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第一章　食品发酵的历史源流

发酵的概念最早起源于酿酒，自古以来就作为一种食品贮藏与加工的方法。“发酵”原指一种轻度发泡或者沸腾的状态，发泡被认为是由于糖在转化过程中释放出二氧化碳气体。随着人们对发酵认识的不断增加，发酵的概念也逐渐成熟。从生理学和生物化学的角度看，发酵应理解为在缺氧状态下糖类的分解。而在发酵工业上，发酵则是利用微生物的代谢活动，通过生物催化剂（微生物细胞或酶）将有机物质转化为产品的过程。

食品发酵作为一类重要的食品加工技术，是指在一定的培养条件下，利用微生物将食品原料转化生成新的食品类型或饮料的过程。这种类型的食品总称为“发酵食品”。发酵食品是一类色、香、味、形等调和的特殊食品，它是食品原料（包括本身的酶）经微生物作用所产生的一系列特定的酶所催化的生物，其形成的过程包括由原料降解的分解作用，以及推动生物合成过程所必需的各种化学反应。

一、食品发酵的理论萌芽期

自然发酵时期

发酵现象很久以前就被人类认识，虽然那时人们尚未认识到发酵的本质，但是已经利用自然发酵现象开展了各种形式的食品发酵生产活动。由The Times of Israel公开发表的文章“13，000-year-old brewery discovered in Israel，the oldest in the world”中记载：人类大概在13000年以前进行糖类的发酵，这是目前能找到的最早的酿造起源。

考古专家于2018年分析了在以色列的Raqefet洞穴，表明纳吐夫人在约13000年前用野生小麦和大麦酿造啤酒。根据出土于伊朗扎格罗斯山脉的陶片，相关学者推测在公元前5400—前5000年左右，伊朗北部地区的人们就掌握了将葡萄发酵酿造成葡萄酒的技术。公元前4000—前3000年左右，古埃及人已熟悉酒、醋和面包的发酵方法。公元前2500年左右，古巴尔干人开始利用发酵技术制作酸奶。哥伦布首次抵达美洲新大陆时，曾经发现当地的印第安人已经在饮用由玉米发酵制成的烧酒。

张居中教授联合美国宾夕法尼亚大学的麦克加文（Patrick E.McGovern）考证贾湖遗址文物上的残留成分，推断出我国劳动人民在公元前7000—前5800年左右已经掌握了酿酒技术，但在当时发酵酒还不作为饮品使用，一直到公元前5000年左右才开始饮用。可见，食品发酵技术源于酿酒，远早于文字的出现，源远流长。

在龙山文化遗址（距今约4000年，位于山东省济南市章丘区）中，考古工作人员发掘出许多盛酒的陶制器皿，发现发酵酒当时在人们的生活中已较为普遍。《尚书》中记载“若作酒醴，尔惟曲糵”，意思是说：要酿酒，须用曲糵。曲是由谷物发霉而成，糵就是发芽的谷物，这说明当时人们已用曲和糵酿酒。春秋战国时期，人们就已经掌握了制酱和酿醋的技术。邢旺兴等的《红曲考证》记载我国利用红曲菌的历史悠久，从汉代起就用其制曲。汉末王粲诗赋《七释》中有“西旅游梁，御宿素祭，瓜州红麹，参糅相半，软滑膏润，入口流散”，这证明当时人们就已发现了红曲，并用它做红饭或腐乳。北魏的贾思勰所著《齐民要术》一书中，我国传统食品发酵技术的记载占据着极为重要的篇幅，后世乃至现代的一些发酵技术都主要参考此书。

人类利用微生物发酵生产食品已有数千年的历史，但在远古时期的生产活动均为自然发酵，人类不仅尚未认识微生物，而且对于发酵的过程也尚未完全认识。此时期的发酵生产活动全依靠经验，发酵体系中有多种微生物共存，属于非纯种培养，发酵产品易被杂菌污染。

