引入
为什么同样是用酵母，做面包要让它产气，酿酒却要让它产酒精？
为什么发酵要控制温度，温度高了反而变酸？
空气蛋白质是什么，为什么能“从空气里造食物”？
发酵是利用微生物的代谢，把原料转化为目标产物的过程。它既是传统食品工艺的基础，也是现代生物制造的核心手段。
正文
定义
发酵是微生物在特定条件下通过自身代谢分解有机物、产生代谢产物或菌体本身的过程。广义上包括任何利用微生物的工业生产。
发酵的类型
| 类型 | 产物 | 代表 |
|---|---|---|
| 酒精发酵 | 乙醇、 | 酿酒、面包 |
| 乳酸发酵 | 乳酸 | 酸奶、泡菜 |
| 醋酸发酵 | 醋酸 | 食醋 |
| 氨基酸发酵 | 谷氨酸等 | 味精 |
| 抗生素发酵 | 青霉素等 | 制药 |
| 单细胞蛋白 | 菌体本身 | 饲料、食品 |
常见微生物与条件
| 微生物 | 发酵类型 | 条件 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 酵母菌 | 酒精发酵（兼性厌氧） | 无氧、 | 酿酒、面包 |
| 乳酸菌 | 乳酸发酵（厌氧） | 无氧、适宜温度 | 酸奶、泡菜 |
| 醋酸菌 | 醋酸发酵（好氧） | 有氧、 | 食醋 |
| 谷氨酸棒状杆菌 | 氨基酸发酵（好氧） | 有氧、控制溶氧 | 味精 |
酵母菌是兼性厌氧的：有氧时进行有氧呼吸，大量繁殖；无氧时进行酒精发酵。这就是为什么发面要先通气让酵母繁殖，再静置让它产气。
醋酸菌是严格好氧的，所以酿醋必须通气。这与酿酒要密封形成对比——同样是发酵，对氧的需求完全相反。
发酵工程的基本流程
菌种选育 → 培养基配制 → 灭菌 → 接种
↓
发酵罐培养（控温、控pH、控溶氧）
↓
产物提取与纯化
↓
成品| 环节 | 关键点 |
|---|---|
| 菌种 | 高产、稳定、抗污染 |
| 培养基 | 碳源、氮源、无机盐、水 |
| 灭菌 | 防止杂菌污染，设备和培养基都要灭菌 |
| 接种 | 无菌操作 |
| 发酵控制 | 温度、pH、溶氧、搅拌 |
| 提取纯化 | 过滤、离心、层析、结晶 |
灭菌与消毒的区别：
| 项目 | 灭菌 | 消毒 |
|---|---|---|
| 目标 | 杀死所有微生物包括芽孢 | 杀死病原微生物 |
| 方法 | 高压蒸汽、干热、过滤 | 煮沸、紫外、酒精 |
| 应用 | 培养基、发酵设备 | 表面、皮肤、器具 |
影响发酵的因素
| 因素 | 影响 | 控制方式 |
|---|---|---|
| 温度 | 影响酶活性和代谢方向 | 冷却水、夹套控温 |
| pH | 影响酶活性和产物积累 | 加酸/碱或缓冲 |
| 溶氧 | 好氧发酵的关键限制因素 | 通气、搅拌 |
| 营养 | 碳氮比影响产物类型 | 分段补料 |
| 杂菌 | 竞争营养、产生毒素 | 严格灭菌、无菌操作 |
温度过高为什么会变酸？ 乳酸菌耐受温度高于部分酵母，温度失控时酵母活性受抑，乳酸菌大量繁殖，产物从酒精转为乳酸。这是传统酿酒“发酸”的常见原因。
现代发酵工业
| 产品 | 微生物 | 说明 |
|---|---|---|
| 青霉素 | 青霉菌 | 第一个大规模生产的抗生素 |
| 味精 | 谷氨酸棒状杆菌 | 谷氨酸钠的生产 |
| 柠檬酸 | 黑曲霉 | 食品添加剂 |
| 胰岛素 | 基因工程大肠杆菌 | 重组蛋白药物 |
| 单细胞蛋白 | 多种微生物 | 饲料蛋白 |
空气蛋白质是近年发展的方向：利用氢氧化细菌以氢气、二氧化碳和氮源合成蛋白质，不依赖耕地和光合作用。这类技术的意义在于把“碳源”和“能源”从农业中解耦，但目前成本仍高于传统蛋白。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “发酵一定需要无氧” | 醋酸发酵、氨基酸发酵需要氧气 |
| “发酵就是腐烂” | 有益发酵是可控的特定代谢 |
| “温度越高发酵越快” | 超过最适温度酶失活、杂菌繁殖 |
| “灭菌和消毒是一回事” | 灭菌要求更高，需杀死芽孢 |
引出
为什么酵母菌在有氧和无氧条件下产物完全不同？
发酵罐中如何同时控制溶氧和搅拌速度？
基因工程菌在发酵中如何防止质粒丢失？