양파 껍질로부터 아임계수 추출물의 페놀화합물 조성 및 항산화 활성

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양파 껍질로부터 아임계수 추출물의 페놀화합물 조성 및 항산화 활성

김동신․임상빈 제주대학교 식품생명공학과

Composition of Phenolic Compounds and Antioxidant Activities of Subcritical Water Extracts of Onion Skin

Dong-Shin Kim and Sang-Bin Lim

Department of Food Bioengineering, Jeju National University

ABSTRACT Onion skin was extracted using subcritical water at different temperature (100∼150°C) and time (5∼20 min), and content of individual phenolic compounds as well as total phenolic content (TPC), total flavonoid content (TFC), 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) radical scavenging activity, and ferric reducing antioxidant power (FRAP) were measured. Effect of CO2 addition to subcritical water was also measured. The sum of individual phenolic compounds at 120°C/10 min reached a maximum of 21.64 mg/g dry sample, which was 1.92 times higher than that of 80% ethanol extract. The contents of quercetin-3,4’-glucoside, quercetin-4’-glucoside, and quercetin reached maximum values at 120°C/10 min of 0.52, 3.39, and 8.87 mg/g dry sample, respectively and the content of quercetin was 1.59 times higher than that of 80% ethanol extract. Contents of protocatechuic acid, quercetin-3,4’-glucoside, quercetin-4’-glucoside, and quercetin increased by 1.58, 1.82, 2.38, and 2.89 times, respectively. The yield of protocatechuic acid was the lowest and yield of quercetin was the highest upon addition of 65 bar CO2 to subcritical water at 110°C/5 min. Therefore, it was possible to prevent quercetin destruction at high temperature by addition of CO2. TPC, TFC, DPPH radical scavenging activity, and FRAP reached maximum values of 62.4 mg gallic acid equivalents/g, 34.8 quercetin equivalents mg/g, 43.9 mg ascorbic acid equivalents/g, and 80.2 mmol Fe²⁺/100 g at 120°C/10 min, respectively, and increased by 3.17, 2.97, 2.48, and 2.54 times, respectively, upon addition of 65 bar CO2 to subcritical water at 110°C/5 min. The color values such as L, a, and b decreased upon increasing extraction temperature and time as well as addition of CO2. These results indicate that subcritical water extraction might be useful for extraction of individual phenolic compounds with high antioxidant activities in onion skins, and destruction of quercetin could be prevented at high temperature by addition of CO2 by decreasing extraction temperature and time.

Key words: onion skin, subcritical water, phenolic compounds, CO2, antioxidant activity

Received 1 February 2018; Accepted 6 March 2018

Corresponding author: Sang-Bin Lim, Department of Food Bioen- gineering, Jeju National University, Jeju 63243, Korea E-mail: [email protected], Phone: +82-64-754-3617

서 론

양파(Allium cepa L.)는 백합과에 속하는 다년생 식물로 서, 다량 함유된 페놀화합물로 인하여 항산화, 항암, 항고혈 압, 혈액 지질 개선, 항염증 등 여러 생리활성이 보고되어 있다(1-3). 양파 내 주요 페놀화합물은 quercetin과 quercetin 배당체로 quercetin 배당체가 전체 페놀화합물 중 약 85%를 차지하며, 특히 비가식부인 양파 껍질의 quercetin 함량은 208.82 mg%로 가식부인 양파 과육의 2.26 mg%에 비하여 92배 이상을 함유하고 있다(4).

양파 껍질에서의 페놀화합물은 free form, esterified form, 그리고 비수용성 섬유질, 다당류, lignin 등과 결합한 불용성 bound form이 각각 44.2%, 20.9%, 34.9%의 비율

로 존재하는데(5,6), 이러한 형태의 페놀화합물을 분석할 경 우에는 주로 산 또는 알칼리 용액으로 가수분해한 후 메탄올 과 같은 유기용매로 추출한다. 그러나 양파를 이용한 가공식 품의 개발이 주목적인 경우에는 이러한 추출 및 가수분해 방법은 사용 용매의 독성으로 인하여 사용할 수가 없다. 이 러한 단점을 극복하기 위해 최근에는 친환경 공법으로 아임 계수를 이용한 배당체의 가수분해 및 비극성 물질의 추출에 대한 연구가 많이 수행되고 있다.

아임계수(subcritical water)는 pressurized hot water 또는 superheated water라고도 불리며, 물의 끓는점(100

°C)과 임계점(374°C) 사이에서 액체 상태를 유지하는 뜨거 운 물을 말한다. 물은 100°C 이하에서는 분자 사이에 매우 강한 수소결합으로 융점과 비점이 높으며 물질의 전기적 특 성을 나타내는 유전상수(dielectric constant, ε)가 높기 때 문에(>80) 주로 극성 화합물의 추출에 이용된다. 그러나 물 의 온도가 증가하면 유전상수가 낮아져 200°C에서는 34.5 로 유기용매인 메탄올(33) 또는 에탄올(27)과 유사한 값을

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Fig. 1. Schematic diagram of the subcritical water extraction system. BH: band heater, CB: cooling bath, CO2 TK: CO2 tank, CV: check valve, F: in-line filter, HPP: high pressure pump, N2

TK: nitrogen gas tank, P: pressure gauge, RV: reaction vessel, SV: safety valve, T: temperature indicator, TC: temperature con- troller, V: on/off valve.

가지게 되어 페놀화합물과 같은 비극성 물질을 추출하는 데 효과적으로 이용될 수 있다(7,8). 양파 껍질에 다량 함유된 quercetin의 물에 대한 용해도는 25.6°C에서 2.15 mg/L에 불과하지만 100.2°C, 122.5°C, 142.7°C에서는 각각 66, 253, 666 mg/L로 25.6°C에 비해 각각 30, 117, 309배가 높다(9). 따라서 고온의 아임계수를 이용하여 양파 껍질을 추출하면 quercetin의 추출수율을 증가시킬 수 있을 것이 다. 또한, 물은 100°C 이하에서는 강한 수소결합으로 인하 여 [H3O⁺][OH^-] 형태로 이온화되지만, 온도가 높아지면 열 에너지에 의해 수소결합이 파괴되어 [H⁺][OH⁻] 형태로 이 온화되어 수소이온이 생성되므로 pH가 낮아지게 된다(7,8).

