發(fā)酵作為一種古老而又現(xiàn)代的生物過程，以其獨特的魅力和廣泛的應(yīng)用，深刻地影響著我們生活的方方面面。

《科學(xué)畫報》編輯部

文/黃詩愉 王國強

鄧元慧，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院助理研究員。

王國強，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院研究員。

發(fā)酵是一種生物化學(xué)現(xiàn)象，一般指微生物通過生命活動對有機物進行分解代謝的過程。發(fā)酵的英文單詞“fermentation”是從拉丁文“fervere”演化而來，拉丁文原意為發(fā)泡、翻騰。發(fā)酵在人類歷史長河中源遠(yuǎn)流長，無處不在，深刻影響著我們的生活。人類對發(fā)酵現(xiàn)象的最早利用是制作食物，這是因為人們發(fā)現(xiàn)很多經(jīng)過自然發(fā)酵后的食物十分美味，特別受歡迎。可以說，人類對發(fā)酵的最初認(rèn)識就是“自然界的大廚”，因為它能將原本寡味平凡的材料轉(zhuǎn)變?yōu)槟艽碳と藗兾独俚拿牢都央取５牵S著人類對發(fā)酵的認(rèn)識從經(jīng)驗的感性認(rèn)知升級到科學(xué)的理性認(rèn)知，現(xiàn)在人類對發(fā)酵產(chǎn)品的利用已經(jīng)不僅僅局限于食物了。

發(fā)酵歷史

人類對發(fā)酵現(xiàn)象的認(rèn)識和利用歷史十分悠久，最早 可以追溯到上萬年前。在現(xiàn)在以色列的迦密山，人們考古發(fā)現(xiàn)了距今13 700~11 700年前的釀酒痕跡。20世紀(jì)90年代，考古學(xué)家在伊朗北部扎格羅斯山脈挖掘出一個罐子，證明在距今7 000多年前人類就已經(jīng)開始飲用葡萄酒。在我國河南賈湖新石器遺址，考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)了距今9 000年前的釀酒遺跡。除了酒之外，古人還對奶制品、面團、豆制品等進行發(fā)酵處理，并食用其發(fā)酵后產(chǎn)物。

釀酒酵母

我國古代就掌握了醬油、醋、饅頭、腐乳等多種發(fā) 酵食品的制作方法。這些傳統(tǒng)發(fā)酵食品不僅豐富了人們的飲食文化，還在一定程度上促進了人們的健康和營養(yǎng)。北魏時期的農(nóng)業(yè)專家賈思勰在他寫的《齊民要術(shù)》里就詳細(xì)記載了制曲、釀酒、制醬和釀醋等工藝。宋代著名文學(xué)家蘇軾在《約吳遠(yuǎn)游與姜君弼吃蕈饅頭》寫道“天下風(fēng)流筍餅餤，人間濟楚蕈饅頭”，這表明作者認(rèn)為蕈饅頭是人間美味，也充分說明了古人對發(fā)酵食品的喜愛。古人食用發(fā)酵食品不僅是因為貪圖發(fā)酵后食品的美味，也是為了果腹免饑，因為在古代時常鬧饑荒，且由于技術(shù)落后，食物長期保存十分困難，發(fā)酵、風(fēng)干、腌制是古人為數(shù)不多能延長食物保存期的方法。

17世紀(jì)，荷蘭科學(xué)家安東尼·范·列文虎 克發(fā)明了單透鏡，將放大倍數(shù)提高了300倍，使人們首次觀察到了微生物。此后，隨著技術(shù)的進步，透鏡的放大倍數(shù)不斷提升，為人們找到發(fā)酵的科學(xué)原理奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

