Ekstraksjon, fysisk-kjemiske egenskaper, antialdrings- og antioksidantaktiviteter av polysakkarider fra industrielle hamprester Del 1

Abstrakt: En stor mengde hamppolysakkarider forblir i industrielle hamprester (IHR) etter cannabidiolekstraksjon, noe som resulterer i sløsing med ressurser. Derfor er den systematiske studien av hamppolysakkarider gunstig for utviklingen av IHR i fremtiden. I denne studien ble utvinningen av industrielle hamprester polysakkarider (IHRPs) optimalisert ved et enkeltfaktoreksperiment og ortogonal eksperimentell design. De optimale oppvarmingsekstraksjonsforholdene var ekstraksjonstemperatur 98 ◦C, faststoff-væske-forhold 1:10, ekstraksjonstid 1 time, antall suksessive ekstraksjoner ved 2 og pH ved 4. Ekstraksjonsforholdet og polysakkaridinnholdet var 20,12 ± 0,55 prosent og 12,35 ± 0,26 prosent ved forholdene, henholdsvis. Dessuten var de beste alkoholutfellingsforholdene pumping med 2 L/t, kontinuerlig omrøring og isvannbad i 4 timer. De urene IHRP-ene ble ytterligere renset ved kolonnekromatografi og polysakkarid/proteininnholdet i rensede IHRP-er var 34,44 prosent og 1,61 prosent. IHRP-er besto hovedsakelig av ti monosakkarider og noen ikke-sukkerkomponenter, inkludert organiske syrer, flavonoider, steroider og glykosider. FT-IR demonstrerte polysakkaridskjelettet til IHRPs. Dessuten var DPPH- og ABTS-rensehastigheten for IHRP-er 76,00 prosent og 99,05 prosent ved konsentrasjoner på 1 mg/ml. IHRP kan fremme epidermal celleproliferasjon og helbredelse av celleriper. I mellomtiden kan IHRP-er fremme uttrykket av antialdringsrelaterte gener. Totalt sett kan IHRP være en ønskelig naturlig kilde til antioksidanter og antialdringsprodukter i mange aspekter.

Glykosid av cistanche kan også øke aktiviteten til SOD i hjerte- og levervev, og redusere innholdet av lipofuscin og MDA i hvert vev betydelig, effektivt rense ulike reaktive oksygenradikaler (OH-, H₂O₂, etc.) og beskytte mot DNA-skader forårsaket av OH-radikaler. Cistanche-fenyletanoidglykosider har en sterk renseevne for frie radikaler, en høyere reduserende evne enn vitamin C, forbedrer aktiviteten til SOD i sædsuspensjon, reduserer innholdet av MDA og har en viss beskyttende effekt på sædmembranfunksjonen. Cistanche-polysakkarider kan øke aktiviteten til SOD og GSH-Px i erytrocytter og lungevev hos eksperimentelt senescent mus forårsaket av D-galaktose, samt redusere innholdet av MDA og kollagen i lunge og plasma, og øke innholdet av elastin, har en god rensende effekt på DPPH, forlenger hypoksitiden hos eldre mus, forbedrer aktiviteten til SOD i serum og forsinker den fysiologiske degenerasjonen av lunge hos eksperimentelt eldre mus. Med cellulær morfologisk degenerasjon har eksperimenter vist at Cistanche har den gode antioksidantevnen og har potensial til å være et medikament for å forebygge og behandle aldringssykdommer. Samtidig har echinacoside i Cistanche en betydelig evne til å rense DPPH-frie radikaler og kan rense reaktive oksygenarter, forhindre frie radikal-indusert kollagen-nedbrytning, og har også en god reparasjonseffekt på anionskader av tymin frie radikaler.

Klikk på rou cong rong fordeler

【For mer informasjon:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Nøkkelord: industriell hamp; polysakkarid; utdrag; antioksidant aktivitet; anti-aldringsaktivitet

