γ-氨基丁酸的生理功能及制備方法

程傳興，劉曉飛,王 薇

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院 哈爾濱150076)

1 GABA的物化性質(zhì)

γ-氨基丁酸別名 4-氨基丁酸(gamma-amino butyric acid，簡(jiǎn)稱GABA)，是一個(gè)四碳非蛋白質(zhì)氨基酸，結(jié)構(gòu)式：NH-CH2-CH2-COOH；分子式：C4H9NO2；分子質(zhì)量：103.1[1].GABA是呈一種白色的結(jié)晶體粉末狀，性狀對(duì)水有極強(qiáng)的溶解性，對(duì)熱的乙醇溶液微融.對(duì)冷的乙醇、苯、乙醚等溶液不溶解，沒(méi)有旋光性，解離的常數(shù)為pKCOOH=4.03，pKNH3=10.56.其在203～204 ℃的熔點(diǎn)下會(huì)造成分解，分成后生成吡咯烷酮以及水.

2 GABA的生物學(xué)功能

GABA自動(dòng)植物以及微生物中有較多的發(fā)現(xiàn)，其中在1949年首先在馬鈴薯的塊莖中發(fā)現(xiàn)，在1950年又在哺乳動(dòng)物的中樞系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)其存在[2]，同時(shí)被認(rèn)為是哺乳動(dòng)物、昆蟲(chóng)或者某些寄生蠕蟲(chóng)神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)抑制劑，對(duì)神經(jīng)元的興奮程度有著重要的影響.

2.1 降血壓作用

根據(jù)當(dāng)前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，目前引起心腦血管疾病的最主要原因就是高血壓，全球每年由于高血壓而產(chǎn)生的心腦血管疾病并因此死亡的人有1 200萬(wàn)之多[3].心血管方面的科學(xué)家通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)降低血壓，活性比較明顯的紅曲米和黃芪，他們的主要成分就是GABA[4].根據(jù)諸多的臨床試驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，得到GABA對(duì)于降壓和心腦血管調(diào)節(jié)有積極作用.

Inoue等[5]試驗(yàn)，39名高血壓患者在每天攝取含GABA(10～12mg/100mL)牛奶100 mL，持續(xù)12周后，結(jié)果顯示他們的收縮壓和舒張壓有明顯下降.在此之后的兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)[6]，針對(duì)86名和108名志愿者也獲得了相似結(jié)果；另一份研究[7]，88名患者每天攝入80 mgGABA，連續(xù)4周，服用補(bǔ)充劑的實(shí)驗(yàn)組較服用安慰劑的對(duì)照組，血壓明顯降低；177名高血壓患者在經(jīng)過(guò)每天攝取120 mgGABA，經(jīng)過(guò)12周的觀察，對(duì)血壓的降低效果明顯[8]；還有研究[9]在麻醉的自發(fā)性高血壓大鼠(SHR)中的十二指腸內(nèi)注射GABA(0.3～300 mg / kg)，大鼠血壓降低9.20 +/- 3.96至35.0 +/- 5.34 mmHg.譚俊峰[10]在同類試驗(yàn)，對(duì)SHR連續(xù)灌胃四個(gè)星期，其血壓同比下降了18%.大量的試驗(yàn)證明通過(guò)補(bǔ)充GABA能夠使高血壓病癥得以緩解.

因?yàn)樵诖蟛糠植溉閯?dòng)物的腦血管中存在一種GABA的神經(jīng)控制劑，同時(shí)又有對(duì)應(yīng)的受體存在，這就是GABA能夠?qū)ψ柚寡艿淖枞约敖档腿藗兊难獕浩鸬搅肆己玫男Ч鸞4].GABA可以跟對(duì)血管擴(kuò)張起到作用的GABAA受體以及對(duì)神經(jīng)末梢存在抵制效果的GABAB受體互相融合并且使其效果得到發(fā)揮.同時(shí)腦內(nèi)的GABA-能系統(tǒng)可對(duì)心腦血管以及血壓進(jìn)行系統(tǒng)的抑制與調(diào)劑作用.

