Scientific journal

Scientific Review. Biological science

ISSN 2500-3399

ПИ №ФС77-57454

Эфирномасличное сырье – один из видов лекарственного, пищевого и технического сырья. Источниками сырья природного происхождения являются и живые организмы. Их биологическое разнообразие включает не менее 2 миллионов видов про- и эукариот. Однако, в настоящее время, по различным оценкам, лишь около 35000-70000 видов используется человеком. Причем, основную долю составляют высшие растения. Например, среди 300 тыс. видов мировой флоры только 3000 растений применяются в народной медицине России. В то же время в Государственном реестре лекарственных средств присутствуют 37 видов эфироносов и более 230 фармацевтических препаратов на основе эфиромасличного растительного сырья с преобладанием в эфирном масле алифатических монотерпенов (4), моноциклических монотерпенов (6), бициклических монотерпенов (7), сесквитерпенов (7), трициклических сесквитерпенов (6), ароматических соединений (7) [30].

Из прокариот в ряде стран применяется биомасса цианобактерий (сине-зеленых водорослей). Спирулина плоская – объект массовой культуры широко используется в производстве биологически активных добавок к пище. Помимо антибиотиков, актиномицетобактерии продуцируют некоторые ферменты и витамины. Многие представители настоящих грамположительных бактерий используются для производства антибиотиков, ряда ферментов и т.д. Из протоктист-водорослей используются некоторые виды багрянок, из бурых водорослей – представители рода ламинария и фукус, из зеленых – хлорелла служит источником белка. Наибольшее значение среди сумчатых грибов имеют дрожжи и спорынья, среди базидиомицетов – виды рода ганодерма, стерильная форма гриба из рода феллинус – «чага» и др. Кроме того, аспергиллы и пенициллы широко используются для биотехнологического производства антибиотиков, органических кислот, витаминов и ферментов. Следует также отметить, что целый ряд лишайников используется в научной и народной медицине северных стран как бактерицидное средство [23].

Для получения ароматических продуктов типа резиноидов используются лишайники рода Evernia, например, резиноид «дубового мха. «Дубовый мох» относится к малотоннажному виду сырья. Получение резиноида в мире постоянно снижается. В частности, в России, по сравнению с концом 20 века, оно сократилось втрое. Причина этого состоит в том, что ресурсы лишайника в доступных местах быстро исчерпались. В связи с растущим спросом на этот натуральный продукт увеличивается интерес к альтернативным источникам его получения, а именно с применением биотехнологий [2-6, 8, 10, 34, 35, 79, 80].

Спектр представителей животного мира, использующихся для лечебных и парфюмерно-косметических целей, значительно уже. Это, прежде всего, губки-бадяги, кишечнополостные, пиявки (тип кольчатые черви), моллюски, иглокожие, пчелы (тип членистоногие), некоторые рыбы, змеи и млекопитающие. К немногочисленным ароматическим продуктам животного происхождения относится амбра, получаемая от различных видов кашалота; так называемая «бобровая струя» – пахучий секрет специфических желез бобра; мускус – пахучий секрет мускусной железы самца кабарги.

В связи с этим, все большее значение приобретает сырье, полученное биотехнологическим способом (путем культивирования клеток, тканей и органов). Вещества, продуцируемые растительными и животными клетками, используются в медицине, парфюмерной промышленности, растениеводстве и других отраслях. Среди них – алкалоиды, терпеноиды, гликозиды, полифенолы, полисахариды, эфирные масла, пигменты, антиканцерогены (птотецин, харрингтонин), пептиды (ингибиторы фитовирусов). В настоящее время в разных странах около ста видов растений используется в биосинтетической промышленности для получения экономически важных веществ. Среди них женьшень, раувольфия змеиная, наперстянки шерстистая и пурпурная, диоскорея дельтовидная, воробейник, беладонна, паслен дольчатый, дурман обыкновенный, ландыш майский, клещевина, агава, мак снотворный [12, 14, 37]. Так известны примеры биологически активных соединений родиолы розовой: салидрозид, розавин, родиолин, розиридол; элеутерококка: элеутерозиды; женьшеня: панаксозиды A, B, C, D, E, F; грибов шиитаке: лентинан и трутовика лакированного: карбоксиэтил-германий-сесквиоксид, ганодеровые кислоты тритерпеновой природы, бета-дельта-полиглюканы; лишайника цетрарии исландской: усниновая кислота, лихенин, цетрарин [46].

