発酵

発酵は酸素がない状態で行われる酸化還元代謝の一種である。^{[1] [2]} 発酵中、有機分子（例：グルコース）は異化され、他の有機分子に電子を供与する。その過程で、ATPと有機最終生成物（例：乳酸）が形成される。

酸素を必要としないため、好気呼吸の代替手段となります。細菌と古細菌の25％以上が発酵を行っています。^{[2] [3]これらは}腸、堆積物、食物、その他の環境に生息しています。人間や他の動物を含む真核生物も発酵を行っています。^[4]

発酵は人間社会のいくつかの分野で重要です。^[2] 人類は13,000年もの間、食品の生産に発酵を利用してきました。^[5] 人間とその家畜の腸内には発酵を行う微生物がおり、宿主がエネルギーとして利用する産物を放出します。^[6]発酵は工業レベル で、エタノールや乳酸などの汎用化学物質を生産するために使用されています。全体として、発酵は50種類以上の代謝最終産物^[2]を形成し、幅広い用途に使用されています。

発酵の定義は長年にわたって進化してきました。^[1]最も現代的な定義は、有機化合物が電子供与体と受容体の両方である異化作用です。^{[1] [2]}一般的な電子供与体はグルコースであり、ピルビン酸は一般的な電子受容体です。この定義は、酸素が受容体である好気性呼吸や無機化合物が受容体である嫌気性呼吸の種類と発酵を区別しています。

発酵は過去には異なる定義がなされていた。1876年、ルイ・パスツールはそれを「空気のない生命」と定義した。^{[7]この定義は嫌気性呼吸の発見以前になされた。その後、発酵は}基質レベルのリン酸化のみによってATPを形成する異化作用として定義された。^{[1]しかし、}電子伝達系とATP合成酵素を介してATPを形成する発酵経路もいくつか発見されている。^[1]

いくつかの情報源では、発酵をあらゆる大規模な生物学的製造プロセスとして大まかに定義しています。「工業的発酵」を参照してください。この定義は、代謝の詳細ではなく、製造プロセスに重点を置いています。

発酵は生物が代謝に必要なATPエネルギーを生成するために利用されます。^[1] 発酵の利点の1つは、酸素やその他の外部電子受容体を必要としないため、電子受容体が存在しない場合でも発酵を行うことができることです。欠点は、ATPの生成量が比較的少なく、好気呼吸の32と比較して、グルコース1個あたり2〜4.5個しか生成されないことです。^{[1 ]}

細菌と古細菌の25％以上が発酵を行っています。^{[2] [3]} このタイプの代謝はバチルス門で最も一般的であり、放線菌門で最も一般的ではありません。 [ ^2]それらの最も一般的な生息地は、腸などの宿主に関連したものです。^[2]

人間を含む動物も発酵を行っています。^[4] 人間の発酵産物は乳酸であり、無酸素運動中または癌細胞内で生成されます。寄生動物（ヘネグヤ・チョッケイ）が酸素なしで生きられることが知られているように、発酵だけで生き残る動物は知られていません。 ^[9]

発酵ではさまざまな基質が使用され、さまざまな代謝最終産物が形成されます。形成される55の最終産物のうち、最も一般的なものは酢酸と乳酸です。^{[1] [ 2} ] 報告されている46の化学的に定義された基質のうち、最も一般的なものはグルコースとその他の糖です。^{[1] [2]}

有機化合物が発酵すると、より単純な分子に分解され、電子が放出されます。電子は酸化還元補因子に伝達され、次に有機化合物に伝達されます。このプロセスで ATP が生成されますが、これは基質レベルのリン酸化または ATP 合成酵素によって形成されます。

グルコースが発酵されると、解糖系またはペントースリン酸経路に入り、ピルビン酸に変換されます。^[1] ピルビン酸から経路が分岐して、いくつかの最終生成物（乳酸など）が形成されます。いくつかの時点で、電子が放出され、酸化還元補因子（NADおよびフェレドキシン）によって受け入れられます。その後、これらの補因子は最終受容体に電子を供与し、酸化されます。経路のいくつかの時点でATPも生成されます。

