γ-氨基丁酸在食品中的应用研究进展_李海峰.pdf

2023 年 2 月第 44 卷第 1 期河南工业大学学报(自然科学版)Journal of Henan University of Technology(Natural Science Edition)Feb.2023Vol.44 No.1收稿日期:2022-05-15基金项目:国家自然科学基金青年项目(42107139);河南省高等学校青年骨 干 教师 培 养 计划(2019ggjs-88);河 南 工 业大 学 创新 基 金 支持 计 划 专项(2021ZKCJ15)作者简介:李海峰(1984),女,博士,副教授,研究方向为环境与食品微生物学,E-mail:。-氨基丁酸在食品中的应用研究进展李海峰,李冰冰,石硕硕,赵文建,王孟宇,周佳,贾峰河南工业大学 生物工程学院,河南 郑州 450001摘要:-氨基丁酸(GABA)属于一种氨基酸衍生物,广泛分布于动植物和微生物中,是哺乳动物中枢神经系统抑制性神经递质,具有多种生理功能。综述了 GABA 的制备方法、应用范围、有益人体健康的生理功能、富集原理以及富含 GABA 的茶、豆制品、谷物、乳制品、果蔬等功能性食品的研究现状,并对GABA 的应用前景进行了展望。可以采用特定的处理提高食品中 GABA 的含量,或将 GABA 作为生物活性化合物开发新的功能性产品,市场前景十分广阔。关键词:-氨基丁酸;生理功能;功能性食品中图分类号:TS201.2文献标志码:A文章编号:1673-2383(2023)01-0117-09DOI:10.16433/j.1673-2383.2023.01.016Research progress on the application of-aminobutyric acid in foodLI Haifeng,LI Bingbing,SHI Shuoshuo,ZHAO Wenjian,WANG Mengyu,ZHOU Jia,JIA FengCollege of Biological Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,ChinaAbstract:Gamma-aminobutyric acid(GABA),widely distributed in plants,animals,and microorgan-isms,is a kind of amino acid derivatives and an inhibitory neurotransmitter of the mammalian central nerv-ous system.As a novel functional factor,GABA has a variety of beneficial physiological functions.This paper reviewed the preparation methods,application scope,health-related physiological functions,enrich-ment principles and the current research status of GABA-related functional foods,involving GABA teas,bean products,cereals,dairy products,fruits and vegetables,etc.,and was expected to provide a basis and reference for further research and development of GABA rich functional foods.Therefore,as a kind of bioactive compound food additives or being after specific pretreatment to increase the content in food,GABA is very promising to be used in developing new functional products.Key words:-aminobutyric acid;physiological function;functional food-氨基丁酸(-aminobutyric acid,GABA)是一种具有 4 个碳原子的非蛋白质氨基酸,化学式为 C4H9NO2,相对分子质量为 103.12,广泛分布于动植物和微生物中1,属于次级代谢产物,可作为信号分子发挥作用2。