γ-氨基丁酸的生理功能及制备方法

程传兴，刘晓飞,王 薇

(哈尔滨商业大学 食品工程学院 哈尔滨150076)

1 GABA的物化性质

γ-氨基丁酸别名 4-氨基丁酸(gamma-amino butyric acid，简称GABA)，是一个四碳非蛋白质氨基酸，结构式：NH-CH2-CH2-COOH；分子式：C4H9NO2；分子质量：103.1[1].GABA是呈一种白色的结晶体粉末状，性状对水有极强的溶解性，对热的乙醇溶液微融.对冷的乙醇、苯、乙醚等溶液不溶解，没有旋光性，解离的常数为pKCOOH=4.03，pKNH3=10.56.其在203～204 ℃的熔点下会造成分解，分成后生成吡咯烷酮以及水.

2 GABA的生物学功能

GABA自动植物以及微生物中有较多的发现，其中在1949年首先在马铃薯的块茎中发现，在1950年又在哺乳动物的中枢系统中发现其存在[2]，同时被认为是哺乳动物、昆虫或者某些寄生蠕虫神经系统中的神经抑制剂，对神经元的兴奋程度有着重要的影响.

2.1 降血压作用

根据当前的数据统计显示，目前引起心脑血管疾病的最主要原因就是高血压，全球每年由于高血压而产生的心脑血管疾病并因此死亡的人有1 200万之多[3].心血管方面的科学家通过研究发现对降低血压，活性比较明显的红曲米和黄芪，他们的主要成分就是GABA[4].根据诸多的临床试验和动物实验，得到GABA对于降压和心脑血管调节有积极作用.

Inoue等[5]试验，39名高血压患者在每天摄取含GABA(10～12mg/100mL)牛奶100 mL，持续12周后，结果显示他们的收缩压和舒张压有明显下降.在此之后的两项实验[6]，针对86名和108名志愿者也获得了相似结果；另一份研究[7]，88名患者每天摄入80 mgGABA，连续4周，服用补充剂的实验组较服用安慰剂的对照组，血压明显降低；177名高血压患者在经过每天摄取120 mgGABA，经过12周的观察，对血压的降低效果明显[8]；还有研究[9]在麻醉的自发性高血压大鼠(SHR)中的十二指肠内注射GABA(0.3～300 mg / kg)，大鼠血压降低9.20 +/- 3.96至35.0 +/- 5.34 mmHg.谭俊峰[10]在同类试验，对SHR连续灌胃四个星期，其血压同比下降了18%.大量的试验证明通过补充GABA能够使高血压病症得以缓解.

因为在大部分哺乳动物的脑血管中存在一种GABA的神经控制剂，同时又有对应的受体存在，这就是GABA能够对阻止血管的阻塞以及降低人们的血压起到了良好的效果[4].GABA可以跟对血管扩张起到作用的GABAA受体以及对神经末梢存在抵制效果的GABAB受体互相融合并且使其效果得到发挥.同时脑内的GABA-能系统可对心脑血管以及血压进行系统的抑制与调剂作用.

林智等[11]人在研究发现，GABA具备对ACE活性的较大抑制能力，无论体内还是体外.在GABA为30mM时，对大鼠的ACE也具有相当强的抑制作用，而γ-羟基丁酸(GHBA)是大鼠代谢活动中GABA最重要的产物.也能对大鼠ACE的活性起到约为57.49%抑制，证实GABA与其代谢产物也具有降低血压的功效.所以我们可以利用扩张血管和对ACE的活性进行有效的抑制，最终达到降压的效果.

2.2 调节心律失常

包括人类的哺乳动物之中，都具有能够调节心血管以及心律的GABA系统，中枢GABA系统是必不可少的.引起心律失常的原因，就与中枢GABA系统受阻有关.有关研究表明，外源性GABA本身具有抑制心律失常的活性作用，并可以抵制试验性的心律失常行为.

2.3 抗惊厥与抗焦虑作用

GABA在人们的心情、情绪上也有很大的作用，比如缓解人们的焦虑、抑郁等情绪的功能.是因为GABA能够与延缓焦虑的脑部内受体进行两者的结合，同时作用于一些相关的物质，阻碍中枢神经的焦虑信息接收，从而达到缓解或者直接抑制焦虑的作用[12].几乎所有惊厥现象都和脑组织中GABA含量减少有关.抑制GABA合成的酶可减少GABA产生和阻碍GABA结合受体，使得抑制作用不能正常发挥，并诱发惊厥现象.相反，通过组织GABA降解酶的生成可以有效减少GABA的溶解，并增加它的存量，还可以通过服用地西泮类药物调节，使其与GABA的结合更加容易，对惊厥有较好的预防效果.