1. Introduksjon

Hamp (Cannabis sativa L.), en årlig urt fra Cannabis-familien, har blitt brukt i tusenvis av år [1]. Innholdet av tetrahydrocannabinol (THC) i industriell hamp er mindre enn 0,3 vektprosent , som er forskjellig fra medisinsk marihuana og fritidsmarihuana [2,3]. Derfor kunne industrihamp dyrkes lovlig i stor skala. Den kjemiske sammensetningen av industriell hamp er svært kompleks, inkludert cannabinoider, terpenoider, alkaloider og flavonoider [4]. De mest bioaktive forbindelsene er cannabinoider som inkluderer mer enn 130 terpenfenolforbindelser som hovedsakelig samler seg i blomstertoppene [5]. De viktigste cannabinoidene er THC, cannabidiol (CBD), cannabinol (CBN), cannabigerol (CBG), cannabidivarin (CBDV), cannabidiol (CBT) og cannabicyklol (CBL) [6]. Blant dem er THC, en psykoaktiv forbindelse som er begrenset i forskjellige land, og CBD de mest studerte cannabinoidene for deres betydelige bioaktiviteter [7], som nevrobeskyttende, antiepileptiske, antikreft og immunregulerende aktiviteter [8]. Eksistensen av disse forbindelsene øker viktigheten av industriell hamp. For tiden har industriell hamp blitt mye brukt innen daglige kjemikalier, materialer, energi og medisin [9]. Den nåværende behandlingen av industrielle hamprester (IHR) er å kaste dem direkte, noe som ikke bare forurenser miljøet, men også forårsaker sløsing med ressurser [10].

Polysakkarid er en polymer som består av over 10 monosakkarider [11]. Det er et av de mest essensielle biologiske makromolekylene. De siste årene har mange artikler rapportert at de naturlige polysakkaridene fra planter har gode biologiske aktiviteter, inkludert antikreft [12], antiinflammatorisk [13], antioksidant [14], immunmodulerende [15], hypoglykemisk [16] og antiviral aktivitet. [17]. Den molekylære sammensetningen og romlige strukturen til polysakkarider har generelt betydelige effekter på deres egenskaper og aktiviteter [18]. Med utviklingen av separasjons-, rensings- og strukturanalyseteknologi av polysakkarider, er det generelt akseptert at polysakkarider har store bruksverdier innen legemiddel-, kosmetikk- og matvarefelt [19]. Innholdet av polysakkarider fra industrielle hamprester er rundt 10 prosent –15 prosent. Hamppolysakkarider har mange utmerkede fysisk-kjemiske egenskaper fordi de inneholder mange hydrofile hydroksylsyrer, slik som sterk vannabsorpsjonsevne, emulgerende egenskaper og god filmdannende evne. I mellomtiden har hamppolysakkarider fuktretensjon, antibakterielle og ikke-toksiske effekter. Derfor har de omfattende søknadsmuligheter innen kosmetikkfeltet. De fermenterte produktene av hamppolysakkarider (oligosakkarider eller noen sukkeralkoholer), som er rapportert å ha gode antioksidant-, anti-aldrings- og anti-tretthetsaktiviteter, har blitt brukt til å utvikle funksjonelle drikker [20]. Sammensetningen av hamppolysakkarider er relativt kompleks og varierer fra monosakkarider til 5 × 104 Da polysakkarider.

Det er få rapporter om separasjon og utvinning av hamppolysakkarider. Hillestad et al. isolerte to glykoproteiner fra hamp. Koblingsstrukturen til glukosidkjeden og forbindelsen mellom kjeden og proteinet ble analysert ved metylering og Smith-degradering [21]. JW Groce et al. målte karbohydratinnholdet i hamp dyrket i henholdsvis USA, Thailand og Vietnam. Det ble påpekt at det var store forskjeller i type og innhold av forbindelser mellom sortene fra ulike områder [22]. Zheng et al. analyserte monosakkaridsammensetningen og strukturen til HSP0 og HSP0.2, to komponenter av hampfrøpolysakkarid, ved HPLC og FT-IR. Det ble funnet at HSP0 og HSP0.2 begge inneholdt sulfatradikaler [23]. Bi et al. oppnådde to hampfrøpolysakkarider HS1 og HS2 ved gelfiltreringskromatografi. De viktigste monosakkaridene var D-arabinose, D-xylose, D-mannose, D-galaktose og D-glukose, og molforholdene deres var 0.12, 0.09 , 0.15, 0, henholdsvis 0.11 og 0.12 [24]. Guo et al. tilberedte polysakkarider fra industrielle hampblader og studerte effekten av ultrafiolett lys, temperatur og pH på deres antibakterielle aktivitet. Det ble funnet at minimum bakteriedrepende konsentrasjon og minimum hemmingskonsentrasjon av polysakkaridene mot S. aureus var henholdsvis 6,25 og 3,125 mg/ml. I tillegg var den antibakterielle aktiviteten høyest når pH var 7.

