Advertisement

Eremothecium Oil Biotechnology as a Novel Technology for the Modern Essential Oil Production

  • E. F. Semenova
  • E. V. Presnyakova
  • A. I. Shpichka
  • V. S. Presnyakova
Chapter

Abstract

Аround 3000 varieties of plants existing in the world can be used as a source of essential oil. The quality of essential oil depends considerably on ecological factors such as location, where volatile-oil-bearing plants are cultivated. In addition, plantation cultivation is seasonal. However, production using biotechnology is free from these limitations.

This chapter scientifically and technically explains the microbial synthesis technology using new different kinds of volatile-oil-bearing raw materials. Eremothecium genus has gained the interest of researchers with regard to essential oil production. The state and the prospects of fragrance biotechnology, especially related to the production of roselike essential oils, are analyzed. The chapter discusses the prospects of the use of bio-products with a rose scent. The data related to the content of Eremothecium oil are compared with that of rose oil. The possibilities of solving the problems involved in essential oil production are discussed.

This chapter aims to describe the use of Eremothecium strains as essential oil producers and the essential oil biotechnology based on them.

Keywords

Biotechnology Essential oil Microbial synthesis Eremothecium ashbyi Eremothecium gossypii Eremothecium oil Rose fragrance Volatile-oil-bearing raw material 

