Subcritical water extraction of ginger (Zingiber officinale Roscoe)

Abstract

Ginger (Zingiber officinale Roscoe) is renowned for its health-promoting properties, attributed primarily to its bioactive compounds, including [6]-gingerol, [6]-shogaol, and zingerone. These compounds exhibit significant anti-inflammatory and antioxidant activities. Subcritical water extraction (SWE) is an innovative technique that utilizes water at elevated pressures and temperatures ranging from 100°C to 374°C to extract both polar and nonpolar compounds effectively. As the temperature increases, the dielectric constant of water decreases, resulting in weakened hydrogen bonds between water molecules, thereby enhancing its solvent properties to resemble those of organic solvents. This method is not only safe but also efficient, as it employs water as a solvent and significantly reduces extraction time, making it suitable for isolating bioactive compounds from plant materials. In this study, the extraction kinetics of key phenolic compounds from ginger were investigated using SWE at various temperatures (110°C to 200°C) and extraction times. The research aimed to develop a new kinetic model based on first-order rate equations and to compare the extraction efficiency across different temperatures. The extraction processes were empirically modeled, and the resulting compounds were characterized using high-performance liquid chromatography (HPLC). The findings revealed that the optimal extraction temperature for maximizing [6]-gingerol yield was 130°C. Additionally, the study highlighted the thermal degradation of [6]-gingerol into [6]-shogaol and zingerone, emphasizing the importance of temperature control during the extraction process. Overall, this research demonstrates the potential of SWE as a viable alternative to traditional extraction methods, offering insights into the kinetics and optimization of extracting valuable bioactive compounds from ginger.;천연 생리 활성 화합물에 대한 수요가 증가함에 따라 특히 생강(Zingiber officinale Roscoe)과 같은 식물 유래 물질에 대한 효율적인 추출 방법의 중요성이 부각되고 있다. 생강의 항염증 및 항산화 특성을 비롯한 생강의 건강상의 이점은 잘 알려져 있지만, [6]-진저롤, [6]-쇼가올, 진저론과 같은 주요 페놀 화합물의 수율을 극대화하기 위한 아임계수 추출(SWE)의 동역학과 최적화에 대한 연구 격차가 여전히 존재한다. 이 논문은 SWE를 사용하여 이러한 화합물의 추출 동역학을 조사하고, 일차 속도 방정식에 기반한 새로운 동역학 모델을 개발하며, 다양한 추출 온도(110-200℃)에서의 효과를 비교하는 것을 목표로 한다. 방법론에는 추출 공정의 경험적 모델링, 화합물 특성 분석을 위한 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)의 활용, Peleg’s 모델, One-site kinetic desorption 모델, Two-site kinetic desorption 모델, 동시 열분해를 설명하는 새로 고안된 모델을 포함한 동역학 모델들에 실험 데이터를 적용하는 것이 포함되었다. 그 결과 제안된 동역학 모델들이 다양한 온도에서 화합물의 수율을 효과적으로 예측하여 추출 효율을 극대화할 수 있는 최적의 조건을 제시한다는 사실이 입증되었다. [6]-진저롤의 최고 수율은 130℃에서 4.81 ± 0.27 mg/g dw의 수율로 얻어졌다. [6]-쇼가올의 최고 수율은 200 ℃에서 2.47 ± 0.26 mg/g dw의 수율로 나타났다. 진저론의 최고 수율은 200 ℃에서 7.04 ± 0.03 mg / g dw의 수율로 얻어졌다. 이 연구는 생강에서 생리활성 화합물을 효율적으로 회수할 수 있는 우수한 방법으로서 SWE의 잠재력을 강조하면서 추출 공정을 최적화하기 위한 포괄적인 방법론을 제공한다. 이 연구의 주요 시사점은 정교한 동역학 모델을 적용하면 생강에서 페놀 화합물 수율의 예측 가능성과 일관성을 크게 향상시켜 식물 재료 추출에서 SWE의 산업적 응용을 개선할 수 있는 길을 열 수 있다는 것이다.