发酵，是人类最早利用的生命技术之一。酿酒、制醋、发面、腌菜——这些操作可以追溯至数千年前的新石器时代。然而，尽管人类长期依赖发酵，其本质却长期被误解：它是化学过程还是生命过程？酒精是“自发”产生的还是由“酵素”催化的？直到19世纪，巴斯德与李比希的争论才将发酵从神秘中解放出来；而布赫纳的无细胞发酵实验，则彻底颠覆了“发酵离不开活细胞”的教条。发酵概念的历史，是一部从经验操作到科学认知、从整体细胞到分子机制的演进史，也是微生物学与生物化学交汇的典范。

36.1  前科学期：古老的经验与神秘的“酵”

考古证据表明，人类早在公元前7000年就开始酿造啤酒，公元前5000年酿造葡萄酒。古埃及人、苏美尔人、中国人都有系统的酿酒和制醋技术。《周礼》《齐民要术》中记载了用曲（霉菌和酵母的混合物）酿酒、制酱的方法。“曲”是东亚发酵技术的核心，它包含多种微生物及其酶系，是一种复杂的“固态发酵”体系。

古代对发酵的解释诉诸“神秘力量”。亚里士多德认为，发酵是“腐化”的一种形式，是物质向更高或更低形态的转变。中世纪炼金术士将发酵视为“生命之气”的作用。这些思辨没有触及本质。

在巴斯德之前，现代化学之父拉瓦锡对酿酒进行了定量分析：他测定糖转化为酒精和二氧化碳的化学计量，试图用化学方程式描述发酵。但他未能回答“是什么引起了这种转化”。法国化学家盖-吕萨克也研究了发酵，同样停留在化学层面。

36.2  概念诞生：巴斯德与李比希的争论（19世纪）

19世纪中叶，发酵的本质成为化学与生物学的交锋点。

李比希的化学观点：德国化学家尤斯图斯·冯·李比希认为，发酵是化学分子振动传递的结果——糖分子在“活泼物质”的振动下分解，如同酵母菌死亡后释放出的“酶”在起作用。他认为发酵不需要活的微生物，只是一种化学催化作用。

巴斯德的生物学观点：法国化学家路易·巴斯德通过一系列精巧的实验证明，发酵是由活的微生物（酵母菌、细菌）引起的。他观察到，只有活的酵母细胞才能将糖转化为酒精；如果加热杀死酵母，发酵停止。他还发现，不同的微生物产生不同的发酵产物（乳酸发酵、酒精发酵、醋酸发酵）。巴斯德提出“发酵就是没有空气的呼吸”——酵母在无氧条件下从糖中获取能量。他发展出巴氏消毒法杀死杂菌，证明纯净的酵母培养可以产生纯净的发酵。

巴斯德-李比希之争持续了近二十年。1870年代，巴斯德的学说逐渐占据上风，因为他的实验可重复，且具有工业应用价值（如防止葡萄酒变酸）。此时，“发酵”被定义为“由活的微生物引起的、有机物分解的过程”。

36.3  概念转化：无细胞发酵与酶的发现（1897年）

19世纪末，巴斯德学说面临挑战：是否必须活的细胞才能发酵？

布赫纳的突破：1897年，德国化学家爱德华·布赫纳试图用“压榨酵母”制备治疗性“酵母液”。他将酵母与石英砂混合研磨，过滤去除所有完整细胞，得到一种无细胞的提取物。令他惊讶的是，这种提取物仍然能将糖发酵为酒精和二氧化碳。他称之为“发酵酶”（zymase）。布赫纳的实验彻底证明：发酵不需要活的酵母细胞，只需要细胞中的可溶性物质——酶。这一发现结束了巴斯德-李比希争论，也开启了生物化学的新纪元。布赫纳因此获得1907年诺贝尔化学奖。

