γ-氨基丁酸的應用及生產前景展望

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系統中的重要的抑制性神經遞質，對于中樞神經系統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奏的生活狀態使得GABA含量逐漸降低，只能通過外源補充保持人體的健康。

日本等發達國家對GABA開發和應用已經比較成熟，目前已有富含GABA的飲品、烘焙品和茶葉等多款產品銷售。我國GABA產品的開發和應用尚處于起步階段，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。我國傳統的大豆發酵食品，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，它的應用領域也將越來越廣泛。2009年12月，國家衛生部新增了包括GABA在內的六種新資源食品，這標志著GABA作為一種新型功能性食品得到廣泛認同。

1 GABA的應用領域

1.1 GABA在食品行業的應用

日本是最早開始研究GABA在食品中應用的國家，最有代表性的產品是茶飲料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，發現經過發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，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制造成富含GABA的功能食品配料，可以廣泛地應用于風味飲料、果醬糕點、餅干曲奇和調味品的配料。此外，應用乳酸菌等益生菌生產的高濃度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。

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

1.2 GABA在醫藥領域的應用

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

GABA-A受體可調節各種醫用藥物的作用，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受體對于中樞神經系統的精神活動也具有重要影響，如果它功能異常則可能引發焦慮、失眠甚至癲癇等疾病，因此，GABA-A受體也是神經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用

對于植物凍害脅迫，添加外源GABA可以有效緩解。有研究結果表明，GABA的應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在減輕冷應激方面的應用，例如在桃子、小麥幼苗噴灑含有GABA的溶液以減輕其冷應激反應。

對于植物重金屬脅迫，應用GABA可以有效降低其影響。有研究報道應用外源GABA，通過激活抗氧化酶作為防御反應，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。

豆科植物的營養狀況與環境脅迫的高度相關。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，結果表明，一定量的GABA處理的植物比未經處理的植物具有更高的人體必需營養元素含量，例如鋅、錳、鎂、硼等元素量增加。

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

2 GABA的生產方法綜述

目前GABA的生產方法主要有三種：化學合成法、植物富集法和微生物發酵法（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，然后將產物與濃硫酸回流，再結晶提純得到成品；第二種是使用氫氧化鈣、碳酸氫銨水解吡咯烷酮獲得GABA。

化學合成法生產過程中反應條件劇烈，能耗大，副產物多，采用的試劑多具有毒性、腐蝕性，不符合綠色環保和可持續發展理念，特別是通過化學法合成的GABA不能應用于醫藥、食品、飼料等行業，因此化學法必將被植物富集法和微生物發酵法所取代。

2.2 植物富集法

植物富集法是通過植物組織的應激代謝來富集GABA。植物在逆境的脅迫下體內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。植物富集法安全環保，也可以提高原材料的營養價值，但是生產效率很低，不足以滿足市場的需求。

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

米類、豆類、麥類等糧食及其他經濟作物在經過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展方向之一。

2.3 微生物發酵法

很多微生物能夠產生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條件的優化后，微生物產生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來制備GABA。該方法分為兩個步驟，第一步是高密度培養GAD產生菌體，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化生產GABA。

研究者在生物合成的基礎上開發出了固定化酶技術來制備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，構建谷氨酸脫羧酶高表達的基因工程菌，發酵培養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，用于轉化制備GABA。該方法轉化效率高，副產物少，不含內毒素，產生的廢水量少，制備的GABA純度高，是制備高品質GABA的絕佳選擇。

3 本研究團隊GABA的生產技術路線及研究展望

通過微生物發酵法生產的GABA不僅產量可觀且生物安全性好，前景十分廣闊。因此，構建篩選GAD活力高且生長周期短的安全菌種，尋找更加簡便的GABA 分離提取設備和技術路線，是當前產業化生產GABA的研究熱點。

本研究團隊將依托福建師范大學南方醫學研究中心的先進儀器設備，構建谷氨酸脫羧酶高表達菌株，通過高密度發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，具體技術見圖1。

圖1 制備GABA的技術路線

該項目已經開始前期研究，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以滿足醫藥及食品開發需求。顯著提升GABA產品的附加值，提升福建、福州生物技術行業的競爭力，促進生物技術產業向高端化和可持續化發展。