Extraction of the flavonol quercetin from onion skin by combined treatment with intense pulsed light (IPL) and subcritical water extraction (SWE)

Abstract

Quercetin is widely recognized flavonol as anti-inflammatory, anti-cancer, and anti-virus substrate. This functional material can be extracted from onion skin, which is a by-product from food processes. Subcritical water extraction (SWE) has emerged as a promising method for extracting quercetin because of its polarity-selectivity, time-efficiency, environment-friendliness, and low cost. Meanwhile, intense pulsed light (IPL) is high-intensity polychromatic light that can be used as a photochemical pre-treatment method for extraction. The objective was to develop a hurdle technology for maximizing the efficiency of extracting quercetin from onion skin by combining subcritical water extraction (SWE) with physical pre-treatment by intense pulsed light (IPL). The IPL was applied at 1200 V for 30, 60, 90, and 120 sec (corresponding to total fluences of 1.35 J/cm2, 2.70 J/cm2, 4.05 J/cm2, and 5.40 J/cm2). The SWE extractions were performed under different combinations of extraction times (5–30 min) and temperatures (105–185°C). Combined treatments with IPL and SWE increased the extraction yield compared to SWE alone. The maximum concentration of quercetin was observed to be 17.32 ± 1.12 mg/g onion skin (mean ± SD) at the SWE condition of 145°C for 15 min with IPL at 1200 V for 60 sec; the quercetin concentration was 15.19 ± 1.12 mg/g onion skin using SWE alone at 145°C for 15 min. The results might be attributable to IPL loosening the onion interstitial walls, which was detected by environmental scanning electron microscopy, scanning electron microscopy, and fluorescent microscopy. This study has demonstrated that IPL is a promising pre-treatment technology for enhancing the extraction of quercetin by SWE.;양파껍질 내 주요 기능성 성분인 퀘세틴은 항염증, 항암, 항바이러스 뿐만 아니라 혈중 지방농도를 조절하는데 유용한 생리적 기능 물질로 알려져 있다. 퀘세틴은 양파 내부보다 외부 껍질에 더 많이 함유되어 있기 때문에 부가가치를 창출할 수 있는 소재로 활용될 수 있다. 아임계수 추출은 끓는점과 임계점 사이에서 물을 액체상태로 유지시켜 추출하는 방법으로 유기용매를 사용하지 않아 안전하고 짧은 시간에 기능성 물질을 추출하는데 효율적이다. 아임계수 상태의 물은 극성이 아닌 비극성 상태를 유지하기 때문에 퀘세틴과 같은 비극성 기능성 물질을 추출하기 위한 최적의 용매로 활용될 수 있다. 반면에, 광펄스는 햇빛보다 20000배 강력한 세기를 나타내는 다색광으로 지금까지 미생물이나 병원균을 살균하기 위한 방법으로 활용되었다. 하지만 최근 들어 IPL을 포함한 UV, PL은 사과, 아보카도, 버섯 등의 품질을 향상시키거나 기능성 물질을 추출하기 위한 전처리로 활용되고 있다. 따라서 본 연구를 통해 광펄스와 아임계수 추출을 병합하여 양파껍질 내 퀘세틴 추출 효율을 극대화하기 위한 신가공 기술을 개발하고자 하였다. 더 나아가 기존의 아임계수 추출법만 사용한 결과와의 비교를 통해 병합추출의 효율성을 확인하고, 그 메커니즘을 환경주사현미경, 주사현미경, 형광현미경을 통해 밝히고자 하였다. 전처리로 사용된 광펄스는 1200 V 30 초, 60 초, 90 초 그리고 120 초가 처리되었다 (총 파장은 1.35 J/cm2, 2.70 J/cm2, 4.05 J/cm2 그리고 5.40 J/cm2.). 이후 아임계수 추출은 ASE 350 모델을 사용하여 추출 시간(5-30 분)과 온도(105-185°C)에서 수행한 후, HPLC를 통해 퀘세틴 농도를 확인하였다. 퀘세틴의 최대 농도는 아임계수 추출 조건 145°C, 15 분과 광펄스 1200 V, 60 초를 병합 처리했을 때, 17.32 ± 1.12 mg /g onion skin 으로 확인했으며, 대조적으로 광펄스를 전처리하지 않은 아임계수 추출 조건 145°C, 15 분에서는 15.19 ± 1.12 mg /g onion skin으로 확인하였다. 우선, 환경주사현미경 및 주사현미경을 통해 광펄스로 인해 파괴된 양파껍질 막/세포벽을 확인한 결과, 광펄스가 물리적으로 양파껍질 막/세포벽을 파괴해 느슨하게 만들고, 이는 아임계수 추출을 할 때 퀘세틴 추출을 용이하게 함을 확인하였다. 형광현미경을 통해서는 양파껍질 내 남아있는 퀘세틴의 양과 분포 양상을 확인하고 이를 통해 적절한 광펄스 자극은 퀘세틴의 추출 효율을 높이는데 도움을 주지만, 지나친 자극은 오히려 퀘세틴을 파괴해 함량을 낮춘다는 것을 확인하였다. 결과적으로 본 연구를 통해 산업화를 위한 안전성과 효율성을 높이는 기술로 광펄스를 활용한 병합처리가 적극적으로 적용될 수 있음을 확인하였다.