따라서 아임계수를 이용하면 산에 의한 가수분해와 유사한 효과를 얻을 수 있으므로 quercetin 배당체 또는 불용성 bound form을 가수분해하여 비배당체인 quercetin을 생성 할 수 있을 것으로 기대된다.

지금까지 양파 껍질로부터 아임계수를 이용하여 페놀화 합물을 추출한 예로, Ko 등(10)은 아임계수를 이용하여 100

~190°C에서 10분과 15분 동안 양파 껍질을 추출하여 quer- cetin의 최적 추출조건이 165°C/10분이라고 하였고, Salak 등(11)은 아임계수를 이용하여 갈색양파 껍질을 100~320

°C에서 5분 동안 추출하여 quercetin의 최적 추출조건이 140°C/5분이라고 하였으며, Lekar 등(12)은 적색양파 껍 질로부터 quercetin을 120~250°C에서 60분 동안 추출하 여 최적 추출조건이 120°C/60분이라고 보고하였다. 그러나 이들 연구에 의하면 양파 껍질로부터 quercetin의 최적 추 출온도와 시간은 연구마다 달랐고 추출온도가 너무 높거나 추출시간이 너무 길었으며, 모두 quercetin만의 추출에 관 한 것으로 양파에 다량 함유된 quercetin 배당체의 추출 및 가수분해에 대한 연구는 수행되지 않았다. 또한, quercetin 은 고온에서는 열분해 되어 항산화 활성이 2.1~3.9배 낮은 protocatechuic acid 등과 같은 저분자 물질로 전환되는데 (13,14), quercetin의 추출을 극대화하면서 protocatechuic acid로의 전환을 최소화하기 위해서는 아임계수의 처리온 도와 시간을 낮추는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 아임계 수에 이산화탄소를 첨가하여 아임계수의 pH를 보다 낮추어 가수분해를 촉진하는 방법을 시도할 필요가 있다. 아임계수 에 이산화탄소를 가하면 탄산이 형성된 후 해리되어 수소이 온을 유리시킴으로써 아임계수의 pH가 더욱 낮아지게 되므 로 아임계수의 가수분해능을 더욱 증가시킬 수 있다(14-16).

따라서 본 연구에서는 아임계수의 온도와 시간을 달리하 여 양파 껍질로부터 quercetin을 비롯한 quercetin 배당체 의 최적 추출조건을 설정하였고, 아임계수에 이산화탄소를 가하여 아임계수의 온도와 시간에 따른 페놀화합물의 변화 양상과 항산화 활성 등 추출물의 특성을 측정하였다.

재료 및 방법 재료

양파는 시중 마트에서 구입하여 세척한 후 껍질과 과육을 분리하여 동결건조 한 다음 -10+30 mesh 크기로 분쇄하여 냉동 보관하면서 시료로 사용하였다.

유기용매에 의한 양파 껍질과 과육 중의 페놀화합물 추출 유기용매 추출은 동결건조 양파 껍질 0.5 g 또는 양파 과 육 1 g을 취하여 80% 에탄올 40 mL를 가한 후 1시간 동안 항온수조(60°C)에서 교반 추출(120 rpm)하였고 원심분리 (10,000 rpm, 10분) 한 후 상층액을 회수하였다. 이 과정을 3회 반복 시행하여 상층액을 모은 후 여과(Toyo No. 5A, Advantec Toyo Kaisha, Ltd., Tokyo, Japan)하였고, 회전 감압증발농축기(Rotavapor R-124, Büchi Labortechnik AG, Flawil, Switzerland)로 용매를 제거한 후 잔류물을 80% 에탄올로 30 mL 정용하여 분석에 사용하였다.

아임계수에 의한 양파 껍질 중의 페놀화합물 추출 아임계수 추출은 실험실에서 자체 제작한 아임계수 추출 장치(Fig. 1)를 이용하여 추출하였다. 동결건조 양파 껍질 2 g을 증류수 100 mL에 분산시켜 300 mL 추출조(Auto- clave Engineers, Erie, PA, USA)에 가하여 뚜껑을 닫은 후 질소를 통과시켜 시료 용액 중의 용존산소를 제거하였다.

CO₂를 첨가하는 경우에는 상온에서 액체 CO₂를 추출조에 65 bar 되게 주입하였다. 밴드히터를 이용하여 추출조를 원 하는 온도로 가열한 후 일정 시간 동안 추출하였고 추출이 끝나면 추출조를 급히 수돗물에 담가 상온으로 냉각하였으 며, 추출조의 뚜껑을 개봉한 뒤 추출조 아래의 밸브를 열어 추출물을 회수하였고 100 mL로 정용한 후 여과하여(Toyo No. 5A) 성분 분석에 사용하였다.

먼저 추출온도를 100~150°C로 달리하여 추출시간 5분 동안 추출하여 추출온도를 최적화하였고, 그다음으로 추출 온도 120°C에서 추출시간을 5, 10, 15, 20분으로 달리하여

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추출시간을 최적화하였다. 또한, 고온에서 quercetin의 파 괴 방지 효과를 알아보기 위하여 CO₂를 상온에서 65 bar 되게 증류수에 가하여 110°C와 120°C에서 5분과 10분 동 안 추출하였는데, 추출이 진행되는 동안 추출조의 압력은 110°C에서는 190 bar, 120°C에서는 210 bar를 유지하였 다.

HPLC에 의한 개별 페놀화합물의 분석

추출물의 개별 페놀화합물 함량은 HPLC(Alliance 2965, Waters Corp., Milford, MA, USA)를 이용하여 분석하였다.

