Extracció, propietats fisicoquímiques, anti-envelliment i activitats antioxidants dels polisacàrids a partir de residus de cànem industrial, part 1
Jul 10, 2023
Resum: Una gran quantitat de polisacàrids de cànem queden als residus de cànem industrial (IHR) després de l'extracció de cannabidiol, donant lloc al malbaratament de recursos. Per tant, l'estudi sistemàtic dels polisacàrids de cànem és beneficiós per al desenvolupament de l'IHR en el futur. En aquest estudi, l'extracció de polisacàrids de residus de cànem industrial (IHRP) es va optimitzar mitjançant un experiment d'un sol factor i un disseny experimental ortogonal. Les condicions òptimes d'extracció per escalfament eren la temperatura d'extracció 98 ◦C, la relació sòlid-líquid 1:10, el temps d'extracció 1 h, el nombre d'extraccions successives a 2 i el pH a 4. La relació d'extracció i el contingut de polisacàrids van ser 20,12 ± 0,55 per cent i 12,35 ± 0,26 per cent a les condicions, respectivament. A més, les millors condicions de precipitació d'alcohol van ser bombejar amb 2 L/h, agitant contínuament i bany d'aigua gelada durant 4 h. Els IHRP bruts es van purificar encara més mitjançant cromatografia en columna i els continguts de polisacàrids/proteïnes dels IHRP purificats van ser del 34,44% i del 1,61%. Els IHRP estaven formats principalment per deu monosacàrids i alguns components no sucres, inclosos àcids orgànics, flavonoides, esteroides i glicòsids. El FT-IR va demostrar l'esquelet de polisacàrids dels IHRP. A més, les taxes d'eliminació de DPPH i ABTS dels IHRP eren del 76,00 per cent i del 99,05 per cent a les concentracions d'1 mg/mL. Els IHRP podrien promoure la proliferació de cèl·lules epidèrmiques i la curació de les rascades cel·lulars. Mentrestant, els IHRP podrien promoure l'expressió de gens relacionats amb l'envelliment. En general, els IHRP podrien ser una font natural desitjable d'antioxidants i productes anti-envelliment en molts aspectes.
El glicòsid de cistanche també pot augmentar l'activitat de la SOD en els teixits del cor i del fetge, i reduir significativament el contingut de lipofuscina i MDA a cada teixit, eliminant eficaçment diversos radicals reactius d'oxigen (OH-, H₂O₂, etc.) i protegint contra els danys de l'ADN causats. per radicals OH. Els glucòsids feniletanoides de Cistanche tenen una forta capacitat d'eliminació dels radicals lliures, una capacitat reductora superior a la de la vitamina C, milloren l'activitat de SOD en la suspensió d'esperma, redueixen el contingut de MDA i tenen un cert efecte protector sobre la funció de la membrana espermàtica. Els polisacàrids de Cistanche poden millorar l'activitat de SOD i GSH-Px en eritròcits i teixits pulmonars de ratolins senescents experimentalment causats per D-galactosa, així com reduir el contingut de MDA i col·lagen al pulmó i el plasma, i augmentar el contingut d'elastina. un bon efecte d'eliminació de DPPH, allarga el temps d'hipòxia en ratolins senescents, millora l'activitat de SOD al sèrum i retarda la degeneració fisiològica del pulmó en ratolins senescents experimentalment Amb la degeneració morfològica cel·lular, els experiments han demostrat que Cistanche té la bona capacitat antioxidant. i té el potencial de ser un fàrmac per prevenir i tractar malalties de l'envelliment de la pell. Al mateix temps, l'echinacòsid a Cistanche té una capacitat significativa per eliminar els radicals lliures DPPH i pot eliminar espècies reactives d'oxigen, prevenir la degradació del col·lagen induïda pels radicals lliures i també té un bon efecte reparador sobre el dany dels anions dels radicals lliures de timina.
