簡述發酵與釀造技術的發展歷史
壹、食品發酵與釀造的歷史
發酵的英文“fermentation”是從拉丁語“ferver”即“發泡”、“翻湧”派生而來的，因為發酵發生時有鼓泡和類似沸騰翻湧的現象。
如中國黃酒的釀造和歐洲啤酒的發酵就以起泡現象作為判斷發酵進程的標誌。
可以說，人類利用微生物進行食品發酵與釀造已有數千年的歷史，發酵現象是自古以來就已被人們發現並掌握的，但由於對發酵與釀造的主角——微生物缺乏認識，發酵與釀造的本質長時間沒有被揭示，始終充滿神秘色彩。
因而在19世紀中葉以前，發酵與釀造業的發展極其緩慢。
在微生物的發現上做出重大貢獻的是17世紀後葉的列文虎克(Leewenhoch)，他用自制的手磨透鏡，成功地制成了世界上第壹臺顯微鏡，在人類歷史上第壹次通過顯微鏡用肉眼發現了單細胞生命體——微生物。
由於當時“自然發生說”盛極壹時，他的發現並沒有受到應有的重視。
在隨後的100多年裏，對各種各樣微生物的觀察壹直沒有間斷，但仍然沒有發現微生物和發酵的關系。
直到19世紀中葉，巴斯德(Pasteur)經過長期而細致的研究之後，才有說服力地宣告發酵是微生物作用的結果。
巴斯德在巴斯德瓶中加入肉汁，發現在加熱情況下不發酵，不加熱則產生發酵現象，並詳細觀察了發酵液中許許多多微小生命的生長情況等，由此他得出結論：發酵是由微生物進行的壹種化學變化。
在連續對當時的乳酸發酵、轉化糖酒精發酵、葡萄酒釀造、食醋制造等各種發酵進行研究之後，巴斯德認識到這些不同類型的發酵，是由形態上可以區別的各種特定的微生物所引起的。
但在巴斯德的研究中，進行的都是自然發生的混合培養，對微生物的控制技術還沒有很好掌握。
其後不久，科赫(Koch)建立了單種微生物的分離和純培養技術，利用這種技術研究炭疽病時，發現動物的傳染病是由特定的細菌引起的。
從而得知，微生物也和高等植物壹樣，可以根據它們的種屬關系明確地加以區分。
從此以後，各種微生物的純培養技術獲得成功，人類靠智慧逐漸學會了微生物的控制，把單壹微生物菌種應用於各種發酵產品中，在產品防腐、產量提高和質量穩定等方面起到了重要作用。
因此，單種微生物分離和純培養技術的建立，是食品發酵與釀造技術發展的第壹個轉折點。
這壹時期，巴斯德、科赫等為現代發酵與釀造工業打下堅實基礎的科學巨匠們，雖然揭示了發酵的本質，但還是沒有認識發酵的化學本質。
直到1897年，布赫納(Buchner)才闡明了微生物的化學反應本質。
為了把酵母提取液用於醫學，他用石英砂磨碎酵母菌細胞制成酵母汁，並加人大量砂糖防腐，結果意外地發現酵母汁也有發酵現象，產生了二氧化碳和乙醇，這是用無細胞體系進行發酵的最初例子。
這使人們認識到，任何生物都具有引起發酵的物質——酶。
從此以後，人們用生物細胞的磨碎物研究了種種反應，從而促成了當代生物化學的誕生，也將生物化學和微生物學彼此溝通起來了，大大擴展了發酵與釀造的範圍，豐富了發酵與釀造的產品。
但這壹時期，發酵與釀造技術未見有特別的改進，直到20世紀40年代，借助於抗生素工業的興起，建立了通風攪拌培養技術。
因為當時正值第二次世界大戰，由於戰爭需要，人們迫切需要大規模生產青黴素，於是借鑒丙酮丁醇的純種厭氧發酵技術，成功建立起深層通氣培養法和壹整套培養工藝，包括向發酵罐中通人大量無菌空氣、通過攪拌使空氣均勻分布、培養基的滅菌和無菌接種等，使微生物在培養過程中的溫度、pH、通氣量、培養物的供給都受到嚴格的控制。
這些技術極大地促進了食品發酵與釀造工業，各種有機酸、酶制劑、維生素、激素都可以借助於好氣性發酵進行大規模生產，因而，好氣性發酵工程技術成為發酵與釀造技術發展的第二個轉折點。
但是，這壹時期的發酵與釀造技術主要還是依賴對外界環境因素的控制來達到目的的，這已遠遠不能滿足人們對發酵產品的需求，於是，壹種新的技術——人工誘變育種和代謝控制發酵工程技術應運而生。
人們以動態生物化學和微生物遺傳學為基礎，將微生物進行人工誘變，得到適合於生產某種產品的突變株，再在人工控制的條件下培養，有選擇地大量生產人們所需要的物質。
這壹新技術首先在氨基酸生產上獲得成功，而後在核苷酸、有機酸、抗生素等其他產品得到應用。