很多细菌与真菌具有良好的产 GABA 能力3,如短乳杆菌(Lactoba-cillus brevis)、植 物 乳 杆 菌(Lactobacillus planta-rum)、发 酵 乳 杆 菌(Lactobacillus fermentum)等。目前,制备 GABA 的方法主要有化学合成法与生物法,其中化学合成法的生产过程存在能耗高、污染环境、易产生副产物等问题,不宜在食品领域使用;生物法包括植物富集法和微生物发酵法4,由植物富集法得到的 GABA 含量极低、分离提取困难,而微生物发酵法特异性强、所需设备相对简单、对环境友好、生产成本低、菌种多样、容易获得,适合用于大规模工业化生产5。1949 年,科学家首次在马铃薯的块茎组织中检测到 GABA6;1986 年,GABA 作为食品添加剂河南工业大学学报(自然科学版)2023 年进入市场;2009 年,我国卫生部批准 GABA 为新资源食品7,允许在饮料、可可制品、巧克力及其饮料、糖果、焙烤食品和膨化食品中添加,但不允许在婴儿食品中添加,添加限量为 500 mg/d8。日本、欧洲与美国也允许在食品中添加 GABA,其中美国食品药品管理局允许在饮料、咖啡、茶和口香糖中添加 GABA,但不允许在婴儿食品、肉制品或含肉产品中添加8。由此可见,GABA 属于安全的食品级原料,利于增加食品风味或保健功能。人体中的 GABA 含量有限,且会随着年龄增长逐年下降,需要通过外源食品或保健品等补充以维持机体需求,含 GABA 食品的开发已经成为食品生产企业的重点发展方向1。我国对 GABA研究的起步较晚,但随着大众保健意识的提高,对 GABA 的关注也越来越多。近年来,GABA 在功能性乳制品、茶叶和调味品等食品行业中得到了广泛研究,形成了 GABA 酸奶、糖果、酱油、醋和海鲜调味品等一系列产品,并且产生了良好的社会效益和经济效益。作者主要对 GABA 在食品领域的应用研究进行综述,以期为进一步获得富含 GABA 的功能性食品提供参考。1GABA 概述1.1GABA 的生理功能GABA 是大脑中的抑制性神经递质9,可作用于约 30%的神经中枢,主要平息或抑制过度兴奋和强烈的神经,被公认为“安全温和的大脑神经安定剂”。GABA 作用于脊髓的血管运动中枢时,可促进血管扩张,从而有效调节血压10;通过抑制谷氨酸的脱羧作用,GABA 可以促进谷氨酸与血液中的游离氨结合生成尿素被排出,以释放氨的毒性,从而起到养肝护肾的作用11;GABA还可作用于大脑兴奋性机制,干扰癫痫高兴奋性的产生和传播,达到预防癫痫的效果12。此外,GABA 还可以与抗焦虑受体结合,并与其他物质协同作用,防止焦虑信息到达大脑指令中心,起到抗焦虑的作用13。研究发现,服用 GABA 后饮用 60 mL 威士忌,血液中的乙醇含量明显降低,表明 GABA 能促进机体对乙醇的代谢14。在改善睡眠质量方面,GABA 可使过度活跃的脑细胞得到休息,显著降低神经细胞的兴奋性15。临床研究证明,失眠症患者口服 GABA 后在延 长 睡 眠 时 间 方 面 有 65%以 上 的 改 善16;GABA 也可以通过扩张血管、改善血液循环与促进大脑代谢来提高记忆力17,或增加胰岛素分泌,或帮助维 持胰岛素功 能,缓解糖尿 病 的 危害18。此外,GABA 还具有抗衰老19、利尿、增强免疫力及预防肥胖等众多有益的生理功能20。1.2GABA 的富集原理在植物体中,合成和转化 GABA 的途径有两条:一是由谷氨酸脱羧酶(glutamic acid decarbox-ylase,GAD)催化谷氨酸脱羧合成 GABA,称为GABA 支路(GABA shunt),也是 GABA 主要的合成途径,对 GABA 的合成贡献率达 70%左右;二是由多胺降解的中间产物转化而来,称为多胺降解途径(polyamine degradation pathway),对 GABA的合成贡献率为 30%左右21。