γ-氨基丁酸的概述

光明乳業(yè)研究院（上海 200436）

γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）是一種廣泛存在于動物、植物和微生物體內(nèi)非蛋白質(zhì)氨基酸，是哺乳動物、甲殼類動物和昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)中最重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。在植物體內(nèi)，GABA可形成類似脯氨酸的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而在一些與根瘤菌共生的固氮植物的根瘤中，以結(jié)合態(tài)存在。GABA于1883年首次被合成，最初僅被認(rèn)為是植物和微生物的一種代謝產(chǎn)物。1950年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)動物腦中存在高濃度的GABA，在1950—1965年間的研究表明GABA是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，主要以高肌肽（Homocarnosine）的形式分布于腦組織（1～10 mmol/L）。

GABA作為一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，起到分子信號的作用，具有多種生理功能。研究表明，GABA不僅具有降低神經(jīng)元活性、防止神經(jīng)細(xì)胞過熱以及降低血壓的作用，還具有防止動脈硬化、調(diào)節(jié)心律失常、降低血脂、增強肝功能等生理功效，而且GABA對癲癇、驚厥、亨廷頓病和帕金森病等多種精神疾病具有一定的療效作用。盡管GABA具有重要的生理功能，但隨著人們壓力的增大和年齡的增長，人體中的GABA含量日益減少。因此，從食物中補充GABA對人體健康意義重大。植物組織中GABA的含量極低，通常在0.3～32.5 μmol/g之間，不能滿足人體的生理需求。已有文獻報道，植物中GABA富集與植物所經(jīng)歷脅迫應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)，在受到缺氧、熱激、冷激、機械損傷、鹽脅迫等脅迫壓力時，會導(dǎo)致GABA迅速積累。對植物性食品原料采用某種脅迫方式處理后，或通過微生物發(fā)酵作用使其體內(nèi)GABA含量增加，用這種原料加工成富含GABA的功能產(chǎn)品已成為研究熱點。近年來，GABA作為一種新型功能性因子，已被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域。利用富含GABA的發(fā)芽糙米、大豆和蠶豆等原料開發(fā)的食品已面市。

1 γ-氨基丁酸（GABA）

γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）的化學(xué)名為4-氨基丁酸，別名氨酪酸、哌啶酸，分子式為C4H9NO2，相對分子質(zhì)量103.12，氨基位于γ-C的位置。

1.1 GABA的微生物合成

在微生物中，GABA代謝是通過GABA支路完成的，利用微生物體內(nèi)較高的GAD活性，將Glu脫羧形成GABA，然后在GABA-T、SSADH作用下，GABA進入下游的分解過程生成琥珀酸半醛、琥珀酸，參與微生物的生理代謝。微生物富集GABA就是通過對培養(yǎng)基的優(yōu)化以及菌株的改良使其具有較高的GAD活性，增加GABA合成率，降低分解率來實現(xiàn)的。目前，大量研究已證明GAD在原核到真核微生物中均有存在。此外，利用微生物中GAD脫羧形成GABA不受資源、環(huán)境和空間的限制，與其他方法相比具有顯著的優(yōu)勢[2]。

以谷氨酸及其鈉鹽（谷氨酸鈉）或富含谷氨酸的物質(zhì)為原料，利用大腸桿菌、曲霉菌、乳酸菌和酵母菌等微生物的發(fā)酵作用實現(xiàn)GABA富集的方法，被稱為微生物發(fā)酵法。微生物發(fā)酵法具有成本低、富集含量高的優(yōu)點[3]。利用微生物發(fā)酵富集GABA的研究己有文獻報道，在早期的研究中，以大腸桿菌為生產(chǎn)菌進行微生物發(fā)酵富集GABA的研究較多，其原理是利用大腸桿菌體內(nèi)較高的GAD活性，將谷氨酸脫羧轉(zhuǎn)化為GABA。利用大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)GABA具有發(fā)酵速度快、產(chǎn)量高的優(yōu)點，但其存在一定的安全隱患。近年來，一些安全性高的微生物，如乳酸菌、酵母菌、曲霉菌等用于GABA富集的研究已有報道[4-6]。

