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發(fā)酵
生物體對有機物的某種分解過程
發(fā)酵指人們借助微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物菌體本身、或者直接代謝產(chǎn)物或次級代謝產(chǎn)物的過程。發(fā)酵有時也寫作酦酵，其定義由使用場合的不同而不同。通常所說的發(fā)酵，多是指生物體對于有機物的某種分解過程。發(fā)酵是人類較早接觸的一種生物化學反應，如今在食品工業(yè)、生物和化學工業(yè)中均有廣泛應用。其也是生物工程的基本過程，即發(fā)酵工程。對于其機理以及過程控制的研究，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 | 生物體對于有機物的某種分解過程 |
| 應用 | 食品工業(yè)、生物和化學工業(yè) |
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引證解釋
名稱來源
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。在生物化學中把酵母的無氧呼吸過程稱作發(fā)酵。我們所指的發(fā)酵早已賦予了不同的含義。發(fā)酵是生命體所進行的化學反應和生理變化，是多種多樣的生物化學反應根據(jù)生命體本身所具有的遺傳信息去不斷分解合成，以取得能量來維持生命活動的過程。發(fā)酵產(chǎn)物是指在反應過程當中或反應到達終點時所產(chǎn)生的能夠調(diào)節(jié)代謝使之達到平衡的物質(zhì)。實際上，發(fā)酵也是呼吸作用的一種，只不過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)酵過程則是一種無氧呼吸的過程，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)酵的定義應該是：通過對微生物（或動植物細胞）進行大規(guī)模的生長培養(yǎng)，使之發(fā)生化學變化和生理變化，從而產(chǎn)生和積累大量人們發(fā)酵所需要的代謝產(chǎn)物的過程。
簡介
“發(fā)酵”原來指的是輕度發(fā)泡或沸騰狀態(tài)。發(fā)酵現(xiàn)象早已被人們所認識，但了解它的本質(zhì)卻是近200年來的事。英語中發(fā)酵一詞fermentation是從拉丁語fervere派生而來的，原意為“翻騰”，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時的現(xiàn)象?，F(xiàn)在發(fā)酵技術(shù)已發(fā)展成為一門工程學科和獨立的工業(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)酵類型眾多，若不加以控制，就會導致食品腐敗變質(zhì)?？刂剖称钒l(fā)酵過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。這些因素同時還決定著發(fā)酵食品后期貯藏中的微生物生長的類型。
定義
復雜的有機化合物在微生物的作用下分解成比較簡單的物質(zhì)。發(fā)面、釀酒等都是發(fā)酵的應用。也作酦酵。
漢詞“發(fā)酵”作為名詞表示一個過程，作為動詞表示一種行動。
（1）微生物生理學嚴格定義的“發(fā)酵”：
微生物生理學把生物氧化區(qū)分為呼吸和發(fā)酵，呼吸又可進一步區(qū)分為有氧呼吸和無氧呼吸。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：在沒有外源最終電子受體的條件下，化能異養(yǎng)型微生物細胞對能源有機化合物的氧化與內(nèi)源的（已經(jīng)經(jīng)過該細胞代謝的）有機化合物的還原相耦合，一般并不發(fā)生經(jīng)包含細胞色素等的電子傳遞鏈上的電子傳遞和電子傳遞磷酸化，而是通過底物（激酶的底物）水平磷酸化來獲得代謝能ATP；能源有機化合物釋放的電子的一級電子載體NAD，以NADH的形式直接將電子交給內(nèi)源的有機電子受體而再生成NAD，同時將后者還原成發(fā)酵產(chǎn)物（不完全氧化的產(chǎn)物）。
發(fā)酵
細胞中的NAD是有限的，如果作為一級電子載體的輔酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的電子載體就會愈來愈少，脫氫反應就不能持續(xù)進行下去了。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而實現(xiàn)的工業(yè)生產(chǎn)均稱為“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，生命活動依靠生物氧化提供的代謝能來支撐，因此工業(yè)發(fā)酵應該覆蓋微生物生理學中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵。
近百年來，隨著科學技術(shù)的進步，發(fā)酵技術(shù)發(fā)生了劃時代的變革，已經(jīng)從利用自然界中原有的微生物進行發(fā)酵生產(chǎn)的階段進入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生產(chǎn)人類所需要的發(fā)酵產(chǎn)品的新階段。
（3）專業(yè)詞匯“發(fā)酵（fermentation）”
“發(fā)酵”這個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爛。
“發(fā)酵”作為專業(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
發(fā)酵和其他化學工業(yè)的最大區(qū)別在于它是生物體所進行的化學反應。其主要特點如下：
1，發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進行的生物化學反應，反應安全，要求條件也比較簡單。
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和無機氮源就可進行反應。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營養(yǎng)?；谶@一特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進行生物資源的改造和更新。
發(fā)酵
3，發(fā)酵過程是通過生物體的自動調(diào)節(jié)方式來完成的，反應的專一性強，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機制，能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某些較為復雜的化合物進行特定部位地氧化、還原等化學轉(zhuǎn)化反應，也可以產(chǎn)生比較復雜的高分子化合物。
5，一般情況下，發(fā)酵過程中需要特別控制雜菌的產(chǎn)生。通?？刂齐s菌的方法是對設備進行嚴格消毒處理，對空氣加熱滅菌操作以及盡可能的采用自動化的方式進行發(fā)酵。通常，如果發(fā)酵過程中污染了雜菌或者噬菌體，會影響發(fā)酵過程的進行，導致發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量減少，嚴重的，甚至會導致整個發(fā)酵過程失敗，發(fā)酵產(chǎn)品被要求全部倒掉。