林智等[11]人在研究發(fā)現(xiàn)，GABA具備對(duì)ACE活性的較大抑制能力，無(wú)論體內(nèi)還是體外.在GABA為30mM時(shí)，對(duì)大鼠的ACE也具有相當(dāng)強(qiáng)的抑制作用，而γ-羥基丁酸(GHBA)是大鼠代謝活動(dòng)中GABA最重要的產(chǎn)物.也能對(duì)大鼠ACE的活性起到約為57.49%抑制，證實(shí)GABA與其代謝產(chǎn)物也具有降低血壓的功效.所以我們可以利用擴(kuò)張血管和對(duì)ACE的活性進(jìn)行有效的抑制，最終達(dá)到降壓的效果.

2.2 調(diào)節(jié)心律失常

包括人類的哺乳動(dòng)物之中，都具有能夠調(diào)節(jié)心血管以及心律的GABA系統(tǒng)，中樞GABA系統(tǒng)是必不可少的.引起心律失常的原因，就與中樞GABA系統(tǒng)受阻有關(guān).有關(guān)研究表明，外源性GABA本身具有抑制心律失常的活性作用，并可以抵制試驗(yàn)性的心律失常行為.

2.3 抗驚厥與抗焦慮作用

GABA在人們的心情、情緒上也有很大的作用，比如緩解人們的焦慮、抑郁等情緒的功能.是因?yàn)镚ABA能夠與延緩焦慮的腦部?jī)?nèi)受體進(jìn)行兩者的結(jié)合，同時(shí)作用于一些相關(guān)的物質(zhì)，阻礙中樞神經(jīng)的焦慮信息接收，從而達(dá)到緩解或者直接抑制焦慮的作用[12].幾乎所有驚厥現(xiàn)象都和腦組織中GABA含量減少有關(guān).抑制GABA合成的酶可減少GABA產(chǎn)生和阻礙GABA結(jié)合受體，使得抑制作用不能正常發(fā)揮，并誘發(fā)驚厥現(xiàn)象.相反，通過(guò)組織GABA降解酶的生成可以有效減少GABA的溶解，并增加它的存量，還可以通過(guò)服用地西泮類藥物調(diào)節(jié)，使其與GABA的結(jié)合更加容易，對(duì)驚厥有較好的預(yù)防效果.

2.4 調(diào)節(jié)激素的分泌

大量的研究和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，GABA能夠通過(guò)下丘腦激素的釋放來(lái)對(duì)GABA激導(dǎo)性進(jìn)行傳遞，從而影響垂體的分泌促性激素，GABA是腦內(nèi)控制抑制性通路的主要物質(zhì)，同時(shí)可以對(duì)內(nèi)分泌系統(tǒng)的激素分泌狀況進(jìn)行干預(yù)，又可以促進(jìn)腺垂體的生長(zhǎng)激素分泌.所以提高血液中的生長(zhǎng)激素(GH、hGH)含量可通過(guò)食用GABA實(shí)現(xiàn)[13].

促生長(zhǎng)素，簡(jiǎn)稱GH，作為人體內(nèi)可以調(diào)節(jié)新陳代謝以及生理功能的重要激素，可以對(duì)人體的細(xì)胞、骨骼、肌肉等器官的生長(zhǎng)發(fā)育起到非常重要的作用.生長(zhǎng)激素(hGH)對(duì)延緩衰老、抗感染等生理功能起重要作用.因?yàn)檫^(guò)量服用hGH會(huì)有不良作用，所以應(yīng)食用GABA，而不是GH藥物.GABA在更加安全合適的情況下，促進(jìn)人體本身的各項(xiàng)激素分泌.

2.5 其他功能

GABA在提神安寧以及提高睡眠質(zhì)量和記憶力等生理層面也有比較突出的表現(xiàn)，包括對(duì)神經(jīng)細(xì)胞以及腦細(xì)胞等，可以使它們延緩衰老，并且促使腦補(bǔ)血流順暢、減緩喘息病癥、對(duì)血壓、脾臟、胃等器官都有良好的保護(hù)和營(yíng)養(yǎng)改善作用，同時(shí)又可以幫助人們醒酒，更可以預(yù)防最常見(jiàn)的糖尿病，高血壓等病癥[14].