2.4 调节激素的分泌

大量的研究和试验验证表明，GABA能够通过下丘脑激素的释放来对GABA激导性进行传递，从而影响垂体的分泌促性激素，GABA是脑内控制抑制性通路的主要物质，同时可以对内分泌系统的激素分泌状况进行干预，又可以促进腺垂体的生长激素分泌.所以提高血液中的生长激素(GH、hGH)含量可通过食用GABA实现[13].

促生长素，简称GH，作为人体内可以调节新陈代谢以及生理功能的重要激素，可以对人体的细胞、骨骼、肌肉等器官的生长发育起到非常重要的作用.生长激素(hGH)对延缓衰老、抗感染等生理功能起重要作用.因为过量服用hGH会有不良作用，所以应食用GABA，而不是GH药物.GABA在更加安全合适的情况下，促进人体本身的各项激素分泌.

2.5 其他功能

GABA在提神安宁以及提高睡眠质量和记忆力等生理层面也有比较突出的表现，包括对神经细胞以及脑细胞等，可以使它们延缓衰老，并且促使脑补血流顺畅、减缓喘息病症、对血压、脾脏、胃等器官都有良好的保护和营养改善作用，同时又可以帮助人们醒酒，更可以预防最常见的糖尿病，高血压等病症[14].

3 GABA的制备方法

1993第一次通过化学合成的方法成功研制出了GABA.此后的相关研究日益丰富.GABA可开发作为具备显著药理功效的药物或保健食品，前景十分广阔.为了获得更多的GABA，科研人员开始了各种尝试，并获得了诸多成果.

3.1 化学合成法

针对目前对GABA的合成制备方法非常多，应用较广泛、比较重要的化学合成主要有以下几种：第一种是采用邻苯二甲酰亚氨钾以及γ-氯丁氰或丁内酯两种物质作为制作GABA的原料成分组成，经过剧烈反应之后并与进行水解后得到的最终产物就是GABA；第二种是利用吡咯烷酮作为最初的原料，并通过氢氧化钙以及碳酸氢铵进行水解，最终使其开环得到的产物就是GABA；第三种是把丁酸和氨水作为GABA的原料，使其在γ射线条件下进行光照反应得到GABA；第四种是通过辉光放电的方法，将丙胺和甲酸，两种物质进行合成GABA；第五种是把溴醋酸甲酯和乙烯作为制备GABA的原料，他们两个通过聚合反应得到4-溴丁酸甲酯，最后经过氨解和水解后的产物即为GABA.GABA的化学合成方法存在反应环境不好，反应不容易控制、以及成本比较高的缺点[15].

3.2 植物富集法

植物富集法是一种新型开发的合成萃取提纯技术，它是将含GABA含量较高的植物进行分离提取，这样便有了及便宜又纯度高的GABA产品，而与微生物发酵法得来的GABA对比，其他发酵法的生产环境要求苛刻，并且比其他的化学合成制备方法具有更高的安全性保障.从植物中获取GABA的方法主要有以下两种：其中一种是利用溶剂萃取提纯法，另一种是柱分离制备法.

3.2.1 溶剂萃取法

溶剂萃取法其中一是利用水或醇作为GABA的提取剂，根据植物在水或者醇中的溶解度以及分配系数不同的原理将GABA提出到水或者醇中，并且经过反复的过滤提纯，可以使植物中绝大多数的GABA都被萃取出来.超声提取与静置提取相比在得到产量方面更胜一筹.沈强[16]等就是利用超声在水中进行提取的方法，将茶叶中存在的GABA较好的提纯萃取出来.其过程是在真空中充入氮气2 h，除去氮气然后充入氧气2 h，如此循环进行4次，最后进过微波过滤提取之后，可以得到每100 g茶叶提取出189 mg的GABA.另一种方法是利用盐溶液等外加萃取剂提取，比如磺基水杨酸或碳酸钠-碳酸氢钠等等.钱爱萍等[17]人利用此方法，加入5%磺基水杨酸在适当条件下进行提取出的GABA含量有98.48%之多，相比于盐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%，且方法稳定简单.

3.2.2 柱分离制备法

柱分离之制备法，又被叫做柱色谱法，是一种利用不同的混合物中的物质在固液两相中具有不一样的分配系数，并进行洗脱分离的后续操作过程，它的大分类应该归属于层析法的其中一种.分离的过程一般采用树脂、硅胶或活性炭等填充材料.嵇豪[18]等人通过使用D101树脂柱对红曲发酵液进行分离洗脱，最终得到GABA的分离率为45.4%.活性炭作为一种生活和实验中常用的吸附剂，具有极为优秀的吸附能力.活性炭吸附法[19]可以用在甘蔗的氨基酸提取实验中，一般情况在50～90 ℃下，用0.5～2.0 mol/L氨水和30%～90%乙醇进行动态的持续洗脱.这种方法体现了不浪费原材料的理念，还降低了有害物质以及对环境的伤害，并且节约了提取时间.

