什么是发酵？

发酵是一种代谢过程，通过酶的活性化学转化有机化合物。虽然发酵在食品制备中更常用于描述微生物活性导致食物或饮料发生所需变化的任何过程，但它在生物化学中更具体地定义为在没有氧气的情况下从碳水化合物中提取能量。我们称发酵研究为酶学。

微生物通过有机物厌氧分解产生三磷酸腺苷（ATP）的主要过程是发酵。

自新石器时代以来，人类就利用发酵来制造食物和饮料。例如，发酵用于生产葡萄酒和啤酒，以及保存酸味食物，如腌黄瓜、康普茶、泡菜和含有乳酸的酸奶。参考食品加工：发酵。包括人类在内的所有动物都有消化道，其中也发生发酵。

工业发酵是利用微生物大规模生产化学品、生物燃料、酶、蛋白质和药物的过程。

受精对人类文明的重要性

糖可以自然发酵，生产对人类有益的产品。发酵历史悠久，可追溯到公元前10000年，当时最早的人类文明出现在中东，现在被称为“肥沃的新月”。尽管缺乏当今的科学知识，但那时的人们仍然能够分析世界并创造技术。著名科学家卡尔·萨根曾说过，所有孩子生来都是科学家。这意味着每个人都可以创造工具来改善人类生活！这不是很神奇吗？发酵的演变验证了这一说法，这是古代人类最重要的生物工具之一。

发酵自古以来就是一种食物保存方法。从公元前5000年左右开始，苏美尔人和埃及人通过发酵制作了各种食物，包括面包、葡萄酒和啤酒。他们缺乏专业知识来描述制造这些产品的精确过程或发酵的原因。因此，他们常常认为发酵是他们神的礼物。你能想象一个答案如此稀少的世界吗？十九世纪的科学家路易·巴斯德推测，微生物的存在是发酵发生的原因。肉眼看不见的生物体需要显微镜才能看到。微生物是肉眼看不见的微小活细胞，例如酵母和细菌。巴斯德还发现，不同类型的发酵是由各种微生物进行的。正如我们将在本文第三部分中看到的那样，这可能导致各种最终产品。

人类进化的主要因素之一是发酵的利用。事实上，它构成了生物技术的首次使用。研究利用生物体创造新的或改良的产品。利用生物系统或生物体生产技术被称为生物技术。微生物可能是宝贵的生物技术资源，正如发酵所表明的那样。就像公元前10000年一样，发酵至今仍对许多维持人类文明的产业至关重要！由于世界人口的增长，对食物的需求越来越大，这导致发酵的使用大大增加，以满足日益增长的食物需求。发酵技术自首次创建以来已经取得了长足的进步，现在是全球食物链的重要组成部分。

生物化学概述

在发酵过程中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的还原形式与有机内源电子受体相互作用。通常，这是糖通过糖酵解产生的丙酮酸。该反应产生氧化型NAD+和有机产物；常见的例子包括乳酸、氢气（H2）、乙醇，以及通常的二氧化碳。丁酸和丙酮等更不寻常的物质也可以通过发酵产生。由于发酵产物需要氧气才能进一步代谢，因此被视为废物。

发酵通常发生在厌氧环境中。在呼吸过程中，三磷酸腺苷（ATP）是使用NADH、丙酮酸和氧气产生的。这被称为氧化磷酸化。与仅进行糖酵解相比，这会产生更多的ATP。因此，当有氧气存在时，发酵不常使用。但其他酵母菌株，如酿酒酵母，即使在有充足氧气的情况下，只要有足够的碳水化合物供应，也更喜欢发酵而不是有氧呼吸——这种现象被称为Crabtree效应。强制性厌氧菌（不能耐受氧气）参与了一些发酵过程。

虽然酵母是葡萄酒、啤酒和其他酒精饮料中产生乙醇发酵过程的主要作用剂，但细菌也参与了黄原胶发酵过程。

发酵是如何发生的？

你是否曾思考过呼吸的真正含义？细胞在呼吸时利用氧气（O2）获取生存所需的能量。没有呼吸的生命是难以想象的。至少对于某些小型动物来说，这是事实！由于发酵作用，多种微生物无需氧气也能生长和生存。糖通过一种称为发酵的过程被利用，为活细胞提供能量。

此外，由于采用厌氧途径，这种能量的产生不需要氧气。不需氧气的生物过程。这意味着这是一种获取能量的不同方法！发酵的类型取决于发酵的微生物和产生的产物。称为乳酸发酵，此过程有两种主要形式。生物学机制，将糖转化为细胞能量（ATP）和乳酸。以及酒精发酵。这种生物过程将糖转化为细胞能量（ATP）和乙醇。这两种形式的发酵对于人类有许多有用的应用。为了提高几种重要产品的生产，了解这些发酵过程是必要的。

