發(fā)酵（生物體對(duì)有機(jī)物的某種分解過(guò)程）
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發(fā)酵
生物體對(duì)有機(jī)物的某種分解過(guò)程
發(fā)酵指人們借助微生物在有氧或無(wú)氧條件下的生命活動(dòng)來(lái)制備微生物菌體本身、或者直接代謝產(chǎn)物或次級(jí)代謝產(chǎn)物的過(guò)程。發(fā)酵有時(shí)也寫(xiě)作酦酵，其定義由使用場(chǎng)合的不同而不同。通常所說(shuō)的發(fā)酵，多是指生物體對(duì)于有機(jī)物的某種分解過(guò)程。發(fā)酵是人類(lèi)較早接觸的一種生物化學(xué)反應(yīng)，如今在食品工業(yè)、生物和化學(xué)工業(yè)中均有廣泛應(yīng)用。其也是生物工程的基本過(guò)程，即發(fā)酵工程。對(duì)于其機(jī)理以及過(guò)程控制的研究，還在繼續(xù)。
基本信息
| 中文名 | 發(fā)酵 |
| 別名 | 酦酵 |
| 外文名 | fermentation |
| 拼音 | fā jiào |
| 定義 | 生物體對(duì)于有機(jī)物的某種分解過(guò)程 |
| 應(yīng)用 | 食品工業(yè)、生物和化學(xué)工業(yè) |
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引證解釋
1.指在無(wú)氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]未經(jīng)呼吸鏈傳遞而直接交某一內(nèi)源性中間代謝物接受，以實(shí)現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類(lèi)生物氧化反應(yīng)。
2.喻事物受外力影響發(fā)生某種發(fā)展變化。
名稱(chēng)來(lái)源
沸騰現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。在生物化學(xué)中把酵母的無(wú)氧呼吸過(guò)程稱(chēng)作發(fā)酵。我們所指的發(fā)酵早已賦予了不同的含義。發(fā)酵是生命體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)和生理變化，是多種多樣的生物化學(xué)反應(yīng)根據(jù)生命體本身所具有的遺傳信息去不斷分解合成，以取得能量來(lái)維持生命活動(dòng)的過(guò)程。發(fā)酵產(chǎn)物是指在反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中或反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的能夠調(diào)節(jié)代謝使之達(dá)到平衡的物質(zhì)。實(shí)際上，發(fā)酵也是呼吸作用的一種，只不過(guò)通常的呼吸作用是指有氧呼吸，其最終結(jié)果是生成CO2和水，而發(fā)酵過(guò)程則是一種無(wú)氧呼吸的過(guò)程，其最終結(jié)果是產(chǎn)生酒精、二氧化碳以及其它代謝的產(chǎn)物。
發(fā)酵
因而，現(xiàn)代發(fā)酵的定義應(yīng)該是：通過(guò)對(duì)微生物（或動(dòng)植物細(xì)胞）進(jìn)行大規(guī)模的生長(zhǎng)培養(yǎng)，使之發(fā)生化學(xué)變化和生理變化，從而產(chǎn)生和積累大量人們發(fā)酵所需要的代謝產(chǎn)物的過(guò)程。
簡(jiǎn)介
“發(fā)酵”原來(lái)指的是輕度發(fā)泡或沸騰狀態(tài)。發(fā)酵現(xiàn)象早已被人們所認(rèn)識(shí)，但了解它的本質(zhì)卻是近200年來(lái)的事。英語(yǔ)中發(fā)酵一詞fermentation是從拉丁語(yǔ)fervere派生而來(lái)的，原意為“翻騰”，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時(shí)的現(xiàn)象?，F(xiàn)在發(fā)酵技術(shù)已發(fā)展成為一門(mén)工程學(xué)科和獨(dú)立的工業(yè)，涵蓋了食品發(fā)酵（如酸奶、干酪、面包、醬腌菜、豆豉、腐乳、發(fā)酵魚(yú)肉等）釀造（如啤酒、白酒、黃酒、葡萄酒等飲料酒以及醬油、醬、醋等釀造調(diào)味品等）、近代的發(fā)酵工業(yè)（如酒精、乳酸、丙酮、丁醇等）等。
