工業大麻中大麻二酚酸脫羧轉化體系研究

蔡宏達,劉夢然,王崑侖,唐翠曼,王 彬,高繼往,趙修華*

1東北林業大學化學化工與資源利用學院;2東北林業大學森林植物生態學教育部重點實驗室;3東北林業大學林源活性物質生態利用黑龍江省重點實驗室,哈爾濱 150040;4中國海洋大學海洋生物遺傳學與育種教育部重點實驗室,青島 266003;5黑龍江省農業科學院食品加工研究所,哈爾濱150086

工業大麻(CannabissativaL.)又稱漢麻、火麻,多為雌雄異株,在我國種植和使用歷史悠久,為大麻科(Cannabinaceae)大麻屬(Cannabis)一年生草本植物,是我國傳統經濟作物[1,2]。迄今為止,工業大麻中已發現植物大麻素及其他植物類活性物質包括萜烯、酚類、脂質、生物堿等成分[3]。在這些成分當中,以植物大麻素中藥用非精神活性物質大麻二酚(cannabidiol,CBD)(見圖1)研究最為突出,其在癲癇、自閉癥譜系障礙、焦慮、抑郁以及抗腫瘤的治療方面有著很好的效果[4]。

圖1 兩種大麻素結構

以工業大麻為原料生產CBD的方法主要有溶劑提取和超臨界CO2流體萃取兩種[5]。目前,CBD在工業大麻植物體內通過大麻二酚酸(cannabidiolic acid,CBDA)轉化過程已成功揭示,但相應轉化理論卻鮮有報道,無法依靠理論手段指導工業大麻中CBDA向CBD進行高效轉化,難免在CBD生產的過程中造成植物成分的資源浪費。

本研究通過基團貢獻法和Watson公式對工業大麻中CBDA受熱脫羧轉化CBD轉化過程中各組分基本熱力學參數進行計算,根據經典熱力學公式對工業大麻中CBDA在常壓和溫度在40～140 ℃轉化生成CBD反應吉布斯自由能進行確定,并得出反應平衡常數及平衡轉化率,對工業大麻中CBDA能否在常規條件下自發脫羧轉化的可能性進行判斷。研究結合溫度、花葉含水率等影響因素對工業大麻中CBDA脫羧轉化生成CBD含量的影響,確定工業大麻中CBDA脫羧動力學函數模型,并計算得出轉化活化能,為工業大麻產業化加工獲得高含量CBD條件選擇提供理論支持和實驗支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

工業大麻原料由黑龍江省農業科學院提供;去離子水實驗室自制;無水乙醇(分析純,天津市富宇精細化工有限公司);磷酸(色譜純,天津市科密歐化學試劑開發中心);乙腈(色譜純,湖北弗頓科技技術有限公司)。

1.2 儀器與設備

DHG-9145A電熱恒溫鼓風干燥箱(上海一恒科科學儀器有限公司);Startorious 1721電子分析天平(德國賽多利斯集團);STA 449同步熱分析儀(德國耐馳公司);1525分析型高效液相色譜儀(美國Waters公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 工業大麻中大麻二酚酸脫羧轉化體系熱力學理論基礎

1.3.1.1 轉化體系下各物質標準摩爾生成焓、標準摩爾熵計算

工業大麻中大麻素類物質主要由植物體表面腺毛體分泌形成[6],常以油狀液態形式存在花葉表面(見圖2),其中工業大麻中CBDA在常壓下脫羧轉化生成CBD反應式如圖3。

圖2 工業大麻腺毛表附大麻素狀態圖

圖3 工業大麻中CBDA脫羧轉化生成CBD反應式

表1 Benson基團貢獻法估算CBDA、CBD的和各基團貢獻值

(1)

(2)

(3)

1.3.1.2 轉化體系下各物質理想氣體比熱容估算

表2 Joback基團貢獻法估算反應中各組分的基團貢獻值

(4)

1.3.1.3 轉化體系下不同溫度下物質蒸發焓計算

表3 Joback和Reid基團貢獻法估算CBDA、CBD的ΔvHb基團貢獻值

(5)

(6)

