发酵作用fermentation

微生物无氧呼吸所进行的一种代谢作用。在代谢过程中基质脱氢氧化，以代谢的中间产物或外源有机物作为氢及电子的终端受体。如乳酸发酵中葡萄糖经双磷酸己糖途径(EMP)进行降解，并脱氢氧化形成二分子丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下受氢还原为乳酸，反应如下：

在总反应过程中，丙酮酸为乳酸发酵的中间产物，同时又是发酵过程中的受氢体。NAD为氢的载体，起传送氢及电子的作用。整个过程不需要氧或氧化物的参与。发酵作用不能将有机质彻底氧化，所产生能量较少，产物的积累则较多。
在工农业生产中，发酵作用是指一切利用微生物进行生产的活动，包括有氧及无氧的代谢活动产物如柠檬酸发酵、醋酸发酵、谷氨酸发酵、乳酸发酵、酒精发酵、丁酸发酵等，或菌体生产如单细胞蛋白等。
发酵作用为一种自然现象，在远古时代即为人们发现并用于饮料（酒类）及食品(如制酱、发面)生产。数千年来人们利用多种发酵作用进行生产活动。生产出了多种优质产品，如中国各种酒类、酱制品、酸腌菜制品等。但由于受知识及技术条件的限制，直到19世纪中叶，人们对发酵的知识仍然停留在感性认识阶段。1857年法国人巴斯德(L. Pasteur)报道了他对乳酸发酵的研究结果，第一个证明了发酵与微生物的关系。在以后许多人进行的研究中，逐渐阐明了各种发酵作用的微生物及其发酵机制，建立了发酵作用的理论，提高了发酵工业的生产技术，改进了工艺条件。1940年以后，由于大量生产青霉素的需要，建立并完善了深层通气培养法，使发酵工业又向前推进了一大步，其范围及规模都大为扩展。目前发酵作用已广泛地应用于食品工业、医药工业、化工工业、酶工程、环境保护及生物能源等领域，对工农业生产及人民生活起到重要作用。
发酵作用常以其产品而命名，重要的发酵作用类型有： 酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵、酱及酱油发酵、谷氨酸发酵、柠檬酸发酵、丙酮丁醇发酵、丁酸发酵、沼气发酵、堆肥发酵、各种抗生素发酵、各种菌制剂发酵、单细胞蛋白发酵等，此外还有有机酸、氨基酸、核苷酸、维生素、酶制剂、甜味剂、激素等，都可由发酵作用进行生产。下面介绍几种有代表性的发酵作用：
大曲酒发酵 大曲酒为中国所创造的一种优良酒精饮料，具有特殊的风味，在中国流行极广，每年还有大量出口，风行世界各地。大曲酒各地使用原料及工艺各有不同，因此各有特色。所用原料以高粱为主，辅以大麦、小麦、稻米、玉米等。一般先行制曲，制曲的原料以小麦、稻米为主，将原料适当粉碎，拌和水分，母曲及其他辅料制成曲块，于曲室中保温发酵，微生物在其中大量繁殖。中温曲温度在30～45℃之间，高温曲在50～65℃之间，经20～30天曲可成熟。大曲中含有多种微生物，中温曲以霉菌为主，并含有多种细菌及酵母菌； 高温曲中以芽孢细菌为主含有少量耐高温的霉菌（如毛霉），很少有酵母菌。发酵原料（如高粱）经浸泡、蒸熟、摊凉后，与粉碎的大曲按一定比例混合均匀，然后入窖池发酵，一般保温25～30℃，发酵时间约一个月左右。在窖池原料中的淀粉经霉菌及芽孢杆菌的糖化酶进行糖化形成简单糖类，糖类再经酵母菌发酵产生酒精，由于其中微生物种类复杂，发酵时间长，所进行的生化反应复杂，除生产一定量的乙醇外，还产生各种芳香物质。发酵醪经蒸馏后，除去头酒及尾酒，中间馏份经适当贮存期即可供饮用。各种大曲酒都具有其特有的风味，目前大曲酒的生产仍以多种微生物混合发酵，用传统工艺进行生产。用纯培养菌种发酵则失去其特有风味，不受消费者欢迎（见酒精发酵）。
泡菜及酸菜的乳酸发酵 蔬菜中糖分经乳酸细菌的作用产生乳酸（见乳酸发酵），乳酸有一定的防腐作用，因此在一定条件下可以保持蔬菜长期鲜嫩而不受腐败细菌的破坏。乳酸细菌广泛存在于植物茎叶表面，因此蔬菜洗净后，短期晾晒以去其多余的水分，切碎到适当大小，放入8%食盐水中，密闭容器，于室温下7～10天发酵，液体中乳酸含量可达1.0%左右。乳酸发酵要求在厌气条件下进行，因此隔绝空气是保证发酵进行的重要环节。蔬菜中含有适当的糖类、氨基酸、维生素等，可以满足乳酸细菌的需要，加食盐的目的在于调节蔬菜的口味，同时食盐也可抑制一些腐败细菌的生长。泡菜及酸腌菜是中国极普遍的蔬菜制品，除了改善蔬菜的风味外，也是一种贮存蔬菜的好方法。
