【背景及概況】^[1][2][3]

目前為止，在自然界中已發(fā)現(xiàn)的氨基酸種類已達(dá)180多種，其中除了少數(shù)氨基酸參與蛋白質(zhì)的組成外，大部分的非蛋白質(zhì)氨基酸不參與蛋白質(zhì)的組成，γ-氨基丁酸便是其中的一種，相比大多數(shù)的非蛋白質(zhì)氨基酸而言，目前對γ-氨基丁酸的研究相對比較深入。γ-氨基丁酸是一種具有重要功能的氨基酸，主要存在于腦內(nèi)的灰質(zhì)中，特別是紋狀體、黑質(zhì)、小腦齒狀核等處含量較高，也存在于脊髓后角。RABA的存在形式有游離的、疏松結(jié)合的和牢固結(jié)合的三種。牢固結(jié)合是主要的儲存形式、疏松結(jié)合是被受體結(jié)合的形式，游離的則是兩者之間的轉(zhuǎn)運形式。實驗證明在谷氨酸脫羧酶作用下，由谷氨酸脫羧而變成RABA，通過神經(jīng)末梢釋放。RABA并不是腦內(nèi)蛋白質(zhì)的組成成分，而是一種重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。用微電泳方法將極少量的RABA注入大腦皮層，即可引起皮層神經(jīng)元迅速可逆的抑制。用同樣方法將RABA注入前庭外側(cè)核也引起神經(jīng)元抑制效應(yīng)。RABA還可能參與睡眠-覺醒的機(jī)制，并且與癲癇、震顫性麻痹、舞蹈病和精神分裂癥有關(guān)。印防己毒等藥物能阻斷RABA對神經(jīng)元的抑制作用。 

γ-氨基丁酸作為一種藥物：能降低血氨及促進(jìn)大腦新陳代謝，在體內(nèi)與血氨結(jié)合生成尿素排出。用于治療各種類型的肝昏迷、尿毒癥，亦用作催眠藥及煤氣中毒等所致昏迷的蘇醒劑。還可用于治療腦血管障礙引起的偏癱、記憶障礙、兒童智力發(fā)育遲緩和精神幼稚癥等。大劑量可引起運動失調(diào)、肌無力、血壓降低和呼吸抑制等。

【理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)】^[3]

γ-氨基丁酸分子式為 C₄H₉NO₂，是一種接近白色的結(jié)晶粉末或白色晶體，微溶于乙醇，不溶于乙醚，苯和乙醇，易溶于水。熔點 203-204℃，熔化分解產(chǎn)物為水和并吡咯烷酮。沒有旋光性，解離常數(shù) Pk NH₃=10.56，Pk COOH=4.03，等電點 PI=7.19。為 L-谷氨酸脫羧衍生而來的，味微苦，微臭，可潮解，在水溶液中可發(fā)生解離作用，γ-氨基丁酸還能與茚三酮發(fā)生顯色反應(yīng)生成紫色絡(luò)合物，此外γ-氨基丁酸亦具有某些特殊的化學(xué)性質(zhì)，如成酞氯、氰基化以及肽基化反應(yīng)，這些特殊的反應(yīng)也可成為γ-氨基丁酸檢測中的方法。分子結(jié)構(gòu)如所示：

【分布】^[4]

γ-氨基丁酸存在于自然界很多種類的植物之中不同基因型的同種植物中所含 γ-氨基丁酸的量也呈現(xiàn)出豐富的多樣性。對 23 個桑樹品種的 γ-氨基丁酸含量進(jìn)行了測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，γ-氨基丁酸含量在各品種間有所不同，其中火桑含量高，新鮮桑葉中 γ-氨基丁酸的含量達(dá)到1.224 mg / g。鄭對龍眼種質(zhì)資源中 85 個代表性基因型果實中的γ-氨基丁酸含量進(jìn)行了測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，γ-氨基丁酸在基因型之間的含量差別達(dá)到 3.5 倍，平均為1.229 mg（每克果肉中）。而在動物體內(nèi)，γ-氨基丁酸則僅存在于神經(jīng)組織中，在腦組織中的含量為 0.1～0.6 mg（每克腦組織），免疫學(xué)研究表明，大腦中的黑質(zhì)和蒼白球是 γ-氨基丁酸濃度最高的區(qū)域，其余依次為中腦的上丘、下丘，小腦的尺狀核及中央灰質(zhì)，大腦和小腦皮層含量較低，腦的白質(zhì)含量最低。

【生化代謝途徑】^[3][4]

L-谷氨酸經(jīng)谷氨酸脫羧酶催化脫羧，γ-氨基丁酸生物合成的主要途徑，此過程需要輔酶磷酸吡哆醛、鳥氨酸和丁二氨，在某些情況下也可以轉(zhuǎn)化γ-氨基丁酸，但它們也都是由谷氨酸生成的，所以說生物體內(nèi) γ-氨基丁酸的唯一來源就是谷氨酸。在哺乳動物的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)，首先 -氨基丁酸在 γ-氨基丁酸轉(zhuǎn)氨酶的催化作用下形成琥珀酸半醛，然后在琥珀酸半醛脫氫酶的催化作用下生成琥珀酸，進(jìn)入三羧酸循環(huán)，這一系列反應(yīng)與谷氨酸脫羧酶催化谷氨酸脫羧的反應(yīng)一起構(gòu)成了 α-酮戊二酸氧化成琥珀酸的另一條支路，叫做 γ-氨基丁酸支路。

