A Study on the Pharmaceutical Characteristics and Analysis of Natural Ginger Extract

천연 생강 추출물의 약리학적 특성 및 분석 연구

성기천^✝

대진대학교 공과대학 화학공학과 (2010년 5월 28일 접수 ; 2010년 9월 16일 채택)

A Study on the Pharmaceutical Characteristics and Analysis of Natural Ginger Extract

Ki-Chun Sung^✝

✝

Department of Chemical Engineering, Dae Jin University, Pochun 487-711, Korea

(Received May 28, 2010 ; Accepted September 16, 2010)

Abstract : Natural Ginger extract was extracted from Ginger component using ethanol as a solvent, and we tested various pharmaceutical characteristics in this extract. Characteristics experiment to use natural Ginger extract tested antimicrobial experiment using microbe, and analyzed organic and inorganic component with analysis instrument. From the result of characteristics experiment, some conclusions are obtained as follow. In this experiment, natural Ginger extract was obtained about 22.50 g-Ginger extract(extraction ratio : 1.80%) as liquid state of some viscous yellow-brown color. The result of antimicrobial experiment with staphylococcus aureus and aspergillus niger in microbe decreased more and more according to passage of reaction time. This phenomenon could know that Ginger extract has influenced to antimicrobial effect. In the result of instrumental analysis, aromatic organic components of benzimidazole(1.283), propyl isothiocyanate or isothiocyanic acid(1.477) etcs from Ginger extract were detected with GC/MS and inorganic component of Ca(27.6 ppm), K(24.08 ppm), Mg(6.03 ppm), Na(1.02 ppm), Zn(1.02 ppm), Sb(0.711 ppm) and Li(0.079 ppm) etcs from Ginger extract were detected with ICP/OES.

Keywords : Natural Ginger extract, antimicrobial effect, microbe, instrumental analysis.

1. 서 론

생강(Ginger)은 학명이 생강과(Zingiber Officinale Roscoe)에 속하는 덩이줄기 식물로 독특한 매운맛과 방향성 향기, 그리고 푸른잎을

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✝

주저자 (E-mail : [email protected])

갖는 다년성 초본식물이다[1]. 생강과에 속하는 생강의 종류는 전 세계적으로 85속 1,200여종이 인도, 중국, 동아시아(한국, 일본), 동남아시아 (태국, 베트남, 타이완), 아프리카(우간다), 서인 도제도(자마이카), 남태평양(피지), 지중해 연안 등의 지역에 분포되어 있다. 생강은 덩이줄기

식물로 줄기의 각 마디에서 잎과 뿌리가 나오 고, 줄기로 꺽꽂이를 하여, 번식시키는 특징이 있다.

생강의 뿌리는 토양에서 수분과 영양성분을 줄기에 공급하고, 줄기의 잎집에서 잎이 나오 며, 잎의 맨 가장자리에서 매년 8～9월경 자주 색 계통의 꽃이 핀다. 생강의 색상은 담황색에 서 밝은 갈색계통으로 다양하고, 그의 껍질은 코르크층으로 덮혀져 있으며, 이 층은 표피층과 피아조직층으로 이루어져, 사용시에는 이 코르 크층을 벗겨낸 다음 사용한다.

역사적으로 생강의 원산지는 인도와 동남아 시아 등의 고원지대 또는 아열대 지역에서 재 배하여 온 것으로 추정되며, 그 후 중국을 거 쳐, 일본과 한반도 지역에 전해 내려온 것으로 알려져 있다[2].

우리나라는 고려 현종 6년인 1018년경 중국 에서 도입, 황해도 봉산과 전라도 나주에서 재 배하여 왔으나 모두 실패하였고, 그 후 생강의 재배방법을 개선, 전라도 봉산(현재 봉동)에서 재배하여 온 것으로 고려사에 기록되어 있다 [3].

현재 국내 생강의 재배 지역은 전북의 봉동, 임실, 남원지역과 충남의 서산, 태안, 당진, 홍 성 지역, 그리고 경북의 안동 지역등으로 분포 되어, 확대 재배되고 있다[4].