酱及酱油发酵 酱及酱油等酱制品是中国创造的发酵性食品，现已广泛流传亚洲及世界各地。酱油是以大豆、小麦为主要原料，起主要作用的微生物为米曲霉(Aspergillus oryzae)。利用米曲霉所产生的酶，使原料含有的蛋白质分解为氨基酸，产生特有的鲜味。其中的淀粉类、脂肪类物质分解为有机酸、醇类等并形成芳香物质，增加酱油的风味。原料经蒸煮后接入种曲，保温30～37℃,48～60小时后，待菌丝大量生长，分泌大量酶类，即为成曲，现在多用纯种大床通风制曲，功效高，质量好，制成之曲于发酵池中加入两倍盐水(约13Be)保温25～45℃发酵15～30天，酱醪即可成熟，最后用热盐水浸泡并淋取酱油，经调配后即为成品。酱油发酵在制曲过程中主要培养米曲霉使其大量生长并产生高活性的蛋白酶，发酵过程中加入高浓度盐水停止米曲霉的生长，只进行酶解作用。在发酵醪中除少数耐盐性细菌及酵母菌外，其它微生物的活动基本停止，这将防止蛋白质的过度分解腐败而造成损失。
柠檬酸发酵 柠檬酸是制造糖果和饮料的主要原料之一，在工业上也有广泛的用途。目前柠檬酸都是用发酵法进行生产，生产用的原料主要为淀粉或糖蜜，所用的微生物为经过选育的黑曲霉 (Aspergillus niger)。工厂生产大都采用深层通气发酵法，由于金属离子对产酸有抑制作用，曾采用加黄血盐的方法络合金属离子，近来又选育出抗金属离子的菌株。用浓醪发酵可以提高发酵液的柠檬酸含量。目前在正常条件下，发酵液中酸含量可达14%以上，淀粉的转化率可达80%以上。利用薯渣等进行固体发酵生产柠檬酸是投资少、见效快的生产方法。解脂假丝酵母(Candida lipolytica)，可以利用石油生产柠檬酸，但由于毒性问题，其产品只能用于工业，不能供食用。
谷氨酸发酵 过去生产谷氨酸是用面筋为原料经盐酸水解制取，50年代后采用细菌发酵法，使成本降低，产量大为提高。中国进行谷氨酸发酵的菌种多使用北京棒杆菌(Corynebacterium pekinense) 及钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum)，葡萄糖经微生物的代谢作用在三羧酸循环中形成酮戊二酸，经谷氨酸脱氢酶催化与铵结合形成谷氨酸。目前谷氨酸的发酵主要原料为淀粉或糖蜜，以尿素作为氮源。发酵液糖浓度约为10%左右，尿素以多次流加为宜，pH控制在7以上，通气培养24～30小时发酵完成。糖的转化率约为50%。该菌生长需要生物素，但生物素过量时会降低谷氨酸产量，因此控制生物素含量为重要措施。发酵液中添加表面活性剂如吐温80，对提高谷氨酸产量有好处，谷氨酸的提取一般采用等电点法及离子交换法。噬菌体的侵染常成为生产中的问题。
丙酮丁醇发酵 丙酮及丁醇都是重要的化工原料，与军火生产有密切关系，因之需用量很大。进行丙酮丁醇发酵的细菌为丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobu-tylicum)为具有芽孢的厌气细菌。发酵温度为40～42℃。该菌能利用淀粉及糖类，需要一些氨基酸及维生素，能发酵糖类产生丙酮、丁醇、CO2、H2及少量乙醇。常用发酵原料为玉米粉或糖蜜。发酵在厌气条件下进行，pH3～5、40～42℃、2～3天发酵停止，用蒸馏法提取丙酮及丁醇，所产CO₂及H₂可收集压缩作为工业原料。发酵过程中噬菌体的污染是应注意的问题。
链霉素发酵 1943年瓦克斯曼(S.A.Waksman)发现灰色链霉菌(Streptomyces griseus)可产生一种强抑菌物质能抑制多种细菌的生长称为链霉素，是继青霉素后发现的一种重要抗生素。以后又在链霉菌中发现许多种抗生素，形成重要的抗生素生产工业，在医药卫生方面作出了重大贡献。链霉菌为好气性、中温性、最适pH为中性或微碱性。抗生素为链霉菌的次生代谢产物，菌株经过诱变处理及其他生物工程手段能大幅度提高其产量，另外发酵条件对产量的影响也很大，因此菌株的诱变与发酵条件的控制是提高抗生素产量的重要手段。链霉素发酵的原料为淀粉、玉米浆、豆饼粉及无机盐类。发酵在中温、通气条件下进行。pH在7～8之间，发酵时间4～5天，时间过长菌体即行自溶，链霉素的提取采用离子交换法也可用吸附法。链霉素已广泛应用于治疗各种细菌性疾病，对防治结核病有较好效果。
沼气发酵 沼气发酵是由多种微生物在绝对厌气条件下进行的作用，其主要的作用菌为产甲烷杆菌(Methanobacterium)与产甲烷球菌(Methanococcus)。这些细菌都是严格的厌气菌，能使乙酸、甲酸、甲醇及氢发酵形成甲烷。不能利用糖类、蛋白质等复杂的有机质，适合的pH为7～8，中温性菌株适温为30～37℃，高温性菌株可在60～70℃进行发酵作用。沼气发酵都是在严格厌气条件下进行的，复杂的有机质先经微生物分解成为乙酸、甲酸、H2、CO2、NH3等化合物，然后由产甲烷细菌发酵形成甲烷。沼气中一般含有甲烷、CO2及H2等，可以燃烧，是一种生物能源。农村中植物残体、牲畜粪便及工业废水、城市垃圾等都是进行沼气发酵的原料，如能充分利用，将能回收大量能源供生产生活之用。