Extraktion, fysikalisk-kemiska egenskaper, anti-aging och antioxidantaktiviteter av polysackarider från industriella hamporester Del 1

Abstrakt: En stor mängd hampapolysackarider finns kvar i industrihamparester (IHR) efter cannabidiolextraktion, vilket leder till slöseri med resurser. Därför är den systematiska studien av hampapolysackarider fördelaktig för utvecklingen av IHR i framtiden. I denna studie optimerades utvinningen av industriella hampa polysackarider (IHRPs) genom ett enfaktorexperiment och ortogonal experimentell design. De optimala uppvärmningsextraktionsförhållandena var extraktionstemperatur 98 ◦C, fast-vätskeförhållande 1:10, extraktionstid 1 timme, antal successiva extraktioner vid 2 och pH vid 4. Extraktionsförhållandet och polysackaridhalten var 20,12 ± 0,55 procent respektive 12,35 ± 0,26 procent vid förhållandena. Dessutom var de bästa alkoholutfällningsförhållandena pumpning med 2 L/h, kontinuerlig omrörning och isvattenbad i 4 timmar. De råa IHRP:erna renades ytterligare genom kolonnkromatografi och polysackarid/proteinhalten i renade IHRPs var 34,44 procent och 1,61 procent. IHRPs bestod huvudsakligen av tio monosackarider och vissa icke-sockerkomponenter inklusive organiska syror, flavonoider, steroider och glykosider. FT-IR visade polysackaridskelettet av IHRPs. Dessutom var DPPH- och ABTS-avskiljningshastigheterna för IHRP:er 76,00 procent och 99,05 procent vid koncentrationerna 1 mg/ml. IHRPs kan främja proliferation av epidermala celler och läkning av cellrepor. Under tiden kan IHRP främja uttrycket av anti-aging-relaterade gener. Sammantaget kan IHRP vara en önskvärd naturlig källa till antioxidanter och anti-aging produkter i många aspekter.

Glykosid av cistanche kan också öka aktiviteten av SOD i hjärt- och levervävnader och avsevärt minska innehållet av lipofuscin och MDA i varje vävnad, effektivt rensa upp olika reaktiva syreradikaler (OH-, H₂O₂, etc.) och skydda mot DNA-skador orsakade av OH-radikaler. Cistanche-fenyletanoidglykosider har en stark rensande förmåga av fria radikaler, en högre reducerande förmåga än vitamin C, förbättrar aktiviteten av SOD i spermiesuspension, minskar innehållet av MDA och har en viss skyddande effekt på spermiemembranets funktion. Cistanche-polysackarider kan öka aktiviteten av SOD och GSH-Px i erytrocyter och lungvävnader hos experimentellt åldrande möss orsakade av D-galaktos, samt minska innehållet av MDA och kollagen i lungor och plasma, och öka innehållet av elastin, har en bra rensande effekt på DPPH, förlänger hypoxitiden hos åldrande möss, förbättrar aktiviteten av SOD i serum och fördröjer den fysiologiska degenereringen av lungor hos experimentellt åldrande möss. Med cellulär morfologisk degeneration har experiment visat att Cistanche har den goda antioxidantförmågan och har potential att vara ett läkemedel för att förebygga och behandla åldrande hudsjukdomar. Samtidigt har echinakosid i Cistanche en betydande förmåga att ta bort DPPH-fria radikaler och kan avlägsna reaktiva syrearter, förhindra friradikal-inducerad kollagennedbrytning och har även en god reparationseffekt på anjonskada av tyminfria radikaler.

Klicka på rou cong rong fördelar

【För mer information:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Nyckelord: industriell hampa; polysackarid; extraktion; antioxidantaktivitet; anti-aging aktivitet

