La extracción asistida por ultrasonidos (EAU) aumenta la eficiencia de extracción de disolventes y, cuando se aplica a la biomasa de Cannabis spp., reduce el tiempo requerido para la extracción. Esto disminuye el costo y la pérdida potencial de cannabinoides debido a la degradación. Además, los EAU se consideran un método verde debido al bajo uso de solventes.
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Artículo de método
Extracción asistida por ultrasonidos de ácido cannabidiólico de biomasa de cannabis
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Resumen
Resumen
El cáñamo industrial (Cannabis spp.) tiene muchos compuestos de interés con beneficios médicos potenciales. De estos compuestos, los cannabinoides han llegado al centro de atención, específicamente los cannabinoides ácidos. El enfoque se está volviendo hacia los cannabinoides ácidos debido a su falta de actividad psicotrópica. Las plantas de cannabis producen cannabinoides ácidos y las plantas de cáñamo producen bajos niveles de cannabinoides psicotrópicos. Como tal, la utilización del cáñamo para la extracción ácida de cannabinoides eliminaría la necesidad de descarboxilación antes de la extracción como fuente de los cannabinoides. El uso de la extracción a base de disolvente es ideal para la obtención de cannabinoides ácidos, ya que su solubilidad en disolventes como el CO2 supercrítico es limitada debido a la alta presión y temperatura requeridas para alcanzar sus constantes de solubilidad. Un método alternativo diseñado para aumentar la solubilidad es la extracción asistida por ultrasonidos. En este protocolo, se ha examinado el impacto de la polaridad del disolvente (acetonitrilo 0,46, etanol 0,65, metanol 0,76 y agua 1,00) y la concentración (20%, 50%, 70%, 90% y 100%) en la eficiencia de extracción asistida por ultrasonidos. Los resultados muestran que el agua fue el menos efectivo y el acetonitrilo fue el disolvente más efectivo examinado. El etanol se examinó más a fondo ya que tiene la toxicidad más baja y generalmente se considera seguro (GRAS). Sorprendentemente, el 50% de etanol en agua es la concentración de etanol más efectiva para extraer la mayor cantidad de cannabinoides del cáñamo. El aumento en la concentración de ácido cannabidiólico fue del 28% en comparación con el 100% de etanol, y del 23% en comparación con el 100% de acetonitrilo. Si bien se determinó que el etanol al 50% es la concentración más efectiva para nuestra aplicación, también se ha demostrado que el método es efectivo con solventes alternativos. En consecuencia, el método propuesto se considera efectivo y rápido para extraer cannabinoides ácidos.
Introducción
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 presiónextremas 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 puedendegradar 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.
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Protocolo
1. Preparación de material vegetal
- Obtenga inflorescencias de vino de cereza a partir de plantas cultivadas en el campo, plantadas en una configuración de sur a norte, con plantas a 1 m de distancia en el centro y filas a 1,2 m de distancia (cultivo ubicado en Longmont, Colorado, EE. UU.).
- Secar al aire las inflorescencias a 35 °C durante 48 h. Moler las inflorescencias utilizando una máquina rectificadora de 177 μm.
- Pase el material pulverizado a través del tamiz de malla No. 80. Guarde el polvo resultante en una bolsa sellada a temperatura ambiente para su uso futuro.
2. Extracción por ultrasonido
- Pesar 0,5 g del polvo de inflorescencia de cannabis en un tubo cónico de 50 ml. Agregue 40 ml del disolvente (por ejemplo, etanol al 50% en agua desionizada) al recipiente.
- Coloque el recipiente de extracción en el baño ultrasónico a 40 kHz y a temperatura ambiente (la potencia de sonicación es de 100 W).
- Realice la extracción en el baño ultrasónico durante 30 min, aumentando la temperatura del baño de 25 °C a 30 °C.
- Decantar el fluido de extracción en un tubo de centrífuga.
- Centrifugar el fluido a 3.000 x g a 15 °C durante 15 min. Filtre el sobrenadante al vacío a través de un papel de filtro de 8 μm.
3. Análisis cuantitativo de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC)
- Diluir siete estándares de cannabinoides: cannabicromeno (CBC), CBD, CBDA, cannabinol (CBN), ácido tetrahidrocannabinólico (THCA), Δ8-THC y Δ9-THC a concentraciones operativas de 100, 50, 25 y 12.5 μg / ml en 100% metanol. Mezclar y sonicar durante 5 min en un baño ultrasónico a 40 kHz y una potencia de sonicación de 100 W
- Filtre los estándares a través de un filtro de jeringa de politetrafluoroetileno (PTFE) de 0,45 μm. Filtrar el sobrenadante de muestra (a partir de la etapa 2.5) a través de un filtro de jeringa de PTFE de 0,45 μm.
- Coloque la muestra a analizar en un vial de 1,5 ml en el muestreador automático de HPLC y cargue 10 μL a la vez.
