發酵
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發酵（英語：fermentation）或發酵作用，食品界也作醱酵，是一種「以有機物作為電子供體和受體的分解代謝」[1]。在食品工業中，發酵可更廣泛地指利用微生物或是酶的催化，反應中使食品風味或口感產生改變的過程。
發酵是人類較早接觸的一種生物化學反應，如今在農業、食品工業、化學工業、生質能源中均有廣泛應用。
各學界產界定義[編輯]
- 最初發酵是用來描述酵母菌作用於果汁或麥芽汁產生氣泡的現象，或者是指酒的生產過程，是為原始的發酵。
- 在生化和生理學中，發酵指微生物在有氧或無氧條件下，分解有機物並產生能量的一種方式；或者更嚴格地說，發酵是以有機物作為電子受體的分解代謝產能反應，因此與有氧呼吸（以氧氣作為電子受體）和厭氧呼吸（利用氧氣以外的電子受體，通常為硝酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽等無機物）有所區別[2]。以酒精發酵為例，葡萄糖在無氧條件下被微生物分解，產生酒精並二氧化碳，過程中在糖解作用階段產生兩個ATP。
- 在食品工業中，發酵常寫作醱酵，是指運用生物體，包括微生物、植物細胞、酵母菌，使有機物分解的生物化學反應過程。相應的發酵技術用於製酒、豆類發酵食品。
- 而工業生產中，發酵則是泛指利用微生物的生長繁殖和代謝活動大量生產某些產品的過程，包括：
- 在茶葉製程中，「半發酵」、「全發酵」通常是指茶葉經揉捻破壞植物細胞結構後，液胞中的多酚類物質與葉綠體中的酵素接觸，進而氧化產生風味變化的過程（如烏龍茶與紅茶），與生物學上定義的發酵不同。而「後發酵」才是涉及微生物轉化的過程（如普洱茶與黑茶）[3][4]。
歷史[編輯]
法國化學家巴斯德是首位發酵學者。早在1857年，他將酵母與發酵聯繫了起來。巴斯德最初將發酵定義為「無需空氣的呼吸」。他說「一切發酵過程都是微生物作用的結果」。巴斯德認為，釀酒是發酵，是微生物在起作用；酒變質也是發酵，是另一類微生物在作祟；隨着科學技術的發展，可以用加熱處理等方法來殺死有害的微生物，防止酒變質。 同時，也可以把發酵的微生物分離出來，通過人工培養，根據不同的要求去誘發各種類型的發酵，獲得所需的發酵產品。
德國人愛德華·布赫納確定了引起發酵的原因在於酵母分泌了一種他定義為「釀酶」的物質，他於1907年獲得諾貝爾化學獎，其之後的研究則為丹麥嘉士伯的科學家所推動。
反應[編輯]
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，說明釀酒發酵的過程，同時這也是最經典的發酵反應：
- 化學式：C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2（放出能量：118 kJ/mol，若轉化為ATP中的化學能，約相當於2個ATP）
- 文字式：醣類（葡萄糖、果糖或蔗糖） → 醇類（乙醇） + 二氧化碳 + 能量
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。
培養[編輯]
在工業上，發酵過程的發生處於嚴格的控制之下，這種控制稱為培養，即分批培養、補料分批培養、半連續培養和連續培養。
分批培養[編輯]
分批發酵是最為簡單的發酵過程，培養基中接入菌種以後，沒有物料的加入和取出，除了空氣的通入和排氣。整個過程中菌的濃度、營養成分的濃度和產物濃度等參數都隨時間變化。
微生物生長分為：遲滯期、對數生長期、穩定期和死亡期。在遲滯期，菌體沒有分裂只有生長，因為當菌種接種入一個新的環境，細胞內的核酸、酶等稀釋，這時細胞不能分裂。當細胞內的與細胞分裂相關的物質濃度達到一定程度，細胞開始分裂，這時細胞生長很快，比生長速率幾近常數。這個時期稱為對數生長期。隨着細胞生長，培養液中的營養物減少，廢物積累，導致細胞生長速率下降，進入減速期和穩定期。最後當細胞死亡速率大於生成速率，進入死亡期。對於初級代謝產物，在對數生長期初期就開始合成並積累，而次級代謝產物則在對數生長期後期和穩定期大量合成。
分批培養的操作簡單，周期短，染菌機會少，生產過程和產品質量容易掌握；然而產率低，不適於測定動力學數據。
補料分批培養[編輯]
補料分批培養是指在分批培養過程中補入新鮮的料液，以克服營養不足而導致的發酵過早結束的缺點。在此過程中只有料液的加入沒有料液的取出，所以發酵結束時發酵液體積比發酵開始時有所增加。在工廠的實際生產中採用這種方法很多。
在這樣一種系統中可以維持低的基質濃度，避免快速利用碳源的阻遏效應；可以通過補料控制達到最佳的生長和產物合成條件；還可以利用計算機控制合理的補料速率，穩定最佳生產工藝。同時，由於沒有物料取出，產物的積累最終導致比生產速率的下降。由於有物料的加入增加了染菌機會。
