高γ-氨基丁酸水稻及其米制食品开发应用研究进展

李逸翔 周新桥 陈达刚 郭洁 陈可 张容郡 饶刚顺 刘传光* 陈友订

（1 广东海洋大学滨海农业学院，广东湛江524088；2 广东省农业科学院水稻研究所/广东省水稻育种新技术重点实验室/广东省水稻工程实验室，广州510640；第一作者：1143678526@qq.com；*通讯作者：guyliu@tom.com）

γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）是一种动植物中普遍存在的四碳非蛋白质氨基酸。在哺乳动物中枢神经系统中，GABA 是一种重要的抑制性神经递质，介导40%以上的抑制性神经传导[1]。在高等植物中，GABA 主要参与逆境胁迫响应，调节碳氧平衡和植物生长发育等一系列重要生命活动[2]。研究表明，当植物应对逆境时，体内会产生应急机制积累更多的GABA，而通过外源喷施GABA 也能显著提高植物的抗胁迫能力，如抗高温胁迫、盐胁迫、铵胁迫和干旱胁迫等[3-5]。由于GABA 具有调节人体血压、提高肝肾功能、辅助治疗糖尿病，以及改善睡眠质量等作用，近年来对其生理作用的研究越来越受关注[6-8]。

水稻是我国主要的粮食作物之一，在其各器官中GABA 普遍存在[9]。而富含GABA 的稻米能调节人体血压，对治疗高血压有着显著效果，因此，如何提高稻米或米制品的GABA 含量近年来得到水稻育种和食品加工界的高度重视。本文综述了近年来水稻GABA 相关研究进展，围绕水稻GABA 含量及品种间差异、GABA代谢通路、GABA 保健功能、提高稻米GABA 含量的方法以及国内外高GABA 含量水稻选育和应用现状进行系统述评，以期为高GABA 水稻育种及产品开发提供理论参考。

1 水稻GABA 含量及品种间差异

GABA 作为植物体内的一种非蛋白质类氨基酸，在水稻中的含量较低，不同部位及不同品种之间的差异明显。在大多数水稻品种中，叶片的GABA 含量要比籽粒高2～3 倍。由于我们食用的是稻米，因此目前关于水稻GABA 的研究主要还是集中在稻米上。杨树明等[10]研究发现，水稻不同部位GABA 含量差异显著，其中皮胚为100.9～448.1 mg/kg，颖壳为36.4～88.7 mg/kg，糙米为25.0～88.3 mg/kg，精米为10.0～59.8 mg/kg，GABA 主要分布在胚及种皮等部位。柏鹤等[11]发现，大部分特种水稻品种稻米GABA 含量与普通白米相近，只有巨胚糯米、香糯米以及白甜米GABA 含量较高，为210.8～219.2 mg/kg，比一般白米高6.57%～10.82%。KARLADEE 和SURIYONG[12]对21 个水稻品种（11 个地方紫米品种和10 个现代白米品种）进行发芽试验，发现在发芽48 h 内白米品种KDML 和紫米品种Kum Doi Saket 的平均GABA 含量分别达到了234.8 mg/kg 和236.3 mg/kg，为其中最高。吾建祥等[13]对浙江稻区适栽的28 个水稻品种进行GABA 含量测定，结果表明各品种间存在显著差异，其中以金早47 最高为330.4 mg/kg，是含量最低的钱优1 号（55.2 mg/kg）近6.0 倍。

2 GABA 在水稻中的代谢通路

研究表明，GABA 在水稻中的合成与代谢主要是GABA 支路和多胺降解途径（图1）[14-15]。在水稻各器官中，谷氨酸（Glutamic acid，GA）在谷氨酸脱羧酶的催化作用下发生不可逆的脱羧反应产生GABA；之后GABA在GABA 转氨酶的作用下发生转氨反应，进而转化为琥珀酸半醛；琥珀酸半醛最后通过琥珀酸半醛脱氢酶发生氧化反应，转化生成琥珀酸，从而进入到三羧酸循环[16]。

图1 GABA 代谢通路

高等植物GABA 也可以在多胺降解途径中产生，由多胺在聚胺生物合成酶的基因调控及非生物压力下通过一系列酶促反应生成并累积。主要是腐胺在亚精胺合成酶的催化作用下合成亚精胺，而亚精胺又经过精胺合成酶转化为精胺，之后精胺氧化降解形成4-氨基丁醛，在甜菜碱醛脱氢酶催化下合成GABA[13]。其中GABA 的前体物质4-氨基丁醛同时也是水稻香味特征物质2-乙酰-1-吡咯啉的共同前体物质[17-19]。