乳糖是乳酸发酵的第一步。乳酸菌是利用乳糖获取能量的微生物。一个乳糖分子在发酵过程中产生两个乳酸、两个ATP分子（活生物体最重要的能量来源）和两个水分子。为了进行乳酸发酵，乳酸杆菌是工业上最常用的物种。回想一下，古人通过发酵保存食物。现在我们知道，这得益于产生的乳酸，它阻止了其他微生物的生长，并防止了有害细菌破坏食物。

酵母利用真菌和一些细菌发酵产物。它使用葡萄糖作为糖。一个葡萄糖分子在发酵过程中产生两个ATP分子和两个乙醇分子，乙醇是一种酒精。其中含有两个CO2分子、两个水分子以及我们生活中最常见的酒精。酿酒酵母是工业酒精发酵中最广泛使用的细菌。有趣的是，“酒精发酵”一词来源于整个过程中产生的气体：CO2。我们从拉丁词“fervere”中得到了“fermentation”（发酵）这个词，意思是沸腾。由于发酵过程中产生的CO2气泡，液体沸腾。发酵发生在家里，肉眼可见。

生物学作用

除了有氧呼吸，发酵是另一种从分子中获取能量的技术。所有真核生物和细菌都共享一种技术。由于它早于地球上的植物生命和大气中的氧气存在，因此它被认为是适用于原始环境的最早的代谢途径。尼克·莱恩质疑这个想法，认为发酵过程中产生的微量能量不能导致原始化学的 thermodynamic 驱动力。基因编码的发酵相关酶不可能存在于前生物化学过程中。他补充说，发酵很可能后来在两种古老生命形式中分别进化，这可以通过细菌和古生菌发酵过程的差异来证明。

酵母是一种真菌，存在于果皮、昆虫和动物的胃中、深海以及几乎所有能够维持细菌生长的环境中。酵母转化或分解富含糖的分子，产生乙醇和二氧化碳。

高级生物体中的所有细胞仍然具有发酵的基本过程。在剧烈活动时，当氧气供应受限时，哺乳动物肌肉中会发生发酵，导致乳酸的产生。发酵在无脊椎动物中也产生丙氨酸和琥珀酸。

在各种环境中，包括淡水沉积物、污水消化池和动物瘤胃中，产生甲烷的发酵细菌至关重要。除了羧酸，它们还产生甲酸、乙酸、氢气和二氧化碳。之后，微生物群将乙酸和二氧化碳转化为甲烷。当产乙酸细菌氧化酸时，会产生更多的乙酸和氢气或甲酸。位于古生菌领域的甲烷生成菌是最后将乙酸转化为甲烷的生物。

发酵产物

乙醇

在乙醇发酵过程中，一个葡萄糖分子会转化为两个乙醇分子和两个二氧化碳（CO₂）分子。二氧化碳使面团膨胀成泡沫，这就是面包面团发酵的原因。葡萄酒、啤酒和烈酒等酒精饮料中的致醉成分称为乙醇。乙醇由甘蔗、玉米和甜菜等原料发酵产生，并掺入汽油中。当氧气有限时，它为某些鱼类（如鲤鱼和金鱼）提供能量（与乳酸发酵一起）。

在发酵之前，一个葡萄糖分子经历糖酵解，或者说两个丙酮酸分子的分解。这个放热过程释放能量，这些能量是连接无机磷酸盐到ADP所必需的，从而将其转化为ATP，并将NAD+转化为NADH。作为废物，丙酮酸释放出两个二氧化碳分子和两个乙醛分子。利用NADH中的能量和氢，乙醛被还原成乙醇；NADH随后被氧化成NAD+，以便循环重复。该过程由乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶催化。

乳酸

最基本的一种发酵是同乳酸发酵，它只产生乳酸。当糖酵解产生的丙酮酸通过一个简单的氧化还原过程时，就会产生乳酸。总共，一个葡萄糖分子（或任何其他六碳糖）会产生两个乳酸分子：

C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃CHOHCOOH

当动物肌肉需要能量的速度快于血液输送氧气的速度时，就会在肌肉中发生这种情况。它也发生在某些真菌和细菌中，包括乳酸杆菌。这种细菌通过将乳糖转化为乳酸，使酸奶产生酸味。这些乳酸菌可以通过同裂解发酵乳酸，主要产生乳酸，或者通过异裂解发酵，通过磷酸酮戊糖途径产生乙酸、乙醇和二氧化碳，以及其他代谢产物，例如

