L’extraction assistée par ultrasons (EAU) augmente l’efficacité d’extraction des solvants et, lorsqu’elle est appliquée à la biomasse de Cannabis spp., elle réduit le temps nécessaire à l’extraction. Cela réduit le coût et la perte potentielle de cannabinoïdes due à la dégradation. En outre, les EAU sont considérés comme une méthode verte en raison de la faible utilisation de solvants.
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Article de méthode
Extraction assistée par ultrasons de l’acide cannabidiolique à partir de la biomasse de cannabis
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Dans cet article
Résumé
Résumé
Le chanvre industriel (Cannabis spp.) a de nombreux composés d’intérêt avec des avantages médicaux potentiels. Parmi ces composés, les cannabinoïdes sont au centre de l’attention, en particulier les cannabinoïdes acides. L’accent est mis sur les cannabinoïdes acides en raison de leur manque d’activité psychotrope. Les plantes de cannabis produisent des cannabinoïdes acides avec des plantes de chanvre produisant de faibles niveaux de cannabinoïdes psychotropes. En tant que tel, l’utilisation du chanvre pour l’extraction acide des cannabinoïdes éliminerait le besoin de décarboxylation avant l’extraction comme source de cannabinoïdes. L’utilisation de l’extraction à base de solvant est idéale pour obtenir des cannabinoïdes acides car leur solubilité dans des solvants tels que le CO2 supercritique est limitée en raison de la pression et de la température élevées requises pour atteindre leurs constantes de solubilité. Une méthode alternative conçue pour augmenter la solubilité est l’extraction assistée par ultrasons. Dans ce protocole, l’impact de la polarité du solvant (acétonitrile 0,46, éthanol 0,65, méthanol 0,76 et eau 1,00) et de la concentration (20 %, 50 %, 70 %, 90 % et 100 %) sur l’efficacité de l’extraction assistée par ultrasons a été examiné. Les résultats montrent que l’eau était la moins efficace et que l’acétonitrile était le solvant le plus efficace examiné. L’éthanol a fait l’objet d’un examen plus approfondi car il a la toxicité la plus faible et est généralement considéré comme sûr (GRAS). Étonnamment, 50% d’éthanol dans l’eau est la concentration d’éthanol la plus efficace pour extraire la plus grande quantité de cannabinoïdes du chanvre. L’augmentation de la concentration d’acide cannabidiolique était de 28% par rapport à 100% d’éthanol et de 23% par rapport à 100% d’acétonitrile. Bien qu’il ait été déterminé que l’éthanol à 50 % est la concentration la plus efficace pour notre application, la méthode s’est également avérée efficace avec d’autres solvants. Par conséquent, la méthode proposée est jugée efficace et rapide pour extraire les cannabinoïdes acides.
Introduction
Le chanvre industriel (Cannabis spp.) produit des cannabinoïdes acides dans divers tissus végétaux (fleurs, feuilles et tiges), avec la concentration la plus élevée trouvée dans la fleur1. L’industrie du cannabis utilise plusieurs méthodes pour extraire ces composés. L’une de ces méthodes est l’extraction par solvant qui utilise un solvant non polaire et / ou polaire, dont l’éthanol est le plus couramment utilisé. Cependant, l’extraction par solvant seule est limitée dans sa capacité; par conséquent, les techniques d’extraction augmentée, telles que l’extraction assistée par micro-ondes (MAE) et l’extraction assistée par ultrasons (EAU), sont conçues pour augmenter le rendement. De plus, le cannabidiol à haute concentration (CBD) peut être extrait à l’aide de technologies de fluides supercritiques2.
L’extraction est un processus dynamique, et plusieurs facteurs influencent son efficacité, à savoir la teneur en humidité, la taille des particules et le solvant3. Plus précisément, pour la technique des EAU, l’efficacité est régie par la température, la pression, la fréquence et le temps4.