研究表明，稻米GABA 代谢过程主要集中在稻米的糊粉层和胚等组织，并且在籽粒发育过程中GABA代谢以降解为主。其原因在于负责调控GABA 降解的GABA-T1 和GABA-T2 表达水平相对较高，致使籽粒发育过程中GABA 含量总体呈降低的趋势[14]。

3 GABA 对人体的保健功能

GABA 对人体具有良好的保健功能，如降低血压、控制血糖、促进睡眠、增强记忆力、预防及治疗癫痫等[20]。哺乳动物的脑血管中存在GABA-能神经系统，当GABA 和具有扩张血管作用的GABAA 受体以及对交感神经有抑制作用的GABAB 受体结合时，能有效促进血管扩张从而起到降低血压的效果[21]。临床试验中，对食用高GABA 大米的成年高血压患者进行早晚2 次血压检测，发现食用GABA 大米后患者早晨的血压有明显改善，而夜间血压测量值无明显变化[22]。在对自发性高血压大鼠大脑注射15 μmol GABA 后发现，与对照组相比，注射组大鼠的动脉压力感受器反射功能明显增强，证明GABA 能有效调节心率并降低血压波动[23]。此外，GABA 对于糖尿病的治疗也有着突出的效果。在哺乳动物中，胰岛内的GABA 含量仅次于中枢神经系统，可由胰岛β 细胞合成[24]。研究表明，2 型糖尿病患者体内GABA 含量较低，通过口服GABA 能缓解其病情[25]。刘宇凡等[26]通过对2 型糖尿病小鼠持续饲喂2 g/L 的GABA 水溶液，检测血糖相关指标，结果表明患2 型糖尿病小鼠的空腹血糖和胰岛素抵抗指数明显高于正常小鼠，其胰腺组织胰岛素表达量、胰岛β 细胞数目以及负责维持胰岛β 细胞表型和胰岛素合成的胰腺十二指肠同源框等均降低，而GABA 的干预能明显改善上述情况。在先前的研究中，GABA 具有抑制神经细胞的作用，由此可以推断GABA 可能存在类似的情况，可以提高胰岛素抵抗水平，上调胰腺十二指肠同源框表达水平，拮抗2 型糖尿病小鼠胰岛β 细胞数目减少及胰岛素分泌下降等。除此之外，GABA 作为一种抑制性神经递质，与癫痫、阿尔茨海默症、帕金森病等精神类病理密切相关，对其进行更深层次的研究是解决此类疾病的重要途径[27]。

4 提高稻米GABA 含量的方法

4.1 种子萌发阶段通过理化处理提高稻米GABA 含量

发芽糙米是糙米经发芽、干燥等过程之后得到的带胚芽的米制品。由于糙米极大程度保留了糊粉层和胚乳以外的部分，其所含有营养成分远高于普通精米，具有较高的GABA。普通稻米中GABA 含量非常少，在适当温度和湿度条件下，种子萌发能促使稻米中GABA 的合成和积累[28]。其原因是发芽过程中稻米内部发生大量酶解反应使其底物谷氨酸含量增加，并使谷氨酸脱羧酶活性增强，促进GABA 的生成积累[29-30]。

通过控制发芽的环境条件能促进GABA 的合成与累积。综合目前已有的研究结果，发现添加适当底物的条件下，当发芽温度为30 ℃～40 ℃、发芽时间为24～32 h、浸泡环境pH 值为5.4～5.9 时，GABA 合成和累积量最高[31-38]。