В настоящее время уже изучены более 20 тысяч видов растений на предмет фитонцидных и ароматических свойств, определены виды, активно выделяющие ароматообразующие биологически активные соединения, стимулирующие или подавляющие развитие полезных и вредных для человека микроорганизмов и т.д. Однако научно-технический прогресс стал не только причиной многих экологических проблем человечества, но и стимулом для развития целого комплекса технологий, позволяющих решать или устранять эти проблемы [15].

В связи с этим наиболее важным и перспективным направлением развития науки и практики становится современная биотехнология, в том числе и разработка бионанотехнологий в различных отраслях промышленности в России и за рубежом.

Биотехнологические источники получения эфирных масел с запахом розы и их современная сырьевая база

Биотехнологическое сырье – нетрадиционный источник ароматообразующих соединений. Специфические особенности эфирномасличных растений, их сложный и разнообразный химический состав, в значительной степени зависят не только от таксономической принадлежности, но и от районов их выращивания, сроков и способов уборки, сушки и хранения сырья. Возможность практического использования новых видов может быть установлена путем комплексных исследований. Следует отметить, что дополнительные исследования, казалось бы, вполне изученных и давно использующихся эфироносов, иногда позволяют выявить новый аспект их биологической активности.

Выявление перспективных источников сырья комплексного использования включает следующие аспекты: поиск новых полезных организмов на основе скрининговых исследований, а также народного опыта и зарубежного производства; изучение динамики накопления действующих веществ в онтогенезе, то есть в зависимости от фазы развития и возраста организма; культивирование интродуцентов и разработка рекомендаций по рациональному использованию сырья; проведение биотехнологических исследований как с целью получения биомассы и биологически активных соединений из особо ценных или перспективных видов, так и получения и размножения новых форм; решение проблемы комплексного использования продуцента или сырья на основе ресурсосберегающих технологий; разработка показателей качества сырья, необходимых для включения в соответствующую нормативную документацию; совершенствование прикладных методических вопросов.

В ходе интродукции разрабатываются фитотехнологии и биотехнологии, которые промышленным способом реализуются в условиях специализированных предприятий. В настоящее время изыскание новых источников сырья и расширение сырьевой базы происходит как путем введения в культуру уже известных природных микроорганизмов, так и с использованием культуры in vitro как способа получения новых форм с комплексом полезных признаков, клеточной фитомассы, микроклонального размножения и оздоровления посадочного растительного материала. Интенсификация фито- и биотехнологий производства биологически активных соединений предполагает решение проблем по фундаментальным и приоритетным прикладным научным исследованиям в области наук о жизни на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях, охватывающим геномику, протеомику, метаболомику и нанобиотехнологию. Она включает также разработку и создание перспективных технологий живых систем и продуктов, направленных на повышение качества, продолжительности жизни населения, на обеспечение репродуктивного, трудового и оборонного потенциала страны. Внедрение достижений науки и передового опыта в сфере промышленного производства, обеспечивает его инновационное технологическое, экономические и социальное развитие [32, 40].

В современных условиях одновременно с решением вопросов увеличения объемов производства и расширения номенклатуры культивируемого сырья требуется принятие мер по повышению качества этого сырья, в том числе по показателям его экологической чистоты; достижению максимального выхода биологической продукции с высокими показателями качества; поддержанию экологического равновесия окружающей среды, охране природы и рациональному использованию ее ресурсов. Расширение сырьевой базы многих эфирномасличных растений возможно за счет их культивирования в контролируемых условиях. В последнее время широкое применение нашли такие новые технологии как биотехнология, теплично-оранжерейное растениеводство, промышленная гидропоника.

