추출용매에 따른 홍삼 및 흑삼의 산성다당체와 진세노사이드 함량 모니터링

본 실험에 사용된 홍삼 및 흑삼은 금산군에 소재하는 우신산업㈜에서 6년근 홍삼 및 흑삼의 주근을 구입하여 사용하였다. 본 실험에 사용한 시약은 ethanol(Samchun Chemical, Seoul, Korea), carbazole(Sigma Chemical Co., St. Louis, MO, USA), sulfuric acid(Sigma Chemical Co.,), D-(+)-galacturonic acid monohydrate(Sigma Chemical Co.,), methanol(JT Baker, Philipsburg, PA, USA), ginsenosides(Wako, Osaka, Japan)_,acetonitrile (JT Baker) 등이다.

홍삼 및 흑삼의 분쇄는 믹스기로 분쇄 후 25메쉬 채로 분취하여 분말(홍삼의 수분함량 9.57%, 흑삼의 수분함량 8.22%)을 추출에 사용하였다. 추출은 홍삼 및 흑삼 분말 20 g을 각각 용매 200 mL에 첨가한 후 일정 온도에서 100 rpm으로 교반하면서 24시간 추출하였다. 이 때 추출조건은 실험계획에 따라 용매조건이 ethanol 함량을 0, 20, 40, 60, 80%로 설정하였으며, 추출온도는 60, 65, 70, 75, 80°C로 각각 다섯 단계로 설정하였다.

본 실험에서는 홍삼 및 흑삼의 추출에 따른 수율, 산성다당체, ginsenosides 함량을 모니터링하고자 실험계획에 의한 반응표면분석법을 이용하였다. 본 실험의 실험계획은 중심합성 실험계획법(Myers, 1971; Park, 1991)에 따라 실험설계를 하였으며, 반응표면 회귀분석은 홍삼과 흑삼의 수율, 산성다당체, 홍삼의 ginsenoside Rg₁, Rb₁과 흑삼의 ginsenoside Rb₁, Rg₃함량을 SAS program(ver. 9.4, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)을 사용하여 반응표면분석을 하였다(SAS, 1988). 중심합성 실험계획법으로 설계된 홍삼 및 흑삼의 추출조건인 요인변수는 ethanol 용액 농도(X₁)와 추출 온도(X₂)로 −2, −1, 0, 1, 2로 다섯 단계로 부호화하여 실험값을 Table 1에 나타내었다. 또한, 이들 요인변수에 영향을 받는 반응변수들은 홍삼의 수율(Y₁), 흑삼의 수율(Y₂), 홍삼의 산성다당체(Y₃), 흑삼의 산성다당체(Y₄) 그리고 홍삼의 ginsenoside Rg₁(Y₅), Rb₁(Y₆) 및 흑삼의 ginsenoside Rb₁(Y₇), Rg₃(Y₈)으로 하고 3회 반복 측정하여 그 평균값을 회귀분석에 사용하였다.

홍삼 및 흑삼의 추출수율을 확인하기 위해 각각의 실험조건에서 얻어진 추출물의 가용성 고형분 함량은 3회 반복 측정하였다. 즉 시험용액 50 mL를 항량을 구한 수기에 취하여 105°C에서 증발건조시켜 그 무게를 측정하였으며, 추출액 100 mL 중의 가용성 고형분의 함량(g) 백분율로써 고형분 수율(%)을 구하였다.

홍삼과 흑삼의 산성다당체 추출방법은 Cho 등(2008)의 방법을 개량하여 홍삼 및 흑삼 추출액 1 mL를 15 mL 팔콘 튜브에 넣고 증류수 10 mL를 첨가한 후 80°C에서 15 min 동안 용해하였다. 이 용해액을 100 mL 질량 플라스크에 정용한 다음 50 mL 팔콘 튜브에 옮겨 담은 후 원심분리기(Centrifuge, Sigma Chemical Co.) 1,245 ×g에서 15 min 동안 분심분리를 행한 후 상징액을 0.45 μm 막피터(HM Syringe filters, Hyumdai Micro Co., Seoul, Korea)를 이용하여 여과하였으며, 이 여액을 회석하여 산성다당체 측정에 사용하였다.