일반적으로 생강의 재배온도는 18℃이상의 토양에서 발아되고, 20～30℃의 토양에서 생육 이 가능하다. 생강의 파종은 4월 중순에서 5월 초순까지 하고, 10월 하순경에 수확을 한다. 생 강을 파종하는데 토양의 산도는 pH6.0에서 적 합하고 pH4.5이하에서는 생육이 불가능하다. 생 강은 건조한 토양에서 성장이 취약하고 토양에 따라 뿌리가 썩는 부근현상이 나타나 재배하기 어려운 점과 환경이 맞지 않으면, 재배 또는 저 장시 손실이 큰 작물로 알려져 있다.

따라서 생강 재배시 토양의 조건은 배수가 잘되고 보수력이 우수한 참흙이 적합하다.

국내 생강의 재배 면적은 1999년 약 5,200 ha 에서 10년 후인 2009년 약 2,700 ha로 약 48%

정도 감소하였고, 생산 및 소비 량도 1999년 약 48,000 M/T에서 10년 후인 2009년 약 30,000 M/T으로 약 37.5% 정도 감소한 것으로 나타나 있다.

생강의 성분(100 g)중에는 수분 81.70 g, 탄 수화물 12.40 g, 단백질 2.20 g, 섬유질 1.90 g,

지방질 0.8 g과 무기성분인 칼륨(K) 316.0 mg, 칼슘(Ca) 20.0 mg, 인(P) 14.0 mg, 나트륨(Na) 7.0 mg과 비타민류인 비타민-A 30.0 mg, 비타 민-B1 0.01 mg,, 비타민-B2 0.03 mg, 비타민-B6

4.3 mg, 비타민-C 5.0 mg, 그리고 방향족 성분 들이 함유되어 있다. 생강중에 함유된 방향족 성분들은 필수유(essential oil) 인 monoterpene(C5H8), diterpene(C10H16), sesquiterpente(C15H24)류가 있고, monoterpenoid 에는









또한 생강은 천연의 매운맛과 독특한 향기, 그리고 다양한 약리적 특성이 있어, 예로부터, 이러한 특성을 이용하여, 민간요법으로, 생강차, 생강주, 생강향신료, 생강식료품, 생강과자 등의 한방식품이나, 감기, 해열, 기침, 소화 등의 한 방의약품으로 사용되어 왔으나, 오늘날 생강의 효능이 항균작용, 항산화작용, 항암작용, 항치주 질환작용, 항진해작용, 해독작용, 진정작용, 피 부질환 및 피부노화 억제작용 등의 다양한 약 리적 특성이 인식되면서부터, 한방식품, 한방의 약품, 한방화장품, 한방비누, 한방치약 등의 새 로운 소재개발이 검토되고 있다[7-11].

특히 생강의 방향족 정유성분인 진저롤 (Gingerol)은 항균작용, 항염작용, 항산화작용, 치주질환억제작용 등의 약리적 특성이 있어, 한 방식품이나 한방의약품 개발에 관심이 모아지 고 있으며, 그의 분자구조를 나타내면 Fig. 1과 같다[12,13].

R=-CH2COCH2CH(OH)(CH2)4CH3

Fig. 1. Chemical structure of Gingerol.

또한 생강의 방향족 성분인 진저롤(Gingerol) 은 보관 또는 가공과정에서 유효성분이 분해되

어 소가올(Shogaol) 또는 진저론(Zingerone) 으 로 변화되고, 그의 화학적 분자구조는 작용기 (R)에 따라 변화될 수 있다.

R=-CH2COCH=CH(CH2)4CH3 (Shogaol) R=-CH2COCH3 (Zingerone)

최근 생강에 대한 연구동향을 보면 생강의 방향족 정유성분인 진저롤이 바이러스균에 대 하여 항균활성 억제작용이나 대장암 발생을 억 제하는 연구가 동물실험을 통하여 검토되고 있 다.

1924년 Clark의 연구내용에서 충치환자들의 경우 치면에서 발생하는 streptococcus와 porphyromonas gingivalis와 같은 특정 세균에 생강과(Zingiberaceae)의 약용식물이 항균활성 과 충치예방에 효과가 있는 것으로 알려지면서 의약품 소재 개발에 관심이 모아지고 있다[14].

그리고 생강중에 함유된 진저롤(Gingerol)이 항산화력에 약리적 효능이 있는 것으로 알려져 식품이나 의약품의 천연 산화방지제로 연구가 수행되고 있다[15].