- Ejecute HPLC según las condiciones y parámetros proporcionados en la Tabla 1. Derivar concentraciones de cannabinoides en 50-200 μg/mL a partir de la curva estándar generada.
- Multiplicar con el volumen del disolvente (40 mL) utilizado en el proceso de extracción para obtener μg de cannabinoide. Convierta el μg de cannabinoide en mg de cannabinoide dividiéndolo por 1000.
- Dividir con el peso original del material vegetal (0,5 g) utilizado en la extracción para obtener mg/g de peso seco.
4. Optimización utilizando la metodología de superficie de respuesta
- Establecer el modelo, que consta de 15 corridas experimentales con 12 puntos factoriales y tres puntos centrales como se muestra en la Tabla 4 utilizando una herramienta de análisis de datos.
- Optimice los parámetros de extracción, el tiempo de extracción (T), la concentración de disolvente (S) y la relación muestra/disolvente (R) utilizando la metodología de superficie de respuesta y el diseño de compuestos centrales. Establezca el rango de variables T, S y R como 5-30 min, 20%-100% y 60-100 (1:X), respectivamente.
- Seleccione el rendimiento total del extracto lipofílico y los rendimientos de CBD y CBDA extraídos como factores de respuesta (RF).
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Resultados
Los disolventes utilizados van desde la mitad del índice de polaridad (0.460 - ACN) hasta polar (1.000 - agua). De la Tabla 2, se puede ver que el agua no fue un extractor efectivo para los cannabinoides, lo cual no es inesperado, ya que los cannabinoides tienen una solubilidad limitada en agua debido a su hidrofobicidad13. A diferencia del agua, los otros solventes tenían valores extraídos similares de CBD y CBDA, con el acetonitrilo de disolvente menos polar (ACN) teniendo una e...
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Discusión
La polaridad de un disolvente juega un papel crítico en la extracción efectiva de compuestos. Dado que los cannabinoides ácidos son ligeramente polares en la naturaleza, debido en gran parte a la fracción de ácido carboxílico, se asumió que un disolvente polar como el metanol o el etanol sería más efectivo. Garrett y Hunt19, en su estudio con THC, demostraron que la solubilidad en etanol acuoso se basaba en el porcentaje de etanol en la solución y la fuerza iónica de la solución. Si bien la fuerza...
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Divulgaciones
Los autores no declaran intereses contrapuestos.
Agradecimientos
Esta investigación fue apoyada por el Instituto de Investigación de Cannabis de la Universidad Estatal de Colorado-Pueblo, la subvención de la Fundación de Innovación de Corea financiada por el gobierno coreano (MSIT) (2021-DD-UP-0379) y la ciudad de Chuncheon (I + D e industrialización del cáñamo, 2020-2021).
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Acetonitrilo | J.K.Baker | 9017-88 | disolvente |
| Cannabicromeno | Cerilliant | C-143 | Cannabinoides estándar |
| Cannabidiol | Cerilliant | C-045 | Cannabinoides estándar |
| Ácido cannabidiólico | Cerilliant | C-144 | Cannabinoides estándar |
| Cannabidivarina | Cerilliant | C-140 | Cannabinoides estándar |
| Cannabigerol | Cerilliant | C-141 | Cannabinoides estándar |
| Cannabinol | Cerilliant | C-046 | Cannabinoides estándar |
| Centrífuga | Hanil Scientific Inc | Supra 22K | Centrífuga |
| Cherry Wine cáñamo | CFH, Ltd. | - | Material de extracción de flores |
| : Agua destilada | TEDIA | WS2211-001 | solvente |
| Etanol | TEDIA | ES1431-001 | |
| solvente Papel de filtro | Whatman | #2 | Molino filtrante |
| Daesung Artlon | DA280-S | Molienda | |
| HPLC | Shimadzu | LC-10 sistema | Análisis de cannabinoides |
| Metanol | TEDIA | MS1922-001 | solvente |
| Minitab 16.2.0 | Minitab Inc. | ||
| Filtros de jeringa | Whatman | 6779-1304 | Filtrado |
| Tetrahidrocannabivarina | Cerilliant | T-094 | Cannabinoides estándar |
| Ácido trifluoroacético | Sigma-aldrich | 302031-1L | HPLC disolvente de flujo |
| Baño untrasónico | Jinwoo | 4020P | Extracción ultrasónica |
| Zorbax Eclipse plus C18 Columna | de HPLCAgilent | 9599990-902 Columna de | HPLC |
| y Delta; 8 - Tetrahidrocannabinol | Cerilliant | T-032 | Cannabinoides estándar |
| Δ 9 - Tetrahidrocannabinol | Cerilliant | T-005 | Cannabinoides estándar |
| Δ 9 - Ácido tetrahidrocannabinólico | Cerilliant | T-093 | Cannabinoides estándar |
Referencias
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