L’extraction assistée par ultrasons est le processus par lequel les ondes ultrasonores sont passées à travers un liquide pour agiter les particules. Au cours du processus d’agitation, les matériaux végétaux subissent une cavitation acoustique, des cycles de compression et d’expansion qui forment des bulles qui s’effondrent en solution entraînant la génération de températures et de pressions extrêmes5. Les changements de pression et de température modifient les propriétés physiques des solvants, ce qui peut entraîner une efficacité accrue de l’extraction6. De plus, la cavitation peut perturber les interactions moléculaires conduisant à la lixiviation des composés organiques et inorganiques de la matrice végétale7. Le processus implique deux principaux types de phénomènes physiques: (1) la diffusion à travers la paroi cellulaire et (2) le rinçage du contenu cellulaire après avoir brisé la paroi8. Cependant, l’utilisation des EAU n’est pas sans pièges; il y a plusieurs rapports que les EAU peuvent dégrader les composés 9,10. De plus, les températures générées sur les sites de cavitation sont supérieures à celles nécessaires à la décarboxylation des cannabinoïdes. Cependant, Mudge et al.11 ont utilisé les EAU et n’ont pas observé une grande décarboxylation du CBD ou du tétrahydrocannabinol (THC), démontrant ainsi que les EAU sont une méthode efficace et verte pour l’extraction des cannabinoïdes car ils peuvent être extraits rapidement en utilisant une faible énergie.
De Vita et al.12 ont examiné spécifiquement l’utilisation des méthodes MAE et UAE et ont constaté que lors de l’application des conditions optimales pour chaque méthode, les EAU extrayaient davantage de CBD et de THC acides et neutres présents dans le matériel végétal. De même, Rožanc et al.13 ont comparé plusieurs méthodes d’extraction (EAU, soxhlet, macération et fluide supercritique) et ont examiné l’activité biologique des extraits. Rožanc a démontré que toutes les méthodes étaient efficaces pour extraire les cannabinoïdes; Cependant, le liquide supercritique et les EAU ont été les plus efficaces pour extraire l’acide cannabidiolique (CBDA). De plus, l’extraction des EAU avait l’activité biologique la plus élevée mesurée par le test 2,2-diphényl-1-picrylhydrazyl (DPPH). L’étude de Rožanc a également montré que, bien que les processus d’extraction soient efficaces pour produire des extraits bruts, il reste une partie de composés non cannabinoïdes qui influencent l’activité biologique des extraits. De plus, ces composés peuvent compliquer l’isolement et la purification des composés cannabinoïdes individuels à partir des extraits bruts13.
Des techniques d’extraction par fluide supercritique (SFE) ont été utilisées pour extraire des cannabinoïdes neutres. Plusieurs études ont démontré que le SFE associé à un solvant organique, tel que l’éthanol, entraînait une efficacité d’extraction plus élevée des cannabinoïdes neutres 2,3. Lorsque la pression a été augmentée à des niveaux capables d’extraire les cannabinoïdes acides, la teneur en non-cannabinoïdes a également augmenté. En tant que telles, ces pressions élevées ne sont pas pratiques pour le traitement industriel car la sélectivité du SFE pour les cannabinoïdes a diminué et un post-traitement supplémentaire est nécessaire. Par conséquent, la décarboxylation doit être effectuée avant le SFE, ce qui peut entraîner des pertes de cannabinoïdes allant jusqu’à 18 %2. Pour augmenter l’efficacité du SFE, il a été combiné à des techniques telles que l’extraction en phase solide pour augmenter la pureté de l’extrait final14. Cependant, malgré une grande pureté comme produit final, seuls des cannabinoïdes neutres sont obtenus.
Traditionnellement, dans le laboratoire d’analyse, les cannabinoïdes étaient extraits dans un mélange méthanol/chloroforme 9:1. Cependant, Mudge et al.11 ont démontré qu’une extraction efficace peut être effectuée avec des solvants uniques lors de l’utilisation d’EAU. L’étude a montré que le méthanol à 80% était aussi efficace que l’extraction traditionnelle au méthanol: chloroforme 9: 1, indiquant ainsi que des solvants plus verts peuvent être aussi efficaces. En tant que tels, les EAU ont été examinés pour leur utilisation potentielle en raison de leurs avantages, notamment un faible coût en capital, un temps d’extraction réduit et une consommation d’énergie et des volumes de solvants inférieurs. Cependant, dans le cas des EAU, lorsque des solvants polaires sont utilisés, la chlorophylle et d’autres non-cannabinoïdes peuvent être extraits, ce qui peut causer un problème de couleur7. Par conséquent, pour examiner le potentiel d’obtention de cannabinoïdes acides à l’échelle commerciale, les Émirats arabes unis ont été utilisés en utilisant la variété de chanvre industriel Cherry Wine. Cherry Wine est un hybride de C. sativa et C. indica, un croisement entre les variétés de The Wife et Charlotte’s Cherries. Le cépage Cherry Wine est une variété à haute teneur en CBDA (15% à 25% de CBD) avec de faibles niveaux d’acide tétrahydrocannabinolique (THCA). Le cépage est une variété dominée par C. indica qui a 7 à 9 semaines de floraison.
