大豆γ-氨基丁酸的富集及 產品開發(fā)研究進展

方 芳,王東暉,王 艷,張麗靜,李淑英,幸岑璨,楊 穎,王鳳忠

(中國農業(yè)科學院農產品加工研究所,北京 100193)

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA),又名4-氨基丁酸,是一種廣泛存在于動植物及微生物體內的非蛋白質氨基酸[1-2]。作為哺乳動物最重要的抑制性中樞神經遞質之一[1],GABA可有效降低神經元活性,減輕痛苦和焦慮,對血壓和心率具有調節(jié)作用,對心血管功能具有保護作用[3-6],同時其還對老年癡呆的發(fā)生具有重要的預防和治療作用[7-8]。隨著人們對GABA的認識逐漸深入及其生理功能逐漸被揭示,目前其已成為部分營養(yǎng)功能食品營養(yǎng)品質評價的重要指標,并被逐漸應用于功能食品開發(fā)中。而如何選擇合適的食品原料并提高其GABA富集量也成為領域內的研究熱點。

大豆是我國重要的油料作物和糧食作物,是亞洲地區(qū)廣泛消費的豆科植物,同時也是近年來西方飲食結構中大力推崇的營養(yǎng)健康食品之一[9]。因其是GABA的重要來源而常被用作生產富含GABA產品的重要食物原料,而萌芽常被作為提升大豆中GABA富集量的重要手段[2]。但由于大豆GABA富集過程常受多種因素的影響,從而影響其保健功能的發(fā)揮及相關制品的品質提升。針對上述問題,本文就大豆中γ-氨基丁酸富集的影響因素及其產品開發(fā)現(xiàn)狀進行了綜述。

1 大豆GABA富集的影響因素

1.1 品種

品種是指具有一致性狀且遺傳性狀穩(wěn)定的一類生物,而遺傳性狀是影響大豆GABA含量的重要因素[10-11]。因此大豆品種不同,GABA的富集量不同,在選擇富集GABA的大豆原料時,品種是必須考慮的因素。Morrison等[12]以種植于同一產區(qū)的16個短季大豆品種為對象,在研究大豆品種與GABA積累量的關系時發(fā)現(xiàn),不同品種GABA積累量明顯不同,Mandarin品種的GABA積累量在所有大豆品種中表現(xiàn)最高,可達107.5 μg/g,較之GABA含量最低的Dundas品種的GABA積累量高出3倍之多。次年,Morrison團隊在探討低、中、高三個不同蛋白含量大豆品種與GABA積累量關系的研究中發(fā)現(xiàn),高蛋白大豆品種與中、低蛋白含量大豆品種的GABA含量間并不存在顯著差異,推測大豆蛋白含量與GABA積累量間沒有必然聯(lián)系[5]。楊潤強等[11]通過對比研究蘇青1號、理想M-7、95-優(yōu)1及YH-NJ 4個大豆品種在萌芽過程中GABA富集量的變化發(fā)現(xiàn),萌芽4 d后,各大豆品種中的GABA富集量均明顯升高,其中以YH-NJ中的GABA富集量最高,從而推測YH-NJ為富集GABA的優(yōu)良品種。Wang等[13]在研究ZH 13、ZH 30及ZH 42三個不同大豆品種的GABA富集量在萌發(fā)過程中的變化時發(fā)現(xiàn),ZH13在萌發(fā)5 d后,GABA富集量達到初始水平的36.7倍(3.28 mg/g),顯著高于ZH30(1.53 mg/g)及ZH42(1.02 mg/g)。陳振等[14]在對比研究不同品種大豆、綠豆、蠶豆等多種食用豆在萌芽過程中GABA的含量變化時則發(fā)現(xiàn),不同大豆品種在萌芽過程中其GABA富集量的變化趨勢存在顯著差異,品種S12在萌芽3 d時GABA的富集量即達到最大值(0.85 mg/g·FW),而品種S11和S30則均在萌芽5 d時才達到最大值(0.85 mg/g·FW)。由此可見,不同大豆品種間的GABA富集量及富集能力明顯不同,不同大豆品種在萌芽過程中表現(xiàn)出的GABA富集潛力也存在明顯差異。分析其原因可能是由于大豆品種不同,其基因型與遺傳特性不同,各基因型間的差異基因及GABA生物合成與代謝相關基因的表達模式不同,從而導致不同品種間GABA的積累量不同所致。因此在進行大豆GABA研究過程中選擇有利于富集GABA的品種是十分必要的。

