發(fā)酵作為一種古老而又現(xiàn)代的生物過程，以其獨(dú)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(bào)》編輯部

文/黃詩(shī)愉 王國(guó)強(qiáng)

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

王國(guó)強(qiáng)，中國(guó)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(dòng)對(duì)有機(jī)物進(jìn)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(lái)，拉丁文原意為發(fā)泡、翻騰。發(fā)酵在人類歷史長(zhǎng)河中源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，無(wú)處不在，深刻影響著我們的生活。人類對(duì)發(fā)酵現(xiàn)象的最早利用是制作食物，這是因?yàn)槿藗儼l(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�？梢哉f(shuō)，人類對(duì)發(fā)酵的最初認(rèn)識(shí)就是“自然界的大廚”，因?yàn)樗軐⒃竟盐镀椒驳牟牧限D(zhuǎn)變?yōu)槟艽碳と藗兾独俚拿牢都央�。但是，隨著人類對(duì)發(fā)酵的認(rèn)識(shí)從經(jīng)驗(yàn)的感性認(rèn)知升級(jí)到科學(xué)的理性認(rèn)知，現(xiàn)在人類對(duì)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(duì)發(fā)酵現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和利用歷史十分悠久，最早 可以追溯到上萬(wàn)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(gè)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(guó)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(duì)奶制品、面團(tuán)、豆制品等進(jìn)行發(fā)酵處理，并食用其發(fā)酵后產(chǎn)物。

釀酒酵母

我國(guó)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(jìn)了人們的健康和營(yíng)養(yǎng)。北魏時(shí)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(jì)楚蕈饅頭”，這表明作者認(rèn)為蕈饅頭是人間美味，也充分說(shuō)明了古人對(duì)發(fā)酵食品的喜愛。古人食用發(fā)酵食品不僅是因?yàn)樨潏D發(fā)酵后食品的美味，也是為了果腹免饑，因?yàn)樵诠糯鷷r(shí)常鬧饑荒，且由于技術(shù)落后，食物長(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)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(duì)發(fā)酵的認(rèn)知普遍深受有機(jī)化學(xué)之父、德國(guó)化學(xué)家尤斯圖斯·馮·李比希觀點(diǎn)的錯(cuò)誤影響，普遍認(rèn)為發(fā)酵是一種化學(xué)過程，不存在有機(jī)發(fā)酵物的 可能。1856年，一個(gè)釀酒商人向法國(guó)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(duì)樣品進(jìn)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(shí)驗(yàn)證明了pH值對(duì)微生物代謝的影響。為減少枯葉病對(duì)法國(guó)葡萄酒產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的損失，巴斯德還對(duì)葡萄酒發(fā)酵進(jìn)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(shí)驗(yàn)，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(duì)啤酒發(fā)酵中存在的變質(zhì)問題進(jìn)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(duì)微觀世界的觀察不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到發(fā) 酵的本質(zhì)是微生物在無(wú)氧或有氧條件下的代謝活動(dòng)，微生物通過分解有機(jī)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(gè)基本假說(shuō)一是代謝能支撐假說(shuō)。能直接推動(dòng)生命活動(dòng)（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(jī)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(lái)支撐其自身的生命活動(dòng)。

二是代謝網(wǎng)絡(luò)假說(shuō)。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(wú)尺度網(wǎng)絡(luò)，它作為一個(gè)整體來(lái)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(jì)假說(shuō)。微生物細(xì)胞是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放體系，是在物競(jìng)天擇基礎(chǔ)上形成的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系。細(xì)胞經(jīng)濟(jì)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(jì)性和代謝的持續(xù)性提供保障。

這三個(gè)基本假說(shuō)相互支持、相互制約、相互補(bǔ)充。能量代謝 需借助代謝網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，代謝網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)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(jì)規(guī)律的規(guī)范和制約。代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝物的流動(dòng)依賴于代謝能支撐，受制于細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律；而對(duì)代謝能支撐和細(xì)胞經(jīng)濟(jì)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(duì)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(wú)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(wú)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(wú)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(dú)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(guó)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(cè)定了胰島素的氨基酸序列，同時(shí)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(guó)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(cè)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(gè)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(jìn)，特別是與計(jì)算機(jī)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(lái)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(jí)結(jié)構(gòu)，甚至三級(jí)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(jī)化學(xué)的縮合方法合成多肽，但這僅限于很簡(jiǎn)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(cè)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(guó)科學(xué)家爭(zhēng)相突破的重要問題。中國(guó)的科學(xué)家花了7年多的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了這一重大突破。同期，美國(guó)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(jiǎn)便、高效，成為多肽合成的基本方法。他還研制了第一臺(tái)自動(dòng)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(shí)，乳酸菌還產(chǎn)生了多種維生 素，對(duì)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(shí)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(jìn)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(zhǎng)。

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(dú)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(wàn)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(diǎn)，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(dú)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(tuán)中發(fā)酵產(chǎn)生二氧化碳 氣體，使面團(tuán)膨脹形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，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(dú)特的香氣。酸面包則利用乳酸菌進(jìn)行 發(fā)酵，除了產(chǎn)生二氧化碳外，還會(huì)產(chǎn)生乳酸等有機(jī)酸，使面包具有獨(dú)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(diǎn)，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(duì)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(wú)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(zhǎng)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(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，為糖尿病、生長(zhǎng)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(duì)環(huán)境的污染，推動(dòng)可 持續(xù)發(fā)展。

發(fā)酵技術(shù)可以用于處理有機(jī)廢 物，實(shí)現(xiàn)資源回收和環(huán)境保護(hù)。例 如，通過厭氧發(fā)酵可以將有機(jī)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(shí)，發(fā)酵 后的剩余物還可以作為有機(jī)肥料，用 于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)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(duì)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(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。

發(fā)酵的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

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(duì) 微生物基因進(jìn)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(jì)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(lái)更多的創(chuàng)新產(chǎn)品。

隨著自動(dòng)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(shí)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jìn) 行數(shù)據(jù)分析和模型建立，可實(shí)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(lái)，發(fā)酵技術(shù)將與化學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科 進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)和預(yù)測(cè)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(dú)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�？梢哉f(shuō)，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(huì)的進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。相信隨著科技的不斷進(jìn)步，未來(lái)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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