Tr=T/Tc

(7)

Tbr=Tb/Tc

(8)

Tr為某溫度下的對比溫度值,Tbr為正常沸點下的對比溫度值,Fishtine提出n與對比沸點Tbr有關:n=0.74Tbr-0.116(0.570.71)[11]。

在計算ΔvHT中還需確定轉化體系中物質的沸點溫度(Tb)與臨界溫度(Tc),二者計算采用Marrero-Morejon和Pardillo-Fontdevila提出的M-P法來進行計算,M-P法估算公式通過引入計算物質摩爾質量,計算精度顯著提高[15]。M-P法基團貢獻值見表4,計算公式如下:

表4 M-P法估算CBDA、CBD的Tb、Tc基團貢獻值

(9)

Tc=

(10)

1.3.1.4 轉化體系下不同溫度下液態標準摩爾生成焓和標準摩爾熵計算

根據生產加工中工業大麻脫羧轉化CBD實際條件,選擇40～140 ℃(313～413 K)溫度范圍,根據公式(11)和公式(12)對不同溫度下各組分液態標準摩爾生成焓和標準摩爾熵進行計算。不同溫度下氣態標準摩爾生成焓、標準摩爾熵根據公式(13)和公式(14)計算得出[16]。

(11)

(12)

(13)

(14)

1.3.2 工業大麻中大麻二酚酸脫羧轉化影響因素及機理參數確定

1.3.2.1 大麻二酚失重溫度確定

為確保CBDA脫羧轉化過程中CBD在受熱生成的過程中不被失重降解,通過熱重分析確定CBD失重溫度。檢測條件:高純氮氣作為保護氣,吹掃速率50 mV/min,升溫速率10 ℃/min。

1.3.2.2 溫度對工業大麻中大麻二酚酸脫羧轉化的影響

分別將工業大麻花葉原料置于熱鼓風烘箱中,考察40、60、80、100、120、140 ℃溫度進行熱脫羧30 min處理。處理結束后,準確稱取各批樣品0.3 g,分別通過無水乙醇作為轉化產物CBD的提取溶劑,按照料液比1∶10,冰浴超聲30 min后,經5000 r/min離心8 min,收集提取上清液。重復5次合并提取液,經適當稀釋定容進行CBD含量測定。

1.3.2.3 含水量對工業大麻中大麻二酚酸脫羧轉化的影響

參照《中國藥典》2020版四部干燥失重方法[17]確定陰干后工業大麻花葉原料原有含水量后,分別加入不同比例超純水,置于25 ℃環境下密閉飽和過夜,使工業大麻花葉含水量分別達到20、40、60、80、100%。然后,通過熱鼓風烘箱進行熱脫羧轉化處理,設定溫度90 ℃,脫羧時間30 min。處理結束后,提取方法同“1.3.2.2”一致,經適當稀釋定容進行CBD含量測定。

1.3.2.4 工業大麻中大麻二酚酸脫羧轉化最概然機理函數及活化能確定

結合“1.3.2.2”影響因素,將工業大麻花葉通過鼓風加熱分別在溫度95、100、110、120 ℃,脫羧時間分別為1.5～56 min,進行CBDA脫羧轉化處理。處理結束后,提取方法同“1.3.2.2”一致,經適當稀釋定容進行CBD含量測定。

1.3.2.5 含量測定方法

通過高效液相色譜法對工業大麻中CBDA熱脫羧生成CBD的含量進行測定,液相方法為:紫外檢測器,檢測波長220 nm;色譜柱為Diamonsil C18反相色譜柱;流動相為乙腈:0.1%磷酸水(73∶27);流動相流速1.0 mL/min;進樣量10 μL。

2 結果與討論

2.1 工業大麻中大麻二酚酸脫羧轉化體系熱力學結果分析

由Benson基團貢獻法計算得出CBDA和CBD氣態標準摩爾生成焓分別為-704.19、-357.66 kJ/mol,標準摩爾熵分別為954.35、900.41 J/(mol·K)。根據Joback基團貢獻法估算工業大麻中CBDA脫羧轉化各組分理想氣體比熱容與溫度(T)之間的函數關系式如下:

(15)

(16)

(17)

通過Joback和Reid基團貢獻法、Watson公式得到CBDA和CBD在不同轉化溫度下的蒸發焓如表5。

表5 CBDA和CBD在不同溫度下的蒸發焓

表6 反應各組分在不同溫度下的氣或液態標準摩爾生成焓和標準摩爾熵

表7 不同溫度下CBDA熱脫羧轉化反應及α值

(18)

(19)

(20)

(21)

2.2 工業大麻中大麻二酚酸脫羧轉化影響因素及機理參數結果分析

2.2.1 大麻二酚的TG分析

CBD在升溫速率為10 K/min下TG熱分析曲線見圖4。通過對TG曲線分析可知:

圖4 CBD-TGA曲線

CBD在156.24 ℃開始失重,直至352.21 ℃失重完全。因此為保證CBD在熱脫羧生成的過程中不因溫度過高導致失重變化,所以最高熱脫羧溫度選擇不應超過156.24 ℃。

2.2.2 溫度對工業大麻花葉中大麻二酚酸脫羧轉化影響

分別對工業大麻在不同溫度下進行CBDA脫羧轉化,CBD生成量隨溫度變化關系如圖5所示。

圖5 工業大麻花葉中CBDA在不同溫度下生成CBD轉化率

根據圖中工業大麻在溫度40～140 ℃范圍內脫羧轉化生成CBD的轉化率得知,在脫羧轉化相同時間內,隨著溫度的增加,CBD的轉化含量增加。在40～60 ℃內,隨著溫度的升高,CBDA脫羧轉化生成CBD含量相對較少,增加趨勢不明顯。當溫度從60 ℃逐漸增長到140 ℃時,CBD轉化含量急劇增加,并在140 ℃反應α趨近于1,這與轉化體系熱力學分析結果相同。說明隨著溫度的升高,脫羧體系中CBDA分子中內能增加,活化分子數增多,更容易發生脫羧轉化。

2.2.3 含水量對工業大麻花葉中大麻二酚酸脫羧轉化影響

通過對不同含水量的工業大麻花葉在溫度90 ℃下熱脫羧30 min進行CBD轉化,轉化結果如圖6。

圖6 工業大麻花葉中CBDA在不同含水量下CBD轉化率

根據不同含水量熱脫羧轉化結果分析得知,工業大麻花葉在有一定含水率的條件下,熱脫羧轉化含量相對于陰干花葉含量明顯提高,隨著含水比例的增加,CBD轉化含量增加。在含水率60 %左右,CBD轉化生成含量幾乎達到最高,隨著含水量繼續增加,CBD轉化生成含量幾乎不變。這表明隨著體系中含水量增加,增加了CBDA在轉化體系的擴散范圍,在一定程度上增加了CBDA分子的碰撞幾率,使得脫羧轉化容易發生。

2.2.4 工業大麻中大麻二酚酸脫羧轉化最概然機理函數及活化能確定

工業大麻花葉原料在不同溫度下隨時間變化受熱脫羧轉化生成CBD轉化率曲線如圖7。

圖7 工業大麻花葉中CBDA在四種不同溫度下隨時間變化CBD轉化率

通過等溫分析法對陰干工業大麻和含有水分的工業大麻作物CBDA脫羧過程對數據進行分析,其中CBDA分解動力學函數如下。

G(α)=kt

(22)

(23)

α為CBD轉化率;mi為i時刻CBD生成量;m0為初始CBD量;mt為完全脫羧CBD轉化量。

根據對各種經典轉化動力學函數模型分析總結得出[19],擴散模型Dn、隨機成核和隨后生長模型An及相邊界反應模型Rn較為適用本研究條件下工業大麻中CBDA脫羧分解轉化機理。8種分解動力學機理函數如表8所示。

表8 8種分解動力學機理函數

則常見8種分解動力學機理函數可得為:

G(α)=

A2(α)=[-ln(1-α)]1/2=0.8326(t/t0.5)

(24)

G(α)=

A3(α)=[-ln(1-α)]1/3=0.8850(t/t0.5)

(25)