본 연구는 천연 물질인 생강을 추출, 분리하 여 얻어진 생강 추출물의 미생물에 대한 항균 효과와 분석기기를 이용한 유기 및 무기 성분 을 검토하고저 하였다.

2. 실 험

2.1. 재료 및 기기

본 실험에서 천연 생강(Ginger)은 국내에서 재배한 생강을 구입하여, 생강의 코르크층을 제 거한 다음 동일한 규격으로 절단하여, 이를 실 험재료로 사용하였다. 생강을 추출하는데 유기 용매는 93%-ethanol(Korea)을 사용하였다. 그 리고 생강 추출물을 분리하는데 분리기기는 회 전식 진공 증발기(rotary vaccum evaporator, model No. NE 101s, Eyela Co., Japan)을 사용 하였다.

또한 생강의 추출실험에서 추출기구는

natural extract equipment(Korea)와 vaccum filteration apparatus(Korea)를 사용하였다.

본 실험에서 천연 생강의 약리적 특성은 항 균효과를 검토하였다. 항균실험에서 균주는 staphylococcus aureus(박테리아균)과

aspergillus niger(곰팡이균)이 사용되었고, 이들 균주는 한국화장품 기술연구소에 협조를 의뢰, 실험하였다. 미생물 시험에 사용된 배지는 mueller hilton broth(Difco. Lab., USA)를 사용 하였다. 미생물 배양 및 실험에서 optical electron microscope(model No. Li-Lh 100-3, Olympus Co., Japan), shaking incubator(model No. LM1-3004, PL. Labtec. Co., Korea)와 colony counter (model No. CC-109, Dong Yang Sci. Co., Korea)를 각각 사용하였다.

천연 생강을 분석하는데 분석기기는 Gas chromatography/mass spectrometry(model No.

HP-6890, Hewlet Packard Co., USA)와 inductively coupled plasma/optical emission spectrometry(model No. Optimar-2000, DV., Perkin Elmar Co., USA)를 각각 사용하여, 유 기 및 무기성분을 측정하는데 이용되었다.

2.2. 추출실험

본 실험은 생강 500.0 g에 유기용매인 에탄 올 1,000 mL를 천연물 추출장치에 넣고, 상온 에서 24hrs 방치한 후 water bath 내에서 추출 온도 80℃, 추출시간 약 8시간동안 농축시키고, 이를 3회 반복, 추출하였다. 천연물 추출장치 내에서 추출된 생강 추출액은 여과장치를 사용 하여, 고형의 생강성분은 제거하고, 여기서 얻 어진 생강 추출액은 회전식 진공 증발기(rotary vaccum evaporator)를 사용하여, 휘발성 에탄 올 성분을 약 80℃에서 증발시켜, 약간의 점성 을 띈 황갈색 계통의 생강 추출물 약 22.50 g을 얻었다.

2.3. 항균실험

본 실험은 생강 추출물 1.0g에 증류수 100 mL를 희석 및 용해시켜, 이를 시료용액 (1%-Solution)으로 하고, 다시 천연 배지 100.0 mL를 약 120℃ 가열하여, 액체상태로 용해시킨 다음 시료용액 1.0 g에 천연배지 약 10.0 mL씩 을 취하여, 42℃에서 혼합하고, 여기에 균주인 staphylococcus aureus (HCMC-01)균과 aspergillus niger(HCMC-02)균을 각각 10.0×40 germs 씩을 혼합시켜, 이미 멸균처리된 petri-dish내에 넣고, 이를 상온에서 고형화 시 킨다. 본 배양실험은 배양온도 36℃, 배양시간 120hrs 동안 shaking incubator 내에서 시료용 액이 반응시간에 따라 미생물의 생균수에 대한

변화 과정을 측정하였다. 그리고, 대조군은 시 료용액에 생강 추출물을 첨가하지 않고, 증류수 만을 사용한 비교 실험, 견본이다.

여기서, HCMC는 Han Kook cosmetics microbe center(한국화장품 미생물센타)의 약어 이고, CFUS는 colony formation units(군집형 성 단위)의 약어이며, 1CFUS는 1 mL당 10 germs(균주)를 의미한다.