1.3GABA 的毒理学特性李艳艳22采用限度试验法测定 GABA 经口急性毒性,采用改良寇氏法测定腹腔注射急性毒性,30 d 喂养试验测定亚急性毒性。结果显示,GABA 经口 LD50(半数致死量)10 g/kg,腹腔注射 LD50=8.78 g/kg,95%可信 限为 7.84 9.84 g/kg;在 亚 急 性 毒 性 试 验 中,在 GABA 500 mg/kg 剂量下,与阴性对照相比,对小鼠的行为、脏器指数及血液生化指标无显著影响,剖检未发现各脏器组织异常变化,证明 GABA 属实际无毒物质,临床使用安全性高。临床研究调查纯 GABA 作为膳食补充剂,18 g/d 连续 4 d 和 120 mg/d 持续 12 周摄入的研究中,没有与 GABA 相关的严重不良事件。每天以高达 1 g/kg 的剂量对大鼠和狗长期投喂 GABA没有显示出毒性迹象23。2GABA 食品的研究现状2.1GABA 茶自然条件下生长的鲜茶叶中 GABA 含量为0.002 0.206 mg/g,低于 0.02%,不能达到良好的益生功效。1987 年,日本科学家津志田藤二郎首次发现,将新鲜 茶叶经充氮 厌氧处理 6 h后,茶叶中 GABA 含 量 从 30 mg/100 g 提 高 至200 mg/100 g,他把 GABA 含量在 1.5 mg/g 以上的茶叶称为 Gabaron Tea24(GABA 茶),通过动物试验和临床医学证实 GABA 茶具有降血压功效,已得到开发的 GABA 茶产品包括绿茶(未氧化)、乌龙茶(半氧化)、红茶(完全氧化)、白茶、黑茶等25。811第 44 卷第 1 期李海峰,等:-氨基丁酸在食品中的应用研究进展目前提高 GABA 茶中有效成分含量的方法主要包括:将新鲜的茶叶进行厌氧和好氧重复交替处理、利用微波或红外线照射或者通过对新鲜茶叶进行浸泡处理26,可使 GABA 含量提高近 1倍。Wu 等27研究了新鲜茶叶在厌氧和好氧条件下 GABA 的积累,发现缺氧条件下茶树鲜叶中37%47%的 GABA 由多胺降解途径提供。有研究表明给茶树喷施 0.5%氨基酸叶面肥可以增加对氨基酸的吸收,促进 GABA 的合成,增加茶叶中 GABA 含量24。经过氨基酸叶面肥处理后的鲜茶叶中 GABA 含量虽明显提升,但仍不符合GABA 茶标准。而有学者将茶叶在缺氧条件下加工 11 h 后,茶叶中的 GABA 含量提高了 10 20倍28;对新鲜茶叶好氧厌氧交替处理 13 14 h后,茶 叶 中 GABA 含 量 可 达 到 1.86 mg/g 以上25。因此,要生产出富含 GABA 的高质量茶叶,需与厌氧技术相结合。刘冠卉等29基于传统工艺制备桑叶红茶,结果表明,冷冻萎凋结合浸泡与做青(去除茶叶中多余的水质让原本的茶香做出来)组的 GABA 含量是自然萎凋产品的 3.30 倍,自然萎凋结合浸泡与做青组的 GABA 含量是自然萎凋产品的 1.87倍。夏兴莉等30以中国山茶“龙井”叶片为研究对象,4 低温处理不同时间,发现处理 6 h 后茶叶中 GABA 含量提高约 0.1 mg/g。Dai 等31从动态代谢组学的角度研究发现,厌氧处理使茶叶中的 GABA 含量增加约 16 倍。张亚敏32以龙井茶叶作为试验对象,对其进行真空充 N2处理 1 h与真空充 CO2处理 6 h,以相同时间的室温摊放处理为空白对照,发现充 N2和 CO2有助于茶叶中 GABA 的形成。伊冉等33利用高效液相色谱法,采用不同工艺参数、不同季节加工的“御金香”黄 茶 进 行 试 验,结 果 表 明,摇 青 2 min 时GABA 含量达 0.022 mg/g;闷黄 6 h 时 GABA 含量最高,达 0.032 mg/g;35 时 GABA 含量较高,达 0.023 mg/g,且春季成茶中 GABA 含量是其他季节含量的 40 60 倍。Jin 等34以短乳杆菌为发酵菌种,通过优化发酵条件,使得绿茶中 GABA含量提高了 232.52%。Hannant 等35选取 GABA乌龙茶对 9 例被诊断为自闭症谱系障碍(ASC)的儿童进行治疗干预,并采用双盲与重复测量设计方法进行试验,结果显示,GABA 乌龙茶可有效提高 ASC 患儿手的灵巧性,患儿的感觉运动能力与焦虑水平也得到改善。