G(α)=

D2(α)=α+(1-α)ln(1-α)=0.1534(t/t0.5)

(26)

G(α)=

D3(α)=[1-(1-α)1/3]2=0.0426(t/t0.5)

(27)

G(α)=

D4(α)=1-2/3α-(1-α)2/3=0.1101(t/t0.5)

(28)

G(α)=

F1(α)=-ln(1-α)=0.6931(t/t0.5)

(29)

G(α)=

R2(α)=1-(1-α)1/2=0.2929(t/t0.5)

(30)

G(α)=

R3(α)=1-(1-α)1/3=0.2063(t/t0.5)

(31)

將公式(24)～(31)8種常見分解動力學機理模型作為理論曲線,將工業大麻在不同溫度下脫羧轉化CBD的α-(t/t0.5)曲線作為實驗曲線,通過對比實驗曲線與理論曲線的吻合程度,進而確定最概然機理函數。

根據圖8中工業大麻在不同溫度下脫羧轉化α-(t/t0.5)實驗曲線與8種分解動力學機理函數α-(t/t0.5)標準曲線對比發現,F1、Rn模型較為符合工業大麻中CBDA受熱轉化生成CBD含量曲線,因此使用F1、R1、R2來得到工業大麻花葉各個溫度下的脫羧生成t-G(α)曲線,通過對曲線線性擬合,確定最大概然機理函數。其中擬合方程斜率k為工業大麻在該溫度條件下轉化速率,R2為曲線表征擬合度,具體曲線結果如圖9所示。

圖8 四種不同溫度下工業大麻中CBDA脫羧轉化生成CBD的α-(t/t0.5)曲線

圖9 工業大麻CBDA在四種不同溫度下脫羧實驗曲線與理論函數曲線擬合

根據R2擬合度越大,實驗結果與理論模型符合程度越高[20]。通過不同狀態下工業大麻在四種溫度條件下三種動力學機理函數F1、R1、R2擬合t-G(α)曲線R2表征擬合度分析得出,F1函數模型表征線性擬合度符合程度最高,因此F1分解機理函數為本實驗中CBDA受熱脫羧分解最概然函數模型。

根據確定最概然機理模型,得出工業大麻中CBDA在四種不同溫度下脫羧轉化速率參數見表9。

表9 工業大麻中CBDA在四種不同溫度下脫羧反應速率參數

通過Arrhenius方程[21]可知,轉化速率k與轉化溫度T之間有下式關系:

k=Aexp(E/RT)

(32)

式中:A為表觀指前因子;E為活化能:R為氣體普適常數。

通過對公式兩邊分別取對數,得出下式:

lnk=lnA-E/RT

(33)

根據公式繪制工業大麻中CBDA脫羧轉化F1函數模型的1/T-lnk散點曲線如圖10,其中-E/R表示斜率,lnA為截距。

圖10 工業大麻中CBDA脫羧反應F1函數模型1/T-lnk散點曲線

根據Arrhrnius方程計算得到工業大麻中CBDA脫羧轉化活化能E為83.77 kJ/mol,說明1 mol CBDA常態分子轉變成具有反應作用的活化分子所需要的最低能量為83.77 kJ。

3 討論與結論

為防止轉化產物CBD因高溫降解失重,通過熱重分析得出脫羧反應最高溫度不應該超過156.24 ℃。通過考察工業大麻含水量及環境溫度對CBDA轉化脫羧生成CBD的影響研究發現,隨著環境溫度及工業大麻花葉中含水量的增加,工業大麻中CBDA脫羧生成CBD轉化率增加,說明在保證CBD不被降解失重的前提下,適當增加工業大麻花葉中含水量及溫度,可提高工業大麻中CBDA脫羧轉化進程。根據實驗結果與常見8種分解動力學函數模型進行轉化對比,確定工業大麻花葉中CBDA熱脫羧轉化最概然模型為F1模型,并通過Arrhrnius方程計算工業大麻花葉脫羧轉化活化能E分別為83.77 kJ/mol,理論揭示了1 mol CBDA常態分子轉變成具有反應作用的活化分子所需要的最低能量。