56-12-2 / γ-氨基丁酸

【背景及概況】^[1][2][3]

目前為止，在自然界中已發現的氨基酸種類已達180多種，其中除了少數氨基酸參與蛋白質的組成外，大部分的非蛋白質氨基酸不參與蛋白質的組成，γ-氨基丁酸便是其中的一種，相比大多數的非蛋白質氨基酸而言，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，主要存在于腦內的灰質中，特別是紋狀體、黑質、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、疏松結合的和牢固結合的三種。牢固結合是主要的儲存形式、疏松結合是被受體結合的形式，游離的則是兩者之間的轉運形式。實驗證明在谷氨酸脫羧酶作用下，由谷氨酸脫羧而變成RABA，通過神經末梢釋放。RABA并不是腦內蛋白質的組成成分，而是一種重要的抑制性神經遞質。用微電泳方法將極少量的RABA注入大腦皮層，即可引起皮層神經元迅速可逆的抑制。用同樣方法將RABA注入前庭外側核也引起神經元抑制效應。RABA還可能參與睡眠-覺醒的機制，并且與癲癇、震顫性麻痹、舞蹈病和精神分裂癥有關。印防己毒等藥物能阻斷RABA對神經元的抑制作用。

γ-氨基丁酸作為一種藥物：能降低血氨及促進大腦新陳代謝，在體內與血氨結合生成尿素排出。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、兒童智力發育遲緩和精神幼稚癥等。大劑量可引起運動失調、肌無力、血壓降低和呼吸抑制等。

【理化性質及結構】^[3]

γ-氨基丁酸分子式為 C₄H₉NO₂，是一種接近白色的結晶粉末或白色晶體，微溶于乙醇，不溶于乙醚，苯和乙醇，易溶于水。熔點 203-204℃，熔化分解產物為水和并吡咯烷酮。沒有旋光性，解離常數 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，在水溶液中可發生解離作用，γ-氨基丁酸還能與茚三酮發生顯色反應生成紫色絡合物，此外γ-氨基丁酸亦具有某些特殊的化學性質，如成酞氯、氰基化以及肽基化反應，這些特殊的反應也可成為γ-氨基丁酸檢測中的方法。分子結構如所示：

【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出豐富的多樣性。對 23 個桑樹品種的 γ-氨基丁酸含量進行了測定。結果發現，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-氨基丁酸的含量達到1.224 mg / g。鄭對龍眼種質資源中 85 個代表性基因型果實中的γ-氨基丁酸含量進行了測定。結果發現，γ-氨基丁酸在基因型之間的含量差別達到 3.5 倍，平均為1.229 mg（每克果肉中）。而在動物體內，γ-氨基丁酸則僅存在于神經組織中，在腦組織中的含量為 0.1～0.6 mg（每克腦組織），免疫學研究表明，大腦中的黑質和蒼白球是 γ-氨基丁酸濃度最高的區域，其余依次為中腦的上丘、下丘，小腦的尺狀核及中央灰質，大腦和小腦皮層含量較低，腦的白質含量最低。

【生化代謝途徑】^[3][4]

L-谷氨酸經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 γ-氨基丁酸的唯一來源就是谷氨酸。在哺乳動物的神經細胞內，首先 -氨基丁酸在 γ-氨基丁酸轉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，進入三羧酸循環，這一系列反應與谷氨酸脫羧酶催化谷氨酸脫羧的反應一起構成了 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。

【生理功能及應用】^[3][4]

目前國內外對 GABA 功效的研究已經非常深入，作為一種新型的特殊功能性因子，GABA 被廣泛應用于醫藥，保健，飼料，化工等領域，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，發現補充大量GABA 后，恒河猴腦部組織代謝旺盛，大腦接近巔峰狀態，而 GABA 的缺乏會導致腦部神經組織代謝緩慢，導致一定程度上神經細胞的退化，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果，缺乏人體腦部神經元的試驗論證，但基于此我們可以大膽地預測，GABA 含量的提高可延緩人體的衰老，當然這只是一種預測還需要廣大科研工作者的驗證。

2. 調節血壓：GABA 作為哺乳動物中樞神經系統的一種重要的神經抑制性傳遞遞質，起著調節哺乳動物心腦血管活動的作用，能通過對中樞交感神經的阻斷從而達到調劑血壓的目的，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. 治療精神方面的疾病：GABA 是哺乳動物大腦內的一種重要的神經抑制性遞質，因其對中樞神經系統有強烈的抑制作用，故常用作鎮定劑，GABA 還可提升人體抗驚厥的閥值，從而廣泛應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。上世紀九十年代日本學者研究表明：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用于臨床。

