Gama-amynobutyric acid – GABA hợp chất thiết yếu cần bổ sung cho cơ thể người

Gama-aminobutyric acid – C₄H₉NO₂ (GABA) là một axit amin phi protein có 4 Cacbon, có khối lượng mol là 103.1 g/mol (Dhakal & cs., 2012; Shelp & cs., 1999), nhiệt độ nóng chảy 203,7^oC, có khả năng tan tốt trong nước (1300 mg/ml ở 25^oC).

Gama- aminobutyric acid – GABA

Trong cơ thể, GABA là một chất không thể thiếu trong hệ thần kinh trung ương và được phát hiện là một phần quan trọng trong hệ thần kinh của động vật có vú (Eugene Roberts, 1950). GABA có tác dụng quan trọng đối với hệ thần kinh, nó đóng vai trò như một chất kìm hãm hoạt động của các neuron thần kinh trong hệ thần kinh giao cảm (Wang & cs., 2006); giúp tăng cường chức năng của thận, an thần giảm strees, căng thẳng (Chung & cs., 2009) (7). Ngoài ra nó còn là là một chất bảo vệ tế bào thần kinh khỏi chất độc thần kinh làm chết tế bào (Cho & cs., 2007). Theo kết quả từ nghiên cứu của Li K, Xu E năm 2008 và Ben-Ari Y, Gaiarsa JL, Tyzio R, Khazipov R năm 2007 cho thấy GABA còn có khả năng kích thích ở não đang đang phát triển, điều chỉnh sự phát triển của tế bào gốc phôi và tế bào thần kinh. Vì vậy, GABA được xem là có tác dụng vô cùng to lớn đối với sự phát triển và hoàn thiện não bộ ở trẻ nhỏ. Không những vậy, hợp chất này còn có tác dụng thúc đẩy quá trình trao đổi chất trong não; ngăn ngừa các rối loạn tự trị diễn ra trong thời kì mãn kinh và tiền mãn kinh; giảm chứng mất ngủ (Komatsuzaki & cs., 2003; Kayahara & cs., 2001; Swati Bhauso Patil & cs., 2011). Cũng theo Swati Bhauso Patil (2011) thì GABA có thể giúp phòng chống bệnh Alzheimer cũng như các hội chứng kèm theo như mất trí nhớ… (Ito & Ishikawa, 2004). Hơn nữa, việc tiêu thụ thực phẩm giàu GABA có thể ức chế tăng sinh tế bào ung thư (Park, K,B & cs., 2007), giúp cả thiện trí nhớ và khả năng học tập (Miura & cs., 2006).

Bên cạnh chức năng đối với hệ thống thần kinh, các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra tiềm năng trong việc sử dụng GABA giúp thúc đẩy sự nhân lên và sống sót của tế bào insulin-producing β trong tuyến tụy và đồng thời thúc đẩy quá trình chuyển đổi tế bào nội tiết trong tuyến tụy, mở ra phương hướng điều trị mới cho bệnh tiểu đường cũng như làm giảm nguy cơ mắc bệnh tiểu đường loại 1 thông qua hoạt động ức chế phản ứng gây viêm tế bào T (Soltani N & cs., 2011,  Ben-Othman N & cs., 2017) (9). GABA thể hiện vai trò sinh lý như điều hòa chức năng tim mạch (Lin S-D, Mau J-L, Hsu C-A. Bioactive, 2012); giảm nguy cơ mắc bệnh tim mạch thông qua điều hòa cholesterola máu (Roohinejad S, Omidizadeh A, Mirhosseini H, & cs., 2010) và có tác dụng làm giảm cường độ đau, làm thư giãn cơ bắp, hạn chế chuyển động của các cơ mặt (Okada & cs., 2000).

Tổng hợp các nghiên cứu, đánh giá lâm sàng về tác dụng của GABA đối với cơ thể người: (Okada & cs., 2000; Gwak & Claire, 2011; Vicent Ribas & cs., 2016; Kharroubi & cs., 2015; Natalie Schellack & cs., 2015).