Feu clic a avantatges de rou cong rong
【Per a més informació:george.deng@wecistanche.com/WhatApp:86 13632399501】
Paraules clau: cànem industrial; polisacàrid; extracció; activitat antioxidant; activitat anti-envelliment
1. Introducció
El cànem (Cannabis sativa L.), una herba anual de la família del cànnabis, s'ha utilitzat durant milers d'anys [1]. El contingut de tetrahidrocannabinol (THC) del cànem industrial és inferior al 0,3 per cent en pes, que és diferent de la marihuana medicinal i la marihuana recreativa [2,3]. Per tant, el cànem industrial es podria conrear legalment a gran escala. La composició química del cànem industrial és molt complexa, incloent cannabinoides, terpenoides, alcaloides i flavonoides [4]. Els compostos més bioactius són els cannabinoides que inclouen més de 130 compostos fenòlics terpènics que s'acumulen principalment a la part superior de les flors [5]. Els principals cannabinoides són el THC, el cannabidiol (CBD), el cannabinol (CBN), el cannabigerol (CBG), la cannabidivariana (CBDV), el cannabidiol (CBT) i el cannabiciclol (CBL) [6]. Entre ells, el THC, un compost psicoactiu restringit en diferents països, i el CBD són els cannabinoides més estudiats per les seves bioactivitats importants [7], com les activitats neuroprotectores, antiepilèptiques, anticancerígenes i immunoreguladores [8]. L'existència d'aquests compostos augmenta la importància del cànem industrial. En l'actualitat, el cànem industrial s'ha utilitzat àmpliament en els camps de la química diària, els materials, l'energia i la medicina [9]. El tractament actual dels residus de cànem industrial (IHR) els està descartant directament, cosa que no només contamina el medi ambient sinó que també provoca un malbaratament de recursos [10].
El polisacàrid és un polímer que consta de més de 10 monosacàrids [11]. És una de les macromolècules biològiques més essencials. En els darrers anys, molts articles han informat que els polisacàrids naturals de les plantes tenen bones activitats biològiques, incloses activitats anticancerígenes [12], antiinflamatòries [13], antioxidants [14], immunomoduladores [15], hipoglucèmiants [16] i antivirals. [17]. La composició molecular i l'estructura espacial dels polisacàrids generalment tenen efectes significatius en les seves propietats i activitats [18]. Amb el desenvolupament de la tecnologia de separació, purificació i anàlisi estructural de polisacàrids, s'accepta generalment que els polisacàrids tenen grans valors d'aplicació en els camps dels medicaments, cosmètics i aliments [19]. El contingut de polisacàrids dels residus de cànem industrial és d'un 10% -15%. Els polisacàrids de cànem tenen moltes propietats fisicoquímiques excel·lents perquè contenen molts hidroxils hidròfils, com ara una forta capacitat d'absorció d'aigua, propietats emulsionants i una bona capacitat de formació de pel·lícules. Mentrestant, els polisacàrids de cànem tenen efectes de retenció d'humitat, antibacterians i no tòxics. Per tant, tenen àmplies perspectives d'aplicació en el camp de la cosmètica. Els productes fermentats dels polisacàrids de cànem (oligosacàrids o alguns alcohols de sucre), que s'informa que tenen bones activitats antioxidants, anti-envelliment i anti-fatiga, s'han utilitzat per desenvolupar begudes funcionals [20]. La composició dels polisacàrids de cànem és relativament complexa i oscil·la entre els monosacàrids i els polisacàrids de 5 × 104 Da.
Hi ha pocs informes sobre la separació i extracció de polisacàrids de cànem. Hillestad et al. aïllades dues glicoproteïnes del cànem. L'estructura d'enllaç de la cadena de glucòsids i la connexió entre la cadena i la proteïna es van analitzar mitjançant la metilació i la degradació de Smith [21]. JW Groce et al. va mesurar el contingut d'hidrats de carboni del cànem cultivat als Estats Units, Tailàndia i Vietnam respectivament. Es va assenyalar que existien grans diferències en el tipus i contingut de compostos entre les varietats de diferents àrees [22]. Zheng et al. van analitzar la composició i l'estructura de monosacàrids de HSP0 i HSP0.2, dos components del polisacàrid de llavors de cànem, per HPLC i FT-IR. Es va trobar que HSP0 i HSP0.2 contenien tots dos radicals sulfat [23]. Bi et al. va obtenir dos polisacàrids de llavors de cànem HS1 i HS2 per cromatografia de filtració en gel. Els principals monosacàrids eren D-arabinosa, D-xilosa, D-manosa, D-galactosa i D-glucosa, i les seves proporcions molars eren 0,12, 0.09. , 0.15, 0.11 i 0.12, respectivament [24]. Guo et al. va preparar polisacàrids a partir de fulles de cànem industrial i va estudiar els efectes de la llum ultraviolada, la temperatura i el pH sobre la seva activitat antibacteriana. Es va trobar que la concentració mínima bactericida i la concentració mínima d'inhibició dels polisacàrids contra S. aureus eren de 6,25 i 3,125 mg/mL, respectivament. A més, l'activitat antibacteriana va ser la més alta quan el pH era de 7.
