Optimization of drying conditions for the conversion of 6-gingerol to 6-shogaol under subcritical water extraction from ginger

아임계수 추출에서 6-gingerol의 6-shogaol 전환을 위한 생강 건조 조건 최적화

Abstract

6-gingerol can be converted to 6-shogaol, one of the predominant active compounds found in ginger, via processing such as drying and extraction. Subcritical water extraction is the environmentally friendly method of extraction of bioactive compounds using only purified water as a solvent. This study investigated subcritical water extraction ($190^{\circ}C$, 15 min) of 6-gingerol, and 6-shogaol from dried ginger (Zingiber officinale) including drying conditions such as temperature (room temperature, 60, $80^{\circ}C$, and freeze drying) and time duration for drying (1-4 h). The amount of 6-gingerol was found to be reduced, and that of 6-shogaol was found to be increased depending upon the water content of dried ginger. Upon oven-drying ginger at $60^{\circ}C$ for 2 h, the maximum yields of 6-gingerol ($0.18{\pm}0.02mg/g$ fresh weight), and 6-shogaol ($0.47{\pm}0.02mg/g$ fresh weight) were obtained upon subcritical water extraction.

건조한 생강을 아임계수 추출 기술을 이용하여 6-gingerol, 6-shogaol을 추출하고 유효성분의 추출 효율과 영향을 비교 분석하였다. 추출 결과, 건조를 할 경우, 건조 조건에 따라 6-shogaol이 증가하기도 했으나 극한 조건으로 건조하여 생강의 수분함량이 매우 낮아질 경우, 오히려 생강 조직 사이의 공간이 감소하고 그로 인한 추출 용매의 mass transfer가 낮아져 6-gingerol과 6-shogaol 함량은 모두 감소하였다. 또한 비교적 높은 온도인 60, $80^{\circ}C$에서 4시간의 건조를 시킬 경우, 6-shogaol은 열분해가 되었다. 결과적으로 생강의 $60^{\circ}C$, 2시간이 가장 적절한 건조 조건이었다. 특히, 생강의 건조 조건과 유효성분의 추출 경향은 높은 상관관계를 나타내었다. 이는 오직 물만을 사용하여 유효성분을 추출하는 친환경적이며 안전하고 독성이 없는 아임계수 추출 방법이 최적화된 생강 시료의 건조 조건에서 6-shogaol의 유효성분을 선택적으로 추출할 수 있는 잠재성과 우수성을 확인한 결과이며, 다양한 식물에서 유효성분을 추출하거나 가공하는 식품 산업에 응용하여 사용될 수 있을 것이다.

서 론

생강(Zingiber officinale)은 생강과(Zingiberaceae)에 속하는 식물로 식물의 근경 부위를 이용한다. 이는 노란색을 나타내며 매우독특하고 톡 쏘는듯 한 향을 가지고 있어 전 세계적으로 요리에 널리 이용되고 있으며, 각종 생리활성이 있다(Dugasani 등, 2009). 특히, 소화촉진, 심혈관계 질환 예방, 항염, 항균, 항암, 항산화, 항당뇨 등의 효능이 있는 것으로 알려져 있다(Mashhadi 등, 2013; Masuda 등, 2004; Shukla과 Singh, 2007). 생강에 함유되어 있는 대표적인 유효성분으로는 6-gingerol, 6-shogaol 등이다(Masuda 등, 2004). 특히, 6-shogaol은 6-gingerol 보다 우수한 생리적 활성이 있는 것으로 알려져 있다(Cheng 등, 2011; Weng 등, 2010). 식품가공에서 건조는 수분을 제거하는 공정으로써, 특히 생강은 건조시 탈수에 의하여 gingerol이 shogaol로 전환되는 특성을 가지고 있다(Hawlader 등, 2006; Huang 등, 2011). 또한 저장, 가공, 유통과정 중 고온에서도 성분의 변환이 일어나는 특성을 가지고 있다(Park 등, 2014).

