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第一章　食品發酵的歷史源流

發酵的概念最早起源于釀酒，自古以來就作為一種食品貯藏與加工的方法。“發酵”原指一種輕度發泡或者沸騰的狀態，發泡被認為是由于糖在轉化過程中釋放出二氧化碳氣體。隨著人們對發酵認識的不斷增加，發酵的概念也逐漸成熟。從生理學和生物化學的角度看，發酵應理解為在缺氧狀態下糖類的分解。而在發酵工業上，發酵則是利用微生物的代謝活動，通過生物催化劑（微生物細胞或酶）將有機物質轉化為產品的過程。

食品發酵作為一類重要的食品加工技術，是指在一定的培養條件下，利用微生物將食品原料轉化生成新的食品類型或飲料的過程。這種類型的食品總稱為“發酵食品”。發酵食品是一類色、香、味、形等調和的特殊食品，它是食品原料（包括本身的酶）經微生物作用所產生的一系列特定的酶所催化的生物，其形成的過程包括由原料降解的分解作用，以及推動生物合成過程所必需的各種化學反應。

一、食品發酵的理論萌芽期

自然發酵時期

發酵現象很久以前就被人類認識，雖然那時人們尚未認識到發酵的本質，但是已經利用自然發酵現象開展了各種形式的食品發酵生產活動。由The Times of Israel公開發表的文章“13，000-year-old brewery discovered in Israel，the oldest in the world”中記載：人類大概在13000年以前進行糖類的發酵，這是目前能找到的最早的釀造起源。

考古專家于2018年分析了在以色列的Raqefet洞穴，表明納吐夫人在約13000年前用野生小麥和大麥釀造啤酒。根據出土于伊朗扎格羅斯山脈的陶片，相關學者推測在公元前5400—前5000年左右，伊朗北部地區的人們就掌握了將葡萄發酵釀造成葡萄酒的技術。公元前4000—前3000年左右，古埃及人已熟悉酒、醋和面包的發酵方法。公元前2500年左右，古巴爾干人開始利用發酵技術制作酸奶。哥倫布首次抵達美洲新大陸時，曾經發現當地的印第安人已經在飲用由玉米發酵制成的燒酒。

張居中教授聯合美國賓夕法尼亞大學的麥克加文（Patrick E.McGovern）考證賈湖遺址文物上的殘留成分，推斷出我國勞動人民在公元前7000—前5800年左右已經掌握了釀酒技術，但在當時發酵酒還不作為飲品使用，一直到公元前5000年左右才開始飲用。可見，食品發酵技術源于釀酒，遠早于文字的出現，源遠流長。

在龍山文化遺址（距今約4000年，位于山東省濟南市章丘區）中，考古工作人員發掘出許多盛酒的陶制器皿，發現發酵酒當時在人們的生活中已較為普遍。《尚書》中記載“若作酒醴，爾惟曲糵”，意思是說：要釀酒，須用曲糵。曲是由谷物發霉而成，糵就是發芽的谷物，這說明當時人們已用曲和糵釀酒。春秋戰國時期，人們就已經掌握了制醬和釀醋的技術。邢旺興等的《紅曲考證》記載我國利用紅曲菌的歷史悠久，從漢代起就用其制曲。漢末王粲詩賦《七釋》中有“西旅游梁，御宿素祭，瓜州紅麹，參糅相半，軟滑膏潤，入口流散”，這證明當時人們就已發現了紅曲，并用它做紅飯或腐乳。北魏的賈思勰所著《齊民要術》一書中，我國傳統食品發酵技術的記載占據著極為重要的篇幅，后世乃至現代的一些發酵技術都主要參考此書。

人類利用微生物發酵生產食品已有數千年的歷史，但在遠古時期的生產活動均為自然發酵，人類不僅尚未認識微生物，而且對于發酵的過程也尚未完全認識。此時期的發酵生產活動全依靠經驗，發酵體系中有多種微生物共存，屬于非純種培養，發酵產品易被雜菌污染。

