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Cannabis und Nahinfrarotspektroskopie
Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist ein schnelles Analyseverfahren mit geringen Betriebskosten, das für die Qualitätskontrolle (QC) und das Produkt-Screening verschiedener Cannabisprodukte, einschließlich Hanf, eingesetzt wird. Sie kann das Cannabinoidprofil oder sogar die Potenz von getrockneten Cannabisblüten bestimmen. NIRS kann auch für die Qualitätskontrolle von Cannabisölen, Wachsen, Tinkturen und anderen Formulierungen verwendet werden.
"Cannabis" ist der allgemeine Begriff für eine Gruppe von drei Pflanzen mit unterschiedlichen psychoaktiven Eigenschaften: Cannabis sativa, Cannabis indica und Cannabis ruderalis [1]. Die Cannabispflanze wird seit Tausenden von Jahren als Medizin, Nahrungsmittel und für ihre Fasern verwendet. Die Blüten und einige Blätter der Cannabispflanze sind mit winzigen kristallähnlichen Strukturen überzogen, die "Trichome" genannt werden, und diese Strukturen sind für die Herstellung der Cannabinoide verantwortlich, die in vielen anderen Produkten verwendet werden.
Wenn die Blüten dieser Pflanzen geerntet und getrocknet werden, entsteht eine der am weitesten verbreiteten Drogen der Welt.
Welches sind die wichtigsten und bekanntesten Cannabisverbindungen?
Cannabis enthält mehr als 120 Verbindungen, die als „Cannabinoide“ bekannt sind [1]. Die Wirkungen der einzelnen Cannabinoide sind noch nicht vollständig bekannt, aber Experten haben ein gutes Verständnis für drei von ihnen: Cannabidiol (CBD), Cannabigerol (CBG) und Tetrahydrocannabinol (THC, oder Delta-9-THC). Jedes von ihnen hat seine eigene Wirkung und Verwendung [1]:
- CBD. Dies ist ein psychoaktives Cannabinoid, das jedoch nicht berauschend und nicht euphorisierend wirkt, d. h. es macht nicht "high". Es wird häufig verwendet, um Entzündungen und Schmerzen zu lindern. Die Forscher versuchen immer noch, die Wirksamkeit der medizinischen Verwendung von CBD vollständig zu verstehen.
- CBG. Dieses Cannabinoid wurde erstmals 1964 isoliert. Die Erforschung von CBG befindet sich noch im präklinischen Stadium, aber die vorliegenden Studien deuten darauf hin, dass es ein großes therapeutisches Potenzial hat. Die Eigenschaften von CBG könnten die von THC übertreffen, ohne dass es berauschend wirkt. Es gibt auch Hinweise darauf, dass CBG krebshemmende, antidepressive und antibakterielle Eigenschaften haben könnte.
- THC. Dies ist die wichtigste psychoaktive Verbindung in Cannabis. THC ist für den "Rausch" verantwortlich, den die meisten Menschen mit Cannabis assoziieren.
Legalität von Cannabis und Hanf
Cannabis ist in vielen Ländern illegal. Immer mehr Länder beginnen jedoch, es sowohl für medizinische Zwecke als auch für den Freizeitgebrauch zu legalisieren. Hanf, der in der Regel einen geringen THC-Gehalt hat, wird vielerorts immer noch als Faser für die Herstellung von Produkten wie Textilien, Seilen und sogar biologisch abbaubaren Kunststoffen verwendet.
Die Gesetze für den Besitz und die Verwendung von Cannabis sind ebenfalls von Land zu Land unterschiedlich. Einige betrachten jede Art von Cannabisbesitz als schweres Verbrechen, andere erlauben Produkte, die nur CBD enthalten, und nur sehr wenige erlauben den Konsum von Produkten mit THC (sei es für medizinische oder Freizeitzwecke).
Welche Cannabisprodukte sind auf dem Markt erhältlich?
