γ-氨基丁酸（化学物质）

γ-氨基丁酸

化学物质

γ－氨基丁酸是一种化合物，化学式是C₄H₉NO₂，别名4－氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，简称GABA），是一种氨基酸，在脊椎动物、植物和微生物中广泛存在。 [1]  γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid,GABA)是一种重要的中枢神经系统抑制性神经递质,其拥有良好的水溶性与热稳定性。现已证实,作为小分子量非蛋白质氨基酸的GABA具备食用安全性,并可用于饮料等食品的生产。研究表明,摄入一定量的GABA具备改善机体睡眠质量、降血压等生理功效。

历史

聚四氟乙烯是1938年由化学家罗伊·普朗克特（Roy J. Plunkett）博士在杜邦位于美国新泽西州的Jackson实验室中意外发现。当他尝试制作新的氯氟碳化合物冷媒时，四氟乙烯在高压储存容器中聚合（容器内壁的铁成为聚合反应的催化剂）。杜邦公司在1941年取得其专利，并于1944年以"Teflon"的名称注册商标。随后，杜邦公司又在Teflon®聚四氟乙烯树脂之外研发出一系列产品，包括Teflon；AF(无定形氟聚物)，Teflon；FEP(氟化乙烯丙烯树脂)，Teflon；FFR(氟聚物泡沫树脂)，Teflon；NXT（氟聚物树脂），Teflon；PFA(全氟烷氧基树脂)等等。

1954年，法国工程师马克·格雷瓜尔(Marc Gregoire)的妻子柯莱特(Colette)突发奇想，觉得丈夫用来涂在钓鱼线上防止打结的不粘材料特氟龙(Teflon)如果可以用在煎锅上，效果一定不错。拯救了无数现代家庭主妇的“不粘锅”由此诞生。

作用

聚四氟乙烯英文全称为Polytetrafluoroetylene，简称Teflon、PTFE、F4等。以四氟乙烯为单体聚合制得的聚合物。聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethene），一般称作“不粘涂层”或“易洁镬物料”；是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成为了易洁镬和水管内层的理想涂料。

特性介绍

特性

1、不粘性：几乎所有物质都不与聚四氟乙烯涂膜粘合。很薄的膜也显示出很好的不粘附性能。

2、耐热性：聚四氟乙烯涂膜具有优良的耐热和耐低温特性。短时间可耐高温到300℃，一般在240℃~260℃之间可连续使用，具有显着的热稳定性，它可以在冷冻温度下工作而不脆化，在高温下不融化。

3、滑动性：聚四氟乙烯涂膜有较低的摩擦系数。负载滑动时摩擦系数产生变化，但数值仅在0.05-0.15之间。

4、抗湿性：聚四氟乙烯涂膜表面不沾水和油质，生产操作时也不易沾溶液，如粘有少量污垢，简单擦拭即可清除。停机时间短，节省工时并能提高工作效率。

5、耐磨损性：在高负载下，具有优良的耐磨性能。在一定的负载下，具备耐磨损和不粘附的双重优点。

6、耐腐蚀性：聚四氟乙烯几乎不受药品侵蚀，能够承受除了熔融的碱金属，氟化介质以及高于300℃氢氧化钠之外的所有强酸（包括王水）、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用，可以保护零件免于遭受任何种类的化学腐蚀。