I denne studien ble IHR etter cannabidiolekstraksjon brukt som råmateriale for polysakkaridekstraksjon. Ekstraksjons- og renseprosessen av industrielle hamprester polysakkarider (IHRPs) ble optimalisert. Deretter ble strukturen og sammensetningen av IHRP analysert. Dessuten ble ABTS- og DPPH-rensende evne til IHRP-er evaluert. Dens antialdringsaktivitet ble også studert på cellenivå. Det er å håpe at IHRP kan bli mye brukt i kosmetikk og funksjonell mat.

2. Resultater og diskusjon

2.1. Enkeltfaktoreksperimenter for ekstraksjon for IHRPer

2.1.1. Effekter av ekstraksjonsmetoder på polysakkaridekstraksjon

Effektene av perkolasjonsekstraksjon, varmeekstraksjon og ultralydassistert ekstraksjon på polysakkaridekstraksjon er vist i figur 1a. Det kunne sees at polysakkaridinnholdet i perkolasjonsekstraksjon var nær 0 prosent, noe som indikerte at nesten ingen polysakkarid ble ekstrahert og ekstraktet hovedsakelig besto av pigment og andre vannløselige komponenter. Resultatene skyldtes at perkolasjonsekstraksjonen var veldig skånsom og at celleveggen til IHR ikke ble brutt. Dermed kunne ikke polysakkaridene ekstraheres fra celler, noe som førte til at polysakkaridinnholdet og ekstraksjonsforholdet ved perkolasjonsekstraksjon var svært lavt. Ekstraksjonsforholdet for varmeekstraksjon var høyere enn for ultralydassistert ekstraksjon. Imidlertid var polysakkaridinnholdet i varmeekstraksjon (11,27 prosent) lavere enn for ultralydassistert ekstraksjon (13,81 prosent). Varmeekstraksjon er en av de mest brukte ekstraksjonsmetodene på grunn av prosessens enkelhet og lave kostnader. Tiden for oppvarmingsekstraksjon er imidlertid relativt lang og ekstraksjonsforholdet er ikke høyt. Ekstraksjonstemperatur har generelt stor innflytelse på ekstraksjonsforholdet. Det høyere ekstraksjonsforholdet for varmeekstraksjon i dette arbeidet var fordi varmeekstraksjonen ble utført ved 98 ◦C mens den ultralydassisterte ekstraksjonen ble utført ved 60 ◦C. Ultralydassistert ekstraksjon kan forkorte ekstraksjonstiden fordi kavitasjonseffekten og den mekaniske effekten kan ødelegge cellevegger, forbedre penetrasjonen av løsningsmidlet og akselerere overføringen av polysakkarider til løsningsmidlet [25]. Dermed var polysakkaridinnholdet i ultralydassistert ekstraksjon høyere enn ved varmeekstraksjon. Oppvarmingsekstraksjonen ble valgt for følgende eksperimenter gitt prosessens enkelhet og industrialisering.

2.1.2. Effekter av ekstraksjonstemperatur på polysakkaridekstraksjon

Effektene av ekstraksjonstemperatur på polysakkaridekstraksjon ble vist i figur 1b når faststoff-væske-forholdet var 1:10, ekstraksjonstiden var 1 time, antall suksessive ekstraksjoner var 2 og pH var 7. Ekstraksjonsforholdet og polysakkaridinnholdet begge økte med temperaturøkningen. Når temperaturen var 98 ◦C, var det høyeste ekstraksjonsforholdet og polysakkaridinnholdet henholdsvis 14,99 prosent og 12,03 prosent.

2.1.3. Effekter av faststoff-væskeforhold på polysakkaridekstraksjon

Når ekstraksjonstemperaturen var 98 ◦C, ekstraksjonstiden var 1 time, antall påfølgende ekstraksjoner var 2, og pH var 7, effektene av faststoff-væskeforhold på polysakkaridekstraksjon ble vist i figur 1c. Ekstraksjonsforholdet økte gradvis med forholdet faststoff-væske fra 1:6 til 1:10, og ble deretter jevnt. Imidlertid ble polysakkaridinnholdet nesten ikke påvirket av forholdet mellom faststoff og væske. Dessuten kunne løsningen bare senke råmaterialet når forholdet mellom faststoff og væske var 1:5 på grunn av den lave tettheten av planteblader. Derfor ble forholdet mellom faststoff og væske på 1:6 primært studert.

