Subcritical Water Extraction of Phenolic Compounds from Angelica gigas Nakai and Zizyphus jujuba Mill.

Abstract

Chapter 1. Extraction of Nodakenin and Decursin from Angelica gigas Nakai using Subcritical Water on Pilot-Scale Angelica gigas Nakai (AN) has been used for a traditional medicine in Korea, which acts anti-inflammatories, protects the liver, and enhances the immune system. Especially, AN mainly contains coumarin derivatives, including nodakenin and decursin as active components. The extraction of active components from AN was conducted by subcritical water extraction (SWE) in this study. The SWE is an eco-friendly extraction method in which the pressure is applied from the boiling temperature to the critical temperature of water that maintains the liquid state. The purpose of this research was to find the effects of extraction conditions (temperature, time, and stirring rate) on the SWE of antioxidant properties and active components (nodakenin and decursin) from AN, and to compare laboratory-scale (22 ml), pilot-scale SWE (8 L) and conventional extractions. Extraction efficiencies were evaluated by measuring extraction yield of nodakenin and decursin with a high-performance liquid chromatography, and total phenolic contents, radical scavenging activities (DPPH and ABTS) and MRPs levels with a spectrophotometer. The highest extraction yield of nodakenin (150°C-15 min) was extracted at lower temperature than decursin (190°C-15 min) in the laboratory-scale because of a presence of hydroxyl groups (-OH). The highest extraction yield of nodakenin and decursin in the pilot-scale was obtained at 150°C-10 min (4.33 ± 0.18 mg/g AN) and 190°C-15 min (17.77 ± 2.39 mg/g AN), respectively. Furthermore, the extraction yield of decursin in the pilot-scale increased as the stirring rate increased to 200-250 RPM. From the Pearson’s correlation, the radical scavenging activities using DPPH and ABTS assays were more sensitive to the Maillard reaction (R2 = 0.822, R2 = 0.933, respectively) than to the total phenolic contents (R2 = 0.486, R2 = 0.724, respectively), resulting in a difference of optimum condition between the total phenolic contents and radical scavenging activities. The difference in the optimum condition of nodakenin and decursin between the lab- and pilot-scale SWE could be three reasons; the presence of an agitator in an extractor, the extractor length to diameter ratio and a heating process. The result reported that the extraction yield of decursin obtained by the conventional extractions was higher than the SWE. Therefore, the most suitable subcritical solvent is recommended that mixing water and organic solvent is used as a subcritical solvent. Chapter 2. Subcritical Water Extraction of Antioxidant Compounds from Zizyphus Jujuba Mill. Zizyphus jujuba Mill., called jujube, has been known as a traditional medicine for treatment such as antitussives, antibiotics, and antidiabetics. It has various vitamins and a lot of phenolic compounds including rutin, catechin, quercetin, gallic acid, and saponins. Organic solvent extractions using methanol or ethanol to extract various phenolic compounds from jujube, but they have a long time for extracting the phenolic compounds and have a safety problem. Therefore, the extraction of antioxidant compounds from jujube was conducted by subcritical water extraction (SWE) in this study. Furthermore, we compared the SWE with the traditional extractions using organic solvents. Extraction efficiencies were evaluated by measuring total phenolic contents and antioxidant