C₆H₁₂O₆→ C₂H₅OH + CO₂ + CH₃CHOHCOOH

当乳糖发酵时，如在酸奶和奶酪中，它首先转化为六碳糖葡萄糖和半乳糖，它们具有相同的原子式

H₂O + C₁₂ H₂₂O₁₁ → 2 C₆H₁₂O₆

在乳酸发酵和其他形式（如酒精发酵）之间，异乳酸发酵作为中间环节。将乳酸转化为其他物质有许多原因。

乳酸的酸度会阻碍生物过程。它会驱逐不适应酸度的竞争者，这可能对发酵生物体有利。这延长了食物的保质期，这也是食物最初有意发酵的原因之一。然而，酸度最终开始损害产生食物的生物体。

勒沙特列原理指出，高浓度的乳酸（发酵的最终产物）导致平衡向后移动，减缓生长并降低发酵发生的速度。

乳酸迅速转化为乙醇，乙醇易挥发，易于逸出，从而促进过程的顺利进行。虽然也产生二氧化碳，但它比乙醇更易挥发，且酸性较弱。

另一种转化产物乙酸，虽然比乙醇挥发性更低，酸性也更弱，但在氧气较少的情况下，它由乳酸生成，并释放更多能量。由于其官能团比乳酸少，它是一种较轻的分子，与其环境形成的氢键也较少。因此，它比乳酸更易挥发，并将加速过程。

与乙醇类似，丙酸、丁酸和更长的单羧酸的产生将导致每消耗一个葡萄糖产生的酸度减少，从而实现更快的发育。

氢气

一种常见的发酵过程产生氢气，用于将NADH中的NAD+补充。铁氧还蛋白接收电子，然后被氢化酶用于氧化并产生H2。虽然氢气可能以相对较高的浓度存在，例如在胀气中，但它是产甲烷菌和硫酸盐还原菌的底物，它们保持氢气浓度较低并促进这种富含能量的化学物质的合成。

还有更多形式的发酵，例如乙醛酸发酵、丙酮-丁醇-乙醇发酵、己酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵和丁酸发酵。

工业操作模式

大多数商业发酵都采用分批或补料分批工艺进行。然而，如果能克服某些障碍，例如保持无菌的困难，连续发酵可能会更具成本效益。

批次

在分批处理中，所有材料混合在一起，反应在没有任何额外输入的情况下发生。数千年来，分批发酵一直用于生产面包和酒精饮料。它仍然是一种流行技术，特别是在工艺原理可能不够清晰的情况下。但由于在批次之间需要对发酵罐进行高压蒸汽灭菌，因此成本可能很高。准确地说，通常会少量添加化学品以调节 pH 值或减少泡沫。

分批发酵有几个阶段。在细胞适应环境的滞后期之后，会出现一个指数增长期。在大部分营养物质被消耗后，增长会减慢并变为非指数增长。与此同时，具有重要经济价值的次级代谢产物（如酶和抗生素）的合成加速。在大部分营养物质被消耗后，这会持续一个静止期，之后细胞死亡。

补料分批

补料分批发酵是分批发酵的一种变体，其中一部分成分在发酵过程中加入。这使得对过程阶段的控制更加精确。例如，在非指数增长阶段提供少量营养物质可以促进次级代谢产物的产生。补料分批过程通常在分批操作之后进行。

开放

为了避免批次之间发酵罐消毒的高昂费用，可以使用几种抗污染的开放式发酵方法。其中一种是使用天然形成的混合培养物。由于不同的菌群可以适应各种废弃物，因此在废水处理中特别受欢迎。嗜热细菌已被证明能在70°C的温度下产生乙醇，并在约50°C的温度下产生乳酸，这足以抑制微生物感染。由于接近沸点（78°C），因此易于提取。在高盐环境中，嗜盐细菌可以合成生物塑料。固态发酵是食品工业中生产香料、酶和有机酸的常见过程。它涉及向固体底物中添加少量水。

连续性

连续发酵过程中，底物持续加入，产物持续取出。它有三种类型：活塞流反应器，其中培养物料持续流经管道，细胞从出口循环到入口；恒化器，保持营养水平恒定；浊度计，保持细胞质量恒定。如果过程按预期运行，则会产生稳定的进料和出水流，并避免了频繁启动批次的费用。此外，通过持续消除阻碍过程的副产物，它可以延长指数增长阶段。然而，设计往往复杂，并且难以保持稳定状态和防止污染。为了使发酵罐比批处理处理器更具成本效益，它通常需要运行超过500小时。

结论

通过发酵的代谢过程，碳水化合物被细菌和酵母等微生物转化为酸、气体或酒精。在许多行业，包括食品和饮料的生产，这种厌氧过程对于生产面包、酸奶、啤酒和葡萄酒等产品至关重要。发酵还可以保存食物并改善其风味和质地。在此无氧过程中，酶分解碳水化合物。各种发酵过程，如乳酸发酵和酒精发酵，产生不同的副产品。发酵是一种天然的古老技术，对于工业和烹饪目的都至关重要。