2.2GABA 豆类及制品通过加工可以开发出多种富含 GABA 的食品,使 人 们 在 日 常 饮 食 中 摄 入 所 需 量 的GABA36。丁羽萱等37采用外源添加不同浓度GABA 的方法水培大豆,结果表明,与空白对照相比,添加 5 mmol/L 的外源 GABA 使发芽大豆的芽长增加约 10 mm、鲜质量增加约 0.6 g/10 株,有效促进发芽大豆的生长。Ueno 等38-39通过试验发现冻融可以促进发芽大豆中 GABA 的积累,且其形成主要发生在融化过程中。Luo 等40研究发现发 芽 5 d 的 大 豆 中 GABA 含 量 为 0.26 mg/g,是原大豆含量的 6 倍。彭菁等41采用大豆发芽法制备得到比空白对照组中 GABA 含量高68 倍的玉米风味豆乳。此外,有研究者通过对大豆浸泡及冷冻处理,同时结合氯化钠和钙离子作为浸泡液对大豆进行胁迫处理,使大豆中的 GABA含量提升了 10 倍,达到 269.93 mg/100 g42。Chou 等43研究发现,利用等离子体处理的绿豆中 GABA 含量大约比未处理组高 3 倍。Ma等44研究表明,不同品种的绿豆在高温(50 )和相对高湿度(90%)处理后,平均 GABA 含量增加了 7.52 倍。Chen 等45通 过 试 验 发 现,在30 、pH 5.0 的培养条件下,发芽绿豆中 GABA含量达到 24.41 mg/100 g。Ma 等46对绿豆采用热湿处理方法进行研究,绿豆中 GABA 含量从1.73 mg/100 g 增加到 109.78 mg/100 g。Jiang等47通过对发芽小豆进行真空 15.83 h 与 1.99 mg/mL 谷氨酸钠处理,使得发芽小豆中 GABA 含量达 443.57 mg/100 g。Polak 等48使用鹰嘴豆酸面团制备面包,其产品中 GABA 含量提高了38.1 mg/100 g。2.3GABA 谷物郭芳49以燕麦为研究对象,对其进行发芽处理,发 现 燕 麦 中 的 GABA 含 量 达 到 253.55 mg/100 g,是 未 发 芽 燕 麦 的 12.34 倍。Ding等50基于代谢 组 学 方 法 使 脱 壳 大 米 中 GABA含量提高了 6.4 倍,有助于缓解神经紧张、降低高血压。Kamjijam 等51通过对 2 种水稻分别进行不同时间发芽处理,结果显示,96 h 时水稻中GABA 含量最高,达到 31.36 mg/100 g。Chaiya-sut 等52采用响应面法对黑米发芽条件进行优化,使得 黑 米 中 GABA 含 量 达 到 0.203 mg/g。李志方等53通过对普通面包和发芽小麦粉面包进行品 质 分 析 对 比,发 现 发 芽 小 麦 粉 面 包 中GABA 比普通面包增加了 10.32 mg/100 g。Kim911河南工业大学学报(自然科学版)2023 年等54通过对比不同时期发芽小麦中 GABA 的含量,发现小麦发芽 96 h 后 GABA 含量最高,达39.98 mg/100 g。Al-Ansi 等55采用浸泡、发芽、发酵、发芽后发酵和发芽前发酵等不同方法对裸大麦进行预处理,发现发芽大麦和发芽后发酵大麦中 的 GABA 含 量 显 著 增 加,分 别 为 11.9 mg/100 g 和 10.3 mg/100 g。严静等56对西盟米荞以不同方式进行处理,发现通过乳酸菌发酵处理的生米荞中 GABA 含量达 484 mg/100 g,约为未处理的 5 倍。宁亚维等57通过发芽法富集小米糙米中的 GABA,利用响应面法优化发芽富集 GABA 的条件,结果表明,34 浸泡 12 h,发芽 60 h 后,小米发芽糙米中GABA 含量达 184.75 mg/100 g,比优化前提高了2.76 倍,是未发芽小米糙米含量的 8.44 倍。曹银平58采用非浸泡法生产发芽糙米,在发芽温度2832 ,发芽时间 36 40 h 时,其中的 GABA含 量 比 传 统 浸 泡 法 提 高 了 12.2%96.0%。Toyoizumi 等59研究发现未煮发芽糙米中 GABA含量约是高温蒸煮发芽糙米中的 2 倍,这一结果与 Yu 等60的研究一致。Hussain 等61以发芽糙米为研究对象,优化浸泡和发芽条件,使得种子萌发期 GABA 合成量达 48.18 mg/100 g。