发酵科学：穿越文化与微生物的全球之旅

发酵，一个与人类历史深度交织的进程，不仅仅是食物保藏。它是一种由微生物引发的变革性生化反应，将原料重塑为美味佳肴和强效药物。本文开启全球之旅，探索发酵背后的科学原理、其多样化应用及其对世界各地文化的持久影响。

什么是发酵？

从本质上说，发酵是一种新陈代谢过程，其中细菌、酵母菌和霉菌等微生物将碳水化合物（糖和淀粉）转化为酒精、酸或气体。这种转化发生在无氧（厌氧）或氧气非常有限（微需氧）的环境中。发酵的具体产物取决于所涉及的微生物类型和起始材料。

发酵的通用方程可以简化为：

糖（碳水化合物）+ 微生物 → 酒精/酸/气体 + 其他代谢产物

然而，其中涉及的精确生化途径非常复杂，并且差异很大。

发酵的简史

发酵的使用早于书面历史。考古证据表明，早在公元前 7000 年，人类就开始发酵蜂蜜酒和啤酒等饮料。酸奶和奶酪等发酵食品也是不同文化中数千年的主食。这些早期的应用源于必需，因为发酵提供了一种天然的保藏食物并延长其保质期的方法，尤其是在没有冷藏的情况下。

在现代微生物学出现之前，发酵在很大程度上是一个神秘的过程。人们知道某些条件和配料会导致理想的结果，但他们不理解潜在的微生物活动。直到 19 世纪，路易斯·巴斯德等科学家才确定了微生物在发酵中的作用，彻底改变了我们对该过程的理解。

发酵的类型

发酵可以根据主要最终产物或所涉及的主要微生物进行分类。以下是一些最常见的类型：

乳酸发酵

乳酸发酵由乳酸菌 (LAB) 进行，它们将糖转化为乳酸。这个过程是许多发酵食品的酸味和浓郁质地的原因，包括：

• 酸奶：酸奶是许多文化的主食，通过用乳杆菌和链球菌发酵牛奶制成。全球各地都有变化，从希腊酸奶到印度达希酸奶。
• 德国酸菜：切碎的卷心菜由 LAB 发酵而成。它是德国美食的基石，但在东欧和亚洲（例如韩国泡菜）也很受欢迎。
• 泡菜：一种传统的韩国发酵菜肴，由大白菜、萝卜和各种香料制成，由各种 LAB 发酵而成。每个韩国家庭通常都有自己独特的食谱。
• 开菲尔：一种发酵的牛奶饮料，类似于酸奶，但稠度较薄，使用开菲尔粒（细菌和酵母的共生培养物）生产。它起源于高加索山脉，现在在全球范围内享用。
• 腌菜：在含有 LAB 的盐水溶液中发酵的黄瓜或其他蔬菜。腌制在全球范围内进行，变化包括美国的莳萝腌菜和欧洲的酸黄瓜。

酒精发酵

酒精发酵由酵母菌进行，主要是酿酒酵母，它将糖转化为乙醇（酒精）和二氧化碳。这个过程是以下产品的生产基础：

• 啤酒：一种由谷物制成的发酵饮料，通常是大麦、啤酒花、水和酵母。世界各地的啤酒种类繁多，从拉格啤酒到艾尔啤酒，都有不同的发酵技术和配料。
• 葡萄酒：一种由葡萄制成的发酵饮料，酵母将葡萄糖转化为酒精。不同的葡萄品种和发酵过程导致全球各种各样的葡萄酒。
• 清酒：一种传统的日本米酒，通过用米曲（一种霉菌）和酵母发酵米制成。
• 蜂蜜酒：一种酒精饮料，由蜂蜜与水发酵制成，有时会加入水果、香料或谷物。它被认为是历史最悠久的酒精饮料之一。
• 康普茶：一种用 SCOBY（细菌和酵母的共生培养物）制成的发酵茶饮料。它因其据称的健康益处而在全球范围内广受欢迎。