發(fā)酵
食品發(fā)酵類(lèi)型眾多，若不加以控制，就會(huì)導(dǎo)致食品腐敗變質(zhì)?？刂剖称钒l(fā)酵過(guò)程的主要因素有酸度、酒精含量、菌種的使用、溫度、通氧量和加鹽量等。這些因素同時(shí)還決定著發(fā)酵食品后期貯藏中的微生物生長(zhǎng)的類(lèi)型。
定義
復(fù)雜的有機(jī)化合物在微生物的作用下分解成比較簡(jiǎn)單的物質(zhì)。發(fā)面、釀酒等都是發(fā)酵的應(yīng)用。也作酦酵。
漢詞“發(fā)酵”作為名詞表示一個(gè)過(guò)程，作為動(dòng)詞表示一種行動(dòng)。
（1）微生物生理學(xué)嚴(yán)格定義的“發(fā)酵”：
微生物生理學(xué)把生物氧化區(qū)分為呼吸和發(fā)酵，呼吸又可進(jìn)一步區(qū)分為有氧呼吸和無(wú)氧呼吸。因此，發(fā)酵是生物氧化的一種方式。
發(fā)酵是這樣一種生物氧化方式：在沒(méi)有外源最終電子受體的條件下，化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞對(duì)能源有機(jī)化合物的氧化與內(nèi)源的（已經(jīng)經(jīng)過(guò)該細(xì)胞代謝的）有機(jī)化合物的還原相耦合，一般并不發(fā)生經(jīng)包含細(xì)胞色素等的電子傳遞鏈上的電子傳遞和電子傳遞磷酸化，而是通過(guò)底物（激酶的底物）水平磷酸化來(lái)獲得代謝能ATP；能源有機(jī)化合物釋放的電子的一級(jí)電子載體NAD，以NADH的形式直接將電子交給內(nèi)源的有機(jī)電子受體而再生成NAD，同時(shí)將后者還原成發(fā)酵產(chǎn)物（不完全氧化的產(chǎn)物）。
發(fā)酵
細(xì)胞中的NAD是有限的，如果作為一級(jí)電子載體的輔酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的電子載體就會(huì)愈來(lái)愈少，脫氫反應(yīng)就不能持續(xù)進(jìn)行下去了。因此輔酶NAD的再生是生物氧化（包括發(fā)酵）繼續(xù)進(jìn)行下去的必要條件。
（2）工業(yè)生產(chǎn)上定義的發(fā)酵——“工業(yè)發(fā)酵”
工業(yè)生產(chǎn)上籠統(tǒng)地把一切依靠微生物的生命活動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的工業(yè)生產(chǎn)均稱(chēng)為“發(fā)酵”。這樣定義的發(fā)酵就是“工業(yè)發(fā)酵”。工業(yè)發(fā)酵要依靠微生物的生命活動(dòng)，生命活動(dòng)依靠生物氧化提供的代謝能來(lái)支撐，因此工業(yè)發(fā)酵應(yīng)該覆蓋微生物生理學(xué)中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵。
近百年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)酵技術(shù)發(fā)生了劃時(shí)代的變革，已經(jīng)從利用自然界中原有的微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)的階段進(jìn)入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生產(chǎn)人類(lèi)所需要的發(fā)酵產(chǎn)品的新階段。
（3）專(zhuān)業(yè)詞匯“發(fā)酵（fermentation）”
“發(fā)酵”這個(gè)詞匯在生活中往往是人聯(lián)想到發(fā)面制作大餅、油條、饅頭、包子，或者聯(lián)想到食品酸敗物品霉?fàn)€。
“發(fā)酵”作為專(zhuān)業(yè)詞匯其含義不但覆蓋發(fā)面制作大餅、油條、饅頭、包子，更重要的是指用發(fā)酵的手段工業(yè)化生產(chǎn)酒及酒精飲料、食品及食品添加劑、飼料及飼料添加劑、藥品、化工材料等等。
特點(diǎn)
發(fā)酵和其他化學(xué)工業(yè)的最大區(qū)別在于它是生物體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。其主要特點(diǎn)如下：
1，發(fā)酵過(guò)程一般來(lái)說(shuō)都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡(jiǎn)單。
