Cyclodextrin-assisted Extraction of Bioactive Compounds from Zingiber montanum (J.Koenig) Link ex A.Dietr.

Abstract

The extraction of bioactive compounds from medicinal plants must consider both efficiency and environmental sustainability. This study aims to evaluate the effectiveness of Cyclodextrins (CDs) and extraction enhancers in improving the extraction process of bioactive compounds from Zingiber montanum (J.Koenig) Link ex A.Dietr., employing the Cyclodextrin-assisted Extraction (CAE) technique, which reduces the use of organic solvents and enhances the stability of key phytochemicals. The study was conducted in two main phases: (1) Screening Study, utilizing Molecular Docking to analyze the structural interactions between Cyclodextrins and key phytochemicals, identifying Hydroxypropyl-Beta-Cyclodextrin (HPBCD) as the most suitable candidate for inclusion complex formation. This was followed by D-optimal Design, which evaluated critical extraction parameters. (2) Optimization Study, performed using Central Composite Design (CCD) to determine the optimal extraction conditions. The findings revealed that HPBCD combined with ethanol and Tween 80 significantly improved the extraction efficiency of (E)-4-(3',4'-dimethoxyphenyl)but-3-en-2-ol and (E)-1-(3',4'-dimethoxyphenyl)butadiene (Phenylbutanoids) and Curcuminoid content, as analyzed by HPLC. Additionally, the optimized extraction conditions yielded higher antioxidant activity, assessed using DPPH, ABTS, and FRAP assays. When compared to maceration using methanol, some bioactive compound yields from CAE were slightly lower. However, in comparison to hot oil extraction, CAE demonstrated superior performance across all evaluated parameters, providing advantages in terms of compound stability, safety, and applicability for pharmaceutical and cosmetic formulations. These results indicate that HPBCD combined with ethanol and Tween 80 is a highly effective and environmentally sustainable approach for extracting bioactive compounds from Zingiber montanum rhizome, offering valuable applications in the pharmaceutical, cosmetic, and nutraceutical industrijjzes, while aligning with the principles of Green Extraction.

การสกัดสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากพืชสมุนไพรเป็นกระบวนการที่ต้องคำนึงถึงปัจจัยด้านประสิทธิภาพและความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อประเมินประสิทธิภาพของ ไซโคลเด็กซ์ทริน (Cyclodextrins) และสารช่วยสกัดในการเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการสกัดสารออกฤทธิ์จาก เหง้าไพล (Zingiber montanum) โดยใช้แนวทาง Cyclodextrin-assisted Extraction (CAE) ซึ่งเป็นเทคนิคที่สามารถลดการใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ งานวิจัยแบ่งออกเป็น สองขั้นตอนหลัก ได้แก่ (1) การคัดเลือกปัจจัยที่มีผลต่อการสกัด (Screening Study) โดยใช้ Molecular Docking เพื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์เชิงโครงสร้างของไซโคลเด็กซ์ทรินกับสารสำคัญในไพล และคัดเลือกไซโคลเด็กซ์ทรินที่เหมาะสม พบว่า Hydroxypropyl-Beta-Cyclodextrin (HPBCD) มีศักยภาพสูงสุดในการเกิด Inclusion Complex กับสารออกฤทธิ์ จากนั้นทำการศึกษาเชิงทดลองโดยใช้ D-optimal Design เพื่อตรวจสอบปัจจัยที่มีผลต่อกระบวนการสกัด (2) การเพิ่มประสิทธิภาพการสกัด (Optimization Study) โดยใช้ Central Composite Design (CCD) เพื่อระบุสภาวะที่เหมาะสมของการสกัด ผลการศึกษาพบว่า การใช้ HPBCD ร่วมกับสารช่วยสกัด ได้แก่ เอทานอลและ Tween 80 ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการสกัดสารออกฤทธิ์ ได้แก่ (E)-4-(3',4'-dimethoxyphenyl)but-3-en-2-ol และ (E)-1-(3',4'-dimethoxyphenyl) butadiene (กลุ่ม Phenylbutanoids) และ Curcuminoid content เมื่อทำการวิเคราะห์ด้วย HPLC นอกจากนี้ ยังพบว่าการสกัดภายใต้สภาวะที่เหมาะสมให้ผลฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระที่ดีขึ้น โดยพิจารณาจากค่าที่วัดได้จาก DPPH, ABTS และ FRAP assays เมื่อเปรียบเทียบกับ การสกัดแบบหมักด้วยเมทานอล (Maceration using methanol) พบว่าปริมาณสารออกฤทธิ์บางชนิดที่ได้จาก CAE อาจมีค่าต่ำกว่าเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับ การสกัดแบบทอดน้ำมัน พบว่า CAE ให้ผลที่ดีกว่าในทุกกรณี มีความปลอดภัยในการนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์เครื่องสำอางและเภสัชภัณฑ์ ผลการศึกษานี้ชี้ให้เห็นว่า HPBCD ร่วมกับเอทานอลและ Tween 80 เป็นแนวทางที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในการสกัดสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากเหง้าไพล สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมยา เครื่องสำอาง และผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร เพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์จากสมุนไพรที่มีคุณภาพสูงและสอดคล้องกับแนวคิด Green Extraction