γ-氨基丁酸的應(yīng)用及生產(chǎn)前景展望

林金新，黃 平，蔡少麗，2

（1.福州三合元生物科技有限公司，福建福州 350012；2.福建師范大學 南方醫(yī)學研究中心，福建福州 350118）

γ- 氨基丁酸簡稱 GABA，又名4- 氨基丁酸（4- Aminobutanoic acid）或γ- 氨酪酸，可以由谷氨酸脫羧酶（Glutamate decarboxylase，EC4.1.1.15，簡稱 GAD）催化谷氨酸（Glutamic acid）脫去羧基獲得。

GABA是哺乳動物特別是高等靈長類動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)保持正常功能具有非常重要的作用。在人體中GABA還有多種重要生理功能，有研究報道的包括：增加腦部血流量、促進神經(jīng)細胞新陳代謝、增加生長激素分泌、促進乙醇代謝和促進脂類代謝等多種功效。

雖然在人體中GABA可由專一性較強的谷氨酸脫羧酶催化谷氨酸生成，但是隨著年齡的增長和長期快節(jié)奏的生活狀態(tài)使得GABA含量逐漸降低，只能通過外源補充保持人體的健康。

日本等發(fā)達國家對GABA開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，目前已有富含GABA的飲品、烘焙品和茶葉等多款產(chǎn)品銷售。我國GABA產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用尚處于起步階段，主要是豆類、麥類等糧食作物在通過GABA富集制作功能性食品和功能性飲料等。我國傳統(tǒng)的大豆發(fā)酵食品，包括醬油、豆醬、豆豉、腐乳等雖然含有一定量的GABA，但是其含量不足以達到理想的功能效果。

隨著GABA生理功能研究的不斷深入，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將越來越廣泛。2009年12月，國家衛(wèi)生部新增了包括GABA在內(nèi)的六種新資源食品，這標志著GABA作為一種新型功能性食品得到廣泛認同。

1 GABA的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 GABA在食品行業(yè)的應(yīng)用

日本是最早開始研究GABA在食品中應(yīng)用的國家，最有代表性的產(chǎn)品是茶飲料Gabaron。1994年，日本學者Takayo等在研究用水浸泡的稻米胚芽的氨基酸成分時，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過發(fā)酵處理的稻米胚芽中GABA的含量很高，每100g稻米胚芽可以超過200mg[1]。以此研究為基礎(chǔ)，1996年，富含GABA的稻米胚芽制品在日本就面向了消費者。

近年來，日本科學家積極嘗試將稻米胚芽和大豆胚芽等原料開發(fā)制造成富含GABA的功能食品配料，可以廣泛地應(yīng)用于風味飲料、果醬糕點、餅干曲奇和調(diào)味品的配料。此外，應(yīng)用乳酸菌等益生菌生產(chǎn)的高濃度GABA飲料以及富含GABA的食品配料，均可直接用于降血壓、增強大腦機能、改善肝功能的日常飲食。

相比日本等發(fā)達國家，我國這方面的研究開發(fā)處于初始階段，有關(guān)富含GABA食品的研究鮮有報道，因此開發(fā)GABA功能性食品將大有前景。

1.2 GABA在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

GABA是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的抑制性神經(jīng)傳達物質(zhì)，約30%的中樞神經(jīng)突觸部位以GABA為遞質(zhì)，主要由神經(jīng)遞質(zhì)GABA及其突觸靶標GABA-A受體介導完成。

GABA-A受體可調(diào)節(jié)各種醫(yī)用藥物的作用，是巴比妥類藥物、苯二氮類藥物和阿普唑侖（Xanax）等藥物的作用靶標；GABA-A受體對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的精神活動也具有重要影響，如果它功能異常則可能引發(fā)焦慮、失眠甚至癲癇等疾病，因此，GABA-A受體也是神經(jīng)障礙和精神疾病的重要治療靶標。

新的研究報道顯示，GABA能夠提高葡萄糖磷酸酯酶的活性，促進腦組織新陳代謝，從而可以通過外源補充GABA改善神經(jīng)功能。在日本，以GABA為主要成分的促進腦功能代謝的藥品已經(jīng)問世，用于治療和改善腦梗塞、腦動脈損傷所引起的頭疼和耳鳴等癥狀，還可以用于改善腦細胞功能障礙等。

1.3 GABA在植物保護方面的應(yīng)用

對于植物凍害脅迫，添加外源GABA可以有效緩解。有研究結(jié)果表明，GABA的應(yīng)用顯著抑制了果實中超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽過氧化物酶、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶、單脫氫抗壞血酸還原酶和脫氫抗壞血酸還原酶等抗氧化酶的活性[2]。外源GABA的應(yīng)用也提高了三磷酸腺苷和二磷酸腺苷的含量，但降低了腺苷一磷酸含量，導致GABA處理果實中能量電荷水平較高。近年來，有研究報道GABA在減輕冷應(yīng)激方面的應(yīng)用，例如在桃子、小麥幼苗噴灑含有GABA的溶液以減輕其冷應(yīng)激反應(yīng)。

對于植物重金屬脅迫，應(yīng)用GABA可以有效降低其影響。有研究報道應(yīng)用外源GABA，通過激活抗氧化酶作為防御反應(yīng)，降低ROS引起的羰基化蛋白水平，緩解了H+的氧化損傷和大麥幼苗的鋁毒性。此外，GABA在減輕重金屬脅迫對農(nóng)作物的影響被報道，例如水稻亞砷酸鹽中毒[3]、玉米鎘中毒[4]等。

