工业大麻中大麻二酚酸脱羧转化体系研究

蔡宏达,刘梦然,王崑仑,唐翠曼,王 彬,高继往,赵修华*

1东北林业大学化学化工与资源利用学院;2东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室;3东北林业大学林源活性物质生态利用黑龙江省重点实验室,哈尔滨 150040;4中国海洋大学海洋生物遗传学与育种教育部重点实验室,青岛 266003;5黑龙江省农业科学院食品加工研究所,哈尔滨150086

工业大麻(CannabissativaL.)又称汉麻、火麻,多为雌雄异株,在我国种植和使用历史悠久,为大麻科(Cannabinaceae)大麻属(Cannabis)一年生草本植物,是我国传统经济作物[1,2]。迄今为止,工业大麻中已发现植物大麻素及其他植物类活性物质包括萜烯、酚类、脂质、生物碱等成分[3]。在这些成分当中,以植物大麻素中药用非精神活性物质大麻二酚(cannabidiol,CBD)(见图1)研究最为突出,其在癫痫、自闭症谱系障碍、焦虑、抑郁以及抗肿瘤的治疗方面有着很好的效果[4]。

图1 两种大麻素结构

以工业大麻为原料生产CBD的方法主要有溶剂提取和超临界CO2流体萃取两种[5]。目前,CBD在工业大麻植物体内通过大麻二酚酸(cannabidiolic acid,CBDA)转化过程已成功揭示,但相应转化理论却鲜有报道,无法依靠理论手段指导工业大麻中CBDA向CBD进行高效转化,难免在CBD生产的过程中造成植物成分的资源浪费。

本研究通过基团贡献法和Watson公式对工业大麻中CBDA受热脱羧转化CBD转化过程中各组分基本热力学参数进行计算,根据经典热力学公式对工业大麻中CBDA在常压和温度在40～140 ℃转化生成CBD反应吉布斯自由能进行确定,并得出反应平衡常数及平衡转化率,对工业大麻中CBDA能否在常规条件下自发脱羧转化的可能性进行判断。研究结合温度、花叶含水率等影响因素对工业大麻中CBDA脱羧转化生成CBD含量的影响,确定工业大麻中CBDA脱羧动力学函数模型,并计算得出转化活化能,为工业大麻产业化加工获得高含量CBD条件选择提供理论支持和实验支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

工业大麻原料由黑龙江省农业科学院提供;去离子水实验室自制;无水乙醇(分析纯,天津市富宇精细化工有限公司);磷酸(色谱纯,天津市科密欧化学试剂开发中心);乙腈(色谱纯,湖北弗顿科技技术有限公司)。

1.2 仪器与设备

DHG-9145A电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科科学仪器有限公司);Startorious 1721电子分析天平(德国赛多利斯集团);STA 449同步热分析仪(德国耐驰公司);1525分析型高效液相色谱仪(美国Waters公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 工业大麻中大麻二酚酸脱羧转化体系热力学理论基础

1.3.1.1 转化体系下各物质标准摩尔生成焓、标准摩尔熵计算

工业大麻中大麻素类物质主要由植物体表面腺毛体分泌形成[6],常以油状液态形式存在花叶表面(见图2),其中工业大麻中CBDA在常压下脱羧转化生成CBD反应式如图3。

图2 工业大麻腺毛表附大麻素状态图

图3 工业大麻中CBDA脱羧转化生成CBD反应式

表1 Benson基团贡献法估算CBDA、CBD的和各基团贡献值

(1)

(2)

(3)

1.3.1.2 转化体系下各物质理想气体比热容估算

表2 Joback基团贡献法估算反应中各组分的基团贡献值

(4)

1.3.1.3 转化体系下不同温度下物质蒸发焓计算

表3 Joback和Reid基团贡献法估算CBDA、CBD的ΔvHb基团贡献值

(5)

(6)

Tr=T/Tc

(7)

Tbr=Tb/Tc

(8)

Tr为某温度下的对比温度值,Tbr为正常沸点下的对比温度值,Fishtine提出n与对比沸点Tbr有关:n=0.74Tbr-0.116(0.570.71)[11]。

在计算ΔvHT中还需确定转化体系中物质的沸点温度(Tb)与临界温度(Tc),二者计算采用Marrero-Morejon和Pardillo-Fontdevila提出的M-P法来进行计算,M-P法估算公式通过引入计算物质摩尔质量,计算精度显著提高[15]。M-P法基团贡献值见表4,计算公式如下:

表4 M-P法估算CBDA、CBD的Tb、Tc基团贡献值

(9)

Tc=

(10)

1.3.1.4 转化体系下不同温度下液态标准摩尔生成焓和标准摩尔熵计算

根据生产加工中工业大麻脱羧转化CBD实际条件,选择40～140 ℃(313～413 K)温度范围,根据公式(11)和公式(12)对不同温度下各组分液态标准摩尔生成焓和标准摩尔熵进行计算。不同温度下气态标准摩尔生成焓、标准摩尔熵根据公式(13)和公式(14)计算得出[16]。