【生理功能及應(yīng)用】^[3][4]

目前國內(nèi)外對 GABA 功效的研究已經(jīng)非常深入，作為一種新型的特殊功能性因子，GABA 被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥，保健，飼料，化工等領(lǐng)域，其生理功效主要包括以下幾點：

1. 抗衰老：研究表明 GABA含量的減少可能是導(dǎo)致腦組織衰老的原因之一，他們以老年恒河猴為實驗對象，發(fā)現(xiàn)補充大量GABA 后，恒河猴腦部組織代謝旺盛，大腦接近巔峰狀態(tài)，而 GABA 的缺乏會導(dǎo)致腦部神經(jīng)組織代謝緩慢，導(dǎo)致一定程度上神經(jīng)細(xì)胞的退化，使其視覺的選擇力下降。以上的試驗只在動物身上得到驗證結(jié)果，缺乏人體腦部神經(jīng)元的試驗論證，但基于此我們可以大膽地預(yù)測，GABA 含量的提高可延緩人體的衰老，當(dāng)然這只是一種預(yù)測還需要廣大科研工作者的驗證。

2. 調(diào)節(jié)血壓：GABA 作為哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一種重要的神經(jīng)抑制性傳遞遞質(zhì)，起著調(diào)節(jié)哺乳動物心腦血管活動的作用，能通過對中樞交感神經(jīng)的阻斷從而達(dá)到調(diào)劑血壓的目的，具有降低血壓的藥理功效。研究表明使白鼠攝入適量 GABA可有效的降低白鼠的血壓。 給高血壓病人和白鼠同時攝入適量FMG（高 GABA 的乳制品），一段時間后病人和白鼠血壓都明顯地降低了，因FMG 中不含降血壓肽，由此可判定對病人和白鼠起降壓作用的有效成分為GABA。

3. 治療精神方面的疾?。篏ABA 是哺乳動物大腦內(nèi)的一種重要的神經(jīng)抑制性遞質(zhì)，因其對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有強(qiáng)烈的抑制作用，故常用作鎮(zhèn)定劑，GABA 還可提升人體抗驚厥的閥值，從而廣泛應(yīng)用于頑固性癲癇病藥物的制備中。許多GABA 含量水平較高的化合物都具有一定的抗驚厥功效。上世紀(jì)九十年代日本學(xué)者研究表明：GABA 在癲癇病人的腦脊液中的含量水平較低，GABA 的含量水平直接關(guān)系到病人癥狀的程度，含量越高癥狀相對較輕，反之則越厲害。提高癲癇患者腦脊液中 GABA的含量水平從而減輕患者的病狀程度也可能被視為一種可行的途徑而廣泛應(yīng)用于臨床。

4. 功效性醫(yī)藥與食品的中間體：因 GABA 特定的抗焦慮及降血壓功效，故其廣泛應(yīng)用于功效性醫(yī)藥和食品的中間體中。1978 年日本已生產(chǎn)成本高 GABA 含量的食品添加劑及茶飲料，美國也以 GABA 為藥物中間體廣泛應(yīng)用于治療失眠和癲癇的藥物生產(chǎn)中。含較高濃度的 GABA 飲料可作為增進(jìn)肝功能、腦功能及降血壓的功能性飲品，在這方面我國的科研工作者已制備成 GABA功能性飲品，具有降血壓功能的 GABA乳酸菌奶酪也在研發(fā)中。

5. 食品與飼料添加劑：以糙米為原料 GABA 為添加劑研制出功效性糙米甜酒，為糙米的開發(fā)利用開辟了新的途徑。因 GABA 對禽類和牲畜具有促采食、生長與抗熱應(yīng)激的作用，高溫條件下在日糧中添加 GABA 可增強(qiáng)哺乳期母豬的抗氧化能力和生產(chǎn)能力，同時能緩解熱應(yīng)激。因 GABA 具有的以上特點使其在食品和飼料中的應(yīng)用更為廣泛。

6. 其他功效：除此之外GABA 還具有一些其他的生理功效，如調(diào)節(jié)脂類代謝，調(diào)節(jié)神經(jīng)，促進(jìn)乙醇的代謝，改善老年人的失眠癥及精神障礙，增強(qiáng)肝功能及腎功能，降低血氨濃度，提升免疫力，促進(jìn)哺乳動物采食及調(diào)節(jié)免疫力，治療一氧化碳中毒及尿毒癥，GABA 也可作為制備殺蟲劑的重要原料。

【生產(chǎn)工藝】^[4]

