γ-氨基丁酸的概述

光明乳業研究院（上海 200436）

γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）是一種廣泛存在于動物、植物和微生物體內非蛋白質氨基酸，是哺乳動物、甲殼類動物和昆蟲神經系統中最重要的抑制性神經遞質。在植物體內，GABA可形成類似脯氨酸的環狀結構，而在一些與根瘤菌共生的固氮植物的根瘤中，以結合態存在。GABA于1883年首次被合成，最初僅被認為是植物和微生物的一種代謝產物。1950年，科學家發現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系統的抑制性神經遞質，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遞質，起到分子信號的作用，具有多種生理功能。研究表明，GABA不僅具有降低神經元活性、防止神經細胞過熱以及降低血壓的作用，還具有防止動脈硬化、調節心律失常、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富集與植物所經歷脅迫應激反應有關，在受到缺氧、熱激、冷激、機械損傷、鹽脅迫等脅迫壓力時，會導致GABA迅速積累。對植物性食品原料采用某種脅迫方式處理后，或通過微生物發酵作用使其體內GABA含量增加，用這種原料加工成富含GABA的功能產品已成為研究熱點。近年來，GABA作為一種新型功能性因子，已被廣泛應用于食品工業領域。利用富含GABA的發芽糙米、大豆和蠶豆等原料開發的食品已面市。

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就是通過對培養基的優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、環境和空間的限制，與其他方法相比具有顯著的優勢[2]。

以谷氨酸及其鈉鹽（谷氨酸鈉）或富含谷氨酸的物質為原料，利用大腸桿菌、曲霉菌、乳酸菌和酵母菌等微生物的發酵作用實現GABA富集的方法，被稱為微生物發酵法。微生物發酵法具有成本低、富集含量高的優點[3]。利用微生物發酵富集GABA的研究己有文獻報道，在早期的研究中，以大腸桿菌為生產菌進行微生物發酵富集GABA的研究較多，其原理是利用大腸桿菌體內較高的GAD活性，將谷氨酸脫羧轉化為GABA。利用大腸桿菌發酵生產GABA具有發酵速度快、產量高的優點，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 乳酸菌發酵法產γ-氨基丁酸

在能夠產生GABA的微生物中，包括乳桿菌在內的乳酸菌（LAB）被認為是細菌中GABA的主要生產者。目前，已經報道了微生物中GABA的產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系統與許多乳桿菌的耐酸性有關。GAD系統主要由谷氨酸脫羧酶、Glu/GABA反向轉運蛋白和轉錄調節因子組成。其中谷氨酸脫羧酶負責GABA的合成，Glu/GABA反向轉運蛋白負責將胞外的谷氨酸運輸到胞內并將胞內合成的GABA轉移到細胞外。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反向轉運蛋白和轉錄調節因子缺失[7]。

乳酸菌是動物腸道內正常菌群，是對人體安全有利的食品微生物，已被廣泛應用于發酵食品的生產。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GABA的乳酸菌（YS2）發酵條件進行初步優化并對優化條件下的谷氨酸脫羧酶基因（gadB）進行了純化。結果表明，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酵，GABA含量可達到5.68 g/L，與優化前相比提高了30%，且此條件下純化后的GAD活性達到1.06 U/mg。利用乳酸菌對經過冷激的紅豆進行發酵處理時發現，在37 ℃條件下發酵24 h，紅豆中GABA產量達到了682 mg/L，是未進行發酵的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培養基中培養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，利用乳酸菌發酵生產GABA不僅可以通過優化培養基實現，也可以通過采用誘變育種的技術對菌株進行改性以達到GABA富集目的。利用乳酸菌發酵生產GABA具有產量高、安全性好的優點，但其發酵速度慢、發酵周期比較長，適用于深層發酵。

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

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的功能食品的開發在過去幾年引起了人們的極大關注。生物合成法比化學合成法更有前途，因為它們的反應過程簡單，催化效率高，反應條件溫和，環境相容性好。據報道，含GABA的食物有茶、發酵的葡萄、泰國發酵豬肉香腸、酸面包、奶酪、泡菜、黑莓汁和米糠等。

表1 產 GABA 的乳桿菌、來源及其產GABA的能力

乳酸菌具有在生長培養基中產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產量最大（345.83 mmol/L）的菌株[1]。然而，許多發酵條件包括pH、培養時間、溫度、培養基成分以及不同的發酵策略，都可以得到優化，以實現乳酸菌菌株最大限度地生產GABA。

