氨基丁酸_GABA_在食品工业中的应用研究.pdf
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1、2012年第卷第期151饮料工业基金项目:陕西理工学院科研项目(SLGKY11-05)。收稿日期2011-10-27作者简介耿敬章(1980-),男,汉,硕士,讲师。研究方向为食品质量控制与资源开发利用研究。摘要:-氨基丁酸(GABA)是一种天然存在的功能性蛋白质。介绍了 GABA 的理化性质、生理功能及制备方法,并对其在食品工业中的应用及发展前景进行了综述与展望。关键词:-氨基丁酸(GABA);生理功能;制备;食品工业中图分类号:TS201.2+4文献标识码:Bdoi:10.3969/j.issn.1007-7871.2012.01.002-氨基丁酸(GABA)在食品工业中的应用研究耿敬章(
2、陕西理工学院生物科学与工程学院,陕西汉中723001)-氨基丁酸(GABA),化学名称:4-氨基丁酸,简称-氨酪酸;GABA 是一种非蛋白质组成的天然氨基酸,分布非常广泛,在动植物中均有存在。植物如豆属,参属,中草药等的种子、根茎和组织液中都含有 GABA1,2。在动物体内,GABA 仅存在于神经组织中,其中脑组织中的含量为 0.10.6mg/g组织3。GABA 在植物中具有环境胁迫应答等重要作用。研究表明它还具有降血压、调节心率失常、促进精神安定、增进脑活力、改善更年期综合征等多种生理功能。近年来,对 GABA 的研究开发已经成为新的热点4。随着研究的深入,GABA的生理功能不断得到阐明,已
3、发展成为一种新型功能性因子,正逐渐被广泛应用于食品、医疗、农业等行业。本文重点对 GABA 的生理功能、制备方法和它在食品工业中的应用进行了综述。1GABA 的理化性质GABA 分子式为 C4H9NO2,相对分子量 103.2,极易溶于水,25时溶解度为 130g/100ml,微溶于乙醇,不溶于其他常见有机溶剂,如冷乙醇、苯、乙醚等。解离常数:pKCOOH=4.03,pKNH3=10.56,无旋光性;熔点(mp):203204,但在 195时即分解为吡咯烷酮和水。结晶为白色小叶状(甲醇-乙醚)或针状(水-乙醇),味微苦。GABA 作为氨基酸的一种,除具有氨基酸的共性外,还具有氨基酸的特殊性质,
4、可以发生一些特殊的化学反应(如烃化反应、酰基化反应成酰氯反应等)。GABA 能与茚三酮(Ninhydrin)发生显色反应,生成紫色化合物,该产物在 570nm 处有最大吸收。GABA 也能在碱性条件下与丹磺酰氯(DNS-Cl)反应生成荧光性质强和稳定的 DNS-GABA,该物质在紫外区有光吸收。以上 2 个反应皆可用于 GABA 的检测5。2GABA 的生理功能2.1调节血压和心率GABA 是脑内重要的抑制性递质,对哺乳动物的心血管活动有着重要的调节作用6。GABA 通过脑内 GABA-能系统调节,起到抑制心血管疾病和调节血压的作用,其主要作用机制是通过调节中枢神经系统达到降压效果。如 GAB
5、A 作用于脊髓的血管运动中枢,与起扩张血管作用的突触后GABAa 受体和对 交感神经末 梢有抑制作 用的GABAb 受体相结合,有效地促进了血管的扩张,达到降低血压的目的7。据报道,黄芪等中药的有效降压成分即为 GABA8。TaKahashi 等首次报道 GABA对心血管系统的作用,并且发现在-氨基酸类中GABA 对心血管活动的效应最强9。后来他们在兔、犬和猫的实验中,证明10mg/kg GABA 有降低血压和使心动过缓的效应,但其效应可通过切除交感神经或阻断神经节来阻止,且其效应不需要迷走神经、主动脉神经和窦神经参加,因此认为 GABA是通过中枢神经对血压与心率进行调节。GABA 可通过中枢
6、交感神经对血压和心率进行调节,其药理学功能已经得到动物实验和临床医学的证实。2.2抗压健脑GABA 作为脑组织最重要的神经递质之一,其作用是降低神经元活性,使细胞超级化,防止神经细胞过热,GABA 能结合抗焦虑的脑受体并使之激活,然后与另外一些物质协同作用,阻止与焦综 述 与 述 评112012年第卷第期151饮料工业虑相关的信息抵达脑指示中枢,因此,GABA 可以镇静神经,从而抗焦虑,达到改善睡眠的效果5。如近来有文献报道,GABA 可能有抗抑郁作用1014。GABA 作为抑制性神经传导物质,在中枢神经系统中起着重要的作用,而且中枢神经疾病与脑内 GABA 含 量 的 关 系 也 颇 受 瞩
7、 目。近 年 发 现GABA 在神经系统的发育过程中具有营养作用,是一种神经营养因子,即具有健脑功能。我国的临床医学和日本的研究者都认为,其作用机理是GABA 能抑制谷氨酸的脱羧反应,与-酮戊二酸反应生成谷氨酸,使血氨降低,更多的谷氨酸与氨结合生成尿素排出体外,从而解除氨毒,增进肝机能。摄入 GABA 可以提高葡萄糖磷酸酯酶的活性,使脑细胞活动旺盛,可促进脑组织的新陈代谢和恢复脑细胞功能,改善神经机能10。有研究表明,GABA 的摄取对胎儿成长期、婴幼儿期、成人期、老年期的脑的功能给予很大的影响,特别是在脑活跃形成的婴幼儿期,因为在神经系统发育的早期,GABA 可作为一种化学信号,影响神经元的
