Improving Extraction of Quercetin from Onion Skin by Combined Treatments of Pulsed Electric Fields (PEF) and Subcritical Water Extraction (SWE)

Abstract

양파는 오랜 시간 동안 전 세계적으로 사용되어온 식재료이다. 양파에 함유된 주요 기능성 성분인 퀘세틴은 항암, 항염증 등 인체 건강에 긍정적인 역할을 한다. 퀘세틴은 양파의 가식 부위보다 비가식 부위인 껍질 부분에 약 77배 이상 함유되어 있다. 양파 껍질에 퀘세틴이 다량 함유되어 있지만 대부분 활용되지 못하고 폐기물로 버려지고 있다. 본 연구에서는 펄스 전기장 기술과 아임계수 추출 기술을 병합 적용하여 부산물인 양파껍질로부터 퀘세틴 추출 효율을 극대화시킬 수 있는 신가공 병합 추출 기술을 개발하고자 하였다. 펄스 전기장은 비열처리기술로서, 두 개의 전극 사이에 시료를 두고 강한 전압의 짧은 전기 펄스를 처리하여 세포막의 가역적 혹은 비가역적 붕괴를 유발하는 기술이다. 펄스 전기장 기술은 전기장 세기를 조절함으로써 미생물의 비가열살균뿐만 아니라 동물과 식물 조직의 특성 변화(건조, 냉동 효율 증가)에 사용될 수 있으며, 최근에는 추출 전처리 기술로도 활용되고 있다. 아임계수 추출은 물의 끓는점 (100℃)과 임계점 (374℃) 사이의 고온‧고압 상태의 물을 추출 용매로 사용하는 친환경적인 기술로서, 상대유전율을 변화시킴으로써 생리활성물질과 같이 종류에 따라 수용성에서부터 비수용성 화합물까지 광범위한 상대유전율을 가지는 물질을 추출하는데 있어 매우 효과적인 기술이다. 물은 저렴하고 독성이 없으며 사용 후 안전하게 폐기할 수 있을 뿐만 아니라, 압력 조절에 의하여 끓는점을 변화시킴으로써 간단하게 속성을 바꿀 수 있으므로 목적에 따라 유효성분 추출에 다양하게 이용될 수 있다는 장점이 있다. 펄스 전기장은 5 kW pulse generator (HVP-5, DIL, Quakenbrueck, Germany)를 이용하여 처리하였다. PEF의 전기장 세기에 의한 영향을 알아보고자 0.5-2.5 kV/cm로 60초 처리한 후, SWE를 진행하였다. 그 후, PEF 처리 시간에 의한 영향을 알아보고자 2.5 kV/cm로 고정하여 5-120초로 처리한 후, SWE를 진행하여 퀘세틴 추출 수율을 비교하였다. 아임계수 추출은 Dionex Accelerated Solvent Extractor (ASE, Model 350)를 사용하여 수행되었다. 추출물의 퀘세틴과 그 배당체의 정성 및 정량 분석은 HPLC를 이용하였다. 펄스 전기장과 아임계수 추출의 병합 기술을 적용하여 양파껍질로부터 퀘세틴을 추출한 결과, 퀘세틴과 배당체의 전체 함량 최적 조건은 PEF 2.5 kV/cm – 15초 처리 후, 145℃ 15분 추출했을 때 나타났으며 함량은 19.25 ± 0.77 mg/g dried onion skin 였다. PEF 전처리를 하지 않은 대조군과 비교하여 PEF 전처리를 한 경우, 추출 수율이 33.22% 증가하였다. 뿐만 아니라 PEF 전처리는 아임계수 최적 추출 온도를 165℃에서 145℃로 감소시켰다. PEF에 의한 양파 껍질 세포의 물리적 파괴는 세포 파괴 지수 Z 값과 SEM을 통해 확인하였으며, PEF 전처리가 아임계수 추출 효율을 증대시켰음을 확인하였다. 본 연구를 통해 펄스 전기장과 아임계수 병합 추출 기술이 부산물인 양파껍질로부터 기능성 성분 퀘세틴 추출 효율을 극대화하는 데 효과적임을 확인하였다. 건강기능식품 시장이 급속도로 성장하고, 합성 화학 물질에 대한 소비자의 반감이 높아지면서 천연식품 유래 기능성소재에 대한 관심이 높아졌다. 따라서 펄스 전기장 기술과 아임계수 병합처리를 이용한 신가공 추출 기술은 차후 기능성 식품 소재 산업에도 적용 가능한 기술로서 응용될 것으로 생각한다.;Onion is an important source of quercetin, a type of flavonoid. Quercetin is a flavonol widely recognized as an antioxidant. It also has a beneficial effect on humans by helping prevent the occurrence of diseases such as cancer and heart disease. Onion skin, the nonedible part, showed outstanding levels of quercetin when compared to the other edible parts. Subcritical water extraction (SWE) is not only a green technology but also an effective method for extracting flavonol compounds such as quercetin. PEF (pulsed electric field) is also used as a pretreatment method for extraction because PEF treatment promotes the leakage of intracellular compounds by improving the electroporation of the membrane. The objective of this study is to develop the extraction process of quercetin from onion skin by-products, enhancing its effectivity by combining PEF pretreatment and SWE. Onion skins were treated with PEF under conditions of varying electric field strength (0.5 1.0, 2.0, and 2.5 kV/cm) and times (5, 15, 30, 60, 90, and 120 sec). Subsequent SWE was performed under the conditions of 15 min extraction time and various temperatures (105, 125, 145, 165, and 185°C). The onion skin SWE extract contained two major flavonols such as quercetin aglycone and quercetin-4'-O-glucoside. The concentrations of quercetin increased as PEF treatment time and electric field strength increased. The yield of quercetin was the highest (14.98 ± 0.79 mg/g dried onion skin) for PEF 2.5 kV/cm - 15 sec with SWE 145℃ - 15 min. Compared to control (PEF-untreated), PEF treatments improved the quercetin extraction efficiency by 32.21%. The maximum yield of total quercetin in onion skin extracts was 19.25 ± 0.77 mg/g dried onion skin at PEF conditions of 2.5 kV/cm for 15 sec, SWE 145℃ for 15 min. The total quercetin extraction efficiency was increased by 33.22% for PEF treatment. The results can be attributed to the increase of onion skin membrane permeabilization by PEF pretreatment. The results of the study showed that PEF pretreatment has potential for improving the flavonoid extraction from the onion skin. In summary, this study confirmed that PEF treatment is used as a pretreatment technique to enhance the SWE of quercetin.