2.1.4. Effekter av pH på polysakkaridekstraksjon

Når ekstraksjonstemperaturen var 98 ◦C, ekstraksjonstiden var 1 time, antall påfølgende ekstraksjoner var 2, og forholdet mellom faststoff og væske var 1:10, ble effekten av pH på polysakkaridekstraksjon vist i figur 1d. Når løsningen ble surgjort eller alkalisert gradvis, ble ekstraksjonsforholdet forbedret til en viss grad. Imidlertid hadde polysakkaridinnholdet en synkende trend med økningen i pH, noe som indikerte at den sure tilstanden var gunstig for utvinningen av IHRP.

2.1.5. Effekter av ekstraksjonstid på polysakkaridekstraksjon

Når ekstraksjonstemperaturen var 98 ◦C, pH var 7, antall påfølgende ekstraksjoner var 2, og forholdet mellom faststoff og væske var 1:10, ble effekten av ekstraksjonstid på polysakkaridekstraksjon vist i figur 1e. Ekstraksjonsforholdet avtok lett når ekstraksjonstiden oversteg 1 time. Videre ble polysakkaridinnholdet nesten ikke påvirket av de forskjellige ekstraksjonstidene.

2.1.6. Effekter av antall påfølgende ekstraksjoner på polysakkaridekstraksjon

Når ekstraksjonstemperaturen var 98 ◦C, ekstraksjonstiden var 1 time, pH var 7, og forholdet mellom faststoff og væske var 1:10, ble effekten av flere suksessive ekstraksjoner på polysakkaridekstraksjon vist i figur 1f. Utvinningsforholdet falt til 5,11 prosent da råstoffet ble utvunnet andre gang. Dessuten var polysakkaridinnholdet svært lavt da råvaren ble ekstrahert tredje gang.

2.2. Ortogonal eksperimentell design av ekstraksjon for 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-væske forhold > pH. Gruppe 5 (faststoff-væske-forholdet var 1:8, antall suksessive ekstraksjoner var 3, ekstraksjonstemperaturen var 80 ◦C, og pH var 4) hadde det høyeste polysakkaridinnholdet (12,79 prosent) mens gruppe 9 (faststoff-væske-forholdet var 1) :10, antall suksessive ekstraksjoner var 2, ekstraksjonstemperaturen var 98 ◦C og pH var 4) hadde det nest høyeste polysakkaridinnholdet (12,26 prosent). Tatt i betraktning energiforbruket og driften, ble sammenligningsvalideringen mellom gruppe 5 og 9 utført for å bestemme de mest hensiktsmessige utvinningsforholdene. Som vist i tabell 2 viste de verifiserte forsøkene at polysakkaridinnholdet mellom gruppe 5 og 9 var veldig nært. For å spare energiforbruk ble ekstraksjonsbetingelsene for gruppe 9 valgt for å trekke ut IHRP for bruk i følgende eksperimenter: forholdet mellom faststoff og væske var 1:10, ekstraksjonstemperaturen var 98 ◦C, antall suksessive ekstraksjoner var 2, og pH var 4.

2.3. Skjerm av IHRPs alkoholnedbørsforhold

IHRPs ekstraksjonsløsning ble oppnådd i henhold til ekstraksjonsforholdene optimalisert med 2.2. Effektene av forskjellige alkoholutfellingsforhold ble vist i tabell 3. Sammenlignet med engangstilsetning og omrøring i 0.5 timer, kunne pumping og omrøring kontinuerlig forbedre polysakkaridinnholdet ytterligere. Effekten av kjølehastigheten på polysakkaridinnholdet var imidlertid ikke åpenbar. Derfor ble alkoholutfellingsforholdene i gruppe 4 valgt for fremstilling av IHRP.

2.4. Polysakkaridutbytte og kjemisk sammensetning av rensede IHRPer

De rå IHRP-ene ble avfarget og renset ved henholdsvis aktivert karbon-adsorpsjon, membranfiltrering, kolonnekromatografi og sevage-metoden. Som vist i figur 2 hadde behandlingen med 8 prosent aktivert karbon-adsorpsjon den beste avfargingseffekten, etterfulgt av kolonnekromatografi-behandlingen. Dessuten hadde selvage-metoden og membranfiltreringen nesten ingen avfargingseffekt. Med tanke på industrialiseringen og enkelheten i prosessen, ble kolonnekromatografi med anionbytterharpiks brukt til å rense IHRP-er i dette manuskriptet. Dessuten, som vist i tabell 4, var IHRPs vekt 15,26 g når rensingen ble utført etter alkoholutfellingen, mens IHRPs vekt var 12,74 g når rensingen ble utført direkte etter varmeekstraksjon. Imidlertid var den faktiske polysakkaridvekten til de to prosessene veldig nær (4,69 g og 4,38 g). Derfor, for å spare kostnader, kunne kolonnekromatografirensing utføres direkte etter oppvarmingsekstraksjon.

