[論文レビュー] Optimization of Sequential Microwave-Ultrasound-Assisted Extraction for Maximum Recovery of Quercetin and Total Flavonoids from Red Onion (Allium cepa L.) Skin Wastes

Zeinab Jabbari Velisdeh, Ghasem Najafpour+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2021

Garlic and Onion Studies参考文献 45被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、赤玉ねぎの皮の廃棄物からキウルセチン（10.32%）および全フラボノイド（12.52%）を最大化するため、逐次マイクロ波・超音波支援抽出法を最適化した。応答曲面法を用いて最適条件を特定したところ、70 °Cで60秒のマイクロ波照射の後、15分間の超音波処理を実施し、70%エタノール（溶媒対固形分比30 mL/g）を用いた条件が最適であった。実験結果は予測値に近く、単一法による抽出を上回る性能を示した。

ABSTRACT

This study aimed to optimize the extraction conditions in order to maximize the recovery yields of quercetin and total flavonoids from red onion skin wastes using sequential microwave-ultrasound-assisted extraction. Five effective factors on quercetin extraction yield were investigated using response surface methodology. The method was successfully performed under optimal conditions of 60 s microwave irradiation followed by 15 min sonication at 70 °C, 70% ethanol with solvent to solid ratio of 30 mL/g. Based on the optimization results, ultrasound temperature was found to be a highly significant and influential factor for the recovery. The maximum recovery yields of quercetin and total flavonoids from red onion skin were estimated to be 10.32 and 12.52%, respectively. The predicted values for quercetin (10.05%) and total flavonoids (12.72%) were very close to the experimental results. The recovery yields obtained from different extraction methods were as follows: ultrasound-microwave-assisted extraction (7.66% quercetin and 10.18% total flavonoids), ultrasound-assisted extraction (5.36% quercetin and 8.34% total flavonoids), and microwave-assisted extraction (5.03% quercetin and 7.91 % total flavonoids). The validity of the projected model was examined by the obtained experimental data; in which, the validated model was suitable for the recovery of the valuable products from onion skin wastes for further scale-up in the food processes.

研究の動機と目的

• 赤玉ねぎの皮の廃棄物からキウルセチンおよび全フラボノイドを最大化するための、逐次マイクロ波・超音波支援抽出プロセスを開発・最適化すること。
• 応答曲面法を用いて抽出収率に最も影響を与える操作パラメータを同定すること。
• 逐次法と単一モードのマイクロ波または超音波抽出法の性能を比較すること。
• 食品加工分野への工業的スケーラビリティを考慮した予測モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 応答曲面法（ボックス＝ベーンケン設計）を用いて、5つの独立変数（マイクロ波時間、超音波時間、温度、エタノール濃度、溶媒対固形分比）の影響を評価した。
• 抽出は逐次2段階プロセスで実施した。まず60秒間のマイクロ波照射を行い、その後15分間の超音波処理を実施した。
• キウルセチンおよび全フラボノイド収率を最大化するために、統計的モデリングと望ましさ関数法を用いて最適条件を特定した。
• 70%エタノールを用い、70 °C、溶媒対固形分比30 mL/gの条件下で抽出を実施した。
• 収率はUV-Vis分光法を用いて定量し、予測値と照合して妥当性を検証した。
• 実験結果と予測値の比較により、モデルの予測精度が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤玉ねぎの皮の廃棄物からキウルセチン収率を最大化するための、逐次マイクロ波・超音波支援抽出の最適条件は何か？
• RQ2 マイクロ波時間、超音波時間、温度、エタノール濃度、または溶媒対固形分比のうち、どのパラメータがキウルセチンおよび全フラボノイド回収率に最も顕著に影響を与えるか？
• RQ3 逐次マイクロ波・超音波法は、単一モードのマイクロ波または超音波抽出法と比べてどの程度効率的か？
• RQ4 応答曲面モデルからの予測収率と実験結果の一致度はどの程度か？
• RQ5 最適化されたモデルは、食品加工分野への応用を想定したスケーリングに信頼性をもって適用可能か？

主な発見

• キウルセチンの最大実験収率は10.32%であり、予測値10.05%に非常に近い結果であった。
• 全フラボノイドの最大実験収率は12.52%であり、予測値12.72%をわずかに下回ったが、依然として高い正確性を示した。
• 超音波温度が抽出収率を向上させる上で最も顕著で影響力のある要因であると特定された。
• 逐次マイクロ波・超音波法は単一法を上回り、キウルセチン7.66%および全フラボノイド10.18%の収率を達成した。一方、マイクロ波単体では5.03%、超音波単体では5.36%のキウルセチン収率を示した。全フラボノイドでは、マイクロ波単体で7.91%、超音波単体で8.34%であった。
• 妥当性が確認されたモデルは高い信頼性を示し、食品加工分野における抽出プロセスのスケーリングに活用可能であることを示した。
• 溶媒対固形分比30 mL/g、70%エタノール、70 °Cの温度が最適収率に寄与する主な要因であった。