米糠發(fā)酵富集γ-氨基丁酸技術研究

（天津市食品研究所有限公司，天津301609）

γ-氨基丁酸（Gamma aminobutyric acid，GABA）又名4-氨基丁酸和γ-氨酪酸，是由谷氨酸（Glutamic acid，Glu）經過谷氨酸脫羧酶（Glutamic acid decarboxylase，GAD）催化而來[1-2]，是一種天然活性成分，廣泛分布于動植物體內。GABA是中樞神經系統(tǒng)中很重要的抑制性神經遞質，是一種天然存在的非蛋白組成氨基酸，生理活性有促進腦部血流、增加生長激素分泌、調節(jié)血壓、抑制脂肪肝及肥胖癥、改善更年期綜合癥、活化肝功能、促進睡眠、促進乙醇代謝、美容潤膚等多種功效[3-5]，具有重要的生理功能。

1 GABA國內外現狀

GABA在食品中的研究和應用始于20世紀80年代中期。GABA的應用前景和生理功能受到世界越來越多的關注，并被應用于食品、醫(yī)藥和化妝品中。歐美和日本等少數發(fā)達國家在其生理功效方面的研究處于領先水平。日本厚生省、歐洲食品安全局（European Food Safety Agency，EFSA）和美國食品藥品管理局（Food and Drug Administration，FDA）承認乳酸菌發(fā)酵生產的GABA為天然食品添加劑[6]，在歐美及日本等發(fā)達國家，天然GABA已被應用多個食品領域，如食品調味品、烘焙食品和飲料中，其應用產品以日本茶飲料Gabaron為代表。利用乳酸菌等制作的富含GABA的飲料以及食品配料，都可以用于鎮(zhèn)靜、催眠、降血壓、延緩腦衰老等的功能食品[7]。

而與國外相比，在我國有關GABA食品的研究開發(fā)及報道較少。2009年，中國衛(wèi)生部批準此類GABA為新資源食品。作為新資源食品，GABA越來越引起國內和國外人群的關注，對GABA的活性成分的進一步深入探討，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻脙r值。

2 GABA的生理功能

GABA具有抑制脂肪肝及肥胖癥、促進酒精代謝、鎮(zhèn)靜神經和抗焦慮、提高記憶力、改善更年期綜合癥、活化肝功能、改善睡眠、腎機能和肝機能改善等活性[8]。在神經系統(tǒng)的發(fā)育過程中，GABA也具有重要的營養(yǎng)作用，GABA還可以有效地抑制谷氨酸脫羧，促使氨和谷氨酸結合生成尿素，更多的排出體外，降低血氨的濃度。

2.1 降低血壓

高血壓是18種最常見慢性病之一，我國成人高血壓患病率已達30%以上，但高血壓人群的知曉率、控制率卻很低，分別只有36%和28%。在我國北方地區(qū)，18歲以上的成人每5個人中至少有1人患高血壓，超過半數的心血管病發(fā)病與高血壓相關。現代醫(yī)學已經證明GABA中樞神經系統(tǒng)中很重要的抑制性神經遞質，可以防止神經細胞過熱，相應地降低神經元活性等；對動物（尤其是哺乳動物）的心血管活動有著及其重要的調節(jié)作用，原理是通過控制中樞神經系統(tǒng)達到降血壓的效果。GABA是許多降血壓藥物（如黃芪、紅曲霉等）和食品的主要成分之一[9]。在哺乳動物體內，GABA與對交感神經末梢起抑制作用的受體相結合，促進血管擴張，從而降低血壓，通過多項人群試驗證明，補充GABA可以降低高血壓患者血壓。

2.2 改善睡眠

睡眠質量不佳不僅會妨礙人們正常生活、工作、學習和健康，而且還會加重或誘發(fā)心悸、胸痹、眩暈、頭痛、中風病等病癥。頑固性的失眠，給病人帶來長期的痛苦，甚至形成對安眠藥物的依賴，而長期服用安眠藥物又可引起醫(yī)源性疾病[10-11]。GABA中的營養(yǎng)因子，可以調節(jié)神經中一些酶、蛋白的表達，通過抑制GABA的分解，以此提高其在腦內的含量，在一定程度上增加慢波睡眠時間，對自主神經高級中樞和植物神經系統(tǒng)進行有效的調節(jié)，提高患者大腦神經細胞自我修復能力和自身免疫力，從而有效的改善睡眠。