2，發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無(wú)機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。微生物因不同的類(lèi)別可以有選擇地去利用它所需要的營(yíng)養(yǎng)?；谶@一特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。
發(fā)酵
3，發(fā)酵過(guò)程是通過(guò)生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)完成的，反應(yīng)的專(zhuān)一性強(qiáng)，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。
4，由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。
5，一般情況下，發(fā)酵過(guò)程中需要特別控制雜菌的產(chǎn)生。通常控制雜菌的方法是對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格消毒處理，對(duì)空氣加熱滅菌操作以及盡可能的采用自動(dòng)化的方式進(jìn)行發(fā)酵。通常，如果發(fā)酵過(guò)程中污染了雜菌或者噬菌體，會(huì)影響發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行，導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量減少，嚴(yán)重的，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)發(fā)酵過(guò)程失敗，發(fā)酵產(chǎn)品被要求全部倒掉。
6，微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過(guò)變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，甚至可以獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。
發(fā)酵
7，工業(yè)發(fā)酵與普通發(fā)酵相比，對(duì)于發(fā)酵過(guò)程的控制更為嚴(yán)格，對(duì)發(fā)酵技術(shù)要求更為成熟，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
基于以上特點(diǎn)，工業(yè)發(fā)酵日益引起人們重視。和傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝相比，現(xiàn)代發(fā)酵工程除了上述的發(fā)酵特征之外更有其優(yōu)越性。除了使用微生物外，還可以用動(dòng)植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的“工程菌”來(lái)進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)設(shè)備也不只是常規(guī)的發(fā)酵罐，而是以各種各樣的生物反應(yīng)器而代之，自動(dòng)化連續(xù)化程度高，使發(fā)酵水平在原有基礎(chǔ)上有所提高和和創(chuàng)新。
反應(yīng)
類(lèi)型
根據(jù)發(fā)酵的特點(diǎn)和微生物對(duì)氧的不同需要，可以將發(fā)酵分成若干類(lèi)型：
3，按發(fā)酵形式來(lái)區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和液體深層發(fā)酵。
5，按發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧的不同需求來(lái)分，一般可分為：厭氧發(fā)酵和通風(fēng)發(fā)酵兩大類(lèi)型。
發(fā)酵工程在生物工程中的位置
生物工程主要包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和發(fā)酵工程等5個(gè)部分；
基因工程和細(xì)胞工程的研究結(jié)果，大多需要通過(guò)發(fā)酵工程和酶工程來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?；蚬こ獭⒓?xì)胞工程和發(fā)酵工程中所需要的酶，往往是通過(guò)酶工程來(lái)獲得；酶工程中酶的生產(chǎn)，一般要通過(guò)微生物發(fā)酵的方法來(lái)進(jìn)行。由此可見(jiàn)，生物工程各個(gè)分支之間存在著交叉滲透的現(xiàn)象。