発酵は概要は単純ですが、詳細はより複雑です。生物全体で、グルコースの発酵には120を超える異なる生化学反応が関与しています。^[1] さらに、複数の経路が同じ生成物の形成に関与している可能性があります。酢酸をその直接の前駆体（ピルビン酸またはアセチルCoA）から形成するには、6つの別々の経路が発見されています。^[1]

エタノール発酵では、1つのグルコース分子が2つのエタノール分子と2つの二酸化炭素（CO ₂）分子に変換されます。^{[10] [11]}パン生地を膨らませるために使用されます。二酸化炭素が泡を作り、生地を泡状に膨らませます。^{[12] [13]}エタノールは、ワイン、ビール、リキュールなどのアルコール飲料に含まれる酔わせる成分です。^[14]サトウキビ、トウモロコシ、テンサイなどの原料を発酵させると、ガソリンに添加されるエタノールが生成されます。^[15]金魚や鯉などの一部の魚種では、酸素が不足したときにエネルギーを提供します（乳酸発酵と併用）。^[16]

発酵の前に、グルコース分子は2つのピルビン酸分子に分解されます（解糖）。この発熱反応のエネルギーは、無機リン酸をADPに結合させてATPに変換し、NAD ⁺をNADHに変換するために使用されます。ピルビン酸は2つのアセトアルデヒド分子に分解され、廃棄物として2つの二酸化炭素分子を放出します。アセトアルデヒドはNADHからのエネルギーと水素を使用してエタノールに還元され、NADHはNAD ⁺に酸化され、サイクルが繰り返されます。この反応は、ピルビン酸脱炭酸酵素とアルコール脱水素酵素によって触媒されます。^[10]

燃料としてのエタノールの歴史は数世紀に及び、一連の重要なマイルストーンによって特徴づけられている。アメリカの発明家サミュエル・モリーは、1826年にトウモロコシを発酵させてエタノールを初めて生産した。しかし、エタノールが米国で燃料として初めて使用されたのは、1850年代のカリフォルニアのゴールドラッシュまで待たなければならなかった。ルドルフ・ディーゼルは1895年に植物油とエタノールで動くエンジンを実証したが、石油ベースのディーゼルエンジンが広く使用されたため、燃料としてのエタノールの人気は低下した。 1970年代には、石油危機によってエタノールへの関心が再燃し、ブラジルがエタノールの生産と使用のリーダーとなった。 米国は、政府の規制により、1980年代と1990年代にガソリンへの燃料添加剤としてエタノールの大規模な生産を開始した。今日、エタノールは持続可能かつ再生可能な燃料源として研究が続けられており、研究者らはエタノール生産のための新しい技術とバイオマス源を開発しています。

• 1826年: アメリカの発明家サミュエル・モリーがトウモロコシを発酵させてエタノールを初めて生産した。しかし、エタノールが燃料として広く使われるようになったのは、それから何年も後のことだった。(1)
• 1850 年代: エタノールは、カリフォルニアのゴールド ラッシュの時代に米国で初めて燃料として使用されました。鉱山労働者は、エタノールが鯨油よりも安価であったため、ランプやストーブの燃料として使用しました。(2)
• 1895年: ドイツのエンジニア、ルドルフ・ディーゼルが、エタノールを含む植物油で動くように設計されたエンジンを披露しました。しかし、石油を燃料とするディーゼルエンジンが広く普及したため、エタノールは燃料としてあまり人気がありませんでした。(3)
• 1970 年代: 1970 年代の石油危機により、燃料としてのエタノールへの関心が再び高まりました。ブラジルは、バイオ燃料の使用を奨励する政府の政策もあって、エタノールの生産と使用においてリーダー的存在となりました。(4)
• 1980年代～1990年代: 米国はガソリンの燃料添加剤としてエタノールを大規模に生産し始めました。これは、1990年に大気浄化法が可決され、排出量削減のためにエタノールなどの酸素化剤の使用が義務付けられたためです。(5)
• 2000年代から現在: 再生可能で持続可能な燃料としてのエタノールへの関心は続いています。研究者たちはスイッチグラスや藻類などエタノール生産のための新しいバイオマス源を模索し、発酵プロセスの効率を向上させる新しい技術を開発しています。(6)

