rohr wiegen und 50 ml 50 % Ethanol in das Gefäß geben) allein ermittelt wurden, wie in Tabelle 6 dargestellt. Die resultierende CBDA-Extraktionsmenge war in der VAE-Probe im Vergleich zur Mazerationsprobe um etwa 55% höher. Darüber hinaus ist es wichtig zu beachten, dass sich auch die extrahierte CBD-Konzentration verdoppelt hat.

Figure 1
Abbildung 1. Optimierungsdiagramm. Optimierungsdiagramm einer Antwortoberfläche für Extraktionszeit, Lösungsmittelkonzentration und Proben-/Lösungsmittelverhältnis von Cannabis. Die schwarze Linie gibt den aufgetragenen y-Wert an, die blaue Linie den maximalen y-Wert, und sein numerischer Wert wird ebenfalls blau erwähnt, und die rote Linie zeigt den x-Wert an, wenn der y-Wert das Maximum ist, und die numerischen Werte für alle diese Parameter werden oben in jedem Diagramm rot erwähnt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Tabelle 1. Parameter, die für die HPLC-Cannabinoid-Analyse verwendet werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 2. Einzelne Cannabinoide von Extrakten, die aus 100% igen Lösungsmitteln gewonnen werden, die durch HPLC analysiert wurden (mg/g Trockengewicht). Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 3. Einzelne Cannabinoide von Extrakten, die aus wässrigem Ethanol gewonnen werden, wurden mittels HPLC (mg/g Trockengewicht) analysiert. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 4. Experimentelle Daten zu CBDA + CBD von Cannabis basierend auf dem zentralen Composite-Design durch die Reaktionsoberflächenmethode. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 5. Polynomgleichungen, die vom RSM-Programm für die Extraktionsbedingungen von Cannabis berechnet wurden. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 6. Ultraschallgestützte Extraktion im Vergleich zur Mazerationsextraktion (ohne Ultraschall) der individuellen Cannabinoidmenge (mg/g) in Extrakten aus 50% Ethanollösungsmittel. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

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Discussion

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 basiert. Während die Ionenstärke in der aktuellen Studie nicht untersucht wurde, kann davon ausgegangen werden, dass sie eine wichtige Rolle bei der erhöhten Extraktionseffizienz bei 50% Ethanol spielte. Darüber hinaus hat der pH-Wert, wie Garrett und Hunt19 gezeigt haben, einen Einfluss auf die Löslichkeit in wässrigen Lösungen. Metcalf20 betont auch die Bedeutung des pH-Werts, wo sie zeigten, dass der pKa von Cannabidiol in einer wässrigen Lösung zwischen 8,0 und 8,5 lag, im Gegensatz zu anderen Berichten, dass der pKa zwischen 9,13 und 9,64 lag.

Eine weitere Unterstützung für die Verwendung wässriger Lösungen ist die Praxis der lösemittelfreien Extraktion mit Wasser. Der Prozess beinhaltet die dynamische Mazeration des Cannabis , um die Trichome aus dem Pflanzenmaterial zu entfernen21. Die Trichome und das Extraktionsmittel können dann getrocknet werden, um ein Haschischprodukt zu erhalten, das zur Weiterverarbeitung zur Verfügung steht. In der aktuellen Studie bietet die Verwendung von VAE die Mittel für die Freisetzung der Trichome-Inhalte. Die Verwendung einer wässrigen Lösung anstelle von Wasser ermöglicht eine bessere Solubilisierung der sauren Cannabinoide. Ein zusätzlicher Vorteil, der mit den VAE verbunden ist, ist ihre Fähigkeit, die sauren Cannabinoide in ihrer ursprünglichen Form zu extrahieren und zu behalten22. Lewis-Bakker et al.22 zeigten auch, dass die VAE bei der Extraktion von CBDA effizienter waren als SFE oder Soxhlet.

Brighenti et al.23 fanden in nicht decarboxyliertem Hanf heraus, dass es keinen signifikanten Unterschied in einzelnen Cannabinoiden gab, die durch verschiedene Techniken extrahiert wurden, wobei Ethanol bei Raumtemperatur als Extraktionslösungsmittel etwas besser funktionierte. Folglich verwendeten sowohl die Brighenti23-Studie als auch die aktuelle Studie Ethanol als Lösungsmittel der Wahl. Die Wahl des Ethanols in dieser Studie wurde durch die erwarteten nachgelagerten Verarbeitungsmethoden weiter unterstützt. Die Auswahl von Ethanol ist mit dem anzuwendenden Winterisierungsverfahren kompatibel und ermöglicht die Konzentration des Extrakts und die Reinigung mit Methoden wie der Flash- oder Zentrifugalverteilungschromatographie3. Darüber hinaus sind etwaige Spuren von Ethanol aufgrund der akzeptablen Grenzwerte, die mit seiner Verwendung verbunden sind, nicht bedenklich24.