Legales Cannabis kann in einer breiten Palette von Produkten erscheinen, die über die typische getrocknete Blüte oder das Wachs hinausgehen, das geraucht oder auf andere Weise eingenommen wird. Je nach Land, in dem Sie leben, und je nach der Legalität der verschiedenen Cannabidiol-Verbindungen gibt es verschiedene Optionen. Die nachstehende Liste (nicht vollständig) [2] zeigt, wie sich der Markt für Cannabisprodukte in den letzten zehn Jahren entwickelt hat, da die Akzeptanz an verschiedenen Orten gestiegen ist.
- Cannabisöle
- Cannabis-Schönheits- und Hautpflegeprodukte
- Cannabis-Esswaren (z. B. Getränke, Schokolade, Gummibärchen und andere Snacks)
- Cannabis-Kapseln
- Cannabis-Leckereien für Hunde
Trocknen, Aushärten und Verarbeiten von Cannabis
Trocknen und Aushärten sind wichtig für die erfolgreiche Verarbeitung von Cannabispflanzen nach der Ernte zu Endprodukten wie Cannabisöl, Cannabiskapseln usw. Das Pflanzenmaterial muss sofort nach der Ernte getrocknet werden, um Verderb zu vermeiden. Der größte Teil der Feuchtigkeit sollte innerhalb der ersten drei Tage entzogen, und dann sollte die Trocknung verlangsamt werden, um ein Austrocknen in den nächsten Tagen zu verhindern [3]. Das Aushärten ist eine Erweiterung des Trocknens, jedoch in einer veränderten Umgebung, um die pflanzlichen Prozesse über einen Zeitraum von mehreren Wochen zu fördern. Das getrocknete Cannabis wird in luftdichten Behältern aufbewahrt, die nur von Zeit zu Zeit geöffnet werden. Dadurch wird den Blütenknospen die Feuchtigkeit entzogen und die Qualität und Potenz verbessert [3]. Nach der Aushärtung ist das Cannabis bereit, zu seinem Endprodukt verarbeitet zu werden.
Ein solches Produkt, CBD-Öl, wird durch Extraktion aus getrockneten Cannabisblüten und anschließende Verdünnung mit einem Trägeröl (z. B. Kokosnuss- oder Hanfsamenöl, Abbildung 1) hergestellt. Für das Extraktionsverfahren gibt es zwei geeignete Optionen: die Ethanolextraktion oder die überkritische CO2 Extraktion.
Zur Herstellung von Cannabiskapseln oder -tabletten muss das getrocknete Cannabis 10 Minuten lang bei 99-104 °C erhitzt werden. Dadurch wird das pflanzliche Rohmaterial decarboxyliert und potenter gemacht.
Um diese Prozesse zu screenen, bietet Metrohm applikative Lösungen für gemahlene Pflanzenmaterialien als Rohstoffprüfung und für Öle an. Die NIR-Spektroskopie ist eine Analysetechnik, die sich besonders eignet, um die Qualitätskontrolle dieser Produkte effizienter und kostengünstiger zu gestalten.
Im weiteren Verlauf dieses Artikels wird ein kurzer Überblick über die NIRS gegeben, gefolgt von einem Anwendungsbeispiel für die medizinische Cannabisindustrie. Abschließend wird erläutert, wie Hersteller von medizinischem Cannabis von der NIRS in ihrem QC-Prozess profitieren können.
NIRS-Technologie – ein kurzer Überblick
Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist ein bekannter Prozess. Das in spektroskopischen Methoden verwendete Licht wird in der Regel nicht durch die eingesetzte Energie beschrieben, sondern in vielen Fällen durch die Wellenlänge oder Wellenzahlen.
Ein NIR-Spektrometer (wie der Metrohm DS2500 Liquid Analyzer oder der Metrohm DS2500 Solid Analyzer) misst diese Wechselwirkung und erzeugt so Spektren wie die in Abbildung 2 dargestellten. Die NIRS ist besonders empfindlich für das Vorhandensein bestimmter funktioneller Gruppen (z. B. -CH, -NH, -OH und -SH). Daher ist die NIR-Spektroskopie eine ideale Methode zur Quantifizierung chemischer Parameter, einschließlich des THC-, CBD- und CBG-Gehalts sowie des Wassergehalts (Feuchtigkeit) in Cannabis und seinen Endprodukten.