1. Introduktion

Hampa (Cannabis sativa L.), en ettårig ört från Cannabisfamiljen, har använts i tusentals år [1]. Innehållet av tetrahydrocannabinol (THC) i industriell hampa är mindre än 0,3 viktprocent, vilket skiljer sig från medicinsk marijuana och fritidsmarijuana [2,3]. Därför kunde industrihampa lagligen odlas i stor skala. Den kemiska sammansättningen av industriell hampa är mycket komplex, inklusive cannabinoider, terpenoider, alkaloider och flavonoider [4]. De mest bioaktiva föreningarna är cannabinoider som innehåller mer än 130 terpenfenolföreningar som huvudsakligen ackumuleras i blomtopparna [5]. De viktigaste cannabinoiderna är THC, cannabidiol (CBD), cannabinol (CBN), cannabigerol (CBG), cannabidivarin (CBDV), cannabidiol (CBT) och cannabicyklol (CBL) [6]. Bland dem är THC, en psykoaktiv förening som är begränsad i olika länder, och CBD de mest studerade cannabinoiderna för deras betydande bioaktiviteter [7], såsom neuroprotektiva, antiepileptiska, anticancer- och immunreglerande aktiviteter [8]. Förekomsten av dessa föreningar ökar betydelsen av industriell hampa. För närvarande har industriell hampa använts i stor utsträckning inom områdena dagliga kemikalier, material, energi och medicin [9]. Den nuvarande behandlingen av industrihamparester (IHR) kasserar dem direkt, vilket inte bara förorenar miljön utan också orsakar slöseri med resurser [10].

Polysackarid är en polymer som består av mer än 10 monosackarider [11]. Det är en av de mest väsentliga biologiska makromolekylerna. Under de senaste åren har många artiklar rapporterat att de naturliga polysackariderna från växter har goda biologiska aktiviteter, inklusive anticancer [12], antiinflammatoriska [13], antioxidanter [14], immunmodulerande [15], hypoglykemiska [16] och antivirala aktiviteter [17]. Polysackariders molekylära sammansättning och rumsliga struktur har i allmänhet betydande effekter på deras egenskaper och aktiviteter [18]. Med utvecklingen av separations-, renings- och strukturanalysteknik av polysackarider är det allmänt accepterat att polysackarider har stora tillämpningsvärden inom läkemedels-, kosmetika- och livsmedelsområden [19]. Innehållet av polysackarider från industrihamparester är cirka 10 procent –15 procent. Hampapolysackarider har många utmärkta fysikalisk-kemiska egenskaper eftersom de innehåller massor av hydrofila hydroxyler, såsom stark vattenabsorptionsförmåga, emulgerande egenskaper och god filmbildande förmåga. Samtidigt har hampapolysackarider fuktretention, antibakteriella och icke-toxiska effekter. Därför har de omfattande tillämpningsmöjligheter inom kosmetikaområdet. De fermenterade produkterna av hampapolysackarider (oligosackarider eller vissa sockeralkoholer), som rapporteras ha bra antioxidant-, anti-aging- och anti-trötthetsaktiviteter, har använts för att utveckla funktionella drycker [20]. Sammansättningen av hampapolysackarider är relativt komplex och den sträcker sig från monosackarider till 5 × 104 Da polysackarider.

Det finns få rapporter om separation och extraktion av hampapolysackarider. Hillestad et al. isolerade två glykoproteiner från hampa. Glukosidkedjans bindningsstruktur och sambandet mellan kedjan och proteinet analyserades genom metylering och Smith-nedbrytning [21]. JW Groce et al. mätte kolhydratinnehållet i hampa odlad i USA, Thailand respektive Vietnam. Det påpekades att det fanns stora skillnader i typ och innehåll av föreningar mellan sorterna från olika områden [22]. Zheng et al. analyserade monosackaridsammansättningen och strukturen av HSP0 och HSP0.2, två komponenter av hampfröpolysackarid, med HPLC och FT-IR. Det visade sig att HSP0 och HSP0.2 båda innehöll sulfatradikaler [23]. Bi et al. erhöll två hampfröpolysackarider HS1 och HS2 genom gelfiltreringskromatografi. De huvudsakliga monosackariderna var D-arabinos, D-xylos, D-mannos, D-galaktos och D-glukos, och deras molära förhållanden var 0.12, 0.09 , 0.15, 0.11 respektive 0.12 [24]. Guo et al. framställde polysackarider från industriella hampablad och studerade effekterna av ultraviolett ljus, temperatur och pH på deras antibakteriella aktivitet. Det visade sig att den lägsta bakteriedödande koncentrationen och lägsta hämningskoncentrationen av polysackariderna mot S. aureus var 6,25 respektive 3,125 mg/ml. Dessutom var den antibakteriella aktiviteten högst när pH var 7.