Zhang等62将发芽糙米在 50 mg/mL 纤维素酶下处理90 min,30 发芽 32 h,其中的 GABA 含量达到32 mg/100 g。Oh 等63研究分别于米糠中添加谷氨酸、水解小麦蛋白(HWP)、酵母提取物(YE)和吡啶酮-5-磷酸(PLP),将米糠用酸性氧化电位水润湿(水分含量为 30%),并在氮气下于 40 厌氧培 养 8 h,激 活 了 米 糠 中 的 谷 氨 酸 脱 羧 酶(GAD),使 GABA 含量从 10.7 mg/100 g 增加到171.5 mg/100 g;添加谷氨酸盐和蛋白质水解产物进一步增加了处理后米糠中的 GABA 含量:当谷氨酸、HWP 与 YE 添加 量 分 别 为 2.25%、6%和 8%时,米糠中的 GABA 含量可分别达到974.9、487.4 和 372.8 mg/100 g。添加的 PLP(1.48 mg/100 g)可以作为 GAD 的辅酶,同时添加 2.25%的谷氨酸可使米糠中 GABA 的积累提高到 2 242 mg/100 g。此外,有学者利用乳酸菌发酵米糠,米糠发酵液中 GABA 含量可达 335 mg/100 g64。2.4GABA 乳制品功能性乳制品受到越来越多消费者的喜爱,是目前乳业相关研究的热点。GABA 乳制品通常使用可产生 GABA 的乳酸菌作为发酵剂,由富含GABA 的 奶 酪、酸 奶 或 发 酵 乳 制 成8。Chen等65利用嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)fmb5,通过单因素和响应面法优化培养条件开发了一种富含 GABA 的功能性酸奶,GABA 含量达 9.66 g/L,饮用后有助于降低血压、缓解抑郁、改善睡眠质量。王冰聪66通过紫外诱变处理得到一株产GABA 的植物乳杆菌 L-SZ303,与直投式发酵剂混合发酵,研制出富含 GABA 的发酵酸豆奶,GABA含量为 4.80 g/L。Han 等67选用嗜热链球菌生产富含 GABA的自然发酵乳,该菌株发酵 48 h 后 GABA 产量可达 2.8 g/L;在 1 g/L 的食品级酪蛋白水解物作为氮源的条件下,嗜热链球菌与鼠李糖乳杆菌(Lac-tobacillus rhamnosus)共同培养时,GABA 质量浓度高达 5.4 g/L 甚至 8.3 g/L。应用生物技术生产的 富 含 GABA 的 食 品 材 料,如 含 高 浓 度 的GABA 饮料和乳酸菌,可直接用于或作为功能食品防治高血压和增强大脑及肝脏功能68。有文献记载,国外专利文献中有报道 GABA 在奶粉中的应用,而在其他乳制品中的应用较少,还需要做大量的开发工作69。2.5GABA 果蔬Li 等70通过试验发现,0 条件下贮藏草莓果实第 12 天,草莓果实在 10%和 20%CO2条件处理下 GABA 含量分别比对照组提高了 1.2 倍和 1.6 倍。侯莹等71对猕猴桃进行鲜切处理(切块与切丁)试验,结果显示,猕猴桃中 GABA 含量提高了约 0.4 mg/g。Chi 等72研究表明 CaCl2处理促进了鲜切梨中 GABA 的积累,与对照组相比,CaCl2处理的 梨在储存期 间 保 持 了 较 高 的GABA 含量。Toyoizumi 等73发现温室甜瓜胎盘组织中 GABA 含量是果肉中的 2 倍。Tilahun 等74以不同番茄品种为材料进行试验,筛选出一种 GABA 含量达 4.05 g/kg 的番茄,并标记为 GABA 番茄。Moore 等75研究表明,低盐发酵提高了黄瓜产品中 GABA 含量,2%NaCl 条件处理下的黄瓜中 GABA 含量达 1.38 mmol/L。Park 等76利用枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和植物 乳 杆 菌 共 同 发 酵,南 瓜 的 GABA 含 量 为1.47%。白青云等77发现经浸渍处理后的鲜切南瓜中 GABA 的含量是未处理的 10.62 倍。张梦丽等78对新鲜马铃薯进行微波辐射处理后,马铃薯中 GABA 含量是原材料的 2.19 倍。Yoon等79研究发现低温胁迫有助于菠菜中 GABA 的021第 44 卷第 1 期李海峰,等:-氨基丁酸在食品中的应用研究进展合成。2.6其他食品靳迎春等80通过谷氨酸钠浸泡法处理优质桑叶后,其中的 GABA 含量是原材料中的 6.28倍。