Alle diese Informationen sind in einem einzigen NIR-Spektrum enthalten, wodurch sich diese Methode für eine schnelle Multiparameteranalyse eignet.
NIRS-Messmodi
Der Messmodus ist abhängig von der Art der Probe. Der Transmissionsmodus ist im Allgemeinen ein geeignetes Verfahren für die Analyse von Flüssigkeiten wie Cannabisölen. Bei der Transmission (Abbildung 3b) wandert das NIR-Licht durch die Probe und wird dabei absorbiert. Nicht absorbiertes NIR-Licht wird zum Detektor reflektiert.
Der Transflektionsmodus ist im Allgemeinen ein geeignetes Verfahren für die Analyse von Cremes. Dieser Modus wird auch verwendet, wenn nur sehr kleine Probenmengen zur Verfügung stehen, wie im Fall von Cannabis. Bei der Transreflexion (Abbildung 4b) durchläuft das NIR-Licht die Probe, wird dann vom diffusen Reflektor reflektiert und wandert erneut durch die Probe, wobei es absorbiert wird. Das nicht absorbierte NIR-Licht wird dann am Ende der Analyse nachgewiesen.
Der Modus der diffusen Reflexion ist im Allgemeinen ein geeignetes Verfahren für die Analyse von festen Proben wie getrockneten Cannabisblüten. Bei der diffusen Reflexion (Abbildung 5b) beleuchtet das NIR-Licht die Probe und jegliches nicht absorbierte NIR-Licht wird zum Detektor zurückreflektiert.
Das in Abbildung 2 dargestellte Verfahren zur Gewinnung von NIR-Spektren verdeutlicht bereits zwei wesentliche Vorteile der NIR-Spektroskopie: Einfachheit bei der Probenmessung und Schnelligkeit:
- Schnelle Technik mit Ergebnissen in weniger als einer Minute.
- Wenig bis gar keine Probenvorbereitung erforderlich.
- Geringe Kosten pro Probe – keine Chemikalien oder Lösungsmittel erforderlich.
- Umweltfreundliche Technik – es entsteht kein Abfall.
- Zerstörungsfrei – wertvolle Proben können nach der Analyse wiederverwendet werden.
- Einfache Bedienung – auch unerfahrene Anwender haben sofort Erfolg.
Ausführlichere Informationen über NIRS als Sekundärtechnik finden Sie in unseren früheren Blogbeiträgen.
NIRS als ASTM-konformes Tool für die Qualitätskontrolle
ASTM E1655 (Standard Practices for Infrared Multivariate Quantitative Analysis) ist ein Leitfaden für die multivariate Kalibrierung von Infrarotspektrometern, die zur Bestimmung physikalischer oder chemischer Eigenschaften von Materialien eingesetzt werden. Diese Praktiken gelten für Analysen, die im nahen Infrarotbereich (NIR) (ca. 780 bis 2500 nm) und im mittleren Infrarotbereich (MIR) (ca. 4000 bis 400 cm−1) durchgeführt werden.
Anwendungen und Parameter für die Qualitätskontrolle von medizinischem Cannabis mit NIRS
Medizinische Cannabisprodukte werden standardisierten Testmethoden unterzogen, um ihre chemischen Eigenschaften zu bestimmen. Labortests sind ein unverzichtbarer Bestandteil von F&E und Qualitätskontrolle. In Tabelle 1 sind einige der wichtigsten Testparameter für die Qualitätskontrolle von medizinischem Cannabis aufgeführt.
Tabelle 1. Anwendungsbeispiele für den Einsatz von NIRS zur Qualitätskontrolle ausgewählter medizinischer Cannabisprodukte.
| Produkt | Parameter | Konventionelle Methode | Verwandte NIRS-Anwendungen |
|---|---|---|---|
| CBD-Öle | CBD-Gehalt | HPLC | AN-NIR-088 |
| Getrocknetes Cannabis | THC-, CBD- und CBG-Gehalt | HPLC | AN-NIR-101 |
Eine schlüsselfertige Lösung für die Analyse von getrocknetem Cannabis
Die NIRS-Lösung von Metrohm für die Analyse von medizinischem Cannabis wird mit gebrauchsfertigen Vorkalibrierungsmodellen für die Bestimmung von THC, CBD, CBG und sogar des Feuchtigkeitsgehalts geliefert, die auf mehr als 700 echten Produktspektren basieren (Tabelle 2). Diese Vorkalibrierungen ermöglichen es, die Metrohm-Lösung als validiertes Kalibrierungsmodell ohne jegliche Methodenentwicklung zu verwenden.