I denna studie användes IHR efter cannabidiolextraktion som råmaterial för polysackaridextraktion. Extraktions- och reningsprocessen av industriella hampa polysackarider (IHRPs) optimerades. Därefter analyserades strukturen och sammansättningen av IHRP. Dessutom utvärderades ABTS- och DPPH-förmågan hos IHRP. Dess anti-aging-aktivitet studerades också på cellnivå. Förhoppningen är att IHRP kan användas i stor utsträckning inom kosmetika och funktionella livsmedel.

2. Resultat och diskussion

2.1. Single Factor Experiment of Extraction för IHRPs

2.1.1. Effekter av extraktionsmetoder på polysackaridextraktion

Effekterna av perkolationsextraktion, värmeextraktion och ultraljudsassisterad extraktion på polysackaridextraktion visas i figur 1a. Det kunde ses att polysackaridhalten vid perkolationsextraktion var nära 0 procent, vilket tydde på att nästan ingen polysackarid extraherades och extraktet huvudsakligen bestod av pigment och andra vattenlösliga komponenter. Resultaten berodde på att perkolationsextraktionen var mycket skonsam och att cellväggen i IHR inte bröts. Således kunde polysackariderna inte extraheras från celler, vilket gjorde att polysackaridinnehållet och extraktionsförhållandet vid perkolationsextraktionen var mycket lågt. Extraktionsförhållandet för värmeextraktion var högre än det för ultraljudsassisterad extraktion. Emellertid var polysackaridhalten i värmeextraktion (11,27 procent) lägre än för ultraljudsassisterad extraktion (13,81 procent). Värmeextraktion är en av de mest använda utvinningsmetoderna på grund av processens enkelhet och låga kostnad. Tiden för uppvärmningsextraktionen är dock relativt lång och extraktionsförhållandet är inte högt. Extraktionstemperaturen har i allmänhet stor inverkan på extraktionsförhållandet. Det högre extraktionsförhållandet för värmeextraktion i detta arbete berodde på att värmeextraktionen utfördes vid 98 ◦C medan den ultraljudsassisterade extraktionen utfördes vid 60 ◦C. Ultraljudsassisterad extraktion kan förkorta extraktionstiden eftersom kavitationseffekten och den mekaniska effekten kan förstöra cellväggar, förbättra penetrationen av lösningsmedlet och påskynda överföringen av polysackarider till lösningsmedlet [25]. Således var polysackaridhalten i ultraljudsassisterad extraktion högre än den för värmeextraktion. Värmeextraktionen valdes för följande experiment givet processens enkelhet och industrialisering.

2.1.2. Effekter av extraktionstemperatur på polysackaridextraktion

Effekterna av extraktionstemperatur på polysackaridextraktion visades i figur 1b när förhållandet mellan fast substans och vätska var 1:10, extraktionstiden var 1 timme, antalet successiva extraktioner var 2 och pH var 7. Extraktionsförhållandet och polysackaridinnehållet båda ökade med temperaturökningen. När temperaturen var 98 ◦C var det högsta extraktionsförhållandet och polysackaridhalten 14,99 procent respektive 12,03 procent.

2.1.3. Effekter av förhållandet mellan fast och vätska på polysackaridextraktion

När extraktionstemperaturen var 98 ◦C, extraktionstiden var 1 timme, antalet successiva extraktioner var 2 och pH var 7, effekterna av förhållandet mellan fast och vätska på polysackaridextraktion visades i figur 1c. Extraktionsförhållandet ökade gradvis med förhållandet mellan fast och vätska från 1:6 till 1:10 och blev sedan jämnt. Polysackaridinnehållet påverkades dock nästan inte av förhållandet mellan fast och vätska. Dessutom kunde lösningen bara sänka ner råmaterialet när förhållandet mellan fast och vätska var 1:5 på grund av den låga tätheten av växtblad. Därför studerades i första hand förhållandet mellan fast och vätska på 1:6.