8、运动,刺激神经元的迁移。GABA 对一些细胞器尤其是对涉及合成与转运整合膜蛋白的细胞器影响较大,故 GABA 可促进整合膜蛋白的合成,包括 GABA 受体以及一些神经相关蛋白及酶的合成。GABA 对一些神经相关蛋白及酶的表达也具有一定的调节作用11。2.3抗衰老中国科技大学、中科院昆明动物研究所和美国犹他大学的科研人员合作研究发现,大脑中神经递质GABA 的减少可能是脑衰老的一个原因13。GABA 能帮助神经细胞处于对信号的高识别能力状态,科学家给老年恒河猴大脑视觉皮层的神经细胞施以微量的 GABA,结果发现神经元的行为变得“年轻”了。缺乏 GABA 将导致某种神经细胞退化,从而使短尾猴的视觉
9、选择能力下降。相对年龄较小的短尾猴而言,GABA 及其增强剂注入老龄短尾猴体内后的功效更大。科研人员对老龄短尾猴进行研究后发现表明,GABA 可以帮助大脑处于巅峰状态。但随着年龄的增长,大脑得到的 GABA 将逐渐减少。短尾猴的视觉功能同人类相似,也会随着年龄的增加而减弱。当大脑处在巅峰状态的时候,它们可以挑选信号来做出反应。缺乏 GABA将导致某种神经细胞退化,从而使短尾猴的视觉选择能力下降。相对年龄较小的短尾猴而言,GABA及其增强剂注入老龄短尾猴体内后的功效更大8。2.4其他功能除上述功能外,GABA 还有许多其他生理功能,如 GABA 与中风、帕金森病等都有密切联系,还有治疗癫痫、哮喘
10、等临床药理学作用1417。另外GABA 是脑内抑制性通路的重要物质,对内分泌功能尤其对腺垂体激素分泌功能有重要的调节作用。GABA 能促进腺垂体分泌黄体生长素,并具有促进甲状腺释放激素的功能,从而改善对糖尿病等疾病的治疗;GABA 能改善脂质代谢,从而有高效减肥的活性;GABA 还可以防止动脉硬化,改善肾功能和肝功能等作用。另外其具有类似于谷氨酸的鲜味,能够增强食品风味,以及醒酒消臭等作用。3GABA 的制备GABA 作为一种新型的功能性因子正越来越引起人们的注意。在食品中应用 GABA,绝不是对药用 GABA 的简单添加,而是要从制备这个源头开始,利用天然物质及采用生物技术方法,生产出可安全
11、用于食品并可被视为天然添加剂的食用GABA。目前获得 GABA 的方法有化学合成法、生物法和天然提取法。3.1化学合成法化学合成法多见于专利文献的报道,主要通过-氯丁氰的取代水解反应来实现,将邻苯二甲酰亚氨钾与-氯丁氰在 180反应,然后将产物与浓硫酸回流,再结晶提纯而得。另一条途径是通过吡咯烷酮经氢氧化钙、碳酸氢铵水解等方法制得。化学合成法的缺点是成本较高,得率较低,合成方法条件剧烈,且有化学物质残留,即使得到纯品也不属于天然产物,并且在生产工艺中使用危险溶剂,甚至是有毒溶剂18。因此化学合成法制备的 GABA 不能用于食品,也不能作为一种天然的食品添加剂,该法主要应用于化工和医药领域。3.
12、2生物法生物法包括植物富集法和微生物发酵法两种。3.2.1植物富集法植物富集法是通过对植物体进行逆境刺激使得植物体内 GABA 富集,然后依靠一定的提取方法得到 GABA,缺点是产量低。植物组织代谢主要利用内源酶转化制备 GABA,有两种形式:植物组织生长代谢富集和离体植物组织应激代谢富集。植物组织中有两条合成和转化 GABA 的途径:一条由谷氨酸脱羧酶(GAD,EC4.1.15)催化谷氨酸合成(GABA 支路);另一条由多胺降解。其中第一条途径是主要的途径,是植物组织对外界条件应激代谢生成的。第一条途径主要产品有 GABA 茶和发芽糙米等。目前 GABA 茶在日本形成叶茶、袋泡茶、罐装茶系列
13、产品;肯尼亚、斯里兰卡等国也开始研究提高 CTC 红茶中 GABA 的含量9;我国也研制出高 GABA 绿茶18。日 本此类 GABA产品还有以米胚芽、米糠、绿茶、南瓜、辣椒、茄子、番茄和蜜柑等为原料生产的 GABA 功能性食品17。如罗蒂株式会社在中国申请“富含 GABA 的南瓜加工品的生产方法及由该方法制得的产品”发综 述 与 述 评122012年第卷第期151饮料工业明专利7。3.2.2微生物发酵发酵法生产 GABA,早期主要是以大肠杆菌为生产菌。在发酵过程中,利用大肠杆菌脱羧酶的作用,将 L-谷氨酸转化为 GABA,再分离、纯化获得 GABA 制品。但是,若要进行食品开发,使用大肠杆菌
14、无疑存在安全性问题。根据最新的研究报道和专利文献,乳酸菌、酵母菌、曲霉菌等一些安全性高的微生物在 GABA 制备中已有应用,用其催化谷氨酸脱羧制得 GABA,部分己实现商业化生产。其产品具有成本低及含量高可安全用于食品等优点,但高效的微生物菌种通常较难获得11。微生物发酵的 GABA 制品能用作高档功能性保健食品的配料,其中乳酸菌是近年来作为一种食品安全级(GRAS)的微生物,在食品工业中的应用非常广泛且历史悠久,利用乳酸菌产 GABA 的研究近些年来已经取得了一定的进展,乳酸菌由于其自身的特性和安全性,逐渐成为研究的热点。乳酸菌作为某些发酵食品的发酵剂(如泡菜和发酵肉制品等)已经表现出了其潜
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