米糠發(fā)酵富集γ-氨基丁酸技術研究

（天津市食品研究所有限公司，天津301609）

γ-氨基丁酸（Gamma aminobutyric acid，GABA）又名4-氨基丁酸和γ-氨酪酸，是由谷氨酸（Glutamic acid，Glu）經(jīng)過谷氨酸脫羧酶（Glutamic acid decarboxylase，GAD）催化而來[1-2]，是一種天然活性成分，廣泛分布于動植物體內。GABA是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中很重要的抑制性神經(jīng)遞質，是一種天然存在的非蛋白組成氨基酸，生理活性有促進腦部血流、增加生長激素分泌、調節(jié)血壓、抑制脂肪肝及肥胖癥、改善更年期綜合癥、活化肝功能、促進睡眠、促進乙醇代謝、美容潤膚等多種功效[3-5]，具有重要的生理功能。

1 GABA國內外現(xiàn)狀

GABA在食品中的研究和應用始于20世紀80年代中期。GABA的應用前景和生理功能受到世界越來越多的關注，并被應用于食品、醫(yī)藥和化妝品中。歐美和日本等少數(shù)發(fā)達國家在其生理功效方面的研究處于領先水平。日本厚生省、歐洲食品安全局（European Food Safety Agency，EFSA）和美國食品藥品管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）承認乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)的GABA為天然食品添加劑[6]，在歐美及日本等發(fā)達國家，天然GABA已被應用多個食品領域，如食品調味品、烘焙食品和飲料中，其應用產(chǎn)品以日本茶飲料Gabaron為代表。利用乳酸菌等制作的富含GABA的飲料以及食品配料，都可以用于鎮(zhèn)靜、催眠、降血壓、延緩腦衰老等的功能食品[7]。

而與國外相比，在我國有關GABA食品的研究開發(fā)及報道較少。2009年，中國衛(wèi)生部批準此類GABA為新資源食品。作為新資源食品，GABA越來越引起國內和國外人群的關注，對GABA的活性成分的進一步深入探討，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻脙r值。

2 GABA的生理功能

GABA具有抑制脂肪肝及肥胖癥、促進酒精代謝、鎮(zhèn)靜神經(jīng)和抗焦慮、提高記憶力、改善更年期綜合癥、活化肝功能、改善睡眠、腎機能和肝機能改善等活性[8]。在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程中，GABA也具有重要的營養(yǎng)作用，GABA還可以有效地抑制谷氨酸脫羧，促使氨和谷氨酸結合生成尿素，更多的排出體外，降低血氨的濃度。

2.1 降低血壓

高血壓是18種最常見慢性病之一，我國成人高血壓患病率已達30%以上，但高血壓人群的知曉率、控制率卻很低，分別只有36%和28%。在我國北方地區(qū)，18歲以上的成人每5個人中至少有1人患高血壓，超過半數(shù)的心血管病發(fā)病與高血壓相關?，F(xiàn)代醫(yī)學已經(jīng)證明GABA中樞神經(jīng)系統(tǒng)中很重要的抑制性神經(jīng)遞質，可以防止神經(jīng)細胞過熱，相應地降低神經(jīng)元活性等；對動物（尤其是哺乳動物）的心血管活動有著及其重要的調節(jié)作用，原理是通過控制中樞神經(jīng)系統(tǒng)達到降血壓的效果。GABA是許多降血壓藥物（如黃芪、紅曲霉等）和食品的主要成分之一[9]。在哺乳動物體內，GABA與對交感神經(jīng)末梢起抑制作用的受體相結合，促進血管擴張，從而降低血壓，通過多項人群試驗證明，補充GABA可以降低高血壓患者血壓。

2.2 改善睡眠

睡眠質量不佳不僅會妨礙人們正常生活、工作、學習和健康，而且還會加重或誘發(fā)心悸、胸痹、眩暈、頭痛、中風病等病癥。頑固性的失眠，給病人帶來長期的痛苦，甚至形成對安眠藥物的依賴，而長期服用安眠藥物又可引起醫(yī)源性疾病[10-11]。GABA中的營養(yǎng)因子，可以調節(jié)神經(jīng)中一些酶、蛋白的表達，通過抑制GABA的分解，以此提高其在腦內的含量，在一定程度上增加慢波睡眠時間，對自主神經(jīng)高級中樞和植物神經(jīng)系統(tǒng)進行有效的調節(jié)，提高患者大腦神經(jīng)細胞自我修復能力和自身免疫力，從而有效的改善睡眠。

