Современные представления о эфирных маслах: химия, биологическая активность и перспективы для сельского хозяйства Австралии. Обзорная статья, часть 2.
Авторы: Nicholas Sadgrove и Graham Jones
Agriculture 2015, 5(1), 48-102; https://doi.org/10.3390/agriculture5010048
1.4. Биосинтез и субъективная классификация эфирных масел
Эфирные масла классифицируются как вторичные метаболиты, полученные в результате различных процессов биосинтеза, начиная с фосфоенолпирувата, продукта гликолиза глюкозы, образующейся в процессе фотосинтеза. Вторичные метаболиты можно определить как компоненты, которые присутствуют у одних видов, но не присутствуют у других, что резко контрастирует с четырьмя первичными метаболитами, которые составляют основные строительные блоки жизни и, следовательно, присутствуют во всех формах жизни, состоящих из белков, углеводов, нуклеиновые кислоты и липиды. Из вторичных метаболитов наиболее значимыми в отношении эфирных масел являются терпеноиды и шикиматы, хотя поликетиды также встречаются в эфирных маслах и также редко встречаются в алкалоидах [17].
Фосфоенолпируват является предшественником как шикимовой кислоты, так и ацетилкофермента-А. Таким образом, фосфоенолпируват является важным перекрестком в синтезе вторичных метаболитов и некоторых первичных метаболитов, таких как липиды. На этом перекрестке эти метаболиты на пути ацетилкофермента-A включают липиды, поликетиды и терпены, в то время как метаболиты на пути шикимовой кислоты включают кумарины, флавоноиды (окрашенные компоененты) и лигнин. Особый интерес представляет лигнин - сложный мономер ароматических спиртов, называемых монолигнолами, неотъемлемая часть вторичной клеточной стенки растений. Липиды также включают свободные жирные кислоты, которые присутствуют в жирных маслах, а иногда и в эфирных маслах. Кроме того, некоторые эфирные масла являются продуктами распада липидов [17].
Там, где путь также расщепляется у ацетилкофермента-A, с одной стороны образуется мевалоновая кислота, состоящая из трех молекул ацетилкофермента-A. Это служит предшественником изопренов, которые являются строительным блоком терпенов. С другой стороны, происходит карбоксилирование ацетилкофермента-A с образованием малонил-кофермента-A. Он соединяется с уксусной кислотой, а затем декарбоксилатами дает β-кетоэфир. Если этот процесс повторяется, молекула образуется с карбонильной группой на каждом чередующемся атоме углерода, отсюда и название поликетид. В качестве альтернативы кетоновая функция может быть восстановлена до спирта, который затем удаляется с соответствующим гидрированием углерода и, следовательно, дает более высокий гомолог, давая начало жирной кислоте (липиду). Поскольку этот липидный путь соответствует синтезу поликетидов, существует объяснение того, почему жирные кислоты в большинстве своем имеют четную нумерацию [17].
Биосинтетическое происхождение шикиматов (или фенилпропаноидов) происходит от метаболического пути шикимовой кислоты. Сам биосинтез шикимовой кислоты начинается с ранее упомянутого фосфоенолпирувата и фосфата эритрозы-4, который является предшественником углеводов. Это означает, что биосинтез шикиматов отличается от углеводного пути [17].
Как упоминалось ранее, эфирные масла терпеноидов биосинтезируются посредством мевалонатного пути, включающего дериватизацию и полимеризацию 5-членных изопреновых алкенов из изопренилдифосфата (IPP) и диметилаллилдифосфата (DMAPP). Следовательно, изопреновые звенья объединяются для образования терпенов, включающих повторяющиеся углеродные цепи, кратные пяти. В настоящее время известно более 30 000 терпеноидов, выделенных из растений, микроорганизмов и животных, многие из которых содержатся в эфирных маслах. В этом наборе известных терпеноидов есть несколько химических классов, разделенных на группы по размеру и элементному / структурному составу. Известно, что монотерпены включают 25 различных классов терпеноидов, 147 классов существуют для сесквитерпенов, а дитерпены относятся к 118 классам [21].