1) Giảm những cơn đau mãn tính và đau đầu

2) Phòng chống rối loạn thần kinh

3) Tác dụng hạ huyết áp

4) Chống bệnh tiểu đường

5) Khả tăng chống ung thư

Hợp chất lần đầu tiên được tổng hợp bằng con đường hóa học vào những năm 1880 để đáp ứng các nhu cầu về thương mại (1). Tuy nhiên phương pháp này tồn tại nhiều nhược điểm như tốn nhiều kinh phí, gây ô nhiễm môi trường trong khi hiệu quả lại chưa cao. Vì vậy, tổng hợp GABA bằng phương pháp tổng hợp sinh học trở nên phổ biết hơn và dần được áp dụng rộng rãi nhờ khắc phục được các nhược điểm của phương pháp hóa học, quy trình phản ứng đơn giản, hiệu suất xúc tác cao, đáp ứng được những yêu cầu về điều kiện phản ứng và không ảnh hưởng xấu đến môi trường – vốn là vấn đề luôn được quan tâm hàng đầu (Huang, J., & cs., 2007). Con đường sinh học tổng hợp GABA được mô tả như sau: L- glutamate được tạo ra từ alpha- ketoglutarate bằng các phản ứng chuyển hóa và phản ứng được xúc tác bởi enzyme glutamate dehydrogenase (7), sau đó diễn ra quá trình các cơ chất L-glutamate dưới sự xúc tác của enzyme glutamate dercarbonxylase (GAD) với pyridoxal – 5’-phophate (PLP) đóng vai trò là  một cofactor giúp tăng cường hoạt động của enzyme GAD (Komatsuzaki & cs., 2005).

Sinh tổng hợp GABA theo con đường sinh học

Nguồn: Ning Xu & cs., 2017)

Ở người, GABA được phân phối khắp cơ thể và nó tham gia vào quá trình điều tiết huyết áp và nhịp tim, đóng vai trò như một chất dẫn truyền thần kinh ức chế trong não ảnh hưởng đến việc quản lý căng thẳng và giảm đau đớn (1). Mặc dù con người cũng có khả năng tự tổng hợp GABA tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu của cơ thể thì việc bổ sung hợp chất này thông qua các loại thực phẩm là rất cần thiết. Với những tiềm năng như vậy, hiện nay nhu cầu sử dụng GABA trong ngành công nghiệp thuốc và thực phẩm là rất lớn. Nhiều phương pháp sản xuất GABA bằng cách tạo điều kiện nảy mầm và tách chiết từ các loại hạt như: gạo, đậu đen, đậu tương,… đã được ứng dụng, đưa và sản xuất và chế biến nhằm đáp ứng được những yêu cầu của ngành công nghiệp. Bên cạnh đó, việc tổng hợp GABA trên quy mô lớn bằng vi sinh vật được chú ý và dần trở nên phổ biến, thay thế cho phương pháp hóa học tốn kém và gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường và cải thiện được những hạn chế của phương pháp tách chiết từ thực vật được sử dụng trước đó.

