Extracția, proprietățile fizico-chimice, anti-îmbătrânirea și activitățile antioxidante ale polizaharidelor din reziduurile industriale de cânepă Partea 1
Jul 10, 2023
Abstract: O cantitate mare de polizaharide de cânepă rămân în reziduurile industriale de cânepă (IHR) după extracția canabidiolului, ceea ce duce la risipa de resurse. Prin urmare, studiul sistematic al polizaharidelor de cânepă este benefic pentru dezvoltarea IHR în viitor. În acest studiu, extracția polizaharidelor reziduale de cânepă industrială (IHRP) a fost optimizată printr-un experiment cu un singur factor și un design experimental ortogonal. Condițiile optime de extracție cu încălzire au fost temperatura de extracție 98 ◦C, raportul solid-lichid 1:10, timpul de extracție 1 h, numărul de extracții succesive la 2 și pH-ul la 4. Raportul de extracție și conținutul de polizaharide au fost 20,12 ± 0,55 la sută și, respectiv, 12,35 ± 0,26 la sută în condiții. În plus, cele mai bune condiții de precipitare cu alcool au fost pomparea cu 2 L/h, agitarea continuă și baia de apă cu gheață timp de 4 ore. IHRP-urile brute au fost purificate în continuare prin cromatografie pe coloană și conținutul de polizaharide/proteine ale IHRP-urilor purificate a fost de 34,44% și 1,61%. IHRP-urile erau alcătuite în principal din zece monozaharide și unele componente non-zahar, inclusiv acizi organici, flavonoide, steroizi și glicozide. FT-IR a demonstrat scheletul polizaharidic al IHRP. Mai mult, ratele de eliminare a DPPH și ABTS ale IHRP au fost de 76,00 la sută și 99,05 la sută la concentrații de 1 mg/mL. IHRP-urile ar putea promova proliferarea celulelor epidermice și vindecarea zgârieturilor celulare. Între timp, IHRP-urile ar putea promova expresia genelor legate de anti-îmbătrânire. În general, IHRP-urile ar putea fi o sursă naturală dorită de antioxidanți și produse anti-îmbătrânire în multe aspecte.
Glicozidul cistanchei poate crește, de asemenea, activitatea SOD în țesuturile inimii și hepatice și poate reduce semnificativ conținutul de lipofuscină și MDA din fiecare țesut, eliminând eficient diferiți radicali reactivi de oxigen (OH-, H₂O₂ etc.) și protejând împotriva daunelor cauzate de ADN. prin radicalii OH. Glicozidele feniletanoide Cistanche au o capacitate puternică de captare a radicalilor liberi, o capacitate de reducere mai mare decât vitamina C, îmbunătățește activitatea SOD în suspensia de spermă, reduc conținutul de MDA și au un anumit efect protector asupra funcției membranei spermatozoizilor. Polizaharidele Cistanche pot spori activitatea SOD și GSH-Px în eritrocite și țesuturi pulmonare ale șoarecilor senescenți experimental cauzate de D-galactoză, precum și pot reduce conținutul de MDA și colagen în plămâni și plasmă și pot crește conținutul de elastină, au un bun efect de curățare asupra DPPH, prelungește timpul de hipoxie la șoarecii senescenți, îmbunătățește activitatea SOD în ser și întârzie degenerarea fiziologică a plămânilor la șoarecii senescenți experimental. Cu degenerarea morfologică celulară, experimentele au arătat că Cistanche are o bună capacitate antioxidantă. și are potențialul de a fi un medicament pentru prevenirea și tratarea bolilor de îmbătrânire a pielii. În același timp, echinacozidul din Cistanche are o capacitate semnificativă de a elimina radicalii liberi DPPH și poate elimina speciile reactive de oxigen, poate preveni degradarea colagenului indusă de radicalii liberi și, de asemenea, are un efect bun de reparare asupra daunelor anionice a radicalilor liberi de timină.