1.2 外界環(huán)境條件的影響

大豆中GABA的富集除受大豆品種即其自身遺傳特性的影響外,還受多種外界環(huán)境條件的影響[15]。

1.2.1 溫度影響 溫度是影響種子萌芽及植物生長發(fā)育的重要限制性環(huán)境因子,其不僅對植物的形態(tài)特征及生長發(fā)育特性產生影響,同時對其物質積累也具有重要影響[16-17]。近年來,有關溫度對大豆GABA積累的影響研究也備受關注。Guo等[18]分別采用25、30、35和40 ℃ 4個不同溫度研究浸種溫度對萌芽大豆GABA積累的影響時發(fā)現(xiàn),浸種溫度為30 ℃和35 ℃時GABA的積累量差異不顯著,但其GABA積累量均顯著高于浸種溫度為25 ℃和40 ℃的處理。Morrison等[5]在研究浸種溫度對不同大豆品種Mandarin(高GABA品種)和Dundas(低GABA品種)GABA積累的影響時發(fā)現(xiàn),當浸種時間為360～700 min時,浸種溫度對Mandarin品種的GABA積累量無影響,但Dundas品種在浸種溫度為27 ℃時的GABA含量顯著高于浸種溫度為21 ℃的相應樣品。Xu和Hu[19]以大豆品種Jindou25(GlycinemaxL.)為對象,在保持其它條件不變的情況下,分別在19、25和32 ℃ 3個不同萌芽溫度下對其進行萌芽處理,發(fā)現(xiàn)萌芽溫度對大豆GABA積累及相關酶活性具有重要影響。與原始大豆樣品相比,經不同溫度萌芽的大豆樣品中的GABA含量及谷氨酸脫羧酶(Glutamate decarbosylase,GAD)活性均有所升高,但32 ℃為GABA積累的最適溫度。此外,γ-氨基丁酸轉氨酶(GABA-T)的活性在32 ℃下與19和25 ℃下的表現(xiàn)完全不同,推測溫度對GABA積累的影響與GABA合成及代謝相關酶的活性變化密切相關。余南靜[20]在研究溫度脅迫對萌芽大豆GABA富集的影響時發(fā)現(xiàn),萌芽大豆的最適低溫脅迫溫度為-18 ℃,經低溫脅迫處理后,萌芽大豆的GABA含量迅速升高至對照組的11.7倍,并發(fā)現(xiàn)低溫脅迫主要通過多胺降解途徑影響GABA的生物合成。由此可見,浸種溫度、萌芽溫度及萌芽過程中的溫度脅迫等因素均會對大豆GABA積累產生影響,且這種影響與大豆品種密切相關。分析其原因,可能是由于適當?shù)臏囟葪l件對大豆GABA合成及代謝相關酶的活性及相關基因的表達具有調控作用所致,而大豆品種不同,基因型和遺傳特性不同,從而導致其對外源溫度條件的敏感性及應答機制也不同,進而對大豆GABA的富集產生重要影響。