2.3 抑制脂肪肝及肥胖癥

脂肪肝正嚴重威脅國人的健康，成為僅次于病毒性肝炎的第二大肝病，發(fā)病率在不斷升高，且發(fā)病年齡日趨年輕化。脂肪肝同時會引發(fā)如胰腺炎、肝硬化、糖尿病、高脂血癥、高血壓、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病等諸多疾病。很多降脂藥物和食品中都含有GABA成分。

3 GABA的制備方法和技術原理

GABA主要分布在哺乳動物的神經(jīng)組織中。由于GABA天然含量低，從天然動植物組織中大量分離提取非常困難。目前，分離提取GABA的方法主要有3種，分別為：微生物發(fā)酵法、植物富集法和化學合成法[12-13]。

微生物發(fā)酵法可以通過許多微生物生成GABA，如酵母、霉菌和細菌等。但微生物發(fā)酵法由于其產(chǎn)品安全性高、含量高、原料來源廣泛、工業(yè)化生產(chǎn)技術成熟的特點，仍是目前制備GABA的理想方法，具有廣闊的工業(yè)化應用前景。

通過植物富集法得到的GABA屬于天然產(chǎn)物，安全性高，但由于GABA在動植物體內存在量較少，故通過此方法得到的GABA產(chǎn)量較低。

化學合成法分離提取得到的純品不屬于天然產(chǎn)物，成本高，操作時條件劇烈，殘留的化學物質量多。通過此法得到的GABA不適合在食品配料、飲料及保健品中應用，而是更多的應用于化工和醫(yī)藥領域。

米糠中保留了稻米中大部分的營養(yǎng)物質，其蛋白質的含量較高，且氨基酸組成豐富，營養(yǎng)全面，尤其是Glu的含量很高。本課題應用混合乳酸菌對米糠進行液體發(fā)酵，將米糠中的Glu進行生物轉化為高質量濃度的GABA，采用閃蒸濃縮技術、微膠囊化技術對發(fā)酵液中的關鍵成分GABA進行富集，制成GABA富集粉，濾渣通過采用超微粉碎技術制成米糠纖維粉，并分別利用GABA富集粉和米糠纖維粉加工成米糠棗汁功能飲料和米糠（纖維）微粉，從而使米糠資源得到充分的利用。

集成生物發(fā)酵技術、閃蒸濃縮技術、微膠囊化技術和超微粉碎技術對米糠進行綜合利用，對其關鍵功效成分GABA進行分離及富集，確定生物發(fā)酵技術、閃蒸濃縮技術、微膠囊化技術和超微粉碎技術應用過程中的工藝參數(shù)，并開發(fā)出精深加工產(chǎn)品。采用生物發(fā)酵技術對米糠中的Glu進行生物轉化，并采用閃蒸濃縮技術及微膠囊化技術對目標產(chǎn)物GABA進行富集。采用超微粉碎技術對生物發(fā)酵后的濾渣進行粉碎處理。確定米糠（纖維）微粉生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)。

4 GABA在食品工業(yè)中的應用

日本關于GABA的生理機能、保健功能、來源與提取等方面的研究比較深入。如日本Oryza公司是目前世界上最大的米胚芽GABA生產(chǎn)商，其產(chǎn)品包括5%、50%、90%這3種純度。20世紀九十年代中期，日本ORYZA油化學公司開發(fā)出一種名為GABA RICE GERM的保健食品添加劑，日本食品科學技術學會報道了該產(chǎn)品在改善失眠、抑郁和更年期綜合癥等方面的顯著效果[14-15]。

在我國，目前米糠的開發(fā)利用還不充分，稻谷加工的副產(chǎn)品米胚芽營養(yǎng)全面，但其分離難度較高，所以許多米廠未作分離而留在米糠中作飼料用。黃美娥等從蕨菜葉、莖中分離提取GABA，測得其中分別含0.319%和0.141%的GABA。陳穎[16]等則開發(fā)出GABA產(chǎn)量達到9.22 g/kg的米糠。GABA的技術研究、保健功能研究及應用研究在我國已引起重視。