18世紀(jì)上半葉，人們對發(fā)酵的認(rèn)知普遍深受有機化學(xué)之父、德國化學(xué)家尤斯圖斯·馮·李比希觀點的錯誤影響，普遍認(rèn)為發(fā)酵是一種化學(xué)過程，不存在有機發(fā)酵物的 可能。1856年，一個釀酒商人向法國科學(xué)家 路易·巴斯德求助，他在用糖發(fā)酵釀酒的過 程中發(fā)現(xiàn)糖液變酸，希望巴斯德能夠找到解決方法。巴斯德利用顯微鏡對樣品進行了研究，在變酸的次品中發(fā)現(xiàn)了乳酸鏈球菌，在沒有變酸的正品中發(fā)現(xiàn)了成簇酵母菌。通過研究各種類型的發(fā)酵，巴斯德發(fā)現(xiàn)微生物是導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)生變化的根源。1857年，巴斯德提出了發(fā)酵的微生物理論，并通過實驗證明了pH值對微生物代謝的影響。為減少枯葉病對法國葡萄酒產(chǎn)業(yè)帶來的損失，巴斯德還對葡萄酒發(fā)酵進行研究，他發(fā)現(xiàn)葡萄酒的變質(zhì)與微生物有關(guān)。通過實驗，巴斯德提出了著名的“巴氏滅菌法”，該方法可有效防止葡萄酒變質(zhì)。隨后，巴斯德又開始對啤酒發(fā)酵中存在的變質(zhì)問題進行研究，并提出用加熱滅菌和純菌接種等辦法解決酒類變質(zhì)的問題。

發(fā)酵原理

隨著人類對微觀世界的觀察不斷深入，人們逐漸認(rèn)識到發(fā) 酵的本質(zhì)是微生物在無氧或有氧條件下的代謝活動，微生物通過分解有機物獲取能量，并產(chǎn)生一系列代謝產(chǎn)物。人們還總結(jié)出發(fā)酵生物學(xué)的三個基本假說一是代謝能支撐假說。能直接推動生命活動（做細(xì)胞功）的能量形式叫作代謝能。微生物細(xì)胞依靠其自備的能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，把化學(xué)能或光能持續(xù)地轉(zhuǎn)化成代謝能，并直接用來支撐其自身的生命活動。

二是代謝網(wǎng)絡(luò)假說。代謝途徑和輸送系統(tǒng)在代謝物分子水 平上整合、在輔因子水平上協(xié)調(diào)，形成橫跨微生物或細(xì)胞內(nèi)外代謝網(wǎng)絡(luò)。代謝網(wǎng)絡(luò)是細(xì)胞自主調(diào)節(jié)的無尺度網(wǎng)絡(luò)，它作為一個整體來承擔(dān)微生物細(xì)胞的物質(zhì)代謝和能量代謝。

三是細(xì)胞經(jīng)濟假說。微生物細(xì)胞是一個遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放體系，是在物競天擇基礎(chǔ)上形成的細(xì)胞經(jīng)濟體系。細(xì)胞經(jīng)濟體系是微生物細(xì)胞生存的保障體系，它為細(xì)胞的適應(yīng)性、經(jīng)濟性和代謝的持續(xù)性提供保障。

這三個基本假說相互支持、相互制約、相互補充。能量代謝 需借助代謝網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，代謝網(wǎng)絡(luò)的運行需要代謝能的支撐，能量代謝和物質(zhì)代謝相互交叉，并且都受細(xì)胞經(jīng)濟規(guī)律的規(guī)范和制約。代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝物的流動依賴于代謝能支撐，受制于細(xì)胞經(jīng)濟規(guī)律；而對代謝能支撐和細(xì)胞經(jīng)濟的研究，又必須借助于它們的載體代謝網(wǎng)絡(luò)。