ホモ乳酸発酵（乳酸のみを生成する）は最も単純なタイプの発酵です。解糖系^[17]からのピルビン酸は単純な酸化還元反応を起こし、乳酸を形成します。^{[18] [19]}全体として、1分子のグルコース（または任意の6炭素糖）は2分子の乳酸に変換されます。

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 2 CH ₃ CHOHCOOH

これは、動物の筋肉が血液よりも速く酸素を供給できるエネルギーを必要とするときに発生します。また、ある種の細菌（乳酸菌など）や一部の真菌にも存在します。ヨーグルトでラクトースから乳酸に変換するタイプの細菌で、ヨーグルトに酸味を与えます。これらの乳酸菌は、最終生成物が主に乳酸であるホモ乳酸発酵、または一部の乳酸がさらにエタノールと二酸化炭素^{[18] （}ホスホケトラーゼ経路経由）、酢酸、またはその他の代謝産物に代謝されるヘテロ乳酸発酵のいずれかを行うことができます。例：

C ₆ H ₁₂ O ₆ → CH ₃ CHOHCOOH + C ₂ H ₅ OH + CO ₂

乳糖が発酵すると（ヨーグルトやチーズなど）、まずグルコースとガラクトース（どちらも同じ原子式を持つ 6 炭素糖）に変換されます。

C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ + H ₂ O → 2 C ₆ H ₁₂ O ₆

ヘテロ乳酸発酵は、ある意味では乳酸発酵と他のタイプ（アルコール発酵など）の中間です。さらに進んで乳酸を他のものに変換する理由には、次のものがあります。

• 乳酸の酸性は生物学的プロセスを妨げます。これは、酸性に適応していない競合相手を追い出すため、発酵生物にとって有益です。その結果、食品の保存期間が長くなります (そもそも食品を意図的に発酵させる理由の 1 つです)。ただし、あるレベルを超えると、酸性はそれを生成する生物に影響を及ぼし始めます。
• 乳酸（発酵の最終生成物）の濃度が高いと平衡が逆転し（ルシャトリエの原理）、発酵が起こる速度が低下し、成長が遅くなります。
• 乳酸が容易に変換されるエタノールは揮発性があり、容易に逃げてしまうため、反応は容易に進行します。CO2_も生成されますが、これは弱酸性であり、エタノールよりもさらに揮発性があります。
• 酢酸（別の変換生成物）は酸性で、エタノールほど揮発性がありません。しかし、酸素が限られている場合、乳酸から酢酸を生成すると追加のエネルギーが放出されます。酢酸は乳酸よりも軽い分子で、周囲との水素結合が少なくなります（このような結合を形成できる基が少ないため）。そのため、揮発性が高く、反応がより速く進行します。
• プロピオン酸、酪酸、およびより長いモノカルボン酸が生成されると、エタノールの場合と同様に、消費されたグルコースあたりの酸の生成量が減少し、成長が速くなります。

水素ガスは、NADHからNAD ^+を再生する方法として、多くの種類の発酵で生成されます。電子はフェレドキシンに伝達され、フェレドキシンがヒドロゲナーゼによって酸化されてH _2が生成されます。^[10]水素ガスはメタン生成菌と硫酸還元菌の基質であり、水素濃度を低く保ち、このようなエネルギーに富んだ化合物の生成を促進しますが、^{[20]それでも、}放屁のようにかなり高濃度の水素ガスが形成されることがあります。^[要出典]