豆科植物的營養(yǎng)狀況與環(huán)境脅迫的高度相關(guān)。有研究報道了在浮萍類植物實驗GABA對植物礦物元素吸收的影響，結(jié)果表明，一定量的GABA處理的植物比未經(jīng)處理的植物具有更高的人體必需營養(yǎng)元素含量，例如鋅、錳、鎂、硼等元素量增加。

添加外源GABA可提高植物體內(nèi)GABA水平，植物通過調(diào)節(jié)GABA分流和相關(guān)途徑提高非生物脅迫耐受性。原理是在逆境中植物應(yīng)用外源GABA誘導，提高光合效率，增加內(nèi)源GABA、提高抗氧化酶的含量，降低MDA、活性氧等物質(zhì)的含量，降低了有害物質(zhì)對植物的傷害。因此，從生物強化的角度來看，GABA的應(yīng)用是提高經(jīng)濟作物抗環(huán)境脅迫并且提高營養(yǎng)成分含量的一種有效途徑。

2 GABA的生產(chǎn)方法綜述

目前GABA的生產(chǎn)方法主要有三種：化學合成法、植物富集法和微生物發(fā)酵法（包括衍生出來的固定酶法）。

2.1 化學合成法

化學合成法是最早用于生產(chǎn)GABA的方法，它有主要有兩個途徑，第一種是將鄰苯二甲酰亞氨鉀與γ-氯丁氰反應(yīng)，然后將產(chǎn)物與濃硫酸回流，再結(jié)晶提純得到成品；第二種是使用氫氧化鈣、碳酸氫銨水解吡咯烷酮獲得GABA。

化學合成法生產(chǎn)過程中反應(yīng)條件劇烈，能耗大，副產(chǎn)物多，采用的試劑多具有毒性、腐蝕性，不符合綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念，特別是通過化學法合成的GABA不能應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、飼料等行業(yè)，因此化學法必將被植物富集法和微生物發(fā)酵法所取代。

2.2 植物富集法

植物富集法是通過植物組織的應(yīng)激代謝來富集GABA。植物在逆境的脅迫下體內(nèi)GABA含量會顯著上升，借助這一特性，可以在植物富集一定量的GABA。植物富集法安全環(huán)保，也可以提高原材料的營養(yǎng)價值，但是生產(chǎn)效率很低，不足以滿足市場的需求。

通常植物體內(nèi)富集的GABA含量很低，所以分離提純非常困難。例如經(jīng)過富集處理的GABA茶中GABA的含量約為0.4%，而自然發(fā)芽的糙米種子中GABA的含量更是不到0.05%，因此植物富集法不適合大規(guī)模生產(chǎn)GABA，只適用于GABA富集農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

米類、豆類、麥類等糧食及其他經(jīng)濟作物在經(jīng)過GABA富集后，可以直接加工成食品、功能性飲料以及牲畜的飼料等。該生產(chǎn)方法可以比較好地滿足消費者對GABA的需求，是將來糧食深加工的發(fā)展方向之一。

2.3 微生物發(fā)酵法

很多微生物能夠產(chǎn)生GABA，例如釀酒酵母、乳酸菌、大腸桿菌及紅曲菌等。通過對菌株的改造和強化以及培養(yǎng)條件的優(yōu)化后，微生物產(chǎn)生GABA的能力可以得到大幅提高。

另外一種方法是通過固定化酶技術(shù)來制備GABA。該方法分為兩個步驟，第一步是高密度培養(yǎng)GAD產(chǎn)生菌體，分離純化谷氨酸脫羧酶。第二步用含有谷氨酸和緩沖液重懸浮菌體進行生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)GABA。

研究者在生物合成的基礎(chǔ)上開發(fā)出了固定化酶技術(shù)來制備GABA。酶的固定化是使用合適的載體材料將酶固定在上面，使其與能夠與整體反應(yīng)體系分離。因此，固定化酶不但具有酶的專一性、高效性的特點，還具備可回收、能夠重復使用的優(yōu)點。

該方法的具體流程是以大腸桿菌、釀酒酵母等微生物為表達宿主，構(gòu)建谷氨酸脫羧酶高表達的基因工程菌，發(fā)酵培養(yǎng)后提取純化谷氨酸脫羧酶，用合適的固定化方法獲得固定化酶，用于轉(zhuǎn)化制備GABA。該方法轉(zhuǎn)化效率高，副產(chǎn)物少，不含內(nèi)毒素，產(chǎn)生的廢水量少，制備的GABA純度高，是制備高品質(zhì)GABA的絕佳選擇。

3 本研究團隊GABA的生產(chǎn)技術(shù)路線及研究展望

通過微生物發(fā)酵法生產(chǎn)的GABA不僅產(chǎn)量可觀且生物安全性好，前景十分廣闊。因此，構(gòu)建篩選GAD活力高且生長周期短的安全菌種，尋找更加簡便的GABA 分離提取設(shè)備和技術(shù)路線，是當前產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)GABA的研究熱點。

本研究團隊將依托福建師范大學南方醫(yī)學研究中心的先進儀器設(shè)備，構(gòu)建谷氨酸脫羧酶高表達菌株，通過高密度發(fā)酵后提取純化谷氨酸脫羧酶，以離子液體再生纖維素為載體固定化谷氨酸脫羧酶，催化制備GABA，具體技術(shù)見圖1。

圖1 制備GABA的技術(shù)路線

該項目已經(jīng)開始前期研究，若成功實施，可以高效制備GABA，再通過分離純化獲得高純度的GABA以滿足醫(yī)藥及食品開發(fā)需求。顯著提升GABA產(chǎn)品的附加值，提升福建、福州生物技術(shù)行業(yè)的競爭力，促進生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)向高端化和可持續(xù)化發(fā)展。