兩類微生物對傳統(tǒng)發(fā)酵食品的發(fā)酵過程影響最大。一類是 真菌，包括釀酒酵母、橢圓酵母、卡爾酵母、毛霉屬、根霉屬、曲霉屬和地霉屬等。另一類是細(xì)菌，包括乳酸菌、醋酸菌、非致病棒桿菌等。酵母菌屬于真菌界，是一種單細(xì)胞的微生物，不僅具有真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而且具有線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等。酵母菌在有氧或無氧狀態(tài)均能存活，組織結(jié)構(gòu)也比原核微生物更加復(fù)雜。乳酸菌是能利用可發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生大量乳酸的細(xì)菌的統(tǒng)稱，形狀有球狀和桿狀，在有氧或無氧狀態(tài)也均能存活。乳酸菌分布十分廣泛，在肉類、蔬菜、奶制品中普遍存在。乳酸菌還廣泛分布在人體腸道，大部分乳酸菌都是人體必不可少且具有重要生理功能的菌群。

不同的發(fā)酵產(chǎn)品所需要的菌種和發(fā)酵方式各不相同，如酒 精發(fā)酵就是酵母菌在無氧環(huán)境下將葡萄糖分解為酒精和二氧化碳，而醋酸發(fā)酵則是醋酸菌在有氧環(huán)境下將酒精氧化為醋 酸。除了這些常見的發(fā)酵類型外，還有乳酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵等多 種形式，每種發(fā)酵都由特定的微生物參與，并產(chǎn)生獨特的代謝 產(chǎn)物。這些代謝產(chǎn)物不僅決定了發(fā)酵食品的風(fēng)味和品質(zhì)，還具有許多重要的生物學(xué)功能。

電泳法、色層析法、紙層析法等的發(fā)明，為科學(xué)家分離、提純和鑒定蛋白質(zhì)中的氨基酸奠定了基礎(chǔ)。1955年，英國生物化學(xué)家弗雷德里克·桑格應(yīng)用紙層析法、電泳法等首次完整地測定了胰島素的氨基酸序列，同時證明蛋白質(zhì)具有明確構(gòu)造，為準(zhǔn)確了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與蛋白質(zhì)功能之間的關(guān)系、研究蛋白質(zhì)的人工合成和蛋白質(zhì)的生物合成奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代末，英國生物學(xué)家約翰·肯德魯和馬克斯·佩魯茨將蛋白質(zhì)培育成晶體，用X射線轟擊它們，并測量射線的彎曲情況。通過這種方法，他們確定了血紅蛋白和肌紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)，展示了第一個蛋白質(zhì)的三維模型。這種技術(shù)被稱為X射線晶體學(xué)。隨著這一方法的不斷改進，特別是與計算機相結(jié)合后，蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)分析速度逐漸加快，分辨率也越來越高，一些蛋白質(zhì)的氨基酸順序和立體結(jié)構(gòu)相繼得到了闡明，為科學(xué)家能在蛋白質(zhì)大分子的一級結(jié)構(gòu)，甚至三級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系提供了支撐。

雖然科學(xué)家早已用經(jīng)典的有機化學(xué)的縮合方法合成多肽，但這僅限于很簡單的氨基酸縮合，還不能合成出天然蛋白質(zhì)。隨著20世紀(jì)50年代蛋白質(zhì)大分子中氨基酸的測序技術(shù)的突破，用化學(xué)方法合成天然蛋白質(zhì)成為科學(xué)家新的重要研究方向，胰島素的人工合成成為各國科學(xué)家爭相突破的重要問題。中國的科學(xué)家花了7年多的時間實現(xiàn)了這一重大突破。同期，美國生物化學(xué)家羅伯特·梅里菲爾德建立了多肽固相合成技術(shù)，這一技術(shù)與傳統(tǒng)制造多肽方法相比更加簡便、高效，成為多肽合成的基本方法。他還研制了第一臺自動化合成儀，大大提升了蛋白質(zhì)合成的效率。