二、食品發酵的技術探索期

（一）純培養技術時期

隨著物理學、化學、生物學等自然學科的不斷發展，人們才逐漸認識到食品發酵的內在機制，開始弄清發酵的本質，并嘗試改進自然發酵工藝，發酵理論與發酵技術正式開始發展。

17世紀后葉，列文虎克成功用自制的手磨透鏡制成了世界上第一臺顯微鏡，通過對雨水、牙垢及腐敗食物殘渣的觀察發現了微生物的存在。列文虎克利用顯微鏡觀察菌體的形態使人們對微生物的研究成為可能。

19世紀中葉，法國著名微生物學家巴斯德發現乙醇發酵是由酵母引起的，證明了發酵原理，指出發酵現象是微生物進行的一種化學反應。隨后他又指出所有的發酵都是微生物作用的結果，不同類型的發酵，是由形態上可以區別的各種特定的微生物所引起的。這一發現不僅對傳統的食品發酵生產活動給予了科學的解釋，也為人們利用微生物及其發酵過程提供了理論基礎。

19世紀末，德國細菌學家科赫發明了固體培養基，創建了純種微生物的分離和培養技術，這為人為控制發酵過程以及生產不同發酵產品奠定了基礎。

此后，各種微生物的純培養技術不斷獲得成功，人類靠智慧逐漸學會了對微生物的控制，把單一的微生物菌種應用于各種發酵產品中，在產品防腐、產量提高、質量穩定等方面起到了重要作用，推動了發酵技術的工業化發展。丹麥科學家Hansen分離出單個酵母細胞，發明了啤酒酵母的純培養技術，率先在啤酒行業實現了大規模的工業化生產。德國科學家漢遜基于形態學使用連續稀釋分離了酵母細胞，并展示了不同的下面和上面發酵罐的純培養，這種純種發酵技術開始在啤酒中得到推廣，開始了獨特的、可復制的工業發酵。

這一時期的發酵產品主要是一些厭氧產品和好氧產品，如乳酸、面包酵母、乙醇、丙酮、丁醇、淀粉酶、蛋白酶、檸檬酸等，均為表面培養。單種微生物分離和純培養技術的建立，使人類從利用自然界的微生物進行混合發酵過渡到利用單一菌種進行純種發酵。這與傳統的自然發酵截然不同，是食品發酵技術發展的第一個轉折點。但由于受到發酵設備制約，且發酵類型多為厭氧發酵，發酵方式主要為固體發酵，工藝簡單，生產規模小，是近代發酵工業發展的雛形。

（二）通氣攪拌深層發酵技術時期

純培養技術的發展極大地擴大了發酵生產的規模，使其開始由作坊式向工業化發生轉變。純培養技術主要用于厭氧發酵和表面發酵，這種發酵方式在進一步擴大發酵時會出現發酵時間延長、占地面積大等問題。

20世紀40年代，借助青霉素發酵生產的成功及抗生素工業的興起，研究者們研制并不斷改進大型通氣攪拌發酵設備，同時也開發出許多新的發酵工藝，這為其他發酵產品如酶制劑、維生素、有機酸、氨基酸等的生產提供了基礎。第二次世界大戰期間，人們對青霉素的需求量極大，而早期的青霉素生產均采用表面發酵培養法，這種方法產量較低。出于對青霉素實現大規模生產的迫切需要，在借鑒丙酮、丁醇的純種厭氧發酵技術的基礎上，人們成功建立起深層通氣培養法及一整套培養工藝，包括向發酵罐中通入大量無菌空氣、通過攪拌使空氣均勻分布、培養基的滅菌和無菌接種等技術，使微生物在培養過程中的溫度、pH值、通氣量、培養物的供給都受到嚴格控制。這些技術極大地促進了食品發酵工業的發展，各種有機酸、酶制劑、維生素、激素等都可以借助好氧發酵，從而開始走上大規模產業化的道路。

