[논문 리뷰] 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 Najafpour외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 13.

Garlic and Onion Studies참고 문헌 45인용 수 15

한 줄 요약

이 연구에서는 적색 양파 껍질 폐기물에서 플라보노이드와 퀘르세틴의 수확량을 극대화하기 위해 순차적 마이크로파-초음파 보조 추출 방법을 최적화하였다. 반응 표면 방법론을 사용하여 최적 조건을 도출한 결과, 70 °C에서 60초 마이크로파 조사 후 15분간 초음파 처리를 실시하고, 70% 에탄올을 사용한(용매 대 고형물 비율 30 mL/g) 조건에서 예측값과 유사한 결과를 얻었으며, 단일 방법 추출보다 뛰어난 성능을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 적색 양파 껍질 폐기물에서 퀘르세틴과 총 플라보노이드의 수확량을 극대화하기 위해 순차적 마이크로파-초음파 보조 추출 공정을 개발하고 최적화하는 것.
• 반응 표면 방법론을 사용하여 추출 수확량에 영향을 미치는 주요 운영 매개변수를 규명하는 것.
• 순차적 방법이 단일 모드 마이크로파 또는 초음파 추출과 비교하여 성능 면에서 어떻게 다를지 평가하는 것.
• 예측 모델의 정확성과 식품 가공 응용 분야에서의 산업적 확장 가능성에 대한 검증을 수행하는 것.

제안 방법

• 반응 표면 방법론(박스-베인켄 설계)을 사용하여 마이크로파 시간, 초음파 시간, 온도, 에탄올 농도, 용매 대 고형물 비율의 다섯 가지 독립 변수를 평가하였다.
• 추출은 순차적 두 단계 과정으로 수행되었으며, 먼저 마이크로파 조사(60초), 그 다음 초음파 처리(15분)를 실시하였다.
• 퀘르세틴과 총 플라보노이드 수확량을 극대화하기 위해 통계 모델링과 선호도 함수 접근법을 사용하여 최적 조건을 도출하였다.
• 70% 에탄올을 70 °C에서 사용하고, 용매 대 고형물 비율을 30 mL/g로 설정하여 추출을 수행하였다.
• 수확량은 자외선-가시광선 분광법을 사용하여 정량하고, 예측값과의 일치성을 검증하였다.
• 실험 결과와 예측값을 비교하여 모델의 예측 정확도를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색 양파 껍질 폐기물에서 퀘르세틴 수확량을 극대화하기 위해 순차적 마이크로파-초음파 보조 추출의 최적 조건은 무엇인가?
• RQ2 마이크로파 시간, 초음파 시간, 온도, 에탄올 농도, 또는 용매 대 고형물 비율 중에서 퀘르세틴과 총 플라보노이드 수확량에 가장 크게 영향을 미치는 추출 매개변수는 무엇인가?
• RQ3 순차적 마이크로파-초음파 방법은 단일 모드 마이크로파 또는 초음파 추출에 비해 효율성이 어떻게 뛰어나게 되는가?
• RQ4 반응 표면 모델에서 예측된 수확량과 실험 결과 간의 일치 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 최적화된 모델은 식품 가공 산업 분야에서 신뢰성 있게 확장 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 퀘르세틴의 최대 실험 수확률은 10.32%였으며, 예측값 10.05%와 매우 유사하였다.
• 총 플라보노이드의 최대 실험 수확률은 12.52%였으며, 예측값 12.72%보다 略적으로 낮았지만 여전히 높은 정확도를 보였다.
• 초음파 온도는 추출 수확량 향상에 가장 중요한 영향을 미치는 요소로 규명되었다.
• 순차적 마이크로파-초음파 방법은 단일 모드 방법보다 뛰어난 성능을 보였으며, 마이크로파 전용 시스템은 7.66%의 퀘르세틴과 10.18%의 총 플라보노이드를, 초음파 전용 시스템은 5.03%와 7.91%를 각각 수확하였다.
• 검증된 모델는 높은 신뢰성을 보였으며, 식품 응용 분야에서 추출 공정의 확장에 활용 가능함을 시사하였다.
• 용매 대 고형물 비율 30 mL/g, 70% 에탄올, 70 °C의 온도가 최적 수확량에 기여하는 핵심 요소로 확인되었다.