生物工程 | 主要操作對(duì)象 | 工程目的 | 與其它工程的關(guān)系 |
基因工程 | 基因及動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞、微生物 | 改造物種 | 通過(guò)細(xì)胞工程、發(fā)酵工程使目的基因得以表達(dá) |
細(xì)胞工程 | 動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞、微生物細(xì)胞 | 改造物種 | 可以為發(fā)酵工程提供菌種、使基因工程得以實(shí)現(xiàn) |
發(fā)酵工程 | 微生物 | 獲得菌體及各種代謝產(chǎn)物 | 為酶工程提供酶的來(lái)源 |
酶工程 | 微生物 | 獲得酶制劑或固定化酶 | 為其它生物工程提供酶制劑 |
過(guò)程
對(duì)于任何發(fā)酵類(lèi)型（除一些轉(zhuǎn)化過(guò)程外），一個(gè)確定的發(fā)酵過(guò)程由6個(gè)部分組成：
②培養(yǎng)基、發(fā)酵罐和輔助設(shè)備的滅菌；
③大規(guī)模的有活性、純種的種子培養(yǎng)物的生產(chǎn)；
④發(fā)酵罐中微生物最優(yōu)的生長(zhǎng)條件下產(chǎn)物的大規(guī)模生產(chǎn)；
⑤產(chǎn)物的提取、純化；
⑥發(fā)酵廢液的處理。
因此，有必要不斷進(jìn)行研究以逐步提高整個(gè)發(fā)酵過(guò)程的效率。如在一個(gè)發(fā)酵過(guò)程建立之前，生產(chǎn)菌株必須分離出來(lái)，通過(guò)改造使其合成日標(biāo)產(chǎn)物，并且其產(chǎn)量應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值；應(yīng)確定微生物在培養(yǎng)上的需求，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的沒(méi)備；同時(shí)必須確定產(chǎn)品的分離提取方法。
此外，整個(gè)研究計(jì)劃也應(yīng)包括在發(fā)酵過(guò)程中不斷地優(yōu)化微生物菌種、培養(yǎng)基和提取方法。
應(yīng)用
固態(tài)發(fā)酵
傳統(tǒng)上人們利用固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)面包、麥芽、酒曲、酒精飲料、醬油、豆豉、蘑菇等食品或生產(chǎn)中間原料。近代研究發(fā)現(xiàn)利用固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的一些食品中含有生理活性物質(zhì)，表明了固態(tài)發(fā)酵在生產(chǎn)這些食品及食品添加劑上有優(yōu)勢(shì)。隨著能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)以其特有的優(yōu)點(diǎn)引起人們極大的興趣。人們?cè)诠虘B(tài)發(fā)酵領(lǐng)域的研究及其在資源環(huán)境、蛋白質(zhì)飼料中的應(yīng)用取得了較大進(jìn)展，主要表現(xiàn)在生物飼料、生物燃料、生物農(nóng)藥、生物轉(zhuǎn)化、生物解毒及生物修復(fù)等方面的成功開(kāi)發(fā)應(yīng)用，為固態(tài)發(fā)酵的不斷發(fā)展提供了強(qiáng)有力支持，為傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大提供了廣闊的應(yīng)用前景。另外，中藥固態(tài)發(fā)酵，在保持中藥原來(lái)藥效，降低毒性反應(yīng)的作用巨大。
生產(chǎn)葡萄酒
（1）破碎和去梗
破碎：使果肉和果汁分離。
（2）酒精發(fā)酵和浸漬
葡萄破碎去梗后，被輸送到發(fā)酵容器中進(jìn)行發(fā)酵，酵母可以由葡萄自身原有的，也可以是人工添加的，發(fā)酵過(guò)程持續(xù)4~10天，葡萄皮中的單寧和色素就滲入葡萄汁里。
單寧和色素的撮過(guò)程就稱(chēng)為浸漬。浸漬時(shí)間從數(shù)日到數(shù)周不等。酵造單寧含量低、較柔順的“新酒”，浸漬時(shí)間會(huì)很短；釀造可長(zhǎng)期收藏的紅酒時(shí)，由于需要足夠的單寧，浸漬的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。