아임계수 추출 기술은 물을 추출 용매로 이용하여 추출하는 친환경적인 추출방법이다. 물은 온도와 압력에 따라 용해도가 변하는 성질이 있다. 물의 용해도를 나타내는 유전상수율이 상온에서 약 80.1을 나타내지만 물의 온도 200°C에서는 34.5를 나타내어이는 메탄올 상온에서의 유전상수율 값인 약 33.6, 에탄올 상온에서의 유전상수율 값인 약 24.5과 유사하다. 따라서 아임계수 추출은 비교적 비극성을 나타내는 유효 성분을 유기용매를 대체하여 오직 물 만을 추출 용매로 이용하여 추출할 수 있는 방법이다(Ko 등, 2011). 또한 물의 끓는 점 이상의 고온·고압에서 추출하여 30분 이내의 비교적 짧은 추출 시간 안에 유효성분을 추출할 수 있다. 이전 연구에서 아임계수 추출 기술을 이용하여 생강에서 6-gingerol, 6-shogaol을 추출하였더니 기존 전통적인 추출방법인 열수, 메탄올 등의 유기용매를 이용하여 2시간 추출하는 것보다 아임계수 추출 기술에서 15분 이내의 짧은 시간에 6- shogaol의 유효성분이 선택적으로 높게 추출되었다(Ko 등, 2019).

본 연구에서는 생강의 다양한 건조 방법에서 아임계수 추출 기술을 이용하여 6-gingerol과 6-shogaol을 추출하였을 때 유효성분의 추출 효율을 살펴보았다. 유효성분은 high-performance liquid chromatography를 이용하여 정성 및 정량 분석하고, environmental scanning electron microscopy을 이용하여 생강의 건조 방법에 따라 추출 효율에 영향을 미치는 생강의 구조를 비교 분석하였다.

재료 및 방법

실험 재료

본 실험에 사용한 생강은 국내산 생강으로 서울 신촌 하나로마트에서 구입하여 껍질을 제거하고 5 mm×5 mm×5 mm로 일정하게 잘라서 4°C의 냉장보관하면서 자른 후 4일 안에 사용하였다.

건조 방법

생강 과육 부분 1 g을 자연건조, 열풍건조, 동결건조 방법을 이용하여 건조하였다. 자연건조는 상온에서 4, 8, 12시간 동안 건조하였다. 열풍건조는 열풍순환식건조기(KCO150, Kukjeeng, Gyeonggi- do, Korea)를 이용하여 60, 80°C에서 1, 2, 3, 4시간 동안 건조하였다. 동결건조는 동결건조기(FD8523, Ilshin, Gyeonggi-do, Korea)를 이용하여 −80°C에서 24시간 동안 건조하였다. 건조한 후 아임계수 추출기를 이용하여 추출하고 추출 효율을 비교 분석하였다.

아임계수 추출 방법

아임계수 추출 방법은 아임계수 추출 장치(Accelerated Solvent Extractor 350, DIONEX, CA, USA)를 이용하였다. 생강 1 g을 22 mL 크기의 추출 셀(stainless extraction cell, DIONEX, CA, USA)에 넣고 추출기에 장착하여 수행하였다. 모든 시료의 추출온도는 190°C, 추출 시간은 15분으로 수행하였고 추출 용매는 오직 물 만을 이용하였다. 추출기 압력은 약 10 MPa으로 유지되었다. 아임계 추출 시 생강 시료의 추출 온도인 190°C까지 상승 소요 시간은 약 3분 이내였고, 생강 시료의 15분의 추출 시간 후,즉시 추출물은 셀 아래에 cellulose filter를 통하여 액상의 건더기없는 추출물로 깨끗하게 추출되었다. 추출 후 상온에서 추출물의 온도를 1시간 내에 천천히 하강 시킨 후, HPLC를 이용하여 유효성분을 분석하였다.