1.2 乳酸菌發(fā)酵法產(chǎn)γ-氨基丁酸

在能夠產(chǎn)生GABA的微生物中，包括乳桿菌在內(nèi)的乳酸菌（LAB）被認(rèn)為是細(xì)菌中GABA的主要生產(chǎn)者。目前，已經(jīng)報道了微生物中GABA的產(chǎn)生主要是通過腐胺的降解或谷氨酸的脫羧這兩種途徑。但腐胺降解途徑在乳桿菌中并不常見。在乳桿菌中，GABA由磷酸吡哆醛（pyridoxal 5′-phosphate，PLP）依賴性的谷氨酸脫羧酶（glutamate decarboxylase，GAD）通過L-谷氨酸不可逆的α-脫羧而合成，整個過程還伴隨著一個H+的消耗，因此GAD系統(tǒng)與許多乳桿菌的耐酸性有關(guān)。GAD系統(tǒng)主要由谷氨酸脫羧酶、Glu/GABA反向轉(zhuǎn)運蛋白和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子組成。其中谷氨酸脫羧酶負(fù)責(zé)GABA的合成，Glu/GABA反向轉(zhuǎn)運蛋白負(fù)責(zé)將胞外的谷氨酸運輸?shù)桨麅?nèi)并將胞內(nèi)合成的GABA轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外。但并不是所有的乳桿菌都有GAD，而有GAD的乳桿菌也可能存在Glu/GABA反向轉(zhuǎn)運蛋白和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子缺失[7]。

乳酸菌是動物腸道內(nèi)正常菌群，是對人體安全有利的食品微生物，已被廣泛應(yīng)用于發(fā)酵食品的生產(chǎn)。目前，已有文獻報道乳球菌屬（Lactococcus）、乳桿菌屬（Lactobacillus）等一些乳酸菌具有合成GABA的能力。林謙等[8]對產(chǎn)GABA的乳酸菌（YS2）發(fā)酵條件進行初步優(yōu)化并對優(yōu)化條件下的谷氨酸脫羧酶基因（gadB）進行了純化。結(jié)果表明，在初始pH 6.0，用牛肉膏和蛋白胨為氮源，用蔗糖為碳源的條件下發(fā)酵，GABA含量可達到5.68 g/L，與優(yōu)化前相比提高了30%，且此條件下純化后的GAD活性達到1.06 U/mg。利用乳酸菌對經(jīng)過冷激的紅豆進行發(fā)酵處理時發(fā)現(xiàn)，在37 ℃條件下發(fā)酵24 h，紅豆中GABA產(chǎn)量達到了682 mg/L，是未進行發(fā)酵的20倍[9]。夏江等[10]對乳酸菌株hjxj-01進行紫外和γ-射線誘變處理，得到一株突變菌株hjxj-08119，在含5%的L-谷氨酸鈉的GYP培養(yǎng)基中培養(yǎng)3 d，此菌株的GABA最大積累可達到17 g/L，相對于hjxj-01提高142.9%。由此可見，利用乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)GABA不僅可以通過優(yōu)化培養(yǎng)基實現(xiàn)，也可以通過采用誘變育種的技術(shù)對菌株進行改性以達到GABA富集目的。利用乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)GABA具有產(chǎn)量高、安全性好的優(yōu)點，但其發(fā)酵速度慢、發(fā)酵周期比較長，適用于深層發(fā)酵。

在乳酸菌中，產(chǎn)生和釋放GABA的能力與抗酸性壓力有關(guān)，這使得微生物可以通過胃腸道進入腸道，在腸道中發(fā)揮有益的作用。此外，氨基丁酸的合成與ATP的產(chǎn)生有關(guān)，是通過電生抗體與谷氨酸脫羧作用的偶聯(lián)而實現(xiàn)的。