3 GABA的制備方法

1993第一次通過(guò)化學(xué)合成的方法成功研制出了GABA.此后的相關(guān)研究日益豐富.GABA可開(kāi)發(fā)作為具備顯著藥理功效的藥物或保健食品，前景十分廣闊.為了獲得更多的GABA，科研人員開(kāi)始了各種嘗試，并獲得了諸多成果.

3.1 化學(xué)合成法

針對(duì)目前對(duì)GABA的合成制備方法非常多，應(yīng)用較廣泛、比較重要的化學(xué)合成主要有以下幾種：第一種是采用鄰苯二甲酰亞氨鉀以及γ-氯丁氰或丁內(nèi)酯兩種物質(zhì)作為制作GABA的原料成分組成，經(jīng)過(guò)劇烈反應(yīng)之后并與進(jìn)行水解后得到的最終產(chǎn)物就是GABA；第二種是利用吡咯烷酮作為最初的原料，并通過(guò)氫氧化鈣以及碳酸氫銨進(jìn)行水解，最終使其開(kāi)環(huán)得到的產(chǎn)物就是GABA；第三種是把丁酸和氨水作為GABA的原料，使其在γ射線條件下進(jìn)行光照反應(yīng)得到GABA；第四種是通過(guò)輝光放電的方法，將丙胺和甲酸，兩種物質(zhì)進(jìn)行合成GABA；第五種是把溴醋酸甲酯和乙烯作為制備GABA的原料，他們兩個(gè)通過(guò)聚合反應(yīng)得到4-溴丁酸甲酯，最后經(jīng)過(guò)氨解和水解后的產(chǎn)物即為GABA.GABA的化學(xué)合成方法存在反應(yīng)環(huán)境不好，反應(yīng)不容易控制、以及成本比較高的缺點(diǎn)[15].

3.2 植物富集法

植物富集法是一種新型開(kāi)發(fā)的合成萃取提純技術(shù)，它是將含GABA含量較高的植物進(jìn)行分離提取，這樣便有了及便宜又純度高的GABA產(chǎn)品，而與微生物發(fā)酵法得來(lái)的GABA對(duì)比，其他發(fā)酵法的生產(chǎn)環(huán)境要求苛刻，并且比其他的化學(xué)合成制備方法具有更高的安全性保障.從植物中獲取GABA的方法主要有以下兩種：其中一種是利用溶劑萃取提純法，另一種是柱分離制備法.

3.2.1 溶劑萃取法

溶劑萃取法其中一是利用水或醇作為GABA的提取劑，根據(jù)植物在水或者醇中的溶解度以及分配系數(shù)不同的原理將GABA提出到水或者醇中，并且經(jīng)過(guò)反復(fù)的過(guò)濾提純，可以使植物中絕大多數(shù)的GABA都被萃取出來(lái).超聲提取與靜置提取相比在得到產(chǎn)量方面更勝一籌.沈強(qiáng)[16]等就是利用超聲在水中進(jìn)行提取的方法，將茶葉中存在的GABA較好的提純萃取出來(lái).其過(guò)程是在真空中充入氮?dú)? h，除去氮?dú)馊缓蟪淙胙鯕? h，如此循環(huán)進(jìn)行4次，最后進(jìn)過(guò)微波過(guò)濾提取之后，可以得到每100 g茶葉提取出189 mg的GABA.另一種方法是利用鹽溶液等外加萃取劑提取，比如磺基水楊酸或碳酸鈉-碳酸氫鈉等等.錢(qián)愛(ài)萍等[17]人利用此方法，加入5%磺基水楊酸在適當(dāng)條件下進(jìn)行提取出的GABA含量有98.48%之多，相比于鹽酸水解法提取的含量高出了13.54%～13.77%，比醇提法提高7.42%～8.06%，且方法穩(wěn)定簡(jiǎn)單.