HPLC 분석 방법

생강의 유효성분인 6-gingerol, 6-shogaol은 HPLC를 이용하여 분석하였다. 표준품은 6-gingerol (≥98%, Sigma-Aldrich, MO, USA), 6-shogaol (≥90%, Sigma-Aldrich, MO, USA)을 사용하였다. 생강 추출물의 양과 동일한 양의 메탄올에 녹인 후 0.45 μm membrane filter로 여과하여 사용하였다. HPLC (HPLC 1260 series infinity, Agilent, Waldbronn, Germany)와 ZORBAX Eclipse XDB C18 column (5 μm, 4.6 mm×150 mm, Agilent, Wald bronn, Germany)을 이용하였고 용매는 water (solvent A), acetonitrile (solvent B)를 사용하였다. 0-12분 55% solvent A, 12-18분 35% solvent A, 18-20분 20% solvent A로 설정하였고, 하나의 시료 분석 후 10분의 안정 시간을 가졌다. 유속은 1.0 mL/min, 20 & mu;L를 주입하여 225 nm에서 분석하였다.

수분함량 분석 방법

생강의 수분함량은 적외선 수분 측정기(Balance FD-610, Kett, Daejeon, Korea)를 이용하여 분석하였다. 생강 시료 5 g을 적외선수분 측정기의 시료 접시에 놓고 약 5-15분간 자동으로 측정되었다. 모든 시료의 수분함량은 아임계수 추출 전에 측정되었고 3회 반복 수행하였다.

통계처리 및 결과 분석 방법

추출물의 효율은 3회 반복 수행하여 평균±표준편차로 나타내었다. 모든 통계처리는 IBM SPSS Statistics (version 21.0, SPSS, IL, USA)를 이용하였고, 시료 간 추출률의 유의적인 차이는 Duncan test를 이용하여 p<0.05의 유의수준에서 분석하였다. 상관관계 분석은 Pearson 상관계수 분석을 이용하여 p<0.01의 유의수준에서 분석하였다.

생강의 표면 형상 관찰

생강의 표면 형상 관찰을 위하여 건조된 생강의 표면을 envi- ronmental scanning electron microscopy (FEI XL-30FEG, FEI, VT, USA)를 이용하여 관찰하였다. 건조된 생강은 15.0 kV의 accelerator potential에서 조사되었다.

결과 및 고찰

HPLC를 이용한 생강 유효성분의 분석

생강 아임계수 추출물에 함유되어있는 6-gingerol과 6-shogaol의 특징은 Table 1과 같으며 HPLC를 이용하여 분석하였다. 6-gingeol은 5.48분에 6-shogaol은 10.97분에 검출되었다(Fig. 1). 유효성분의 표준품을 0.015625, 0.03125, 0.0625, 0.125, 0.25 mg/mL의 5개의 농도로 하여 일차방정식을 얻었고, 6-gingerol의 경우 y =26977x + 8.5292 (r²=0.9999), 6-shogaol은 y=74208x−7.5332 (r < sup>2=0.9999)로 높은 직선성을 나타내었다. 아임계수 추출물의 HPLC 크로마토그램의 면적과 표준품 검량선의 방정식을 비교로 생강의 유효성분을 정량 분석 하였고, 표준품을 추출물에 스파이킹하여 HPLC 크로마토그램의 검출 시간을 비교 및 확인함으로써 다시 한 번 정성 분석하였다.

Table 1. Characteristics of extract from ginger

Fig. 1. HPLC chromatogram of 6-gingerol, and 6-shogaol extracted from ginger.