考慮到氨基丁酸作為食品和藥物中的生物活性成分的潛力，含GABA的功能食品的開發(fā)在過去幾年引起了人們的極大關(guān)注。生物合成法比化學(xué)合成法更有前途，因為它們的反應(yīng)過程簡單，催化效率高，反應(yīng)條件溫和，環(huán)境相容性好。據(jù)報道，含GABA的食物有茶、發(fā)酵的葡萄、泰國發(fā)酵豬肉香腸、酸面包、奶酪、泡菜、黑莓汁和米糠等。

表1 產(chǎn) GABA 的乳桿菌、來源及其產(chǎn)GABA的能力

乳酸菌具有在生長培養(yǎng)基中產(chǎn)生和釋放氨基丁酸的能力，這一特征是取決于菌株的。能夠合成氨基丁酸的主要乳酸菌屬于短乳桿菌（Lact.brevis）、乳酸乳球菌（L.lactis）、副干酪乳桿菌（Lact.paracasei）、布氏乳桿菌（Lact.buchneri）、瑞士乳桿菌（Lact.helveticus）和植物乳桿菌（Lact.plantarum）。其中，短乳桿菌是目前報道的GABA產(chǎn)量最大（345.83 mmol/L）的菌株[1]。然而，許多發(fā)酵條件包括pH、培養(yǎng)時間、溫度、培養(yǎng)基成分以及不同的發(fā)酵策略，都可以得到優(yōu)化，以實現(xiàn)乳酸菌菌株最大限度地生產(chǎn)GABA。

2 GABA生理作用

GABA是一種非蛋白質(zhì)氨基酸，作為主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，在交感神經(jīng)系統(tǒng)。GABA還具有低血壓、鎮(zhèn)靜和利尿作用，可預(yù)防糖尿病，提高血漿生長激素濃度和腦內(nèi)蛋白合成率。此外，有研究稱GABA促進皮膚創(chuàng)傷的愈合過程，并提高氧化應(yīng)激下真皮成纖維細(xì)胞的存活率。

楊樹大苗主要用于營造農(nóng)田防護林和速生豐產(chǎn)林，要求有通直良好的主干和發(fā)達的根系，無蟲無害。楊樹大苗的一級苗標(biāo)準(zhǔn)為2.5--3.5m，胸徑2--3cm，根長20--30cm。

GABA對生物體的作用主要通過其與相應(yīng)的受體結(jié)合而產(chǎn)生。GABA受體主要有3類[11]：

（1）GABAA受體主要位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）突觸后膜，與GABA結(jié)合后引起神經(jīng)元的抑制。

（2）GABAB受體分布于CNS及外周組織、內(nèi)分泌組織和非神經(jīng)組織（如平滑肌細(xì)胞、女性生殖系統(tǒng)、胰腺、膀胱等），激活后可通過突觸前和突觸后機制產(chǎn)生抑制效應(yīng)。此外GABAB受體激活還與體溫調(diào)節(jié)、脂肪氧化、血壓調(diào)節(jié)、消化系統(tǒng)功能調(diào)節(jié)等許多作用有關(guān)。

（3）GABAC，類似于BABAA受體，主要存在于視覺神經(jīng)通路，可能在視網(wǎng)膜中視桿通路的信息傳遞和調(diào)控中起重要作用。

GABA是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要神經(jīng)傳遞物，主要起抑制興奮的作用。而人體腸道的部分微生物也能夠產(chǎn)生GABA，所以能夠產(chǎn)生GABA可能也是益生菌發(fā)揮改善睡眠效果的途徑之一。GABA與不同受體結(jié)合后產(chǎn)生不同的生物學(xué)作用，目前比較明確的作用有以下兩點：