除此之外，通过对种子发芽期间进行一定程度的胁迫处理，也是稻米富集GABA 含量一条重要的思路。研究表明，在水稻种子萌发阶段利用CO2和N2进行低氧胁迫处理可显著提高GABA 积累量，尤其是在发芽36 h 之后GABA 积累效果显著，且CO2对于发芽糙米GABA 积累的促进效果优于N2[39-40]。种子在低氧环境下之所以能产生大量GABA，原因在于低氧胁迫下细胞组织酸化，体内H+含量增加，刺激增强谷氨酸脱羧酶的活性并抑制谷氨酸转氨酶的活性，进而促进GABA积累。SHIGEMATSU 和MURAKAMI[41]研究指出，高压胁迫处理可诱导去壳种子发芽过程中的谷氨酸转化为GABA，从而提高稻米的GABA 含量。在200 MPa 高压下处理10 min 后，稻米中的游离氨基酸与未处理样品无明显差异，但两样品置于25 ℃下保存4 d，期间经过高压处理样品的GABA 含量随着保存时间的增加而不断增加，且高于未处理样品，其GABA 浓度也随着培养液中谷氨酸浓度的增加而增加。在发芽过程中，进行一定程度的盐胁迫能够增强细胞间渗透压，使细胞膜流动性发生改变，从而引起一系列磷酸化反应并激活钙离子通道，使得细胞质中钙离子含量大量增加，活化谷氨酸脱羧酶进行脱羧反应积累GABA。陈春旭等[42]用133.5 mmol/L 的NaCl 溶液对去壳种子进行盐胁迫后发现，种子的谷氨酸脱羧酶活力和GABA 含量都呈现先增加再下降的趋势，当发芽至3 d 时达到最大值，其中谷氨酸脱羧酶活性为非胁迫下发芽糙米的1.24 倍，而GABA 含量为1 217.1 mg/kg ，是非胁迫下发芽糙米同期的1.12 倍。马丽等[43]将去壳种子分别置于-70 ℃、-20 ℃、-5 ℃、0 ℃和10 ℃下进行低温胁迫发芽，发现在0 ℃下其GABA 含量富集程度最高，为非低温处理的1.19 倍，积累效果明显。综上所述，对发芽期间的种子进行胁迫处理，可以进一步提高其GABA 合成量。目前对于种子的胁迫研究大多是围绕一种方式，未来可以通过分析多种胁迫方式共同处理下的联合效应，以达到更高的GABA 含量。其次，对种子进行胁迫处理，与植株整体受胁迫所引起的GABA 积累及抗逆性变化有何关联，其内部调控网络及信号传递鲜有报道，仍需进一步探索与证实。

4.2 通过遗传育种技术提高稻米GABA 含量

在高GABA 含量水稻遗传育种方面，目前最具成效的当属巨胚水稻的成功培育。巨胚稻是通过人工诱变的手段获得的一种特殊水稻种质资源，其最显著的特点是胚的大小是普通水稻品种的3～5 倍[44]。水稻GABA 主要集中在胚中，因此巨胚米所含有的GABA含量明显高于其他水稻品种。杨艳荔[45]分析了5 个水稻品种与其相应的巨胚突变体糙米中GABA 含量。结果表明，M86、98-14B、1813B 和TB 每100 g 糙米粉中分别含有1.7、3.4、3.3 和5.5 mg 的GABA，而各品种对应的巨胚突变体Mge86、98-14geB、1813geB 和TgeB 每100 g 糙米粉中含有4.0、15、5.1 和27.0 mg GABA，GABA 含量显著增高。

巨胚水稻作为一种高营养价值的功能性水稻，其选育工作一直备受国内外育种家的关注。日本学者SATOH 和OMUAR[46]通过诱变技术首次成功获得金南风（Kinmaze）的巨胚突变体，以其为亲本，MAEDA 等[47]在2001年通过杂交和系统选育培育出新的巨胚水稻品种Haiminori，其GABA 含量明显高于其他水稻品种。

目前国内对于巨胚水稻的选育也取得了许多成果。1997年，中国水稻研究所通过杂交育种育成巨胚品系巨胚1 号[48]。福建农林大学在2003年通过诱变获得籼稻龙特浦B 巨胚突变体，其绝大多数农艺性状与龙特浦B 无明显差异，但绝对胚质量和相对胚质量从0.63 mg 和2.78%增加至1.15 mg 和6.07%，包括GABA在内的各种氨基酸含量平均提高5.45%～30.36%[49]。上海市农业科学院在2009年从韩国引进巨胚稻花晴M-2-565-11-3-B，以其为母本进行杂交并育成巨胚粳1号，其胚的大小比对照组高197.6%，胚质量占比可达7.11%，其中GABA 含量高达78.0 mg/kg，各类蛋白质、维生素、膳食纤维含量均较高，营养价值丰富[50]。上海师范大学在2011年通过对水稻品种超2-10 成熟胚离体培养获得巨胚突变体上师大5 号，除千粒重差异较大外，其余农艺性状无明显差异[51]。除此以外，上海师范大学在2014年通过分子标记辅助常规育种获得黑色香型巨胚水稻新品系2013-2207 和2013-2305，并在2017成功选育出红米巨胚水稻新品系上师大10 号[52-53]。福建农林大学在2020年成功培育出巨胚糯稻恢复系福巨糯2 号等[54]。上述研究成果为高GABA 水稻开发与应用打下了重要基础。