1.2.2 浸種影響 浸種和高溫萌發(fā)一樣,均是促進植物種子萌發(fā)的重要手段,其在促進植物種子萌發(fā)的同時,還對其生理特性及物質積累具有重要影響。目前有關浸種處理可對萌芽植物種子中GABA的富集產生影響的結論已在包括發(fā)芽糙米[21]、大麥[22]等多個物種中得到驗證,有關浸種對大豆GABA富集的影響也出現(xiàn)一系列探索性研究。Guo等[18]在研究浸種對萌芽大豆GABA積累的影響時發(fā)現(xiàn),GABA除受浸種溫度的影響外,在特定浸種溫度下,GABA的積累量分別隨著浸種時間的延長而迅速增加。Morrison等[5]在研究浸種時間對不同大豆品種GABA積累的影響時發(fā)現(xiàn),各大豆品種的GABA積累量均隨著浸種時間的延長而迅速增加。其中低GABA品種和高GABA品種的GABA積累峰值分別在浸種10 h及12 h后出現(xiàn);浸種24 h后,低GABA品種和高GABA品種的GABA積累量分別達到224.8和276.6 μg/g,分別為相應大豆品種初始GABA含量的12.7倍和3.8倍。由此可見,浸種可作為促進大豆GABA富集的重要手段,浸種對大豆GABA富集的影響與浸種時間和浸種溫度等因素密切相關[18]。分析其原因,可能是由于一方面浸種處理可為大豆種子中各種生理生化反應提供充足的水分,促進萌芽大豆中多種生理生化反應的進行;另一方面GAD催化谷氨酸脫羧反應中需要H+的參與,而浸種處理在一定程度上為大豆種子制造合適的低氧環(huán)境,無氧呼吸作用可加快H+積累,促進GABA生成[23-24]。

1.2.3 低氧脅迫影響 低氧脅迫即生物體所處環(huán)境中的溶解氧濃度顯著低于大氣中的正常濃度,從而導致生物體的呼吸作用受到抑制,新陳代謝減緩,進而引起植物體產生一系列的生理生化變化的過程[18,25-26]。大豆在缺氧條件下萌芽便會經歷低氧脅迫[9]。研究表明,低氧脅迫會導致大豆中的GABA含量迅速升高[27],因此,近年來有關低氧條件對萌芽大豆物質積累的影響研究備受關注。Guo等[9]在研究低氧脅迫與萌芽大豆中GABA積累的關系時發(fā)現(xiàn),當大豆在萌芽溫度為30.5 ℃,pH為4.1,氣流速率為0.9 L/min的缺氧條件下進行萌芽時,其GABA含量、GAD活性及二胺氧化酶(Diamine oxidase,DAO)活性較之對照組均顯著升高。王淑芳等[11]在研究低氧脅迫對萌芽大豆GABA積累行為的影響時發(fā)現(xiàn),低氧脅迫可有效促進萌芽大豆中GABA富集。大豆在適當?shù)膒H及溫度環(huán)境下,經過萌芽培養(yǎng)4 d,低氧脅迫48 h后,其GABA積累量可達1.97 mg/g,為對照組的1.56倍。Yang等[28]在研究低氧條件對萌芽大豆GABA積累量的影響時發(fā)現(xiàn),大豆在低氧條件下萌芽24 h內,其GABA含量顯著升高,并伴隨GAD和DAO活性的顯著升高,與前人的研究結果相符。由此可見,適度的低氧脅迫在不破壞大豆正常生理代謝活動基礎上,可有效提高萌芽大豆中GABA的含量,低氧脅迫可作為促進萌芽大豆富集GABA的有效手段。分析其原因,可能是由于呼吸作用為植物生命活動提供所需能量,氧氣是植物進行呼吸作用的必要條件。在氧氣濃度適當?shù)臈l件下,植物體可通過有氧呼吸為自身提供維持生命活動所需的能量,在低氧條件下,植物有氧呼吸被抑制,呼吸速率降低,電子傳遞鏈受到抑制,糖類被迫經糖酵解途徑轉化為乳酸及乙醇,從而導致細胞質酸化,而植物體在酸性條件下GAD被激活,需通過生成大量GABA來抵御逆境脅迫,從而對植物細胞pH進行調節(jié)并減少植物細胞內大量有毒化合物的生成所致[26,28,29-31]。

