發酵

[ferment] 複雜的有機物在微生物作用下分解 ^[1] 

秦牧《社稷壇抒情》：“對，這真是一個激發人們思古幽情的所在！作為一箇中國人，可以讓這種使人微醉的感情發酵的去處可真多呢！” ^[1-2] 

“發酵”原來指的是輕度發泡或沸騰狀態。發酵現象早已被人們所認識，但瞭解它的本質卻是近200年來的事。英語中發酵一詞fermentation是從拉丁語fervere派生而來的，原意為“翻騰”，它描述酵母作用於果汁或麥芽浸出液時的現象。

發酵現象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產生的二氧化碳所引起的。在生物化學中把酵母的無氧呼吸過程稱作發酵。我們所指的發酵早已賦予了不同的含義。發酵是生命體所進行的化學反應和生理變化，是多種多樣的生物化學反應根據生命體本身所具有的遺傳信息去不斷分解合成，以取得能量來維持生命活動的過程。發酵產物是指在反應過程當中或反應到達終點時所產生的能夠調節代謝使之達到平衡的物質。實際上，發酵也是呼吸作用的一種，只不過通常的呼吸作用是指有氧呼吸，其最終結果是生成CO2和水，而發酵過程則是一種無氧呼吸的過程，其最終結果是產生酒精、二氧化碳以及其它代謝的產物。

因而，現代發酵的定義應該是：通過對微生物（或動植物細胞）進行大規模的生長培養，使之發生化學變化和生理變化，從而產生和積累大量人們發酵所需要的代謝產物的過程。

複雜的有機化合物在微生物的作用下分解成比較簡單的物質。發麪、釀酒等都是發酵的應用。也作醱酵。

漢詞“發酵”作為名詞表示一個過程，作為動詞表示一種行動。

（1）微生物生理學嚴格定義的“發酵”：

有機物被生物體氧化降解成氧化產物並釋放能量的過程統稱為生物氧化。

微生物生理學把生物氧化區分為呼吸和發酵，呼吸又可進一步區分為有氧呼吸和無氧呼吸。因此，發酵是生物氧化的一種方式。

發酵是這樣一種生物氧化方式：在沒有外源最終電子受體的條件下，化能異養型微生物細胞對能源有機化合物的氧化與內源的（已經經過該細胞代謝的）有機化合物的還原相耦合，一般並不發生經包含細胞色素等的電子傳遞鏈上的電子傳遞和電子傳遞磷酸化，而是通過底物（激酶的底物）水平磷酸化來獲得代謝能ATP；能源有機化合物釋放的電子的一級電子載體NAD，以NADH的形式直接將電子交給內源的有機電子受體而再生成NAD，同時將後者還原成發酵產物（不完全氧化的產物）。

細胞中的NAD是有限的，如果作為一級電子載體的輔酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的電子載體就會愈來愈少，脱氫反應就不能持續進行下去了。因此輔酶NAD的再生是生物氧化（包括髮酵）繼續進行下去的必要條件。

（2）工業生產上定義的發酵——“工業發酵”

工業生產上籠統地把一切依靠微生物的生命活動而實現的工業生產均稱為“發酵”。這樣定義的發酵就是“工業發酵”。工業發酵要依靠微生物的生命活動，生命活動依靠生物氧化提供的代謝能來支撐，因此工業發酵應該覆蓋微生物生理學中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、無氧呼吸和發酵。

近百年來，隨着科學技術的進步，發酵技術發生了劃時代的變革，已經從利用自然界中原有的微生物進行發酵生產的階段進入到，按照人的意願改造成具有特殊性能的微生物以生產人類所需要的發酵產品的新階段。

（3）專業詞彙“發酵（fermentation）”

“發酵”這個詞彙在生活中往往是人聯想到發麪製作大餅、油條、饅頭、包子，或者聯想到食品酸敗物品黴爛。

“發酵”作為專業詞彙其含義不但覆蓋發麪製作大餅、油條、饅頭、包子，更重要的是指用發酵的手段工業化生產酒及酒精飲料、食品及食品添加劑、飼料及飼料添加劑、藥品、化工材料等等。

發酵和其他化學工業的最大區別在於它是生物體所進行的化學反應。其主要特點如下：

1，發酵過程一般來説都是在常温常壓下進行的生物化學反應，反應安全，要求條件也比較簡單。

2，發酵所用的原料通常以澱粉、糖蜜或其他農副產品為主，只要加入少量的有機和無機氮源就可進行反應。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營養。基於這一特性，可以利用廢水和廢物等作為發酵的原料進行生物資源的改造和更新。