4. 功效性醫藥與食品的中間體：因 GABA 特定的抗焦慮及降血壓功效，故其廣泛應用于功效性醫藥和食品的中間體中。1978 年日本已生產成本高 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用于治療失眠和癲癇的藥物生產中。含較高濃度的 GABA 飲料可作為增進肝功能、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、生長與抗熱應激的作用，高溫條件下在日糧中添加 GABA 可增強哺乳期母豬的抗氧化能力和生產能力，同時能緩解熱應激。因 GABA 具有的以上特點使其在食品和飼料中的應用更為廣泛。

6. 其他功效：除此之外GABA 還具有一些其他的生理功效，如調節脂類代謝，調節神經，促進乙醇的代謝，改善老年人的失眠癥及精神障礙，增強肝功能及腎功能，降低血氨濃度，提升免疫力，促進哺乳動物采食及調節免疫力，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 遠遠滿足不了人體日常的基本需求，目前制備 GABA 的方法主要有化學合成法、植物富集法、微生物法。傳統的化學法制備 GABA 因存在反應條件劇烈、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 其反應條件溫和、安全系數較高，因此利用微生物法制備醫藥和食品安全級 GABA 正逐漸成為主流趨勢。

1. 化學合成法

化學合成法制備 GABA 主要有兩種途徑：（1）臨苯二甲酰亞氨鉀與 4-氯丁氰在 180℃條件下反應的產物用濃硫酸水解制得。（2）吡咯烷酮經碳酸氫銨與氫氧化鈣的水解制得。化學合成法制備 GABA 速度快、收率高，但其成本較高，產品中有毒成分比較難去除，安全性較差，污染性較大，所制備產品具有一定的安全隱患，故不可用于大規模的工業化生產中，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的內源酶系，包括兩種途徑：（1）谷氨酸脫羧：谷氨酸經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。植物富集法主要應用于 GABA 高含量食品的開發，很少應用于 GABA 純品的制備。日本學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，故適用于大規模的生產中。

3. 微生物法

微生物法制備 GABA 具有成本低、較安全、收率高、勞動量小及可改進性強等優點，在諸多 GABA 合成方法中是最具市場潛力和開發前景的，如何選育安全高效的優良菌種成為制約微生物法投入大規模生產的重要因素。微生物法主要包括發酵法及轉化法，之前的微生物法普遍認為是發酵法，但隨著 GABA制備方法的不斷優化，轉化法以其自身的優勢正逐漸興起，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，在哺乳動物和單細胞生物等有機體的細胞中大量存在，微生物轉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。靜息細胞法是當前較為常用的一種方法：先培養能提供谷氨酸脫羧酶的目的菌種細胞達到一定濃度，收集并洗滌培養好的細胞并將其加入谷氨酸或其鈉鹽為底物的反應體系中，在目的菌種細胞提供的谷氨酸脫羧酶的作用下使底物脫羧生成 GABA，此過程中細胞生長處于停滯狀態。用基因工程技術合成出 GABA 高含量菌株，每克細胞可制備出 25g GABA，反應液中 GABA 濃度達 300 g/L，產率可達 99%。

根據谷氨酸脫羧酶在低 Km 和 p H 值下特性制得高產GABA 的干酪乳酸桿菌。相較發酵法而言轉化法具有操作簡單、產物單一、產量高、易提取、易規模化生產等優勢。因此生物轉化法合成 GABA 具有更廣闊的市場前景、經濟價值與現實意義

4. 其它方法

據報道，目前國內有人從土壤中篩選出一株有 4-丁內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，其可水解 2-吡咯烷酮制得 GABA，此方法正在探索階段，能否應用于 GABA 的制備尚待進一步驗證。

【參考文獻】

[1] 車文博 主編.心理咨詢大百科全書.杭州：浙江科學技術出版社.2001.第257頁

[2] 胡皓夫 主編.兒科學辭典.北京：北京科學技術出版社.2003.第519頁

[3] 王志超. 霉菌轉化法合成 γ-氨基丁酸的研究[D]. 齊魯工業大學, 2016.

[4] 歐長波, 王秋霞, 裴亞瓊, 等. 有機酸在動物生產中應用的研究進展[J]. 中國畜牧雜志, 2016 (20): 72-75.