Optimization of the Quercetin Extraction from Red Onion (Allium cepa L.) Skin Using Subcritical Water Extraction Technology and Scale-up

Abstract

이 연구의 목적은 적양파 껍질 로부터 생물 활성 화합물을 추출하기 위해 아임계수 추출 시스템의 효과를 조사하는 것이다. 양파는 가장 많이 소비되는 조미료 야채 중 하나이므로 상당량의 먹을 수 없는 부분은 음식물 쓰레기로 버려지며 버려지는 쓰레기의 대부분은 양파 껍질이다. 아임계수 추출 기술은 양파 껍질에 높은 부가 가치를 추가 할 수 있는 친환경 추출 기술 이라고 할 수 있다. 아임계수 추출 기술은 순수한 물을 추출 용매로 사용하기 때문에 안전하고 경제적인 추출 방법이다. 압력 제어를 통해 고속으로 높은 회수율에 도달할 수 있고 및 아임계수 상태의 유전 상수 변화를 이용해 향상된 선택성을 가질 수 있는 친환경적 추출 방법이다. 이러한 장점에도 불구하고 아임계수 추출에 대한 연구는 오직 실험실 수준의 연구만이 진행 중이며 산업적 용도로는 사용되지 않으므로 자체 설계 파일럿 규모 아임계수 추출 시스템을 사용하여 최적의 공정 조건을 식별하고 공장 규모까지 추가 규모 확장의 토대를 마련했다. 본 연구에서는 적 양파 피부에서 쿼세틴의 최대 추출 수율에 대한 최적의 온도 및 시간 조건을 설정하고 추출된 쿼세틴 배당체 (Q-4) 및 비당체 (Q)를 고성능 액체 크로마토그래피 분석에 의해 정량화 하였다. 실험실 규모의 아임계수 추출에 대한 최적 추출 조건을 추적하기 위해 서로 다른 온도 조건 (105, 120, 135, 150, 165, 180, 195°C) 및 추출 시간 (1, 3, 5, 10 및 15 분)을 비교했다. 한편, 파일럿 규모 아임계수 추출은 5, 10 및 15분의 추출 시간 조건 및 105, 127.5, 150, 172.5, 195°C 온도 조건을 사용 했다. 실험실 규모 아임계수 추출의 경우, Q의 최대 농도는 17.02 mg/g 건조 중량 (DW)으로 측정되었고 Q-4의 최대 농도는 26.05 mg/g DW 이었다. 이때 최적 추출 조건은 135°C, 5 분 이었다. 파일럿-규모 아임계수 추출의 경우, 150 ℃의 온도 및 5 분의 추출시간에서 최적 추출 조건이 얻어졌으며 Q-4 및 Q의 농도는 각각 12.81 mg/g DW 및 18.87 mg/g DW였다. 쿼세틴 아임계수 추출의 추출 수율은 유기 용매와 온수를 사용하는 기존의 추출 방법보다 2.1 ~ 3.2 배 높은 농도를 추출할 수 있다. 케르세틴이 항산화, 항염증 및 항암 활성으로 인해 인간의 건강에 도움이 되는 생리 활성 화합물로 널리 인식되기 때문에 아임계수 추출 기술이 쓰레기로 버려지는 적양파 껍질을 재활용 하는 효율적인 대안 기술이 될 수 있음을 보여준다. 결과적으로 폐기 되는 양파 껍질로부터 쿼세틴의 대량 생산은 아임계수 추출 기술을 이용했을 때 경제적, 환경적 측면에서 이득 임을 확인했으며 파일럿 규모로의 확장 시 실험실 수준과 유사한 추출 효율을 보이는 것을 고려했을 때, 대량 생산의 가능성이 충분히 있다고 보여진다. ;The aim of this study was to investigate the practical use of subcritical water extraction system to extract bioactive compounds from red onion skin. Onion is one of the most cultivated and most consumed seasoning vegetables. Therefore, significant amount of non-edible parts are discarded as food waste, most of which are onion peels. Subcritical Water Extraction (SWE) technology is an eco-friendly extraction technology that can add high added value to the onion peel. SWE method is a secure and economical extraction method using pure water as an extraction solvent. SWE technology has high speed, superior recovery rate and improved selectivity through delicate control. In spite of these advantages, only laboratory-level research of SWE is in progress and is not used for industrial use, so a self-designed pilot-scale SWE system was used to identify optimal process conditions and to lay the foundation for further scale-up. In this study, the optimum conditions of temperature and time for the maximum extraction yield of quercetin from red onion skin were set and the concentrations of extracted quercetin aglycone (Q) and quercetin-4’-O-β-D-glucopyranoside (Q-4) were quantified by High Performance Liquid Chromatography (HPLC) analysis. To trace the optimal extraction conditions for lab-scale SWE, red onion skin was extracted by SWE at different static times (1, 3, 5, 10, and 15 minutes) and different temperatures (105, 120, 135, 150, 165, 180, and 195°C). Pilot-scale SWE, on the other hand, static time of 5, 10, and 15 min and temperature conditions of 105, 127.5, 150, 172.5, 195°C were used. For the lab-scale SWE, the maximum concentration of Q was measured to be 17.02 mg/g dried weight (DW) and the maximum concentration of Q-4 was obtained to be 26.05 mg/g DW. The optimal extraction efficiency was obtained at temperature of 135°C and static time of 5 min. For the pilot-scale SWE, optimal extraction condition was obtained at temperature of 150°C and static time of 5 min and the concentrations of Q-4 and Q were 12.81 mg/g DW and 18.87 mg/g DW, respectively. The extraction yield of quercetin SWE was compared to be 2.1 to 3.2 times higher than conventional extraction method using organic solvents and hot water. These results show that SWE could be an efficient alternative technique to recycle red onion skin since quercetin is widely recognized as a bioactive compound that is helpful for human health because of its antioxidant, anti-inflammatory and anti-cancer activity. Mass production of quercetin from discarded onion skin could be beneficial in the economic and environmental aspect.