Variation in bioactive compound content of onion (Allium cepa L.) by peeling ratio using subcritical water extraction (SWE) technology

Abstract

Onions (Allium cepa L.) is the world's most consumed seasoned vegetable, but the dry skin, and often even the outer flesh of onions, is underutilized and discarded as waste. Quercetin, a representative flavonoid in onion, can be used as an antioxidant in processed foods and is known to have various physiological activities, such as antioxidant, anti-inflammatory, anti-allergy, antiviral, and anti-cancer effects. The subcritical water extraction technology is a technology that uses pure water as an extraction solvent, and is an eco-friendly, safe, and economical extraction method. Its selectivity can be improved by changes in the dielectric constant of water in a subcritical state a function of temperature, with more polar species extracted at lower temperatures and less polar species extracted at higher temperatures. The purpose of this study is to use a subcritical water system (ASE350, Dionex, Sunnyvale, CA, USA) to measure the quercetin content according to the peeling ratio of onions, and to investigate the proportion of onions appropriate for industrial use. To this end, the experiment was designed by setting independent variables of onion peeling ratio (1%, 5%, 20%, 30%), extraction temperature (150°C, 170°C), and extraction time (1, 5, 10, 15, and 20 min), and quantification values analyzed determined using by high-performance liquid chromatography as dependent variables. The highest contents of quercetin aglycone, quercetin-4′-glucoside, and thus total quercetin, of 16.76±0.65, 8.54±0.37, and 25.30±0.54 mg/g dried onion, respectively, were observed when 1% peeled onion was extracted at 150°C for 10 min the optimal extraction condition was 150°C for 10 min. In addition, as a result of analyzing the kaempferol content of onions according to the peeling ratio under the optimal extraction condition, it was confirmed that the kaempferol content decreased as the peeling ratio increased, following the same trend as that observed for quercetin. The data demonstrated that the total contents of quercetin and kaempferol decreased significantly as the peeling ratio increased. When comparing quercetin extraction efficiency between subcritical water extraction and conventional extraction using the organic solvent extraction method, the content decreased in the order of subcritical water, methanol, and ethanol, and the quercetin content decreased as the peeling ratio increased. Based on these results, the quercetin content decreased from the outside to the inside of the onion flesh, and the difference was about 18.57 times. As a result, the quercetin content according to the onion peeling ratio and onion part was compared, and this study showed that the peeling ratio that can efficiently use onion waste in industrial sites was provided. It was also confirmed that the subcritical water extraction system could provide higher efficiency than organic solvent extraction. These results are considered to have shown excellent economic and environmental possibilities of the subcritical water extraction system as an alternative technique for quercetin extraction.;양파는 세계적으로 가장 많이 소비되는 조미 채소 중 하나이지만 양파에 존재하는 껍질은 활용되지 못하고 폐기된다. 양파에 많이 함유되어 있는 대표적인 플라보노이드류 중 하나인 quercetin은 식품의 산화방지제로 사용 가능하며, 산화 방지, 항염증, 항알러지, 항바이러스, 항암 작용 등 다양한 생리활성을 지니고 있는 것으로 알려져 있다. 아임계수 추출 기술은 순수한 물을 추출 용매로 사용하는 기술이며, 친환경적이고 안전하며 경제적인 추출 방법이다. 온도와 압력을 조절하여 물의 상변화를 제어함으로써 아임계 상태인 물의 유전상수 변화를 통해 향상된 선택성을 가질 수 있는 친환경적 추출 방법이다. 이 연구의 목적은 아임계수 시스템 (ASE350, Dionex, Sunnyvale, CA, USA)을 활용하여 국내산 양파의 탈피 비율에 따른 생리 활성 화합물인 quercetin aglycone과 그의 배당체인 quercetin-4′-glucoside 함량을 측정하고, 산업적 활용에 적절한 양파의 탈피 비율을 조사하여 양파 폐기물에 대한 활용 방안을 마련하는 것이다. 이를 위해 양파의 탈피 비율 (1, 5, 20, 30%), 추출 온도 (150, 170°C), 추출 시간 (1, 5, 10, 15, 20분)의 독립변수를 설정하고 고성능 액체 크로마토그래피를 이용하여 분석한 정량화 값을 종속변수로 설정하여 실험을 설계하였다. Quercetin aglycone 함량은 1% 탈피한 양파를 150°C, 10분 조건에서 추출했을 때 가장 높았으며 (16.76±0.65 mg/g dried onion), quercetin-4′-glucoside 함량도 1% 탈피한 양파를 150°C, 10분 조건에서 추출했을 때 가장 높았다 (8.54±0.37 mg/g dried onion). Total quercetin의 함량으로 보았을 때, 150°C, 10분 추출 조건이 최적의 추출 조건임을 확인할 수 있었다 (25.30±0.54 mg/g dried onion). 또한 최적 추출 조건에서 탈피 비율에 따른 양파의 kaempferol 함량을 분석한 결과, quercetin과 마찬가지로 탈피 비율이 높아짐에 따라 kaempferol 함량이 감소함을 확인하였다. 결과적으로 탈피 비율이 높아짐에 따라 모든 quercetin과 kaempferol의 함량이 유의하게 감소함을 증명하였다. 또한 기존에 사용되는 추출 방법인 유기용매 추출법을 이용하여 아임계수 추출과 유기용매 추출 간의 quercetin 추출 효율 비교를 진행한 결과, 아임계수, 메탄올, 에탄올 순서대로 함량이 높았으며, 탈피 비율이 증가함에 따라 quercetin 함량이 감소함을 확인하였다. 이 결과를 기반으로 과육의 위치에 따른 quercetin 함량을 비교했을 때 과육의 외부에서 내부로 갈수록 quercetin 함량이 감소하였고 이 차이는 약 18.57배였다. 결과적으로 양파의 탈피 비율 및 위치에 따른 quercetin 함량을 비교하였으며 본 연구 결과로 산업 현장에서 양파 폐기물을 효율적으로 사용할 수 있는 탈피 비율을 제공하였다. 또한 아임계수 추출 시스템이 유기용매 추출보다 더 높은 효율을 낼 수 있다는 점을 확인하였으며 이와 같은 결과는 quercetin 추출 방법의 대체 기술로서 아임계수 추출 시스템의 경제적, 환경적 측면에서 우수한 가능성을 보여준 결과로 사료된다.