γ-氨基丁酸的乳酸菌轉化及在食品中的應用

◎ 倪琳鈺，葉朋飛，劉 靜，李秋達，周 杰，黃杰秋，杜艷瓊

（1.云南乾盛司法鑒定中心，云南 昆明 650032；2.曲靖職業技術學院 現代農業系，云南 曲靖 655000）

γ-氨基丁酸（Gamma-Aminobutyric Acid，GABA）是一種4-C非蛋白質氨基酸，幾乎在所有原核和真核生物中都存在，是游離氨基酸的重要組成部分，是脊椎動物中樞神經系統的主要抑制性神經遞質和大腦中的主要抑制性神經遞質。研究表明，GABA具有參與調節pH、N存儲、植物發育和防御、預防血壓和心率等心血管疾病、在疼痛和焦慮的感覺中起緩解作用等生理功能[1-2]。微生物是GABA的主要來源，在發酵過程中通過谷氨酸脫羧酶作用與L-谷氨酸反應產生GABA[3]。乳酸菌是在世界范圍內被公認為安全等級的食品微生物，能產生大量GABA[4-5]。本文主要綜述了GABA的乳酸菌轉化途徑、益生功能以及在食品中的應用現狀，為高產GABA乳酸菌進一步研究及開發更多的功能性發酵產品奠定理論基礎。

1 GABA的乳酸菌轉化途徑

目前，GABA的生產以化學合成和微生物轉化2種方式為主，而化學合成的GABA禁止作為食品添加劑使用，因此微生物轉化的GABA用于食品添加劑具有重要意義。已報道多種微生物可用于GABA的轉化生產，包括芽孢桿菌、大腸桿菌、曲霉和乳酸菌[6]。GABA是乳酸菌中谷氨酸脫羧的終產物，由對磷酸吡哆醛具有依賴性的谷氨酸脫羧酶（Glutamic Acid Decarboxylase，GAD）通過L-谷氨酸不可逆的α-脫羧而合成。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[7-9]。

2 乳酸菌轉化GABA的益生功能

現有研究中，對乳酸菌轉化GABA的益生功能的研究較多[10]。INOUE等[11]研究發現，每天攝入含有10～12 mg/100 mL GABA的發酵乳可以在2周內顯著降低輕度高血壓患者的血壓。BARLA等[12]通過16S核糖體RNA基因（rDNA）序列和碳水化合物同化能力分析，通過物種水平的分類學評估了來自日本各種傳統發酵食品中的53株乳酸菌，篩選了在脫脂牛奶或大豆蛋白培養基中表現出高血管緊張素轉化酶（Angiotens in Converting Enzyme，ACE）抑制活性的分離株，并在含有1%（w/v）谷氨酸的MRS培養基中培養，培養物上清液產生高濃度的γ-氨基丁酸（GABA），結果表明，布氏乳桿菌（2株）、短乳桿菌（6株）、希臘韋氏菌（2株）在35 ℃培養72 h后，產GABA含量大于500 mg/100 mL；使用短乳桿菌（3個分離株）、布氏乳桿菌（2個分離株）和希臘魏斯氏菌（2個分離株）與牛奶蛋白一起培養的乳清中ACE抑制活性強于所有用大豆蛋白培養基培養的乳清。并且這些IC50＜1 mg/mL蛋白質，10株中的3株在pH值為3時具有較高的GABA產生活性。LI等[13]研究發現，植物乳桿菌M-6發酵的新型鷹嘴豆乳飲料對MnCl2誘導損傷的PCl2細胞具有保護作用，與受損細胞相比，富含GABA的鷹嘴豆奶飲料提高了細胞活力，并顯著減弱了乳酸脫氫酶的釋放能力，說明了富含GABA的鷹嘴豆奶飲料具有潛在神經保護活性。BA等[14]將Sprague-Dawley雄性大鼠分為4組，分別為正常飲食控制（NC）、乙醇控制（EC）、乙醇+乳桿菌OPK2-59粉末（EL1）和OPK2-59+GABA粉末（EL2），飼喂6周，結果顯示，與EC組相比，EL2組血液中總膽固醇和甘油三酯濃度顯著降低，肝臟甘油三酯也顯著降低，血清谷氨酰草酰乙酸轉氨酶（Glutamic Oxalacetic Transaminase，GOT）、 谷 氨酰丙酮酸轉氨酶（Glutamate Pyruvic Transaminase，GPT）和肝臟GOT水平顯著降低；與EC組相比，EL1和EL2組血清乙醇濃度低于EC組，肝臟中的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性顯著增加。以上結果表明，乳桿菌OPK2-59+GABA粉末能改善大鼠脂質和酶譜。