4.3 通过基因工程技术提高稻米GABA 含量

利用基因工程的方法富集GABA 是培育高GABA水稻的重要途径之一。植物中的GABA 由GAD 催化谷氨酸生成。植物的GAD 携带的一个C-末端延伸，可以通过结合Ca2+和CaM（钙调素）来调节自身的酶活性。AKAMA 和TAKAIWA[55]发现，C 端截短的水稻GAD2（OsGAD2ΔC）蛋白活性比野生型GAD 高出40倍以上，利用过表达C 端截短的水稻OsGAD2 蛋白和过表达OsGAD2ΔC 构建载体同时通过农杆菌导入水稻愈伤组织中，构建转基因细胞系，发现其愈伤组织的GABA 含量分别是野生型的6 倍和100 倍，但是其转基因水稻具有矮化和不育等不良表型。通过进一步研究发现，如果仅在水稻种子中特异性表达OsGAD2ΔC，则其再生的转基因水稻并未出现其他不良表型，而转基因水稻稻米中GABA 的含量增加了30 倍左右。而在进一步对GAD3 的研究中，通过CRISPR/Cas9 基因编辑技术，重新构建了GAD 蛋白，也得到了类似的结果，除了籽粒GABA 含量较高之外，平均粒质量和蛋白质含量均优于野生型[56-57]。此外，周露等[58]利用RNAi 策略抑制水稻中OsGABA-T1 的表达，干扰株系叶片和种子中OsGABA-T1 和OsGABA-T2 基因的表达量，最终促使转基因水稻GABA 含量显著增加，而其他氨基酸含量没有明显变化。

5 高GABA 米制食品的开发应用及前景展望

5.1 高GABA 米制食品的开发应用

水稻是世界上最主要的粮食作物之一，我国超过65%以上人口以水稻为主粮[59]。随着我国居民的生活水平的改善，对饮食的要求也逐步从“吃饱”转向“吃好”，中医医典基于“药食同源”提倡的食疗、养生等也日益受到人们的重视。研究表明，高GABA 发芽糙米及米制品对提高人体免疫力，改善身体健康水平具有重要意义，对其相关产品的加工生产已成为国内外食品研究的热点之一[60]。

随着我国人口老龄化的不断加剧，因心血管疾病死亡的人数高居城乡居民总死亡人数的首位，在农村及城市的占比分别为45.50%和43.16%[61]。而高血压是最常见的一种心血管疾病，中国高血压调查（China Hypertension Survey，CHS）在2012—2015年间的调查结果表明，我国成年居民高血压患病率高达27.9%，未来我国高血压总患病人数将达到2 亿人以上，形势严峻[62]。如何有效控制高血压对心血管疾病防治十分重要。研究表明，富含GABA 食物对调节人体血压有着突出疗效，中国古时民间用于降血压的红曲霉中主要的降压成分就是GABA[63-64]。而动物实验证实，富含GABA大米可以有效降低高血压大鼠的血压，并减少心血管疾病并发症的可能[65]。

长期以来，日本对高GABA 发芽糙米及相关产品的研究一直居于世界前列，早在1996年就成功开发了多种高GABA 发芽糙米食品，目前已经进入产业化和商品化的阶段，市场认可度较高[66-67]。相较而言，我国对发芽糙米的研究时间较短，深加工产品少，规模也不大，目前主要还是集中在试验摸索阶段。随着2003年我国启动“发芽糙米产业化项目”，对高GABA 发芽糙米食品的开发应用也取得了显著进展[68]。目前常见的发芽糙米产品大致可分为三大类：发芽糙米主食类食品、发芽糙米酒类以及发芽糙米饮料等。

5.1.1 高GABA 发芽糙米主食类食品

发芽糙米主食类食品主要是应对现代社会节奏加快而研制的速食食品，是以发芽糙米粉为原料制成的速食粥、面包、馒头以及饼干等，既能满足快节奏的生活方式，又能提供高品质的营养补充。苏登[69]围绕速食粥的复水率、外观、气味、黏着性以及口感等5 个指标，对69 个水稻品种发芽糙米加工成的速食粥进行理化性质分析和感官评价，筛选出3 个最适合加工成发芽糙米速食粥的品种3D987、3D957 和3D955，其GABA含量最高可达204.0 mg/kg，并利用热分循环干燥的方法完善了发芽糙米速食粥加工工艺，使其口感相较于市面上普通速食粥有很大改观。尹永祺等[70]利用经盐胁迫及氯化钙处理的富含GABA 发芽糙米及大豆为原料研制新型高GABA 营养干面条。通过对面条的加工工艺和面条配方分别进行正交及单因素试验，围绕GABA 含量、水分含量、熟断条率、感官评价以及综合评价，开发出富含GABA，并且外观色泽口感营养俱佳的功能性营养面条，面条最终GABA 含量达到（69.6±1.3）mg/kg，感官评价得分为（86.7±1.6）分。CORNEJO等[71]研究了不同萌发时间（0 h、12 h、24 h 和48 h）的发芽糙米对其制得的发芽糙米粉面包营养效益的影响。通过测定其GABA 含量和淀粉、葡萄糖等体外蛋白质消化率和体外酶解率得出，糙米萌发48 h 后的面包具有较高含量的GABA 和丰富的营养价值。总体来说，高GABA 发芽糙米主食类食品种类较多，形式多样，符合目前大众的饮食多样性需求。随着未来食品加工技术的不断发展，高GABA 主食类食品也将更多的应用在实际市场上，满足越来越多人们的日常需求。

