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01概述

生物素(Biotin)又称维生素 B7、维生素 H，作为羧化、脱羧和脱氢反应酶系的辅助因子，参与机体三大营养物质的代谢，是动物机体不可缺少的重要的营养物质。在谷氨酸发酵生产中，生物素用量的控制直接影响着生产菌细胞的生长、增殖、代谢和细胞壁、细胞膜的渗透性和产酸率的高低。所以严格控制生物素的用量是搞好谷氨酸发酵的重要关键。谷氨酸作为一种重要氨基酸被广泛应用于食品、饲料、药品和化妆品等领域，是世界上产量最大的氨基酸。

02、生物素的生理功能

生物素是机体许多酶的辅助因子，动物体内多为乙酰辅酶 A 羧化酶、丙酮酸羧化酶、丙酰辅酶A羧化酶、β-甲基丁烯辅酶 A羧化酶等。生物素在机体中的功能主要有:

2.1. 参与机体的碳水化合物代谢

在碳水化合物代谢中，生物素催化脱羧和羧化反应，参与糖代谢和糖原异生，维持血糖稳定。生物素作为丙酮酸羧化酶的辅酶，催化丙酮酸羧化生成草酰乙酸,并促使草酰琥珀酸转化为a-酮戊二酸、苹果酸转化为丙酮酸、琥珀酸与丙酮酸互变。

2.2. 参与机体的脂类代谢

生物素作为乙酰辅酶A羧化酶的辅酶参与脂肪酸合成，还作为丙酰辅酶A羧化酶的辅酶参与奇数碳脂肪酸β-氧化。此外生物素与乙酰胆碱的合成和胆固醇的代谢也有关联。

2.3. 参与机体的蛋白质和核酸代谢

生物素在蛋白质合成、氨基酸脱氨、嘌呤合成及亮氨酸和色氨酸的代谢中作用重大，是多种氨基酸转移脱羧必需的物质。

2.4. 参与其他物质代谢

生物素作为辅酶成分参与溶菌酶活化乙酰辅酶 A，维生素 B1 、B2、C、叶酸和泛酸等营养物质的代谢。由此可见，生物素在维持新陈代谢动态平衡中有着不可替代的作用。

03、生物素对谷氨酸生产的影响

3.1. 谷氨酸的生物合成途径

谷氨酸生物合成的主要途径：葡萄糖经糖酵解（EMP途径）和己糖磷酸支路（HMP 途径）生成丙酮酸，再被氧化成乙酰辅酶 A（乙酰 COA），然后进入三羧酸循环，生成a-酮戊二酸，a-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及 NH4+的存在条件下，经还原氨基化反应生成谷氨酸。葡萄糖为原料发酵生产谷氨酸时，在生物素亚适量条件下，异柠檬酸裂解酶几乎没有活性。原因在于丙酮酸氧化能力下降，醋酸生成速度减慢，醋酸所诱导形成的异柠檬酸裂解酶很少。再者由于该酶受琥珀酸阻遏，在生物素亚适量条件下，因氧化能力降低而积累的琥珀酸就会反馈抑制该酶活性，并阻遏该酶的生成，乙醛酸循环基本上是封闭的，代谢流向沿异柠檬酸→a-酮戊二酸→谷氨酸的方向高效率地移动。

3.2. 生物素对氮代谢的影响

生物素限量时，几乎没有异柠檬酸裂解酶，琥珀酸氧化力弱，苹果酸和草酰乙酸脱羧反应停滞。同时由于完全氧化降低的结果，使 ATP 的形成减少，蛋白质合成活动停滞。在铵离子适量条件下，生成积累谷氨酸，且生成的谷氨酸也不会通过转氨作用生成其他氨基酸。在生物素充足条件下，异柠檬酸裂解酶、琥珀酸氧化力、丙酮酸氧化力、蛋白质合成、乙醛酸循环比例、草酰乙酸和苹果酸脱羧反应都不断加大，导致谷氨酸量减少，通过转氨作用生成的其他氨基酸量增加。