酶的本质：布赫纳的工作使“酶”从模糊的“活力”转变为可提取、可研究的化学物质。1926年，萨姆纳成功结晶脲酶，证明酶是蛋白质。发酵概念从此与酶催化不可分割。

无细胞发酵的深远意义：它打破了“生命过程只能由完整细胞完成”的教条，使代谢研究可以在试管中进行，为糖酵解、三羧酸循环等代谢通路的阐明铺平了道路。

36.4  概念深化：代谢途径的阐明（20世纪上半叶）

20世纪初，生物化学家利用无细胞系统，系统阐明了酒精发酵的每一步化学反应。

糖酵解的阐明：1905年，哈登和杨发现，酵母提取物中葡萄糖发酵需要磷酸盐，并分离出磷酸酯中间产物（己糖二磷酸）。他们提出磷酸在糖分解中起关键作用。1918年，迈耶霍夫从肌肉中分离出乳酸（肌肉无氧酵解的产物），证明了糖酵解在动物组织中同样存在。1930年代，埃姆登、迈耶霍夫等共同阐明了糖酵解的十步反应序列——葡萄糖 → 葡萄糖-6-磷酸 → 果糖-1，6-二磷酸 → 甘油醛-3-磷酸 → … → 丙酮酸。这一通路被称为“埃姆登-迈耶霍夫途径”。

发酵与呼吸的关系：糖酵解在无氧条件下产生乳酸或酒精，在有氧条件下，丙酮酸进入三羧酸循环完全氧化为CO₂和水。发酵被重新定义为“无氧代谢”或“底物水平磷酸化”，区别于“有氧呼吸”（氧化磷酸化）。

发酵的多样性：除酒精发酵外，科学家阐明了乳酸发酵（乳酸菌）、醋酸发酵（醋酸菌）、丁酸发酵（梭菌）、丙酸发酵等。每种发酵都由特定的微生物和酶系催化，具有独特的代谢途径。

36.5  当代扩展：工业发酵与合成生物学

20世纪下半叶至今，发酵概念从“自然过程”转变为“工业平台”。

深层发酵与抗生素生产：1940年代，为了大规模生产青霉素，工程师发展了深层发酵技术——在大型不锈钢罐中通入无菌空气，维持恒温恒pH，使霉菌在液体培养基中生长。这一技术成为现代发酵工业的基础。

代谢工程与发酵优化：通过诱变、基因工程改造微生物的代谢网络，提高目标产物（氨基酸、维生素、有机酸、抗生素、酶制剂、生物燃料）的产量和得率。例如，谷氨酸棒杆菌用于味精生产；大肠杆菌用于重组人胰岛素生产。

合成生物学与发酵：将人工合成的代谢途径（如青蒿素前体、人工固氮途径）导入微生物，通过发酵生产。CRISPR基因编辑加速了菌种改造。合成生物学使发酵从“利用天然微生物”走向“设计定制微生物”。

发酵与可持续：利用农业废弃物（秸秆、蔗渣）通过发酵生产生物乙醇、生物丁醇、生物柴油。发酵被视为解决化石能源替代和温室气体减排的途径之一。

36.6  概念史的启示

从古老的酿酒，到巴斯德的活细胞理论，到布赫纳的无细胞发酵，到糖酵解途径的阐明，到代谢工程和合成生物学——发酵概念的演变跨越了数千年，但关键进展集中于19世纪末至20世纪上半叶。

这一演变给予我们几点启示：

第一，发酵概念经历了从“神秘力量”到“活的微生物”到“无细胞酶系”到“可设计的代谢途径”的转变。每一次转变都是范式的断裂，而非渐进积累。

第二，发酵概念的突破依赖于两项关键技术：纯培养技术（巴斯德）和无细胞系统（布赫纳）。前者证明了微生物的作用，后者证明酶的作用。两者结合，才使代谢途径的生化分析成为可能。

第三，发酵概念将化学、微生物学、生物化学、工业工程紧密联系。它是基础科学转化为技术的典范，也是“从实验室到工厂”的成功案例。

第四，发酵概念在当代重新定义了“生物制造”。从食品（啤酒、酸奶、酱油）到药品（抗生素、疫苗、抗体）到燃料（乙醇、丁醇）到材料（生物塑料、纤维素），发酵是生物经济的重要支柱。

今天，“发酵”已不仅是古老的保存食物和酿造饮料的技术。它是工业生物技术的核心平台，是合成生物学的“反应器”，是循环经济中废弃物资源化的手段。从酵母菌到基因工程菌，从酒精到抗癌药物，发酵概念的内涵在持续扩展。

发酵概念史告诉我们，最古老的技术，往往蕴藏着最深刻的科学原理。人类使用了数千年的发酵，直到巴斯德和布赫纳才真正理解它的本质。而今天，我们不仅能理解，还能重新设计发酵——这一转变，象征着生命科学从“解读自然”到“重写自然”的跨越。正如巴斯德所说：“发酵是没有空气的呼吸。”而今天，我们可以补充：“发酵是可编程的代谢”。