산성다당체의 측정은 홍삼 및 흑삼의 산성다당체 추출 용해액 0.5 mL와 carbazole 0.25 mL, sulfuric acid 3 mL를 넣고 잘 혼합시켜 준다. 공시험구는 색상에 의한 영향을 제거하고자 carbazole 대신 ethanol을 사용하였다. 85°C에서 5분간 water bath에서 정치한 후 15분간 실온에서 방치한 다음 UV spectrophotometer(SpcetraMax ABS, Molecular Devices Co., St. San Jose, CA, USA) 525 nm에서 측정하여 흡광도를 측정하였다. 정량을 위한 표준물질은 D-(+)-galacturonic acid monohydrate를 사용하였다.

Ginsenoside을 측정하기 위해 식품의약품안전처 건강기능식품 시험법(2023)에 따라 시험용액을 조제하였다.

시험용액은 홍삼 및 흑삼 추출물 5.00-5.50 mL를 50 mL 부피 플라스크에 취한 후 70% methanol 약 25 mL로 완전히 용해시키고 동일 용액으로 정용한 후 막필터(0.45 μm)로 여과한 것을 적절히 희석하여 시험용액으로 사용하였다.

시험용액의 정제는 C₁₈ 카트리지(Agilent Bond Elut C18 cartrige, Agilent, Santa Clara, CA, US)에 methanol 5 mL와 증류수 10 mL를 연속으로 통과시켜 활성화시킨 후 시험용액 5 mL를 흡착시켰다. 흡착된 카트리지에 25 mL의 증류수와 25% methanol 10 mL로 분당 2-3 mL의 유속으로 세척한 후 methanol로 용출하였다. 용출액은 5 mL 부피 플라스크에 모아 methanol로 표선까지 정용한 것을 적절히 희석하여 측정용 시험용액으로 하였다.

이 때 ginsenosides 분석을 위한 HPLC/UVD(2489 UV, Waters, Milford, MA, USA) 측정 조건은 Xbridge C18 UG120(4.6×250 mm, 5 μm, Merck, Darmstadt, Germany) 칼럼에 시험용액 10 μL를 주입하고, 검출기 파장은 203 nm, 칼럼 온도는 30°C, 이동상은 A: 증류수, B: acetonitrile로 하고, 유속은 1.0 mL/min으로 하였으며, 이동상의 조건은 0-55분 동안 B 용액을 20%에서 50%로 증가시킨 후 55-75분 동안 55%에서 20%로 감소시켰다.

홍삼과 흑삼의 수율을 모니터링하기 위해 홍삼과 흑삼을 일정 농도의 ethanol 용액에서 추출하면서 각각의 추출조건별 가용성 고형분 함량을 측정하였다.

홍삼과 흑삼의 10배수 ethanol 용액으로 추출한 후 추출액의 가용성 고형분 함량을 분석한 결과, 홍삼 및 흑삼의 함량은 각각 2.96-4.72, 2.16-5.86%의 범위로 나타났다(Table 1). 이를 회귀분석한 결과, 홍삼 및 흑삼에 대한 모델식의 R²는 각각 0.9679(p<0.01), 0.8545(p<0.1)로 모두 유의성이 인정되었다(Table 2).

가용성 고형분 함량에 대한 조건변수의 영향을 알아보고자 F-value를 구한 결과(Table 2), 홍삼의 경우에는 추출용액의 ethanol 농도가 F-value 39.76(p<0.01)으로 홍삼의 가용성 고형분 함량에 아주 크게 영향을 미치고 있었으나, 온도(F-value 0.33)의 영향은 미미했다. 흑삼의 경우에도 ethanol 농도가 7.07(p<0.05)로 흑삼의 가용성 고형분 함량에 주로 영향을 미치고 있었고 온도(1.47)의 영향은 낮았다. 홍삼 및 흑삼의 ethanol 용액 추출에 따른 가용성 고형분 함량의 반응표면은 홍삼 추출 시 가용성 고형분이 ethanol 농도가 감소함에 따라 비례적으로 증가하였고, 흑삼 추출 시 ethanol 용액의 농도가 감소하고 온도가 증가할수록 가용성 고형분이 증가하는 패턴을 나타내었다(Fig. 1). 그리고 능선분석을 통해 최적 추출조건을 분석해 본 결과(Table 3), 반응표면의 모형은 홍삼 및 흑삼 모두 안장점(saddle point)의 형태를 보였으며, 홍삼은 ethanol 농도 79.75%에서 68.88°C로 추출할 경우 가용성 고형분 함량이 3.07%로 가장 낮게 나타났으나, ethanol 농도 1.52%에서 67.27°C로 추출 시 가용성 고형분 함량이 5.29%로 가장 높게 나타났다. 흑삼 또한 홍삼과 유사한 경향으로 나타났으며 ethanol 농도 70.52%에서 68.88°C로 추출할 경우 가용성 고형분 함량이 2.07%로 가장 낮게 나타났으나, ethanol 용액 농도 3.12%에서 66.13°C로 추출 시 가용성 고형분 함량이 6.11%로 가장 높게 나타났다. 홍삼보다는 흑삼에서 최고 수율이 상대적으로 더 높게 나타났다. 이것은 증포의 횟수가 증가하면서 흑삼의 전분이 가열에 의해 더 많이 분해되어 쉽게 용해되기 때문으로 여겨진다(Kim 등, 2011). 그러나 전체적으로 보면 홍삼과 흑삼의 가용성 고형분 함량은 ethanol 용액 추출에서 큰 차이가 없는 것을 알 수 있었다.