2.5. FT-IR-spektroskopi av IHRP-er

Noen strukturelle egenskaper til polysakkarider kan utledes basert på de karakteristiske absorpsjonstoppene til FT-IR [26]. FT-IR-spekteret til IHRP er vist i figur 3 og den typiske absorpsjonen av polysakkarid kan observeres. Toppen rundt 3378 cm−1 ble tilskrevet -OH-strekkvibrasjon, noe som indikerer eksistensen av -OH [27]. Den svake toppen ved 2932 cm−1 var CH-strekkvibrasjon, inkludert vibrasjonen av -CH2 og -CH3 [28]. Den sterke toppen ved omtrent 1600 cm−1 var relatert til -C=O-strekkvibrasjonen [29], og toppen rundt 1413 cm−1 ble angitt for CO-strekkvibrasjonen, noe som indikerer eksistensen av -COOH. Dessuten tilsvarer den relativt sterke toppen ved 1080 cm−1 meget sannsynlig OH-bøyevibrasjonen. FT-IR-spekteret til IHRP-er viste mange karakteristiske absorpsjonstopper av polysakkarider, noe som demonstrerte polysakkaridskjelettet til IHRP.

2.6. Monosakkaridsammensetningsanalyse av IHRPer

Bioaktiviteten til polysakkarider er ofte relatert til monosakkaridsammensetninger. I denne studien ble monosakkaridsammensetningen til IHRP ervervet ved ionekromatografi som vist i figur 4. I henhold til monosakkaridstandardene var IHRP sammensatt av fukose, arabinose, rhamnose, galaktose, glukose, xylose, ribose, galakturonsyre, guluronsyre, og glukuronsyre. Kvalitetsprosentene deres var henholdsvis 1,33, 19,60, 10,41, 20,87, 27,42, 4,23, 3,12, 6,22, 0,28 og 2,37. Det kunne bli funnet at arabinose, rhamnose, galaktose og glukose var de viktigste monosakkaridene i IHRP. Glukose var et dominerende monosakkarid i IHRP og resultatet var i samsvar med forrige studie [30]. Innholdet av uronsyre kunne ha gjort polysakkarider negativt ladet. Dette resultatet hadde en betydelig innflytelse på bioaktivitetene til polysakkarider [31]. Dessuten var polysakkaridinnholdet i IHRP-er mellom 30 prosent og 35 prosent. Ikke-sukkerkomponentene var hovedsakelig organiske syrer, flavonoider, steroider og glykosider. I mellomtiden var innholdet av hver ikke-sukkerkomponent relativt lavt.

2.7. Antioksidantaktivitetsstudie

ABTS og DPPHs evne til å fjerne frie radikaler har blitt grundig studert for å evaluere antioksidantaktiviteten til polysakkarider [32]. Fjerningskapasiteten til IHRPs mot ABTS og DPPH er vist i tabell 5. Som vist i tabell 5, økte rensehastigheten til DPPH og ABTS begge med økningen i IHRP-konsentrasjonen. Når konsentrasjonen av IHRP-er var 1,0 mg/mL, var DPPH-rensehastigheten 76,00 prosent mens ABTS-rensingshastigheten var 99.{{10}}5 prosent . Etter beregning ble EC50-verdiene for ABTS og DPPH bestemt til 0,34 og 0,47 mg/ml. Så vidt vi vet er det ingen rapport om antioksidantaktiviteten til IHRP. Antioksidantaktiviteten til blomsterstandene fra 12 Cannabis sativa L. monoecious kultivarer ble studert [33]. Blant dem hadde ananas den sterkeste renseaktiviteten mot DPPH (EC50=60.00 µg/mL), mens Kc-Virtus hadde den sterkeste renseevnen mot ABTS (EC50=304.77 µg/ ml). Når det gjelder antioksidantaktiviteten til olje med full spektrum av cannabidiol, ble det rapportert at dens DPPH EC50 var 158,0 µg/ml [34]. I tillegg ble DPPH EC50 for CBD rapportert å være 0,937 mM [35]. Kapaciteten til å fjerne frie radikaler til CBDV ble også studert, dvs. ABTS EC50 var 406,3 µM mens DPPH EC50 var 3736 µM [36]. Resultatene ovenfor indikerte at IHRP-er viste stor antioksidantaktivitet

【For mer informasjon:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】