activities with a spectrophotometer. The conditions of SWE were as follows: extraction temperature ranges of 110-190°C; extraction times ranges of 5-20 min. The highest total phenolic contents, DPPH and ABTS radical scavenging activities were 67.79 ± 3.45 mg GAE/g, 48.84 ± 4.74 %, and 84.75 ± 1.15%, respectively obtained at 190°C-15 min, 190°C-20 min, 190°C-20 min, respectively. The difference in the values of DPPH and ABTS radical scavenging activities is due to the difference in the mechanisms in which they are applied. A strong positive correlation was shown between the total phenolic contents and the antioxidant activities (R2 = 0.839 for DPPH, R2 = 0.874, for ABTS). The total phenolic contents and antioxidant activities of SWE were higher than organic solvent extractions using methanol and ethanol. This result confirmed that the SWE was an efficient and excellent alternative method for extracting phenolic compounds from jujube compared to the traditional extractions. Further study needed to investigate the extraction efficiency of specific phenolic compounds, and saponins known as active ingredients of jujube.;Chapter 1. Extraction of Nodakenin and Decursin from Angelica gigas Nakai using Subcritical Water on Pilot-Scale 우리나라 당귀는 참당귀(Angelica gigas Nakai)로 한약재로써 뿌리를 말려서 사용한다. 혈액 순환을 촉진하는 기능을 가지고 성질이 따뜻하여 폐경기 여성들에게 좋은 것으로 알려져 있고 항암, 항염, 항균 등의 효과가 있는 것으로 보고된다. 특히 참당귀에는 유효성분으로 쿠마린 유도체인 데커신(decrusin), 노다케닌(nodakenin) 등이 주로 함유되어 있다. 이들은 주로 비극성 성분들로 메탄올, 에탄올과 같은 유기용매를 이용하여 추출한다. 그러나 유기용매 추출은 추출 시간이 길고 용매가 잔류할 가능성이 있어 안전 문제가 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 친환경 용매로 알려져 있는 아임계수를 이용하여 2 가지 유효성분과 4가지 항산화 특성을 분석하여 추출 온도와 시간이 어떻게 영향을 주는지 살펴보고자 하였다. 또한, lab-scale 과 pilot-scale 아임계수 추출법, 유기용매 추출법을 비교하여 아임계수 추출의 산업적 적용 가능성을 확인해보고자 했다. Pilot-scale 아임계수 추출법에서 데커신과 노다케닌의 최적 추출 조건은 각각 190°C-15 분 (17.77 mg/g AN), 150°C-10 분 (4.35 mg/g AN)으로 나타났으며 이러한 최적 추출 온도 차이는 화학 구조적 차이에서 나타난다고 본다. 총 폴리페놀 함량, 라디칼 소거능 효과 그리고 MRPs levels을 살펴본 결과, 라디칼 소거능 효과와 MRPs level 간의 상관관계에 비해 라디칼 소거능 효과와 총 폴리페놀 함량에서 더 낮은 상관관계를 보였다. 이는 항산화능이 총 폴리페놀 성분뿐만 아니라 maillard, caramelization과 같은 반응으로 새롭게 형성된 물질에 의해 영향을 크게 받은 것으로 보인다. Lab-scale 아임계수 추출보다 pilot-scale 아임계수 추출에서 데커신과 노다케닌 최적 추출 시간이 더 빠르게 나타난 이유는 추출기 내 교반기, 추출기의 길이와 지름 비율, 그리고 추출 온도까지 올라가는 과정에서 차이가 나타났기 때문이다. 유기용매 추출과 pilot-scale아임계수 추출을 비교한 결과, 데커신이 유기용매 추출에서 함량이 더 높게 나타났다. 그러나 총 폴리페놀 함량은 유기용매 추출보다 아임계수 추출에서 더 높게 나타났다. 이는 쿠마린류 이외의 다른 폴리페놀 물질(플라보노이드, 안토시아닌 등)이 아임계수 추출에서 더 용이해 추출 효율이 높은 것으로 보인다. 물과 유기용매를 섞어 당귀로부터 쿠마린 성분을 추출한다면 아임계 추출법이 유기용매 추출법보다 더 적합할 것이라 기대한다. Chapter 2. Subcritical Water Extraction of Antioxidant Compounds from Zizyphus Jujuba Mill. 대추는 우리나라의 전통 약재로 알려져 있으며 이는 항우울제, 항생제, 그리고 당뇨병을 치료하는 데 사용되고 있다. 대추는 비타민 B, C, 사포닌 그리고 다양한 페놀 화합물을 함유하고 있어 몸에 긍정적인 효과를 주는 것으로 보고된다. 대추를 추출하는 데 주로 메탄올이나 에탄올과 같은 유기용매를 이용하지만 추출 시간이 길고 환경오염으로 인한 문제점이 있다. 본 연구에서는 이러한 유기용매 추출이 아닌 보다 안전하고 효과적인 추출 방법으로 알려진 아임계수 추출법을 사용하여 대추 추출물의 총 폴리페놀 함량, DPPH와 ABTS 라디칼 소거능을 측정하여 추출 온도와 시간에 따른 아임계수의 효과를 살펴보았다. 더 나아가 아임계수 추출법과 기존 추출 방법을 비교함으로써 산업적 적용 가능성을 확인했다. 분광 광도계를 사용하여 총 페놀 함량과 라디칼 소거능을 측정한 결과, 총 페놀 함량, DPPH 및 ABTS 라디칼 소거능이 각각 190℃-15 분, 190℃-20 분, 190 ℃- 20 분에서 약 67.79 mg GAE/g, 48.84% 및 84.75%을 나타냈다. DPPH 및 ABTS 라디칼 소거능 값에서 큰 차이를 나타내는 이유는 작용하는 항산화 물질의 차이에서 기인한다고 본다. 또한, 총 페놀 함량과 라디칼 소거능 사이에 강한 양의 상관 관계가 나타났고 이는 페놀 물질이 라디칼을 제거하는 데 영향을 준다는 여러 보고들과 일치한다. 더 나아가 아임계수 추출법은 유기용매 추출법에 비해 총 페놀 함량, 라디칼 소거능에서 모두 높은 수치를 나타냈다. 따라서 유기용매 추출법에 비해 대추에서 항산화 물질을 추출하기 위해서는 아임계수 추출법이 좀 더 효과적이고 빠른 방법이라는 것을 확인시켜 주었다. 아임계수를 이용하여 대추를 추출했을 때, 추출되는 페놀 화합물에 대한 구체적인 조사와 대추의 주요 성분으로 알려진 사포닌의 추출 효율에 대한 연구를 좀 더 진행할 필요가 있다.