Эфирные масла также можно описать и до некоторой степени классифицировать по их аромату. Масла с преобладанием монотерпеновых компонентов можно охарактеризовать как «верхнюю ноту», потому что аромат резкий и ощущается сразу после нанесения. Хорошо известные верхние ноты: цитрусовые (Citrus bergamia Risso) и имбирь (Zingiber officinale Roscoe). Такие масла верхней ноты содержат мелкие компоненты, которые быстро испаряются. Однако, хотя поначалу это не заметно, средние ноты (ноты сердца) и базовые ноты (нижние ноты) сильно влияют на эстетику запаха и маскируют резкость верхних нот. Кроме того, они воспринимаются сразу после того, как рассеиваются верхние ноты. Хорошо известными маслами сердечных нот являются масла лаванды (Lavandula angustifolia Mill.) и розы (Rosa damascena Mill.), которые, по описанию, обладают более мягким или округлым запахом. Эти масла состоят из компонентов, которые немного больше простых монотерпенов, таких как монотерпенолы и сложные эфиры. Масла, в которых преобладают сесквитерпены, обычно считаются производящими базовый запах. Базовые ноты обычно считаются богатыми, землистыми и глубокими, наиболее распространенным примером является мускус (Angelica archangelica L.). Обычно аромадизайнеры и парфюмеры стремятся комбинировать ноты, чтобы добиться оптимизации и сочетания ингредиентов, которые радуют чувства [41].
Возвращаясь к концепции биосинтеза эфирных масел, микробные эндофиты также могут играть значительную роль в их синтезе. Хотя еще не так много известно о том, как именно эндофиты могут участвовать в этом процессе, ясно, что, по крайней мере, такие эндофиты могут дать окончательное химическое изменение до того, как эфирное масло станет конечным продуктом. Такие микробные реакции называются биотрансформацией, которая представляет собой процесс, который можно использовать in vitro для создания менее распространенных компонентов из соединений-предшественников, которые доступны в изобилии. Уже известно, что эндофиты ответственны за биосинтез множества натуральных продуктов, некоторые из которых обеспечивают защиту от травоядных или других конкурирующих растений, таких как цитотоксический хинолиновый алкалоид камптотецин, биосинтезируемый de novo (с самого начала) эндофитным грибком Fusarium solani и накапливается в тканях Camptotheca acuminata Decaisne [42].
В случае бактериальных эндофитов становится все более очевидным, что они влияют на физиологию растений, поглощение питательных веществ и энергию роста растений через биосинтез фитогормонов, таких как этилен, индол-3-уксусная кислота и ацетоин, 2,3-бутандиол [43] . Были выделены такие бактериальные эндофиты из Lavandula angustifolia Mill, и было показано, что они секретируют метаболиты, которые ингибируют патогены человека. Из-за сходства ингибирования, продемонстрированного между эндофитами и эфирным маслом, было высказано предположение, что эндофиты могли участвовать в синтезе эфирного масла. Однако химические характеристики метаболитов эндофитов в этом исследовании не проводились [43]. В новаторском исследовании грибковых эндофитов Mentha piperita L. было продемонстрировано, что сам грибной организм биосинтезирует все компоненты эфирного масла de novo в ризосфере растения, хотя состав компонентов регулируется взаимодействием растений. [44].
У Lamiaceae секреторные структуры эфирного масла, называемые железистыми трихомами, хорошо изучены и считаются местом биосинтеза, накопления и секреции эфирных масел [45]. Очень мало исследований было посвящено выявлению возможных эндофитных бактериальных сообществ, которые могут быть вовлечены в этот биосинтетический путь и в каком качестве.
В настоящее время в индустрии ароматизаторов насчитывается около 100 молекул, полученных в результате ферментативных или микробных процессов [46]. Это связано с тем, что ингредиенты, полученные в результате преобразования натурального сырья с помощью микробных или ферментативных процессов, могут быть обозначены как «натуральные» в соответствии с законодательством Европы и США. Конечно, такие ароматизирующие соединения можно было бы получить более дорого из растений или сельскохозяйственных культур. В классической индустрии ароматизаторов преобладающим источником ингредиентов были растения, но по мере развития синтетической химии растительные источники устарели, особенно в более крупных отраслях, где сокращение затрат имеет приоритет. Эта фаза в конечном итоге сошла на нет, когда «натуральные» продукты стали привлекать значительно более высокие рыночные цены до двух порядков. В то время исследования микробных биотрансформаций начали расширяться, пока в отрасли не стали преобладать ароматизаторы микробного происхождения. Рост биотрансформации и de novo биосинтетических продуктов микробного происхождения в области промышленных ароматизаторов обязан своим успехом биологическому или «естественному» происхождению продуктов, которое дает такие ароматизаторы по значительно более низкой цене, чем классические методы производства [46]. Исчерпывающий обзор микробных трансформаций представлен Нома и Асакава [47] для биотрансформации монотерпенов и Асакавой и Нома [48] для сесквитерпенов.