2.1.4. Effekter av pH på polysackaridextraktion

När extraktionstemperaturen var 98 ◦C, extraktionstiden var 1 timme, antalet successiva extraktioner var 2 och förhållandet mellan fast och vätska var 1:10, effekterna av pH på polysackaridextraktion visades i figur 1d. När lösningen surgjordes eller alkaliserades gradvis förbättrades extraktionsförhållandet i viss utsträckning. Polysackaridhalten hade dock en minskande trend med ökningen av pH, vilket indikerade att det sura tillståndet var fördelaktigt för extraktion av IHRP.

2.1.5. Effekter av extraktionstid på polysackaridextraktion

När extraktionstemperaturen var 98 ◦C, pH var 7, antalet successiva extraktioner var 2 och förhållandet mellan fast och vätska var 1:10, visades effekterna av extraktionstid på polysackaridextraktion i figur 1e. Extraktionsförhållandet minskade lätt när extraktionstiden översteg 1 timme. Dessutom påverkades polysackaridinnehållet nästan inte av de olika extraktionstiderna.

2.1.6. Effekter av antalet successiva extraktioner på polysackaridextraktion

När extraktionstemperaturen var 98 ◦C, extraktionstiden var 1 timme, pH var 7 och förhållandet mellan fast och vätska var 1:10, visades effekterna av flera successiva extraktioner på polysackaridextraktion i figur 1f. Utvinningsgraden sjönk till 5,11 procent när råvaran utvanns andra gången. Dessutom var polysackaridhalten mycket låg när råvaran extraherades tredje gången.

2.2. Ortogonal experimentell design av extraktion för IHRPs

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>fast-vätskeförhållande > pH. Grupp 5 (Förhållandet mellan fast och vätska var 1:8, antalet successiva extraktioner var 3, extraktionstemperaturen var 80 ◦C och pH var 4) hade den högsta polysackaridhalten (12,79 procent) medan grupp 9 (Förhållandet mellan fast och vätska var 1) :10, antalet successiva extraktioner var 2, extraktionstemperaturen var 98 ◦C och pH var 4) hade den näst högsta polysackaridhalten (12,26 procent). Med tanke på energiförbrukningen och funktionsdugligheten utfördes jämförelsevalideringen mellan grupperna 5 och 9 för att bestämma de lämpligaste extraktionsförhållandena. Såsom visas i tabell 2 visade de verifierade experimenten att polysackaridhalten mellan grupperna 5 och 9 var mycket nära. Sålunda, för att spara energiförbrukning, valdes extraktionsförhållandena i grupp 9 ut för att extrahera IHRP för dess användning i följande experiment: förhållandet mellan fast och vätska var 1:10, extraktionstemperaturen var 98 ◦C, antalet successiva extraktioner var 2, och pH var 4.

2.3. Skärm av IHRPs alkoholutfällningsförhållanden

IHRPs extraktionslösning erhölls enligt extraktionsförhållandena optimerade med 2.2. Effekterna av olika alkoholutfällningsförhållanden visades i tabell 3. Jämfört med engångstillsats och omrörning under 0,5 timmar, kunde pumpning och omrörning kontinuerligt förbättra polysackaridhalten ytterligare. Effekten av kylningshastigheten på polysackaridhalten var emellertid inte uppenbar. Därför valdes alkoholutfällningsbetingelserna i grupp 4 för framställning av IHRP.

2.4. Polysackaridutbyte och kemisk sammansättning av renade IHRP

De råa IHRP:erna avfärgades och renades genom adsorption av aktivt kol, membranfiltrering, kolonnkromatografi respektive rensningsmetod. Såsom visas i figur 2 hade behandlingen med 8 procents adsorption av aktivt kol den bästa avfärgningseffekten, följt av kolonnkromatografibehandlingen. Dessutom hade kantmetoden och membranfiltreringen nästan ingen avfärgande effekt. Med tanke på industrialiseringen och processens enkelhet användes kolonnkromatografi med anjonbytarharts för att rena IHRPs i detta manuskript. Dessutom, såsom visas i tabell 4, var IHRPs vikt 15,26 g när reningen utfördes efter alkoholutfällningen, medan IHRPs vikt var 12,74 g när reningen utfördes direkt efter värmeextraktion. Emellertid var den faktiska polysackaridvikten för de två processerna mycket nära (4,69 g och 4,38 g). Därför, för att spara kostnader, kunde kolonnkromatografirening utföras direkt efter värmeextraktion.

