검색 상세

ECO-FRIENDLY AND EFFICIENT SEPARATION OF ACTIVE CONSTITUENTS FROM MEDICINAL PLANTS BY USING IONIC LIQUID, [BMIm]BF4

친환경 이온성액체를 이용한 천연물 활성성분의 고효율 분리

초록/요약

Medicinal plants have been utilized worldwide in traditional and folk medicines for their preventive and therapeutic effects on various diseases including physical and mental diseases. They contain a wide range of active constituents which have led to drug discovery. Medicinal drugs are available either as extracts/fractions or pure components. The separation of active constituents from medicinal plants is a big challenge which requires expertise due to structural diversity of these active constituents. However, over the past years, numerous researches have been actively conducted and several techniques have been developed to overcome drawbacks of procedures leading to the separation of active constituents from medicinal plants. Although considerable improvements have been observed, the previous developed techniques are time-consuming, and require a lot of effort and a large amount of volatile organic solvents. In addition, the products are either obtained with low purity or low yield. Hence, the development of efficient techniques for the separation and/or isolation of active constituents from medicinal plants is of great importance. In the last few decades, Ionic liquids (ILs), a class of molten salts entirely constituted of ions have gained considerable attention as alternative green media for the separation and purification of several medicinal plants active constituents due to their attractive properties and numerous advantages in overcoming drawbacks of conventional techniques. Drawbacks of conventional techniques include the use of flammable, toxic and volatile solvents, low separation efficiency, low yield and low purity of key compounds. However, ILs display a wide range of unique properties such as negligible vapor pressure, inflammability, high thermal stability, broad solubility range, low chemical reactivity, high selectivity and so on. These properties have promoted their application in diverse fields including analytical chemistry. In this study, experiments were first conducted to develop eco-friendly and efficient method for the rapid and selective separation of decursin (D) and decursinol angelate (DA) from the dried roots of Angelica gigas Nakai (Umbelliferae) (A. gigas) using IL as extraction solvent and crystallization as purification technique. The potentiality of ILs for the extraction and crystallization of natural products has been assessed as well. The results revealed that the IL, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate [BMIm]BF was the most efficient to extract D and DA from A. gigas. The interaction between parameters including extraction time, temperature, and solid to solventratio was optimized by response surface methodology (RSM). The optimal extraction condition predicted by RSM was 1.00 g/6.46 mL solid to solvent ratio, 59.99°C temperature and 120.00 min extraction time which was adjusted as 1.00 g/7.00 mL solid to solvent ratio, 60.00°C, and 120.00 min. Under the optimal condition, 43.32 mg/g (97.09%) and 17.86 mg/g (97.07%) were the respective extraction yields of D and DA, while the total extraction yield of D and DA was 61.18 mg/g (97.06%). Moreover, drowning out crystallization using deionized water (DW) as anti-solvent offered an excellent ability to recover D and DA from A. gigas-[BMIm]BF extraction solution. The total content of D and DA in the obtained crystal was approximatively 98.00% and the rates of recovery for both compounds were greater than 95.00%. The solution-state H-NMR analysis also confirmed that the obtained crystals were a mixture of sole D and DA. Furthermore, experiments were performed to develop an environmentally friendly, simple and efficient method for the extraction and enrichment of schisandrol A from the fruits of Schisandra chinensis (Turcz.) Baill. (Schisandraceae) (S. chinensis) by using ILs and macroporous adsorption resins. Among the ILs evaluated [BMIm]BF was the most suitable to extract schisandrol A. Parameters including extraction temperature, time and solid to solvent ratio were optimized by RSM. The optimal extraction condition proposed by RSM was 120.00 min extraction time, 40.00°C temperature and 1.00 g/13.50 mL solid to solvent ratio. Under the optimal extraction condition, schisandrol A was obtained with a high extraction yield of about 6.51 mg/g. For the enrichment evaluations, eight macroporous adsoprtion resins were investigated for their abilities to recover schisandrol A from the IL extract. Herein, X-5 macroporous resin revealed the highest ability to recover schisandrol A in comparison to other resins. The adsorption kinetics, the dynamic adsorption and the desorption characteristics of X-5 for purifying schisandrol A were studied and optimized. The results revealed that 50.00% ethanol and 7 Bed Volume (BV) were the optimal concentration and volume of the desorption solution, respectively. The total content of schisandrol A improved up to 81.07% in the final product with a recovery yield greater than 90.00%. From this study, eco-friendly, simple, efficient and robust methods for the separation of D, DA, and schisandrol A from medicinal plants utilizing ILs combined with crystallization and/or macroporous adsorption resins were successfully established. The developed methods revealed remarkable effectivenesses compared to conventional methods as shortcomings associated with the application of conventional techniques for the separation of the above-mentioned compounds have been overcome. The developed methods are eco-friendly and efficient since no toxic volatile organic solvent could be applied during the whole process, and that D, DA, and schisandrol A could be obtained simply and rapidly with high extraction efficiency, high yield and satisfactory recovery. These findings are crucial in food and pharmaceutical industries for the effective separation of D and DA from A. gigas to produce highly enriched D and DA products. The results also provide the effective separation of schisandrol A from S. chinensis to produce highly enriched schisandrol A products. Through this study, the potentiality and importance of ILs as new alternative solvents for the separation of active constituents from medicinal plants was confirmed. We assess that the developed techniques using ILs can be applicable not only for the rapid and effective separation of D, DA and schisandrol A but can also be extend for the separation of several active constituents from medicinal plants.