Faceți clic pe Rou cong rong beneficii
【Pentru mai multe informații:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】
Cuvinte cheie: cânepă industrială; polizaharidă; extracţie; activitate antioxidantă; activitate anti-imbatranire
1. Introducere
Cânepa (Cannabis sativa L.), o plantă anuală din familia Canabisului, este folosită de mii de ani [1]. Conținutul de tetrahidrocannabinol (THC) al cânepei industriale este mai mic de 0,3% în greutate, ceea ce este diferit de marijuana medicală și marijuana recreativă [2,3]. Prin urmare, cânepa industrială ar putea fi cultivată legal pe scară largă. Compoziția chimică a cânepei industriale este foarte complexă, incluzând canabinoizi, terpenoizi, alcaloizi și flavonoizi [4]. Cei mai bioactivi compuși sunt canabinoizii care includ mai mult de 130 de compuși terpeni fenolici care se acumulează în principal în vârfurile florilor [5]. Canabinoizii majori sunt THC, canabidiol (CBD), canabinol (CBN), canabigerol (CBG), canabidivar (CBDV), canabidiol (CBT) și canabiciclol (CBL) [6]. Dintre aceștia, THC, un compus psihoactiv restricționat în diferite țări, și CBD sunt canabinoizii cei mai studiati pentru bioactivitățile lor semnificative [7], cum ar fi activitățile neuroprotectoare, antiepileptice, anticanceroase și imunoreglatoare [8]. Existența acestor compuși crește importanța cânepei industriale. În prezent, cânepa industrială a fost utilizată pe scară largă în domeniile chimice zilnice, materialelor, energiei și medicinei [9]. Tratamentul actual al reziduurilor industriale de cânepă (IHR) le aruncă direct, ceea ce nu numai că poluează mediul înconjurător, ci provoacă și o risipă de resurse [10].
Polizaharida este un polimer care constă din peste 10 monozaharide [11]. Este una dintre cele mai esențiale macromolecule biologice. În ultimii ani, multe articole au raportat că polizaharidele naturale din plante au activități biologice bune, inclusiv activități anticancerigene [12], antiinflamatoare [13], antioxidante [14], imunomodulatoare [15], hipoglicemiante [16] și antivirale. [17]. Compoziția moleculară și structura spațială a polizaharidelor au, în general, efecte semnificative asupra proprietăților și activităților lor [18]. Odată cu dezvoltarea tehnologiei de separare, purificare și analiză structurală a polizaharidelor, este în general acceptat că polizaharidele au valori mari de aplicare în domeniul medicamentelor, cosmeticelor și alimentelor [19]. Conținutul de polizaharide din reziduurile de cânepă industrială este de aproximativ 10 la sută -15 la sută. Polizaharidele de cânepă au multe proprietăți fizico-chimice excelente, deoarece conțin o mulțime de hidroxili hidrofili, cum ar fi capacitatea puternică de absorbție a apei, proprietăți de emulsionare și capacitate bună de formare a peliculei. Între timp, polizaharidele de cânepă au reținere a umidității, efecte antibacteriene și nu sunt toxice. Prin urmare, au perspective extinse de aplicare în domeniul cosmeticelor. Produsele fermentate ale polizaharidelor de cânepă (oligozaharide sau unii alcooli de zahăr), despre care se spune că au bune activități antioxidante, anti-îmbătrânire și anti-oboseală, au fost utilizate pentru a dezvolta băuturi funcționale [20]. Compoziția polizaharidelor de cânepă este relativ complexă și variază de la monozaharide la polizaharide de 5 × 104 Da.
Există puține rapoarte despre separarea și extracția polizaharidelor de cânepă. Hillestad și colab. izolate două glicoproteine din cânepă. Structura de legătură a lanțului glucozidic și conexiunea dintre lanț și proteină au fost analizate prin metilare și degradare Smith [21]. JW Groce și colab. a măsurat conținutul de carbohidrați al cânepei cultivate în Statele Unite, Thailanda și, respectiv, Vietnam. Sa subliniat că au existat diferențe mari în tipul și conținutul de compuși între soiurile din diferite zone [22]. Zheng şi colab. a analizat compoziția și structura monozaharidelor HSP0 și HSP0.2, două componente ale polizaharidei din semințe de cânepă, prin HPLC și FT-IR. S-a descoperit că HSP0 și HSP0.2 conțin ambele radicali sulfat [23]. Bi și colab. a obţinut două polizaharide din seminţe de cânepă HS1 şi HS2 prin cromatografie prin filtrare pe gel. Principalele monozaharide au fost D-arabinoză, D-xiloză, D-manoză, D-galactoză și D-glucoză, iar raporturile lor molare au fost 0,12, 0.09. , 0.15, 0.11 și, respectiv, 0,12 [24]. Guo și colab. a preparat polizaharide din frunzele de cânepă industrială și a studiat efectele luminii ultraviolete, temperaturii și pH-ului asupra activității lor antibacteriene. S-a constatat că concentrația minimă bactericidă și concentrația minimă de inhibiție a polizaharidelor împotriva S. aureus au fost de 6,25 și, respectiv, 3,125 mg/mL. În plus, activitatea antibacteriană a fost cea mai mare când pH-ul a fost 7.
