γ-氨基丁酸的应用及生产前景展望

林金新，黄 平，蔡少丽，2

（1.福州三合元生物科技有限公司，福建福州 350012；2.福建师范大学 南方医学研究中心，福建福州 350118）

γ- 氨基丁酸简称 GABA，又名4- 氨基丁酸（4- Aminobutanoic acid）或γ- 氨酪酸，可以由谷氨酸脱羧酶（Glutamate decarboxylase，EC4.1.1.15，简称 GAD）催化谷氨酸（Glutamic acid）脱去羧基获得。

GABA是哺乳动物特别是高等灵长类动物中枢神经系统中的重要的抑制性神经递质，对于中枢神经系统保持正常功能具有非常重要的作用。在人体中GABA还有多种重要生理功能，有研究报道的包括：增加脑部血流量、促进神经细胞新陈代谢、增加生长激素分泌、促进乙醇代谢和促进脂类代谢等多种功效。

虽然在人体中GABA可由专一性较强的谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸生成，但是随着年龄的增长和长期快节奏的生活状态使得GABA含量逐渐降低，只能通过外源补充保持人体的健康。

日本等发达国家对GABA开发和应用已经比较成熟，目前已有富含GABA的饮品、烘焙品和茶叶等多款产品销售。我国GABA产品的开发和应用尚处于起步阶段，主要是豆类、麦类等粮食作物在通过GABA富集制作功能性食品和功能性饮料等。我国传统的大豆发酵食品，包括酱油、豆酱、豆豉、腐乳等虽然含有一定量的GABA，但是其含量不足以达到理想的功能效果。

随着GABA生理功能研究的不断深入，它的应用领域也将越来越广泛。2009年12月，国家卫生部新增了包括GABA在内的六种新资源食品，这标志着GABA作为一种新型功能性食品得到广泛认同。

1 GABA的应用领域

1.1 GABA在食品行业的应用

日本是最早开始研究GABA在食品中应用的国家，最有代表性的产品是茶饮料Gabaron。1994年，日本学者Takayo等在研究用水浸泡的稻米胚芽的氨基酸成分时，发现经过发酵处理的稻米胚芽中GABA的含量很高，每100g稻米胚芽可以超过200mg[1]。以此研究为基础，1996年，富含GABA的稻米胚芽制品在日本就面向了消费者。

近年来，日本科学家积极尝试将稻米胚芽和大豆胚芽等原料开发制造成富含GABA的功能食品配料，可以广泛地应用于风味饮料、果酱糕点、饼干曲奇和调味品的配料。此外，应用乳酸菌等益生菌生产的高浓度GABA饮料以及富含GABA的食品配料，均可直接用于降血压、增强大脑机能、改善肝功能的日常饮食。

相比日本等发达国家，我国这方面的研究开发处于初始阶段，有关富含GABA食品的研究鲜有报道，因此开发GABA功能性食品将大有前景。

1.2 GABA在医药领域的应用

GABA是哺乳动物中枢神经系统中重要的抑制性神经传达物质，约30%的中枢神经突触部位以GABA为递质，主要由神经递质GABA及其突触靶标GABA-A受体介导完成。

GABA-A受体可调节各种医用药物的作用，是巴比妥类药物、苯二氮类药物和阿普唑仑（Xanax）等药物的作用靶标；GABA-A受体对于中枢神经系统的精神活动也具有重要影响，如果它功能异常则可能引发焦虑、失眠甚至癫痫等疾病，因此，GABA-A受体也是神经障碍和精神疾病的重要治疗靶标。

新的研究报道显示，GABA能够提高葡萄糖磷酸酯酶的活性，促进脑组织新陈代谢，从而可以通过外源补充GABA改善神经功能。在日本，以GABA为主要成分的促进脑功能代谢的药品已经问世，用于治疗和改善脑梗塞、脑动脉损伤所引起的头疼和耳鸣等症状，还可以用于改善脑细胞功能障碍等。

1.3 GABA在植物保护方面的应用

对于植物冻害胁迫，添加外源GABA可以有效缓解。有研究结果表明，GABA的应用显著抑制了果实中超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽S-转移酶、单脱氢抗坏血酸还原酶和脱氢抗坏血酸还原酶等抗氧化酶的活性[2]。外源GABA的应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，导致GABA处理果实中能量电荷水平较高。近年来，有研究报道GABA在减轻冷应激方面的应用，例如在桃子、小麦幼苗喷洒含有GABA的溶液以减轻其冷应激反应。

对于植物重金属胁迫，应用GABA可以有效降低其影响。有研究报道应用外源GABA，通过激活抗氧化酶作为防御反应，降低ROS引起的羰基化蛋白水平，缓解了H+的氧化损伤和大麦幼苗的铝毒性。此外，GABA在减轻重金属胁迫对农作物的影响被报道，例如水稻亚砷酸盐中毒[3]、玉米镉中毒[4]等。