可以說，人工誘變育種和代謝控制發酵工程技術是發酵與釀造技術發展的第三個轉折點。
隨著礦產物的開發和石油化工的迅速發展，微生物發酵產品不可避免地與化學合成產品產生了競爭。
礦產資源和石油為化學合成法提供了豐富而低廉的原料，這對利用這些原料生產壹些低分子有機化合物非常有利。
同時，世界糧食的生產又非常有限，價格昂貴。
因此，有壹階段，發達國家有相當壹部分發酵產品改用合成法生產。
但是由於對化工產品的毒性有顧慮，化學合成食品類的產品，消費者是無法接受的，也是難以擁有廣闊的市場的；另外，對壹些復雜物質，化學合成法也是無能為力的。
而生產的廠家既想利用化學合成法降低生產成本，又想使產品擁有較高的質量，於是就采用化學合成結合微生物發酵的方法。
如生產某些有機酸，先采用化學合成法合成其前體物質，然後用微生物轉化法得到最終產品。
這樣，將化學合成與微生物發酵有機地結合起來的工程技術就建立起來了，這形成了發酵與釀造技術發展的第四個轉折點。
這壹時期的微生物發酵除了采用常規的微生物菌體發酵，很多產品還采用壹步酶法轉化法，即僅僅利用微生物生產的酶進行單壹的化學反應。
例如，果葡糖漿的生產，就是利用葡萄糖異構酶將葡萄糖轉化為果糖的。
所以，準確地說，這壹時期是微生物酶反應生物合成與化學合成相結合的應用時期。
隨著現代工業的迅速發展，這壹時期食品發酵與釀造工程技術也得到了迅猛的發展，主要在發酵罐的大型化、多樣化、連續化和自動化方面有了極大的發展。
發酵過程全部基本參數，包括溫度、pH、罐壓、溶解氧、氧化還原電位、空氣流量、二氧化碳含量等均可自動記錄並自動控制的大型全自動連續發酵罐已付諸應用。
發酵過程的連續化、自動化也成為這壹時期重點發展的內容。
20世紀70年代發展起來的DNA重組技術，又大大推動了發酵與釀造技術的發展。
先是細胞融合技術，得到了許多具有特殊功能和多功能的新菌株，再通過常規發酵得到了許多新的有用物質。
如植物細胞的融合，可以得到多功能的植物細胞，通過植物細胞培養生產保健和藥品。
近年來得到迅猛發展的基因工程技術，可以在體外重組生物細胞的基因，並克隆到微生物細胞中去構成工程菌，利用工程菌生產原來微生物不能生產的產物，如胰島素、幹擾素等，使微生物的發酵產品大大增加。
可以說，發酵和釀造技術已經不再是單純的微生物的發酵，已擴展到植物和動物細胞領域，包括天然微生物、人工重組工程菌、動植物細胞等生物細胞的培養。
隨著轉基因動植物的問世，發酵設備——生物反應器也不再是傳統意義上的鋼鐵設備，昆蟲的軀體、動物細胞的乳腺、植物細胞的根莖果實都可以看做是壹種生物反應器。
因此，隨著基因工程、細胞工程、酶工程和生化工程的發展，傳統的發酵與釀造工業已經被賦予嶄新的內容，現代發酵與釀造已開辟了壹片嶄新的領域。
發酵工業的發展史
壹、國外發酵工業的發展概況
發酵工業的發展史，可以劃分成五個階段。
在19世紀以前是第壹個階段。
當時只限於含酒精飲料和醋的生產。
雖然在古埃及已經能釀造啤酒，但壹直到17世紀才能在容量為1500桶（壹桶相當於110升）的木質大桶中進行第壹次真正的大規模釀造。
即使在早期的釀造中，也嘗試對過程的控制。
歷史記載，在1757年已應用溫度計；在1801年就有了原始的熱交換器。
在18世紀中期，Cagniard-Latour, Schwann和Kutzing分別證實了酒精發酵中的酵母活動規律。
Paster最終使科學界信服在發酵過程中酵母所遵循的規律。
在18世紀後期，Hansen在Cal *** erg釀造廠中開始其開拓工作。
他建立了酵母單細胞分離和繁殖，提供純種培養技術，並為生產的初始培養形成壹套復雜的技術。
在英國麥酒釀造中並未運用純種培養。
確切地說，許多小型的傳統麥酒釀造過程，至盡仍在使用混合酵母。
醋的生產，原先是在淺層容器中進行，或是在未充滿啤酒的木桶中，將殘留的酒經緩慢氧化而生產醋，並散發出壹種天然香味。
認識了空氣在制醋過程中重要性後，終於發明了“發生器”。
在發生器中，填充惰性物質（如焦碳、煤和各種木刨花），酒從上面緩慢滴下。
可以將醋發生器視作第壹個需氧發生器。