發(fā)酵產(chǎn)品

食品

酸奶、奶酪等乳制品是通過乳酸菌等微生物發(fā)酵牛奶制成的。在 酸奶發(fā)酵過程中，乳酸菌將牛奶中的乳糖轉(zhuǎn)化為乳酸，降低了牛奶的 pH值，使蛋白質(zhì)凝固形成酸奶的質(zhì)地。同時，乳酸菌還產(chǎn)生了多種維生 素，對人體腸道健康有益。奶酪的制作與之類似，但涉及更復(fù)雜的發(fā)酵 和成熟過程，不同類型的奶酪具有不同的風(fēng)味和質(zhì)地，這取決于所使用 的菌種、發(fā)酵時間和成熟條件。例如，藍(lán)紋奶酪的制作過程中，需要在 羊奶中加入青霉菌和凝乳酶進行發(fā)酵，發(fā)酵過程中需要翻轉(zhuǎn)奶酪以確 保霉菌均勻生長。

啤酒、葡萄酒、白酒等各種酒類都是發(fā)酵的杰作。啤酒以麥芽為主 要原料，經(jīng)過麥芽糖化、酵母發(fā)酵等過程，產(chǎn)生了獨特的風(fēng)味和酒精含 量。葡萄酒則利用葡萄皮中的天然酵母菌或人工添加的酵母菌將葡萄 汁中的糖分轉(zhuǎn)化為酒精，不同品種的葡萄和發(fā)酵工藝造就了千差萬別 的葡萄酒風(fēng)味。白酒的釀造過程更為復(fù)雜，通常涉及多輪發(fā)酵和蒸餾， 以提高酒精濃度和增加風(fēng)味物質(zhì)的含量。

醬油、醋、腐乳等調(diào)味品也是發(fā)酵的產(chǎn)物。醬油的釀造以大豆或豆 粕為原料，經(jīng)過霉菌、酵母菌、細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生多種氨基酸、糖類和風(fēng)味 物質(zhì)，賦予醬油濃郁的鮮味和色澤。醋的制作則是利用醋酸菌將酒精轉(zhuǎn) 化為醋酸，不同原料和釀造工藝制成的醋具有不同的風(fēng)味特點，如米醋 的醇厚、陳醋的濃郁、果醋的清爽。腐乳是通過毛霉等微生物發(fā)酵豆腐 制成的，發(fā)酵過程中豆腐中的蛋白質(zhì)被分解為小分子多肽和氨基酸，形 成了腐乳獨特的風(fēng)味和口感。

面包的松軟口感也離不開發(fā)酵。酵母在面團中發(fā)酵產(chǎn)生二氧化碳 氣體，使面團膨脹形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。同時，發(fā)酵還產(chǎn)生了多種風(fēng)味物 質(zhì)，如酯類、醛類等，賦予面包獨特的香氣。酸面包則利用乳酸菌進行 發(fā)酵，除了產(chǎn)生二氧化碳外，還會產(chǎn)生乳酸等有機酸，使面包具有獨特 的酸味。

藥品

部分疫苗的生產(chǎn)也依賴于發(fā)酵技 術(shù)。例如，乙肝疫苗可以通過基因工程使酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生乙肝表面抗原，然后經(jīng)過純化和加工制成疫苗。這種發(fā)酵生產(chǎn)的疫苗具有高效、安全、穩(wěn)定等優(yōu)點，為全球乙肝預(yù)防工作作出了重要貢獻(xiàn)。

許多重要的抗生素都是通過發(fā)酵 生產(chǎn)的。例如，青霉素一般是由產(chǎn)黃青霉菌發(fā)酵產(chǎn)生的。青霉素能夠抑制細(xì)菌細(xì)胞壁上黏肽的合成作用，破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡，起到殺菌作用。它的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用極大地改變了人類對抗感染性疾病的能力。鏈霉素、紅霉素等抗生素也都是通過微生物發(fā)酵合成的，這些抗生素在治療細(xì)菌感染方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，拯救了無數(shù)生命。

發(fā)酵還用于生產(chǎn)各種藥用酶和生 物制品。例如，胰蛋白酶、淀粉酶等酶類藥物可以通過微生物發(fā)酵獲得。此外，一些生物制品如胰島素、生長激素等也可以利用基因工程技術(shù)在微生物或細(xì)胞中進行發(fā)酵生產(chǎn)，為糖尿病、生長發(fā)育障礙等疾病的治療提供了有效的藥物。