Afin d’établir le protocole d’extraction optimal des EAU, deux approches ont été adoptées: l’optimisation traditionnelle d’un facteur à la fois (OFT) et une approche de conception d’expérience (DoE) utilisant une conception composite centrale (CCD)15. Pour le DoE, l’extraction CBDA/CBD a été optimisée en fonction du rapport échantillon/solvant, du temps d’extraction et de la concentration en solvant en tant que facteurs, et les données résultantes ont été analysées par la méthodologie de surface de réponse (RSM). En conclusion, le protocole décrit décrit décrit la méthode optimale pour extraire la plus grande quantité de CBDA / CBD.
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Protocole
1. Préparation du matériel végétal
- Obtenir des inflorescences de vin de cerise à partir de plantes cultivées dans le champ, plantées dans une configuration sud-nord, avec des plantes espacées de 1 m au centre et des rangées espacées de 1,2 m (culture située à Longmont, Colorado, États-Unis).
- Sécher à l’air libre les inflorescences à 35 °C pendant 48 h. Broyer les inflorescences à l’aide d’une rectifieuse réglée à 177 μm.
- Passez le matériau pulvérisé à travers le tamis à mailles n° 80. Conservez la poudre résultante dans un sac scellé à température ambiante pour une utilisation future.
2. Extraction par ultrasons
- Peser 0,5 g de poudre d’inflorescence de cannabis dans un tube conique de 50 mL. Ajouter 40 mL de solvant (p. ex. éthanol à 50 % dans de l’eau désionisée) au récipient.
- Placez le récipient d’extraction dans le bain à ultrasons réglé à 40 kHz et à température ambiante (la puissance de sonication est de 100 W).
- Effectuez l’extraction dans le bain à ultrasons pendant 30 minutes, en augmentant la température du bain de 25 ° C à 30 ° C.
- Décanter le fluide d’extraction dans un tube de centrifugeuse.
- Centrifuger le fluide à 3 000 x g à 15 °C pendant 15 min. Filtrer le surnageant sous vide à travers un papier filtre de 8 μm.
3. Analyse quantitative par chromatographie liquide à haute performance (CLHP)
- Diluer sept étalons cannabinoïdes : cannabichromène (CBC), CBD, CBDA, cannabinol (CBN), acide tétrahydrocannabinolique (THCA), Δ8-THC et Δ9-THC à des concentrations opérationnelles de 100, 50, 25 et 12,5 μg/mL dans du méthanol à 100 %. Mélanger et soniquer pendant 5 min dans un bain à ultrasons réglé à 40 kHz et puissance de sonication de 100 W
- Filtrer les étalons à l’aide d’un filtre à seringue en polytétrafluoroéthylène (PTFE) de 0,45 μm. Filtrer le surnageant de l’échantillon (à partir de l’étape 2.5) à l’aide d’un filtre à seringue en PTFE de 0,45 μm.
- Mettez l’échantillon à analyser dans un flacon de 1,5 mL dans l’échantillonneur automatique HPLC et chargez 10 μL à la fois.
- Exécutez HPLC conformément aux conditions et paramètres fournis dans le tableau 1. Dériver les concentrations de cannabinoïdes dans 50-200 μg/mL à partir de la courbe standard générée.
- Multipliez avec le volume du solvant (40 mL) utilisé dans le processus d’extraction pour obtenir μg de cannabinoïde. Convertissez le μg de cannabinoïde en mg de cannabinoïde en le divisant par 1000.
- Répartir avec le poids d’origine du matériel végétal (0,5 g) utilisé dans l’extraction pour obtenir le poids sec en mg/g.