2.5. FT-IR-spektroskopi av IHRP

Vissa strukturella egenskaper hos polysackarider kan härledas baserat på de karakteristiska absorptionstopparna för FT-IR [26]. FT-IR-spektrumet för IHRP visas i figur 3 och den typiska absorptionen av polysackarid kunde observeras. Toppen runt 3378 cm−1 tillskrevs -OH-sträckningsvibrationer, vilket indikerar förekomsten av -OH [27]. Den svaga toppen vid 2932 cm−1 var CH-sträckningsvibrationer, inklusive vibrationen av -CH2 och -CH3 [28]. Den starka toppen vid cirka 1600 cm−1 var relaterad till -C=O-sträckningsvibrationen [29], och toppen runt 1413 cm−1 betecknades för CO-sträckningsvibrationen, vilket indikerar förekomsten av -COOH. Dessutom motsvarar den relativt starka toppen vid 1080 cm−1 mycket sannolikt OH-böjningsvibrationen. FT-IR-spektrumet av IHRPs visade många karakteristiska absorptionstoppar för polysackarider, vilket visar polysackaridskelettet av IHRPs.

2.6. Monosackaridsammansättningsanalys av IHRPs

Bioaktiviteten hos polysackarider är ofta relaterad till monosackaridkompositioner. I denna studie förvärvades monosackaridsammansättningen av IHRP genom jonkromatografi som visas i figur 4. Enligt monosackaridstandarderna bestod IHRPs av fukos, arabinos, ramnos, galaktos, glukos, xylos, ribos, galakturonsyra, guluronsyra, och glukuronsyra. Deras kvalitetsprocent var 1,33, 19,60, 10,41, 20,87, 27,42, 4,23, 3,12, 6,22, 0,28 respektive 2,37. Det kunde konstateras att arabinos, ramnos, galaktos och glukos var de viktigaste monosackariderna i IHRP. Glukos var en dominant monosackarid i IHRP och resultatet överensstämde med den tidigare studien [30]. Innehållet av uronsyra kunde ha gjort polysackarider negativt laddade. Detta resultat hade ett betydande inflytande på bioaktiviteterna hos polysackarider [31]. Dessutom var polysackaridhalten i IHRP mellan 30 procent och 35 procent. De icke-sockerkomponenter var huvudsakligen organiska syror, flavonoider, steroider och glykosider. Samtidigt var halten av varje icke-sockerkomponent relativt låg.

2.7. Antioxidantaktivitetsstudie

ABTS- och DPPH-förmågan att avlägsna fria radikaler har studerats omfattande för att utvärdera antioxidantaktiviteten hos polysackarider [32]. Renhållningskapaciteten för IHRPs mot ABTS och DPPH visas i tabell 5. Såsom visas i tabell 5 ökade rensningshastigheten för DPPH och ABTS båda med ökningen av IHRP-koncentrationen. När koncentrationen av IHRP:er var 1,0 mg/ml, var DPPH-avskiljningshastigheten 76,00 procent medan ABTS-avskiljningshastigheten var 99.{{10}}5 procent . Efter beräkning bestämdes EC50-värdena för ABTS och DPPH till 0,34 och 0,47 mg/ml. Såvitt vi vet finns det ingen rapport om antioxidantaktiviteten hos IHRP. Antioxidantaktiviteten hos blomställningarna från 12 Cannabis sativa L. monoecious sorter studerades [33]. Bland dem hade ananas den starkaste reningsaktiviteten mot DPPH (EC50=60.00 µg/mL) medan Kc-Virtus hade den starkaste reningskapaciteten mot ABTS (EC50=304.77 µg/ ml). När det gäller antioxidantaktiviteten hos cannabidiol-helspektrumolja, rapporterades det att dess DPPH EC50 var 158,0 µg/ml [34]. Dessutom rapporterades DPPH EC50 för CBD vara 0,937 mM [35]. Förmågan att avlägsna fria radikaler hos CBDV studerades också, dvs ABTS EC50 var 406,3 µM medan DPPH EC50 var 3736 µM [36]. Ovanstående resultat indikerade att IHRPs visade stor antioxidantaktivitet

【För mer information:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】