Các loại hạt ngũ cốc như các loại đậu xanh, đậu đen, hạt vừng, gạo,… là nguồn thực phẩm giàu protein, vitamin và khoáng chất. Tuy nhiên trong mô tế bào, GABA hiện diện ở nồng độ thấp vì vậy rất khó để có thể tách chiết đủ để đáp ứng được những nhu cầu đặt ra. Hiện nay nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong thời gian đầu của quá trình nảy mầm của nhiều loại hạt, hàm lượng GABA đã tăng lên nhanh chóng vì trong giai đoạn  này các hoạt động sinh hóa của hạt được tăng cường tạo ra các hợp chất cần thiết cho quá trình hình thành cây con, đồng thời nhiều enzyme cần cho quá trình trao đổi chất được kích hoạt và hoạt động mạnh mẽ, trong đó có enzyme GAD xúc tác cho quá trình sinh tổng hợp GABA. Nhờ vậy nhiều loại hạt ngũ cốc đã được đưa vào nghiên cứu rộng rãi nhằm xác định những điều kiện tối ưu cho quá trình nảy mầm như thời gian, độ ẩm, nhiệt độ, pH nhằm nâng cao khả năng sinh tổng hợp GABA. Trong đó nhiệt độ đóng vai trò quan trọng đến trạng thái ngủ nghỉ cũng như khả năng nảy nầm của hạt. Nhiệt độ thích hợp cho giai đoạn nảy mầm của các loại hạt nằm trong khoảng 25-40^oC (Shinmura & cs., 2007). Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nảy mầm hạt thường cao hơn nhiệt độ mà tại đó hạt có khả năng nảy mầm. Nếu như nhiệt độ quá thấp sẽ là giảm hoạt độ enzyme, ức chế quá trình nảy nầm, trong khi đó, nếu nhiệt độ quá cao hoặc biến động liên tục sẽ gây ảnh hưởng đến các enzyme, khiến các enzyme bị biến tính và bất hoạt, làm cho hạt không thể nảy mầm. Chính vì vậy việc giữ nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình ngâm ủ, nảy nầm hạt đóng vai trò rất quan trọng đến hàm lượng các chất dinh dưỡng có trong trong hạt. Trong một nghiên cứu vào năm 2012, Roohinejad và các cộng sự đã tiến hành khảo sát 18 loại gạo khác nhau được ngâm ở 30^oC trong 72 giờ, kết quả cho thấy tất cả các mẫu gạo được khảo sát đều có hàm lượng GABA tăng cao hơn so với ban đầu. Hàm lượng GABA có được trong quá trình nảy mầm của hạt phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, không chỉ nhiệt độ mà còn chịu ảnh hưởng của thời gian ủ cũng như pH của môi trường ủ. Trong một nghiên cứu khác, D.Karladee & cs., (2012) đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của thời gian ủ khác nhau đến quá trình mầm cũng như hàm lượng GABA của 21 loại gạo và nhận thấy rằng hàm lượng GABA đã tăng từ 3,96 mg/100g ở thời điểm 0h ủ đến 17,87 mg/100g khối lượng chất khô sau 24h ủ, cao hơn gấp 4,5 lần so với thời điểm ban đầu. Trong đó, 2 loại gạo KDML 105 và Kum Doi Saket được ghi nhận là có hàm lượng GABA cao nhất trong số 21 loại gạo được khảo sát sau 24h ủ, lần lượt đạt 23,48 mg/100g và 23,63 mg/100g khối lượng chất khô. Ngoài ra nghiên cứu của Chaiyavat & cs., (2017) nhằm tối ưu hóa điều kiện nảy mầm để thu được hàm lượng GABA cao từ hạt gạo lứt nảy mầm Kum Payao (Thái Lan) đã cho thấy khi ngâm ở 12 giờ, pH 7 và tiếp tục ủ ở 36h là điều kiện tối ưu để hàm lượng GABA cao nhất, đạt 0,2029 mg/g.