在18世紀末到19世紀初，基礎培養基是用巴氏滅菌法處理，然後接種10%優質醋使呈酸性，可防治染菌汙染。
這樣就成為壹個良好的接種材料。
在20世紀初，在釀酒和制醋工業中已建立起過程控制的概念。
在1900年到1940年間，主要的新產品是酵母、甘油、檸檬酸、乳酸、丁醇和丙酮。
其中面包酵母和有機熔劑的發酵有十分重大進展。
面包酵母的生產是需氧過程。
酵母在豐富養料中快速生長，使培養液中的氧耗盡。
在減少菌體生長的同時形成乙醇。
限制營養物的初始濃度，使細胞生長寧可受到碳源的限制，而不使受到缺氧的影響；然後在培養過程中加入少量養料。
這個技術現在成為分批補料培養法，已廣泛應用於發酵工業中，以防止出現缺氧現象；並且還將早期使用的向酵母培養液中通入空氣的方法，改進為經由空氣分布管進入培養液。
空氣分布管可以用蒸汽進行沖刷。
在第壹次世界大戰時，Weizmann開拓了丁醇丙酮發酵，並建立了真正的無雜菌發酵。
所用的過程，至今還可以認為是壹個在較少的染菌機會下提供良好接種材料和符合衛生標準的方法。
雖然丁醇丙酮發酵是厭氧的，但在發酵早期還是容易受到需氧菌的汙染；而在後期的厭氧條件下，也會受到產酸的厭氧菌的汙染。
發酵器是由低碳鋼制成的具有半圓形的頂和底的圓桶。
它可以在壓力下進行蒸汽滅菌而使雜菌汙染減少到最低限度。
但是，使用200M3容積的發酵器，使得在接種物的擴大和保持無雜菌狀態都帶來困難。
1940年代的有機溶劑發酵技術發展，是發酵技術的主要進展。
同時，也為成功地進行無雜菌需氧過程鋪平道路。
第三期發酵工業的進展，是按戰時的需要，在純種培養技術下，以深層培養生產青黴素。
青黴素的生產是在需氧過程中進行，它極易受到雜菌的汙染。
雖然已從溶劑發酵中獲得很有價值的知識，然而還要解決向培養基中通入大量無菌空氣和高粘度培養液的攪拌問題。
早期青黴素生產與溶劑發酵的不同點還在於青黴素生產能力極低，因而促進了菌株改良的進程，並對以後的工業起著重要的作用。
由於實驗工廠的崛起，使發酵工業得到進壹步的發展，它可以在半生產規模中試驗新技術。
與此同時，大規模回收青黴素的萃取過程，也是另壹大進展。
在這壹時期中，發酵技術有重大的變化，因而有可能建立許多新的過程，包括其他抗生素、赤黴素、氨基酸、酶和甾體的轉化。
在60年代初期，許多跨國公司決定研究生產微生物細胞作為飼料蛋白質的來源，推動了技術進展。
這壹時期，可視作發酵工業的第四階段。
最大的有機械攪拌發酵罐的容積，已經從第三階段時的80M3擴大到150M3。
由於微生物蛋白質的售價較低，所以必需比其他發酵產品的生產規模更大些。
如以烴為碳源，則在發酵時對氧的需求量增加，因而不需要機械攪拌的高壓噴射和強制循環的發酵罐應運而生。
這種過程如果進行連續操作，則更為經濟。
這個階段中，工業上普遍采用分批培養和分批補料培養法。
連續發酵是向發酵罐中連續註入新鮮培養基，以促使微生物連續生長，並不斷從中取出部分培養液，它在大工業中的應用極為有限。
與此同時，釀造業中也研究連續發酵的潛力，但在工業中應用的時間極短。
如ICI公司還在使用3000M3規模連續強制循環發酵罐。
超大型的連續發酵的操作周期已可超過100天，其問題是染菌。
嚴重性已大大超過1940年代的抗生素生產。
這類發酵罐的滅菌，是通過下列手段而達到的：即高度標準化的發酵罐結構、料液的連續滅菌和利用電腦控制滅菌和操作周期，以最大限度地減少人工操作的差錯。
發酵工業發展史中的第五階段，是以在體外完成微生物基因操作，即通常稱為基因工程而開始的。
基因工程不僅能在不相關的生物間轉移基因，而且還可以很精確地對壹個生物的基因組進行交換。
因而可以賦予微生物細胞具有生產較高等生物細胞所產生的化合物的能力。
由此形成新型的發酵過程，如胰島素和幹擾素的生產，使工業微生物所產生的化合物超出了原有微生物的範圍。
為了進壹步提高工業微生物常規產品的生產能力，也可采用基因操作技術。
確信基因操作技術將引起發酵工業的革命，並出現大量新型過程。
但是要開拓新的過程，還是要依靠大量細胞培養技術，它曾經從酵母和熔劑發酵開始，經由抗生素發酵，而到大規模連續菌體培養。