추출물은 메탄올로 적당한 농도로 희석한 후 syringe filter(0.45 μm)로 여과하여 분석용 시료로 사용하였다. 피크 의 분리는 Inertsil ODS-3V column(5 μm, 4.6×250 mm, GL Science, Tokyo, Japan)을 이용하였고, column 온도는 30°C, 유속은 1.0 mL/min, 시료 주입량은 10 μL였다. 이동 상으로는 0.5% formic acid 수용액(solvent A)과 acetoni- trile(solvent B)을 사용하였고, 피크 분리를 위한 용매 구배 는 0 min, 15% B; 15 min, 30% B; 30 min, 35% B; 32 min, 70% B; 35 min, 15% B였다. 분리된 피크는 PDA 검출 기(Waters 2998)를 이용하여 검출하였고, 분석파장은 280 과 360 nm였다. 개별 페놀화합물의 정성 및 정량은 표준품 으로 quercetin과 protocatechuic acid는 Sigma-Aldrich Co.(St. Louis, MO, USA) 제품을, quercetin 3,4’-diglu- coside와 quercetin 4’-glucoside는 Polyphenols Labor- atories AS(Sandnes, Norway) 제품에 의한 검량선을 이용 하였다.

총페놀과 총플라보노이드 함량의 분석

추출물의 총페놀 함량은 Yi 등(17)의 방법으로 측정하였 다. 증류수로 적당한 농도로 희석한 추출물 100 μL에 증류 수 900 μL와 Folin-Ciocalteu’s phenol reagent(Sigma- Aldrich Co.) 100 μL를 가하여 혼합한 후 5분간 상온에서 반응시켰다. 그 후 20% Na₂CO₃ 300 μL를 가하여 혼합한 다음 증류수를 가하여 2 mL로 정용하였다. 이 용액을 25°C 에서 1시간 동안 반응시킨 후 760 nm에서 흡광도를 측정하 였고, gallic acid(Sigma-Aldrich Co.)를 이용한 검량선과 비교하여 mg gallic acid equivalents(GAE)/g dry sample 로 총페놀 함량을 나타내었다.

총플라보노이드의 함량은 Yi 등(17)의 방법으로 측정하 였다. 메탄올로 적당 농도로 희석한 추출물 200 μL에 에탄 올 800 μL와 5% NaNO2 60 μL를 가하여 균질하게 혼합한 후 5분간 실온에서 반응시켰다. 이 용액에 10% AlCl3를 60 μL 가하여 실온에서 다시 5분간 반응시킨 후 1 M NaOH 용액 을 400 μL 가하여 1분간 실온에서 반응시켰다. 그 뒤 증류수 500 μL를 가하여 균질화한 후 415 nm에서 흡광도를 측정 하였다. 표준물질로는 quercetin(Sigma-Aldrich Co.)을 이 용하여 검량선을 작성하였고, 총플라보노이드 함량은 mg quercetin equivalents(QE)/g dry sample로 나타내었다.

항산화 활성 측정

2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl(DPPH) 자유라디칼 소 거 활성은 Kamiloglu 등(18)의 방법으로 측정하였다. 메탄 올로 적당 농도로 희석한 추출물 0.1 mL에 0.2 mM DPPH 용액(Sigma-Aldrich Co.) 2.0 mL를 가하여 30분간 반응시 킨 후 517 nm에서 흡광도를 측정하였다. 표준물질로는 ascorbic acid(Junsei Chemical Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 이용하여 검량선을 작성하였고, DPPH 자유라디칼 소거 활 성은 mg ascorbic acid equivalents(AAE)/g dry sample 로 나타내었다.

Ferric reducing antioxidant power(FRAP)는 Thaipong 등(19)의 방법으로 측정하였다. FRAP 용액은 20 mM FeCl3

･6H2O 용액, 300 mM acetate buffer, 10 mM 2,4,6-tri- pyridyl-s-triazine(TPTZ) 용액(in 40 mM HCl)(Santa Cruz Biotechnology, Inc., Santa Cruz, CA, USA)을 1:1:

10(v/v)으로 혼합하여 제조하였다. 메탄올로 적당 농도로 희석한 추출물 0.1 mL에 FRAP 용액 3 mL와 증류수를 0.3 mL 가하여 30분간 37°C에서 반응시킨 후 595 nm에서 흡 광도를 측정하였다. 표준물질로는 FeSO₄･7H₂O(Wako Pure Chemicals Industries, Ltd., Osaka, Japan)를 이용하여 검 량선을 작성하였고, FRAP는 mmol Fe²⁺/100 g dry sam- ple로 나타내었다.

색차 측정 방법

색차(L, a, b)는 color spectrophotometer(UltraScan VIS, Hunter Associates Lab., Inc., Reston, VA, USA)를 이용하여 측정하였으며, 총색차(∆E)는 다음 식에 의하여 산 출하였다.

∆



^_ ^ _ ^ _ ^

통계처리

실험결과는 3회 반복 측정한 후 평균±표준편차로 나타내 었으며, 통계처리는 SPSS software(ver. 18.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 이용하여 Duncan 다중회귀분석을 하 였고, 유의수준은 P<0.05였다.

결과 및 고찰

동결건조 양파 중의 페놀화합물 함량

동결건조 양파 껍질과 과육을 80% 에탄올로 60°C에서 3회 추출하여 페놀화합물의 조성을 분석한 결과는 Table 1과 같았다. 양파 껍질에는 protocatechuic acid가 1.398 mg/g dry sample(12.4%), quercetin-3,4’-diglucoside가 0.812 mg/g dry sample(7.2%), quercetin-4’-glucoside 가 3.453 mg/g dry sample(30.8%), quercetin이 5.566 mg/g dry sample(49.6%) 함유되어 있었으며, quercetin이 전체 페놀화합물 중 거의 절반을 차지하였다. 양파 과육에는 quercetin-3,4’-diglucoside가 2.898 mg/g dry sample

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Table 1. Content of phenolic compounds in 80% ethanol extract of onion skin and flesh

Phenolic compound Onion skin (mg/g dry

sample)

Onion flesh (mg/g dry

sample) Protocatechuic acid

Quercetin-3,4’-diglucoside Quercetin-4’-glucoside Quercetin

Total

1.398±0.059¹⁾ 0.812±0.039 3.453±0.048 5.566±0.117 11.229±0.254

－ 2.898±0.101 1.760±0.041 0.045±0.001 4.703±0.141

1)Data are expressed as the mean±standard deviation (n=3).

(61.6%), quercetin-4’-glucoside가 1.760 mg/g dry sample(37.4%), quercetin이 0.045 mg/g dry sample(1.0%) 로 quercetin-3,4’-diglucoside가 다량 함유되어 있었으며 quercetin은 소량 함유되어 있었다.