more

초록/요약

천연물은 전통의학 또는 민간요법에서 신체 및 정신질환을 포함한 다양한 질병의 예방 및 치료 목적으로 사용되어 왔으며, 광범위한 활성성분을 함유하고 있으며 이들은 의약품 개발의 선도물질로 사용되고 있다. 이들 활성성분의 구조적 다양성 때문에 천연물로부터 활성성분을 분리하는 것은 전문지식을 요구하는 아주 도전적인 일이다. 따라서 오랜 기간 동안 천연물로부터 활성성분을 분리하는 실험과정의 단점을 극복하기 위한 연구가 활발히 진행되었으며 다양한 기술이 개발되었다. 상당한 발전에도 불구하고, 이전에 개발된 기술들은 시간 및 노동이 많이 소요되며 많은 휘발성 유기용매가 필요하다는 단점이 있으며 수율 또는 순도가 낮은 경우가 많다. 이에 따라 천연물로부터 활성성분을 효율적으로 분리 및 정제할 수 있는 기술의 개발이 매우 중요한 실정이다. 이온성액체(IL)는 100℃ 이하의 융점을 가지고 있는 염으로 구조적으로 독특한 물질이며 그들만의 특성을 유지한 채로 개별적이고 독립적으로 여러 가지 적용에 부응할 수 있는 양이온과 음이온 요소를 가지고 있다. IL은 천연물로부터 활성성분을 분리하고 정제할 수 있는 대안 친환경 용매로서 최근 많은 주목을 받고 있다. 이는 IL이 전통적인 분리기술의 단점을 극복할 수 있는 다양한 장점을 갖고 있기 때문이다. 전통적인 분리기술이 인화성, 독성, 휘발성이 있는 용매를 사용해야 하고 분리한 활성성분의 낮은 수율, 순도 등의 단점이 있는 반면 IL은 비휘발성, 내화성, 높은 열안정성, 넓은 용해도 범위, 낮은 화학반응성, 높은 선택성 등의 장점이 있다. 이러한 장점으로 IL은 다양한 분야에서 응용되고 있다. 먼저, 본 연구는 IL을 추출용매, 결정화를 정제방법으로 적용함으로써 참당귀(Angelica gigas Nakai)의 말린 뿌리로부터 decursin (D)과 decursinol angelate (DA)를 빠르고 선택적으로 분리할 수 있는 친환경적이고 효율적인 활성성분 분리 방법 개발 연구를 진행하였다. 그 결과, 다양한 IL중에서 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIm]BF)가 참당귀로부터 가장 효율적으로 D와 DA를 추출할 수 있다는 사실을 확인하였다. 추출 시간, 온도, 고체/액체 비율 등 상호작용 상수는 반응표면분석법(RSM)으로 최적화하였다. RSM을 통해 예측된 최적화 추출 조건은 1.00 g/6.46 mL의 고체/액체 비율, 59.99°C의 온도, 120.00분의 추출시간이었으며, 실제로는 1.00 g/7.00 mL의 고체/액체 비율, 60.00°C의 온도, 120.00분의 추출시간으로 적용하였다. 최적화된 조건에서 43.32 mg/g (97.09%)의 D와 17.86 mg/g (97.07%)의 DA가 추출되었으며 D와 DA의 총 추출 수율은 97.06% (61.18 mg/g)이었다. 또한 IL 추출 용액에 DW를 반용매로 사용하여 결정화 유도하였을 때 가장 효율적으로 D와 DA를 회수할 수 있었다. 