На протяжении длительного времени традиционным источником летучих душистых веществ были эфирные масла, получаемые из растений. Однако трудности плантационного культивирования эфироносов и недостаток сырья существенно лимитируют развитие парфюмерно-косметической, фармацевтической и пищевой промышленности. Кроме того, качество таких эфирных масел может сильно варьировать в зависимости от ряда условий, сложно поддающихся контролированию.

В связи с этим представляется особенно важным поиск альтернативных источников получения летучих душистых веществ с применением биотехнологических подходов [43, 44, 49, 66, 70, 83]. В частности, ранее показана возможность применения микроорганизмов, способных продуцировать соединения с различными направлениями запаха путем как их синтеза de novo, так и биоконверсии дополнительно введенных в питательную среду предшественников ароматообразующих веществ [60]. Так, за рубежом внедрены в производство способы получения 4-декалактона с персиковым запахом (BASF), макроциклических компонентов мускуса (Nippon Mining Co., Quest International), ванилина (Evolva) и других ароматизаторов [51, 71].

Среди изученных представителей царства Bacteria, типов Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria можно выделить 4 основные группы микроорганизмов в зависимости от направления запаха синтезируемого класса соединений. К первой группе относятся палочковидные бактерии типов Firmicutes и Actinobacteria, являющиеся продуцентами пиразинов, обусловливающих запах жареного. Вторая группа включает грамположительные шаровидные и палочковидные бактерии типа Firmicutes, порядка Lactobacillales, которые способны синтезировать кетоны, эфиры, альдегиды, простейшие ацилоины, обладающие маслянисто-сливочным запахом. Третья группа состоит из более разнообразных в отношении таксономического положения микроорганизмов, продуцирующих спирты и сложные эфиры с фруктовым ароматом (табл. 1). Стрептомицеты, синтезирующие геосмин и ряд других веществ, обладающих земляным запахом, составляют последнюю, четвертую, группу продуцентов.

Таблица 1

Бактерии и микроводоросли, синтезирующие летучие душистые вещества цветочно-фруктового направления запаха

Следует отметить, что для промышленного выделения летучих душистых соединений наименьшее значение представляют микроорганизмы, входящие во вторую группу, так как эти вещества определяют органолептические характеристики кисломолочных продуктов. Поэтому их извлечение может снизить качество конечной продукции. Но выяснение путей и механизмов синтеза соединений с маслянисто-сливочным запахом и влияния внешних условий на эти процессы важно для совершенствования производства молочных продуктов с целью улучшения их органолептических свойств [69]. Что касается третьей группы бактерий, то, как правило, фруктовый аромат обеспечивается за счет синтеза 2-5 компонентов (Erwinia carotovora), получение которых химическим путем не представляет сложности и обеспечивает более высокий выход [71].

Для получения эфирных масел также особый интерес представляют микроводоросли. Сравнительный анализ культур сине-зеленых (цианобактерий), зеленых и красных водорослей, относящихся к родам Calothrix, Cylindrospermum, Anabaena, Nostoc, Spirulina, Chlorella, Cyanidum, показал, что количество синтезируемых ими летучих душистых веществ находится на уровне 3 мг на л культуральной жидкости [8, 28, 35]. Однако использование биомассы Chlorella vulgaris, Spirulina platensis и других микроводорослей перспективно для получения спиртовых экстрактов типа резиноида дубового мха, входящего в состав духов в качестве фиксатора запаха, а также самостоятельного пигментированного ароматического начала (табл. 1).