物理性质

相对密度

2.14~2.2

吸水率（23℃，24h）%

<0.01

拉伸强度MPa

22~35

伸长率%

200~400

拉伸弹性模量MPa

400

弯曲弹性模量MPa

420

压缩弹性模量MPa

500

缺口冲击强度J/m

163

热变形温度℃

0.45MPa 121

1.82MPa 55

线膨胀系数10-5/℃

10

阻燃性（UL94）

V-0

体积电阻率Ω.cm

1017~1018

介电常数

<2.1

介质损耗角正切

<2×10-4

介电强度KV/mm

>17

耐电弧性s

>300

化学性质

绝缘性：不受环境及频率的影响，体积电阻可达1018欧姆·厘米，介质损耗小，击穿电压高。

耐高低温性：对温度的影响变化不大，温域范围广，可使用温度-190~260℃。

自润滑性：具有塑料中最小的摩擦系数，是理想的无油润滑材料。

表面不粘性：已知的固体材料都不能粘附在表面上，是一种表面能最小的固体材料。

耐大气老化性，耐辐照性能和较低的渗透性：长期暴露于大气中，表面及性能保持不变。

不燃性：限氧指数在90以下。

聚四氟乙烯广泛应用于耐高温、要求高粘性的行业。其中最强的超强酸--氟锑酸也可以用它做保存。

美国“阿克苏诺贝尔”公司新研究出无害不粘材料，由于是秘方并没有透露具体制作方法，但是声称绝对安全无害，并且已经在美国顶级厨具calphalon的产品上使用。

应用领域

聚四氟乙烯可采用推挤或挤出加工成型；用在高温电线,也可以先制成薄膜然后分切成轴装PTFE包带,用于生产高频电缆,直接制成水分散液，则可用于涂层、浸渍或制成纤维。

聚四氟乙烯在原子能、国防、航天、电子、电气、化工、机械、仪器、仪表、建筑、纺织、金属表面处理、制药、医疗、食品、冶金冶炼等工业中广泛用作耐高低温、耐腐蚀材料，绝缘材料，防粘涂层等，使之成为不可取代的产品。

聚四氟乙烯具有杰出的优良综合性能，耐高温，耐腐蚀、不粘、自润滑、优良的介电性能、很低的摩擦系数。用作工程塑料，可制成聚四氟乙烯管、棒、带、板、薄膜等。一般应用于性能要求较高的耐腐蚀的管道、容器、泵、阀以及制雷达、高频通讯器材、无线电器材等。在聚四氟乙烯中加入任何可以承受聚四氟乙烯烧结温度的填充剂，它的机械性能可获得大大的改善。同时，保持聚四氟乙烯其它优良性能。填充的品种有玻璃纤维、金属、金属化氧化物、石墨、二硫化钼、碳纤维、聚酰亚胺、EKONOL等，耐磨耗、极限PV值可提高1000倍。涂装于子弹弹头表面能增加子弹穿透性，使子弹能射穿防弹衣。

制备方法

1993有学者第一次通过化学合成的方法成功研制出了GABA。此后的相关研究日益丰富。为了获得更多的GABA，科研人员开始了各种尝试，并获得了诸多成果。

化学合成法

比较重要的化学合成主要有以下几种：第一种是采用邻苯二甲酰亚氨钾以及γ-氯丁氰或丁内酯作为制作GABA的原料，剧烈反应并水解后得到的最终产物就是GABA；第二种是利用吡咯烷酮作为最初的原料，并通过氢氧化钙以及碳酸氢铵进行水解，最终使其开环得到的产物就是GABA；第三种是把丁酸和氨水作为GABA的原料，使其在γ射线条件下进行光照反应得到GABA；第四种是通过辉光放电的方法，用丙胺和甲酸两种物质进行合成得到GABA；第五种是把溴乙酸甲酯和乙烯作为制备GABA的原料，通过聚合反应得到4-溴丁酸甲酯，最后经过氨解和水解后的产物即为GABA。GABA的化学合成方法都存在反应不容易控制、成本比较高的缺点。

植物富集法

植物富集法是一种新型开发的合成萃取提纯技术，它是用GABA含量较高的植物进行分离提取，这样便有了既便宜纯度又高的GABA产品。从植物中获取GABA的方法主要有以下两种：其中一种是利用溶剂萃取提纯法，另一种是柱分离制备法。  

（1）溶剂萃取法

溶剂萃取法是利用水或醇作为GABA的提取剂，根据植物在水或者醇中的溶解度以及分配系数不同的原理将GABA提出到水或者醇中，并且经过反复的过滤提纯，可以使植物中绝大多数的GABA都被萃取出来。  

（2）柱分离制备法

柱分离制备法，又被叫做柱色谱法，是一种利用不同的混合物中的组分在固液两相中具有不同分配系数的原理，进行洗脱分离及其他后续操作，它的大分类应该归属于层析法。色谱柱一般采用树脂、硅胶或活性炭等作为填充材料。  