1.2.4 鹽脅迫影響 鹽脅迫即生物體在高鹽環(huán)境中受到高滲透壓的作用,從而對其自身生理代謝造成系列影響的過程。鹽脅迫對植物體生長發(fā)育的影響主要通過競爭鉀離子吸收及導致滲透脅迫兩種方式進行[32]。研究顯示鹽脅迫對植物體GABA的積累有促進作用,且這種作用已在糙米[33]、苦蕎[34]等多種植物上得到驗證。大豆作為GABA的重要來源,近年來有關鹽脅迫對其GABA積累的影響研究越發(fā)受到關注。曾晴等[35]在研究鹽脅迫與萌芽大豆GABA積累的相關性時,分別采用NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、FeCl3和AlCl3等不同種類的鹽溶液對萌芽大豆進行脅迫處理,發(fā)現(xiàn)在相同實驗條件下,鹽的種類不同,萌芽大豆GABA的富集量不同,其中NaCl脅迫最利于GABA積累,且萌芽大豆中GABA含量與鈉鹽濃度及脅迫時間密切相關,隨著鈉鹽濃度的增加GABA的積累量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,100 mmol/L為鈉鹽脅迫的最適濃度,而隨著脅迫時間延長GABA含量逐漸提高。郭元新等[36]在研究鈉鹽脅迫對萌芽大豆GABA富集的影響時發(fā)現(xiàn),當NaCl濃度為133.5 mmol/L,處理時間為5.5 d,處理溫度為33.3 ℃時,萌芽大豆中GABA的富集量最高,可達1205.24 μg/g。Yin等[2]在研究NaCl脅迫對萌芽大豆GABA積累的影響時發(fā)現(xiàn),NaCl脅迫會導致萌芽大豆中GABA的迅速積累,且GABA的積累是GAD、DAO及氨基醛脫氫酶(aminoaldehyde dehydrogenase,AMADH)三個代謝酶被激活及其相關基因上調表達共同作用的結果。由此可見,鈉鹽脅迫是提高萌芽大豆GABA富集量的重要手段,而鈉鹽脅迫的促進作用又與鹽濃度及脅迫時間密切相關,其作用機理可能與代謝途徑上相關酶被激活及相關基因被調控有關。

而除鈉鹽外,其它鹽離子也對萌芽大豆中的GABA的富集具有重要影響,目前研究較多的為鈣離子。Wang等[37]在研究外源Ca2+對萌芽大豆品質特性的影響時發(fā)現(xiàn),外源添加Ca2+可有效促進萌發(fā)大豆中GABA含量升高至對照組的1.5倍以上,同時伴有DAO活性顯著升高,推測外源Ca2+可能對DAO活性具有促進作用。Yin等[2]通過添加CaCl2研究鈉鹽脅迫下的萌芽大豆其GABA積累的變化,發(fā)現(xiàn)CaCl2的添加不僅可有效消除鈉鹽脅迫的副作用,同時可顯著提高GAD活性,促進GABA積累,推測CaCl2對GABA積累的促進作用主要是通過促進GABA支路的生物合成來實現(xiàn)的。Yang等[38]通過外源添加Ca2+研究低氧結合鈉鹽脅迫的萌芽大豆中GABA積累量的變化,發(fā)現(xiàn)外源Ca2+可通過提高GAD基因表達及活性促進GABA積累量升高。由此可見,鈣離子無論對正常萌芽大豆還是鈉鹽脅迫下的萌芽大豆的GABA積累均具有促進作用。分析其原因可能是由于Ca2+離子進入細胞后會與鈣調蛋白結合,通過系列反應對GABA代謝途徑相關酶進行激活或對相關基因表達進行影響,從而影響GABA的積累[37],但目前由于相關研究結論尚不統(tǒng)一,后續(xù)有關鈣離子對萌芽大豆GABA積累的作用機理還有待進一步探明。