這一時期是發酵技術的劃時代飛躍時期，食品發酵工業從昔日厭氧發酵為主的工藝轉變為深層通風發酵為主的工藝，可稱為食品發酵技術發展的第二個轉折點。在這一階段，發酵技術的主要特點是采用深層培養技術，增殖時間短，產量高。但這一時期的發酵技術主要還是依賴對外界環境因素的控制來達到目的，遠遠不能滿足人們對發酵產品的需求。

三、食品發酵的技術發展期

（一）代謝控制發酵時期

隨著基礎生物科學，如生物化學、酶化學、微生物遺傳學等的快速發展，以及分析方法和分離技術的發展，人們對微生物的代謝途徑有了進一步的了解，開始利用代謝調節手段選育微生物菌種和控制發酵條件。在根據產物分子結構、生物合成途徑和調控機制設計菌種代謝途徑的同時，結合傳統誘變育種獲得所需菌種，可以提高相應產品的產率。大多數發酵產品并不是微生物代謝的末端產物，而是微生物代謝的中間物質，合成、積累這些物質，需要解除它們的代謝調控機制。

1956年，日本協和發酵公司利用自然界存在的野生生理缺陷型菌株成功地進行了谷氨酸的發酵生產，繼而掀起了氨基酸發酵研究的熱潮，這是一種基于代謝控制的新型發酵技術。日本木下祝郎博士等人利用遺傳學的方法或生物化學方法，人為地在DNA分子水平上改變和控制微生物的代謝途徑，使得有用的目的產物大量生成、積累，并正式提出了“代謝控制發酵”的概念。其關鍵在于對微生物合成代謝網絡的調節和控制，打破原有代謝調控機制的限制，使之按照人類需要的方向發展。代謝控制發酵理論的建立和應用，為微生物工業發酵的理論和實踐發展做出了重大貢獻，使發酵向著高度人為控制的方向轉移。

1960—1970年是代謝控制發酵技術應用的鼎盛期，幾乎所有的氨基酸和核苷酸物質均可采用發酵法生產。通過加強對發酵菌株的研究，獲得了許多氨基酸高產菌株。目前，發酵企業廣泛采用的補料分批發酵技術，可以有效地減少發酵過程中培養基黏度升高引起的傳質效率降低、降解物的阻遏和底物的反饋抑制現象，很好地控制代謝方向，延長產物合成期和增加代謝物的積累。所需營養物的限量補加，常用來控制營養缺陷型突變菌株，使代謝產物積累達到最大。氨基酸發酵中采用這種補料分批技術最普遍，實現了準確的代謝調控，更有利于菌體合成產物，達到較大幅度提高產量的目的。

這一時期，以微生物代謝控制發酵技術為主要特征，形成了較完整的利用微生物發酵的工業化生產體系，是食品發酵工程的第三個轉折點。

（二）發酵原料開拓時期

在這個時期，微生物發酵原料發生轉變，由原來單一性碳水化合物向非碳水化合物過渡和轉化，發酵工業得到迅速發展。

傳統的發酵工業是以谷物、蔬菜等農產品為糖基發酵原料。隨著代謝控制發酵技術的發展，發酵產品的應用越來越廣泛，發酵工業急需大量的糧食及農副產品作為發酵原料。20世紀60年代初期，為解決這一問題，生物學家開始對發酵原料的多樣化開發進行研究，利用烷烴、天然氣、石油等進行發酵。糧食生產工業化是應對當前世界糧食短缺問題的最理想的途徑之一，以石油微生物和菌體生產人類食物是它的良好開端，且石油化工副產物是優良的發酵原料，在降低成本方面有極大的優勢。研究石油及其餾分產物代替發酵工業用糧，具有極為重要的意義。

單細胞蛋白的發展和應用，已經成為全球廣受關注的食品創新領域。許多企業和組織將業務聚焦于單細胞蛋白生產，將其轉化為更可口、更營養的食品原料，正不斷豐富和改善人類的食品。由于單細胞蛋白具有良好的組織成形性，可將其用于生產“人造肉”等新食品。Marlow Foods公司在1985年推出了利用真菌Fusarium venenatum制成的單細胞蛋白產品Quorn，該產品主要用于生產香腸肉餅、即食漢堡等。目前以正烷烴為原料生產的單細胞蛋白的安全性有待深入研究，但采用甲醇、醋酸甲烷、氫氣等原料也可以生產單細胞蛋白。發酵原料不僅能夠制造單細胞蛋白，而且還可從這些原料發酵生產各種發酵產品。因此，在發酵原料方面，發酵技術又有了大的飛躍。