Но наиболее перспективными для получения эфирных масел и летучих душистых соединений с разнообразными направлениями запаха являются культуры грибов. Они, в частности, базидиомицеты и аскомицеты, в том числе дрожжи, способны накапливать промышленно важные и биологически активные метаболиты (табл. 2, 3). Кроме того, многие микромицеты способны синтезировать такие душистые вещества с фруктовым запахом, которые относятся не только к классу сложных эфиров, как в случае с бактериями, но и к химически более сложным соединениям – лактонам. Несмотря на то, что лактоны также производятся химической промышленностью, использование микроорганизмов имеет ряд преимуществ перед химическим синтезом. Это касается получения оптически активных соединений. Trichoderma viride способна генерировать сильный кокосовый аромат при росте на простой питательной среде. Приятный запах обусловлен в большей степени синтезом 6-пентил-2-пирона в количестве 170 мг на л культуральной жидкости. Для синтеза этого соединения химическим путем требуется 7 этапов. Персиковый аромат может быть получен при использовании культуры Sporobolomyces odorus, продуцента 4-декалактона [49, 53, 59].

Таблица 2

Дрожжи и дрожжеподобные грибы, синтезирующие летучие душистые вещества цветочно-фруктового направления запаха

Таблица 3

Мицелиальные грибы, синтезирующие летучие душистые вещества цветочно-фруктового направления запаха

Грибы, в большей степени базидиомицеты, являются продуцентами летучих душистых веществ с «грибным» запахом, который обусловлен алифатическими 8-углеродными соединениями (например, 1-октен-1-ол, 1-октен-3-он, 1-октен-3-ол, 3-октанол), некоторыми пиразинами и пирролами. Таким образом, при глубинном культивировании они могут быть использованы в пищевых производствах для получения натуральных ароматизаторов с грибным запахом [29, 66, 69, 71].

Наибольший интерес для получения эфирного масла представляют виды родов Ceratocystis, Trichoderma, Eremothecium, Pichia, Saccharomyces [52, 56, 59]. Уровень накопления ароматобразующих соединений, синтезируемых грибами, значительно варьирует от сотен мкг (C. populina) до сотен миллиграмм (C. variospora, C. moniliformis, E. asbyi, T. viride в литре культуральной жидкости [54, 63, 72, 75, 84]. Причем лучшие показатели по максимальному уровню накопления ароматобразующих соединений ко времени ферментации были установлены у аскомицетов Ceratocystis sp., Eremothecium sp. Например, C. variospora способен синтезировать до 1 г эфирного масла в литре культуральной жидкости на 5 день культивирования, в то время как культуры базидиомицетов: Bjerkonder aadusta – 30 мг на 24 день, Lepistra irina – 3-81 мг на 28 день, Lentinus lepideus – 100 мг на 15 неделе.

Таким образом, представители микромира способны синтезировать широкий ряд химических соединений, обладающих разными направлениями запаха: древесный, фруктовый, цветочный, маслянисто-сливочный, земляной и др. Установленное разнообразие ароматообразующих микроорганизмов подчеркивает их важную роль как альтернативных источников эфирных масел и индивидуальных летучих душистых соединений. Одновременно оно указывает на необходимость дальнейшего хемосистематического изучения биобъектов, а также разработки и внедрения их биотехнологий в промышленное производство натуральных ароматических продуктов.

Скрининг биообъектов различной таксономической принадлежности – продуцентов эфирного масла с запахом розы. Сырье розы эфирномасличной относится к группе цветочно-травянистого эфирномасличного сырья для технологической переработки [16, 19, 26, 41, 58, 61].

Эфирное масло розы (болгарское, крымское, французское и др.) в соответствии с парфюмерной классификацией относится к цветочному направлению запаха и является достаточно ценным и в настоящее время наиболее дорогим в мире [42]. Однако, биотехнология розового эфирного масла, соответствующего международным стандартам, до сих пор не разработана. Выявлено, что содержание масла в клеточной культуре розы на порядок ниже, чем в интактных лепестках, а состав экстрагируемых масел отличается от розового масла растений [20, 74]. В 80-90-е годы прошлого века показана возможность получения натуральных душистых веществ с использованием микробных культур. Среди изученных представителей микромира можно выделить группу продуцентов спиртов и сложных эфиров с запахом розы, включающую разные таксоны организмов (табл. 4, 5).