5.1.2 高GABA 发芽糙米酒类

目前我国市面上酒类同质化严重，开发富含GABA 的特色酒类，可以丰富我国酒类产品，推动酒类产业的发展，提高国际竞争力。周艳华等[72]以高GABA 发芽糙米粉作为主要原料之一酿制富含GABA 保健啤酒，通过研究发芽糙米使用量、酒花添加量、酵母接种量以及发酵温度等对GABA 保健啤酒品质的影响，最终确定最佳的加工工艺，成功研制出GABA 含量高达68.8 mg/L 的保健啤酒。范明成等[73]对酿造米酒的发芽糙米进行处理，确定最适的发芽糙米发芽条件，并通过200 MPa 的超高压处理获得GABA 含量高达27.4 mg/L的优质米酒，极大提高了米酒的风味品质。盖伦等[74]在研究白酒的生产加工时通过糙米发芽来提升其GABA含量，探究最佳工艺参数，结果表明，当浸泡温度为30 ℃、浸泡时间为18 h、发芽时间为20 h、发芽温度为28 ℃时效果最好，通过一系列加工步骤成功制得高品质GABA 白酒。

5.1.3 高GABA 发芽糙米饮料

以发芽糙米为原料制得的饮品，色泽均匀呈淡米黄色，口感柔和，具有浓厚米香，缓解了发芽糙米较差口感，适口性改善，大米营养价值提高。CCERES 等[75]利用发芽糙米、糙米以及浸泡过的糙米分别发酵，通过测定其活性成分含量如GABA、酚类化合物、γ-谷维素，并且评估了发酵剂培养的可行性、酸化模式、技术功能特性和感官评价等，结果显示，利用发芽糙米进行发酵的酸奶GABA 含量可达7.4 mg/kg，显著高于对照组的0.5 mg/kg。傅金凤等[76]分别利用富含GABA 的发芽糙米发酵和金白龙茶叶浸提获得发芽糙米酒和茶浸提液，进行复配得到发芽糙米酒茶复合饮料，其口味更加丰富，GABA 含量高达358.7 mg/kg，茶多酚含量为805.7 mg/kg，具有良好的保健效果。李飞等[77]利用发芽糙米和乳酸菌混合发酵，通过对料液比、接种量、发酵时间和温度进行单因素试验并进行响应面分析优化工艺，成功研发出一款口感优良、营养丰富的发芽糙米活性乳酸菌饮料。

5.2 前景展望

高GABA 水稻的培育与应用还处于起步阶段。目前国内外高GABA 水稻品种的选育成果主要集中在巨胚稻上，但对巨胚基因（ge）影响GABA 合成与代谢的分子机理尚不明确。随着对水稻GABA 合成与代谢遗传机理研究的不断深入，可以结合多组学研究方法，探明GABA 合成代谢途径中关键酶基因，挖掘控制GABA 合成基因，开发可用于分子辅助选择育种的分子标记，进一步提高水稻GABA 含量，培育高GABA 水稻品种并用于高GABA 大米及米制品开发，是高GABA 水稻研究和应用的重要途径。

研究表明，每日摄入30～100 mg 的GABA 对人体能起到一定的保健作用。GABA 在动植物中广泛存在，但一般情况下个体含量较少，人体从食物中摄取的GABA 无法满足保健功能的需求。目前国内市场上可见的GABA 食品极少，因此开发富含GABA 的功能食品具有迫切的市场需求和广阔的市场前景。由于稻米中GABA 主要集中在胚和种皮上，糙米保留了这些部位而GABA 含量较高，发芽糙米的GABA 含量比普通糙米又有显著提高。因此，发芽糙米目前是高GABA 食品研究重点。但发芽糙米价格比较高、口感不佳，长期以来未被消费者广泛接受。未来如果可以通过育种方法提高水稻胚乳的GABA 含量，将促进稻米加工产业升级及提高水稻生产效益。目前我国对高GABA 稻米及相关产品的生产加工和市场推广都还在起步阶段，各品种发芽工艺差异较大，相关产品质量参差不齐，需要不断提高产品质量并制定更加规范的产业化标准。