Хотя такие микробные процессы доминируют на рынке, где востребованы отдельные изолированные ароматические соединения, цельные эфирные масла по-прежнему в основном получают из классического сельского хозяйства или сбора дикорастущих растений. Однако, стремясь снизить затраты и проблемы традиционного сельского хозяйства и уменьшить зависимость от сбора дикорастущих растений, исследователи предпринимают усилия по развитию отрасли производства эфирных масел, в которой участвуют крупномасштабные культуры тканей растений в попытке создать подходящие альтернативы производству эфирных масел [49]. В таком большом масштабе эта технология все еще находится в зачаточном состоянии. Неизвестные переменные, такие как роль эндофитов и их выживаемость в этих культурных средах, должны быть приняты во внимание. Кроме того, если показано, что эфирные масла, биосинтезируемые соответствующим «растением», синтезируются de novo из бактериальных эндофитов, такое культивирование растений будет пустой тратой ресурсов, если только синтетические предшественники не производятся самим растением.
1.5. Эфирные масла в сельском хозяйстве
Когда дело доходит до обсуждения эфирных масел в сельском хозяйстве, основное внимание, конечно же, уделяется максимизации урожая эфиромасличных видов растений, при этом производя эфирное масло в соответствии с опубликованными стандартами. Существует минимальное обсуждение того, как такие масла могут быть использованы в более широком смысле в самом сельском хозяйстве. Возможно, это связано с предполагаемыми затратами на применение эфирных масел в качестве пестицидов или гербицидов. Однако можно возразить, что снижение популярного спроса на синтетические ароматизаторы в пищевых продуктах для людей может означать, что такие продукты найдут применение в сельском хозяйстве в качестве замены гораздо менее популярных пестицидов и гербицидов. Если сельское хозяйство совпадает с органическими методами производства, такие соединения могут быть получены из бактериальных или грибковых культур.
Подавляющее большинство исследований эфирных масел сегодня ограничено фармакологической лабораторией или лабораторией по открытию новых лекарств. Возможно, это вызвано финансовым стимулом со стороны крупных фармацевтических фирм, которые стремятся выкупить патенты на биологически активные вещества, с обещанием огромной финансовой выгоды держателю патента. С другой стороны, это может быть следствием тяготения к популярной науке, которая стремится отмечать узкоспециализированные исследования и чисто академические открытия. Однако, как объяснил Murray, впоследствии были упущены вопросы, имеющие более практическое значение:
«Академические исследователи, как правило, больше озабочены поддержанием строгости науки, о чем судят их коллеги в журналах и материалах конференций, а не исследованиями, которые непосредственно способствуют использованию эфирных масел и развитию отрасли».
[50]
Преимущество использования летучих «натуральных» гербицидов в полевых условиях заключается в том, что они не сохраняются и не становятся частью послеуборочного продукта, а в некоторых случаях продукт может продаваться как «органический» и, следовательно, привлекать более высокую цену. Хотя это может быть преимуществом, необходимо предпринять усилия для увеличения времени пребывания во время фазы роста, используя поверхностно-активные вещества или технологию инкапсуляции. Возможность использования эфирных масел в качестве гербицидов уже была продемонстрирована, особенно в тех случаях, когда прорастание семян было подавлено, но, опять же, движение к использованию такой технологии на обширных фермах минимально из-за затрат. Еще одно преимущество использования летучих веществ в качестве дополнения к гербицидам состоит в том, что они могут облегчить опыление, действуя как определенные желательные аттрактанты насекомых, одновременно отталкивая другие [51].
Эфирные масла также могут использоваться в сельском хозяйстве, действуя как противомикробные соединения. Недавно законодательство ЕС запретило использование антибиотиков при выращивании животных на убой. Отчасти это происходит из-за растущей устойчивости патогенов [51], но в первую очередь это касается качества мясных продуктов в конце использования. В этом отношении наилучшей альтернативой являются натуральные продукты, особенно эфирные масла, поскольку они служат и другим целям. В сочетании с преимуществами, полученными при использовании эфирных масел в качестве противомикробных средств, они также действуют как стимуляторы аппетита и как стимуляторы выработки слюны, желудочного и панкреатического сока [52].
Антимикробная активность эфирных масел также может быть использована для борьбы с грибковой или бактериальной порчей продуктов, готовых к хранению, или для обработки фруктов и овощей на этапах сбора урожая. Проблема при использовании этой методологии заключается в том, что концентрации, т