Development of green extraction processes for the recovery of high added value compounds from onion processing by-products and study of their biological activity

Abstract

In the present study, green solvents were developed and used as an extraction medium for the recovery of high value-added compounds (polyphenols) from onion processing by-products. As the last stage of the study was the evaluation of the biological activity of hydroalcoholic extracts of onion by-products. In the first part, aqueous solutions of cyclodextrins were prepared at various concentrations and extractions were carried out at room temperature. The extracts were determined for total polyphenols and total pigments concentration and then a kinetic study was performed to draw conclusions about the equilibrium point and which cyclodextrin has the best extractability under certain conditions. The extraction conditions of polyphenols from onion by-products were then optimized using aqueous solutions of cyclodextrins with a constant concentration. In this context, the Response Surface Methodology was applied. The factors chosen for optimization were time and temperature. The optimal extracts using cyclodextrins were compared with extracts prepared with methanol, glycerol and water. According to the results, cyclodextrins and specifically m-β-cyclodextrin (total) is a very good additive to enhance the extraction of polyphenols and pigments in aqueous solutions. In the second part, two DESs were synthesized, the first with glycerol (-H donor) and citric acid (-H acceptor) (acidic) and the second with glycerol and sodium acetate (alkaline). Extractions were performed with DESs and glycerol solvents. For the experimental design, the Response Surface Methodology (RSM) was applied. The factors chosen for optimization were time and temperature. The resulting extracts were compared with extracts prepared with the solvents ethanol (60%) and water. According to the results, the use of acidic glycerol-citric acid DES gives extracts richer in polyphenols compared to alkaline DES. The extracts produced were rich in quercetin and had increased antioxidant activity. In the third part, four acidic DESs were synthesized. The common component of all was glycerol (-H donor) while the organic acids used were citric, malic, tartaric and oxalic (-H acceptors). Extractions were performed with DESs solvents. The DES with oxalic acid had the greatest ability to hydrolyse spireoside to quercetin, which was used for further extractions. The factors studied during the extraction were the molar ratio of electron donor and acceptor, temperature and extraction time. According to the results, the molar ratio of glycerol:oxalic acid 3:1, the extraction time of 30 minutes and the temperature of 130°C were the optimal conditions for the production of extracts richer in quercetin and with greater antioxidant activity. In the fourth part, extracts were prepared with water, ethanol and their mixtures in various proportions. These extracts were studied for their antioxidant activity, their anti-inflammatory activity and their effect on various microorganisms and cancer lines. The extract produced with 75% ethanol appeared to have the greatest antioxidant activity. The same extract was shown to have the greatest anti-inflammatory effect. In addition, the various extracts appeared to have varying antimicrobial activities with some extracts having no activity at all. Regarding the cancer lines, inhibition of tumor cell growth appeared to be dose-dependent. The extracts appeared to inhibit cell migration in the cancer line studied. The expression of genes in response to oxidative stress increased while the effects of the extracts on spheroids (cancer stem cells) were varied, with the ethanolic extract showing the greatest effect.