1.2.5 其它因素影響 大豆GABA的富集除受自身品種特性及溫度、浸種、低氧脅迫及鹽脅迫等多種外界因素的影響外,還受多種其它物理或化學因素的影響。

1.2.5.1 合成底物的影響 生物體內GABA的產生途徑有兩種,分別是谷氨酸脫羧途徑和多胺降解途徑。其中谷氨酸脫羧途徑可通過GAD將谷氨酸催化脫羧形成GABA[2],因此谷氨酸是GABA合成的重要底物,而合成底物的適量供應對大豆GABA的富集具有重要影響。毛健等[39]在研究萌芽大豆富集GABA的影響因素時發(fā)現(xiàn),浸種16 h的大豆樣品,通過谷氨酸鈉(monosodium glutamate,MSG)培養(yǎng)液進行萌芽培養(yǎng),當MSG濃度介于0～2.5 mg/mL之間時,萌芽大豆的GABA含量逐漸升高,當濃度超過2.5 mg/mL時,GABA含量逐漸下降,從而確定2.5 mg/mL為促進萌芽大豆GABA富集的MSG的最佳濃度。穆慧玲等[40]在以黑龍江小粒6號大豆為對象研究浸種過程中添加MSG對大豆GABA富集的影響時也發(fā)現(xiàn),隨著大豆與MSG比值的增大,大豆中GABA的富集量逐漸增加,當大豆與MSG之比為1200 g/mol時GABA含量達到最高。Ueno等[41]在研究高壓與谷氨酸浸種聯(lián)合作用對大豆GABA富集的影響時也發(fā)現(xiàn),高壓與合成底物浸種共同作用可有效提高大豆中GABA的含量。由此可見,在大豆浸種及萌芽過程中提供GABA合成底物對萌芽大豆GABA的富集具有促進作用,但這種促進作用與合成底物的濃度和用量密切相關。分析其原因,可能是由于合成底物的加入可使胞內GABA合成相關酶在底物高飽和狀態(tài)下被充分利用,從而產生更多GABA[40]。

1.2.5.2 凍融處理的影響 凍融處理即食品加工或保藏過程中,由于外界環(huán)境溫度變化導致食品原料發(fā)生冷凍又解凍的過程,其是現(xiàn)代食品加工保藏的重要技術手段[42]。大量研究顯示,凍融處理對食品原料品質具有重要影響[43-44]。近年來,有關凍融處理對大豆GABA積累影響的研究也逐漸引發(fā)關注。Yang等[28]在研究低氧萌芽結合凍融處理對萌芽大豆GABA積累的影響時發(fā)現(xiàn),低氧處理的大豆經凍融處理(-18 ℃冷凍12 h;25 ℃融解6 h)后,其GABA含量較之未經凍融處理的豆芽顯著提高至7.21倍。而凍融處理的豆芽在適當條件下經勻漿培養(yǎng)后,勻漿中的GABA含量為未經凍融處理的豆芽勻漿樣品的14.20倍。從而推測低氧萌芽結合凍融處理是提高大豆GABA積累量的有效方式。Ueno等[45]在研究凍融處理對大豆GABA積累的影響時發(fā)現(xiàn),大豆經浸水后分別于-20、-80及-180 ℃冷凍,經凍融處理后,其GABA含量較之對照組大豆在貯存過程中顯著升高,從而推測凍融處理可作為提高大豆GABA積累的重要手段。盡管凍融處理對大豆GABA富集的促進作用已經得到一定程度的驗證,但目前有關凍融處理對大豆GABA富集的作用機理尚不明確,后續(xù)研究中還需進一步探明。