건조 조건에 따른 수분함량 분석

본 실험에서 사용한 건조 방법은 자연건조는 상온에서 4, 8, 12시간, 열풍건조는 60, 80°C에서 1, 2, 3, 4시간, 동결건조는 & minus; 80& deg; C에서 급속냉동시킨 후, 감압하여 24시간 건조하였다. 건조 방법에 따른 생강의 수분함량 결과는 Table 2와 같다. 건조하지 않은 생강은 83.7±1.20%으로 가장 높은 수분함량을 나타내었고, 열풍건조 80°C 에서 4시간 동안 건조한 생강은 0.47±0.25%로 가장 낮은 수분 함량을 나타내었다. 비교적 높은 온도에서 오랜 시간 건조한 생강일수록 낮은 수분함량을 나타내었다.

Table 2. Effect of drying methods of water content from ginger

건조 조건에 따른 6-gingerol 및 6-shogaol의 함량 변화

건조된 생강은 아임계수 추출기술을 이용하여 고압(약 10 MPa) 및 고온(190°C, 15분)에서 추출되었다. 이전 연구에서 생강의 아임계수를 이용한 6-shogaol 유효성분의 최적 추출 조건은 190 & deg; C, 15분이었으므로, 본 연구에서도 이와 같은 조건에서 추출되었다(Ko 등, 2019). Fig. 2와 같이 자연건조와 동결건조 후 아임계수추출을 하였을때, 6-gingerol과 6-shogaol 추출 경향을 확인하였다. 건조하지 않은 생강을 아임계수 추출하였을 때 6-gingerol (0.21±0.02 mg/g Fresh weight or FW), 6-shogaol (0.39±0.03 mg/g FW)인결과와 비교하였을 때, 생강의 유효성분인 6-gingerol은 자연건조 4시간에서는 6-shogaol (0.40±0.05 mg/g FW)로 전환되어 약간 증가하였지만, 건조시간이 증가할수록 6-shogaol 함량은 오히려 감소되었다.

Fig. 3과 같이 60°C 열풍건조 시 6-shogaol 함량은 건조시간이 증가할수록 증가하여 2시간의 건조에서 6-shogaol 최대 함량(0.47± 0.02 mg/g FW)을 나타내었고 열풍건조 3시간 이상부터는6-shogaol은 감소하였다. 더 높은 온도인 80°C 열풍건조 후 아임계수로 추출한 추출물은 유효성분인 6-gingerol과 6-shogaol의 열분해가 일어났다. 결과적으로 생강을 60°C에서 2시간 동안 열풍건조한 후 190°C에서 15분 아임계수 추출할 때 가장 높은 6- shogaol의 함량을 추출할 수 있음을 확인하였다.

상관관계 분석결과, 60°C에서 4시간, 80°C에서 2, 3, 4시간 건조한 생강에서 아임계수 추출기술을 이용하여 추출했을 때 6- shogaol의 함량의 유의적인 차이는 없었고 비교적 낮은 6-shogaol 추출함량을 나타내었다. 또한 건조하지않은 생강과, 상온에서 4시간, 60°C에서 1시간 건조한 생강에서 아임계수 추출한 추출물의 6-shogaol 함량의 유의적인 차이는 없었고 비교적 높은 6- shogaol 추출함량을 나타내었다. 이는 생강의 건조 조건이 휘발성 성분, 항산화 성분 등을 변화시키고 영향을 미친다는 결과와 유사하다(An 등, 2016; Guo 등, 2014).

Table 1과 같이 생강에 함유되어 있는 유효성분인 6-gingerol은 시료의 건조 조건에 따라서 탈수반응에 의해 6-shogaol로 전환되었고, 본 연구를 통해, 고온의 아임계수 추출에서 최대치의 6- shogaol을 추출할 수 있는 생강 건조 조건을 확인하였다.

Fig. 2. Effect of RT (room temperature) drying and freeze drying from ginger of the subcritical water extraction of 6-gingerol and 6-shogaol.

Fig. 3. Effect of oven drying from ginger of the subcritical water extraction of 6-gingerol and 6-shogaol.