6，微生物菌種是進行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種篩選，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，對于發(fā)酵過程的控制更為嚴格，對發(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)。
反應
類型
根據(jù)發(fā)酵的特點和微生物對氧的不同需要，可以將發(fā)酵分成若干類型：
3，按發(fā)酵形式來區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和液體深層發(fā)酵。
5，按發(fā)酵過程中對氧的不同需求來分，一般可分為：厭氧發(fā)酵和通風發(fā)酵兩大類型。
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、細胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和發(fā)酵工程等5個部分；
基因工程和細胞工程的研究結(jié)果，大多需要通過發(fā)酵工程和酶工程來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。基因工程、細胞工程和發(fā)酵工程中所需要的酶，往往是通過酶工程來獲得；酶工程中酶的生產(chǎn)，一般要通過微生物發(fā)酵的方法來進行。由此可見，生物工程各個分支之間存在著交叉滲透的現(xiàn)象。
生物工程 | 主要操作對象 | 工程目的 | 與其它工程的關(guān)系 |
基因工程 | 基因及動物細胞、植物細胞、微生物 | 改造物種 | 通過細胞工程、發(fā)酵工程使目的基因得以表達 |
細胞工程 | 動物細胞、植物細胞、微生物細胞 | 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 |
過程
對于任何發(fā)酵類型（除一些轉(zhuǎn)化過程外），一個確定的發(fā)酵過程由6個部分組成：
②培養(yǎng)基、發(fā)酵罐和輔助設備的滅菌；
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，有必要不斷進行研究以逐步提高整個發(fā)酵過程的效率。如在一個發(fā)酵過程建立之前，生產(chǎn)菌株必須分離出來，通過改造使其合成日標產(chǎn)物，并且其產(chǎn)量應具有經(jīng)濟價值；應確定微生物在培養(yǎng)上的需求，并設計相應的沒備；同時必須確定產(chǎn)品的分離提取方法。
此外，整個研究計劃也應包括在發(fā)酵過程中不斷地優(yōu)化微生物菌種、培養(yǎng)基和提取方法。
應用
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。隨著能源危機與環(huán)境問題的日益嚴重，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)以其特有的優(yōu)點引起人們極大的興趣。人們在固態(tài)發(fā)酵領(lǐng)域的研究及其在資源環(huán)境、蛋白質(zhì)飼料中的應用取得了較大進展，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等方面的成功開發(fā)應用，為固態(tài)發(fā)酵的不斷發(fā)展提供了強有力支持，為傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)揚光大提供了廣闊的應用前景。另外，中藥固態(tài)發(fā)酵，在保持中藥原來藥效，降低毒性反應的作用巨大。
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。
單寧和色素的撮過程就稱為浸漬。浸漬時間從數(shù)日到數(shù)周不等。酵造單寧含量低、較柔順的“新酒”，浸漬時間會很短；釀造可長期收藏的紅酒時，由于需要足夠的單寧，浸漬的時間會很長。
（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
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，包括細菌、酵素菌、絲狀菌三大類二十余種能產(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一酵素。
綜合酵素，特別是植物綜合酵素（植物復合酶），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，針對性弱，藉在強調(diào)對人體的綜合調(diào)理作用。
專一酵素，是指針對某些特定功效作用，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，原料只有有機諾麗和有機青梅，旨在針對女性排毒、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）（垃圾中的有機物部份）。通過BTA工藝流程可將垃圾轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的生物燃氣（Biogas）和有機肥（Compost），生物燃氣又可發(fā)電并產(chǎn)出熱能。用BTA工藝流程進行垃圾處理時，所用的水基本都是在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的循環(huán)水，多余的水可直接應用于農(nóng)業(yè)灌溉或進行進一步的污水清潔處理。
較為常用的是BTA單級發(fā)酵系統(tǒng)。垃圾漿料的發(fā)酵在混合發(fā)酵反應罐中一次完成?？紤]到投資與運行的成本，現(xiàn)有的發(fā)酵設備（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單級發(fā)酵系統(tǒng)完全可應用于現(xiàn)有的垃圾處理工廠擴大產(chǎn)量，如果要進行餐廚垃圾的處理還有必要再增加一些BTA殺菌消毒設施。
還有一種BTA多級發(fā)酵系統(tǒng)，大多用于年處理量超過5萬噸的工廠。在BTA多級發(fā)酵系統(tǒng)中垃圾漿料通過脫水分離成固態(tài)物質(zhì)和液相物質(zhì)。液相中包含可溶解的有機成份，可以直接泵入?yún)捬醢l(fā)酵罐（甲烷反應器）中。經(jīng)過脫水后的固體渣料中由于仍然包含有未溶解的有機成份，可再一次將其與水混合打進水解反應器，經(jīng)過約4天后對這些懸浮液再次脫水，然后將液體部分注入到發(fā)酵罐（甲烷反應器）中。通過在不同反應器（酸化、水解和甲烷）中的降解過程，BTA多級發(fā)酵系統(tǒng)為微生物創(chuàng)造最理想的生長條件，加快了生物的降解速度，只需要幾天時間就使60%—80%的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化成甲烷氣體。
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