3.3. 生物素对谷氨酸生物合成途径调节机制的影响

在生物素丰富的情况下，谷氨酸菌的细胞膜合成完整，谷氨酸不能从膜内渗透到膜外，胞内的谷氨酸积累到一定程度，对谷氨酸脱氢酶进行反馈控制，从而停止谷氨酸的生物合成。在生物素限量的情况下，由于细胞膜合成不完整，谷氨酸能够从胞内渗透到胞外，使胞内谷氨酸的含量降低，谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反馈控制失调，谷氨酸不断地被优先合成。

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3.4. 生物素对谷氨酸生产菌细胞膜通透性的影响

生物素对谷氨酸生物合成途径有重要的影响，但生物素更本质的作用是影响细胞膜的渗透性。生物素作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰 CoA 羧化酶的辅酶，参与了脂肪酸的生物合成，并影响磷脂的合成。当生物素控制在亚适量时,脂肪酸合成不完全,导致磷脂合成也不完全。由于细胞膜是磷脂双分子层组成的，当磷脂含量减少到正常量的一半时,细胞发生变形,谷氨酸就从胞内渗出，积累于发酵液中。当生物素过量时，由于细胞内有大量的磷脂质，使细胞壁、细胞膜增厚，不利于谷氨酸的分泌，造成产酸率下降影响发酵生产的经济效益。

04、生物素用量设计

谷氨酸产生菌是营养缺陷型, 所以生物素对谷氨酸产生菌的生长繁殖很重要, 对其代谢产物的影响也非常明显。当生物素过量时酵解途径中的丙酮酸转变为乳酸, 同时也使异柠檬酸转变为琥珀酸,菌体生长繁殖快,同时生物素又促进菌体细胞膜通透性障碍物的生物合成, 生物素控制直接影响生产菌细胞的生长、繁殖、代谢和细胞壁、细胞膜的渗透性和产酸率, 控制好生物素的用量是谷氨酸发酵的关键。

目前发酵生产大都采用生物素缺陷型的菌种，在生长繁殖期对生物素的依赖性很大，生物素低了生长繁殖很慢，对糖的酵解慢，细胞内作为辅酶的生物素存量少，影响进入合成期后对糖的代谢和谷氨酸的合成。但是生物素过量，菌体生长繁殖时间长，菌体量大、镜检菌体呈短小头圆、八字型的多，进入合成期后对糖的氧化消耗占比例大，谷氨酸合成量少，菌体细胞膜的渗透性不好，使菌体不能及时将细胞内的谷氨酸排出，谷氨酸合成途径受阻，发酵液中由菌种细胞排出的谷氨酸仅能占氨基酸总量的 12%。生物素亚适量时，菌体代谢失调，细胞膜通透性增强，细胞内的谷氨酸能及时排出，有利于谷氨酸的积累，发酵液内由菌体细胞排除谷氨酸能达总氨基酸的92%左右。

生物素用量要根据使用菌种的特性, 发酵的接种量、大罐增殖细胞的湿菌体量、及华体会体育最新地址成分的种类、供氧能力的大小而确定。随着谷氨酸发酵控制技术和经验的提高积累、供氧能力的改善,采用生物素适量的发酵工艺，已成为提高产酸的重要途径。在生物素用量的控制中不仅要考虑到华体会体育最新地址中原料玉米浆、糖蜜、纯生物素的生物素总量，同时要考虑到糖液因玉米淀粉和生产工艺的变化造成的营养素（生物素和维生素）的变化，适时的根据发酵耗糖、产酸、及发酵的容氧情况调整华体会体育最新地址中生物素配比，控制生物素用量，充分满足生长、耗糖、合成谷氨酸的需要，又不要出现负面的影响。

05、结语

目前国内大部分谷氨酸生产菌为生物素缺陷型。采用生物素亚适量工艺，生物素为其重要的生长因子，其用量的控制直接影响着生产菌细胞的生长增殖代谢和细胞壁细胞膜的渗透性和产酸率的高低，所以严格控制生物素的用量是搞好谷氨酸发酵的重要关键。但目前生物素检测方法还有一定的局限性，还不能及时准确将发酵过程中各种原料的生物素含量检测出来，所以目前进一步研究和开发灵敏度更高、方法更简单应用范围更广的分析方法，是今后生物素分析研究工作的一个首要任务。