例えば、クロストリジウム・パストゥリアヌムはグルコースを酪酸、酢酸、二酸化炭素、水素ガスに発酵させる： ^[21]酢酸に至る反応は次の通りである：

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 4 H ₂ O → 2 CH ₃ COO ⁻ + 2 HCO ₃ ⁻ + 4 H ⁺ + 4 H ₂

グリオキシル酸発酵は、グリオキシル酸を窒素源として利用できる微生物によって行われる発酵の一種である。^[22]

その他の発酵法としては、混合酸発酵、ブタンジオール発酵、酪酸発酵、カプロン酸発酵、アセトン・ブタノール・エタノール発酵などがある。^{[23] [要出典]}

食品および工業の分野では、制御された容器内で生物によって行われるあらゆる化学変化は「発酵」と呼ばれます。以下は生化学的な意味には当てはまりませんが、より広い意味で発酵と呼ばれています。

発酵は代替タンパク質源を作るために使用できます。発酵は、大豆などの植物由来のものを含む既存のタンパク質食品を、テンペや発酵豆腐などのより風味豊かな形に変える場合によく使用されます。

より現代的な「発酵」は、肉代替品、牛乳代替品、チーズ代替品、卵代替品の製造に役立つ組み換えタンパク質を生成します。いくつかの例は次のとおりです。^[24]

• フェイクミート用組み換えミオグロビン（Motif Foodworks）
• フェイクミート用組み換えレグヘモグロビン（ Impossible Foods）
• 乳製品の代替として組み換えホエイ（パーフェクトデイ）
• 組み換え卵白（EVERY）

ミオグロビンやヘモグロビンなどのヘムタンパク質は、肉に特徴的な食感、風味、色、香りを与えます。ミオグロビンとレグヘモグロビンの成分は、肉ではなくタンクから得られるにもかかわらず、この特性を再現するために使用できます。^{[24] [25]}

工業的発酵は酵素生産に利用することができ、触媒活性を持つタンパク質が微生物によって生産され、分泌される。発酵プロセス、微生物株工学、組み換え遺伝子技術の発達により、幅広い酵素の商業化が可能になった。酵素は、食品（乳糖除去、チーズ風味）、飲料（ジュース処理）、ベーキング（パンの柔らかさ、生地の調整）、動物飼料、洗剤（タンパク質、デンプン、脂質の汚れ除去）、繊維、パーソナルケア、パルプ・製紙産業など、あらゆる産業分野で使用されている。^[26]

ほとんどの工業的発酵ではバッチ法またはフェドバッチ法が採用されているが、無菌性を維持することの難しさなど、さまざまな課題を克服できれば連続発酵の方が経済的となる可能性がある。^[27]

バッチプロセスでは、すべての成分が混合され、それ以上の入力なしで反応が進行します。バッチ発酵は、パンやアルコール飲料の製造に何千年も使用されており、特にプロセスがよく理解されていない場合は、今でも一般的な方法です。^{[28] : 1}ただし、バッチ間で高圧蒸気を使用して発酵槽を滅菌する必要があるため、コストがかかる場合があります。^[27]厳密に言えば、pHを制御したり、泡立ちを抑えたりするために、少量の化学物質が添加されることがよくあります。^{[28] : 25}

バッチ発酵は一連の段階を経る。細胞が環境に適応する遅延段階があり、その後指数関数的に増殖する段階がある。栄養素の多くが消費されると、増殖は遅くなり、指数関数的ではないが、二次代謝産物（商業的に重要な抗生物質や酵素を含む）の生成が加速する。これは、栄養素のほとんどが消費された後も定常段階を経て続き、その後細胞は死滅する。^{[28] : 25}