References

  1. Бибарсова АА, Семенова ЕФ, Преснякова ЕВ (2018) Влияние розового и эремотецевого масла на рост некоторых молочнокислых бактерий. Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии 5.  https://doi.org/10.29296/25877313-2018-05-04
  2. Бугорский ПС, Семенова ЕФ, Родов ВС (1990) Влияние ионов водорода, калия и натрия на продуктивность гриба Eremothecium ashbyi. Микробиологический журнал 52(3):44–47Google Scholar
  3. Бугорский ПС, Семенова ЕФ (1991) Душистые вещества мицелиального гриба Ashbya gossypii. Химия природных соединений 3:428Google Scholar
  4. Бугорский ПС, Родов ВС, Носов АМ (1986) Состав эфирного масла мицелиального гриба Eremothecium ashbyi. Химия природных соединений 6:790–791Google Scholar
  5. Быков ВА, Жученко АА, Рабинович АМ, Чечеткина НВ (2003) Средообразующие фитотехнологии 21 века. Нетрадиционные сельскохозяйственные, лекарственные и декоративные растения 1:74–87Google Scholar
  6. Величко ВП, Семенова ЕФ, Стойко ТГ, Шпичка АИ, Моисеева ИЯ (2015) О токсичности розового и эремотецевого масла в отношении культуры Paramecium caudatum. Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. Серия «Биология, химия» 1(67):10–15Google Scholar
  7. Войткевич СА (1999) Эфирные масла для парфюмерии и ароматерапии. Пищевая промышленность, МоскваGoogle Scholar
  8. Гуринович ЛК, Пучкова ТВ (2005) Эфирные масла: химия, технология, анализ и применение. Школа Косметических Химиков, МоскваGoogle Scholar
  9. Егорова НА, Ставцева ИВ (2006) Некоторые итоги и перспективы биотехнологических исследований эфиромасличных растений. Научные труды Института эфиромасличных и лекарственных растений 26:19–26Google Scholar
  10. Жученко ЕВ, Семенова ЕФ, Маркелова НА, Шпичка АИ (2015) Влияние эфирных масел на микроорганизмы различной таксономической принадлежности в сравнении с современными антибиотиками. Сообщение 3. Действие масел лаванды, розового дерева, эвкалипта, пихты на некоторые грамотрицательные бактерии. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Серия «Естественные науки» 1(9):30–41Google Scholar
  11. Маркелова НА, Семенова ЕФ, Шпичка АИ, Жученко ЕВ (2014) Влияние эфирных масел на микроорганизмы различной таксономической принадлежности в сравнении с современными антибиотиками. Сообщение 1. Действие розового эфирного масла и антибиотических субстанций на некоторые грамотрицательные бактерии. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Серия «Естественные науки» 3(7):39–48Google Scholar
  12. Митишев АВ, Преснякова ЕВ, Семенова ЕФ, Гурина МА (2014) Сравнительный анализ штаммов продуцента и инновационного продукта как основных элементов биотехнологии резиноида хлореллы. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Серия «Естественные науки» 4(8):19–29Google Scholar
  13. Митишев АВ, Семенова ЕФ, Преснякова ЕВ (2017) К вопросу разработки технологии культивирования и переработки Chlоrellа vulgаris для получения резиноида. Вестник Воронежского университета. Серия «Химия. Биология. Фармация» 4:62–65Google Scholar
  14. Погорельская АН, Кочетков ЕС, Бугорский ПС, Семенова ЕФ (1999) Биотехнологические методы в помощь создания рентабельного эфиромасличного производства с наиболее полной утилизацией отходов. Труды Института эфиромасличных и лекарственных растений 25:170–180Google Scholar
  15. Родов ВС, Бугорский ПС, Семенова ЕФ (1987) Получение эфирного масла розового направления на основе биотехнологии. Труды ВНИИ эфиромасличных культур 18:13–15Google Scholar
  16. Семенова ЕФ (2007) Биосинтетическая активность и антимикробные свойства Eremothecium ashbyi Guill. Известия вузов. Поволжский регион. Серия «Медицинские науки» 4:44–50Google Scholar
  17. Семенова ЕФ, Богданов НИ (2000) Некоторые результаты биотехнологии ароматических продуктов. Инновационные технологии и продукты 4:9–13Google Scholar
  18. Семенова ЕФ, Бугорский ПС (1989) Некоторые итоги поиска биотехнологически перспективных ароматообразующих культур. Труды ВНИИ эфиромасличных культур 20:14–16Google Scholar
  19. Семенова ЕФ, Бугорский ПС (1990) К вопросу утилизации отходов эфиромасличного производства. Труды/ ВНИИ эфиромасличных культур 21:179–183Google Scholar
  20. Семенова ЕФ, Преснякова ЕВ, Жужжалова ТП (2014) Репродуктивная биология видов и форм Rosa L. Изд-во ЦНТИ, ВоронежGoogle Scholar
  21. Семенова ЕФ, Шпичка АИ, Моисеева ИЯ (2011) Культурально-морфологические и физиолого-биохимические свойства видов рода Eremothecium. Фундаментальные науки 6:210–214Google Scholar
