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生化学において、発酵理論とは、自然発酵プロセス、特にアルコール発酵と乳酸発酵のモデルの歴史的研究を指す。この理論の著名な貢献者には、ユストゥス・フォン・リービッヒとルイ・パスツールがおり、後者は自身の実験に基づいて発酵プロセスの純粋に微生物的な基礎を開発した。パスツールの発酵に関する研究は後に、自然発生の概念に終止符を打つ病気の細菌理論の開発につながった。 [1]パスツールの理論が確立される以前から、発酵プロセスは歴史を通じて広く利用されてきたが、その根底にある生物学的および化学的プロセスは十分に理解されていなかった。現代では、発酵はさまざまなアルコール飲料、食品、医薬品の製造に使用されている。[2] [3]
発酵の概要
発酵は、酸素が欠乏した環境で糖を酸、ガス、またはアルコールに変換する嫌気性代謝プロセスです。酵母や他の多くの微生物は、生存に必要な嫌気性呼吸を行うために一般的に発酵を使用しています。人間の体でも、長距離走中など、時々発酵プロセスを実行します。長期にわたる運動の過程で乳酸が筋肉に蓄積されます。人間の体内で、乳酸は ATP 生成発酵の副産物であり、酸素摂取が十分な速さで処理できない状況でも体が運動を続けられるようにエネルギーを生成します。発酵は好気呼吸よりも ATP を少なく生成しますが、はるかに高い速度で発生する可能性があります。発酵は紀元前 5000 年頃から人類によって意識的に使用されており、その証拠として、イランのザグロス山脈地域で発見された壺に、ワイン製造プロセスに存在するものと同様の微生物の残骸が含まれていました。
歴史
パスツールの発酵研究以前には、発酵に関していくつかの競合する概念が存在していた。発酵理論に多大な影響を与えた科学者の一人がユストゥス・フォン・リービッヒである。リービッヒは、発酵は主に酵母が空気と水にさらされることによって起こる分解過程であると信じていた。 [4]この理論は、腐った植物や動物の一部など、他の分解物質が酵母と同様に糖と相互作用するというリービッヒの観察によって裏付けられた。つまり、タンパク質（水溶性タンパク質）の分解によって糖がアルコールに変化するのである。[4] [5]リービッヒは1873年に亡くなるまでこの見解を維持した。[4]シャルル・カニャール・ド・ラ・トゥールと細胞理論家テオドール・シュワンは、アルコール発酵はビール酵母によって行われる生物学的プロセスに依存すると主張した別の理論を支持した。[6] [5]
ルイ・パスツールが発酵に興味を持ったのは、生化学の研究中に、乳酸とアルコールの発酵によって生成される副産物であるアミルアルコールの驚くべき特性に気づいたときでした。特にパスツールは、その「偏光面を回転させる」能力と「原子の非対称な配置」に注目した。[4]これらの挙動はパスツールが以前に調べた有機化合物の特徴であったが、「半面相関の法則」に関するパスツール自身の研究にも障害となった。[6] [7]パスツールは以前に物質の化学構造と外形との関係を導き出そうとしていたが、光学活性アミルアルコールは提案された「法則」によれば彼の期待に沿わなかった。[6]パスツールは、なぜこの例外が起こったのか、そもそもなぜそのような化合物が発酵プロセス中に生成されたのかの理由を求めた。[6] 1860年後半の一連の講義で、パスツールは光学活性と分子の非対称性を物質の有機起源に結び付けようとし、対称物質（無機）を非対称物質（有機）に変換できる化学プロセスはないと主張した。[6]したがって、アミルアルコールの観察は、発酵。
1856年、パスツールはリール大学の理学教授として、顕微鏡下でアルコール発酵を司る微生物を観察することができた。[4] [6] 1900年のパスツールの伝記に由来する伝説によると、リールのビートアルコール工場の所有者である彼の化学の学生の1人が、醸造の失敗の1年後に彼に助けを求めた。[6]パスツールは工場で発酵プロセスを観察する実験を行い、乳酸が形成された後に酵母の球状体が細長くなるが、アルコールが正しく発酵しているときは丸く膨らむことに気付いた。[6]
別の観察では、パスツールは顕微鏡でブドウの木に由来する粒子を調べ、生きた細胞の存在を明らかにした。これらの細胞をブドウジュースに浸したままにしておくと、活発なアルコール発酵が起こった。この観察は、ワインの「人工的な」発酵と酵母製品の「真の」発酵との区別を終わらせる証拠を提供した。[4]以前の誤った区別は、望ましいアルコール発酵を誘発するためにはビール麦汁に酵母を加える必要があったが、ワインの発酵触媒はブドウの木に自然に存在していたという事実に一部起因していた。ワインの発酵は追加の触媒を必要としないため「人工的」であると考えられていたが、天然の触媒はブドウの木自体に存在していた。[8]これらの観察は、パスツールに将来の実験のための仮説を提供した。[6] [7]
パスツールが研究した化学プロセスの一つは、牛乳が酸っぱくなるときに起こる糖の乳酸への発酵であった。1857年の実験で、パスツールは化学プロセスが起こった後に乳酸発酵物に存在する微生物を分離することができた。[9]その後、パスツールは実験室で微生物を培養した。そして、培養したサンプルを新鮮な牛乳に投与することで、乳酸発酵プロセスを加速することができた。[7]これは、乳酸発酵が微生物によって触媒されるという彼の仮説を証明する重要なステップであった。[7] [9]