3.2.2 柱分離制備法

柱分離之制備法，又被叫做柱色譜法，是一種利用不同的混合物中的物質(zhì)在固液兩相中具有不一樣的分配系數(shù)，并進(jìn)行洗脫分離的后續(xù)操作過(guò)程，它的大分類應(yīng)該歸屬于層析法的其中一種.分離的過(guò)程一般采用樹(shù)脂、硅膠或活性炭等填充材料.嵇豪[18]等人通過(guò)使用D101樹(shù)脂柱對(duì)紅曲發(fā)酵液進(jìn)行分離洗脫，最終得到GABA的分離率為45.4%.活性炭作為一種生活和實(shí)驗(yàn)中常用的吸附劑，具有極為優(yōu)秀的吸附能力.活性炭吸附法[19]可以用在甘蔗的氨基酸提取實(shí)驗(yàn)中，一般情況在50～90 ℃下，用0.5～2.0 mol/L氨水和30%～90%乙醇進(jìn)行動(dòng)態(tài)的持續(xù)洗脫.這種方法體現(xiàn)了不浪費(fèi)原材料的理念，還降低了有害物質(zhì)以及對(duì)環(huán)境的傷害，并且節(jié)約了提取時(shí)間.

3.2.3 鹽酸水解法

鹽酸水解法[20-21]是檢測(cè)氨基酸的常規(guī)方法即國(guó)標(biāo)法，在GB/T5009.124-2003、GB/T18246-2000等國(guó)標(biāo)中均有涉及，具有廣泛認(rèn)可性.它是利用蛋白質(zhì)會(huì)在鹽酸中進(jìn)行水解然后成為游離的氨基酸原理，經(jīng)過(guò)離子交換柱的分離以及茚三酮溶液定性檢測(cè)，并且在分光光度計(jì)確定GABA的含量進(jìn)行比色，由于其最低的檢出限是10pmol，所以其對(duì)植物低蛋白的檢測(cè)是檢查不出來(lái)的，這就是其內(nèi)部的局限性.

3.2.4 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)使一種利用膜內(nèi)外壓差不同而產(chǎn)生的推動(dòng)力，使液體中的不同物質(zhì)依靠外界的作用力，選擇性的透過(guò)膜的方法，最終達(dá)到分離以及提取的效果.馮骉[22]等人在剛剛有膜分離技術(shù)的時(shí)候，就對(duì)間歇稀釋過(guò)濾和連續(xù)稀釋過(guò)濾兩種過(guò)濾方法，進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的建立，使他們的分離提取效率達(dá)到了95%.通常來(lái)講對(duì)GABA高純度分離最好的方法是利用超聲和納米過(guò)濾兩種方法共同進(jìn)行，但是由于這種提取方法的分離膜特別容易受到損害及污染以及容易產(chǎn)生極化現(xiàn)象等劣勢(shì)[23].

3.3 微生物發(fā)酵法

微生物發(fā)酵法是一種經(jīng)過(guò)選擇品種優(yōu)良、穩(wěn)定以及無(wú)毒無(wú)害的菌種，利用這些菌種在生長(zhǎng)繁殖的過(guò)程中對(duì)GABA進(jìn)行制備和產(chǎn)出.這種方法雖然對(duì)環(huán)境的要求比較苛刻，對(duì)設(shè)備的要求較高，但是其可以成為天然的食品添加劑，這樣對(duì)生物的傷害就遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)合成所帶來(lái)的傷害.微生物是食品行業(yè)中應(yīng)用發(fā)展最早，領(lǐng)域最廣泛的生產(chǎn)方式，最早的微生物室大腸桿菌，利用它來(lái)進(jìn)行脫羧酶生產(chǎn)GABA，但是一直由于其本身存在一些安全隱患，使其一直無(wú)法直接的用于藥品或者食品的生產(chǎn)制作中[24].隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，綠色食品越來(lái)越受到人們的重視，以及后來(lái)的乳酸菌、酵母菌以及曲霉菌等微生物都可以代替大腸桿菌，進(jìn)行催化，生產(chǎn)GABA.而且在較低成本的情況下，還具有產(chǎn)量高、安全性好的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐漸在向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展.乳酸菌作為一種最常見(jiàn)的微生物，由于其的安全性以及高效等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為最重要的益生菌，并且還有非常大的潛能尚待開(kāi)發(fā).

