发酵工艺及工程的原理和应用

英语 “发酵”（fermentation）一词来源于拉丁语 “发泡、翻涌”（fervere），描述的是酵母作用于果汁或麦芽浸出液出现气泡的现象，这种现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。近代微生物学家巴斯德（Pasteur）研究了酒精发酵的生理意义后认为：发酵是酵母在无氧条件下的呼吸过程，是生物获取能量的一种形式。也就是说，发酵是在厌氧条件下，糖在酵母菌等生物细胞的作用下进行分解代谢，向菌体提供能量，从而得到产物酒精和二氧化碳的过程。但后来发现柠檬酸、醋酸等有机酸的发酵需供给氧气，而且新的发酵产品不断涌现，如氨基酸、抗生素、核苷酸、酶制剂、单细胞蛋白等发酵产品，其中很多发酵产品与微生物的能量代谢没有直接关系。因此，人们对发酵的认识有了进一步深化。

（一）发酵的定义和本质

1. 发酵的定义

狭义的发酵是指微生物在厌氧条件下，分解各种有机物，并产生能量的过程。或者更严格地说，发酵是以有机物同时作为电子受体和供体的氧化还原产能反应。例如，酵母菌的乙醇发酵过程，酵母菌分解糖分子并失去分子内的电子，而电子的最终受体为糖的分解产物乙醛，乙醛接受电子后被还原为乙醇，此过程为生物化学意义上典型的 “发酵”。

从发酵工业的角度，广义的发酵是指利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来生产目标产物的过程。它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产物既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。

目前，发酵的定义进一步扩展：“在合适的条件下，利用生物细胞内特定的代谢途径转变外界底物，生成人类所需要的目标代谢产物或菌体的过程。”这种生物细胞主要是指微生物细胞、基因工程菌，还包括动、植物细胞。

想一想 酿造与发酵

“酿造”一词是由酿扩展而来，包括造酒和酒等含义，如现在所说的酿酒（作动词）、甜酒酿（作名词）等，其应用的范围不仅仅限于造酒和酒本身。在我国，人们习惯把通过微生物纯种或混种作用后，不经过单一成分的分离提取和精制，获得成分复杂、有较高风味要求的食品生产称为酿造，如啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒等酒类发酵及酱油、食醋、酱品、豆豉、腐乳、酸泡菜、酸奶等发酵食品的生产，均称为酿造。

“发酵”一词由酵字扩演而来，据《辞源》释义，酵指酵母菌，而酵母菌所起的作用称为发酵。可见发酵一词是随着微生物学的发展而出现的，是近代（即在人们认识了酵母菌及其作用之后）从西方引进过来的。从起源来看，酿造在前，发酵在后。近代研究证明，酿造实际是多种微生物的共同发酵，即酿造包含着许多发酵过程。因此，人们通常把经过微生物纯种作用后，再经分离提取和精制，获得的成分单纯、无风味要求的产品生产称为发酵，如有机溶剂、抗生素、有机酸、酶制剂、氨基酸、核苷酸、维生素、激素和生长素等发酵产品的生产，均称为发酵。

2. 发酵的本质(www.xing528.com)

19世纪之前，人们对发酵的本质并不了解，此时，亚里士多德的“自然发生学说”占据统治地位，认为：生命有机体可以从一些没有生命的东西中产生。

1680年，荷兰人列文虎克（A. Van Leeuwenhoek）发现微生物的存在，揭开了人类认识微生物世界的序幕，为认识发酵的本质奠定了基础。

19世纪中期，巴斯德的酒精发酵和著名的曲颈瓶试验否定了 “自然发生学说”，提出了发酵的基本原理：“生命体只能由生命体产生；发酵是通过微生物的代谢活动而进行的化学变化（即发酵的生命理论）”；“不同种类的微生物可引起不同的发酵过程”。这些理论给发酵技术带来了巨大的影响。

1897年，德国的化学家毕希纳（Büchner）用磨碎的酵母细胞制成酵母液，并滤去细胞，加入蔗糖后，意外发现酵母提取液仍能发酵形成酒精，无细胞酵母菌压榨汁中有发酵能力的物质便是酒化酶（zymase ）。这一试验有力地证明了酒精发酵过程是微生物产生的酶催化所发生的一系列生化反应，从而阐明了微生物发酵的化学本质；同时也表明了存在于生物体内酶的重要价值，为后来的发酵工艺研究和发酵机制的探讨奠定了坚实的基础。

（二）发酵工艺及发酵工程

发酵工业生产是通过微生物群体的生长代谢来加工或制备产品，其对应的加工或制备工艺被称为 “发酵工艺”。为了实现工业化生产，就要解决发酵工艺的工业化生产环境、设备和过程控制参数等工程学的问题，由此就有了 “发酵工程”。发酵工程是利用微生物特定性状和功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系，是将传统发酵与现代生物技术的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的发酵技术。由于主要利用的是微生物发酵过程来生产产品，因此也可称为微生物工程。

从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为工业发酵的上游工程、中游工程和下游工程。发酵工程的三个阶段都分别有它们各自的工艺、设备和过程控制原理，它们一起构成发酵工程原理，简称为发酵原理。

发酵工程技术和化学工程技术的最大区别在于：前者是利用生物体或生物体产生的酶进行的化学反应；而后者是利用非生物体进行的化学反应。因此，发酵工程是发酵原理与工程学的结合，是研究生物细胞（包括微生物、动植物细胞）参与的工艺过程原理和科学，是研究利用生物材料生产有用物质，服务于人类的一门综合性科学技术。生物材料包括来自于自然界的微生物、基因重组微生物、各种来源的动植物细胞。因此，发酵工程是生物工程的主要基础和支柱。