4. Optimisation à l’aide de la méthodologie de surface de réponse
- Établissez le modèle, composé de 15 séries expérimentales avec 12 points factoriels et trois points centraux, comme le montre le tableau 4 , à l’aide d’un outil d’analyse de données.
- Optimisez les paramètres d’extraction, le temps d’extraction (T), la concentration de solvant (S) et le rapport échantillon/solvant (R) à l’aide de la méthodologie de surface de réponse et de la conception composite centrale. Définissez la plage de variables T, S et R sur 5-30 min, 20%-100% et 60-100 (1:X), respectivement.
- Sélectionnez le rendement total de l’extrait lipophile et les rendements du CBD et du CBDA extraits comme facteurs de réponse (RF).
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Résultats
Les solvants utilisés vont du milieu de l’indice de polarité (0,460 - ACN) au polaire (1,000 - eau). D’après le tableau 2, on peut voir que l’eau n’a pas fait un extracteur efficace pour les cannabinoïdes, ce qui n’est pas inattendu, car les cannabinoïdes ont une solubilité limitée dans l’eau en raison de leur hydrophobicité13. Contrairement à l’eau, les autres solvants avaient des valeurs extraites similaires de CBD et de CBDA, le solvant le moins polaire acétonitrile (ACN) ayant...
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Discussion
La polarité d’un solvant joue un rôle essentiel dans l’extraction efficace des composés. Étant donné que les cannabinoïdes acides sont de nature légèrement polaire, en grande partie à cause de la fraction acide carboxylique, on a supposé qu’un solvant polaire tel que le méthanol ou l’éthanol serait le plus efficace. Garrett et Hunt19, dans leur étude utilisant du THC, ont démontré que la solubilité dans l’éthanol aqueux était basée sur le pourcentage d’éthanol dans la solution et la force ionique ...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.
Remerciements
Cette recherche a été soutenue par l’Institut de recherche sur le cannabis de la Colorado State University-Pueblo, la subvention de la Korea Innovation Foundation financée par le gouvernement coréen (MSIT) (2021-DD-UP-0379) et la ville de Chuncheon (R&D et industrialisation du chanvre, 2020-2021).
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Acétonitrile | J.K.Baker | 9017-88 | solvant |
| Cannabichromène | Cerilliant | C-143 | Cannabinoïdes standard |
| Cannabidiol | Cérilliant | C-045 | Cannabinoïdes standard |
| Acide cannabidiolique | Cerilliant | C-144 | Cannabinoïdes standard |
| Cannabidivarin | Cerilliant | C-140 | Cannabinoïdes standard |
| Cannabigérol | Cerilliant | C-141 | Cannabinoïdes standard |
| Cannabinol | Cerilliant | C-046 | Cannabinoïdes standard |
| Centrifuge | Hanil Scientific Inc | Supra 22K | |
| Centrifuge Cherry Wine hemp | CFH, Ltd. | - | Matériau d’extraction de fleurs |
| Eau distillée | solvant | TEDIA | WS2211-001 |
| éthanol : solvant | TEDIA | ES1431-001 | |
| papier filtre | Whatman | #2 | : |
| Broyeur | Daesung Artlon | DA280-S | Broyage |
| HPLC | Système Shimadzu | LC-10 | Analyse du cannabinoïde |
| Méthanol | TEDIA | MS1922-001 | solvant |
| Minitab 16.2.0 | Minitab Inc. | ||
| Filtres pour seringues | Whatman | 6779-1304 | Filtrage |
| Tétrahydrocannabivarin | Cerilliant | T-094 | Cannabinoïdes standard |
| Acide trifluoroacétique | Sigma-aldrich | 302031-1L | Solvant à flux HPLC |
| Bain non trasonique | Jinwoo | 4020P | Extraction par ultrasons |
| Zorbax Eclipse plus C18 Colonne | HPLCAgilent | 9599990-902 | Colonne HPLC |
| & Delta ; 8 - Tétrahydrocannabinol | Cerilliant | T-032 | Cannabinoïdes standard |
| &Delta ; 9 - Tétrahydrocannabinol | Cerilliant | T-005 | Cannabinoïdes standard |
| &Delta ; 9 - Acide tétrahydrocannabinolique | Cerilliant | T-093 | Cannabinoïdes standard |
Références
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Réimpressions et autorisations