În acest studiu, IHR după extracția canabidiolului a fost folosit ca materie primă pentru extracția polizaharidelor. Procesul de extracție și purificare a polizaharidelor reziduale de cânepă industrială (IHRP) a fost optimizat. Apoi au fost analizate structura și compoziția IHRP-urilor. În plus, a fost evaluată capacitatea de curățare ABTS și DPPH a IHRP-urilor. Activitatea sa anti-imbatranire a fost studiata si la nivel celular. Se speră că IHRP-urile ar putea fi utilizate pe scară largă în domeniul cosmeticelor și al alimentelor funcționale.
2. Rezultate și discuții
2.1. Experimente cu un singur factor de extracție pentru IHRP
2.1.1. Efectele metodelor de extracție asupra extracției polizaharidelor
Efectele extracției prin percolare, extracției prin încălzire și extracției asistate cu ultrasunete asupra extracției polizaharidelor sunt prezentate în Figura 1a. S-a putut observa că conținutul de polizaharide din extracția prin percolare a fost aproape de 0 procente, ceea ce a indicat că aproape nicio polizaharidă nu a fost extrasă și extractul a constat în principal din pigment și alte componente solubile în apă. Rezultatele s-au datorat extracției prin percolare fiind foarte blândă, iar peretele celular al IHR nu a fost spart. Astfel, polizaharidele nu au putut fi extrase din celule, ceea ce a făcut ca conținutul de polizaharide și raportul de extracție al extracției prin percolare să fie foarte scăzute. Raportul de extracție al extracției prin încălzire a fost mai mare decât cel al extracției asistate cu ultrasunete. Cu toate acestea, conținutul de polizaharide al extracției prin încălzire (11,27 la sută) a fost mai mic decât cel al extracției asistate cu ultrasunete (13,81 la sută). Extracția prin încălzire este una dintre cele mai frecvent utilizate metode de extracție datorită simplității procesului și a costului redus. Cu toate acestea, timpul de extracție cu încălzire este relativ lung și raportul de extracție nu este mare. Temperatura de extracție are în general o mare influență asupra raportului de extracție. Raportul de extracție mai mare al extracției cu încălzire în această lucrare sa datorat faptului că extracția cu încălzire a fost efectuată la 98 ◦C, în timp ce extracția asistată cu ultrasunete a fost efectuată la 60 ◦C. Extracția asistată cu ultrasunete ar putea scurta timpul de extracție deoarece efectul de cavitație și efectul mecanic ar putea distruge pereții celulari, îmbunătăți penetrarea solventului și accelerează transferul polizaharidelor în solvent [25]. Astfel, conținutul de polizaharide al extracției asistate cu ultrasunete a fost mai mare decât cel al extracției prin încălzire. Extracția prin încălzire a fost aleasă pentru următoarele experimente având în vedere simplitatea procesului și industrializarea.
2.1.2. Efectele temperaturii de extracție asupra extracției polizaharidelor
Efectele temperaturii de extracție asupra extracției polizaharidelor au fost prezentate în Figura 1b când raportul solid-lichid a fost de 1:10, timpul de extracție a fost de 1 oră, numărul de extracții succesive a fost 2 și pH-ul a fost 7. Raportul de extracție și conținutul de polizaharide atât crescut odată cu creșterea temperaturii. Când temperatura a fost de 98 ◦ C, cel mai mare raport de extracție și conținutul de polizaharide au fost de 14,99 la sută și, respectiv, 12,03 la sută.
2.1.3. Efectele raportului solid-lichid asupra extracției polizaharidelor
Când temperatura de extracție a fost de 98 ◦ C, timpul de extracție a fost de 1 oră, numărul de extracții succesive a fost 2 și pH-ul a fost 7, efectele raportului solid-lichid asupra extracției polizaharidelor au fost afișate în Figura 1c. Raportul de extracție a crescut treptat cu raportul solid-lichid de la 1:6 la 1:10 și apoi a devenit neted. Cu toate acestea, conținutul de polizaharide nu a fost aproape afectat de raportul solid-lichid. În plus, soluția ar putea doar scufunda materia primă atunci când raportul solid-lichid era de 1:5 din cauza densității scăzute a frunzelor plantelor. Prin urmare, raportul solid-lichid de 1:6 a fost studiat în primul rând.