二、食品发酵的技术探索期

（一）纯培养技术时期

随着物理学、化学、生物学等自然学科的不断发展，人们才逐渐认识到食品发酵的内在机制，开始弄清发酵的本质，并尝试改进自然发酵工艺，发酵理论与发酵技术正式开始发展。

17世纪后叶，列文虎克成功用自制的手磨透镜制成了世界上第一台显微镜，通过对雨水、牙垢及腐败食物残渣的观察发现了微生物的存在。列文虎克利用显微镜观察菌体的形态使人们对微生物的研究成为可能。

19世纪中叶，法国著名微生物学家巴斯德发现乙醇发酵是由酵母引起的，证明了发酵原理，指出发酵现象是微生物进行的一种化学反应。随后他又指出所有的发酵都是微生物作用的结果，不同类型的发酵，是由形态上可以区别的各种特定的微生物所引起的。这一发现不仅对传统的食品发酵生产活动给予了科学的解释，也为人们利用微生物及其发酵过程提供了理论基础。

19世纪末，德国细菌学家科赫发明了固体培养基，创建了纯种微生物的分离和培养技术，这为人为控制发酵过程以及生产不同发酵产品奠定了基础。

此后，各种微生物的纯培养技术不断获得成功，人类靠智慧逐渐学会了对微生物的控制，把单一的微生物菌种应用于各种发酵产品中，在产品防腐、产量提高、质量稳定等方面起到了重要作用，推动了发酵技术的工业化发展。丹麦科学家Hansen分离出单个酵母细胞，发明了啤酒酵母的纯培养技术，率先在啤酒行业实现了大规模的工业化生产。德国科学家汉逊基于形态学使用连续稀释分离了酵母细胞，并展示了不同的下面和上面发酵罐的纯培养，这种纯种发酵技术开始在啤酒中得到推广，开始了独特的、可复制的工业发酵。

这一时期的发酵产品主要是一些厌氧产品和好氧产品，如乳酸、面包酵母、乙醇、丙酮、丁醇、淀粉酶、蛋白酶、柠檬酸等，均为表面培养。单种微生物分离和纯培养技术的建立，使人类从利用自然界的微生物进行混合发酵过渡到利用单一菌种进行纯种发酵。这与传统的自然发酵截然不同，是食品发酵技术发展的第一个转折点。但由于受到发酵设备制约，且发酵类型多为厌氧发酵，发酵方式主要为固体发酵，工艺简单，生产规模小，是近代发酵工业发展的雏形。

（二）通气搅拌深层发酵技术时期

纯培养技术的发展极大地扩大了发酵生产的规模，使其开始由作坊式向工业化发生转变。纯培养技术主要用于厌氧发酵和表面发酵，这种发酵方式在进一步扩大发酵时会出现发酵时间延长、占地面积大等问题。

20世纪40年代，借助青霉素发酵生产的成功及抗生素工业的兴起，研究者们研制并不断改进大型通气搅拌发酵设备，同时也开发出许多新的发酵工艺，这为其他发酵产品如酶制剂、维生素、有机酸、氨基酸等的生产提供了基础。第二次世界大战期间，人们对青霉素的需求量极大，而早期的青霉素生产均采用表面发酵培养法，这种方法产量较低。出于对青霉素实现大规模生产的迫切需要，在借鉴丙酮、丁醇的纯种厌氧发酵技术的基础上，人们成功建立起深层通气培养法及一整套培养工艺，包括向发酵罐中通入大量无菌空气、通过搅拌使空气均匀分布、培养基的灭菌和无菌接种等技术，使微生物在培养过程中的温度、pH值、通气量、培养物的供给都受到严格控制。这些技术极大地促进了食品发酵工业的发展，各种有机酸、酶制剂、维生素、激素等都可以借助好氧发酵，从而开始走上大规模产业化的道路。