2.4. 기기분석

2.4.1. GC/MS 측정

생강의 유기성분을 확인하기 위하여, 생강추 출물 1.0 g에 유기용매인 에탄올 200.0 mL를 가하여 용해시킨 다음 시료용액을 GC/MS 분 석기기(기체 크로마토그래피 및 질량 분광광도 기)를 사용하여, 이를 측정하였다. GC/MS 분석 기기에서 검출기는 HP mass-59873, colum은 HP-5MS (30 m×0.25 mm×0.25 mm)와 운반기 체(carrier gas)는 He-gas(1 mL/min, 유압 7.6 psi)를 사용하였으며, 전처리 소요시간 5분, 전 처리 시 oven 온도는 310℃에서 준비 되었다.

시료의 분사온도는 150℃(max. 200℃), 검출기 온도는 230℃(max. 250℃) 의 조건 하에서 시 료용액 중에 함유된 유기성분들을 측정하였다.

2.4.2. ICP/OES 측정

생강의 무기성분을 확인하기 위하여, 생강추 출물 1.0 g에 유기용매인 에탄올 100 mL를 가 하여 용해시킨 다음 시료용액을 ICP/OES 분석 기기(유도결합 플라즈마 분광기)를 사용하여, 이를 측정하였다. 본 분석기기는 총 28종의 표 준원소인 Ag, Al, As, B, Ba, Be, Ca, Co, Cd, Cr, Cu, K, Li, Fe, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Sb, Se, Si, Sr, Ti, Tl, V, Zn을 사용하여, 시료 용액중 함유된 무기성분들을 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 추출실험 결과

본 실험은 생강을 에탄올로 추출한 생강 농 축용액(고형성분제거)을 회전식 진공 증발기 (rotary vaccum evaporator)로 에탄올을 분리하 여, 추출실험한 결과 Table 1에서와 같이 약간 점성을 띈 황갈색 계통의 생강 추출물 약 22.50

g을 얻었다.

Table 1. Ginger Extract Obtained to Separate Ethanol from Concentrated Ginger

material weight Concentrated Ginger Solution

Ginger extract

Ginger ratio

Ginger 500g

1,250g 22.50g 1.80%

ethanol 1.500mL

여기서, 생강의 추출수율은 약 1.80%가 얻어 졌으며, 이는 생강의 농축용액(고형물질 제거) 에서 생강 추출물(에탄올을 분리)의 무게의 비 로 다음 식에 의해서 얻어졌다.

생강의 추출수율  생강의 농축용액고형물질제거의 무게 생강 추출물의 무게

×

3.2. 항균실험 결과

본 실험은 평판 배양법[16]에 따라 생강의 시 료용액에 미생물인 staphylococcus aureus (HCMC-01)과aspergillus niger(HCMC-02)를 각각 혼합, 배양하였다. 미생물 배양시험은 shaking incubator 내에서 배양온도 36℃를 기 준으로 배양시간 120hrs 동안 미생물의 생균수 를 측정하였다.

여기서, 대조군은 시료용액에 생강 추출물을 첨가하지 않고, 증류수만을 사용한 비교실험, 견본이다. 생강 추출물에 미생물을 혼합 배양할 경우, 배양온도 36℃에서 반응시간에 따라 나타 난 항균실험의 결과는 Fig.2, Fig.3, Fig.4, Fig.5 와 같다.

Fig. 2는 실험결과를 그림으로 나타낸 것으로 반응시간이 증가함에 따라 미생물의 생균수가 점점 감소하여, 배양시간이 96hrs 경과시 미생 물의 생균수가 거의 나타나지 않았다.

Fig. 3은 생강 추출물을 첨가하지 않고 증류 수만을 사용한 실험결과를 그림으로 나타낸 것 으로 반응시간이 증가함에 따라 미생물의 생균 수도 급격히 증가함을 알 수 있다.

germs

0 100 200 300 400

0 24 48 72 96 120

Time

M ic robe N u m be r

hrs

Fig. 2. Antimicrobial effect of staphylococcus aureus according to concentration and reaction time of Ginger extract(1,000 ppm)

germs

0 500 1000 1500 2000

0 24 48 72 96 120

T i me

M ic robe N u m be r

hrs

Fig .3. Antimicrobial effect of staphylococcus aureus according to concentration and reaction time of Ginger extract(0 ppm).

Fig. 4는 실험결과를 그림으로 나타낸 것으로 반응시간이 증가함에 따라 미생물의 생균수가 점점 감소하여, 배양시간이 72hrs경과시 미생물 의 생균수가 거의 나타나지 않았다.