Protocatechuic acid는 양파 껍질에서만 검출되었는데, Ng 등(20)은 protocatechuic acid는 양파 가장 바깥 껍질 (papery scales)에만 다량 함유되어 있으며 양파잿빛썩음 병(smudge와 neck rot diseases)을 방지하는 기능을 한다 고 보고하였다. Wiczkowski 등(21)은 건조한 양파(Blon- ska 종) 껍질을 80% 메탄올로 추출하여 분석한 결과 quercetin-3,4’-diglucoside가 6.1%, quercetin-4’-glucoside 는 40.5%, quercetin-3-glucoside는 0.2%, quercetin은 53.2%가 함유되어 있었다고 보고하였는데, 본 연구 결과와 유사한 경향을 나타내었다.

추출온도에 따른 양파 껍질 아임계수 추출물의 개별 페놀화 합물 함량

동결건조 양파 껍질을 아임계수 추출장치에서 추출온도 를 100~150°C로 달리하여 5분간 추출한 후 추출물 중의 페놀화합물의 함량을 측정하였다(Fig. 2). 전체 페놀화합물, 즉 개별 페놀화합물의 합은 추출온도 100°C에서 130°C까 지는 추출온도의 증가에 따라 증가하였고 130°C에서는 15.00 mg/g dry sample로 100°C에 비해 3.13배 높았다.

개별 페놀화합물의 함량 변화를 보면 protocatechuic acid 는 추출온도의 증가에 따라 계속 증가하여 150°C에서 9.69 mg/g dry sample로 가장 높았다. Quercetin-3,4’-diglu- coside의 함량은 120°C에서 0.41 mg/g dry sample로 가 장 높았고, quercetin-4’-glucoside의 함량은 120°C와 130

°C에서 각각 2.35와 2.24 mg/g dry sample로 가장 높았다.

Quercetin의 함량은 130°C에서 5.56 mg/g dry sample로 가장 높았으며 100°C에 비해 3.19배 높았다.

Quercetin과 그 배당체의 최적 추출온도를 살펴보면 quer- cetin이 가장 높았고, 그다음이 quercetin-4’-glucoside, quercetin-3,4’-diglucoside 순이었다. Rohn 등(22)은 볶 음 조건에서 quercetin이 quercetin glucoside(quercetin- 4’-glucoside, quercetin-3,4’-diglucoside, isoquercitrin, quercitrin, rutin)보다 열에 안정하다고 보고하였으며, Ko 등(23)도 아임계수 추출 시 flavonoid aglycone이 glyco-

side보다 열 안정성이 높아 최적 추출온도가 높았다고 보고 하여 본 연구 결과와 일치하는 경향을 나타내었다.

Salak 등(11)은 아임계수를 이용하여 갈색양파 껍질을 100~320°C에서 5분 동안 추출하였는데, quercetin의 수율 은 100°C에 비하여 140°C에서 약 1.5배 증가하였다고 보고 하였다. 특히 protocatechuic acid의 함량은 추출온도의 증 가에 따라 계속 증가하였는데, 이는 고온에서 quercetin 일 부가 protocatechuic acid로 전환된 것으로 추정되었다.

Ravber 등(14)은 아임계수로 rutin을 가수분해하여 quer- cetin을 생성하였는데, 생성된 quercetin 중 일부는 protocatechuic acid로 분해되었다고 보고하였다.

추출시간에 따른 양파 껍질 아임계수 추출물의 개별 페놀화 합물 함량

동결건조 양파 껍질을 아임계수 추출장치에서 추출온도 110~130°C에서 추출시간을 5~20분으로 달리하여 추출한 후 추출물 중의 페놀화합물의 함량을 측정하였다(Fig. 3).

추출온도 110°C에서 전체 페놀화합물의 함량은 추출시간 15분에서 20.38 mg/g dry sample로 가장 높았다. Proto- catechuic acid의 함량은 추출시간의 증가에 따라 계속 증가 하였고, quercetin-3,4’-diglucoside, quercetin-4’-glucoside, quercetin의 함량은 추출시간 15분에서 각각 0.56, 3.38, 8.37 mg/g dry sample로 가장 높았다. 추출온도 120

°C에서의 전체 페놀화합물의 함량은 추출시간 10분에서 21.64 mg/g dry sample로 가장 높았다. Protocatechuic acid는 추출시간 10분 이상에서는 동일한 함량을 나타내었 으며, quercetin-3,4’-diglucoside, quercetin-4’-glucoside, quercetin의 함량은 추출시간 10분에서 각각 0.52, 3.39, 8.87 mg/g dry sample로 가장 높게 나타났다. 추출온 도 130°C에서는 추출시간의 증가에 따라 protocatechuic acid를 제외한 모든 페놀화합물의 함량은 감소하였다.

Lekar 등(12)은 아임계수를 이용하여 적색양파 껍질로부 터 quercetin을 120~250°C에서 60분 동안 추출하여 최적 추출조건이 120°C/60분이라고 하였고, Salak 등(11)은 아 임계수를 이용하여 갈색양파 껍질로부터 quercetin을 100

~320°C에서 5분 동안 추출하여 최적 추출조건이 140°C/5 분이라고 보고하였는데, 추출시간을 달리한 연구는 수행하 지 않아서 본 연구의 최적 추출조건(120°C/10분)과 비교하 기는 어려웠다. 한편 Ko 등(10)은 아임계수를 이용하여 100

~190°C에서 10분과 15분 동안 양파 껍질로부터 quercetin 을 추출하여 최적 추출조건이 165°C/10분이라고 보고하여 본 연구의 최적 온도보다 45°C 높았으며, 이는 양파 껍질 시 료의 matrix 차이 또는 원 시료 중에 함유된 quercetin 함량 의 차이 또는 추출 시 시료와 추출용매의 비율 차이에 기인 하는 것으로 추정되었으나 이를 설명하기에는 한계가 있는 것 같다.

아임계수 최적 추출물(120°C/10분)(Fig. 3)과 80% 에탄 올 추출물(Table 1)의 페놀화합물 함량을 비교하여 보면 전

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Protocatechuic acid

a

b b c

d e

0 2 4 6 8 10 12

100 110 120 130 140 150

Extraction temperature (^oC)

Content (mg/g dry sample) .