3，發酵過程是通過生物體的自動調節方式來完成的，反應的專一性強，因而可以得到較為單一的代謝產物。

4，由於生物體本身所具有的反應機制，能夠專一性地和高度選擇性地對某些較為複雜的化合物進行特定部位地氧化、還原等化學轉化反應，也可以產生比較複雜的高分子化合物。

5，一般情況下，發酵過程中需要特別控制雜菌的產生。通常控制雜菌的方法是對設備進行嚴格消毒處理，對空氣加熱滅菌操作以及儘可能的採用自動化的方式進行發酵。通常，如果發酵過程中污染了雜菌或者噬菌體，會影響發酵過程的進行，導致發酵產品的產量減少，嚴重的，甚至會導致整個發酵過程失敗，發酵產品被要求全部倒掉。

6，微生物菌種是進行發酵的根本因素，通過變異和菌種篩選，可以獲得高產的優良菌株並使生產設備得到充分利用，甚至可以獲得按常規方法難以生產的產品。

7，工業發酵與普通發酵相比，對於發酵過程的控制更為嚴格，對發酵技術要求更為成熟，並且能夠實現大規模量產。

基於以上特點，工業發酵日益引起人們重視。和傳統的發酵工藝相比，現代發酵工程除了上述的發酵特徵之外更有其優越性。除了使用微生物外，還可以用動植物細胞和酶，也可以用人工構建的“工程菌”來進行反應；反應設備也不只是常規的發酵罐，而是以各種各樣的生物反應器而代之，自動化連續化程度高，使發酵水平在原有基礎上有所提高和和創新。

發酵反應的過程依據不同糖的利用與產物的生產而不同。以下以葡萄糖生產酒精為例，説明釀酒發酵的過程，同時這也是最經典的發酵反應：

化學式：C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+2ATP（放出能量：118 kJ/mol）

文字式：糖（葡萄糖、果糖或蔗糖）→ 醇類（乙醇）+二氧化碳+能量（ATP）

就實際反應的生化途徑而言，在厭氧呼吸的初期，往往是糖酵解途徑，之後的途徑與終產物有關。

根據發酵的特點和微生物對氧的不同需要，可以將發酵分成若干類型：

1，按發酵原料來區分：糖類物質發酵、石油發酵及廢水發酵等類型。

2，按發酵產物來區分：如氨基酸發酵、有機酸發酵、抗生素髮酵、酒精發酵、維生素髮酵等。

3，按發酵形式來區分，則有：固態發酵和液體深層發酵。

4，按發酵工藝流程區分則有：分批發酵、連續發酵和流加發酵。

5，按發酵過程中對氧的不同需求來分，一般可分為：厭氧發酵和通風發酵兩大類型。

發酵工程在生物工程中的位置

生物工程主要包括基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質工程和發酵工程等5個部分；

基因工程和細胞工程的研究結果，大多需要通過發酵工程和酶工程來實現產業化。基因工程、細胞工程和發酵工程中所需要的酶，往往是通過酶工程來獲得；酶工程中酶的生產，一般要通過微生物發酵的方法來進行。由此可見，生物工程各個分支之間存在着交叉滲透的現象。

對於任何發酵類型（除一些轉化過程外），一個確定的發酵過程由6個部分組成：

①菌種以及確定的種子培養基和發酵培養基的組成；

②培養基、發酵罐和輔助設備的滅菌；

③大規模的有活性、純種的種子培養物的生產；

④發酵罐中微生物最優的生長條件下產物的大規模生產；

⑤產物的提取、純化；

⑥發酵廢液的處理。

因此，有必要不斷進行研究以逐步提高整個發酵過程的效率。如在一個發酵過程建立之前，生產菌株必須分離出來，通過改造使其合成日標產物，並且其產量應具有經濟價值；應確定微生物在培養上的需求，並設計相應的沒備；同時必須確定產品的分離提取方法。

此外，整個研究計劃也應包括在發酵過程中不斷地優化微生物菌種、培養基和提取方法。

食品發酵類型眾多，若不加以控制，就會導致食品腐敗變質。控制食品發酵過程的主要因素有酸度、酒精含量、菌種的使用、温度、通氧量和加鹽量等。這些因素同時還決定着發酵食品後期貯藏中的微生物生長的類型。

傳統上人們利用固態發酵生產麪包、麥芽、酒麴、酒精飲料、醬油、豆豉、蘑菇等食品或生產中間原料。近代研究發現利用固態發酵生產的一些食品中含有生理活性物質，表明了固態發酵在生產這些食品及食品添加劑上有優勢。隨着能源危機與環境問題的日益嚴重，固態發酵技術以其特有的優點引起人們極大的興趣。人們在固態發酵領域的研究及其在資源環境、蛋白質飼料中的應用取得了較大進展，主要表現在生物飼料、生物燃料、生物農藥、生物轉化、生物解毒及生物修復等方面的成功開發應用，為固態發酵的不斷髮展提供了強有力支持，為傳統技術發揚光大提供了廣闊的應用前景。另外，中藥固態發酵，在保持中藥原來藥效，降低毒性反應的作用巨大。