Die Lösungsmittelkonzentration beeinflusst den Extraktionsprozess und wurde als der wichtigste Faktor im Protokoll bestimmt. Die Verdünnung eines organischen Lösungsmittels mit Wasser erzeugt ein Lösungsmittel mit einer modifizierten Polarität und manchmal modifizierten physikalisch-chemischen Eigenschaften. Wasser mit einer Polarität von 1,00 hat insofern einzigartige Eigenschaften, als mit steigender Temperatur die Dielektrizitätskonstante abnimmt und damit auch die Polarität5. Zusätzlich verringert ein Temperaturanstieg die Oberflächenspannung und Viskosität, wodurch die Durchdringung der Matrix17 verbessert wird. Schließlich verbessert eine Erhöhung der Wassertemperatur die Analytdiffusion und die Stofftransferkinetik einer Extraktion17. Die Hauptkraft in den VAE sind Ultraschallwellen , die durch Kompression Wärme erzeugen und sich von Schalldruckänderungen lösen. Die hohen Temperaturen, die in den Blasen auftreten, werden durch das Vorhandensein von Alkohol gemildert, wie von Rae25 gesehen. Das Vorhandensein von Alkohol in der Blase erhöht die Wärmekapazität des gasförmigen Gemisches25. Folglich verbessert dies die Extraktionsfähigkeit von Wasser und verursacht auch Kavitation von Mikroblasen, wodurch Zellwände gestört werden, was eine einfachere Lösungsmittelextraktion ermöglicht.

Die Literatur enthält mehrere Methoden zur Extraktion von Cannabinoiden 4,17,26,27,28. Herkömmliche Methoden, wie die Mazeration in Ethanol (ohne Ultraschall), sind aufgrund ihrer Leichtigkeit und der Kosten, die mit modernen Methoden wie der überkritischen Flüssigkeit21 verbunden sind, immer noch weit verbreitet. Die ultraschallgestützte Extraktion bietet die Möglichkeit, konventionelle Lösungsmittelextraktionsmethoden mit einer modernen Extraktionstechnik zu erweitern, die die Ausbeute verbessern soll. Die ultraschallgestützte Extraktion ermöglicht die Verwendung von grünen Lösungsmitteln (z. B. Wasser, Ethanol usw.), verbesserte Ausbeuten und reduzierte Zeit und Kosten. Die Verwendung der VAE als Vorbehandlung für andere Extraktionstechniken ist noch weitgehend unerforscht. Vor der Soxhlet-Extraktion 28 wurde jedoch eine Steigerung der Rohextraktausbeute um24% unter Verwendung der VAE erzielt, wodurch das Potenzial für kombinierte Extraktionsmethoden demonstriert wurde. Die derzeit vorgeschlagene Methode konzentriert sich auf die Extraktion von sauren Cannabinoiden aus Industriehanf unter ausschließlicher Verwendung von VAE, jedoch bietet das Potenzial für eine weitere Verwendung in Kombination mit anderen alternativen und konventionellen Extraktionsmethoden interessante Wege für die zukünftige Forschung.

Abschließend wurde aus dieser Studie festgestellt, wie verschiedene Extraktionslösungsmittel und Extraktionslösungsmittelverhältnisse die Cannabinoidextraktion beeinflussen. Die VAE-Methodik wurde angewendet, um ausgewählte Lösungsmittel auf der Grundlage der zulässigen Mengen im Endprodukt auf eine mögliche Anwendung in der Industrie zu untersuchen. Basierend auf diesen Ergebnissen führte die Beschäftigung in den VAE zu einer höheren Extraktion von Cannabinoiden im Vergleich zur Mazeration. Darüber hinaus wurde unter Verwendung von DoE und RSM beobachtet, dass bei 53,4% Ethanol im Vergleich zu anderen Ethanolkonzentrationen eine höhere Extraktion von Cannabinoiden festgestellt wurde. Folglich deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die VAE als Mittel zur Steigerung der Cannabinoidextraktion wirksam sind und daher bei industriellen Kapazitäten weiter untersucht werden sollten.

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Disclosures

Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

Acknowledgments

Diese Forschung wurde vom Institute of Cannabis Research an der Colorado State University-Pueblo, dem von der koreanischen Regierung finanzierten Zuschuss der Korea Innovation Foundation (MSIT) (2021-DD-UP-0379) und Chuncheon City (Hemp R&D and industrialization, 2020-2021) unterstützt.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Azmir, J., et al. Techniques for extraction of bioactive compounds from plant materials: A review. Journal of Food Engineering. 117 (4), 426-436 (2013).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Mason, T. J., Paniwnyk, L., Lorimer, J. P. The uses of ultrasound in food technology. Ultrasonics Sonochemistry. 3 (3), 253-260 (1996).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Mudge, E. M., Murch, S. J., Brown, P. N. Leaner and greener analysis of cannabinoids. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 409 (12), 3153-3163 (2017).
  12. De Vita, D., et al. Comparison of different methods for the extraction of cannabinoids from cannabis. Natural Product Research. 34 (20), 2952-2958 (2020).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Garrett, E. R., Hunt, A. Physiochemical properties, solubility, and protein binding of Δ9-tetrahydrocannabinol. Journal of Pharmaceutical Sciences. 63 (7), 1056-1064 (1974).
  20. Metcalf, D. G. Chemical Abstracts. United States patent. , US10555914 267166 (2020).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. FDA. , Available from: https://www.cfsanappsexternal.fda.gov/scripts/fdcc/?set=SCOGS (2021).
  25. Rae, J., et al. Estimation of ultrasound induced cavitation bubble temperatures in aqueous solutions. Ultrasonics Sonochemistry. 12, 325-329 (2005).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).

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Biochemie Ausgabe 183
Ultraschallgestützte Extraktion von Cannabidiolsäure aus <em>Cannabis-Biomasse</em>
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Olejar, K. J., Hong, M., Lee, S. Y., … More

Olejar, K. J., Hong, M., Lee, S. Y., Kwon, T. H., Lee, S. U., Kinney, C. A., Han, J. H., Park, S. H. Ultrasonic-Assisted Extraction of Cannabidiolic Acid from Cannabis Biomass. J. Vis. Exp. (183), e63076, doi:10.3791/63076 (2022).

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