这一时期是发酵技术的划时代飞跃时期，食品发酵工业从昔日厌氧发酵为主的工艺转变为深层通风发酵为主的工艺，可称为食品发酵技术发展的第二个转折点。在这一阶段，发酵技术的主要特点是采用深层培养技术，增殖时间短，产量高。但这一时期的发酵技术主要还是依赖对外界环境因素的控制来达到目的，远远不能满足人们对发酵产品的需求。

三、食品发酵的技术发展期

（一）代谢控制发酵时期

随着基础生物科学，如生物化学、酶化学、微生物遗传学等的快速发展，以及分析方法和分离技术的发展，人们对微生物的代谢途径有了进一步的了解，开始利用代谢调节手段选育微生物菌种和控制发酵条件。在根据产物分子结构、生物合成途径和调控机制设计菌种代谢途径的同时，结合传统诱变育种获得所需菌种，可以提高相应产品的产率。大多数发酵产品并不是微生物代谢的末端产物，而是微生物代谢的中间物质，合成、积累这些物质，需要解除它们的代谢调控机制。

1956年，日本协和发酵公司利用自然界存在的野生生理缺陷型菌株成功地进行了谷氨酸的发酵生产，继而掀起了氨基酸发酵研究的热潮，这是一种基于代谢控制的新型发酵技术。日本木下祝郎博士等人利用遗传学的方法或生物化学方法，人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢途径，使得有用的目的产物大量生成、积累，并正式提出了“代谢控制发酵”的概念。其关键在于对微生物合成代谢网络的调节和控制，打破原有代谢调控机制的限制，使之按照人类需要的方向发展。代谢控制发酵理论的建立和应用，为微生物工业发酵的理论和实践发展做出了重大贡献，使发酵向着高度人为控制的方向转移。

1960—1970年是代谢控制发酵技术应用的鼎盛期，几乎所有的氨基酸和核苷酸物质均可采用发酵法生产。通过加强对发酵菌株的研究，获得了许多氨基酸高产菌株。目前，发酵企业广泛采用的补料分批发酵技术，可以有效地减少发酵过程中培养基黏度升高引起的传质效率降低、降解物的阻遏和底物的反馈抑制现象，很好地控制代谢方向，延长产物合成期和增加代谢物的积累。所需营养物的限量补加，常用来控制营养缺陷型突变菌株，使代谢产物积累达到最大。氨基酸发酵中采用这种补料分批技术最普遍，实现了准确的代谢调控，更有利于菌体合成产物，达到较大幅度提高产量的目的。

这一时期，以微生物代谢控制发酵技术为主要特征，形成了较完整的利用微生物发酵的工业化生产体系，是食品发酵工程的第三个转折点。

（二）发酵原料开拓时期

在这个时期，微生物发酵原料发生转变，由原来单一性碳水化合物向非碳水化合物过渡和转化，发酵工业得到迅速发展。

传统的发酵工业是以谷物、蔬菜等农产品为糖基发酵原料。随着代谢控制发酵技术的发展，发酵产品的应用越来越广泛，发酵工业急需大量的粮食及农副产品作为发酵原料。20世纪60年代初期，为解决这一问题，生物学家开始对发酵原料的多样化开发进行研究，利用烷烃、天然气、石油等进行发酵。粮食生产工业化是应对当前世界粮食短缺问题的最理想的途径之一，以石油微生物和菌体生产人类食物是它的良好开端，且石油化工副产物是优良的发酵原料，在降低成本方面有极大的优势。研究石油及其馏分产物代替发酵工业用粮，具有极为重要的意义。

单细胞蛋白的发展和应用，已经成为全球广受关注的食品创新领域。许多企业和组织将业务聚焦于单细胞蛋白生产，将其转化为更可口、更营养的食品原料，正不断丰富和改善人类的食品。由于单细胞蛋白具有良好的组织成形性，可将其用于生产“人造肉”等新食品。Marlow Foods公司在1985年推出了利用真菌Fusarium venenatum制成的单细胞蛋白产品Quorn，该产品主要用于生产香肠肉饼、即食汉堡等。目前以正烷烃为原料生产的单细胞蛋白的安全性有待深入研究，但采用甲醇、醋酸甲烷、氢气等原料也可以生产单细胞蛋白。发酵原料不仅能够制造单细胞蛋白，而且还可从这些原料发酵生产各种发酵产品。因此，在发酵原料方面，发酵技术又有了大的飞跃。