神經(jīng)調(diào)節(jié)作用：GABA在改善應(yīng)激和情緒紊亂方面具有重要作用。攝入GABA可以提高葡萄糖磷脂酶的活性，從而促進大腦的能量代謝，增加腦血流量和養(yǎng)供給量，改善神經(jīng)技能，從而達到改善睡眠和易怒癥狀等功效。

血壓調(diào)節(jié)作用：GABA的舒緩血管和降血壓的生物學(xué)作用已經(jīng)在動物實驗和臨床研究中進行闡述，其可能機制與GABA的外周神經(jīng)節(jié)阻斷作用等有關(guān)。

此外，GABA作為一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，在人體中發(fā)揮重要的生理作用，如鎮(zhèn)靜安神、調(diào)節(jié)心率、增強記憶力以及調(diào)節(jié)激素分泌等。由食物中攝取的外源性GABA降血壓作用研究得較多，目前關(guān)于外源性GABA改善睡眠的研究也在逐漸展開。

緩解焦慮：研究表明攝入GABA能夠減輕壓力，緩解焦慮。有研究證明口服100 mg GABA 60 min后，與對照組相比，GABA顯著增加了大腦α波并減少了β波，表明GABA可以促進放松和減少焦慮[12]。Nakamura等[13]給受試者食用了10 g富含28 mg GABA的巧克力，15 min后進行算術(shù)任務(wù)，完成后記錄心電圖并收集唾液樣本，使用心率變異性（Heart rate variability，HRV）和唾液嗜鉻粒蛋白A（Chromogranina，CgA）的變化評價GABA巧克力對算術(shù)任務(wù)誘導(dǎo)的心理應(yīng)激作用，結(jié)果表明，GABA巧克力使人迅速從緊張狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，具有減輕心理壓力的作用。除此之外，還有一些關(guān)于口服GABA或含GABA的食品可以緩解職業(yè)疲勞、影響應(yīng)激狀態(tài)下人的情緒和活動優(yōu)化行動能力的報道。

改善睡眠：研究發(fā)現(xiàn)GABA能顯著縮短受試者睡眠潛伏期并增加NREM睡眠時間，并且血液中GABA含量在口服30 min后達到峰值[14]。Byun等[15]設(shè)計了隨機雙盲實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)食用了含GABA米胚芽提取物的失眠患者睡眠潛伏期減少，睡眠效率提高。

關(guān)于外源性GABA如何影響神經(jīng)系統(tǒng)存在很多說法。現(xiàn)在的研究一般認(rèn)為GABA無法通過血腦屏障（blood brain barrier，BBB），但也有研究報道GABA可以穿過BBB。有意思的是，還有研究發(fā)現(xiàn)BBB上的BGT-1蛋白可以參與GABA的轉(zhuǎn)運。所以GABA能否通過BBB還需更加嚴(yán)格的實驗來證明。而另一種說法認(rèn)為GABA可能通過對腸道產(chǎn)生影響而間接發(fā)揮作用。胃腸道中有大量GABAB受體，而GABAA和GABAB受體可以調(diào)節(jié)小腸嗜鉻細(xì)胞釋放5-HT。此外，由于迷走神經(jīng)的傳入，神經(jīng)元部位也有GABAB受體大量表達，在接受到刺激后，迷走神經(jīng)將信號傳遞到至VLPO區(qū)、中縫核、藍斑等結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)腦中神經(jīng)遞質(zhì)的分泌，影響大腦功能。GABA受體還存在于多種免疫細(xì)胞中并參與免疫調(diào)節(jié)過程，例如一些炎癥細(xì)胞因子釋放，表明GABA也可以通過免疫調(diào)節(jié)途徑發(fā)揮作用。