GABA作為活性因子，具有降低血壓、抗除抑郁、增強腦功能和長期記憶、利尿、強肝、健腎等生理活性，將其應用于功能性食品中將大有可為。已有報道指出，茶和大米胚芽通過自然的發(fā)酵過程可以富集GABA。除此之外，豆制品、西紅柿、小球藻等天然食品素材通過加工可以富集GABA。雖然GABA在自然界的分布很廣泛，但將其開發(fā)作為保健食品功能因子無疑還需大量的工作。作為食品的開發(fā)，既要有藥食同源的思想，又要區(qū)分開藥與食的概念。在食品中應用GABA，絕不是對藥用GABA的簡單添加，而是要從制備這個源頭開始，利用天然物質及采用生物技術方法，生產(chǎn)出可安全用于食品并可被視為天然添加劑的食用GABA?？傊?，以米糠為原料，采用生物發(fā)酵技術、閃蒸濃縮技術、微膠囊化技術和超微粉碎技術等現(xiàn)代多種高新技術對米糠進行深加工，制成多種GABA富集化食品，對增加GABA富集化食品種類及擴大GABA在食品中的應用范圍，具有重要的意義。同時，通過對米糠進行精深加工，實現(xiàn)了米糠資源的綜合利用，具有廣闊的市場前景，還可獲得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

5 市場需求分析

據(jù)統(tǒng)計，目前全球各類GABA產(chǎn)品總產(chǎn)能約6萬噸，其中約10%屬于微生物法或植物富集法生產(chǎn)的可以添加至食品中的天然GABA。我國天然GABA純品的產(chǎn)能已超過1 000 t。

日本厚生省允許含GABA食品具降血壓和健腦等健康宣稱。EFSA雖然允許食物中添加GABA，規(guī)定GABA的膳食攝入量上限為550 mg/d，但是其主要功能特性尚需嚴格的人群試驗結果加以佐證。FDA根據(jù)毒理學實驗結果指出食品中添加GABA是安全的，使用范圍包含飲料、咖啡、茶和口香糖等。我國衛(wèi)生部規(guī)定GABA攝入量不得超過500 mg/d，使用范圍為飲料、可可制品、巧克力及其飲料、糖果、焙烤食品和膨化食品。這些規(guī)定的出臺，為GABA相關應用產(chǎn)品的研發(fā)提供了政策引導[16-18]。

我國添加GABA相關產(chǎn)品總市值約25億元～30億元，市場仍處于緩慢增長期，消費者對此類產(chǎn)品還處于認知階段。目前GABA在國內市場售價仍然較高，但GABA原料市場在國內外已呈現(xiàn)了產(chǎn)能過剩的態(tài)勢，必須積極開發(fā)下游相關產(chǎn)品，開拓市場。我國關于GABA相關產(chǎn)品的開發(fā)研究及加工利用還處于起步階段，根據(jù)GABA的生理功能特點，可開發(fā)多種形式功能保健食品，滿足不同人群的需要也是非常有意義的[19]。

6 在產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展中的地位與作用

我國是世界上最大的稻谷生產(chǎn)和消費國，年產(chǎn)稻谷約2億噸。糙米中約64%的營養(yǎng)物質都積聚于占糙米重量10%的糠層和胚芽中。通常，糠層和胚芽在糙米加工成精米的過程中被丟棄，相當于每年丟棄了960萬噸的高營養(yǎng)物質，其價值超過1 000億元，造成寶貴資源的極大浪費[20]。

GABA的多種保健和醫(yī)療功效，成為人類健康保證的重要生物源，不論是解決人類日益擴大的亞健康人群健康問題，還是滿足人類食物保證、生態(tài)環(huán)境保護的健康需求，GABA研究與產(chǎn)品開發(fā)都是極具較好發(fā)展前景的。

因此，在傳統(tǒng)的稻谷加工基礎上，結合現(xiàn)代生物技術對米糠進行深加工，富集關鍵功效成分GABA，利用其營養(yǎng)豐富、保健作用強的特點將其開發(fā)成多種功能性食品，對稻谷加工后的副產(chǎn)物米糠進行綜合利用，將提高產(chǎn)品的附加值，延長稻谷加工的產(chǎn)業(yè)鏈，具有廣闊的市場前景。

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