Ngoài ra, enzyme GAD đã được chứng minh rằng nó không chỉ có ở các sinh vật eukaryotes mà còn hiện diện ở các sinh vật prokaryotes, vì vậy việc sử dụng các vi sinh vật đưa vào sản xuất nhằm tạo ra lượng lớn GABA thông qua quá trình lên men được coi là một biện pháp thay thế hữu hiệu nhờ vào mức độ biểu hiện cao của GAD, cho phép sản xuất sản xuất GABA ở quy mô lớn. Cho tới ngày này, một số lượng lớn các loài vi khuẩn và nấm đã được ghi nhận là có khả năng sinh GABA bằng con đường sinh học. Vào năm 1950, GABA lần đầu tiên được phân lập từ chất chiết xuất từ nấm men, có mặt ở trạng thái tự do với mức độ 1±2% trọng lượng khô trong nấm men chưa được xử lý (Reed & cs., 1950). Khi điều tra thành phần axit amin của nấm men đỏ Rhodotorula glutinis(Krishnawamy & cs., 1953) cũng phát hiện sự có mặt của GABA đồng thời nó cũng xuất hiện ở nhiều loại nấm khác như Aspergillus nidulans và A.niger (1). Ngoài ra các vi loài vi khuẩn như Eschrichia Coli, nhóm vi khuẩn lactic (LAB), Streptococcis salivarius, Bacilus megaterium, Pyrococcus horikoshii, đã được xác định là cũng có khả năng sinh tổng hợp GABA (Jun & cs., 2014., Kim & cs., 2009). Tuy hầu hết các vi sinh vật có enzyme GAD xúc tác cho quá trình khử cacbonxyl glutamate nhưng nhóm vi khuẩn lactic được xem là nhóm vi sinh vật điển hình có khả năng sinh tổng hợp GABA hiệu quả nhất. Một nghiên cứu được thực hiện trên 22 loại phô mai Italy khác nhau, cho thấy ở loại phô mai Pecorino di Filiano có hàm lượng GABA cao nhất (391 mg/kg), trong đó các các loại vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp GABA cao là Lb. paracasei  PF6, PF8, PF13, Lb. plantarum PF14, Lactobacillus sp. Strain PF7, và Enterococcus durans PF15 đã được phân lập từ phô mai Italy (9). Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm sản xuất GABA từ các nguồn cơ chất khác nhau bằng các vi sinh vật có hệ enzyme GAD biểu hiện mạnh, có khả năng chuyển hóa axit glutamic nhằm tạo ra nguồn GABA dồi dào đáp ứng nhu cầu của công nghiệp. Một nguồn cơ chất phổ biến hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong sản xuất GABA là cám gạo. Đây là một nguồn nguyên liệu glutamate dồi dào, có sẵn trong nước tuy nhiên lại chỉ được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi và được biết đến là một phương pháp làm đẹp truyền thống. Một nghiên cứu được thực hiện bởi Kook & cs., (2009) đã xây dựng một quy trình lên men môi trường chiết xuất cám gạo có bổ sung sucrose, cao nấm men, Modiumsodium glutamic nhằm sản xuất GABA bởi Lactobacillus sakei B2-16. Kết quả cho thấy nồng độ GABA thu được khi lên men từ dịch chiết cám gạo đạt 660mM, cao gấp 2,4 lần nồng độ GABA thu được từ môi trường MRS không chứa chiết xuất cám gạo. Việc tối ưu hóa các thông số lên men cũng đóng vai trò rất quan trọng đối với khả năng sản xuất GABA của vi sinh vật, đặc biệt là các thông số liên quan đến thời gian lên men, nhiệt độ lên men, pH và nồng độ axit glutamic ban đầu.

Gạo là một loại thực phẩm quen thuộc của người dân trên toàn thế giới, đặc biệt là với các nước Châu Á. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong gạo lứt có chứa nhiều hợp chất sinh học được chứng minh là có lợi đối với sức khỏe con người như gamma-oryzanol, hợp chất phenolic, phytosterols, axit phytic, các chất khoáng và nhiều loại vitamin. Đặc biệt thông qua quá trình nảy nầm, hàm lượng các hợp chất sinh học tăng lên, GABA cũng được tăng cường tổng hợp trong giai đoạn này. Chính vì vậy việc sử dụng gạo lứt nảy mầm có thể giúp điều hòa huyết áp máu, giảm béo và hàm lượng cholesteron có trong máu, hỗ trợ điều trị bệnh tiểu đường loại II. Sữa gạo sản xuất từ hạt mầm nếp Pì Pất (giống địa phương) Cao Bằng trong điều kiện tối ưu cho quá trình này mầm và sản sinh GABA, hàm lượng GABA trong sữa gạo đạt 120-122 mg/L sữa.

Khoa Công nghệ Thực phẩm của Học viện Nông nghiệp Việt Nam