3 乳酸菌轉化GABA在食品中的應用

GABA在各個領域都有良好的應用價值，如果在食品中添加或富集GABA，能夠提升食品的營養價值，在市場中具有良好的應用前景。日本是最早開始研究GABA在食品中的應用的國家，繼日本、美國之后，我國原衛生部也于2009年9月正式批準GABA可用于部分食品的生產和加工中。KIM等[15]使用短乳桿菌GABA 100在30 ℃下發酵12 d富集黑樹莓汁中的GABA，結果表明，在較低pH值和較低溫度下發酵的黑樹莓汁表現出較低的單體花青素含量。RATANABUREE等[16]用高產GABA的戊糖片球菌HN8和乳酸乳桿菌NH2生產“泰式發酵豬肉香腸”產品，結果顯示，在添加0.5%的谷氨酸鈉、每種菌接種量大約6 lg（CFU·g-1）時，“泰式發酵豬肉香腸”產品中產生大量GABA（4 051 mg·kg-1），且與沒有添加任何發酵劑或味精的對照相比，添加了發酵劑和味精的“泰式發酵豬肉香腸”的脂肪、碳水化合物含量和能量較低，感官評價比對照和商業泰式發酵豬肉香腸產品更容易接受，酵母菌較少、無葡萄糖球菌和霉菌。LEE等[17]在泡菜中添加發酵乳桿菌GU240和味精（1%），該泡菜中GABA含量最高，感官評分最高。KISHIMOTO等[18]將從味噌和醬油中分離得到的乳桿菌NBRC 120005制成凍干粉，并按0.5 g·mL-1添加到商業味噌中，輔以80 mg谷氨酸鈉，28 ℃培養7 d，結果每克味噌產生6.9 mg GABA。JEONG等[19]用短乳桿菌CFM11在最佳條件32 ℃下發酵軟棗獼猴桃的汁液48 h（加入40%米糠提取物、1.0%蔗糖、3.0%大豆蛋白、0.2%硫酸鎂和0.2%味精），發酵液產生濃度為 1 366.13 μg·mL-1的 GABA，結果表明，使用短乳桿菌CFM11發酵軟棗獼猴桃汁液可以生產富含GABA的發酵飲料。國內乳酸菌轉化GABA主要應用于發酵乳制品、發酵豆乳制品、發酵果蔬汁飲料等。表1中總結了近幾年來高產GABA的乳酸菌、菌種來源和相關應用。

表1 常見高產GABA的乳酸菌、來源及應用總結表

4 結語

乳酸菌轉化GABA在生產功能性食品、保健食品方面的作用越來越受到重視，應用前景非常廣闊。然而，就目前的研究來看，高產GABA的乳酸菌主要集中在短乳桿菌和植物乳桿菌，菌種較單一，且對GABA吸收途徑的研究較少，對發酵過程中GABA產生機制仍然未知。此外，關于GABA具有抗高血壓和抗抑郁活性的有效劑量的信息非常有限，需要進一步研究以了解這些機制。最重要的是，在使用乳酸菌生產GABA的同時，一些乳酸菌可能還會產生生物胺（Biogenic Amine，BA），從安全角度來看，存在一定隱患。KIM等[27]研究發現用米曲霉FMBS46471和短乳桿菌GABA100發酵90 d的豆醬中GABA為7 130 ～ 11 592 mg·kg-1，酪胺為 178 ～ 305 mg·kg-1，腐胺為 139 ～ 163 mg·kg-1，組胺為 7.4 ～ 10.8 mg·kg-1，尸胺為7.1～7.9 mg·kg-1，而米曲霉發酵的豆醬中GABA為 30 ～ 1 671 mg·kg-1，酪胺為 0.8 ～ 189.0 mg·kg-1，腐胺為 1.3 ～ 85.0 mg·kg-1，組胺 3.6 mg·kg-1，尸胺0.2～2.4 mg·kg-1。結果表明，GABA的產生伴隨著大量BA產生。今后的研究中需以最大限度地減少BA的產量，同時以優化GABA的產量為重點。