Fig. 1. Response surfaces for yields of red ginseng (A) and black ginseng (B) depending on ethanol concentration and extraction temperature.

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산성다당체는 인삼류의 면역활성을 나타내는 주요한 성분으로 알려져 있으나(Kim 등, 1991; Lee 등, 1997; Park 등, 2000), ginsenoside만큼 많이 연구되지 않았다(Nam, 1996; Nam 등, 2012). 산성다당체는 고분자물질로서 ethanol보다는 물에 상대적으로 잘 녹는 수용성 특성을 가지고 있으나 많은 양의 ginsenoside를 추출하기 위해 산업체에서는 ethanol 용액으로 많이 추출하고 있다. 따라서 홍삼과 흑삼의 산성다당체 함량을 모니터링해 보고자 홍삼과 흑삼을 일정 농도의 ethanol 용액으로 추출하면서 각각의 조건별 산성다당체 함량을 측정해 보았다.

10배수 ethanol 용액으로 시료를 추출한 추출액의 산성다당체 함량을 분석한 결과, 홍삼 및 흑삼의 함량은 각각 1.44-1.86, 1.42-1.78 mg/mL의 범위로 유사한 함량을 나타내었다(Table 1). 이를 회귀분석한 결과 홍삼 및 흑삼에 대한 모델식의 R²는 각각 0.9251, 0.8379로 홍삼(p<0.05)에서 높은 유의성이 인정되었으나, 흑삼(p<0.1)에서는 유의성이 상대적으로 낮았다(Table 2).

산성다당체 함량에 대한 F-value를 구해본 결과(Table 2), 홍삼은 추출용액의 ethanol 농도가 F-value 14.58(p<0.05)로 산성다당체 함량에 크게 영향을 미치고 있었으나 온도(F-value 3.19)의 영향은 적었다. 흑삼의 경우에는 ethanol 농도가 F-value 3.30으로 산성다당체 함량에 미치는 영향이 낮았으나 온도의 F-value 5.02(p<0.1)로 산성다당체 함량에 ethanol 농도보다 다소 높은 영향을 미치고 있었다. 홍삼 및 흑삼의 ethanol 용액 추출에 따른 산성다당체의 반응표면은 홍삼 및 흑삼 모두 ethanol 농도가 낮을수록 비례적으로 증가하였으며 홍삼과 흑삼의 반응표면은 유사한 경향을 나타내었다(Fig. 2). 그리고 능선분석을 통해 산성다당체의 최적 추출조건을 분석해 본 결과(Table 3), 반응표면의 모형은 홍삼 및 흑삼 모두 최대점의 형태를 나타내었으며, 홍삼은 ethanol 농도 76.32%에서 65.81°C로 추출할 경우 산성다당체 함량이 1.44 mg/mL로 가장 낮게 나타났으나, ethanol 농도 4.03%에서 69.61°C로 추출 시 산성다당체 함량이 1.86 mg/mL로 가장 높게 나타났다. 흑삼 또한 유사한 경향으로 나타내었으나 ethanol 농도에서 다소 차이를 나타내었으며, ethanol 농도 48.86%에서 60.25°C로 추출할 경우 산성다당체 함량이 1.46 mg/mL로 가장 낮게 나타났으나, ethanol 농도 24.67%에서 71.14°C로 추출한 추출물의 산성다당체 함량이 1.80 mg/mL로 가장 높게 나타났다. 홍삼과 흑삼의 산성다당체 함량은 거의 차이가 없었으며, 산성다당체의 변화패턴 또한 거의 유사한 것을 알 수 있었다. 홍삼 산성다당체의 추출에서 온도의 영향보다는 ethanol 농도의 영향을 많이 받는 것은 산성다당체의 ethanol 용해도가 낮고 열수에 더 잘 녹는 용해특성 때문으로 여겨진다. 홍삼의 산성다당체는 ethanol 용액에는 잘 용해되지 않아 ethanol 추출 시 많은 양이 홍삼박에 잔류하게 되므로 훙삼박으로부터 산성다당체가 주로 추출되고 있다(Chang 등, 2007; Lee와 Do, 2002). 그러나 찌고 말린 횟수가 많은 흑삼의 산성다당체는 홍삼의 산성다당체와 달리 지나친 열처리로 저분자화되면서 용해도가 변화되어 에탄올의 농도의 영향을 상대적으로 적게 받는 것으로 여겨진다.