2.3 抑制脂肪肝及肥胖癥

脂肪肝正嚴重威脅國人的健康，成為僅次于病毒性肝炎的第二大肝病，發(fā)病率在不斷升高，且發(fā)病年齡日趨年輕化。脂肪肝同時會引發(fā)如胰腺炎、肝硬化、糖尿病、高脂血癥、高血壓、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病等諸多疾病。很多降脂藥物和食品中都含有GABA成分。

3 GABA的制備方法和技術原理

GABA主要分布在哺乳動物的神經組織中。由于GABA天然含量低，從天然動植物組織中大量分離提取非常困難。目前，分離提取GABA的方法主要有3種，分別為：微生物發(fā)酵法、植物富集法和化學合成法[12-13]。

微生物發(fā)酵法可以通過許多微生物生成GABA，如酵母、霉菌和細菌等。但微生物發(fā)酵法由于其產品安全性高、含量高、原料來源廣泛、工業(yè)化生產技術成熟的特點，仍是目前制備GABA的理想方法，具有廣闊的工業(yè)化應用前景。

通過植物富集法得到的GABA屬于天然產物，安全性高，但由于GABA在動植物體內存在量較少，故通過此方法得到的GABA產量較低。

化學合成法分離提取得到的純品不屬于天然產物，成本高，操作時條件劇烈，殘留的化學物質量多。通過此法得到的GABA不適合在食品配料、飲料及保健品中應用，而是更多的應用于化工和醫(yī)藥領域。

米糠中保留了稻米中大部分的營養(yǎng)物質，其蛋白質的含量較高，且氨基酸組成豐富，營養(yǎng)全面，尤其是Glu的含量很高。本課題應用混合乳酸菌對米糠進行液體發(fā)酵，將米糠中的Glu進行生物轉化為高質量濃度的GABA，采用閃蒸濃縮技術、微膠囊化技術對發(fā)酵液中的關鍵成分GABA進行富集，制成GABA富集粉，濾渣通過采用超微粉碎技術制成米糠纖維粉，并分別利用GABA富集粉和米糠纖維粉加工成米糠棗汁功能飲料和米糠（纖維）微粉，從而使米糠資源得到充分的利用。

集成生物發(fā)酵技術、閃蒸濃縮技術、微膠囊化技術和超微粉碎技術對米糠進行綜合利用，對其關鍵功效成分GABA進行分離及富集，確定生物發(fā)酵技術、閃蒸濃縮技術、微膠囊化技術和超微粉碎技術應用過程中的工藝參數，并開發(fā)出精深加工產品。采用生物發(fā)酵技術對米糠中的Glu進行生物轉化，并采用閃蒸濃縮技術及微膠囊化技術對目標產物GABA進行富集。采用超微粉碎技術對生物發(fā)酵后的濾渣進行粉碎處理。確定米糠（纖維）微粉生產過程中的工藝參數。

4 GABA在食品工業(yè)中的應用

日本關于GABA的生理機能、保健功能、來源與提取等方面的研究比較深入。如日本Oryza公司是目前世界上最大的米胚芽GABA生產商，其產品包括5%、50%、90%這3種純度。20世紀九十年代中期，日本ORYZA油化學公司開發(fā)出一種名為GABA RICE GERM的保健食品添加劑，日本食品科學技術學會報道了該產品在改善失眠、抑郁和更年期綜合癥等方面的顯著效果[14-15]。

在我國，目前米糠的開發(fā)利用還不充分，稻谷加工的副產品米胚芽營養(yǎng)全面，但其分離難度較高，所以許多米廠未作分離而留在米糠中作飼料用。黃美娥等從蕨菜葉、莖中分離提取GABA，測得其中分別含0.319%和0.141%的GABA。陳穎[16]等則開發(fā)出GABA產量達到9.22 g/kg的米糠。GABA的技術研究、保健功能研究及應用研究在我國已引起重視。