3 γ-氨基丁酸產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)狀

醫(yī)學(xué)上素來有“藥食同源”的理論，是指通過合理膳食從食品補充一些功能成分，達到預(yù)防及治療的目的。而由于GABA擁有重要的生理功能，同時日本厚生省、歐盟食品安全局（European food Safety Authority，EFSA）和美國食品藥品管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）已承認(rèn)乳酸菌發(fā)酵生產(chǎn)的GABA為天然食品添加劑，2009年中國原衛(wèi)生部批準(zhǔn)此類GABA為新資源食品，使得GABA功能食品成為近些年開發(fā)的熱點。目前，已成功開發(fā)出富含GABA的茶葉、米胚芽、糙米、糖果、巧克力、果蔬汁和含乳飲品等產(chǎn)品。

GABA茶是一種功能性茶，其GABA含量是普通茶葉的20～30倍（通常大于1.5 g/kg）。20世紀(jì)70年代初，就有研究員研究了GABA在蘿卜葉中的積累，并用同位素標(biāo)記的14C-谷氨酸闡明了GABA產(chǎn)生的機制，為制作GABA茶奠定了理論基礎(chǔ)。有研究者通過將新鮮茶葉厭氧處理6 h，使茶葉中的GABA含量從0.3 g/kg提高到2 g/kg，其原理是在無氧條件下，茶葉中谷氨酸脫羧酶活性提高，加快谷氨酸向GABA的轉(zhuǎn)化，目前制作GABA茶大多是基于這一原理。此外，日本還對鮮葉處理技術(shù)進行了大量研究，比如利用厭氧好氣交替處理、添加外源性氨基酸、紅外線照射、微波照射來提高GABA含量。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所也一直致力于GABA茶的研究，早在2004年就完成了適合制作GABA茶的茶葉品種篩選，隨后還開發(fā)出了不同類型的GABA茶加工新工藝，研發(fā)出了制作GABA茶的關(guān)鍵設(shè)備。而目前GABA茶生產(chǎn)工藝已成熟，市場中常見的品種有綠茶型、紅茶型、白茶型和烏龍茶型。

研究發(fā)現(xiàn)，水浸泡處理可以使米胚芽中的GABA含量大大提高。隨后日本又相繼研發(fā)出了富含GABA的米糠和發(fā)芽糙米等產(chǎn)品。在同期，中國水稻研究所培育出一種富含GABA的水稻新品種，其GABA含量是普通水稻品種的5～6倍?，F(xiàn)階段對于富含GABA稻米制品的研究多集中于優(yōu)化工藝條件及功能開發(fā)上。

除了上述兩種產(chǎn)品形式，近年來開發(fā)了一些富含GABA的功能性發(fā)酵乳飲品，并進行了發(fā)酵條件優(yōu)化，最優(yōu)條件下的GABA含量可達9.66 g/L。有研究利用L.rhamnosusGG發(fā)酵富含GABA的豆乳，其GABA含量為1.22 mg/mL。還有富含GABA黑樹莓汁的開發(fā)，以及將GABA作為食品補充劑的產(chǎn)品，例如糖果和巧克力等。雖然現(xiàn)在市場上GABA產(chǎn)品有很多，但消費量還處在一個較低的水平。一方面需要對消費者進行宣傳和知識普及，另一方面也需要科研院所加大研發(fā)力度，研制出對消費者健康有幫助的、消費者更青睞的產(chǎn)品。

4 結(jié)語與展望

隨著近年來對GABA的深入研究，其產(chǎn)生途徑和原理已經(jīng)明晰。特別是乳酸菌發(fā)酵的生成途徑，使得GABA可以作為乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)物應(yīng)用于發(fā)酵乳制品的功能開發(fā)。GABA的明確生理功效已經(jīng)出現(xiàn)在《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量》。隨著含有GABA產(chǎn)品的不斷上市，GABA所觸達到的現(xiàn)代消費者健康需求的功能逐漸被認(rèn)可。從乳酸菌發(fā)酵高產(chǎn)GABA的乳品，到添加強化GABA的食品，會越來越多地出現(xiàn)，成為功效性食品的重要組成。