天然食品中 GABA 的含量相對較低，依靠從食物中攝取的 GABA 遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人體日常的基本需求，目前制備 GABA 的方法主要有化學(xué)合成法、植物富集法、微生物法。傳統(tǒng)的化學(xué)法制備 GABA 因存在反應(yīng)條件劇烈、原料毒性較大、安全性較低、成本較高等弊端不宜用于醫(yī)藥和食品安全級 GABA 的制備中。相對而言，微生物法制備 GABA 其反應(yīng)條件溫和、安全系數(shù)較高，因此利用微生物法制備醫(yī)藥和食品安全級 GABA 正逐漸成為主流趨勢。

1. 化學(xué)合成法

化學(xué)合成法制備 GABA 主要有兩種途徑：（1）臨苯二甲酰亞氨鉀與 4-氯丁氰在 180℃條件下反應(yīng)的產(chǎn)物用濃硫酸水解制得。（2）吡咯烷酮經(jīng)碳酸氫銨與氫氧化鈣的水解制得?；瘜W(xué)合成法制備 GABA 速度快、收率高，但其成本較高，產(chǎn)品中有毒成分比較難去除，安全性較差，污染性較大，所制備產(chǎn)品具有一定的安全隱患，故不可用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)中，此方法也逐漸被新興的制備方法所取代。

2. 植物富集法

植物富集法可作為 GABA制備的一種方法主要是利用了植物體內(nèi)的內(nèi)源酶系，包括兩種途徑：（1）谷氨酸脫羧：谷氨酸經(jīng)谷氨酸脫羧酶催化脫羧制得（2）多胺降解途徑：吡咯啉脫羧酶催化谷氨酸由多胺降解后的產(chǎn)物制得。相比較而言，多胺降解途徑比較微弱，植物富集法的主要方式是谷氨酸脫羧法。植物富集法主要應(yīng)用于 GABA 高含量食品的開發(fā)，很少應(yīng)用于 GABA 純品的制備。日本學(xué)者松本恭郎采用新鮮蔬菜水果為原料制備 GABA，大久長范用糙米富集GABA，津至田藤二郎以 GABA 為主要添加劑制備得到 GABA 茶具有多種功效，雖然植物富集法工藝流程較為簡單，因其所得 GABA 含量較低，故適用于大規(guī)模的生產(chǎn)中。

3. 微生物法

微生物法制備 GABA 具有成本低、較安全、收率高、勞動量小及可改進(jìn)性強(qiáng)等優(yōu)點，在諸多 GABA 合成方法中是最具市場潛力和開發(fā)前景的，如何選育安全高效的優(yōu)良菌種成為制約微生物法投入大規(guī)模生產(chǎn)的重要因素。微生物法主要包括發(fā)酵法及轉(zhuǎn)化法，之前的微生物法普遍認(rèn)為是發(fā)酵法，但隨著 GABA制備方法的不斷優(yōu)化，轉(zhuǎn)化法以其自身的優(yōu)勢正逐漸興起，由于谷氨酸脫羧酶是催化 L-谷氨酸脫去 α-羧基生成 γ-氨基丁酸的唯一酶系，在哺乳動物和單細(xì)胞生物等有機(jī)體的細(xì)胞中大量存在，微生物轉(zhuǎn)化就是以谷氨酸或其鈉鹽為底物，在谷氨酸脫羧酶（GAD）催化作用下脫羧生成 GABA。靜息細(xì)胞法是當(dāng)前較為常用的一種方法：先培養(yǎng)能提供谷氨酸脫羧酶的目的菌種細(xì)胞達(dá)到一定濃度，收集并洗滌培養(yǎng)好的細(xì)胞并將其加入谷氨酸或其鈉鹽為底物的反應(yīng)體系中，在目的菌種細(xì)胞提供的谷氨酸脫羧酶的作用下使底物脫羧生成 GABA，此過程中細(xì)胞生長處于停滯狀態(tài)。用基因工程技術(shù)合成出 GABA 高含量菌株，每克細(xì)胞可制備出 25g GABA，反應(yīng)液中 GABA 濃度達(dá) 300 g/L，產(chǎn)率可達(dá) 99%。

根據(jù)谷氨酸脫羧酶在低 Km 和 p H 值下特性制得高產(chǎn)GABA 的干酪乳酸桿菌。相較發(fā)酵法而言轉(zhuǎn)化法具有操作簡單、產(chǎn)物單一、產(chǎn)量高、易提取、易規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)勢。因此生物轉(zhuǎn)化法合成 GABA 具有更廣闊的市場前景、經(jīng)濟(jì)價值與現(xiàn)實意義

4. 其它方法

據(jù)報道，目前國內(nèi)有人從土壤中篩選出一株有 4-丁內(nèi)酰胺水解酶活性的菌株在以 2-吡咯烷酮為碳源條件下培養(yǎng)，其可水解 2-吡咯烷酮制得 GABA，此方法正在探索階段，能否應(yīng)用于 GABA 的制備尚待進(jìn)一步驗證。

【參考文獻(xiàn)】

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