Noriko Komatsuzaki[25]等人在2005年對(duì)Lb.paracasei NFRI 7415 進(jìn)行研究，最終能積累產(chǎn)生30g/L的GABA.許建軍等[26]人利用乳酸菌以及酵母菌的混合物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，利用原材料L-谷氨酸鈉進(jìn)行GABA的制備，最終得到了300～500mg/100mL的GABA.黃俊等[24]人從未殺菌的原料生奶中篩選出高產(chǎn)GABA的乳酸菌Lactobacillus brevis CGMCC-1306，所得GABA的產(chǎn)量接近76.36g/L.在表1中列出了一部分研究人員[27]通過(guò)微生物的發(fā)酵方法對(duì)GABA進(jìn)行量產(chǎn)的效果進(jìn)行了綜合整理.

表1微生物發(fā)酵法合成GABA的產(chǎn)量概述

微生物合成方法GABA產(chǎn)量大腸桿菌固定化細(xì)胞10g/L叢毛紅曲霉深層發(fā)酵0.18g/L紫紅曲霉菌固體發(fā)酵5g/kg紫紅曲霉菌固體發(fā)酵1.2g/kg釀酒酵母深層發(fā)酵0.043g/L副干酪乳桿菌深層發(fā)酵31.15g/L乳酸乳球菌奶酪生產(chǎn)0.38g/kg短乳桿菌深層發(fā)酵1.05g/L乳酸乳球菌深層發(fā)酵2.5g/L乳酸乳球菌深層發(fā)酵3.63g/L乳酸乳球菌深層發(fā)酵3.1g/L乳酸乳球菌深層發(fā)酵5.4g/L

4 展 望

隨著人們逐步邁進(jìn)生命科學(xué)的時(shí)期，開(kāi)始對(duì)自己的健康以及生活狀態(tài)有了較高的要求，這便使綠色食品、生態(tài)食品等成為大家追捧的熱點(diǎn).在科研人員不斷深入研究GABA下，了解到了GABA具有諸多藥理活性.所以對(duì)于GABA的制備以及提取等研究?jī)?nèi)容越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的重視，使GABA在食品領(lǐng)域的發(fā)展也成為一種重要的方向.尤其是在日本，由于其成功研發(fā)出的含有豐富的GABA的發(fā)芽糙米后，其他相關(guān)含有GABA的產(chǎn)品相繼被大力開(kāi)發(fā)，并且受到人們的廣泛好評(píng)，正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化狀態(tài).同時(shí)，目前的GABA已經(jīng)被人們廣泛的開(kāi)發(fā)用于食品、藥品、保健品以及調(diào)味料等人們?nèi)粘Ｉ畹挠闷分校⑶铱梢赃m應(yīng)不同的年齡以及人群結(jié)構(gòu).由此，可以看出GABA具有極大的市場(chǎng)潛力.

中國(guó)的GABA市場(chǎng)增長(zhǎng)較為緩慢，源于消費(fèi)者對(duì)這類產(chǎn)品的認(rèn)知不足.如今并沒(méi)有熟練掌握GABA高純度提取技術(shù)，并且存在成本與產(chǎn)品的不對(duì)等、難以產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的難題，所以我國(guó)的GABA提純制備技術(shù)并不完善，尤其是食品級(jí)的GABA提取.然而隨著科學(xué)以及社會(huì)的進(jìn)步，分離提純的工藝方法會(huì)越來(lái)越豐富，越來(lái)越有效，這樣會(huì)對(duì)我國(guó)的食品級(jí)GABA的提取技術(shù)的充分的完善和提高，繼續(xù)推動(dòng)我國(guó)GABA市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、使我國(guó)的新資源以及綠色產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展.

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