Extracción de cannabinoides con asistencia acústica a partir de la planta Cannabis sativa L. Optimización del proceso mediante la metodología de superficie de respuesta

Abstract

[spa] Cannabis sativa L. es una planta de la familia Cannabaceae que contiene una importante cantidad de metabolitos secundarios, con más de 500 compuestos identificados. Es una planta que lleva décadas causando controversia por la presencia de compuestos psicoactivos, aunque en los últimos años ha ido adquiriendo una gran importancia debido al potencial farmacológico que muestran algunos de los principales compuestos cannabinoides presentes en la planta. Por este motivo, es de gran interés evaluar la optimización del proceso de extracción de estos compuestos bioactivos mediante una metodología eficiente, que permita ahorrar en recursos, tiempo y costos del proceso. En este contexto, este estudio se basa en la utilización de ultrasonidos de potencia como tecnología para llevar a cabo la extracción de cannabinoides. La investigación desarrollada hasta hoy sobre la optimización multivariante del proceso de extracción de cannabinoides presentes en Cannabis sativa L. es bastante limitada, a pesar del creciente interés de esta planta como fuente de cannabidiol (CBD) y otros cannabinoides no psicoactivos de gran interés. Por lo tanto, el objetivo principal del presente trabajo es llevar a cabo la optimización de la extracción asistida acústicamente de los principales cannabinoides presentes en Cannabis sativa L. con la finalidad de establecer las condiciones de extracción que permitan obtener los mayores rendimientos de los cannabinoides seleccionados. Para la optimización del proceso de extracción de cannabinoides a partir de Cannabis sativa L. se utilizó la metodología de superficie de respuesta (RSM), aplicando un diseño de BoxBehnken. Las respuestas analizadas fueron el contenido individual (% p/p) de CBD, de  9 - tetrahidrocannabinol ( 9 -THC) y de cannabinol (CBN) presentes en Cannabis sativa L., así como el contenido total de cannabinoides. Para llevar a cabo el proceso se seleccionaron como variables independientes: la temperatura de extracción (X1 = 15-35 ºC), el tiempo de extracción (X2 = 5-15 min) y el ratio soluto:disolvente (X3 = 20-80 mL/g). Los cuatro modelos matemáticos obtenidos durante el proceso de optimización de la extracción de los diferentes cannabinoides mediante RSM se ajustaron a los datos experimentales, obteniéndose las diferentes superficies de respuesta. A partir de los diferentes resultados, se pudo llevar a cabo la optimización tanto del proceso de extracción del CBD presente en la muestra de Cannabis sativa L., así como el de extracción de la totalidad de cannabinoides analizados. En particular, las condiciones óptimas obtenidas para el proceso de extracción de CBD fueron X1 = 26,5 ºC, X2 = 12,2 min y 1:X3 = 1:20, mientras que para la extracción del total de cannabinoides estudiados fueron X1 = 28,7 ºC, X2 = 12,5 min y 1:X3 = 1:20. Utilizando estas condiciones, los valores máximos correspondientes al contenido de CBD y al de cannabinoides totales analizados fueron 10,6 ± 0,2% y 14,7 ± 0,3%, respectivamente. Finalmente, se llevó a cabo la validación de los modelos utilizando las condiciones óptimas para ambas respuestas. No se observaron diferencias significativas entre los valores estimados y los resultados experimentales, lo cual es indicativo de la validez de los modelos para llevar a cabo la optimización del proceso de extracción de cannabinoides a partir de Cannabis sativa L.

[eng] Cannabis sativa L. is a plant of the Cannabaceae family that represents an important source of secondary metabolites, with more than 500 identified compounds. It is a plant that has been causing controversy for decades due to the presence of psychoactive compounds, although in recent years it has acquired great importance due to the pharmacological potential shown by some of the main cannabinoid compounds present in the plant. For this reason, it is of great interest to evaluate the optimisation of the extraction process of these bioactive compounds by means of an efficient methodology, which allows saving in resources, time and costs of the process. In this context, this study is based on the use of power ultrasound as a technology to carry out the cannabinoid extraction. The research carried out to date on the multivariate optimisation of the cannabinoid extraction process present in Cannabis sativa L. is quite limited, despite the growing interest of this plant as a source of cannabidiol (CBD) and other non-psychoactive cannabinoids of great interest. Therefore, the main objective of this work is to carry out the optimisation of the acoustically assisted extraction of the main cannabinoids present in Cannabis sativa L. in order to establish the extraction conditions that allow obtaining the highest yields of the selected cannabinoids. For the optimization of the cannabinoid extraction process from Cannabis sativa L., the response surface methodology (RSM) was used, applying a Box-Behnken design. The responses analyzed were the individual content (% w/w) of CBD,  9 -tetrahydrocannabinol ( 9 -THC) and cannabinol (CBN) present in Cannabis sativa L., as well as the total content of cannabinoids. To carry out the process, the following were selected as independent variables: extraction temperature (X1 = 15-35 ºC), extraction time (X2 = 5-15 min) and solute: solvent ratio (X3 = 20-80 mL/g). The four mathematical models obtained during the optimisation process of the extraction of the different cannabinoids using RSM were adjusted to the experimental data, obtaining the different response surfaces. Based on the different results, it was possible to carry out the optimization of both the extraction process of the CBD present in the Cannabis sativa L. sample, as well as the extraction of all the cannabinoids analysed. In particular, the optimal conditions obtained for the CBD extraction process were as follows: X1 = 26,5 ºC, X2 = 12,2 min and 1:X3 = 1:20, whereas for the extraction of the total cannabinoids studied were X1 = 28,7 ºC, X2 = 12,5 min and 1:X3 = 1:20. Using these conditions, the maximum values corresponding to the CBD content and to the total cannabinoids analysed were 10,6 ± 0,2% and 14,7 ± 0,3%, respectively. Finally, the validation of the models was carried out using the optimal conditions for both responses. No significant differences were observed between the estimated values and the experimental results, which is indicative of the validity of the models to carry out the optimisation of the cannabinoid extraction process from Cannabis sativa L.