En aquest estudi, l'IHR després de l'extracció de cannabidiol es va utilitzar com a matèria primera per a l'extracció de polisacàrids. Es va optimitzar el procés d'extracció i purificació de polisacàrids de residus de cànem industrial (IHRP). A continuació, es va analitzar l'estructura i la composició dels IHRP. A més, es va avaluar la capacitat d'eliminació d'ABTS i DPPH dels IHRP. La seva activitat antienvelliment també es va estudiar a nivell cel·lular. S'espera que els IHRP es puguin utilitzar àmpliament en els camps de la cosmètica i els aliments funcionals.
2. Resultats i discussió
2.1. Experiments d'extracció de factor únic per a IHRP
2.1.1. Efectes dels mètodes d'extracció sobre l'extracció de polisacàrids
A la figura 1a es mostren els efectes de l'extracció per percolació, l'extracció per escalfament i l'extracció assistida per ultrasons sobre l'extracció de polisacàrids. Es va poder veure que el contingut de polisacàrids de l'extracció per percolació era proper al 0 per cent, la qual cosa indicava que gairebé no s'extreia polisacàrid i que l'extracte consistia principalment en pigment i altres components solubles en aigua. Els resultats es van deure a que l'extracció per percolació era molt suau i la paret cel·lular de IHR no es trencava. Així, els polisacàrids no es van poder extreure de les cèl·lules, fet que va provocar que el contingut de polisacàrids i la relació d'extracció de l'extracció per percolació fos molt baixa. La relació d'extracció de l'extracció per escalfament va ser superior a la de l'extracció assistida per ultrasons. Tanmateix, el contingut de polisacàrids de l'extracció per escalfament (11,27 per cent) va ser inferior al de l'extracció assistida per ultrasons (13,81 per cent). L'extracció per calefacció és un dels mètodes d'extracció més utilitzats per la senzillesa i el baix cost del procés. Tanmateix, el temps d'extracció d'escalfament és relativament llarg i la relació d'extracció no és alta. La temperatura d'extracció generalment té una gran influència en la relació d'extracció. La proporció d'extracció més alta d'extracció per escalfament en aquest treball va ser perquè l'extracció per escalfament es va realitzar a 98 ◦ C mentre que l'extracció assistida per ultrasons es va realitzar a 60 ◦ C. L'extracció assistida per ultrasons podria escurçar el temps d'extracció perquè l'efecte de cavitació i l'efecte mecànic podrien destruir les parets cel·lulars, millorar la penetració del dissolvent i accelerar la transferència de polisacàrids al dissolvent [25]. Així, el contingut de polisacàrids de l'extracció assistida per ultrasons era superior al de l'extracció per escalfament. L'extracció per escalfament es va triar per als experiments següents donada la simplicitat del procés i la industrialització.
2.1.2. Efectes de la temperatura d'extracció sobre l'extracció de polisacàrids
Els efectes de la temperatura d'extracció sobre l'extracció de polisacàrids es van mostrar a la figura 1b quan la relació sòlid-líquid era 1:10, el temps d'extracció era 1 h, el nombre d'extraccions successives era 2 i el pH era 7. Tant la relació d'extracció com el contingut de polisacàrids augmentat amb l'augment de la temperatura. Quan la temperatura era de 98 ◦C, la proporció d'extracció i el contingut de polisacàrids més alts eren del 14,99 per cent i del 12,03 per cent, respectivament.
2.1.3. Efectes de la relació sòlid-líquid en l'extracció de polisacàrids
Quan la temperatura d'extracció era de 98 ◦ C, el temps d'extracció era d'1 h, el nombre d'extraccions successives era de 2 i el pH era de 7, els efectes de la relació sòlid-líquid sobre l'extracció de polisacàrids es van mostrar a la figura 1c. La relació d'extracció va augmentar gradualment amb la relació sòlid-líquid d'1:6 a 1:10, i després es va tornar suau. Tanmateix, el contingut de polisacàrids gairebé no es va veure afectat per la relació sòlid-líquid. A més, la solució només podria submergir la matèria primera quan la relació sòlid-líquid era d'1:5 a causa de la baixa densitat de les fulles de les plantes. Per tant, es va estudiar principalment la relació sòlid-líquid d'1:6.
2.1.4. Efectes del pH en l'extracció de polisacàrids
Quan la temperatura d'extracció era de 98 ◦ C, el temps d'extracció era d'1 h, el nombre d'extraccions successives era de 2 i la relació sòlid-líquid era 1:10, els efectes del pH en l'extracció de polisacàrids es van mostrar a la figura 1d. Quan la solució es va acidificar o alcalinitzar gradualment, la proporció d'extracció es va millorar en certa mesura. Tanmateix, el contingut de polisacàrids va tenir una tendència decreixent amb l'augment del pH, la qual cosa va indicar que la condició àcida era beneficiosa per a l'extracció d'IHRP.
