Subcritical water extraction of antioxidative properties and less-polar ginsenosides from Korean red ginseng

Abstract

Red ginseng is manufactured by steaming fresh ginseng before the drying process. During the process, the phenolic compounds and MRP levels, which affect the antioxidant activity of red ginseng, are increased and the glycosyl moiety of polar ginsenosides are released, resulting in the generation of less-polar ginsenosides. In extracting red ginseng, water and ethanol are mainly used, but the extraction time is long and there is a safety problem about residual organic solvent. In this study, we applied subcritical water extraction (SWE), which is a more efficient and safe extraction method, for extracting Korean red ginseng (KRG). The four antioxidative properties and two less-polar ginsenosides of KRG extract were analyzed. In particular, the possibility of commercialization of SWE in KRG was investigated by comparing lab-, pilot-scale SWE, and traditional extraction methods. The antioxidative properties of lab-scale SWE were maximal at 200°C for 20 min and the antioxidant compounds exhibited a high coefficient for the correlation with DPPH free-radical-scavenging activity (R = 0.933–0.940). Ginsenoside Rg3 and Rg2 showed optimum extraction conditions at 200°C for 10 min (1.59 mg/g KRG) and at 150°C for 20 min (0.25 mg/g KRG), respectively. The difference in the optimum extraction temperature seems to be due to the difference in the number of hydroxyl groups (-OH) in dammarane aglycone. Also, pilot-scale SWE showed higher antioxidative properties and lower contents of less-polar ginsenosides than lab-scale SWE. This results showed that pyrolysis was more likely to occur in less-polar ginsenosides than antioxidant compounds. It can be attributed to the structure of ginsenosides, which has heat-liable sugar moiety. However, the antioxidative properties and the contents of less-polar ginsenosides showed similar or higher in pilot-scale SWE compared to the traditional extraction methods. Overall results confirmed that the SWE is suitable for extracting antioxidant compounds and less-polar ginsenosides from KRG and showed the possibility of application to pilot-scale SWE when safety and efficiency are taken into consideration.;홍삼은 수삼을 증기 및 기타의 방법으로 쪄서 말린 것으로, 제조하는 과정에서 홍삼의 항산화능에 영향을 미치는 페놀성 화합물, MRP levels가 증가하며, 극성 진세노사이드의 glycosyl 잔기가 이탈되어 저극성 진세노사이드가 생성된다. 홍삼을 추출함에 있어 용매는 주로 물, 에탄올 등을 사용하고 있으나 추출시간이 길며, 유기용매의 잔류에 대한 안전성 문제가 있어 이보다 효율적이고 안전한 추출 방법인 아임계수 추출법을 적용하고자 하였다. 본 연구에서는 홍삼 아임계수 추출물의 4가지 항산화 특성과 2가지의 저극성 진세노사이드를 분석하여 추출온도와 시간이 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 특히, Lab- 과 Pilot-scale 아임계수 추출법, 기존의 열수, 유기용매 추출법을 비교하여 홍삼의 아임계수 추출법에 대한 상업화 가능성을 확인하고자 하였다. Lab-scale 아임계수 추출법에서 항산화 특성의 최적 추출 조건은 200°C/20 분으로 나타났으며, 3가지의 항산화 성분과 항산화능이 높은 상관관계(0.933–0.940)를 나타내어 본 연구에서 분석한 성분들이 홍삼의 항산화능에 영향을 끼치는 것을 알 수 있었다. 저극성 진세노사이드의 최적 추출 조건은 Rg3가 200°C/10분 (1.59 mg/g KRG)에서, Rg2가 150°C/20분 (0.25 mg/g KRG)으로 나타났으며, 이러한 최적 추출 온도의 차이는 비당부분의 수산기(–OH) 개수의 차이에서 기인한 것으로 보인다. 또한, Lab-scale과 비교했을 때, Pilot-scale 아임계수 추출물에서 Lab-scale 아임계수 추출법보다 다소 높은 항산화 특성과 낮은 저극성 진세노사이드 함량을 나타냈다. 이는 실제로 물의 온도를 추출 온도까지 올리는데 시간이 오래 걸리는 Pilot-scale에서 당을 가지고 있는 진세노사이드가 항산화 성분들에 비해 열분해가 더 잘 일어났기 때문으로 볼 수 있다. 하지만 기존의 추출법들과 비교하였을 때, Pilot-scale 홍삼 아임계수 추출물에서 항산화 특성과 저극성 진세노사이드의 함량 모두 높거나 비슷하게 나타났다. 따라서 홍삼의 항산화 성분과 저극성 진세노사이드를 추출함에 있어 아임계수 추출법이 적합함을 확인하였으며, 안전성과 효율성을 고려하였을 때 Pilot-scale로의 적용 가능성을 보여준 결과라 할 수 있다.