얻어진 결정의 D와 DA 함량은 약 98.00%였으며, 회수율은 95.00% 이상이었다. 또한 용액상 H-NMR 분석을 통하여 얻어진 결정이 D와 DA의 혼합물이라는 사실을 확인하였다. 또한 IL과 macroporous adsorption resins (MADRs)을 사용하여 오미자(Schisandra chinensis (Turcz.) Baill.)의 열매로부터 schisandrol A를 분리할 수 있는 친환경적이며 단순하고 효율적인 방법을 개발하였다. 다양한 ILs 중에서 [BMIm]BF가 schisandrol A 추출에 가장 적합하였다. 추출시간, 온도, 고체/액체 비율의 상수는 RSM으로 최적화되었다. RSM을 통해 제안된 최적화 추출 조건은 1.00 g/13.50 mL의 고체/액체 비율, 40.00°C의 온도, 120.00분의 추출시간이었다. 해당 조건에서 schisandrol A를 6.51 mg/g의 높은 추출 수율로 얻을 수 있었다. IL 추출물로부터 schisandrol A를 회수하기 위해 8개의 MADRs을 사용하여 시험하였으며 X-5가 다른 resin에 비하여 schisandrol A 회수에 가장 적합하였다. X-5의 schisandrol A 정제를 위한 흡착동력학, 동적흡착 및 탈착 특성을 연구하여 고순도 schisandrol A 회수 조건을 최적화하여 50.00% ethanol 및 7 Bed Volume (BV)는 최적 탈착 용매의 농도 및 volume 조건을 도출하였다. Schisandrol A 함량은 최종산물에서 81.07%까지 증가하였으며 회수율은 90.00% 이상이었다. 본 연구를 통하여, 천연물로부터 친환경적이고 단순하며 효율적인 D, DA, schisandrol A 분리할 수 있는 방법이 확립되었다. 해당 기술은 IL과 결정화 또는 MADRs을 이용하는 방법으로서 해당 천연물들을 분리할 때 사용되는 전통적인 분리기술에서 나타나는 단점들을 극복함으로써 효율성이 크게 증가되었다. 개발된 방법은 독성이 있는 휘발성 유기용매를 전체 추출 과정에서 사용하지 않고, D, DA, schisandrol A를 고추출율, 고수율, 고회수율로 빠르고 쉽게 확보할 수 있다는 점에서 친환경적이고 효율적인 방법이라 할 수 있다. 해당 방법은 효율적인 분리를 통하여 참당귀로부터는 높은 D, DA 함량의 산물을 제공하며 오미자로부터 높은 schisandrol A 함량의 산물을 제공할 수 있다는 점에서 식품 및 의약품 산업에서 아주 중요한 발견이라 할 수 있다. 이 연구를 통하여 IL들의 천연물로부터 활성성분을 분리할 수 있는 새로운 대안 용매로서의 가능성과 중요성이 확립되었다. IL을 이용하여 개발된 해당 방법은 D, DA, schisandrol A의 빠르고 효율적인 분리뿐만 아니라 다양한 천연물로부터 활성성분을 분리할 수 있는 방법으로 확장될 것으로 기대된다.

more
반출 Meta View 목록