Quercetin-3,4'-diglucoside

c b a b

c

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

100 110 120 130 140 150

Quercetin-4'-glucoside

e b a a

c

d

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

100 110 120 130 140 150

Quercetin

f c b a

d

e

0 1 2 3 4 5 6 7

100 110 120 130 140 150

Total

c b a b

d

e

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

100 110 120 130 140 150

Fig. 2. Content of phenolic compounds in subcritical water ex- tracts from freeze-dried onion skin at different temperatures for 5 min. Data are expressed as the mean±standard deviation (n=3).

Means in each bar followed by the same letter are not signifi- cantly different by Duncan’s multiple range test at P<0.05.

체 페놀화합물의 함량은 아임계수 추출물(21.64 mg/g dry sample)이 80% 에탄올 추출물(11.23 mg/g dry sample)보 다 1.92배, quercetin의 함량은 아임계수 추출물(8.87 mg/

g dry sample)이 80% 에탄올 추출물(5.57 mg/g dry sample)보다 1.59배 높았는데, 이로부터 아임계수로 양파 껍질 을 120°C에서 단지 10분만 추출하여도 유기용매(80% 에탄 올)로 60분 동안 3회 추출한 것보다 더 높은 추출수율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 다만 protocatechuic acid의 함량은 아임계수 추출물이 80% 에탄올 추출물보다 6.33배 높았는데 이는 아임계수 처리 시 quercetin의 상당 부분이 열분해 되어 protocatechuic acid로 전환되었기 때문이었 다(14). 따라서 고온에서 quercetin이 기능성이 낮은 protocatechuic acid로의 전환을 방지하기 위해서는 처리온도 를 낮추거나 처리시간을 단축하는 공정이 요구되었다.

이산화탄소 첨가에 따른 아임계수 추출물의 페놀화합물 함량 고온에 의한 quercetin의 protocatechuic acid로의 전환 방지, 그리고 아임계수에 의한 결합형 페놀화합물의 가수분 해를 촉진하기 위해 CO2를 상온에서 65 bar 되게 시료 용액 에 가하여 110°C와 120°C에서 5분과 10분 동안 양파 껍질 을 처리한 추출물의 페놀화합물 함량을 측정하였다(Table 2). 전체 페놀화합물의 함량을 보면, 110°C/5분에서 65 bar 의 CO₂를 첨가하였을 때는 18.43 mg/g dry sample로 CO₂ 를 첨가하지 않았을 때의 8.26 mg/g dry sample보다 2.23 배 높았다. 110°C/10분과 120°C/5분에서도 65 bar의 CO2

를 첨가하였을 때는 CO2를 첨가하지 않았을 때보다 전체 페놀화합물의 함량이 각각 1.39배와 1.51배 높았다. 이는 아임계수에 CO₂의 첨가로 pH가 낮아져 결합형 페놀화합물 의 가수분해 효과와 낮은 pH에서 더 많은 페놀화합물의 용 출에 기인한 것으로 추정되었다. Ruen-ngam 등(15)은 아

(6)

Protocatechuic acid

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 5 10 15 20 25

Extraction time (min)

110℃

120℃

130℃

Quercetin-3.4'-diglucoside

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0 5 10 15 20 25

110℃

120℃

130℃

Quercetin-4'-glucoside

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

0 5 10 15 20 25

110℃

120℃

130℃

Quercetin

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 5 10 15 20 25

110℃

120℃

130℃

Total

0 5 10 15 20 25

110℃

120℃

130℃

Fig. 3. Content of phenolic compounds in subcritical water ex- tracts from freeze-dried onion skin with different extraction times at 110, 120, and 130°C. Data are expressed as the mean±standard deviation (n=3).

Table 2. Content of phenolic compounds in subcritical water extracts from freeze-dried onion skin with carbon dioxide (65 bar) at 110°C and 120°C for 5 and 10 min

Temperature (°C)/

time (min)/ pressure (bar)

Content of phenolic compounds (mg/g dry sample) Protocatechuic

acid Quercetin-3,4’-

diglucoside Quercetin-4’-

glucoside Quercetin Total 110/5/0

110/5/65 110/10/0 110/10/65

120/5/0 120/5/65 120/10/0 120/10/65

3.30±0.19^c1) 5.24±0.25^b 5.62±0.29^b 6.88±0.11^a 5.30±0.19^c 6.68±0.23^b 8.86±0.48^a 6.73±0.17^b

0.34±0.03^c 0.62±0.02â 0.44±0.02^b 0.59±0.02â 0.41±0.03^c 0.61±0.02â 0.52±0.02^b 0.39±0.03^c

1.52±0.06^c 3.62±0.09â 2.46±0.13^b 3.50±0.03â 2.35±0.10^c 3.72±0.13â 3.39±0.11^b 2.41±0.06^c

3.10±0.18^c 8.96±0.31â 5.97±0.32^b 9.23±0.05â 5.12±0.21^b 9.01±0.25â 8.87±0.29â 5.53±0.23^b

8.26±0.46^d 18.43±0.66^b 14.48±0.76^c 20.20±0.19^a 13.18±0.50^d 20.01±0.60^b 21.64±0.86^a 15.07±0.47^c

1)Data are expressed as the mean±standard deviation (n=3). Means in each column followed by the same letter are not significantly different by Duncan’s multiple range test at P<0.05.

임계수에 CO2를 첨가하여 hesperidin을 가수분해하였는데, 첨가한 CO₂로 인하여 가수분해 효율이 향상되었다고 보고

하였고, Tsao(24)는 페놀화합물이 낮은 pH에서 안정하여 약산성 조건에서 페놀화합물의 추출이 더 잘 이루어진다고

(7)

a b a

c

d

e

C A A B D E

0 10 20 30 40 50

100 110 120 130 140 150

0 10 20 30 40 50 TPC

TFC

Total phenolic content (mg GAE/g) . Total flavonoid content (mg QE/g) .

ab ab b a

c d

A B B

C

D

E

0 10 20 30 40 50 60 70

100 110 120 130 140 150

DPPH (mg AAE/g) .