  22. Семенова ЕФ, Шпичка АИ, Преснякова ЕВ, Меженная НА (2015) Структурные основы маслонакопления в лепестках некоторых видов рода Rosa (Rosaceae) и мицелии аскомицетов Eremothecium (Eremotheciaceae). Растительные ресурсы 51(4):500–509Google Scholar
  23. Семенова ЕФ, Шпичка АИ, Преснякова ЕВ (2013) Фармацевтическая микология видов рода Eremothecium (Биология, технология, практическое использование). Изд-во ПГУ, ПензаGoogle Scholar
  24. Семенова ЕФ, Шпичка АИ (2014) О методических аспектах селекции продуцентов эфирного масла розового направления запаха. Вестник Воронежского госуниверситета. Серия «Химия. Биология. Фармация» 2:91–95Google Scholar
  25. Семенова ЕФ, Шпичка АИ (2012) Фармбиотехнологическая характеристика Eremothecium – продуцента рибофлавина и эфирного масла. Разработка, исследование и маркетинг новой фармацевтической продукции 67:368–372Google Scholar
  26. Шпичка АИ, Семенова ЕФ (2016a) Маркетинговый анализ разработки биотехнологии эремотецевого масла как инновационной технологии современного эфирномасличного производства. Научное обозрение Биологические науки 5:28–49Google Scholar
  27. Шпичка АИ, Семенова ЕФ (2015a) О скрининге продуцентов комплекса биологически активных соединений. Таврический вестник аграрной науки 1(3):25–28Google Scholar
  28. Шпичка АИ, Семенова ЕФ, Преснякова ЕВ (2013) Цитоморфологическое исследование представителей рода Eremothecium. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Серия «Медицинские науки» 4:53–60Google Scholar
  29. Шпичка АИ, Семенова ЕФ (2013a) Современное состояние и перспективы развития биотехнологии на основе эремотеция – продуцента рибофлавина и эфирного масла. Успехи современного естествознания 11:87–98Google Scholar
  30. Шпичка АИ, Семенова ЕФ (2015b) Сравнительный анализ эфирных масел, синтезируемых в лепестках Rosa L.(Rosaceae) и мицелии Eremothecium Kurtzman (Eremotheciaceae). Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии 7:42–44Google Scholar
  31. Шпичка АИ, Семенова ЕФ (2013b) Сравнительная характеристика микроорганизмов, синтезирующих de novo летучие душистые вещества. Фундаментальные исследования 8(5):1113–1124Google Scholar
  32. Шпичка АИ, Семенова ЕФ (2016b) Структурно-функциональные аспекты онтогенеза фитопатогенных грибов Eremothecium ashbyi и Eremothecium gossypii. Микология и фитопатология 50(1):53–61Google Scholar
  33. Шпичка АИ, Семенова ЕФ (2014) Характеристика аромапродуктов Eremothecium и перспективы их использования. Курский научно-практический вестник «Человек и его здоровье» 2:103–106Google Scholar
  34. Янина ЕА, Семенова ЕФ, Митишев АВ (2017) Биотестирование in vitro токсичности эремотецевого масла. Актуальные проблемы медицинской науки и образования 6:146–149Google Scholar
  35. Ajikumar PK, Tyo K, Carlsen S, Mucha O, Phon TH, Stephanopoulos G (2008) Terpenoids: opportunities for biosynthesis of natural product drug using engineered microorganisms. Mol Pharm 5(2):167–190PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  36. Alchihab M, Destain J, Aguedo M, Thonart P (2010) Production d’aromes de type lactone par des levure. Biotechnol Agron Soc Environ 14(4):681–691Google Scholar
  37. Batra LR (1973) Nematosporaceae (Hemiascomycetidae): taxonomy, pathogenicity, distribution, and vector relations. Tech Bull 1469:1–73Google Scholar
  38. Baydar NG, Baydar Н (2013) Phenolic compounds, antiradical activity and antioxidant capacity of oil-bearing rose (Rosa damascena Mill.) extracts. Ind Crop Prod 41:375–380CrossRefGoogle Scholar
  39. Bezrukova EI, Semenova EF, Velichko VP, Knyazkova АА, Shpichka AI (2016) The problem of optimization of seed material preparation Eremothecium ashbyi. Top Issues New Drugs Dev 1:337–338Google Scholar
  40. Bicas JL, Silva JC, Dionisio AP, Pastore GM (2010) Biotechnological production of bioflavors and functional sugars. Cienc e Technol de Alimentos 30(1):7–18Google Scholar
  41. Bomgardner MM (2012) The sweet smell of microbes. Chem Eng News 90(29):25–29Google Scholar
  42. Carrau FM, Medina K, Boido E, Farina L, Caggero C, Dellacassa E, Versini G, Henschke PA (2005) De novo synthesis of monoterpenes by Saccharomyces cerevisiae wine yeasts. FEMS Microbiol Lett 243:107–115PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  43. Cheng X, Zhou J, Huang L, Li K (2011) Improved riboflavin production by Eremothecium ashbyi using glucose and yeast extract. Afr J Biotechnol 10(70):15777–15782CrossRefGoogle Scholar
  44. Christen P (1995) Producción de aromas porfermentación en medio solido. Tópicos de Investigacióny Posgrado IV 2:102–109Google Scholar