3.2.3 盐酸水解法

盐酸水解法[20-21]是检测氨基酸的常规方法即国标法，在GB/T5009.124-2003、GB/T18246-2000等国标中均有涉及，具有广泛认可性.它是利用蛋白质会在盐酸中进行水解然后成为游离的氨基酸原理，经过离子交换柱的分离以及茚三酮溶液定性检测，并且在分光光度计确定GABA的含量进行比色，由于其最低的检出限是10pmol，所以其对植物低蛋白的检测是检查不出来的，这就是其内部的局限性.

3.2.4 膜分离技术

膜分离技术使一种利用膜内外压差不同而产生的推动力，使液体中的不同物质依靠外界的作用力，选择性的透过膜的方法，最终达到分离以及提取的效果.冯骉[22]等人在刚刚有膜分离技术的时候，就对间歇稀释过滤和连续稀释过滤两种过滤方法，进行了数学模型的建立，使他们的分离提取效率达到了95%.通常来讲对GABA高纯度分离最好的方法是利用超声和纳米过滤两种方法共同进行，但是由于这种提取方法的分离膜特别容易受到损害及污染以及容易产生极化现象等劣势[23].

3.3 微生物发酵法

微生物发酵法是一种经过选择品种优良、稳定以及无毒无害的菌种，利用这些菌种在生长繁殖的过程中对GABA进行制备和产出.这种方法虽然对环境的要求比较苛刻，对设备的要求较高，但是其可以成为天然的食品添加剂，这样对生物的伤害就远远小于化学合成所带来的伤害.微生物是食品行业中应用发展最早，领域最广泛的生产方式，最早的微生物室大肠杆菌，利用它来进行脱羧酶生产GABA，但是一直由于其本身存在一些安全隐患，使其一直无法直接的用于药品或者食品的生产制作中[24].随着科学技术的发展，绿色食品越来越受到人们的重视，以及后来的乳酸菌、酵母菌以及曲霉菌等微生物都可以代替大肠杆菌，进行催化，生产GABA.而且在较低成本的情况下，还具有产量高、安全性好的优势，已经逐渐在向产业化生产发展.乳酸菌作为一种最常见的微生物，由于其的安全性以及高效等优势，已经成为最重要的益生菌，并且还有非常大的潜能尚待开发.

Noriko Komatsuzaki[25]等人在2005年对Lb.paracasei NFRI 7415 进行研究，最终能积累产生30g/L的GABA.许建军等[26]人利用乳酸菌以及酵母菌的混合物进行发酵生产，利用原材料L-谷氨酸钠进行GABA的制备，最终得到了300～500mg/100mL的GABA.黄俊等[24]人从未杀菌的原料生奶中筛选出高产GABA的乳酸菌Lactobacillus brevis CGMCC-1306，所得GABA的产量接近76.36g/L.在表1中列出了一部分研究人员[27]通过微生物的发酵方法对GABA进行量产的效果进行了综合整理.

表1微生物发酵法合成GABA的产量概述

微生物合成方法GABA产量大肠杆菌固定化细胞10g/L丛毛红曲霉深层发酵0.18g/L紫红曲霉菌固体发酵5g/kg紫红曲霉菌固体发酵1.2g/kg酿酒酵母深层发酵0.043g/L副干酪乳杆菌深层发酵31.15g/L乳酸乳球菌奶酪生产0.38g/kg短乳杆菌深层发酵1.05g/L乳酸乳球菌深层发酵2.5g/L乳酸乳球菌深层发酵3.63g/L乳酸乳球菌深层发酵3.1g/L乳酸乳球菌深层发酵5.4g/L

4 展 望

随着人们逐步迈进生命科学的时期，开始对自己的健康以及生活状态有了较高的要求，这便使绿色食品、生态食品等成为大家追捧的热点.在科研人员不断深入研究GABA下，了解到了GABA具有诸多药理活性.所以对于GABA的制备以及提取等研究内容越来越受到国内外科学家的重视，使GABA在食品领域的发展也成为一种重要的方向.尤其是在日本，由于其成功研发出的含有丰富的GABA的发芽糙米后，其他相关含有GABA的产品相继被大力开发，并且受到人们的广泛好评，正在逐步走向产业化状态.同时，目前的GABA已经被人们广泛的开发用于食品、药品、保健品以及调味料等人们日常生活的用品中，并且可以适应不同的年龄以及人群结构.由此，可以看出GABA具有极大的市场潜力.

中国的GABA市场增长较为缓慢，源于消费者对这类产品的认知不足.如今并没有熟练掌握GABA高纯度提取技术，并且存在成本与产品的不对等、难以产业化生产的难题，所以我国的GABA提纯制备技术并不完善，尤其是食品级的GABA提取.然而随着科学以及社会的进步，分离提纯的工艺方法会越来越丰富，越来越有效，这样会对我国的食品级GABA的提取技术的充分的完善和提高，继续推动我国GABA市场的标准化、规范化、使我国的新资源以及绿色产业飞速发展.

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