Таблица 4

Мицелиальные грибы, синтезирующие летучие душистые вещества, подобные розе

По рейтингу, составленному Leffingwell& Associates [57], в парфюмерной индустрии мировыми лидерами являются компании Givaudan, Finnenich, IFF, Symrise, Takasago, объемы продаж которых в 2014 г. составляли 4818,5, 3291,1, 3088,5, 2818, 1247,1 млн долларов США. Главными импортерами эфирных являются США (40 %), Западная Европа (30 %) и Япония (7 %) (рис. 4-5, табл. 7). Следует отметить, что несмотря на то, что Европейский союз доминирует в мировой торговле, импорте и экспорте эфирных масел, ни одна страна в его составе не обладает достаточно мощным их производством.

Таблица 7

Мировое потребление ароматизаторов по регионам (млн. долларов США)

Примечание. Согласно данным IAL Consultants [47].

Таблица 8

Предполагаемые направления использования эремотецевого масла

Таблица 9

Потенциальные предприятия-потребители эремотецевого масла

Таблица 10

Оценка рынка аналогичной эремотецевому маслу продукции

Примечание. Согласно данным IAL Consultants, BusinesStat, DelaRey [1, 27, 47].

Комплексная оценка рынка

Размер рынка, сегменты, потенциальные потребители. В 2014 г. размер российского рынка эфирных масел оценивался в 3124,3 млн рублей, размер мирового рынка – в 2 084 239 401 млн рублей [1].

Целевым рынком эремотецевого масла является промышленный (В2В). Разрабатываемый продукт будет поставляться на предприятия для производства товаров и для конечных потребителей. Парфюмерно-косметическая, фармацевтическая и пищевая индустрия являются главными сегментами для эремотецевого масла. В зависимости от объемов производства потенциальными потребителями эремотецевого масла могут стать малые, средние и крупные предприятия парфюмерно-косметической, фармацевтической и пищевой промышленности (табл. 8-10).

Барьеры для выхода на рынок. К главным барьерам, которые могут осложнить выход эрмотецевого масла на рынок, относится следующее:

1. Получение необходимых разрешительных документов, к которым относится, в частности сертификат качества, безопасности. При выходе на рынок эремотецевое масло должно получить полный пакет документов, подтверждающих его качество и безопасность для использования в товарах парфюмерно-косметической, фармацевтической, пищевой промышленности. При этом необходимо учесть, что требования других стран, на рынки которых предполагается экспортировать эремотецевое масло, отличаются от российских, что требует дополнительных временных и материальных затрат.

2. Таможенные пошлины. В зависимости от страны назначения экспорт эремотецевого масла может подвергаться обложению таможенных пошлин.

3. Конкуренция. Мировой рынок эфирных масел представляет собой высококонкурентную среду.

Возможность импортозамещения ранее используемой продукции аналогичного назначения. Несмотря на то, что экспорт российских эфирных масел и резиноидов в последние годы характеризуется стабильным и достаточно уверенным ростом, тем не менее, Россия остается крупным импортером эфирных масел и резиноидов, так как объемы экспорта значительно уступают объемам импорта (рис. 6). Выход на внутренний рынок эремотецевого масла позволит снизить импорт эфирных масел розового направления запаха. К таким маслам, в частности, относятся масла розы, герани, пальмарозы, розового дерева.