醋酸发酵

醋酸发酵涉及通过醋酸菌（如醋酸杆菌）将乙醇转化为醋酸（醋）。这个过程对于以下产品的生产至关重要：

• 醋：一种酸性液体，用作调味品和防腐剂，由发酵的酒精液体（如葡萄酒、苹果酒或啤酒）制成。世界各地的美食都使用不同类型的醋，如苹果醋、香醋和米醋。
• 康普茶：如上所述，醋酸菌存在于用于发酵康普茶的 SCOBY 培养物中，有助于其酸味。

其他类型的发酵

除了三种主要类型外，还存在其他发酵过程，通常涉及不同微生物的复杂相互作用：

• 碱性发酵：用于日本纳豆（发酵大豆）和西非 dawadawa（发酵角豆）等某些传统食品。这个过程增加了食物的 pH 值，使其更呈碱性，并且通常会显着改变其风味特征。
• 丙酸发酵：涉及瑞士奶酪的生产，其中丙酸菌产生特有的孔洞和坚果味。
• 丁酸发酵：可能发生在变质的食物中，通常是不受欢迎的，会产生腐臭味。

过程背后的科学原理：微生物学和生物化学

发酵是微生物学和生物化学的复杂相互作用。了解其基本机制是控制和优化该过程的关键。

微生物的作用

不同的微生物具有不同的代谢途径，导致不同的发酵产物。例如：

• 乳杆菌属：这些细菌是同型发酵的（主要产生乳酸）或异型发酵的（产生乳酸、乙醇、二氧化碳和乙酸）。
• 酿酒酵母：这种酵母主要负责酒精发酵，将糖转化为乙醇和二氧化碳。
• 醋酸杆菌属：这些细菌将乙醇氧化为乙酸。

所用微生物的具体种类和菌株会对最终产品的风味、质地和营养成分产生重大影响。在许多传统发酵中，不同的微生物群落协同工作，创造出复杂而细微的风味特征。

生化途径

发酵中涉及的代谢途径因微生物和底物（起始材料）而异。例如，在酒精发酵中，酵母使用 Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) 途径（糖酵解）将葡萄糖分解成丙酮酸。然后，丙酮酸被转化为乙醛，最后转化为乙醇，并产生二氧化碳作为副产物。

在乳酸发酵中，LAB 也使用糖酵解将葡萄糖分解成丙酮酸。然而，它们没有将丙酮酸转化为乙醇，而是使用乳酸脱氢酶将其转化为乳酸。

影响发酵的因素

有几个因素会影响发酵的速度和结果，包括：

• 温度：不同的微生物具有生长和活性的最佳温度范围。过高或过低的温度会抑制或杀死微生物。
• pH 值：环境的酸度或碱度会影响微生物的生长。大多数发酵微生物更喜欢略微酸性的条件。
• 氧气可用性：发酵通常是厌氧或微需氧过程。氧气的存在会抑制或改变某些微生物的代谢途径。
• 营养素可用性：微生物需要营养素，如糖、氨基酸和维生素，才能生长和进行发酵。
• 盐浓度：盐可以抑制不想要的微生物的生长，同时促进想要的微生物的生长，如在德国酸菜和泡菜生产中看到的那样。
• 抑制性物质：某些物质，例如某些防腐剂或抗菌剂，可以抑制发酵微生物的生长。

控制这些因素对于成功发酵至关重要。

发酵的好处

发酵提供了广泛的好处，包括：

食物保藏

如前所述，发酵是保存食物的有效方法。发酵过程中产生的酸和酒精会抑制变质微生物的生长，从而延长食物的保质期。

增强营养价值

发酵可以通过以下方式增加食物的营养价值：

• 增加维生素含量：一些微生物可以在发酵过程中合成维生素。例如，LAB 可以产生 B 族维生素。
• 提高消化率：发酵可以分解复杂的碳水化合物和蛋白质，使其更容易消化。
• 增加矿物质生物利用度：发酵可以降低抗营养素（如植酸盐）的水平，植酸盐可以抑制矿物质的吸收。

