生物素在发酵过程中,发挥哪些作用

生物素：发酵工业中的“关键钥匙”与不可或缺的生长因子

在宏观的发酵工业世界里，微小的维生素却扮演着决定成败的巨大角色。其中，生物素 作为最关键的水溶性B族维生素之一，其作用远不止是常见的营养补充品。无论是生产氨基酸、抗生素，还是有机酸和 biofuels，深入理解生物素在发酵过程中的作用，是优化生产、提高产率的核心环节。本文将全面解析生物素如何作为发酵工程的“幕后指挥家”，发挥其不可替代的功能。

一、 生物素的本质：为何微生物对它“求贤若渴”？

生物素，又称维生素B7或维生素H，是一种水溶性维生素。对于许多用作发酵生产者的微生物（如细菌、酵母和霉菌）而言，生物素是它们自身无法合成或合成量不足的必需生长因子。这意味着必须从外界培养基中获取足量的生物素，微生物才能正常生长和繁殖。

更重要的是，生物素是多种羧化酶 的辅酶。羧化反应是生物代谢中一个基础且关键的步骤，即在底物分子上添加一个羧基（-COOH）。生物素作为羧基的载体，直接参与了以下几个核心代谢途径，这正是它在发酵中发挥作用的分子基础。

二、 生物素在发酵过程中的核心作用

生物素的作用是多方面的，其影响贯穿于微生物生长的各个阶段，并直接关系到目标产物的合成。

1. 核心代谢的调控者

• 糖代谢与能量产生：生物素是丙酮酸羧化酶 的辅酶。该酶催化丙酮酸生成草酰乙酸，这是连接糖酵解途径与三羧酸循环（TCA循环）的“桥梁”。充足的生物素能保证TCA循环顺畅运行，为菌体提供充足的能量（ATP）和生长所需的前体物质。
• 脂肪酸合成：生物素是乙酰-CoA羧化酶 的辅酶，该酶催化乙酰-CoA生成丙二酸单酰-CoA，这是脂肪酸合成的第一步，也是限速步骤。因此，生物素直接调控细胞膜（磷脂双分子层）的合成。细胞膜的完整性和通透性对菌体健康和外排产物至关重要。

2. 细胞膜通透性的“调节阀”
这是生物素在发酵工业中一个极具应用价值的作用。当生物素供应不足时，菌体无法合成足够的不饱和脂肪酸，导致细胞膜结构不完整、通透性增加。这一点在某些发酵过程中被巧妙利用。

• 经典案例：谷氨酸发酵。在谷氨酸棒杆菌的发酵中，通过控制生物素处于亚适量水平，人为造成细胞膜合成缺陷，增加其通透性。这样，细胞内合成的谷氨酸就能顺利地分泌到细胞外的发酵液中，大幅提高了产率。如果生物素过量，菌体会长出厚厚的细胞膜，“锁住”谷氨酸，导致产量极低。

3. 菌体生长与产物合成的“平衡器”
生物素的浓度直接影响发酵的进程和方向。

• 促进生长：适宜浓度的生物素能显著促进菌体的旺盛生长，缩短发酵周期。
• 引导代谢流向：对于不同的目标产物，需要不同的生物素策略。例如，在以菌体本身为产物（如酵母培养、单细胞蛋白生产）或需要菌体大量繁殖以合成次级代谢产物（如某些抗生素）的发酵中，需要足量的生物素。而在像谷氨酸发酵这样需要将初级代谢产物大量外排的工艺中，则需要精准控制生物素在亚适量水平。

4. 应对环境压力的“增强剂
充足的生物素有助于微生物更好地应对发酵过程中的环境压力，如温度变化、氧化应激等，提高菌体的稳定性和抗逆性，保证发酵过程的稳健进行。

三、 不同发酵产品中对生物素的控制策略

实践中，工程师们会根据目标产物的不同，对生物素的添加进行精细调控：

• 氨基酸发酵（如谷氨酸、赖氨酸）：通常采用生物素缺陷型菌种，并通过添加玉米浆、糖蜜等天然原料或纯品，将生物素浓度精确控制在“亚适量”范围，以调控细胞膜通透性。
• 有机酸发酵（如柠檬酸）：情况类似，需要控制生物素和金属离子，促使代谢流向柠檬酸大量积累的方向。
• 抗生素发酵（如青霉素、链霉素）：通常需要充足的生物素以保证菌体先快速生长，形成足够的生物量，为后续抗生素（次级代谢产物）的合成打下基础。
• 维生素发酵（如B2、B12）：生产菌本身可能需要生物素作为生长因子，但其需求量需通过实验优化，以平衡生长和产物合成。

四、 生物素的来源与添加

在工业化发酵中，生物素的来源主要有两种：

1. 天然原料：如玉米浆 是最常用且经济的来源，它富含生物素、氨基酸和无机盐。糖蜜中也含有一定量的生物素。
2. 纯品生物素：用于需要精确控制浓度的发酵过程，或作为补充添加，以确保浓度的稳定和准确。

结论