第一节　发　酵

工业发酵是利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的一门现代工业，而现代发酵工程则是指直接把微生物（或动植物细胞）应用于工业生产的一种技术体系，是在化学工程中结合了微生物特点的一门学科，因而发酵工程有时也称作微生物工程。

一、“发酵”一词的来源

发酵现象早已被人们所认识，但了解它的本质却是近200年的事。英语中发酵一词“fermentation”是从拉丁语“fervere”派生而来的，原意为“翻腾”，它描述的是酵母作用于果汁或麦芽浸出液时的现象。沸腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生二氧化碳所引起的。在生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵。我们现在所指的发酵早已赋予了不同的含义。发酵是生命体所进行的化学反应和生理变化，是多种多样的生物化学反应根据生命体本身所具有的遗传信息去不断分解合成，以取得能量来维持生命活动的过程。发酵产物是指在反应过程当中或反应到达终点时所产生的能够调节代谢使之达到平衡的物质。实际上，发酵也是呼吸作用的一种，只不过呼吸作用最终生成CO₂和水，而发酵最终是获得各种不同的代谢产物。因而，现在对发酵的定义应该是：通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的反应过程。

二、发酵与发酵工程

1.发酵的定义

发酵分狭义的发酵和广义的发酵。狭义“发酵”指的是生物化学或生理学上的发酵，指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳，同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等。广义“发酵”指的是工业上的发酵，指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程和通气（有氧）培养的生产过程。现在发酵技术已发展成为一门工程学科和独立的工业，涵盖了食品发酵（如酸奶、干酪、面包、酱腌菜等）、酿造（如啤酒、白酒、黄酒、葡萄酒等饮料酒以及酱油、酱、醋等调味品）、近代的发酵工业（如乙醇、乳酸、丙酮、丁醇等）。

2.发酵工程

发酵工程是以微生物的特定性状和功能，通过现代化工程技术生产产品或直接应用于工业化生产的技术体系，它是将传统发酵与现代DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等技术结合并发展起来的现代发酵技术。发酵工程是现代生物技术的重要组成部分，是化学工程学和生物学相互渗透而产生的一门新型学科。

三、发酵工程与其他学科的关系

发酵工程是基于生物学知识和工程学概念，解决生物技术产业化中关键问题的一门专业核心课程，内容涉及数学、物理、化学、微生物学及化工原理和工程等课程，内容丰富、涉及面广，不仅是工业生物技术的核心，更是生物技术产业化的关键，因为基因工程、酶工程和细胞工程等生物技术的最终成果通常都必须通过发酵才能最终实现。发酵虽然是古老的技术，但由于现代生物技术（基因工程、细胞工程、蛋白质工程等）研究成果的转化，为其注入新的内容，使传统的发酵工艺焕发出新的生命力。

虽然现代发酵工程已发展到培养细胞（含动植物细胞和微生物细胞）来制得产物的所有过程，但已有的研究和应用成果显示，用于发酵技术过程最有效、最稳定、最方便的培养细胞是微生物细胞。因此，目前采用的发酵技术都是围绕微生物进行的。

人们将生物工程划分为基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质工程5个方面（表1-1）。其中，发酵工程占有重要的位置。基因工程和细胞工程是生物技术的主导方向，基因重组或细胞融合获得的新品种，必须进行微生物发酵和产物的分离纯化研究，使之获得产品和经济效益才能体现出生物工程的优越性。而发酵工程和酶工程则是基因工程、细胞工程、蛋白质工程研究成果的具体展现，只有通过发酵工程才能使基因工程或者细胞工程获得的具有某种所需性状的细菌实现工业化生产，最终验证基因克隆或者细胞融合能否成功，从而获得生产效益和经济价值，即发酵工程是实现生物工程产业化的基础。

表1-1　发酵工程在生物工程中的位置

总之，发酵工程是现代生物工程的重要组成部分，是生物技术实行工业化的基础和必由之路。发酵工程具有连接生物技术上下游的纽带作用，其学科地位显而易见。