GABA作為活性因子，具有降低血壓、抗除抑郁、增強腦功能和長期記憶、利尿、強肝、健腎等生理活性，將其應用于功能性食品中將大有可為。已有報道指出，茶和大米胚芽通過自然的發(fā)酵過程可以富集GABA。除此之外，豆制品、西紅柿、小球藻等天然食品素材通過加工可以富集GABA。雖然GABA在自然界的分布很廣泛，但將其開發(fā)作為保健食品功能因子無疑還需大量的工作。作為食品的開發(fā)，既要有藥食同源的思想，又要區(qū)分開藥與食的概念。在食品中應用GABA，絕不是對藥用GABA的簡單添加，而是要從制備這個源頭開始，利用天然物質及采用生物技術方法，生產出可安全用于食品并可被視為天然添加劑的食用GABA。總之，以米糠為原料，采用生物發(fā)酵技術、閃蒸濃縮技術、微膠囊化技術和超微粉碎技術等現代多種高新技術對米糠進行深加工，制成多種GABA富集化食品，對增加GABA富集化食品種類及擴大GABA在食品中的應用范圍，具有重要的意義。同時，通過對米糠進行精深加工，實現了米糠資源的綜合利用，具有廣闊的市場前景，還可獲得較好的社會效益和經濟效益。

5 市場需求分析

據統(tǒng)計，目前全球各類GABA產品總產能約6萬噸，其中約10%屬于微生物法或植物富集法生產的可以添加至食品中的天然GABA。我國天然GABA純品的產能已超過1 000 t。

日本厚生省允許含GABA食品具降血壓和健腦等健康宣稱。EFSA雖然允許食物中添加GABA，規(guī)定GABA的膳食攝入量上限為550 mg/d，但是其主要功能特性尚需嚴格的人群試驗結果加以佐證。FDA根據毒理學實驗結果指出食品中添加GABA是安全的，使用范圍包含飲料、咖啡、茶和口香糖等。我國衛(wèi)生部規(guī)定GABA攝入量不得超過500 mg/d，使用范圍為飲料、可可制品、巧克力及其飲料、糖果、焙烤食品和膨化食品。這些規(guī)定的出臺，為GABA相關應用產品的研發(fā)提供了政策引導[16-18]。

我國添加GABA相關產品總市值約25億元～30億元，市場仍處于緩慢增長期，消費者對此類產品還處于認知階段。目前GABA在國內市場售價仍然較高，但GABA原料市場在國內外已呈現了產能過剩的態(tài)勢，必須積極開發(fā)下游相關產品，開拓市場。我國關于GABA相關產品的開發(fā)研究及加工利用還處于起步階段，根據GABA的生理功能特點，可開發(fā)多種形式功能保健食品，滿足不同人群的需要也是非常有意義的[19]。

6 在產業(yè)鏈發(fā)展中的地位與作用

我國是世界上最大的稻谷生產和消費國，年產稻谷約2億噸。糙米中約64%的營養(yǎng)物質都積聚于占糙米重量10%的糠層和胚芽中。通常，糠層和胚芽在糙米加工成精米的過程中被丟棄，相當于每年丟棄了960萬噸的高營養(yǎng)物質，其價值超過1 000億元，造成寶貴資源的極大浪費[20]。

GABA的多種保健和醫(yī)療功效，成為人類健康保證的重要生物源，不論是解決人類日益擴大的亞健康人群健康問題，還是滿足人類食物保證、生態(tài)環(huán)境保護的健康需求，GABA研究與產品開發(fā)都是極具較好發(fā)展前景的。

因此，在傳統(tǒng)的稻谷加工基礎上，結合現代生物技術對米糠進行深加工，富集關鍵功效成分GABA，利用其營養(yǎng)豐富、保健作用強的特點將其開發(fā)成多種功能性食品，對稻谷加工后的副產物米糠進行綜合利用，將提高產品的附加值，延長稻谷加工的產業(yè)鏈，具有廣闊的市場前景。

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