Tabelle 2. Verfügbare NIRS-Vorkalibrierungen für die Analyse von medizinischem Cannabis.
| Parameter | Reichweite | SECV | R2 |
|---|---|---|---|
| THC | 0,3–19,3% | 0,73 Gew.-% | 0.979 |
| CBD | 0,1–18,5% | 0,75 Gew.-% | 0.978 |
| CBG | 0,1–3,0% | 0,17 Gew.-% | 0.849 |
| Feuchtigkeit | 5,4–7,5% | 0,21 Gew.-% | 0.953 |
Die NIRS-Lösung von Metrohm für die Analyse von medizinischem Cannabis wird mit gebrauchsfertigen Vorkalibrierungsmodellen für die Bestimmung von THC, CBD, CBG und sogar des Feuchtigkeitsgehalts geliefert, die auf mehr als 700 echten Produktspektren basieren (Tabelle 2). Mit diesen Vorkalibrierungen kann die Metrohm-Lösung als validiertes Kalibrierungsmodell verwendet werden, ohne dass eine Methodenentwicklung erforderlich ist.
Zusammenfassung
Die NIR-Spektroskopie eignet sich hervorragend für die Analyse mehrerer wichtiger Qualitätsparameter in getrocknetem Cannabis. Im Vergleich zur primären Methode (HPLC) ist die Zeit bis zum Ergebnis ein großer Vorteil der NIRS, da eine einzige Messung innerhalb einer Minute durchgeführt werden kann, im Gegensatz zu etwa 30 Minuten bei HPLC. Außerdem werden die mit NIRS gemessenen Proben nicht zerstört, und chemische Reagenzien sind überflüssig, was noch mehr Kosten spart. Ein weiterer positiver Aspekt des Einsatzes der Nahinfrarotspektroskopie als alternative Technologie für die Qualitätskontrolle von medizinischem Cannabis und seinen Produkten ist die einfache Handhabung, so dass selbst Schichtarbeiter diese Analysen problemlos durchführen können. Darüber hinaus ist die Vision Air-Software von Metrohm vollständig konform mit den Richtlinien 21 CFR Teil 11 und USP <856>.
Refrenzen
- What Is Cannabis? Facts About Its Components, Effects, and Hazards. Healthline. https://www.healthline.com/health/what-is-cannabis (accessed 2022-07-14).
- Fiorillo, S. 7 Cannabis Products On the Rise. TheStreet. https://www.thestreet.com/lifestyle/5-cannabis-products-on-rise-14578907 (accessed 2022-07-14).
- dhydratech. Cannabis Drying & Curing 101. Dhydra Technologies. https://dhydra.com/cannabis-drying/ (accessed 2022-07-14).
Ihr Wissen zum Download
Vorkalibrierungen für Cannabistests
Qualitätskontrolle von CBD-Ölen – Schnelle und einfache Bestimmung des Cannabinoidgehalts
Steigern Sie die Effizienz im QC-Labor: Wie NIRS hilft, die Kosten um bis zu 90 % zu senken
Die Unterschätzung von QC-Prozessen ist einer der Hauptfaktoren, die zu internen und externen Produktfehlern führen, die Berichten zufolge Umsatzeinbußen von 10-30 % verursachen. Infolgedessen werden viele verschiedene Normen eingeführt, um die Hersteller in dieser Hinsicht zu unterstützen. Die Zeit bis zum Ergebnis und die damit verbundenen Kosten für Chemikalien können jedoch sehr hoch sein, was viele Unternehmen dazu veranlasst, die Nahinfrarotspektroskopie in ihren Qualitätskontrollprozess aufzunehmen. Das folgende White Paper veranschaulicht das Potenzial der NIRS und zeigt Kosteneinsparungspotenziale von bis zu 90 % auf.