2 GABA生理作用

GABA是一種非蛋白質氨基酸，作為主要的抑制性神經遞質，在交感神經系統。GABA還具有低血壓、鎮靜和利尿作用，可預防糖尿病，提高血漿生長激素濃度和腦內蛋白合成率。此外，有研究稱GABA促進皮膚創傷的愈合過程，并提高氧化應激下真皮成纖維細胞的存活率。

楊樹大苗主要用于營造農田防護林和速生豐產林，要求有通直良好的主干和發達的根系，無蟲無害。楊樹大苗的一級苗標準為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的受體結合而產生。GABA受體主要有3類[11]：

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

（2）GABAB受體分布于CNS及外周組織、內分泌組織和非神經組織（如平滑肌細胞、女性生殖系統、胰腺、膀胱等），激活后可通過突觸前和突觸后機制產生抑制效應。此外GABAB受體激活還與體溫調節、脂肪氧化、血壓調節、消化系統功能調節等許多作用有關。

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

GABA是哺乳動物中樞神經系統主要神經傳遞物，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生GABA，所以能夠產生GABA可能也是益生菌發揮改善睡眠效果的途徑之一。GABA與不同受體結合后產生不同的生物學作用，目前比較明確的作用有以下兩點：

神經調節作用：GABA在改善應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，增加腦血流量和養供給量，改善神經技能，從而達到改善睡眠和易怒癥狀等功效。

血壓調節作用：GABA的舒緩血管和降血壓的生物學作用已經在動物實驗和臨床研究中進行闡述，其可能機制與GABA的外周神經節阻斷作用等有關。

此外，GABA作為一種抑制性神經遞質，在人體中發揮重要的生理作用，如鎮靜安神、調節心率、增強記憶力以及調節激素分泌等。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后進行算術任務，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巧克力對算術任務誘導的心理應激作用，結果表明，GABA巧克力使人迅速從緊張狀態恢復到正常狀態，具有減輕心理壓力的作用。除此之外，還有一些關于口服GABA或含GABA的食品可以緩解職業疲勞、影響應激狀態下人的情緒和活動優化行動能力的報道。

改善睡眠：研究發現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]設計了隨機雙盲實驗，結果發現食用了含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。

關于外源性GABA如何影響神經系統存在很多說法。現在的研究一般認為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，還有研究發現BBB上的BGT-1蛋白可以參與GABA的轉運。所以GABA能否通過BBB還需更加嚴格的實驗來證明。而另一種說法認為GABA可能通過對腸道產生影響而間接發揮作用。胃腸道中有大量GABAB受體，而GABAA和GABAB受體可以調節小腸嗜鉻細胞釋放5-HT。此外，由于迷走神經的傳入，神經元部位也有GABAB受體大量表達，在接受到刺激后，迷走神經將信號傳遞到至VLPO區、中縫核、藍斑等結構，調節腦中神經遞質的分泌，影響大腦功能。GABA受體還存在于多種免疫細胞中并參與免疫調節過程，例如一些炎癥細胞因子釋放，表明GABA也可以通過免疫調節途徑發揮作用。

3 γ-氨基丁酸產品開發現狀

醫學上素來有“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，FDA）已承認乳酸菌發酵生產的GABA為天然食品添加劑，2009年中國原衛生部批準此類GABA為新資源食品，使得GABA功能食品成為近些年開發的熱點。目前，已成功開發出富含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，并用同位素標記的14C-谷氨酸闡明了GABA產生的機制，為制作GABA茶奠定了理論基礎。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。中國農業科學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，隨后還開發出了不同類型的GABA茶加工新工藝，研發出了制作GABA茶的關鍵設備。而目前GABA茶生產工藝已成熟，市場中常見的品種有綠茶型、紅茶型、白茶型和烏龍茶型。

研究發現，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出了富含GABA的米糠和發芽糙米等產品。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。現階段對于富含GABA稻米制品的研究多集中于優化工藝條件及功能開發上。

除了上述兩種產品形式，近年來開發了一些富含GABA的功能性發酵乳飲品，并進行了發酵條件優化，最優條件下的GABA含量可達9.66 g/L。有研究利用L.rhamnosusGG發酵富含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，以及將GABA作為食品補充劑的產品，例如糖果和巧克力等。雖然現在市場上GABA產品有很多，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力度，研制出對消費者健康有幫助的、消費者更青睞的產品。

4 結語與展望

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