フェドバッチ発酵は、バッチ発酵のバリエーションで、発酵中に一部の原料が添加されます。これにより、プロセスの段階をより細かく制御できます。特に、非指数関数的増殖期に限られた量の栄養素を添加することで、二次代謝産物の生産を増やすことができます。フェドバッチ操作は、バッチ操作の間に挟まれることがよくあります。^{[28] : 1  [29]}

バッチ間の発酵槽の殺菌にかかる高額な費用は、汚染に強いさまざまな開放発酵法を使うことで回避できる。そのひとつは、自然に進化した混合培養法を使うことだ。混合培養法は、混合した集団がさまざまな廃棄物に適応できるため、特に廃水処理に好まれる。好熱菌は、微生物汚染を防ぐのに十分な約50℃の温度で乳酸を生成でき、エタノールは70℃の温度で生成されている。これは、エタノールの沸点（78℃）よりわずかに低いため、抽出が容易である。好塩菌は、高塩分条件下でバイオプラスチックを生成できる。固体発酵は、固体基質に少量の水を加える。食品業界では、香料、酵素、有機酸を生成するために広く使用されている。^[27]

連続発酵では、基質が連続的に添加され、最終生成物が連続的に除去される。^[27] 3つの種類がある。栄養レベルを一定に保つケモスタット、細胞質量を一定に保つタービドスタット、細胞が出口から入口にリサイクルされる間に培養培地がチューブ内を安定して流れるプラグフローリアクターである。 ^[29]プロセスがうまく機能する場合、供給物と排出物の安定した流れがあり、バッチを繰り返しセットアップするコストが回避されます。また、指数関数的増殖段階を延長し、反応を阻害する副産物を連続的に除去することで回避できます。ただし、定常状態を維持して汚染を回避することは難しく、設計が複雑になる傾向があります。 [ ^27]通常、バッチプロセッサよりも経済的にするには、発酵槽を500時間以上稼働させる必要があります。^[29]

発酵、特に飲料への利用は新石器時代から存在し、中国の賈湖では紀元前7000年から6600年まで遡る記録がある。^[30]インドでは紀元前5000年、アーユルヴェーダには多くの薬用ワインについて言及されている。ジョージアでは紀元前6000年、^[31]古代エジプトでは紀元前3150年、^[32]バビロンでは紀元前3000年、^[33]スペイン人以前のメキシコでは紀元前2000年、^[33]スーダンでは紀元前1500年^[34]。発酵食品はユダヤ教とキリスト教において宗教的な意味を持つ。バルト海の神ルグティスは発酵の媒介者として崇拝された。^{[35] [36]}錬金術 では、発酵（「腐敗」）は山羊座によって象徴された。 ♑︎ . ^[要出典]

1837年、シャルル・カニャール・ド・ラ・トゥール、テオドール・シュワン、フリードリヒ・トラウゴット・キュッツィングはそれぞれ独立して論文を発表し、顕微鏡による調査の結果、酵母は出芽によって繁殖する生物であると結論付けた。^{[37] [38] : 6}シュワンはブドウジュースを煮沸して酵母を殺し、新しい酵母を加えない限り発酵は起こらないことを発見した。しかし、アントワーヌ・ラボアジエを含む多くの化学者は、発酵を単純な化学反応と見なし続けて、生物が関与しているという考えを否定した。これは生気論への回帰と見なされ、ユストゥス・フォン・リービッヒとフリードリヒ・ヴェーラーの匿名の出版物で風刺された。^{[39] : 108–109}

転機となったのは、1850年代から1860年代にかけてルイ・パスツール（1822–1895）がシュワンの実験を繰り返し、一連の調査で発酵が生物によって開始されることを示したときでした。 ^{[19] [38] : 6} 1857年、パスツールは乳酸発酵が生物によって引き起こされることを示しました。^[40] 1860年、彼は細菌が牛乳を酸っぱくする仕組みを実証しました。これは以前は単なる化学変化であると考えられていました。食品の腐敗における微生物の役割を特定する彼の研究は、低温殺菌のプロセスにつながりました。^[41]