  45. Dudareva N, Klempien A, Muhlemann JK, Kaplan I (2013) Biosynthesis, function and metabolic engineering of plant volatile organic compounds. New Phytol 198(1):16–32PubMedPubMedCentralCrossRefGoogle Scholar
  46. Etschmann MMW, Bluemke W, Sell D, Schrader J (2002) Biotechnological production of 2-phenylethanol. Appl Microbiol Biotechnol 59:1–8PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  47. Foerster C, Revuelta JL, Kraemer R (2001) Carrier-mediated transport of riboflavin in Ashbya gossypii. Appl Microbiol Biotechnol 55:85–89CrossRefGoogle Scholar
  48. Gordente AG, Curtin CD, Varela C, Pretorius IS (2012) Flavor-active wine yeast. Appl Microbiol Biotechnol 66:1–18Google Scholar
  49. Haeusler A, Muench T (1998) Microbial production of natural flavors. ASM News 63(10):551–559Google Scholar
  50. Hansen EH, Lindberg Moller B, Kock GR, Buenner CM, Kristensen C, Jensen OR, Okkels FT, Olsen CE, Motawia MS, Hansen J (2009) De novo biosynthesis of vanillin in fission yeast and baker’s yeast. Appl Environ Microbiol 75(9):2765–2774PubMedPubMedCentralCrossRefGoogle Scholar
  51. Janssens L, De Pooter HL, Schamp NM, Vandamme EJ (1992) Production of flavours by microorganisms. Process Biochem 27:195–215CrossRefGoogle Scholar
  52. Jianping J (1993) Identification of volatile compounds produced by Kluyveromyces lactis. Biotechnol Tech 7(12):863–866CrossRefGoogle Scholar
  53. Kambourova R, Bankova V, Petkov G (2003) Volatile substances of the green alga Scenedesmus incrassatulus. Z Naturforsch 53:187–190CrossRefGoogle Scholar
  54. Klein-Marcuschamer D, Ajikamar PK, Stephanopoulos G (2007) Engineering microbial cell factories for biosynthesis of isoprenoids. Trends Biotechnol 25(9):417–424PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  55. Knyazkova АА, Semenova EF, Shpichka AI, Velichko VP, Bezrukova EI (2016) About the maintenance in the active state of high-productive variant of Eremothecium ashbyi. Top Issues New Drugs Dev 1:356–357Google Scholar
  56. Krings U, Berger RG (1998) Biotechnological production of flavours and fragrances. App Microbiol Biotechnol 49:1–8CrossRefGoogle Scholar
  57. Kurtzman CP (1995) Relationships among the genera Ashbya, Eremothecium, Holleya and Nematospora determined from rDNA sequence divergence. J Ind Microbiol 14:523–530PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  58. Langenheim JH (1994) Higher plant terpenoids: a phytocentric overview of their ecological role. J Chem Ecol 20(6):1223–1280PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  59. Ledesma-Amaro R, Kerkhoven EJ, Revuelta JL, Nieland J (2013) Genome scale metabolic modeling of the riboflavin overproducer Ashbya gossypii. Biotechnol Bioeng 9999:1–10Google Scholar
  60. Ledesma-Amaro R, Santos M, Jimenez A (2014) Strain design of Ashbya gossypii for single-cell oil production. Appl Environ Microbiol 80(4):1237–1244PubMedPubMedCentralCrossRefGoogle Scholar
  61. Longo MA, Sanroman MA (2006) Production of food aroma compounds: microbial and enzymatic methodologies. Food Technol Biotechnol 44(3):335–353Google Scholar
  62. Markelova NN, Semenova EF (2017) Sensitivity of nonfermentative gram-negative bacteria to essential oils of different origin. Microbiologie 86(5):610–617Google Scholar
  63. Marx H, Mattanovich D, Sauer M (2008) Overexpression of the riboflavin biosynthetic pathway in Pichia pastoris. Microb Cell Factories 7:23CrossRefGoogle Scholar
  64. Medeiros ABP, Pandey A, Vandenberghe LPS, Pastore GM, Soccol CR (2006) Production and recovery of aroma compounds produced by solid-state fermentation using different absorbents. Food Technol Biotechnol 44(1):47–51Google Scholar
  65. Misawa N (2011) Pathway engineering for functional isoprenoids. Curr Opin Biotechnol 22:1–7CrossRefGoogle Scholar
  66. Mitishev AV, Semenova EF, Velichko VP, Shpichka AI, Moiseeva IY (2016) Determination of the biological activity of chlorella resinoids in regard to Paramecium сaudatum. Int Res J 4(46), 5:23–27Google Scholar
  67. Mitrović T, Stamenković S, Cvetković V, Nikolić M, Tošić S, Stojičić D (2011) Lichens as a source of versatile bioactive compounds. Biologica Nyssana 2(1):1–6Google Scholar
  68. Mulder-Krieger T, Verpoorte R, Baerheim A, Svendsen J, Scheffer JC (1988) Production of essential oils and flavours in plant cell and tissue cultures. A review. Plant Cell Tiss Org Cult 13:85–154CrossRefGoogle Scholar