Fig. 5는 생강 추출물을 첨가하지 않고, 증류 수만을 사용하여 실험결과를 그림으로 나타낸 것으로 반응시간이 증가함에 따라 미생물의 생 균수도 점점 증가함을 알 수 있다.

germs

0 100 200 300 400

0 24 48 72 96 120

Time

M ic robe N u m be r

hrs

Fig. 4. Antimicrobial effect of aspergillus niger according to concentration and reaction time of Ginger extract(1,000 ppm).

germs

0 500 1000 1500 2000

0 24 48 72 96 120

T i me

M ic robe N u m be r

hrs

Fig. 5. Antimicrobial effect of aspergillus niger according to concentration and reaction time of Ginger extract(0 ppm).

3.3. 기기분석 결과

3.3.1. GC/MS 분석

생강 추출물과 용매인 에탄올을 1:200의 비율 로 희석, 용해시킨 다음 생강용액을 GC/MS기 기로 분석한 결과 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6에서 생강의 성분에는 benzimidazole (1.283), isopropyl phosphine(1.477), propionic aldehyde(1.509), propanamine(1.876), propyl isothiocyanate and isothiocyanic acid(2.120), dimethyl oxazole(2.735), toluene(2.892) 등 다양 한 유기성분들이 검출되었으며, 특히 생강에는

유기성분인 benzimidazole, isothiocyanic acid이 1.283분 2.120분에서 다량 검출 되었으며, 이들 유기성분들은 항균 및 살균작용을 갖는 방향족 성분들로 확인되었다

1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.0 0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

>

1.283 1.477 1.508

1.876

2.054 2.120

2.735 2.892

3

Concentration

(PPM)

Time(min)

Fig. 6. Analysis result of organic components in Ginger material(5 ppm).

3.3.2. ICP/OES 분석.

생강 추출물과 용매인 에탄올을 1:100의 비율 로 희석, 용해시켜, 이를 ICP/OES 기기로 분석 한 결과 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7. Analysis result of inorganic compcnents on Ginger material (10 ppm).

Fig. 7에서 생강 추출물은 기기분석 결과 Ca(27.6 ppm), K(24.08 ppm), Mg(6.03 ppm), Na(1.02 ppm), Zn(1.02 ppm), Sb(0.711 ppm), Li(0.079 ppm), Ni(0.021 ppm), Be(0.018 ppm), Co(0.013 ppm), Mn(0.009 ppm) 등의 무기성분 들이 검출되었고, 기타 무기성분들은 검출되지 않았다. 특히 생강성분 중 Ca, K, Mg, Li 등의 무기성분이 다량 검출되었으며, 최근 에너지 소 재용으로 대두되고 있는 Li성분도 0.079 ppm가 검출, 확인되었다.

4. 결 론

천연의 생강을 추출, 여과시킨 생강 추출물 의 약리적 특성 및 기기분석 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 본 생강의 추출실험 결과 약간의 점성을 띈 황갈색 계통의 생강 추출물 약 22.50g을 얻 었고, 생강의 추출수율은 약 1.80%를 나타내 었다.

2. 본 생강의 항균실험 결과 HCMC-01 (staphylococcus aureus)의 경우 배양시간이 96hrs 경과시 생균수가 거의 나타나지 않았 고, HCMC-02 (aspergillus niger)의 경우 배 양시간이 72hrs 경과시 생균수가 거의 나타 나지 않았다. 그러나 Control-01과 Control-02의 경우 생강성분을 첨가하지 않 고, 증류수만을 사용한 것으로 배양시간이 증가함에 따라 미생물의 생균수도 급격히 증 가함을 알 수 있다. 이는 생강성분이 미생물 에 대하여 항균효과가 있음을 의미한다.

3. 본 생강의 기기분석 결과 GC/MS측정에서 benzimidazole(1.283), propyl isothiocyanate or isothiocyanic acid(1.477)등의 항균효과를 갖는 방향족 유기성분들이 검출되었고, ICP/OES측정에서 Ca(27.6 ppm), K(24.08 ppm), Mg(6.03 ppm), Na(1.02 ppm), Zn(1.02 ppm), Sb(0.711 ppm), Li(0.079 ppm) 등의 다양한 무기성분들이 검출, 확 인 되었다.

감사의 글

본 연구는 대진대학교 2010년도 교내 연구비 지원에 의해 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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