其他發(fā)酵產(chǎn)品

一些微生物發(fā)酵還能夠合成生 物材料，如聚羥基脂肪酸酯（PHA） 等可降解塑料。PHA具有良好的生 物相容性和可降解性，在包裝材料、 醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前 景。通過發(fā)酵生產(chǎn)生物材料，可以減 少傳統(tǒng)塑料對環(huán)境的污染，推動可 持續(xù)發(fā)展。

發(fā)酵技術(shù)可以用于處理有機廢 物，實現(xiàn)資源回收和環(huán)境保護。例 如，通過厭氧發(fā)酵可以將有機垃圾、 污水污泥等轉(zhuǎn)化為沼氣，沼氣可作為 能源用于發(fā)電、供暖等。同時，發(fā)酵 后的剩余物還可以作為有機肥料，用 于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)了廢棄物的資源化 利用。

利用微生物發(fā)酵可以將生物質(zhì) 轉(zhuǎn)化為生物燃料，如酒精、丁醇等。 這些生物燃料可作為汽油的替代品 或添加劑，能夠減少對化石燃料的 依賴，減少溫室氣體排放，提升燃 料品質(zhì)。例如，利用玉米、甘蔗等原 料發(fā)酵生產(chǎn)酒精的技術(shù)，已經(jīng)在一 些國家得到了廣泛應(yīng)用。

發(fā)酵的未來發(fā)展趨勢

基因編輯技術(shù)為微生物發(fā)酵的優(yōu)化提供了新的手段。通過對 微生物基因進行編輯，可以精確調(diào)控發(fā)酵過程中的代謝途徑，提 高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。合成生物學(xué)則致力于設(shè)計和構(gòu)建新 型的生物合成途徑，使微生物能夠合成自然界中不存在或難以大 量獲得的化合物，為醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域帶來更多的創(chuàng)新產(chǎn)品。

隨著自動化、傳感器和人工智能技術(shù)的發(fā)展，發(fā)酵過程的智 能化控制將成為現(xiàn)實。通過實時監(jiān)測發(fā)酵過程中的溫度、pH值、 溶解氧、底物濃度、產(chǎn)物濃度等各類參數(shù)，利用人工智能算法進 行數(shù)據(jù)分析和模型建立，可實現(xiàn)發(fā)酵過程的精準(zhǔn)調(diào)控。智能化控 制可以提高發(fā)酵生產(chǎn)的穩(wěn)定性和一致性，減少人為誤差和生產(chǎn)成 本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

未來，發(fā)酵技術(shù)將與化學(xué)、材料科學(xué)、計算機科學(xué)等多學(xué)科 進行更深入的融合。例如：與材料科學(xué)的融合，可以開發(fā)出具有 特殊性能的生物材料；與計算機科學(xué)的融合，可以利用人工智能 算法優(yōu)化發(fā)酵工藝設(shè)計和預(yù)測發(fā)酵結(jié)果。這種多學(xué)科融合將催 生更多新穎的應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品，為能源短缺、環(huán)境污染、疾病防 治等全球性挑戰(zhàn)提供新的解決方案。

發(fā)酵作為一種古老而又現(xiàn)代的生物過程，以其獨特的魅力和廣泛的應(yīng)用，深刻地影響著我們生活的方方面面。在人類的幫助下，發(fā)酵這位“大廚”的潛力被不斷挖掘。可以說，現(xiàn)在的發(fā)酵不僅是食物的“大廚”，也是藥品的“大廚”、材料的“大廚”、能源的“大廚”。從美味的食品到救命的藥品，從清潔能源到環(huán)保材料，發(fā)酵技術(shù)不斷創(chuàng)新和發(fā)展，為人類社會的進步作出了重要貢獻(xiàn)。相信隨著科技的不斷進步，未來發(fā)酵必將繼續(xù)展現(xiàn)其更多精湛“廚藝”，為我們創(chuàng)造更加美好的生活。

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2025年《科學(xué)畫報》