Στην παρούσα μελέτη αναπτύχθηκαν «πράσινοι» διαλύτες, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν ως μέσο εκχύλισης για την ανάκτηση ουσιών υψηλής προστιθέμενης αξίας (πολυφαινόλες) από υποπροϊόντα επεξεργασίας κρεμμυδιών. Ως τελευταίο στάδιο της μελέτης ήταν η αξιολόγηση της βιολογικής δράσης υδραλκοολικών εκχυλισμάτων υποπροϊόντων κρεμμυδιού. Στο πρώτο μέρος παρασκευάστηκαν υδατικά διαλύματα κυκλοδεξτρινών σε διάφορες συγκεντρώσεις και πραγματοποιήθηκαν εκχυλίσεις σε θερμοκρασία δωματίου. Στα εκχυλίσματα προσδιορίστηκε η συγκέντρωση σε ολικές πολυφαινόλες και ολικές χρωστικές και στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη με σκοπό να διεξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με το σημείο ισορροπίας και ποια κυκλοδεξτρίνη έχει την καλύτερη δυνατότητα εκχύλισης κάτω από ορισμένες συνθήκες. Έπειτα έγινε βελτιστοποίηση των συνθηκών εκχύλισης πολυφαινολών από τα υποπροϊόντα κρεμμυδιού χρησιμοποιώντας υδατικά διαλύματα κυκλοδεξτρινών με σταθερή συγκέντρωση. Στο πλαίσιο αυτό εφαρμόστηκε η μέθοδος επιφανειακής απόκρισης (Response Surface Methodology). Οι παράγοντες που επιλέχθηκαν προς βελτιστοποίηση ήταν ο χρόνος και η θερμοκρασία. Τα βέλτιστα εκχυλίσματα με τη χρήση κυκλοδεξτρινών συγκρίθηκαν με εκχυλίσματα που παρασκευάστηκαν με μεθανόλη, γλυκερόλη και νερό. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, οι κυκλοδεξτρίνες και συγκεκριμένα η m-β-κυκλοδεξτρίνη (συνολικά) είναι ένα πολύ καλό πρόσθετο για την ενίσχυση της εκχύλισης πολυφαινολών και χρωστικών σε υδατικά διαλύματα. Στο δεύτερο μέρος συντέθηκαν δύο DESs, το πρώτο με γλυκερόλη (δότης -Η) και κιτρικό οξύ (δέκτης -Η) (όξινο) και το δεύτερο με γλυκερόλη και οξικό νάτριο (αλκαλικό). Πραγματοποιήθηκαν εκχυλίσεις με διαλύτες τα DESs καθώς και γλυκερόλη. Για τον πειραματικό σχεδιασμό εφαρμόστηκε η μέθοδος επιφανειακής απόκρισης (Response Surface Methodology, RSM). Οι παράγοντες που επιλέχθηκαν προς βελτιστοποίηση ήταν ο χρόνος και η θερμοκρασία. Τα εκχυλίσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με εκχυλίσματα που παρασκευάστηκαν με διαλύτες την αιθανόλη (60%) και το νερό. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η χρησιμοποίηση του όξινου DES γλυκερόλης-κιτρικού οξέος δίνει εκχυλίσματα πλουσιότερα σε πολυφαινόλες έναντι του αλκαλικού DES. Τα εκχυλίσματα που παράχθηκαν ήταν πλούσια σε κερσεντίνη και είχαν αυξημένη αντιοξειδωτική δράση.Στο τρίτο μέρος συντέθηκαν τέσσερα όξινα DESs. Το κοινό συστατικό όλων ήταν η γλυκερόλη (δότης -Η) ενώ τα οργανικά οξέα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα κιτρικό, μηλικό, τρυγικό και οξαλικό (δέκτες -Η). Πραγματοποιήθηκαν εκχυλίσεις με διαλύτες τα DESs. Τη μεγαλύτερη ικανότητα υδρόλυσης της σπιρεοσίδης σε κερσεντίνη την είχε το DES με το οξαλικό οξύ, το οποίο και χρησιμοποιήθηκε για περαιτέρω εκχυλίσεις. Οι παράγοντες που μελετήθηκαν κατά την εκχύλιση, ήταν η μοριακή αναλογία δότη και δέκτη ηλεκτρονίων, η θερμοκρασία και ο χρόνος εκχύλισης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η μοριακή αναλογία γλυκερόλης:οξαλικού οξέος 3:1, ο χρόνος εκχύλισης των 30 λεπτών και η θερμοκρασία των 130°C ήταν οι βέλτιστες συνθήκες για την παραγωγή εκχυλισμάτων πλουσιότερων σε κερσεντίνη και με μεγαλύτερη αντιοξειδωτική δράση. Στο τέταρτο μέρος παρασκευάστηκαν εκχυλίσματα με νερό, αιθανόλη και μίγματα αυτών σε διάφορες αναλογίες. Τα εκχυλίσματα αυτά μελετήθηκαν για την αντιοξειδωτική τους δράση, την αντιφλεγμονώδη τους δράση και την επίδραση τους σε διάφορους μικροοργανισμούς και καρκινικές σειρές. Τη μεγαλύτερη αντιοξειδωτική δράση φάνηκε να την παρουσιάζει το εκχύλισμα που παράχθηκε με 75% αιθανόλη. Το ίδιο εκχύλισμα παρουσιάστηκε να έχει και τη μεγαλύτερη αντιφλεγμονώδη δράση. Επιπλέον, τα διάφορα εκχυλίσματα φάνηκαν να έχουν ποικίλες αντιμικροβιακές δράσεις με κάποια εκχυλίσματα να μην έχουν καθόλου δράση. Όσον αφορά τις καρκινικές σειρές, η αναστολή της ανάπτυξης των καρκινικών κυττάρων φάνηκε να είναι δοσοεξαρτώμενη. Τα εκχυλίσματα φάνηκαν να εμποδίζουν την μετανάστευση των κυττάρων στην καρκινική σειρά που μελετήθηκε. Η έκφραση των γονιδίων ως απόκριση στο οξειδωτικό στρες αυξήθηκε ενώ ποικίλες ήταν και οι επιδράσεις των εκχυλισμάτων στα σφαιροειδή (καρκινικά βλαστικά κύτταρα), με το αιθανολικό εκχύλισμα να επιδεικνύει τη μεγαλύτερη δράση.