パスツールは、有機窒素が存在しない状態でのビール酵母のメカニズムについても実験した。[6]純粋なビール酵母をサトウキビ糖、アンモニウム塩、酵母灰の溶液に加えることで、パスツールは、通常の副産物であるグリセリン、コハク酸、少量のセルロースと脂肪分とともにアルコール発酵プロセスを観察することができた。 [6]しかし、溶液から成分のいずれかを除去すると、発酵は起こらない。パスツールにとって、これは酵母が代謝プロセスに培地からの窒素、ミネラル、炭素を必要とし、炭酸とエチルアルコールを副産物として放出する証拠であった。[5] [6]これはまた、培地にアルブミン質が存在しなかったため、リービッヒの理論を反証するものでもあった。酵母の分解は、観察された発酵の原動力ではなかった。[5] [6]
自然発生に関するパスツール
パスツールがこの理論に関する著作を発表した1860年代から1870年代以前は、微生物やカエルなどの一部の小動物でさえも自然発生的に発生すると信じられていた。自然発生は歴史的にさまざまな方法で説明されてきた。古代ギリシャの哲学者アリストテレスは、粘土や泥が水と日光と混ざり合うなど、地球上の要素の特定の混合物から生物が出現すると理論づけた。[10]その後、フェリックス・プーシェは、植物や動物の残骸の中に「可塑性力」が存在し、卵を自然発生的に発生させ、これらの卵から新しい生物が生まれると主張した。[5] [6]さらに、この理論を裏付けると思われる一般的な証拠は、生の肉を空気中にさらした後にその肉にウジ虫が発生することだ。
1860年代と1870年代に、パスツールは自然発生に興味を持ち、プーシェの理論を批判し、独自の実験を行った。[6]最初の実験では、沸騰させた砂糖酵母水を気密装置に密封した。熱くて無菌の空気を混合物に送り込むと変化しなかったが、大気中の塵埃を導入すると混合物の中に微生物とカビが発生した。[5] [6]この結果は、パスツールが大気中の塵埃を運ぶために完全に無機物の一種であるアスベストを使用したという事実によっても裏付けられた。2番目の実験では、パスツールは同じフラスコと砂糖酵母混合物を使用したが、異物を導入する代わりに「スワンネック」フラスコに入れて放置した。いくつかのフラスコは対照群として一般的な空気にさらしたままにされ、これらは1、2日以内にカビと微生物の増殖を示した。スワンネックフラスコで同じ微生物の増殖が見られなかったため、パスツールはフラスコの首の構造が大気中の塵埃が溶液に侵入するのを妨げていると結論付けた。[5] [6]パスツールは2つの実験から、大気中の塵埃が培養液中の「自然発生」の原因となる細菌を運んでいると結論付けた。[6]このように、パスツールの研究は、栄養培養液中の細菌の出現増殖は、何らかの形の自然発生ではなく、生合成によって引き起こされることを証明した。
アプリケーション
今日、発酵のプロセスは、医薬品、飲料、食品など、日常のさまざまな用途に使用されています。現在、ジェネンコア・インターナショナルなどの企業は、発酵に関与する酵素の生産を利用して、年間4億ドル以上の収益を上げています。[3]抗生物質などの多くの医薬品は、発酵プロセスによって生産されています。一例として、重要な薬物であるコルチゾンは、ジオスゲニンと呼ばれる植物ステロイドの発酵によって製造できます。
反応に使用される酵素は、カビのリゾープス・ニグリカンスによって提供されます。[11]よく知られているように、あらゆる種類とブランドのアルコールも発酵と蒸留によって生産されます。密造酒は、これがどのように行われるかの典型的な例です。最後に、ヨーグルトなどの食品も発酵プロセスによって作られています。ヨーグルトは、特徴的な細菌培養物であるラクトバチルス・ブルガリカスとストレプトコッカス・サーモパイルを含む発酵乳製品です。[12]
参照
参考文献
- ^ パスツール、ルイ。「発酵の生理学的理論」フォーダム大学。 2014年3月13日閲覧。
- ^ Fiachson, Refr.「発酵の理論と実践」。Viking Food Guy 。 2014年3月13日閲覧。
- ^ ab Slonczewski, Joan (2009). Microbiology: An Evolving Science 2nd edition . ニューヨーク: WW Norton.
- ^ abcdef コナント、ジェームズ・ブライアント ; ナッシュ、レナード・K. ; ローラー、デュアン ; ローラー、デュアン HD: ハーバード実験科学事例集。第 2 巻。マサチューセッツ州ケンブリッジ。ISBN 978-0-674-59871-3. OCLC 979880864.
- ^ abcdefg ベン＝メナヘム、アリ。 （2009年）。自然科学と数学の歴史に関する百科事典。ベルリン：シュプリンガー。ISBN 978-3-540-68832-7. OCLC 318545341.
- ^ abcdefghijklmnopqr ゲイソン、ジェラルド L.、1943- (2014 年 7 月 14 日)。ルイ・パスツールの私的科学。ニュージャージー州プリンストン。ISBN 978-1-4008-6408-9. OCLC 889252696.
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- ^ ab “Louis Pasteur | Lemelson-MIT Program”. lemelson.mit.edu . 2020年2月16日閲覧。
- ^ Lehoux, Daryn, 1968- (2017年11月19日).泥とスライムから生まれた生き物：自然発生の不思議と複雑さ。ボルチモア。ISBN 978-1-4214-2382-1. OCLC 1011094577.
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- ^ 「ミルクに関する事実」。ヨーグルト製造。2014年3月30日閲覧。