此外，纤维质原料在自然界来源广泛，稻草、玉米、高粱、小麦秸秆、油茶籽饼粕是产量较大的纤维质原料，将其用来发酵生产乙醇是解决未来能源危机的有效办法，采用工程菌进行发酵是该研究领域主要的研究方向，但如何低成本、低能耗、轻污染、工艺简单地转化为乙醇，还有很大的发展和研究空间。

四、食品发酵的技术成熟期

基因工程时期

20世纪70年代发展起来的DNA重组技术，使发酵技术进入了一个崭新的发展阶段。发酵工程、细胞工程和基因工程相辅相成，使发酵工业发生了革命性的变化。

首先，通过细胞融合技术可以得到许多具有特殊功能和多功能的新菌株，再通过常规发酵得到许多新的有用物质。例如，植物细胞的融合可以得到多功能的植物细胞，通过植物细胞培养生产保健品和药品。

近年来得到迅猛发展的基因工程技术，可以在体外重组生物细胞的基因，并克隆到微生物细胞中构成工程菌。利用“基因工程菌”能够生产自然界一般微生物不能合成的产物，如胰岛素、干扰素等，拓宽了发酵工业的使用范围。利用基因重组技术，可培育出新的酿酒酵母菌株，改进传统的酿酒工艺，并使之多样化。例如，通过插入糖化酵母和曲霉的糖化酶基因以及芽孢杆菌的α-淀粉酶基因，来增强啤酒酵母发酵低聚麦芽糖的能力，可使酿酒原料大麦汁中低聚麦芽糖的残留量降低，提高原料利用率，并且使啤酒风味更纯正。同时由于α-淀粉酶，可直接发酵淀粉，省去了酿酒工艺中的糖化工序，节省能源，缩短生产周期，推进了啤酒生产技术的革新。根据乳制品发酵菌株遗传不稳定的分子本质，应用基因重组技术，把参与乳制品发酵作用的重要质粒基因，整合到菌株的染色体基因组上，染色体基因组作为遗传物质可稳定遗传，发生质粒丢失的可能性很小，这样便能够培养出性能稳定的工程菌株。用同样的方法可以构建抗噬菌体的菌株，分离40MD质粒上抗噬菌体感染的抗性基因，转移到发酵工程菌的基因组中，该基因表达产生的脂磷壁酸黏附在细胞表面，使得噬菌体无法与细胞表面的受体结合从而失去感染能力。因此，通过基因重组技术可以构建出性能稳定且又能抗菌的新型发酵工程菌株。采用基因重组技术改造原有菌株，无疑给乳制品发酵业带来了新发展。

发酵技术已经不再是单纯的微生物的发酵，目前已扩展到植物和动物细胞领域。随着转基因动植物的诞生，发酵设备——生物反应器也不再是传统意义上的钢铁设备，昆虫的躯体，动物细胞的乳腺，植物根茎、果实细胞等都可以看作是一种生物反应器。因此，基因工程、细胞工程、酶工程、生化工程等使得传统的发酵工业开始向着生物技术工业发展，成为现代生物技术的重要组成部分。

现代发酵工程以基因工程的诞生为标志，以微生物工程为核心内容，以数学、动力学、化工原理等为基础，通过计算机实现发酵过程自动化控制，使发酵过程的工艺控制更为合理，相应的新工艺、新设备也层出不穷。随着生物化学和分子生物学的进一步发展，基因工程在食品发酵工业中的应用日益广泛，极大地促进了食品发酵工业的发展，也为人类最终解决食物短缺问题带来了希望。

（曾凤萍　宋玉　刘越　刘春宇　熊利）