Fig. 2. Response surfaces for acidic polysaccharides of red ginseng (A) and black ginseng (B) depending on ethanol concentration and extraction temperature.

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인삼류의 기능성은 ginsenosides의 조성과 그 함량에 기반을 두고 있다(Nam, 1996). 특히 ginsenoside Rg₃은 면역활성이 우수한 것으로 알려져 Rg₃ 함량을 높이기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 그 중에서 인삼의 증자와 건조과정을 반복(증포)하여 제조함으로써 Rg₃을 높이는 방법은 다양하게 연구되어 왔다(Jo 등, 2011; Lee, 2020). 이러한 각종 ginsenosides의 조성을 변화시키고 특정성분의 함량을 높이는 것도 중요하지만, 추출 시 물에는 잘 용해되지 않아 추출물에 그 함량이 낮으므로 ginsenoside 함량을 높이고자 산업체에서는 ethanol을 이용하여 추출하는 방법을 더 선호하고 있다.

홍삼 및 흑삼의 ginsenoside 함량에 대한 건강기능식품의 규격(2023)은 ginsenoside Rb₁, ginsenoside Rg₁, ginsenoside Rg₃의 합으로 나타내고 있다. 따라서 본 연구에서는 홍삼 및 흑삼의 ginsenoside Rb₁, Rg₁, Rg₃ 함량을 측정해 보았다.

시료의 10배수에 해당하는 ethanol 용액에 홍삼 또는 흑삼 분말을 첨가하여 추출한 추출액의 ginsenosidie 함량을 분석한 결과, 홍삼의 ginsenoside Rg₁ 및 Rb₁ 함량은 각각 0.15-0.22, 0.18-0.35 mg/mL의 범위로 나타났으며, ginsenoside Rg₁보다 Rb₁이 다소 높게 나타났다(Table 1). 그리고 흑삼의 ginsenoside Rb₁ 및 Rg₃ 함량은 각각 0.18-0.27, 0.15-0.30 mg/mL의 범위로 나타났다(Table 1). 홍삼 추출물에서는 ginsenoside Rg₃이 극미량 검출되었으나 증포를 많이 한 흑삼에서는 ginsenoside Rg₃이 많이 발현되었는데(data not shown), 이것은 증포횟수가 증가하면 열처리 효과로 ginsenoside Rb₁, Rb₂, Rb₃, Rc, Rd 등의 ginsenoside 20번 탄소의 당의 떨어져 나가면서 ginsenoside Rg₃으로 전환되는 것으로 알려져 있다(Nam, 1996; Nam 등, 2012). 그리고 백삼이나 홍삼에 상대적으로 많은 ginsenoside Rg₁ 또한 증포를 통한 열처리로 20번 탄소의 당의 떨어져 나가면서 ginsenoside Rh₁ 등으로 전환되면서 흑삼에서는 사라졌다(Nam, 1996)(data not shown).

홍삼 ginsenosides에 대한 회귀분석 결과 ginsenoside Rg₁, Rb₁에 대한 모델식의 R²는 각각 0.8941(p<0.05), 0.8718(p<0.1)로 유의성이 인정되었으며, 흑삼의 ginsenoside Rg₁, Rb₁에 대한 모델식의 R²는 각각 0.9378(p<0.05), 0.9105(p<0.05)로 유의성이 인정되었다(Table 2).