2.1.4. Efectele pH-ului asupra extracției polizaharidelor
Când temperatura de extracție a fost de 98 ◦ C, timpul de extracție a fost de 1 oră, numărul de extracții succesive a fost 2 și raportul solid-lichid a fost 1:10, efectele pH-ului asupra extracției polizaharidelor au fost afișate în Figura 1d. Când soluția a fost acidificată sau alcalinizată treptat, raportul de extracție a fost îmbunătățit într-o oarecare măsură. Cu toate acestea, conținutul de polizaharide a avut o tendință de scădere odată cu creșterea pH-ului, ceea ce a indicat că starea acidă a fost benefică pentru extracția IHRP-urilor.
2.1.5. Efectele timpului de extracție asupra extracției polizaharidelor
Când temperatura de extracție a fost de 98 ◦ C, pH-ul a fost 7, numărul de extracții succesive a fost 2 și raportul solid-lichid a fost 1:10, efectele timpului de extracție asupra extracției polizaharidelor au fost afișate în Figura 1e. Raportul de extracție a scăzut ușor când timpul de extracție a depășit 1 oră. În plus, conținutul de polizaharide nu a fost aproape influențat de diferiții timpi de extracție.
2.1.6. Efectele numărului de extracții succesive asupra extracției polizaharidelor
Când temperatura de extracție a fost de 98 ◦ C, timpul de extracție a fost de 1 oră, pH-ul a fost 7 și raportul solid-lichid a fost 1:10, efectele mai multor extracții succesive asupra extracției polizaharidelor au fost prezentate în Figura 1f. Raportul de extracție a scăzut la 5,11 procente când materia primă a fost extrasă a doua oară. În plus, conținutul de polizaharide a fost foarte scăzut când materia primă a fost extrasă a treia oară.
2.2. Proiectare experimentală ortogonală de extracție pentru 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>raport solid-lichid > pH. Grupa 5 (raportul solid-lichid a fost 1:8, numărul de extracții succesive a fost 3, temperatura de extracție a fost 80 ◦C și pH-ul a fost 4) a avut cel mai mare conținut de polizaharide (12,79 la sută), în timp ce grupa 9 (raportul solid-lichid a fost 1). :10, numărul de extracții succesive a fost 2, temperatura de extracție a fost de 98 ◦ C și pH-ul a fost 4) a avut al doilea cel mai mare conținut de polizaharide (12,26 la sută). Având în vedere consumul de energie și operabilitatea, s-a efectuat validarea comparativă între loturile 5 și 9 pentru a determina cele mai adecvate condiții de extracție. După cum se arată în Tabelul 2, experimentele verificate au arătat că conținutul de polizaharide între grupurile 5 și 9 a fost foarte apropiat. Astfel, pentru a economisi consumul de energie, au fost selectate condițiile de extracție ale grupului 9 pentru a extrage IHRP pentru utilizarea acestuia în următoarele experimente: raportul solid-lichid a fost de 1:10, temperatura de extracție a fost de 98 ◦C, numărul de extracții succesive a fost 2 și pH-ul a fost 4.
2.3. Ecranul condițiilor de precipitații ale alcoolului IHRP
Soluția de extracție a IHRPs a fost obținută conform condițiilor de extracție optimizate de 2.2. Efectele diferitelor condiții de precipitare a alcoolului au fost afișate în Tabelul 3. În comparație cu adăugarea și agitarea o singură dată timp de 0,5 ore, pomparea și agitarea continuă ar putea îmbunătăți și mai mult conținutul de polizaharide. Cu toate acestea, efectul vitezei de răcire asupra conținutului de polizaharide nu a fost evident. Prin urmare, condițiile de precipitare cu alcool din grupul 4 au fost alese pentru prepararea IHRP-urilor.
2.4. Randamentul polizaharidelor și compoziția chimică a IHRP purificate
IHRP-urile brute au fost decolorate și purificate prin adsorbție de cărbune activat, filtrare pe membrană, cromatografie pe coloană și, respectiv, metoda sevage. După cum se arată în Figura 2, tratamentul cu 8% adsorbție de cărbune activ a avut cel mai bun efect de decolorare, urmat de tratamentul cu cromatografie pe coloană. În plus, metoda de margine și filtrarea prin membrană nu au avut aproape niciun efect de decolorare. Având în vedere industrializarea și simplitatea procesului, cromatografia pe coloană cu rășină schimbătoare de anioni a fost utilizată pentru a purifica IHRP-urile în acest manuscris. În plus, așa cum se arată în Tabelul 4, greutatea IHRP a fost de 15,26 g când purificarea a fost efectuată după precipitarea cu alcool, în timp ce greutatea IHRP a fost de 12,74 g când purificarea a fost efectuată direct după extracția prin încălzire. Cu toate acestea, greutatea reală a polizaharidei a celor două procese a fost foarte apropiată (4,69 g și 4,38 g). Prin urmare, pentru a economisi costuri, purificarea cromatografiei pe coloană ar putea fi efectuată direct după extracția prin încălzire.