微生物发酵法

微生物发酵法是通过选择品种优良、稳定以及无毒无害的菌种，利用这些菌种在生长繁殖的过程中对GABA进行制备和产出。这种方法虽然对环境的要求比较苛刻，对设备的要求较高，但是此法产出的GABA可作为天然的食品添加剂。利用微生物发酵生产，是食品行业中发展最早，领域最广泛的生产方式之一，最早利用的微生物是大肠杆菌，利用它的脱羧酶可生产GABA，但是由于其本身存在一些安全隐患，使其一直无法直接用于药品或者食品的生产制作。  

随着科学技术的发展，绿色食品越来越受到人们的重视，后来科研人员发现乳酸菌、酵母菌以及曲霉菌等微生物都可以用来代替大肠杆菌，催化生产GABA。而且在较低成本的情况下，还具有产量高、安全性好的优势，此种方法已经逐渐在向产业化生产发展。

分子结构数据

1、 摩尔折射率：25.68

2、 摩尔体积（cm3/mol）：92.8

3、 等张比容（90.2K）：242.1

4、 表面张力（dyne/cm）：46.2

5、 极化率（10-24cm3）：10.18

计算化学数据

1、 疏水参数计算参考值（XlogP）：-3.2

2、 氢键供体数量：2

3、 氢键受体数量：3

4、 可旋转化学键数量：3

5、 互变异构体数量：

6、 拓扑分子极性表面积（TPSA）：63.3

7、 重原子数量：7

8、 表面电荷：0

9、 复杂度：62.7

10、同位素原子数量：0

11、确定原子立构中心数量：0

12、不确定原子立构中心数量：0

13、确定化学键立构中心数量：0

14、不确定化学键立构中心数量：0

15、共价键单元数量：1

来源及应用

植物组织中GABA的含量极低，通常在0.3～32.5 μmol/g之间。已有文献报道，植物中GABA富集与植物所经历胁迫应激反应有关，在受到缺氧、热激、冷激、机械损伤、盐胁迫等胁迫压力时，会导致GABA的迅速积累。对植物性食品原料采用某种胁迫方式处理后，或通过微生物发酵作用使其体内GABA含量增加，用这种原料加工成富含GABA的功能产品已成为研究热点。GABA作为一种新型功能性因子，已被广泛应用于食品工业领域。利用富含GABA的发芽糙米、大豆和蚕豆等原料开发的食品已面市。

允许添加剂量

欧洲食品安全局（EFSA）虽然允许食物中添加GABA，规定GABA的膳食摄入量上限为550mg/d，但是其主要功能特性尚需严格的人群试验结果加以佐证。美国食品药品监督管理局（FDA）根据毒理学实验结果指出食品中添加GABA是安全的，使用范围包含饮料、咖啡、茶和口香糖等，但不允许在婴儿食品、肉制品或含肉产品中添加。中国卫生部2009年12号公告，GABA摄入量不得超过500mg/d，使用范围为饮料、可可制品、巧克力及其饮料、糖果、焙烤食品和膨化食品，但婴儿食品中不能添加。

生物学功能

GABA在动植物以及微生物中有较多的发现，其中在1949年首先在马铃薯的块茎中发现，在1950年又在哺乳动物的中枢系统中发现其存在，同时被认为是哺乳动物、昆虫或者某些寄生蠕虫神经系统中的神经抑制剂，对神经元的兴奋程度有着重要的影响。 研究发现 , GABA 是在人脑能量代谢过程中起重要作用的活性氨基酸 ,它具有激活脑内葡萄糖代谢、促进乙酰胆碱合成、降血氨、抗惊厥、降血压、改善脑机能、精神安定、促进生长激素分泌等多种生理功能。

微生物代谢途径

在微生物中，GABA代谢是通过GABA支路完成的，利用微生物体内较高的GAD活性，将Glu脱羧形成 GABA，然后在GABA-T、SSADH作用下，GABA进入下游的分解过程生成琥珀酸半醛、琥珀酸参与微生物的生理代谢。微生物富集GABA就是通过对培养基的优化以及菌株的改良使其具有较高的GAD活性，增加GABA合成率，降低分解率来实现的。大量研究已证明GAD在原核到真核微生物中都有存在，此外，利用微生物中的GAD脱羧形成GABA不受资源、环境和空间的限制，与其他方法相比具有显著的优势。

参考资料

1.Roy J. Plunkett·Chemical Heritage Foundation ·