Ginsenosides 함량에 대한 F-value를 구해본 결과(Table 2), 홍삼 및 흑삼의 ginsenosides에 대한 ethanol 농도의 F-value 9.04-20.03(p<0.05)으로 ginsenosides 함량에 크게 영향을 미치고 있었으나 온도(F-value 0.04-0.64)의 영향은 거의 없었다. 홍삼의 ethanol 용액 추출에 따른 ginsenoside Rg₁, Rb₁의 반응표면은 모두 ethanol 농도가 높을수록 비례적으로 증가하였으며 온도에 따른 변화는 거의 없이 유사한 경향을 나타내었다(Fig. 3). 흑삼의 ethanol 용액 추출에 따른 ginsenoside Rb₁, Rg₃의 반응표면은 모두 ethanol 농도가 증가할수록 비례적으로 증가하였으며 홍삼의 추출 패턴과 유사한 경향을 나타내었으나, 홍삼에서와는 다르게 ginsenoside Rb₁, Rg₃ 모두 높은 ethanol 농도에서는 온도가 높을수록 상대적으로 감소하는 경향을 나타내었다(Fig. 3). 홍삼과 흑삼의 ginsenosides 추출 패턴은 산성다당체의 추출 패턴과 반비례 관계에 있었다.

Fig. 3. Response surfaces for ginsenoside Rg₁ (A) and Rb₁ (B) of red ginseng, and Rb₁ (C) and Rg₃ (D) of black ginseng depending on ethanol concentration and extraction temperature.

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그리고 능선분석을 통해 ginsenosides의 최적 추출조건을 분석해 본 결과(Table 3), 반응표면의 모형은 홍삼 및 흑삼 모두 안장점의 형태를 나타내었으며, 홍삼의 ginsenosides는 ethanol 농도 79.92%에서 70.62°C로 추출할 경우 ginsenoside Rg₁ 함량이 0.22 mg/mL로 가장 높았으며, ethanol 농도 79.94%에서 69.46°C로 추출 시 추출물의 ginsenoside Rb₁ 함량이 0.36 mg/mL로 가장 높게 나타났다. 흑삼의 ginsenosides는 ethanol 농도 75.11%에서 65.21°C로 추출할 경우 ginsenoside Rb₁ 함량이 0.28 mg/mL로 가장 높았으며, ethanol 농도 75.70%에서 65.49°C로 추출 시 추출물의 ginsenoside Rg₃ 함량이 0.31 mg/mL로 가장 높게 나타났다. 홍삼 및 흑삼의 ginsenosides 최적 추출 조건은 ethanol 70% 이상의 높은 농도에서 잘 추출되었으나, 홍삼 및 흑삼 산성다당체의 최적 추출 조건은 ethanol 25% 이하의 낮은 농도에서 잘 추출되는 것으로 나타났다.

시중에서 판매되고 있는 홍삼과 흑삼의 ethanol 용액 추출에 따른 가용성 고형분, 산성다당체 및 ginsenosides의 함량을 모니터링해 봄으로써 ethanol을 이용한 홍삼 및 흑삼 추출조건을 설정해 보았다.

홍삼 및 흑삼의 산성다당체, ginsenoside Rb₁, Rg₁, Rg₃ 등을 효율적으로 추출하기 위해서는 건강기능적 특성을 고려하여 Fig. 4의 중앙에 있는 어두운 부분(dark circles)과 같이 산성다당체 수율과 ginsenoside 수율이 모두 만족하는 ethanol 농도 35-50%의 범위 내에서 67-73°C의 온도로 추출하는 것이 적합한 것으로 여겨진다.

Fig. 4. Superimposed contour maps and dark circles for optimization of red ginseng acidic polysaccharide/Rg₁ (A) and black ginseng acidic polysaccharide/Rg₃ (B) depending on ethanol concentration and extraction temperature.

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따라서 본 중심합성 실험계획의 중심점인 ethanol 40%에서 70°C로 추출할 경우(Table 1), 홍삼 및 흑삼 산성다당체가 1.73, 1.72 mg/mL이고, 홍삼의 ginsenoside Rg₁ 0.18, Rb₁ 0.28 mg/mL, 흑삼의 ginsenoside Rb₁ 0.24, Rg₃ 0.25 mg/mL로서 산성다당체와 ginsenoside의 최적 추출 수율과 차이가 크지 않으므로 홍삼 및 흑삼을 1회 추출할 경우에는 적합한 추출 조건으로 설정해 볼 수 있다.

그러나 ginsenosides와 산성다당체의 추출 패턴이 추출용매인 ethanol 농도에 따라 완전히 다르므로 ginsenosides와 산성다당체를 충분히 추출하기 위해서는 ethanol 추출과 물 추출을 분리하여 ethanol로 충분히 추출 후 물을 이용하여 추가적으로 추출하는 방법을 검토해 볼 수 있다.