0 10 20 30 40 50 60 70

FRAP (mmol Fe2+/100 g) . DPPH

FRAP

Fig. 4. Total phenolic content (TPC), total flavonoid content (TFC), and antioxidant activities (DPPH and FRAP) of subcritical water extracts from onion skin at different temperatures for 5 min. Data are expressed as the mean±standard deviation (n=3). Means in each bar followed by the same letter are not significantly different by Duncan’s multiple range test at P<0.05.

보고하였다.

개별 페놀화합물 함량을 보면, 110°C/5분에서 protocatechuic acid, quercetin-3,4’-diglucoside, quercetin- 4’-glucoside, quercetin의 함량은 65 bar의 CO2를 첨가하 였을 때는 CO2를 첨가하지 않았을 때보다 각각 1.58, 1.82, 2.38, 2.89배 증가하였다. 110°C/10분과 120°C/5분에서도 65 bar의 CO₂를 첨가하였을 때는 CO₂를 첨가하지 않았을 때보다 개별 페놀화합물의 함량이 각각 1.22~1.54배와 1.26

~1.75배 높았다. 특히 110°C/5분에서의 CO2 첨가에 의한 페놀화합물 함량의 증가율은 다른 추출온도와 추출시간보 다 높았다. 개별 페놀화합물별 증가율은 protocatechuic acid가 가장 낮았고 quercetin이 가장 높았는데 이는 CO₂ 첨가에 의한 quercetin의 파괴 방지 효과와 더불어 CO₂첨 가로 추출온도가 낮아졌고 추출시간이 줄어들었기 때문에 quercetin의 파괴가 감소하였고, 그에 따라 protocatechuic acid의 생성이 줄었기 때문이었다. Ravber 등(14)은 아임계 수로 rutin을 quercetin으로 가수분해할 시 CO₂압력이 증 가할수록 quercetin의 파괴율이 감소하였다고 보고하였다.

한편 120°C/10분에서 CO₂를 첨가하였을 때는 CO₂를 첨 가하지 않았을 때보다 모든 페놀화합물의 함량이 감소하였 다. 그 이유는 CO2를 첨가하지 않아도 120°C/10분에서 이 미 추출이 대부분 이루어졌으며 CO2를 첨가하였을 때는 이 미 생성된 페놀화합물이 CO₂에 의해 약산의 조건에서 분해 가 더 이루어진 것으로 추정되었다. Baig 등(16)은 쌀겨를 가수분해하여 지질과 탄수화물의 생성 시 가수분해 효과가 150°C와 180°C에서는 높았으나 200°C에서는 없었는데, 이는 높은 온도에서는 CO2 첨가에 따른 pH 저하 효과가 높지 않았기 때문이었다고 보고하였다.

추출온도에 따른 아임계수 추출물의 총페놀 함량(TPC), 총 플라보노이드 함량(TFC), 항산화 활성(DPPH, FRAP)

동결건조 양파 껍질을 추출온도를 100~150°C로 달리하 여 5분간 추출한 후 추출물 중의 총페놀 함량, 총플라보노이 드 함량, 항산화 활성을 측정하였다(Fig. 4). TPC는 추출온

도의 증가에 따라 증가하였으며 130°C와 140°C에서 각각 37.8과 36.6 mg GAE/g dry sample로 가장 높았고 100°C 에 비하여 약 2.8배 높았다. TFC 또한 추출온도의 증가에 따라 증가하였으며 130°C와 140°C에서 각각 23.0과 22.6 mg QE/g dry sample로 가장 높았고 100°C에 비하여 약 3.1배 높았다. 개별 페놀화합물의 합은 130°C에서 가장 높 은 데 비하여 TPC와 TFC는 130°C는 물론 140°C에서도 가장 높았다.

DPPH 자유라디칼 소거 활성은 추출온도의 증가에 따라 증가하였고 130~150°C에서 26.8~27.6 mg AAE/g dry sample로 가장 높았으며 100°C에 비하여 약 2.8배 높았다.

FRAP도 추출온도의 증가에 따라 증가하였고 150°C에서 56.9 mmol Fe²⁺/100 g으로 가장 높았으며 100°C에 비하 여 3.3배 높았다. DPPH 자유라디칼 소거 활성과 FRAP는 개별 페놀화합물 함량이 가장 높았던 130°C는 물론 그 이상 의 온도에서도 높게 나타났는데, 이는 고온 생성물 또는 열 분해산물에 의한 것으로 추정되었다. Ramos 등(25)은 양파 껍질을 80°C의 물에서 12시간 가열하였을 때 quercetin의 산화생성물이 생성되었고, 이들이 quercetin보다 높은 항산 화 활성을 나타내었다고 보고하였다. Bastos 등(26)은 Mail- lard 반응이 100~250°C에서 열처리 정도에 비례하여 일어 나며 고온에서 생성된 Maillard 반응 산물이 높은 항산화 활성을 나타내었다고 보고하였다. Maillard 반응 산물은 특 정 농도 이상에서는 백내장, 당뇨병, 퇴행성질환, 죽상경화 증, 만성 신부전증 등을 유발하는 등 건강에 해로운 역할도 하는 것으로 알려져 있다(26,27).

추출시간에 따른 아임계수 추출물의 TPC, TFC, DPPH, FRAP 동결건조 양파 껍질을 추출온도를 110~130°C, 추출시간 을 5~20분으로 달리하여 추출한 후 추출물 중의 총페놀 함 량, 총플라보노이드 함량, 항산화 활성을 측정하였다(Fig.

5). 추출온도 110°C와 120°C에서의 추출시간에 따른 추출 물의 TPC와 TFC의 변화는 개별 페놀화합물의 변화 양상과 유사한 경향을 나타내었다. 추출온도 110°C에서는 추출시

(8)

0 10 20 30 40 50 60 70

0 5 10 15 20 25

Extraction time (min) Total phenolic content . (mg GAE/g) .

110℃

120℃

130℃

A

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 5 10 15 20 25

Extraction time (min) Total flavonoid content . (mg QE/g) .

110℃

120℃

130℃

B

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 5 10 15 20 25

DPPH (mg AAE/g) .

110℃

120℃

130℃

C

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 5 10 15 20 25

Extraction time (min) FRAP (mmol Fe2+ /100 g) .