1.2.5.3 超聲處理的影響 超聲波作為食品工業(yè)領域重要的輔助技術手段,其被廣泛應用于樣品的前處理、物質的分離提取及乳化等食品研究領域[46-48]。近年來,其在促進發(fā)芽糙米GABA富集領域也取得一定進展[46,49],而超聲處理對大豆GABA富集的影響研究目前也已起步。Yang等[50]在研究超聲波處理對大豆理化特性及GABA富集的影響時,在萌芽前先采用0～300 W的超聲波對大豆種子進行處理,處理后的大豆種子經避光萌芽5 d后發(fā)現(xiàn),隨著超聲波功率增大,GABA含量逐漸增加,其中超聲波功率為300 W時處理效果最佳,樣品GABA含量較對照組提高43.39%,推測超聲波處理對大豆GABA富集的影響可能主要是通過激活GABA合成途徑上的關鍵限速酶GAD而引起的。由此可見,超聲處理可作為提高大豆GABA富集量的新興手段。超聲處理對大豆GABA富集的影響可能主要是由于超聲波作為一種能量,其可作用于GABA合成相關酶,改變酶的分子構想,影響酶的活力及生物活力引起的[49,51]。

2 富含GABA的大豆產品開發(fā)進展

GABA作為一種非蛋白質氨基酸,由于其對血壓、心率具有重要的調節(jié)作用,對心血管功能具有重要的保護作用[5-6],同時對老年癡呆的發(fā)生具有提早預防和治療的作用[7-8],而成為近年來備受關注的食品營養(yǎng)因子,而富含GABA的產品也成為營養(yǎng)及功能食品開發(fā)的新寵。富含GABA產品的開發(fā)最早出現(xiàn)在茶葉上[52],而后在發(fā)芽糙米上得到迅猛發(fā)展[53-55]。大豆作為GABA的重要來源及健康飲食的代表,近年來富含GABA的大豆產品的開發(fā)也開始引起業(yè)界關注。早期富含GABA大豆產品的開發(fā)主要包括富含GABA的乳酸菌飲品[56]及富含GABA的醬油[57]、豆乳[20]等調味品的開發(fā),而近年來則逐漸出現(xiàn)富含GABA的豆?jié){[48]及富含GABA的可沖調營養(yǎng)粉[58]等產品。但目前有關富含GABA大豆產品的開發(fā)仍處于實驗研究階段,且現(xiàn)有產品類型相對比較匱乏,產品形式單一,總體來說產品開發(fā)缺乏系統(tǒng)性和全面性。

3 問題與展望

GABA作為大豆中與人體健康密切相關的重要營養(yǎng)因子,研究其富集手段對于提高其在大豆中的含量具有重要意義。但GABA的富集常受多種因素的影響,從而極大限制了其相關制品的品質提升及GABA保健功能的發(fā)揮。因此,明確大豆GABA富集的影響因素對于大豆GABA的高效富集至關重要。但目前有關大豆GABA富集的影響因素研究,內因方面多局限于品種篩選的初步研究,外因方面多局限于溫度、氧氣、鹽離子等常規(guī)因素的研究?？傮w研究內容一方面缺乏對新興外界因素影響的探索性研究,一方面缺乏對現(xiàn)有外界環(huán)境因素作用機制的挖掘及深入研究,從而極大限制了大豆原料及其相關制品的品質提升。與此同時,在富含GABA產品開發(fā)方面,由于開發(fā)思路的局限,富含GABA大豆原料的匱乏及相關食品加工技術的落后等原因,也導致現(xiàn)有富含GABA大豆產品開發(fā)缺乏系統(tǒng)性和全面性,同時產品尚處于實驗研究階段,無法滿足市場和消費者需求。

針對上述問題,未來有關大豆GABA富集影響因素的研究應逐漸從傳統(tǒng)因素研究向光質影響、電磁波影響等新興影響因素的探索性研究轉移;同時,在傳統(tǒng)因素的研究中應逐漸從GABA消長規(guī)律的變化研究逐漸向作用機制研究方向轉變;而在富含GABA大豆產品開發(fā)研究方面應在茶葉、糙米等作物的研究基礎上,逐漸向新型營養(yǎng)功能性食品開發(fā)方面投入更多的精力。

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