  69. Nadal M, García-Pedrajas MD, Gold SE (2008) Dimorphism in fungal plant pathogens. FEMS Microbiol Lett 284:127–134PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  70. Nieland S, Stahmann K-P (2013) A developmental stage of hyphal cells shows riboflavin instead of sporulation in Ashbya gossypii. Appl Microbiol Biotechnol 97:10143–10153PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  71. Pandal N (2006) The global market for flavors and fragrances. BBC Research, LondonGoogle Scholar
  72. Ravasio D, Wendland J, Walther A (2014) Major contribution of the Ehrlich pathway for the 2-phenylethanol/rose flavor production in Ashbya gossypii. FEMS Yeast Res 1:1–12Google Scholar
  73. Revuelta JL, Ledesma-Amaro R, Lozano-Martinez P, Díaz-Fernández D, Buey RM, Jiménez A (2017) Bioproduction of riboflavin: a bright yellow history. J Ind Microbiol Biotechnol 44:659–665PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  74. Schindler J, Schmid RD (1982) Fragrance or aroma chemicals. Microbial synthesis and enzymatic transformation – a review. Process Biochem 17:2–8Google Scholar
  75. Schiestl FP (2010) The evolution of floral scent and insect chemical communication. Ecol Lett 13(5):643–656PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  76. Schwab W, Davidovich-Rikanati R, Lewinsohn E (2008) Biosynthesis of plant-derived flavor compounds. Plant J 54:712–732PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  77. Semenova Е, Presnyakova V, Goncharov D, Goncharov M, Presnyakova E, Presnyakov S, Moiseeva I, Kolesnikova S, Moiseev J (2017a) Spectrophotometric method for quantitative measuring essential oil in aromatic water and distillate with rose smell. J Phys: Conference Series 784 1:012053.  https://doi.org/10.1088/1742-6596/784/1/012053. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/784/1/012053/meta CrossRefGoogle Scholar
  78. Semenova EF, Rodov VS, Shpichka AI (2011) Influence of conditions of inoculating material preparation on accumulation of aroma building substances in culture of Eremothecium ashbyi Guill. Int J Appl Fundam Res 6:87Google Scholar
  79. Semenova EF, Shpichka AI (2012) Some pharmbiotechnological characteristics of Еremothecium, producer of riboflavin and essential oil. Int J Appl Fundam Res 1:170–172Google Scholar
  80. Semenova EF, Shpichka AI, Moiseeva IY (2012a) About explanation of elaboration of essential Eremothecium oil biotechnology. Int J Exp Educ 3:35–36Google Scholar
  81. Semenova EF, Shpichka AI, Moiseeva IY (2012b) About essential oils biotechnology on the base of microbial synthesis. Eur J Nat Hist 4:29–31Google Scholar
  82. Semenova EF, Shpichka AI, Presnyakova EV, Mezhennaya NA (2016) Processes of essential oil accumulation in petals of Rosa (Rosaceae) and mycelium of Eremothecium. Bull State Nikit Botan Gard 118:25–33Google Scholar
  83. Semenova EF, Shpichka AI, Presnyakova ЕV (2017b) Aromatic and monoterpene alcohol accumulation by Eremothecium ashbyi strains differing in riboflavinogenesis. Appl Biochem Microbiol 53(3):374–380CrossRefGoogle Scholar
  84. Semenova EF, Shpichka AI, Presniakova EV, Presniakova VS, Goncharov MA, Goncharov DA (2017c) Development of a novel biotechnological fragrant product, Eremothecium oil. Indian J Pharm Educ Res 51(3):136–138Google Scholar
  85. Soetaert W, Vandamme EJ (2010) Industrial biotechnology: sustainable growth and economic success. Willey, WashingtonCrossRefGoogle Scholar
  86. Takahashi S, Yeo J, Greenhagen BT, McMullin T, Song L, Maurina-Brunker J, Rosson R, Noel JP (2007) Chappell Metabolic engineering of sesquiterpene metabolism in yeast. Biotechnol Bioeng 97(1):170–181PubMedPubMedCentralCrossRefGoogle Scholar
  87. Vandamme EJ (2003) Bioflavours and fragrances via fungi and their enzymes. Fungal Divers 13:153–166Google Scholar
  88. Walther A, Wendland J (2012) Yap1-dependent oxidative stress response provides a link to riboflavin production in Ashbya gossypii. Fungal Genet Biol 49(9):697–707PubMedCrossRefPubMedCentralGoogle Scholar
  89. Wasserstorm L, Lengeler KB, Walther A, Wendland J (2013) Molecular determinants of sporulation in Ashbya gossypii. Genet 195:87–99CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer Nature Switzerland AG 2019

Authors and Affiliations

  • E. F. Semenova
    • 1
  • E. V. Presnyakova
    • 2
  • A. I. Shpichka
    • 3
  • V. S. Presnyakova
    • 3
  1. 1.Penza State UniversityPenzaRussia
  2. 2.State Commission of the Russian Federation for Selection Achievements Test and ProtectionMoscowRussia
  3. 3.Institute for Regenerative MedicineSechenov UniversityMoscowRussia

Personalised recommendations