1877年、フランスの醸造産業の改善に取り組んでいたパスツールは、発酵に関する有名な論文「ビールの研究」を出版しました。これは1879年に「発酵に関する研究」として英語に翻訳されました。^[42]彼は発酵を（誤って）「空気のない生命」と定義しましたが、^[43]特定の種類の微生物が特定の種類の発酵と特定の最終製品を引き起こす方法を正しく示しました。^[要出典]

発酵が生きた微生物の働きによって起こるということを示すことは画期的な進歩であったが、発酵の基本的な性質を説明するものではなかったし、発酵が常に存在しているように見える微生物によって引き起こされることを証明するものでもなかった。パスツールを含む多くの科学者が酵母から発酵酵素を抽出しようと試みたが、失敗していた。^[43]

1897年、ドイツの化学者エドゥアルト・ブフナーが酵母を粉砕し、そこからジュースを抽出し、驚いたことに、この「死んだ」液体が砂糖溶液を発酵させ、生きた酵母のように二酸化炭素とアルコールを生成することを発見し、成功を収めました。^[44]

ブフナーの成果は生化学の誕生を象徴するものと考えられている。「非組織化発酵」は組織化発酵と全く同じように振る舞った。その時から、酵素という用語はすべての発酵に適用されるようになった。発酵は微生物によって生成される酵素によって引き起こされるということが理解された。^[45] 1907年、ブフナーは彼の研究によりノーベル化学賞を受賞した。 ^[46]

微生物学と発酵技術の進歩は現在まで着実に続いています。例えば、1930年代には、微生物を物理的および化学的処理で変異させることで、収量を増やし、成長を早め、酸素の少ない環境に耐え、より濃縮された培地を使用できることが発見されました。^{[47] [48]}菌株の選択と交配も発達し、現代のほとんどの食品発酵に影響を与えています。^[要出典]

発酵の分野は、食品や飲料から工業用化学薬品や医薬品まで、幅広い消費財の生産に欠かせないものとなっています。古代文明で始まった発酵の使用は、新しい技術やテクノロジーが製品の品質、収量、効率の向上を推進しながら、進化と拡大を続けてきました。1930 年代以降、抗生物質や酵素などの高価値製品を生産するための新しいプロセスの開発、バルク化学品の生産における発酵の重要性の高まり、機能性食品や栄養補助食品の生産における発酵の使用への関心の高まりなど、発酵技術において多くの重要な進歩が見られました。

1950 年代と 1960 年代には、固定化細胞や酵素の使用などの新しい発酵技術が開発され、発酵プロセスをより正確に制御できるようになり、抗生物質や酵素などの高価値製品の生産が増加しました。1970 年代と 1980 年代には、エタノール、乳酸、クエン酸などのバルク化学物質の生産において発酵がますます重要になりました。これにより、新しい発酵技術が開発され、遺伝子組み換え微生物を使用して収量を向上させ、生産コストを削減しました。1990 年代と 2000 年代には、基本的な栄養を超えた健康上の利点を持つ機能性食品や栄養補助食品の生産に発酵を使用することに関心が高まりました。これにより、新しい発酵プロセスが開発され、プロバイオティクスやその他の機能性成分が使用されるようになりました。

全体的に、1930 年以降は工業目的での発酵の利用において大きな進歩が見られ、現在世界中で消費されているさまざまな発酵製品が生産されるようになりました。

ウィキソースには、1911 年のブリタニカ百科事典の記事「発酵」のテキストがあります。

ウィキメディア・コモンズには、発酵に関連するメディアがあります。

• ルイ・パスツールの著作 – パスツール醸造所 (2010 年 6 月 24 日アーカイブ)
• 発酵と呼吸の背後にある化学的論理（2008 年 9 月 17 日アーカイブ）