Optimization of extraction of bioactive compounds from ginger (Zingiber officinale) and Orostachys japonicus using subcritical water

Abstract

Chapter 1. Optimization of extraction of shogaol from ginger (Zingiber officinale) using subcritical water Ginger (Zingiber officinale) has been used worldwide as spice and herbal medicine. The major bioactive compounds of ginger (Zingiber officinale) are gingerol and shogaol, and it is known to be effective in antioxidant and anticancer activities. Especially, shogaol was reported to have a better effect than gingerol. Subcritical water extraction (SWE) is an eco-friendly method which extracts nonpolar compounds without using organic solvents. The aim of this study was to find extraction condition that maximize content of 6-shogaol from ginger by drying and extraction. Extraction were performed with water at various temperatures (110-200°C) and times (5-40 min) and the extracts were analyzed by a high performance liquid chromatography (HPLC) and FRAP assay. Under optimal extraction condition, ginger was extracted after drying at -80°C, room temperature, 60°C and 80°C. 6-shogaol was no detected at 110°C and detected at the over 130˚C. 6-shogaol contents were increased with the extraction temperature and time due to conversion of 6-gingerol into 6-shogaol. The highest yield of 6-shogaol (0.39 ± 0.03 mg/g fresh weight) was obtained at extraction condition of 190°C-15 min. The content of 6-shogaol was increased when it was extracted after drying at room temperature and 60°C for a short time. Drying at too high a temperature or drying for long-time decreased the yield of 6-shogaol. Therefore, 6-shogaol can be maximally obtained by extracting at 190°C for 15 min from drying ginger at 60°C for 2 h. Chapter 2. Assessment of antioxidant activity of subcritical water extracts from Orostachys japonicus Orostachys japonicus (Crassulaceae) is used as a folk medicine for cancer, fever and inflammation, where flavonoids make a major contribution. Subcritical water extraction (SWE) is an eco-friendly method which extracts nonpolar compounds such as flavonoids without using organic solvents. The purpose of this study was to investigate the optimal condition for extracting bioactive compounds from Orostachys japonicus using SWE. Experiments were performed with a Dionex Accelerated Solvent Extractor (ASE, Model 350) at various extraction temperatures (110-200°C) and times (5-20 min), and flavonoids of the extracts were quantitatively analyzed by a spectrophotometer. Also, anti-oxidative activities were measured by DPPH, ABTS and FRAP assays. Total phenolic and flavonoids contents increased with the extraction temperature and time. The optimal condition was 200°C/15 min, and total phenolic and flavonoids contents of a SWE extract at this condition were higher than those of methanol and ethanol extracts. Anti-oxidative activities showed consistent results with total flavonoid content at different extraction conditions. The optimal conditions to maximize DPPH and ABTS radical scavenging activities were 190°C/10 min and 200°C/20 min, respectively. SWE extracts at 200°C for 20 min showed higher total polyphenol contents, total flavonoid contents and anti-oxidative activities than methanol and ethanol extracts for 2 h. Consequently, the SWE would be an effective method to extract valuable flavonoids from Orostachys japonicus. The objective of this study was to optimize the condition of SWE for antioxidant activity.;Chapter 1. Optimization of extraction of shogaol from ginger (Zingiber officinale) using subcritical water 생강 (Zingiber officinale)은 향신료와 약초로 널리 사용되어 왔다. 생강 (Zingiber officinale)의 주요 생체 활성 화합물은 gingerol과 shogaol이며, 항산화와 항암에 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 특히 shogaol은 gingerol보다 항산화, 항암에 더 효과가 있다고 보고되었다. 아임계 추출 (Subcritical Water Extraction, SWE)은 유기용매를 사용하지 않고 비극성 화합물을 추출하는 환경친화적인 방법이다. 아임계수추출은 고온의 공정으로 gingerol이 shogaol로 전환가능하며 건조과정을 통해서도 전환할 수 있다. 이 연구의 목적은 생강에서 6-shogaol의 함량을 최대로 하는 추출 조건을 찾는 것이었다. 추출은 다양한 온도 (110-200°C) 및 시간 (5-40분)의 아임계수로 수행하였고, 추출물을 HPLC와 FRAP assay를 이용해 분석하였다. 이 후 생강은 -80℃, RT, 60℃ 및 80℃에서 여러 시간 조건 별로 건조한 후 아임계수추출의 최적 추출조건에서 추출하였다. 6-shogaol은 110℃에서 검출되지 않았으며 130℃이상에서부터 검출되었다. 6-gingerol이 6-shogaol로 전환되기 때문에 추출 온도와 시간에 따라 6-gingerol의 함량은 감소하고 6-shogaol 함량이 증가했다. 6-shogaol의 SWE 최적 조건은 190℃에서 15분이었다. 건조를 할 경우, 건조조건에 따라 6-shogoal이 증가하기도 했으나 극한조건으로 건조한 생강은 수분함량이 너무 낮아졌고 SEM image를 봤을 때 조직이 사이의 공간이 감소했다. 그로 인해 mass transfer가 낮아져 추출물에서 6-gingerol과 6-shogaol 함량이 모두 감소했다. 또 너무 80℃에서 건조하거나 60℃에서 장시간 건조시킨 생강을 아임계수로 추출한 추출물은 6-shogaol이 열분해가 되었다. 결과적으로 생강을 60℃에서 2시간이 가장 적절한 건조조건이었으며, 생강에서 6-shogaol을 최대로 추출할 때는 과육을 이용해 60℃에서 2시간 동안 건조한 후 190℃에서 15분 동안 추출할 때이다. Chapter 2. Assessment of antioxidant activity of subcritical water extracts from Orostachys japonicus Orostachys japonicus (Crassulaceae)는 암, 발열, 염증 등에 민간요법으로 사용되어 왔으며 이에 플라보노이드가 중요한 기여를 한다. 아임계 추출 (Subcritical Water Extraction, SWE)은 유기 용매를 사용하지 않고 플라보노이드와 같은 비극성 화합물을 추출하는 환경 친화적인 추출방법이다. 본 연구의 목적은 SWE를 이용하여 Orostachys japonicus에서 생리활성물질을 추출하기 위한 최적 조건을 찾는 것이다. 실험은 다양한 추출 온도 (110-200℃) 및 시간 (5-20분)에서 Dionex Accelerated Solvent Extractor (ASE, Model 350)로 수행하였고 추출물의 페놀화합물과 플라보노이드는 분광광도계로 정량분석 하였다. 또한, 항산화 활성은 DPPH, ABTS 및 FRAP 분석에 의해 측정되었다. 총 폴리페놀과 플라보노이드 함량은 추출온도와 시간에 따라 증가하였다. 최적 조건은 200℃ - 15분이었고, 이 조건에서 SWE 추출물의 총 페놀화합물과 플라보노이드 함량은 메탄올과 에탄올 추출물보다 높았다. 항산화활성은 추출조건에 따라 총 플라보노이드 함량과 유사한 결과를 보였다. DPPH 및 ABTS 라디칼 소거능을 최대화 하기 위한 최적 조건은 각각 190 ℃-10분, 200℃-20 분이었다. 200℃에서 20분 동안 아임계수로 추출하면 메탄올과 에탄올추출물보다 총 페놀화합물 함량, 총 플라보노이드 함량 및 항산화활성이 더 높았다. 결과적으로 SWE는 Orostachys japonicus에서 항산화활성을 가지는 플라보노이드를 추출하는 효과적인 방법이다.