半連續培養[編輯]
在補料分批培養的基礎上間歇放掉部分發酵液（帶放）稱為半連續培養。某些品種採取這種方式，如四環素發酵。放掉部分發酵液，再補入部分料液，使代謝有害物得以稀釋有利於產物合成，提高了總產量。然而這樣做也導致代謝產生的前體物被稀釋，提取的總體積增大。
連續培養[編輯]
發酵過程中一邊補入新鮮料液一邊放出等量的發酵液，使發酵罐內的體積維持恆定。達到穩態後，整個過程中菌的濃度，產物濃度，限制性基質濃度都是恆定的。
在連續培養中控制稀釋速率可以使發酵過程最優化。發酵周期長，可以得到高的產量。然而假如菌種不穩定的話，長期連續培養會引起菌種退化，降低產量。長時間補料染菌機會也大大增加。所以這樣發酵方式在實際生產中並不常用。
應用[編輯]
食品工業中經常應用發酵過程，應用到澱粉酶，可以使澱粉分解為較小的片段，同時放出二氧化碳，是製造麵包的必須過程；應用到釀酒過程，使糖類分解成酒精同時放出二氧化碳；應用到制茶工藝，使茶葉中的沒食子茶素分解再合成為茶黃素，使茶葉成為紅茶；此外像製作丹貝、腐乳、奶酪、酸奶等都需要發酵過程。當發酵被應用於麵食時，多稱其為發麵。
在製藥工業上，現代發酵工程藉由生物反應器-發酵槽，來進行胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫療保健藥物;天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農用生產資料等的生產。現在，利用植物細胞之植物發酵，真菌細胞等發酵生物技術，生產高價之生物性醫藥產品，例如靈芝發酵，也成為追捧的熱點。
化學工業上則用於生產氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細胞蛋白等。
發酵工程[編輯]
發酵已經從過去純粹經驗化的自然過程，發展成為一個包含微生物學、化學工程、基因工程、細胞工程、機械工程和計算機軟硬件工程等在內的多學科工程，即發酵工程。
發酵工程是生物工程的一個極其重要的分支，主要研究如何在最適發酵條件下，使發酵罐得以大量培養細胞和高效生產代謝產物的工藝技術。
從廣義上講，發酵工程由三部分組成：上游工程、發酵工程、下游工程。
發酵工程設計的一般過程主要包括：菌種選育、分子育種；發酵培養基的優化與設計；種子擴大培養；發酵過程動力學的設計；反應器中氧傳遞的控制；發酵過程的工藝控制；發酵工程優化放大
參考文獻[編輯]
- ^ Hackmann, Timothy J.; Zhang, Bo. The phenotype and genotype of fermentative prokaryotes. Science Advances. 2023-09-29, 9 (39) [2026-05-31]. ISSN 2375-2548. PMC 10530074 可免費查閱. PMID 37756392. doi:10.1126/sciadv.adg8687 （English）.
- ^ Hackmann, Timothy J. The vast landscape of carbohydrate fermentation in prokaryotes. FEMS Microbiology Reviews. 2024-06-20, 48 (4) [2026-05-31]. ISSN 1574-6976. PMC 11187502 可免費查閱. PMID 38821505. doi:10.1093/femsre/fuae016 （English）.
- ^ Wong, Melody; Sirisena, Sameera; Ng, Ken. Phytochemical profile of differently processed tea: A review. Journal of Food Science. 2022-05, 87 (5) [2026-05-31]. ISSN 0022-1147. doi:10.1111/1750-3841.16137 （English）.
- ^ Abudureheman, Buhailiqiemu; Yu, Xiaochun; Fang, Dandan; Zhang, Henghui. Enzymatic Oxidation of Tea Catechins and Its Mechanism. Molecules. 2022-01-29, 27 (3) [2026-05-31]. ISSN 1420-3049. PMC 8840101 可免費查閱. PMID 35164208. doi:10.3390/molecules27030942 （English）.