(11)

(12)

(13)

(14)

1.3.2 工业大麻中大麻二酚酸脱羧转化影响因素及机理参数确定

1.3.2.1 大麻二酚失重温度确定

为确保CBDA脱羧转化过程中CBD在受热生成的过程中不被失重降解,通过热重分析确定CBD失重温度。检测条件:高纯氮气作为保护气,吹扫速率50 mV/min,升温速率10 ℃/min。

1.3.2.2 温度对工业大麻中大麻二酚酸脱羧转化的影响

分别将工业大麻花叶原料置于热鼓风烘箱中,考察40、60、80、100、120、140 ℃温度进行热脱羧30 min处理。处理结束后,准确称取各批样品0.3 g,分别通过无水乙醇作为转化产物CBD的提取溶剂,按照料液比1∶10,冰浴超声30 min后,经5000 r/min离心8 min,收集提取上清液。重复5次合并提取液,经适当稀释定容进行CBD含量测定。

1.3.2.3 含水量对工业大麻中大麻二酚酸脱羧转化的影响

参照《中国药典》2020版四部干燥失重方法[17]确定阴干后工业大麻花叶原料原有含水量后,分别加入不同比例超纯水,置于25 ℃环境下密闭饱和过夜,使工业大麻花叶含水量分别达到20、40、60、80、100%。然后,通过热鼓风烘箱进行热脱羧转化处理,设定温度90 ℃,脱羧时间30 min。处理结束后,提取方法同“1.3.2.2”一致,经适当稀释定容进行CBD含量测定。

1.3.2.4 工业大麻中大麻二酚酸脱羧转化最概然机理函数及活化能确定

结合“1.3.2.2”影响因素,将工业大麻花叶通过鼓风加热分别在温度95、100、110、120 ℃,脱羧时间分别为1.5～56 min,进行CBDA脱羧转化处理。处理结束后,提取方法同“1.3.2.2”一致,经适当稀释定容进行CBD含量测定。

1.3.2.5 含量测定方法

通过高效液相色谱法对工业大麻中CBDA热脱羧生成CBD的含量进行测定,液相方法为:紫外检测器,检测波长220 nm;色谱柱为Diamonsil C18反相色谱柱;流动相为乙腈:0.1%磷酸水(73∶27);流动相流速1.0 mL/min;进样量10 μL。

2 结果与讨论

2.1 工业大麻中大麻二酚酸脱羧转化体系热力学结果分析

由Benson基团贡献法计算得出CBDA和CBD气态标准摩尔生成焓分别为-704.19、-357.66 kJ/mol,标准摩尔熵分别为954.35、900.41 J/(mol·K)。根据Joback基团贡献法估算工业大麻中CBDA脱羧转化各组分理想气体比热容与温度(T)之间的函数关系式如下:

(15)

(16)

(17)

通过Joback和Reid基团贡献法、Watson公式得到CBDA和CBD在不同转化温度下的蒸发焓如表5。

表5 CBDA和CBD在不同温度下的蒸发焓

表6 反应各组分在不同温度下的气或液态标准摩尔生成焓和标准摩尔熵

表7 不同温度下CBDA热脱羧转化反应及α值

(18)

(19)

(20)

(21)

2.2 工业大麻中大麻二酚酸脱羧转化影响因素及机理参数结果分析

2.2.1 大麻二酚的TG分析

CBD在升温速率为10 K/min下TG热分析曲线见图4。通过对TG曲线分析可知:

图4 CBD-TGA曲线

CBD在156.24 ℃开始失重,直至352.21 ℃失重完全。因此为保证CBD在热脱羧生成的过程中不因温度过高导致失重变化,所以最高热脱羧温度选择不应超过156.24 ℃。

2.2.2 温度对工业大麻花叶中大麻二酚酸脱羧转化影响

分别对工业大麻在不同温度下进行CBDA脱羧转化,CBD生成量随温度变化关系如图5所示。

图5 工业大麻花叶中CBDA在不同温度下生成CBD转化率

根据图中工业大麻在温度40～140 ℃范围内脱羧转化生成CBD的转化率得知,在脱羧转化相同时间内,随着温度的增加,CBD的转化含量增加。在40～60 ℃内,随着温度的升高,CBDA脱羧转化生成CBD含量相对较少,增加趋势不明显。当温度从60 ℃逐渐增长到140 ℃时,CBD转化含量急剧增加,并在140 ℃反应α趋近于1,这与转化体系热力学分析结果相同。说明随着温度的升高,脱羧体系中CBDA分子中内能增加,活化分子数增多,更容易发生脱羧转化。