（1）破碎和去梗

破碎：使果肉和果汁分離。

去梗：果梗有青梗味，除非酒中需要額外增加單寧，才會保留果梗。

（2）酒精發酵和浸漬

葡萄破碎去梗後，被輸送到發酵容器中進行發酵，酵母可以由葡萄自身原有的，也可以是人工添加的，發酵過程持續4~10天，葡萄皮中的單寧和色素就滲入葡萄汁裏。

單寧和色素的撮過程就稱為浸漬。浸漬時間從數日到數週不等。酵造單寧含量低、較柔順的“新酒”，浸漬時間會很短；釀造可長期收藏的紅酒時，由於需要足夠的單寧，浸漬的時間會很長。

（3）更換容器和壓榨皮渣

更換容器是為了將皮渣從葡萄原酒中分離，結束浸漬過程。皮渣移出容器後，再經壓榨出酒。從皮渣中壓榨出的葡萄酒顏色較深，單寧含量也較高，味苦澀。

（4）乳酸發酵

在紅葡萄酒釀造過程中，通常會進行稱為乳酸發酵的副發酵。副發酵是利用乳酸菌把酒中酸澀的蘋果酸變成較柔順且穩定的乳酸。

全世界都採用發酵法生產味精。發酵法生產味精的原料基本上都是澱粉、砂糖、醋酸、糖蜜等天然物質，因此味精不是化學合成產品。

一是生產酵素菌。酵素菌是從自然界中分分離純化獲得的有益微生物，將其組合發酵形成，包括細菌、酵素菌、絲狀菌三大類二十餘種能產生流活性分解酶的微生物羣體組成的產品，廣泛應用於種植業、養殖業和人體保健食品行業。

二是製作食用酵素。食用酵素（酶，enzyme）根據原料的多寡，又可分為綜合酵素和專一酵素。

綜合酵素，特別是植物綜合酵素（植物複合酶），一般是指用幾十種甚至上百種蔬果經發酵製備的酵素產品，針對性弱，藉在強調對人體的綜合調理作用。

專一酵素，是指針對某些特定功效作用，或出於某些特定因素，而選用一種或兩種原料（一般不超過三種），經發酵製備而成的酵素產品。如，諾麗酵素，原料只有有機諾麗和有機青梅，旨在針對女性排毒、通便、祛痘（光潔皮膚）。

BTA工藝流程可廣泛應用於處理生活垃圾、商業垃圾、農業垃圾及城市固體垃圾中的可降解生物垃圾（Biowaste）（垃圾中的有機物部份）。通過BTA工藝流程可將垃圾轉換成高質量的生物燃氣（Biogas）和有機肥（Compost），生物燃氣又可發電併產出熱能。用BTA工藝流程進行垃圾處理時，所用的水基本都是在生產過程中產生的循環水，多餘的水可直接應用於農業灌溉或進行進一步的污水清潔處理。

較為常用的是BTA單級發酵系統。垃圾漿料的發酵在混合發酵反應罐中一次完成。考慮到投資與運行的成本，現有的發酵設備（如污水處理廠、農業沼氣廠的發酵罐）都可以直接改造利用這一工藝。BTA單級發酵系統完全可應用於現有的垃圾處理工廠擴大產量，如果要進行餐廚垃圾的處理還有必要再增加一些BTA殺菌消毒設施。

還有一種BTA多級發酵系統，大多用於年處理量超過5萬噸的工廠。在BTA多級發酵系統中垃圾漿料通過脱水分離成固態物質和液相物質。液相中包含可溶解的有機成份，可以直接泵入厭氧發酵罐（甲烷反應器）中。經過脱水後的固體渣料中由於仍然包含有未溶解的有機成份，可再一次將其與水混合打進水解反應器，經過約4天后對這些懸浮液再次脱水，然後將液體部分注入到發酵罐（甲烷反應器）中。通過在不同反應器（酸化、水解和甲烷）中的降解過程，BTA多級發酵系統為微生物創造最理想的生長條件，加快了生物的降解速度，只需要幾天時間就使60%—80%的有機物質轉化成甲烷氣體。

現在發酵技術已發展成為一門工程學科和獨立的工業，涵蓋了食品發酵（如酸奶、乾酪、麪包、醬醃菜、豆豉、腐乳、發酵魚肉等）釀造（如啤酒、白酒、黃酒、葡萄酒等飲料酒以及醬油、醬、醋等釀造調味品等）、近代的發酵工業（如酒精、乳酸、丙酮、丁醇等）等。