此外，纖維質原料在自然界來源廣泛，稻草、玉米、高粱、小麥秸稈、油茶籽餅粕是產量較大的纖維質原料，將其用來發酵生產乙醇是解決未來能源危機的有效辦法，采用工程菌進行發酵是該研究領域主要的研究方向，但如何低成本、低能耗、輕污染、工藝簡單地轉化為乙醇，還有很大的發展和研究空間。

四、食品發酵的技術成熟期

基因工程時期

20世紀70年代發展起來的DNA重組技術，使發酵技術進入了一個嶄新的發展階段。發酵工程、細胞工程和基因工程相輔相成，使發酵工業發生了革命性的變化。

首先，通過細胞融合技術可以得到許多具有特殊功能和多功能的新菌株，再通過常規發酵得到許多新的有用物質。例如，植物細胞的融合可以得到多功能的植物細胞，通過植物細胞培養生產保健品和藥品。

近年來得到迅猛發展的基因工程技術，可以在體外重組生物細胞的基因，并克隆到微生物細胞中構成工程菌。利用“基因工程菌”能夠生產自然界一般微生物不能合成的產物，如胰島素、干擾素等，拓寬了發酵工業的使用范圍。利用基因重組技術，可培育出新的釀酒酵母菌株，改進傳統的釀酒工藝，并使之多樣化。例如，通過插入糖化酵母和曲霉的糖化酶基因以及芽孢桿菌的α-淀粉酶基因，來增強啤酒酵母發酵低聚麥芽糖的能力，可使釀酒原料大麥汁中低聚麥芽糖的殘留量降低，提高原料利用率，并且使啤酒風味更純正。同時由于α-淀粉酶，可直接發酵淀粉，省去了釀酒工藝中的糖化工序，節省能源，縮短生產周期，推進了啤酒生產技術的革新。根據乳制品發酵菌株遺傳不穩定的分子本質，應用基因重組技術，把參與乳制品發酵作用的重要質粒基因，整合到菌株的染色體基因組上，染色體基因組作為遺傳物質可穩定遺傳，發生質粒丟失的可能性很小，這樣便能夠培養出性能穩定的工程菌株。用同樣的方法可以構建抗噬菌體的菌株，分離40MD質粒上抗噬菌體感染的抗性基因，轉移到發酵工程菌的基因組中，該基因表達產生的脂磷壁酸黏附在細胞表面，使得噬菌體無法與細胞表面的受體結合從而失去感染能力。因此，通過基因重組技術可以構建出性能穩定且又能抗菌的新型發酵工程菌株。采用基因重組技術改造原有菌株，無疑給乳制品發酵業帶來了新發展。

發酵技術已經不再是單純的微生物的發酵，目前已擴展到植物和動物細胞領域。隨著轉基因動植物的誕生，發酵設備——生物反應器也不再是傳統意義上的鋼鐵設備，昆蟲的軀體，動物細胞的乳腺，植物根莖、果實細胞等都可以看作是一種生物反應器。因此，基因工程、細胞工程、酶工程、生化工程等使得傳統的發酵工業開始向著生物技術工業發展，成為現代生物技術的重要組成部分。

現代發酵工程以基因工程的誕生為標志，以微生物工程為核心內容，以數學、動力學、化工原理等為基礎，通過計算機實現發酵過程自動化控制，使發酵過程的工藝控制更為合理，相應的新工藝、新設備也層出不窮。隨著生物化學和分子生物學的進一步發展，基因工程在食品發酵工業中的應用日益廣泛，極大地促進了食品發酵工業的發展，也為人類最終解決食物短缺問題帶來了希望。

（曾鳳萍　宋玉　劉越　劉春宇　熊利）