Subcritical Water Extraction of Quercetin and Glucosides from Early and Mid-late Maturing Onion (Allium cepa L.)

Abstract

Onions (Allium cepa L.) are one of the most well-known plants containing quercetin, especially in the skin. Quercetin is a flavonol showing bioactivities such as anti-inflammatory and anticancer activities, and antioxidant effects. Subcritical water extraction (SWE) is a technique for extracting nonpolar compounds using subcritical water, which is water at high pressure and at temperatures ranging between the boiling point (100℃) and the critical point (374°C). As the temperature of water increases, the dielectric constant decreases, leading to weakened hydrogen bonds between water molecules. Therefore, subcritical water and organic solvents have similar attributes. SWE is a safe and efficient technique due to the use of water as a solvent and the short extraction time. Thus, SWE can be said to be suitable for extracting nonpolar bioactive compounds from foods and plant materials.Onions in Korea are classified by harvest periods, starting from extremely early maturing cultivars to mid-late maturing cultivars. In this study, onion skin of early maturing cultivars and mid-late maturing cultivars was used, and the quercetin, quercetin-4’-glucoside, and total quercetin obtained by SWE between cultivars was compared. SWE was performed at 120, 135, 150, 165, and 180℃ for 5, 10, 15, and 20 min with a Dionex Accelerated Solvent Extractor (ASE 350). Flavonols within extracts were analyzed with high performance liquid chromatography (HPLC). The amount of quercetin-4’-glucoside in early maturing cultivars was about 2.78-fold higher than that in mid-late maturing cultivars. In contrast, the amount of quercetin in mid-late maturing cultivars was about 1.60-fold higher than that in early maturing cultivars. A significant difference in quercetin and quercetin-4’-glucoside content between cultivars with the same harvest period was also observed, showing a clear order of cultivars in terms of total quercetin content.The quercetin yield of SWE and solvent extraction did not differ significantly. Therefore, the possibility of replacing solvent extraction with SWE was proved due to the efficiency in terms of time and solvent cost of SWE. This study showed the difference in the amount of quercetin and its derivatives between onion cultivars and the recoverability of quercetin inherent in onions using SWE. ;양파(Allium cepa L.)에는 인체 내에 항산화, 항염 및 항암 작용을 보이는 플라보놀류인 quercetin이 포함되어 있으며, 특히 양파의 과육보다 껍질 부분에 다량 함유되어 있는 것으로 알려져 있다. 국내에서는 주로 수확 시기에 따라 품종군을 구별하게 되며, 이에 따라 극조생종부터 중만생종까지 나누어진다. 본 연구에서 사용한 품종군은 이른 봄부터 늦봄까지 수확되며 수분함량이 높아 저장성이 비교적 낮은 조생종과 이른 여름에 수확되며 수분함량이 낮아 저장성이 높은 중만생종 양파이다.아임계수 추출은 물의 온도가 증가할수록 극성이 감소한다는 원리를 활용하여 중간 극성부터 비극성의 물질을 추출하는 데에 활용될 수 있다. 본 연구는 아임계수 추출 기술을 이용하여 조생종과 중만생종의 양파 껍질에서 quercetin과 배당체인 quercetin-4’-glucoside를 추출한 후 두 품종군 간의 유효성분 함량 차이를 파악하고자 하는 동시에 아임계수 추출 기술의 quercetin 수율을 평가하기 위해 진행되었다. 아임계수 추출은 Dionex Accelerated Solvent Extractor (ASE 350)를 이용하여 120℃, 135℃, 150℃, 165℃, 180℃의 온도와 5분, 10분, 15분, 20분의 추출 조건에서 진행되었고 추출물은 고성능 액체 크로마토그래피로 분석되었다. 최적 추출 온도인 150℃에서 추출을 진행했을 때 조생종은 중만생종 품종군에 비해 quercetin-4’-glucoside가 약 2.78배 높다는 것을 확인한 반면, quercetin의 함량은 중만생종이 조생종에 비해 약 1.60배 높다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 같은 수확시기에 재배된 품종 간의 유효성분 함량 차이가 존재한다는 것을 확인했다. 유기용매 추출과 아임계수 추출의 수율을 비교한 실험에서는 아임계수 추출을 진행한 경우가 에탄올 추출보다 총 quercetin 함량이 높은 것을 확인할 수 있었으며, 메탄올 추출과는 유사한 함량을 얻을 수 있었다. 본 연구는 결론적으로 양파 껍질에서 quercetin과 quercetin-4’-glucoside의 추출 효율을 극대화하는 데에 아임계수 추출 기술이 효과적임을 입증하였으며, 양파 껍질에서의 quercetin 및 그 유도체의 함량이 품종군 별로 상이하다는 결과를 도출할 수 있었다. 아임계수 추출은 quercetin 뿐 아니라 다른 식물 및 식품 소재 내의 기능성 물질 또한 극성에 따라 선택적으로 추출하는 데에 사용될 수 있으며, 추출 시간이 짧아 경제적인 동시에 물을 용매로 사용하기 때문에 식품에 적용하기 안전하다는 측면까지 지니고 있는 신 가공 기술이라고 할 수 있다.