110℃

120℃

130℃

D

Fig. 5. TPC (A), TFC (B), DPPH (C), and FRAP (D) of subcritical water extracts from freeze-dried onion skin with different extraction times at 110, 120, and 130°C. Data are expressed as the mean±standard deviation (n=3).

간이 증가할수록 TPC가 증가하였으며, 추출시간 15분과 20분에서 각각 56.5와 56.7 mg GAE/g dry sample로 가장 높았다. TFC 또한 추출시간 15분과 20분에서 각각 34.3과 35.3 mg QE/g dry sample로 가장 높았다. 추출온도 120°C 에서는 TPC와 TFC가 추출시간 10분에서 각각 62.4 mg GAE/g dry sample과 34.8 mg QE/g dry sample로 가장 높았으며 그 이상의 추출시간에서는 감소하였다. 추출온도 130°C에서는 추출시간 5분에서 TPC와 TFC가 각각 37.8 mg GAE/g dry sample과 23.0 mg QE/g dry sample로 가장 높았으며, 그 이상의 추출시간에서는 감소하였다.

추출시간에 따른 항산화 활성은 TPC와 TFC의 변화 양상 과 유사한 경향을 나타내었다. 추출온도 110°C에서의 DPPH 자유라디칼 소거 활성과 FRAP는 추출시간의 증가에 따라 증가하여 추출시간 15분에서 각각 41.1 mg AAE/g dry sample과 78.8 mmol Fe²⁺/100 g dry sample로 가장 높았 다. 추출온도 120°C에서의 DPPH 자유라디칼 소거 활성과 FRAP는 추출시간 10분에서 각각 43.9 mg AAE/g dry sample과 80.2 mmol Fe²⁺/100 g dry sample로 가장 높았 다. 추출온도 130°C에서의 DPPH와 FRAP는 추출시간의 증가에 따라 다소 감소하였다가 20분에서 증가하는 특이한 양상을 나타내었다.

CO2 첨가에 따른 아임계수 추출물의 TPC, TFC, DPPH, FRAP

아임계수 추출장치에서 CO2를 상온에서 65 bar 되게 증 류수에 가하여 110°C와 120°C에서 5분과 10분 동안 추출 한 추출물의 총페놀 함량, 총플라보노이드 함량 및 항산화 활성은 Table 3과 같았다. 65 bar의 CO₂를 첨가하였을 때 는 CO2를 첨가하지 않았을 때보다 TPC, TFC, DPPH 자유 라디칼 소거 활성, FRAP가 110°C/5분에서 각각 3.17, 2.97, 2.48, 2.54배 증가하였고, 110°C/10분에서는 각각 1.96, 1.78, 1.69, 1.70배 증가하였으며, 120°C/5분에서는 각각 2.18, 2.10, 1.72, 1.94배 증가하였다. CO₂ 첨가에 의한 TPC와 TFC의 증가 효과는 첨가한 CO₂에 의해 생성된 탄산 이 산 촉매로 작용하여 결합형 페놀화합물의 가수분해를 촉 진하였기 때문으로 추정되었으며, 이로 인하여 항산화 효과 (DPPH 자유라디칼 소거 활성, FRAP)도 증가하였다. Ravber 등(14)은 rutin으로부터 quercetin의 생성 시 아임계수에 CO₂를 가하면 CO₂가 용해되어 탄산이 형성되며, 그로 인해 pH가 낮아져 아임계수의 가수분해능력이 증가한다고 보고 하였다.

CO2 첨가에 의한 TPC, TFC, DPPH 자유라디칼 소거 활 성, FRAP의 증가 효과는 110°C/5분에서 가장 높았는데, 이는 110°C/5분 조건이 110°C/10분과 120°C/5분에 비해 페놀화합물이 추출 및 가수분해되는 양이 적었고 이로 인해 CO2 첨가에 의한 효과가 상대적으로 크게 나타난 것으로 추정되었다. 반면 120°C/10분에서 65 bar의 CO2 첨가 시는 CO₂를 첨가하지 않았을 때보다 TPC, TFC, DPPH 자유라

(9)

Table 3. TPC, TFC, DPPH, and FRAP of subcritical water extracts from onion skin with carbon dioxide (65 bar) at 110°C and 120°C for 5 and 10 min

Temperature (°C)/

time (min)/ pressure (bar) Total phenolic content

(mg GAE/g) Total flavonoid

content (mg QE/g) Antioxidant activity

(DPPH) (mg AAE/g) Antioxidant activity (FRAP) (mmol Fe²⁺/100 g) 110/5/0

110/5/65 110/10/0 110/10/65

120/5/0 120/5/65 120/10/0 120/10/65

21.1±0.2^f1) 67.0±1.6â 33.8±0.5^d 66.5±0.8â 30.1±1.1ê 65.9±2.2â 62.4±3.8^b 45.7±1.5^c

13.6±1.1^f 40.4±1.0â 22.4±1.4^d 40.0±0.8â 19.0±0.8ê 39.9±1.2â 34.8±0.5^b 28.3±1.0^c

17.8±0.5^d 44.2±0.6â 26.2±0.7^c 44.5±0.4â 25.7±0.4^c 44.4±1.2â 43.9±1.1â 35.3±0.3^b

31.8±1.3^f 80.9±1.2^b 49.7±1.1^d 84.5±1.3â 42.4±1.7ê 82.5±1.5âb 80.2±2.5^b 62.6±1.3^c

Table 4. Color difference of subcritical water extracts from freeze-dried onion skin with different extraction temperatures, times, and CO2 pressures

Temperature (°C)/

time (min)/ pressure (bar) L a b ΔE

100/05/0 110/05/0 110/05/65

110/10/0 110/10/65

110/15/0 110/20/0 120/05/0 120/05/65

120/10/0 120/10/65

120/15/0 120/20/0 130/05/0 130/10/0 130/15/0 130/20/0 140/05/0 150/05/0

42.29±0.24â1) 38.48±0.02^b 30.44±0.08^fg 31.78±0.06^d 30.37±0.16^g 29.07±0.05ⁱ 29.14±0.04ⁱ 32.33±0.05^c 31.37±0.03ê 31.38±0.36ê 30.70±0.13^f 29.90±0.05^h 29.88±0.10^h 30.55±0.40^fg 29.66±0.29^h 29.19±0.17ⁱ 28.02±0.11^j 29.96±0.07^h 27.05±0.02^k