Экспортный потенциал продукции. Специалисты консалтинговой компании DelaRey утверждают, что в 2014 г. экспорт эфирных масел и резиноидов уменьшился на 9,3 % по сравнению с 2013 г. до объема 507,5 млн долларов США [27]. Отрицательное сальдо торгового баланса составляло в 2014 г. 3 млрд долларов США. В 2014 г. российский экспорт эфирных масел и резиноидов составлял 0,52 % от общемирового. Последние 5 лет отрасль показывает постепенный рост объемов экспорта.

Разрабатываемое эремотецевое масло с розовым направлениям запаха позволит усилить экспортные позиции России, сохранив и расширив ее присутствие на мировом рынке. В настоящее время на территории Российской Федерации получают лишь единственное масло, которое также относится к данному направлению запаха и является собственно розовым маслом. Следует отметить, что основными потребителями российских эфирных масел выступают Украина, Казахстан, Беларусь, Узбекистан, Азербайджан, Киргизия, Польша, Латвия и Туркменистан (рис. 7). Производство и экспорт эремотецевого масла позволит расширить список стран-импортеров и дает возможность провести экспансию на европейский рынок, который является ключевым в мировом обороте эфирных масел.

Рис. 6. Топ-20 стран-поставщиков эфирного масла и резиноидов на территорию Российской Федерации в 2014 г. (по данным ITC [62]; синим – импортная стоимость, тыс. долларов США, серым – годовой прирост в стоимости, %)

Рис. 7. Топ-20 стран-импортеров эфирного масла и резиноидов с территории Российской Федерации в 2014 г. (по данным ITC [62]; синим – экспортная стоимость, тыс. долларов США, серым – годовой прирост в стоимости, %)

Заключение

Научно-техническое обоснование технологий микробного синтеза аромапродуктов с использованием новых видов эфирномасличного биотехнологического сырья дает основание полагать, что потенциальными потребителями масла могут стать малые, средние и крупные предприятия парфюмерно-косметической, фармацевтической и пищевой промышленности.

Проведенный анализ состояния и перспектив биотехнологий получения эфирных масел розового направления запаха, свидетельствует о том, что целевым рынком эремотецевого масла является промышленный. Разрабатываемый продукт будет поставляться на предприятия для производства товаров и непосредственно конечным потребителям.

Комплексная оценка рынка по наиболее важным маркетинговым характеристикам разработки нового целевого продукта – эремотецевого масла: источникам получения, сырьевой базе, рынкам сбыта: региональному/всероссийскому/зарубежному, потребности и спросу на разрабатываемую продукцию, барьерам для выхода на рынок, экспортному потенциалу показывает целесообразность импортозамещения ранее используемой продукции аналогичного назначения. Выход на внутренний рынок эремотецевого масла позволит снизить импорт эфирных масел розового направления запаха, в частности, масла розы, герани, пальмарозы, розового дерева.

Сопоставление данных, касающихся состава эремотецевого масла в сравнении с розовым эфирным маслом, позволяет высказать предположение, что разрабатываемое эремотецевое масло с розовым направлениям запаха усилит экспортные позиции России, сохранив и расширив ее присутствие на мировом рынке эфирных масел. К главным барьерам, которые могут осложнить выход эрмотецевого масла на рынок, относятся отличающиеся от российских требования других государств, на рынки которых предполагается экспортировать эремотецевое масло, что требует дополнительных временных и материальных затрат; таможенные пошлины стран назначения; высококонкурентная среда мирового рынка эфирных масел.

Отличительными особенностями решения проблемы создания биотехнологического производства эремотецевого масла являются возможность высокой механизации всех процессов, относительно легкое внедрение новых достижений науки и техники и, соответственно, интенсификация производственных процессов, круглогодичность, независимость от условий внешний среды, обеспечение постоянной занятости персонала. Эти особенности составляют главные конкурентные преимущества разрабатываемого продукта перед эфирными маслами, получаемыми из сырья растительного происхождения. Кроме того, эремотецевое масло является натуральным продуктом, что соответствует главному тренду «натурализации» на мировом рынке.