2.1.5. Efectes del temps d'extracció sobre l'extracció de polisacàrids
Quan la temperatura d'extracció era de 98 ◦ C, el pH era 7, el nombre d'extraccions successives era 2 i la relació sòlid-líquid era 1:10, els efectes del temps d'extracció sobre l'extracció de polisacàrids es van mostrar a la figura 1e. La relació d'extracció va disminuir lleugerament quan el temps d'extracció superava 1 h. A més, el contingut de polisacàrids gairebé no es va veure influenciat pels diferents temps d'extracció.
2.1.6. Efectes del nombre d'extraccions successives sobre l'extracció de polisacàrids
Quan la temperatura d'extracció era de 98 ◦ C, el temps d'extracció era d'1 h, el pH era 7 i la relació sòlid-líquid era 1:10, els efectes de diverses extraccions successives sobre l'extracció de polisacàrids es van mostrar a la figura 1f. La relació d'extracció es va reduir al 5,11 per cent quan es va extreure la matèria primera per segona vegada. A més, el contingut de polisacàrids era molt baix quan es va extreure la matèria primera per tercera vegada.
2.2. Disseny experimental ortogonal d'extracció per a IHRP
It could be seen that extraction temperature, solid–liquid ratio, number of successive extractions, and pH had a great influence on polysaccharide extraction based on the single-factor experiments. Therefore, the orthogonal experiments were carried out to further optimize the extraction conditions. As shown in Table 1, the order of effect of individual factors on polysaccharide extraction was: extraction temperature > several successive extractions>relació sòlid-líquid > pH. El grup 5 (la relació sòlid-líquid va ser 1:8, el nombre d'extraccions successives va ser 3, la temperatura d'extracció va ser de 80 ◦ C i el pH va ser 4) tenia el contingut de polisacàrids més alt (12, 79 per cent), mentre que el grup 9 (la relació sòlid-líquid va ser 1). : 10, el nombre d'extraccions successives va ser de 2, la temperatura d'extracció era de 98 ◦ C i el pH era de 4) tenia el segon contingut de polisacàrids més alt (12,26 per cent). Tenint en compte el consum d'energia i l'operabilitat, es va realitzar la validació comparativa entre els grups 5 i 9 per determinar les condicions d'extracció més adequades. Tal com es mostra a la taula 2, els experiments verificats van mostrar que el contingut de polisacàrids entre els grups 5 i 9 era molt proper. Així, per estalviar el consum d'energia, es van seleccionar les condicions d'extracció del grup 9 per extreure IHRP per al seu ús en els experiments següents: la relació sòlid-líquid va ser 1:10, la temperatura d'extracció va ser de 98 ◦C, el nombre d'extraccions successives va ser de 2 i El pH era 4.
2.3. Pantalla de les condicions de precipitació alcohòlica de l'IHRP
La solució d'extracció d'IHRPs es va obtenir segons les condicions d'extracció optimitzades per 2.2. Els efectes de diferents condicions de precipitació d'alcohol es van mostrar a la taula 3. En comparació amb l'addició i agitació una vegada durant 0,5 h, el bombeig i l'agitació contínua podrien millorar encara més el contingut de polisacàrids. Tanmateix, l'efecte de la velocitat de refredament sobre el contingut de polisacàrids no era obvi. Per tant, es van escollir les condicions de precipitació d'alcohol del grup 4 per a la preparació d'IHRP.
2.4. Rendiment de polisacàrids i composició química dels IHRP purificats
Els IHRP bruts es van decolorar i es van purificar mitjançant adsorció de carbó activat, filtració de membrana, cromatografia en columna i mètode de sevage, respectivament. Com es mostra a la figura 2, el tractament amb un 8 per cent d'adsorció de carbó actiu va tenir el millor efecte decolorant, seguit del tractament de cromatografia en columna. A més, el mètode de selva i la filtració de membrana gairebé no tenien cap efecte decolorant. Tenint en compte la industrialització i la simplicitat del procés, es va utilitzar cromatografia en columna amb resina d'intercanvi d'anions per purificar els IHRP en aquest manuscrit. A més, tal com es mostra a la taula 4, el pes dels IHRP va ser de 15, 26 g quan la purificació es va realitzar després de la precipitació d'alcohol, mentre que el pes dels IHRP va ser de 12, 74 g quan la purificació es va realitzar directament després de l'extracció per escalfament. Tanmateix, el pes real dels polisacàrids dels dos processos va ser molt proper (4,69 g i 4,38 g). Per tant, per estalviar costos, la purificació per cromatografia en columna es podria dur a terme directament després de l'extracció per escalfament.