7.04±0.06^j 10.29±0.01^b 6.91±0.08^jk 9.44±0.06^c 6.37±0.11^l 7.82±0.06^gh 7.70±0.05^h 10.58±0.06^a 9.11±0.14^d 9.05±0.40^de 7.64±0.04^h 7.99±0.15^g 7.34±0.14ⁱ 8.28±0.26^f 9.63±0.17^c 8.84±0.18^e 7.85±0.18^gh 8.44±0.02^f 6.75±0.09^k

20.17±0.22â 20.38±0.03â 8.37±0.07^fg 11.34±0.10^c 6.98±0.11ⁱ 6.13±0.01^j 5.78±0.05^k 12.31±0.02^b 10.37±0.09^d 9.71±0.56ê 8.26±0.11^fg 7.50±0.13^h 6.24±0.10^j 8.41±0.05^f 8.08±0.20^g 7.37±0.20^h 5.65±0.17^k 8.15±0.11^fg 4.50±0.05^l

　 5.01 16.72 13.94 17.79 19.30 19.50 13.17 14.82 15.25 16.63 17.75 18.66 16.66 17.67 18.40 20.37 17.28 21.86

디칼 소거 활성, FRAP가 모두 감소하였는데 이는 고온에서 생성된 유리형 페놀화합물이 산 촉매에 의해 분해되었기 때 문으로 추정되었다(14,15).

추출온도, 추출시간, CO2 첨가에 따른 양파 껍질 아임계수 추출물의 색차 변화

추출온도에 따른 양파 껍질 아임계수 추출물의 색차 변화 는 Table 4에 나타내었다. L값과 b값은 추출온도의 증가에 따라 감소하였으며, a값은 120°C까지는 증가하였으나 더 높은 온도에서는 감소하였다. 총색차(ΔE)는 추출온도가 증 가함에 따라 3 이상의 차이를 나타내어 뚜렷한 색의 차이를 나타내었다. 일반적으로 총색차 값(ΔE)의 차이가 3보다 크 면 차이가 큰 것이고 1.5와 3 사이는 보통이며, 1.5 이하이면 적은 것으로 간주한다(28).

추출시간에 따른 양파 껍질 아임계수 추출물의 색차 변화

는 Table 4에 나타내었다. 추출온도 110°C에서 L값, a값, b값은 모두 추출시간의 증가에 따라 감소하였고 15분 이후 에는 거의 일정하였다. 추출온도 120°C에서의 추출시간에 따른 색차 변화 양상은 110°C와 비슷하였으나, L값과 b값 은 낮았다. 추출온도 130°C에서는 L값, a값, b값 모두 추출 시간의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 모든 값이 110°C와 120°C보다 낮았다. 이러한 색의 변화는 양파 껍질 에는 당 함량이 낮기 때문에 캐러멜화에 의한 것이라기보다 는 quercetin의 산화 또는 비효소적 갈변반응인 Maillard 반응에 의한 결과로 추정된다. Timbola 등(29)은 ethanol-water 용액에 용해된 quercetin을 전기화학적인 방법 으로 산화시켰고, 산화 과정 중 갈색을 나타내는 화합물이 형성되었다고 보고하였다.

CO₂ 첨가에 따른 양파 껍질 아임계수 추출물의 색차 변화 는 Table 4에 나타내었다. 110°C/5분에서는 CO₂ 첨가 시

(10)

L값, a값, b값 모두 급격히 감소하였다. 그러나 110°C/10분 과 120°C/5, 10분에서는 CO₂ 첨가에 따라 L값, a값, b값은 감소하였으나 그 차이는 매우 작았다.

요 약

아임계수의 추출온도(100~150°C)와 시간(5~20분)을 달 리해 양파 껍질을 추출하여 개별 페놀화합물 함량과 항산화 활성을 측정하였고, 아임계수에 CO₂ 첨가에 따른 페놀화합 물의 변화 양상과 항산화 활성도 측정하였다. 120°C/10분에 서 전체 페놀화합물의 함량은 21.64 mg/g dry sample로 가 장 높았으며, 80% 에탄올 추출물보다 1.92배 높았다. Quer- cetin-3,4’-diglucoside, quercetin-4’-glucoside, quer- cetin의 함량도 각각 0.52, 3.39, 8.87 mg/g dry sample로 가장 높았으며, quercetin의 함량은 80% 에탄올 추출물보 다 1.59배 높았다. 110°C/5분에서 65 bar의 CO2를 첨가하 였을 때는 CO2를 첨가하지 않았을 때보다 protocatechuic acid, quercetin-3,4’-diglucoside, quercetin-4’-glucoside, quercetin의 함량이 각각 1.58, 1.82, 2.38, 2.89배 증 가하여 증가율은 protocatechuic acid가 가장 낮았고 quer- cetin이 가장 높아 CO2 첨가로 고온에서 quercetin의 파괴 를 방지할 수 있었다. 총페놀과 총플라보노이드 함량, DPPH 라디칼 소거능, FRAP도 120°C/10분에서 각각 62.4 mg GAE/g, 34.8 QE mg/g, 43.9 mg AAE/g, 80.2 mmol Fe²⁺/ 100 g으로 가장 높았으며, 110°C/5분에서 65 bar의 CO₂를 첨가하였을 때는 CO2를 첨가하지 않았을 때보다 각각 3.17, 2.97, 2.48, 2.54배 증가하였다. 색차(L, a, b)는 아임계수의 추출온도와 시간의 증가 그리고 CO2의 첨가에 따라 모두 감소하였다. 따라서 양파 껍질을 아임계수로 추출하면 짧은 시간 내에 높은 페놀화합물 함량과 항산화 활성을 가진 추출 물을 얻을 수 있었으며, CO₂를 첨가하면 아임계수의 추출온 도와 시간을 낮출 수 있었고 고온에서 quercetin의 파괴를 방지할 수 있었다.

감사의 글

본 논문은 중소기업청에서 지원하는 2016년도 산학연협력 기술개발사업(과제번호 C0444536)의 연구수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.

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