改善风味和质地

发酵可以改变食物的风味和质地，创造独特而令人满意的烹饪体验。酸、醇、酯和其他挥发性化合物的产生有助于发酵食品的复杂风味特征。

益生菌的好处

许多发酵食品含有活的微生物，称为益生菌，可以有益于肠道健康。益生菌可以帮助：

• 改善消化：益生菌可以帮助分解食物并改善营养吸收。
• 增强免疫系统：益生菌可以刺激免疫系统并预防病原体。
• 减少炎症：益生菌可以帮助减少肠道炎症。
• 改善心理健康：研究表明肠道健康与心理健康之间存在联系，益生菌可能在改善情绪和减轻焦虑方面发挥作用。

重要的是要注意，并非所有发酵食品都富含益生菌。巴氏杀菌是一种用于杀死微生物的热处理方法，可以破坏益生菌。因此，最好选择未经过巴氏杀菌的发酵食品来获得益生菌的好处。

不同文化中的发酵：全球视角

发酵深深植根于世界许多文化的烹饪传统中。这里有一些例子：

东亚

• 泡菜（韩国）：如前所述，泡菜是韩国菜肴的主食，根据地区和季节有数百种变化。
• 酱油（中国、日本、东南亚）：一种由大豆、小麦、盐和曲霉发酵而成的调味品。不同的生产方法会导致不同的风味特征。
• 味噌（日本）：一种用于汤、酱汁和腌料的发酵大豆酱。
• 纳豆（日本）：发酵的大豆，具有浓郁、辛辣的味道和粘稠的质地。
• 清酒（日本）：米酒，是日本文化和传统中不可或缺的一部分。

欧洲

• 德国酸菜（德国、东欧）：发酵的卷心菜，是传统配菜和许多菜肴中的配料。
• 酸面包（各种）：用酸面团发酵剂（由面粉和水发酵而成的混合物，含有野生酵母和 LAB）发酵的面包。
• 奶酪（各种）：许多不同种类的奶酪是通过发酵制成的，使用不同的奶源、微生物和熟化过程。从帕尔马干酪等硬奶酪到布里奶酪等软奶酪，种类繁多。
• 葡萄酒（各种）：一种由葡萄制成的发酵饮料，在许多欧洲国家有着悠久而丰富的历史。
• 啤酒（各种）：一种由谷物制成的发酵饮料，在欧洲有无数的风格和变化。

非洲

• 奥吉里（尼日利亚）：一种发酵的种子调味品，用于调味汤和炖菜。
• Dawadawa（西非）：发酵的角豆，是蛋白质和鲜味来源。
• 英吉拉（埃塞俄比亚和厄立特里亚）：一种由苔麸粉制成的海绵状薄饼，用酸面团发酵剂发酵。
• Kishk（埃及）：一种发酵的小麦和牛奶的混合物，干燥后用作调味剂。

拉丁美洲

• 普尔克酒（墨西哥）：一种由龙舌兰植物的汁液制成的发酵饮料。
• 奇恰酒（安第斯山脉）：一种由玉米制成的发酵饮料，有时也使用其他谷物或水果。
• 波索尔（墨西哥）：一种发酵的玉米面团，用于制作清爽的饮料。
• Cauim（巴西）：一种传统的土著饮料，由发酵的木薯或玉米制成。

这些只是世界各地使用发酵的多种多样和迷人方式的几个例子。每种文化都有自己独特 的发酵食品和饮料，反映了当地的食材、气候和传统。

现代食品生产中的发酵

发酵不仅仅是一种传统做法；它还在现代食品生产中发挥着重要作用。许多商业生产的食品和饮料都依赖于发酵，包括：

• 酸奶和其他乳制品：大规模生产酸奶、开菲尔和其他发酵乳制品。
• 面包：商业面包生产通常使用酵母发酵来使面团发酵。
• 醋：使用浸没发酵的工业规模的醋生产。
• 酒精饮料：大型啤酒厂和酿酒厂依靠受控的发酵过程来生产啤酒、葡萄酒和烈酒。
• 发酵酱汁和调味品：大规模生产酱油、味噌和其他发酵调味品。