2.5. Espectroscòpia FT-IR d'IHRP
Algunes característiques estructurals dels polisacàrids es podrien inferir a partir dels pics d'absorció característics de FT-IR [26]. L'espectre FT-IR dels IHRP es mostra a la figura 3 i es pot observar l'absorció típica de polisacàrids. El pic al voltant de 3378 cm−1 es va atribuir a la vibració d'estirament -OH, que indica l'existència de -OH [27]. El pic feble a 2932 cm−1 va ser la vibració d'estirament de CH, inclosa la vibració de -CH2 i -CH3 [28]. El pic fort a uns 1600 cm−1 es va relacionar amb la vibració d'estirament -C=O [29], i el pic al voltant de 1413 cm−1 es va indicar per a la vibració d'estirament de CO, que indica l'existència de -COOH. A més, el pic relativament fort a 1080 cm−1 correspon molt probablement a la vibració de flexió OH. L'espectre FT-IR dels IHRP mostrava molts pics d'absorció característics de polisacàrids, demostrant l'esquelet de polisacàrids dels IHRP.
2.6. Anàlisi de la composició de monosacàrids d'IHRP
La bioactivitat dels polisacàrids està freqüentment relacionada amb les composicions de monosacàrids. En aquest estudi, la composició de monosacàrids dels IHRP es va adquirir per cromatografia iònica tal com es mostra a la figura 4. Segons els estàndards de monosacàrids, els IHRP estaven composts per fucosa, arabinosa, ramnosa, galactosa, glucosa, xilosa, ribosa, àcid galacturònic, àcid gulurònic, i àcid glucurònic. Els seus percentatges de qualitat eren 1,33, 19,60, 10,41, 20,87, 27,42, 4,23, 3,12, 6,22, 0,28 i 2,37 respectivament. Es va poder trobar que l'arabinosa, la ramnosa, la galactosa i la glucosa eren els principals monosacàrids dels IHRP. La glucosa era un monosacàrid dominant en els IHRP i el resultat era coherent amb l'estudi anterior [30]. El contingut d'àcid urònic podria haver fet que els polisacàrids es carreguessin negativament. Aquest resultat va tenir una influència significativa en les bioactivitats dels polisacàrids [31]. A més, el contingut de polisacàrids dels IHRP era entre el 30 i el 35 per cent. Els components no sucres eren principalment àcids orgànics, flavonoides, esteroides i glicòsids. Mentrestant, el contingut de cada component no sucre era relativament baix.
2.7. Estudi de l'activitat antioxidant
La capacitat d'eliminació de radicals lliures ABTS i DPPH s'ha estudiat àmpliament per avaluar l'activitat antioxidant dels polisacàrids [32]. La capacitat d'eliminació d'IHRP contra ABTS i DPPH es mostra a la taula 5. Tal com es mostra a la taula 5, la taxa d'eliminació de DPPH i ABTS va augmentar amb l'augment de la concentració d'IHRP. Quan la concentració d'IHRP era d'1,0 mg/mL, la taxa d'eliminació de DPPH era del 76.00 per cent, mentre que la taxa d'eliminació d'ABTS era del 99.{{10}}5 per cent. . Després del càlcul, els valors EC50 d'ABTS i DPPH es van determinar com a 0,34 i 0,47 mg/mL. Segons el nostre coneixement, no hi ha cap informe sobre l'activitat antioxidant dels IHRP. Es va estudiar l'activitat antioxidant de les inflorescències de 12 cultivars monoics de Cannabis sativa L. [33]. Entre ells, la pinya va tenir l'activitat d'eliminació més forta contra el DPPH (EC50=60.00 µg/mL) mentre que Kc-Virtus tenia la capacitat d'eliminació més forta contra l'ABTS (EC50=304,77 µg/ ml). Pel que fa a l'activitat antioxidant de l'oli d'espectre complet de cannabidiol, es va informar que el seu DPPH EC50 era de 158,0 µg/mL [34]. A més, es va informar que el DPPH EC50 del CBD era de 0, 937 mM [35]. També es va estudiar la capacitat d'eliminació de radicals lliures del CBDV, és a dir, l'ABTS EC50 era de 406,3 µM mentre que el DPPH EC50 era de 3736 µM [36]. Els resultats anteriors van indicar que els IHRP mostraven una gran activitat antioxidant
【Per a més informació:george.deng@wecistanche.com/WhatApp:86 13632399501】