2.2.3 含水量对工业大麻花叶中大麻二酚酸脱羧转化影响

通过对不同含水量的工业大麻花叶在温度90 ℃下热脱羧30 min进行CBD转化,转化结果如图6。

图6 工业大麻花叶中CBDA在不同含水量下CBD转化率

根据不同含水量热脱羧转化结果分析得知,工业大麻花叶在有一定含水率的条件下,热脱羧转化含量相对于阴干花叶含量明显提高,随着含水比例的增加,CBD转化含量增加。在含水率60 %左右,CBD转化生成含量几乎达到最高,随着含水量继续增加,CBD转化生成含量几乎不变。这表明随着体系中含水量增加,增加了CBDA在转化体系的扩散范围,在一定程度上增加了CBDA分子的碰撞几率,使得脱羧转化容易发生。

2.2.4 工业大麻中大麻二酚酸脱羧转化最概然机理函数及活化能确定

工业大麻花叶原料在不同温度下随时间变化受热脱羧转化生成CBD转化率曲线如图7。

图7 工业大麻花叶中CBDA在四种不同温度下随时间变化CBD转化率

通过等温分析法对阴干工业大麻和含有水分的工业大麻作物CBDA脱羧过程对数据进行分析,其中CBDA分解动力学函数如下。

G(α)=kt

(22)

(23)

α为CBD转化率;mi为i时刻CBD生成量;m0为初始CBD量;mt为完全脱羧CBD转化量。

根据对各种经典转化动力学函数模型分析总结得出[19],扩散模型Dn、随机成核和随后生长模型An及相边界反应模型Rn较为适用本研究条件下工业大麻中CBDA脱羧分解转化机理。8种分解动力学机理函数如表8所示。

表8 8种分解动力学机理函数

则常见8种分解动力学机理函数可得为:

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)

将公式(24)～(31)8种常见分解动力学机理模型作为理论曲线,将工业大麻在不同温度下脱羧转化CBD的α-(t/t0.5)曲线作为实验曲线,通过对比实验曲线与理论曲线的吻合程度,进而确定最概然机理函数。

根据图8中工业大麻在不同温度下脱羧转化α-(t/t0.5)实验曲线与8种分解动力学机理函数α-(t/t0.5)标准曲线对比发现,F1、Rn模型较为符合工业大麻中CBDA受热转化生成CBD含量曲线,因此使用F1、R1、R2来得到工业大麻花叶各个温度下的脱羧生成t-G(α)曲线,通过对曲线线性拟合,确定最大概然机理函数。其中拟合方程斜率k为工业大麻在该温度条件下转化速率,R2为曲线表征拟合度,具体曲线结果如图9所示。

图8 四种不同温度下工业大麻中CBDA脱羧转化生成CBD的α-(t/t0.5)曲线

图9 工业大麻CBDA在四种不同温度下脱羧实验曲线与理论函数曲线拟合

根据R2拟合度越大,实验结果与理论模型符合程度越高[20]。通过不同状态下工业大麻在四种温度条件下三种动力学机理函数F1、R1、R2拟合t-G(α)曲线R2表征拟合度分析得出,F1函数模型表征线性拟合度符合程度最高,因此F1分解机理函数为本实验中CBDA受热脱羧分解最概然函数模型。

根据确定最概然机理模型,得出工业大麻中CBDA在四种不同温度下脱羧转化速率参数见表9。

表9 工业大麻中CBDA在四种不同温度下脱羧反应速率参数

通过Arrhenius方程[21]可知,转化速率k与转化温度T之间有下式关系:

k=Aexp(E/RT)

(32)

式中:A为表观指前因子;E为活化能:R为气体普适常数。

通过对公式两边分别取对数,得出下式:

lnk=lnA-E/RT

(33)

根据公式绘制工业大麻中CBDA脱羧转化F1函数模型的1/T-lnk散点曲线如图10,其中-E/R表示斜率,lnA为截距。

图10 工业大麻中CBDA脱羧反应F1函数模型1/T-lnk散点曲线

根据Arrhrnius方程计算得到工业大麻中CBDA脱羧转化活化能E为83.77 kJ/mol,说明1 mol CBDA常态分子转变成具有反应作用的活化分子所需要的最低能量为83.77 kJ。

3 讨论与结论

为防止转化产物CBD因高温降解失重,通过热重分析得出脱羧反应最高温度不应该超过156.24 ℃。通过考察工业大麻含水量及环境温度对CBDA转化脱羧生成CBD的影响研究发现,随着环境温度及工业大麻花叶中含水量的增加,工业大麻中CBDA脱羧生成CBD转化率增加,说明在保证CBD不被降解失重的前提下,适当增加工业大麻花叶中含水量及温度,可提高工业大麻中CBDA脱羧转化进程。根据实验结果与常见8种分解动力学函数模型进行转化对比,确定工业大麻花叶中CBDA热脱羧转化最概然模型为F1模型,并通过Arrhrnius方程计算工业大麻花叶脱羧转化活化能E分别为83.77 kJ/mol,理论揭示了1 mol CBDA常态分子转变成具有反应作用的活化分子所需要的最低能量。