豆科植物的营养状况与环境胁迫的高度相关。有研究报道了在浮萍类植物实验GABA对植物矿物元素吸收的影响，结果表明，一定量的GABA处理的植物比未经处理的植物具有更高的人体必需营养元素含量，例如锌、锰、镁、硼等元素量增加。

添加外源GABA可提高植物体内GABA水平，植物通过调节GABA分流和相关途径提高非生物胁迫耐受性。原理是在逆境中植物应用外源GABA诱导，提高光合效率，增加内源GABA、提高抗氧化酶的含量，降低MDA、活性氧等物质的含量，降低了有害物质对植物的伤害。因此，从生物强化的角度来看，GABA的应用是提高经济作物抗环境胁迫并且提高营养成分含量的一种有效途径。

2 GABA的生产方法综述

目前GABA的生产方法主要有三种：化学合成法、植物富集法和微生物发酵法（包括衍生出来的固定酶法）。

2.1 化学合成法

化学合成法是最早用于生产GABA的方法，它有主要有两个途径，第一种是将邻苯二甲酰亚氨钾与γ-氯丁氰反应，然后将产物与浓硫酸回流，再结晶提纯得到成品；第二种是使用氢氧化钙、碳酸氢铵水解吡咯烷酮获得GABA。

化学合成法生产过程中反应条件剧烈，能耗大，副产物多，采用的试剂多具有毒性、腐蚀性，不符合绿色环保和可持续发展理念，特别是通过化学法合成的GABA不能应用于医药、食品、饲料等行业，因此化学法必将被植物富集法和微生物发酵法所取代。

2.2 植物富集法

植物富集法是通过植物组织的应激代谢来富集GABA。植物在逆境的胁迫下体内GABA含量会显著上升，借助这一特性，可以在植物富集一定量的GABA。植物富集法安全环保，也可以提高原材料的营养价值，但是生产效率很低，不足以满足市场的需求。

通常植物体内富集的GABA含量很低，所以分离提纯非常困难。例如经过富集处理的GABA茶中GABA的含量约为0.4%，而自然发芽的糙米种子中GABA的含量更是不到0.05%，因此植物富集法不适合大规模生产GABA，只适用于GABA富集农产品的生产。

米类、豆类、麦类等粮食及其他经济作物在经过GABA富集后，可以直接加工成食品、功能性饮料以及牲畜的饲料等。该生产方法可以比较好地满足消费者对GABA的需求，是将来粮食深加工的发展方向之一。

2.3 微生物发酵法

很多微生物能够产生GABA，例如酿酒酵母、乳酸菌、大肠杆菌及红曲菌等。通过对菌株的改造和强化以及培养条件的优化后，微生物产生GABA的能力可以得到大幅提高。

另外一种方法是通过固定化酶技术来制备GABA。该方法分为两个步骤，第一步是高密度培养GAD产生菌体，分离纯化谷氨酸脱羧酶。第二步用含有谷氨酸和缓冲液重悬浮菌体进行生物转化生产GABA。

研究者在生物合成的基础上开发出了固定化酶技术来制备GABA。酶的固定化是使用合适的载体材料将酶固定在上面，使其与能够与整体反应体系分离。因此，固定化酶不但具有酶的专一性、高效性的特点，还具备可回收、能够重复使用的优点。

该方法的具体流程是以大肠杆菌、酿酒酵母等微生物为表达宿主，构建谷氨酸脱羧酶高表达的基因工程菌，发酵培养后提取纯化谷氨酸脱羧酶，用合适的固定化方法获得固定化酶，用于转化制备GABA。该方法转化效率高，副产物少，不含内毒素，产生的废水量少，制备的GABA纯度高，是制备高品质GABA的绝佳选择。

3 本研究团队GABA的生产技术路线及研究展望

通过微生物发酵法生产的GABA不仅产量可观且生物安全性好，前景十分广阔。因此，构建筛选GAD活力高且生长周期短的安全菌种，寻找更加简便的GABA 分离提取设备和技术路线，是当前产业化生产GABA的研究热点。

本研究团队将依托福建师范大学南方医学研究中心的先进仪器设备，构建谷氨酸脱羧酶高表达菌株，通过高密度发酵后提取纯化谷氨酸脱羧酶，以离子液体再生纤维素为载体固定化谷氨酸脱羧酶，催化制备GABA，具体技术见图1。

图1 制备GABA的技术路线

该项目已经开始前期研究，若成功实施，可以高效制备GABA，再通过分离纯化获得高纯度的GABA以满足医药及食品开发需求。显著提升GABA产品的附加值，提升福建、福州生物技术行业的竞争力，促进生物技术产业向高端化和可持续化发展。