现代发酵技术可以更好地控制发酵过程，从而获得一致的产品质量和更高的效率。然而，一些人认为，传统发酵方法通常涉及更多样化的微生物群落，可能导致更复杂和细微的风味。

家庭发酵：一种日益增长的趋势

近年来，人们对家庭发酵的兴趣日益浓厚。人们越来越多地尝试制作自己的发酵食品和饮料，例如：

• 德国酸菜和泡菜：用简单的食材在家中制作相对容易。
• 酸奶和开菲尔：可以使用酸奶机或在室温下培养牛奶来制作。
• 康普茶：培养你自己的 SCOBY 并在家中酿造康普茶。
• 酸面包：培养酸面团发酵剂并烘烤自己的面包。
• 泡菜：在盐水溶液中发酵黄瓜和其他蔬菜。

家庭发酵可以是一种有益且具有教育意义的体验，让您可以与古代的食物保存传统联系起来，并探索迷人的微生物世界。但是，遵循安全做法以防止有害细菌的生长非常重要。

发酵中的安全注意事项

虽然发酵通常是安全的，但采取预防措施以防止可能导致食源性疾病的不良微生物的生长非常重要。以下是一些安全提示：

• 使用干净的设备：使用前，用肥皂和水彻底清洗所有设备。通过煮沸或使用消毒液对设备进行消毒。
• 使用新鲜原料：选择优质、新鲜的原料。避免使用有瘀伤、损坏或发霉的原料。
• 保持适当的温度：将发酵保持在您正在制作的特定食物或饮料的推荐温度下。
• 监测 pH 值：定期检查发酵食品的 pH 值。pH 值 4.6 或更低通常被认为是大多数发酵食品的安全值。
• 观察变质迹象：寻找变质迹象，如霉菌、异味或粘稠质地。如果您怀疑食物变质，请将其丢弃。
• 遵循可靠的食谱：使用来自信誉良好的来源的食谱，并仔细按照说明进行操作。

如果您是发酵新手，最好从简单的食谱开始，然后逐渐转向更复杂的食谱。咨询经验丰富的发酵师或参加发酵研讨会以了解更多关于该过程的信息也是一个好主意。

发酵的未来

发酵有望在食品生产和人类健康的未来发挥更大的作用。正在进行的研究正在探索发酵的潜力，以：

• 开发新的和创新的食物：发酵可用于创造具有独特风味、质地和营养特征的新型食物。
• 改善食品可持续性：发酵可用于减少食物浪费并创建更可持续的食品系统。例如，食物残渣可以发酵以生产动物饲料或生物燃料。
• 增强肠道健康：正在进行的研究旨在确定可以改善肠道健康并治疗各种健康状况的特定益生菌菌株。
• 生产药品和其他有价值的化合物：发酵可用于生产药品、酶和其他有价值的化合物。
• 生物修复：发酵可用于清理污染物和修复受污染的环境。

随着我们对发酵科学的理解不断加深，我们可以期待看到更多这种古老而多功能过程的令人兴奋的应用。

结论

发酵不仅仅是一种食物保藏技术；它是一个改变我们的食物、健康和文化的过程。从酸奶的酸味到葡萄酒和啤酒的复杂风味，发酵已经丰富了我们的生活数千年。当我们继续探索发酵背后的科学原理时，我们可以释放其全部潜力，创造一个更可持续、更有营养、更美味的未来。

无论您是经验丰富的发酵师还是刚开始，我都鼓励您探索迷人的发酵世界，并发现它所能提供的众多好处。祝您好胃口！或者，正如他们在韩国所说，맛있게 드세요！（masitge deuseyo！- 祝您用餐愉快！）