2.5. Spectroscopia FT-IR a IHRP-urilor
Unele caracteristici structurale ale polizaharidelor ar putea fi deduse pe baza vârfurilor de absorbție caracteristice ale FT-IR [26]. Spectrul FT-IR al IHRP este prezentat în Figura 3 și s-a putut observa absorbția tipică a polizaharidei. Vârful în jurul valorii de 3378 cm−1 a fost atribuit vibrației de întindere a -OH, indicând existența -OH [27]. Vârful slab la 2932 cm−1 a fost vibrația de întindere a CH, inclusiv vibrația -CH2 și -CH3 [28]. Vârful puternic la aproximativ 1600 cm−1 a fost legat de vibrația de întindere -C=O [29], iar vârful în jurul valorii de 1413 cm−1 a fost notat pentru vibrația de întindere a CO, indicând existența -COOH. În plus, vârful relativ puternic la 1080 cm−1 corespunde foarte probabil vibrației de îndoire OH. Spectrul FT-IR al IHRP a afișat multe vârfuri de absorbție caracteristice ale polizaharidelor, demonstrând scheletul polizaharidic al IHRP.
2.6. Analiza compoziției monozaharidelor IHRP
Bioactivitatea polizaharidelor este frecvent legată de compozițiile de monozaharide. În acest studiu, compoziția de monozaharidă a IHRP a fost obținută prin cromatografie ionică, așa cum este afișată în Figura 4. Conform standardelor de monozaharide, IHRP-urile au fost compuse din fucoză, arabinoză, ramnoză, galactoză, glucoză, xiloză, riboză, acid galacturonic, acid guluronic, și acid glucuronic. Procentele lor de calitate au fost 1,33, 19,60, 10,41, 20,87, 27,42, 4,23, 3,12, 6,22, 0,28 și, respectiv, 2,37. S-a putut constata că arabinoza, ramnoza, galactoza și glucoza au fost principalele monozaharide din IHRP. Glucoza a fost o monozaharidă dominantă în IHRP, iar rezultatul a fost în concordanță cu studiul anterior [30]. Conținutul de acid uronic ar fi putut face polizaharidele încărcate negativ. Acest rezultat a avut o influență semnificativă asupra bioactivităților polizaharidelor [31]. În plus, conținutul de polizaharide al IHRP a fost între 30 la sută și 35 la sută. Componentele non-zahăr au fost în principal acizi organici, flavonoide, steroizi și glicozide. Între timp, conținutul fiecărei componente non-zahăr a fost relativ scăzut.
2.7. Studiu privind activitatea antioxidantă
Capacitatea de captare a radicalilor liberi ABTS și DPPH a fost studiată pe larg pentru a evalua activitatea antioxidantă a polizaharidelor [32]. Capacitatea de captare a IHRP împotriva ABTS și DPPH este afișată în Tabelul 5. După cum este prezentat în Tabelul 5, rata de captare a DPPH și ABTS a crescut odată cu creșterea concentrației IHRP. Când concentrația de IHRP a fost de 1,0 mg/mL, rata de eliminare a DPPH a fost de 76,00 la sută, în timp ce rata de eliminare a ABTS a fost de 99,{{10}}5 la sută . După calcul, valorile EC50 ale ABTS și DPPH au fost determinate ca 0,34 și 0,47 mg/mL. Din cunoștințele noastre, nu există niciun raport despre activitatea antioxidantă a IHRP. A fost studiată activitatea antioxidantă a inflorescențelor din 12 soiuri monoice de Cannabis sativa L. [33]. Dintre acestea, ananasul a avut cea mai puternică activitate de captare împotriva DPPH (EC50=60.00 µg/mL), în timp ce Kc-Virtus a avut cea mai puternică capacitate de captare împotriva ABTS (EC{50=304.00 µg/mL) ml). În ceea ce privește activitatea antioxidantă a uleiului cu spectru complet de canabidiol, sa raportat că DPPH EC50 al acestuia a fost de 158,0 µg/mL [34]. În plus, DPPH EC50 al CBD a fost raportat a fi de 0,937 mM [35]. A fost studiată și capacitatea de captare a radicalilor liberi a CBDV, adică ABTS EC50 a fost de 406,3 µM în timp ce DPPH EC50 a fost de 3736 µM [36]. Rezultatele de mai sus au indicat că IHRP-urile au arătat o activitate antioxidantă mare
【Pentru mai multe informații:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】
