傳統發酵技術里的生物學原理

傳統發酵技術蘊含著豐富的生物學原理，其核心是微生物的轉化過程。發酵過程中，微生物將糖類作為能量來源，通過分解糖分生成腺苷三磷酸，同時釋放出像乙醇、乳酸這樣的特殊產物。不同種類的微生物在發酵中扮演著各自的角色。深入了解發酵背后的生物奧秘，有助于認識微生物如何在缺氧的環境下獲取能量，并巧妙地將它轉化為我們熟悉的產物。

發酵的基本原理：微生物的 “魔法”

發酵是指人們利用微生物，在適宜條件下，將原料通過微生物的代謝轉化為人類所需要的產物。在無氧條件下，酵母菌、乳酸菌等微生物經過糖酵解途徑將葡萄糖分解為丙酮酸，同時產生少量ATP以維持生長。酵母菌在丙酮酸脫羧酶的催化下，將丙酮酸轉化為乙醛，再經醇脫氫酶作用生成乙醇；乳酸菌則利用乳酸脫氫酶直接將丙酮酸還原為乳酸。此過程產生的特定代謝產物賦予發酵產物獨特的風味。發酵過程既依賴于酶促反應的協同效應，也受到NAD/NADH比值調控，以維持胞內氧化還原平衡。

二、發酵中的糖類轉化：微生物的“能量加油站”

在傳統發酵過程中，糖類轉化是微生物獲取能量的關鍵步驟。微生物通過糖酵解途徑將葡萄糖分解為丙酮酸，此過程中生成的ATP作為能量直接供給細胞活動。丙酮酸隨后進入無氧呼吸路徑，酵母菌等微生物將其轉化為乙醇和二氧化碳，乳酸菌則將丙酮酸還原為乳酸。整個無氧呼吸過程不依賴氧氣，這使得微生物能在缺氧環境中繼續進行代謝。糖類轉化的效率與微生物的酶系活性密切相關，糖酵解過程中的關鍵酶通過一系列催化反應，加速ATP的生成，進而推動發酵過程。當發酵產物累積時，細胞內滲透壓變化會影響酶的活性，微生物為適應此變化可適當調節糖類分解速率，使能量供給和產物輸出保持相對穩定。

三、環境對發酵的影響：微生物的“生活條件”

發酵過程中，溫度、pH值和氧氣水平等環境條件，對微生物的代謝速率和發酵產物的生成具有重要的調控作用。溫度的變化直接影響酶活性，進而改變微生物的代謝途徑。在最適溫度范圍內，酶促反應速率達到峰值，發酵效率最高，溫度偏離適宜范圍則酶活性下降，導致代謝緩慢甚至停滯。pH值影響發酵液的離子濃度和酶的構象，從而調節微生物的代謝平衡。例如，乳酸菌在偏酸性環境下代謝活躍，適合生成乳酸 C₃H₆O₃ ，反應如下：

C₆H₁₂O₆2C₃H₆O₃+2ATP

醋酸菌則在偏堿性環境中更具活性，傾向于生成醋酸 CH₃COOH 。氧氣的存在與否決定了代謝過程是有氧呼吸還是無氧發酵，無氧環境下微生物進行無氧呼吸，通過糖酵解產生少量ATP，并釋放出乳酸和乙醇 C₂H₃OH 等特定代謝產物。酵母菌在酒精發酵過程中，將葡萄糖轉化為乙醇和二氧化碳，其反應式為：

在低氧或富氧條件下，微生物更傾向于有氧呼吸，生成二氧化碳和水，其反應式為：

四、發酵的實驗觀察：探索發酵機制

在本實驗中，以“果酒和果醋的制作”實驗為例，深入探討發酵過程中微生物的代謝特點。

1.實驗材料

新鮮水果1kg，如葡萄、橘子等； 75% 消毒酒精；飽和重鉻酸鉀溶液；3mol/L的硫酸 H₂SO₄ ；清水。

2.實驗用具

發酵瓶、試管、紗布、榨汁機、顯微鏡、pH值試紙、滴管、載玻片、蓋玻片、玻璃棒、恒溫培養箱（或在適宜的室溫環境下操作）醋酸菌或醋曲。其中，裝置示意圖（見下圖）中各組件作用如下：充氣口在果酒制作過程中關閉，在果醋制作過程中打開，確保相應的無氧或有氧發酵條件；排氣孔用于果酒制作時排出二氧化碳，防止氣壓過高；出料口則用于取樣檢測，如檢測發酵進程及產物質量。

3.實驗步驟

（1）果酒的制作步驟① 使用清水清洗實驗器具，并用 75% 的酒精進行消毒，待完全干燥后備用。② 將準備好的葡萄洗凈并去除枝梗、果皮和果籽，或橘子去皮去籽，備用。③ 用榨汁機將葡萄（或橘子）壓榨出果汁。④ 將果汁倒入發酵容器中，蓋上蓋子，確保果汁量不超過容器體積的三分之二。⑤ 將發酵容器放置在 18～25^°C 的溫度下，發酵約10天。期間每天擰松瓶蓋2次以釋放氣體。⑥ 經過10天后，取樣并檢測酒精含量，同時觀察氣味和果酒的外觀。⑦ 在顯微鏡下觀察酵母菌，比較發酵前后的菌體數量。（2）果醋的制作步驟① 將發酵好的果酒倒入廣口瓶中。② 加入醋酸桿菌菌種，促進醋酸發酵。③ 用紗布覆蓋瓶口，保持通氣。④ 將容器置于 30～35^°C 的環境中發酵1～3周，期間可檢測酸度變化并記錄。

4.實驗結果

在果酒發酵過程中，酵母菌通過無氧呼吸將葡萄糖和果糖轉化為乙醇和二氧化碳，生成帶有醇香的果酒，液體略顯渾濁且顏色變深。顯微鏡下可見酵母菌數量減少，揭示了其在無氧條件下利用糖類生成酒精的代謝過程。完成果酒發酵后，加入醋酸菌，在有氧環境下進行二次發酵，將乙醇氧化為醋酸，產生果醋的酸味，液體呈淡琥珀色，pH值降至 3～4 。此過程揭示了醋酸菌將乙醇轉化為醋酸的生物學機制。

傳統發酵技術揭示了微生物在無氧條件下的代謝機制，此過程中酒精發酵和乳酸發酵等途徑貫穿始終，展現了酶促反應與細胞代謝的協同作用。