생강 아임계수 추출물의 표면 형상 관찰

생강의 표면 형상을 관찰하여 생강의 건조 조건이 유효성분을 추출하는데 미치는 영향을 가시적으로 확인해보았다. Fig. 4(A)와 Fig. 4(B)는 열풍건조를 이용하여 60°C에서 2시간 추출한 생강의 표면 형상 Fig. 4(A)과 이를 확대한 Fig. 4(B) 모습이다. Fig. 4 (C)는 생강을 동결건조한 경우의 생강의 표면 형상과 이를 확대한 Fig. 4(D) 모습니다. 유효성분인 6-shogaol의 추출경향을 보면 건조조건에 따라 6-shogaol의 함량이 가장 많이 추출된 Fig. 4(A)의 형상이 동결건조를 이용하여 가장 수분함량이 낮았던 Fig. 4 (C)의 그림과 비교하였을 때 조직 사이의 공간이 매우 작음을 알 수 있다. 따라서 시료의 수분함량이 너무 낮을 시에는 오히려 mass transfer가 낮아져 추출물에서 6-gingerol과 6-shogaol 추출 함량이 모두 감소하였음으로 생각된다. 또한 높은 온도와 장시간의 건조한 생강의 시료는 아임계수 추출을 이용하였을 때, 6-shogaol이 열분해 되었다.

Fig. 4. Analysis surface-structure of oven-dried ginger (A, B), freeze-dried ginger (C, D) using environmental scanning electron microscopy.

생강건조와 아임계수 추출의 상관관계 분석

건조된 생강의 수분함량, 아임계수 추출물의 6-gingerol 함량, 아임계수 추출물의 6-shogaol 함량 간의 상관관계를 SPSS Pearson 상관계수를 이용하여 p<0.01 유의수준에서 분석하였다. 생강의 건조에 따른 수분함량과 6-gingerol, 6-shogaol의 추출 함량 상관계수는 각각 0.809, 0.785로써 높은 상관관계가 존재함을 알 수 있었다. 또한 6-gingerol과 6-shogaol의 추출 경향도 0.696으로 비교적 높은 상관관계가 있었다. 따라서 6-gingerol과 6-shogaol의 친환경 아임계수 추출 시 생강 시료의 건조에 따른 수분함량이 유효성분 추출에 높은 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 각각의 건조조건에서의 6-gingerol과 6-shogaol의 추출 경향도 건조, 고온 및 고압의 가공과정에서 유효성분의 가수분해 및 열분해 작용으로 인한 6-gingerol이 6-shogaol로 전환되는 영향으로 비교적 높은 상관관계가 있음을 확인하였다.

요 약

건조한 생강을 아임계수 추출 기술을 이용하여 6-gingerol, 6- shogaol을 추출하고 유효성분의 추출 효율과 영향을 비교 분석하였다. 추출 결과, 건조를 할 경우, 건조 조건에 따라 6-shogaol이 증가하기도 했으나 극한 조건으로 건조하여 생강의 수분함량이 매우 낮아질 경우, 오히려 생강 조직 사이의 공간이 감소하고 그로 인한 추출 용매의 mass transfer가 낮아져 6-gingerol과 6-shog- aol 함량은 모두 감소하였다. 또한 비교적 높은 온도인 60, 80°C 에서 4시간의 건조를 시킬 경우, 6-shogaol은 열분해가 되었다. 결과적으로 생강의 60°C, 2시간이 가장 적절한 건조 조건이었다. 특히, 생강의 건조 조건과 유효성분의 추출 경향은 높은 상관관계를 나타내었다. 이는 오직 물만을 사용하여 유효성분을 추출하는 친환경적이며 안전하고 독성이 없는 아임계수 추출 방법이 최적화된 생강 시료의 건조 조건에서 6-shogaol의 유효성분을 선택적으로 추출할 수 있는 잠재성과 우수성을 확인한 결과이며, 다양한 식물에서 유효성분을 추출하거나 가공하는 식품 산업에 응용하여 사용될 수 있을 것이다.

감사의 글

이 논문은 2016년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2016R1D1A1B03930300).