（3）更換容器和壓榨皮渣
更換容器是為了將皮渣從葡萄原酒中分離，結(jié)束浸漬過(guò)程。皮渣移出容器后，再經(jīng)壓榨出酒。從皮渣中壓榨出的葡萄酒顏色較深，單寧含量也較高，味苦澀。
（4）乳酸發(fā)酵
在紅葡萄酒釀造過(guò)程中，通常會(huì)進(jìn)行稱(chēng)為乳酸發(fā)酵的副發(fā)酵。副發(fā)酵是利用乳酸菌把酒中酸澀的蘋(píng)果酸變成較柔順且穩(wěn)定的乳酸。
生產(chǎn)味精
制作酵素
一是生產(chǎn)酵素菌。酵素菌是從自然界中分分離純化獲得的有益微生物，將其組合發(fā)酵形成，包括細(xì)菌、酵素菌、絲狀菌三大類(lèi)二十余種能產(chǎn)生流活性分解酶的微生物群體組成的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和人體保健食品行業(yè)。
二是制作食用酵素。食用酵素（酶，enzyme）根據(jù)原料的多寡，又可分為綜合酵素和專(zhuān)一酵素。
綜合酵素，特別是植物綜合酵素（植物復(fù)合酶），一般是指用幾十種甚至上百種蔬果經(jīng)發(fā)酵制備的酵素產(chǎn)品，針對(duì)性弱，藉在強(qiáng)調(diào)對(duì)人體的綜合調(diào)理作用。
專(zhuān)一酵素，是指針對(duì)某些特定功效作用，或出于某些特定因素，而選用一種或兩種原料（一般不超過(guò)三種），經(jīng)發(fā)酵制備而成的酵素產(chǎn)品。如，諾麗酵素，原料只有有機(jī)諾麗和有機(jī)青梅，旨在針對(duì)女性排毒、通便、祛痘（光潔皮膚）。
處理垃圾
BTA工藝流程可廣泛應(yīng)用于處理生活垃圾、商業(yè)垃圾、農(nóng)業(yè)垃圾及城市固體垃圾中的可降解生物垃圾（Biowaste）（垃圾中的有機(jī)物部份）。通過(guò)BTA工藝流程可將垃圾轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的生物燃?xì)猓˙iogas）和有機(jī)肥（Compost），生物燃?xì)庥挚砂l(fā)電并產(chǎn)出熱能。用BTA工藝流程進(jìn)行垃圾處理時(shí)，所用的水基本都是在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的循環(huán)水，多余的水可直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉或進(jìn)行進(jìn)一步的污水清潔處理。
較為常用的是BTA單級(jí)發(fā)酵系統(tǒng)。垃圾漿料的發(fā)酵在混合發(fā)酵反應(yīng)罐中一次完成?？紤]到投資與運(yùn)行的成本，現(xiàn)有的發(fā)酵設(shè)備（如污水處理廠、農(nóng)業(yè)沼氣廠的發(fā)酵罐）都可以直接改造利用這一工藝。BTA單級(jí)發(fā)酵系統(tǒng)完全可應(yīng)用于現(xiàn)有的垃圾處理工廠擴(kuò)大產(chǎn)量，如果要進(jìn)行餐廚垃圾的處理還有必要再增加一些BTA殺菌消毒設(shè)施。
還有一種BTA多級(jí)發(fā)酵系統(tǒng)，大多用于年處理量超過(guò)5萬(wàn)噸的工廠。在BTA多級(jí)發(fā)酵系統(tǒng)中垃圾漿料通過(guò)脫水分離成固態(tài)物質(zhì)和液相物質(zhì)。液相中包含可溶解的有機(jī)成份，可以直接泵入?yún)捬醢l(fā)酵罐（甲烷反應(yīng)器）中。經(jīng)過(guò)脫水后的固體渣料中由于仍然包含有未溶解的有機(jī)成份，可再一次將其與水混合打進(jìn)水解反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)約4天后對(duì)這些懸浮液再次脫水，然后將液體部分注入到發(fā)酵罐（甲烷反應(yīng)器）中。通過(guò)在不同反應(yīng)器（酸化、水解和甲烷）中的降解過(guò)程，BTA多級(jí)發(fā)酵系統(tǒng)為微生物創(chuàng)造最理想的生長(zhǎng)條件，加快了生物的降解速度，只需要幾天時(shí)間就使60%—80%的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成甲烷氣體。
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