Ozer 等81用筛选产 GABA 近 59 000 mg/L的鼠李糖乳杆菌开发的功能性巧克力,对焦虑症患者有治疗效果。Wang 等82利用植物乳杆菌在37 条件下发酵 40 h 的荔枝汁中 GABA 含量高达 134 mg/100 mL。Gharehyakheh 等83开发了樱桃开菲尔饮料,其 GABA 含量达 3.818 mg/mL。Zhang 等84利用酿酒酵母(Saccharomyces cerevisi-ae)和植物乳杆菌共同培养促进了桑葚饮料中的GABA 合成,产率为 2.42 g/L。此外,玉米、茄子、蜜柑、辣椒、檀香叶、粟米、羽衣甘蓝、蕨菜、调味品、自然发酵的大米胚芽和小球 藻 等 中 也 富 含 GABA8。目 前,我 国 在GABA 类食品上的研究还相对较少,市场上现有的相关产品主要来自国外,包括 GABA 茶(150 mg/100 g)、GABA 胚芽粉(25.4 mg/100 g)、GA-BA 巧克力(5.6 mg/粒)(Van Houten)及 GABA睡眠软糖(25 mg/粒)(GNITE)等;国产产品目前有 GABA 胚芽奶(克莉斯汀)、GABA 苏打水(娃哈哈)、GABA 口服液(娃 哈 哈)及 GABA 饮 料(100250 mg/瓶)(华熙生物)等85。3结论与展望GABA 作为一种新型功能性因子,在多个领域都具有良好的应用价值,是 21 世纪支持的绿色和有机食品的理想成分,应用前景十分广阔。国外对 GABA 的研究所做的工作较多,我国对其报道较少。近年来,对于 GABA 的相关研究在我国逐渐引起重视,但仍远远不够深入。如在食品中还没有明确标准适宜的添加量,应用方面有待进一步完善,以及提高食品中 GABA 稳定性的方法都有待于深入研究。虽然现在市场上 GABA产品有很多,但消费量还处在一个较低的水平。一方面需要对消费者进行宣传和知识普及,另一方面也需要科研院所加大研发力度,在确保营养品质和安全品质的前提下,开发高含量的 GABA食品,满足消费者对功能性食品的需求,从而提高我国功能性食品的市场竞争力,相信这是一个值得深入探究的领域。参考文献:1马牧然.产-氨基丁酸乳酸菌的筛选及培养条件的优化 D.呼和浩特:内蒙古农业大学,2021.2张 宿.-氨 基 丁 酸 的 生 理 作 用 及 应 用 J.安徽农业科学,2019,47(18):1-9,16.3ANDO A,NAKAMURA T.Prevention of GABA reduction during dough fermentation using a baker s yeast dal81 mutant J.Journal of bioscience and bioengineering,2016,122(4):441-445.4LUO H Z,LIU Z,XIE F,et al.Microbial production of gamma-aminobutyric acid:ap-plications,state-of-the-art achievements,and future perspectives J.Critical reviews in biotechnology,2021,41(4):491-512.5闫朝阳,李旭,查士银,等.-氨基丁酸的研究与应用进展 J.济南大学学报(自然科学版),2020,34(4):395-401.6LI L,DOU N,ZHANG H,et al.The versa-tile GABA in plants J.Plant signaling&behavior,2021,16(3):1862565.7俞德慧,杨杨,陈凤莲,等.-氨基丁酸及其在谷物发酵食品中的研究进展 J.食品与 发 酵 工 业,2022,48(11):290-296.8马燕,段双梅,赵明.富含-氨基丁酸食品的研究进展 J.氨基酸和生物资源,2016,38(3):1-6.9贾梦雅.短乳杆菌 CD0817 高产-氨基丁酸生 物 过 程 优 化 及 gadA 无 痕 敲 除 初 探 D.南昌:南昌大学,2021.10 VENTURI M,GALLI 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