Fermentation - fermentation

Japanese: 発酵 - はっこう（英語表記）fermentation

The original definition of fermentation was that it was a reaction that took place anaerobicly, in which organic matter was broken down by the action of microorganisms and transformed into simpler substances. However, in recent times, reactions that proceed in the presence of oxygen are also sometimes called fermentation. Not all reactions that fit this definition are called fermentation, and it excludes putrefaction, which is a harmful reaction, and is called fermentation when the action is particularly useful to humans. A typical example is alcoholic fermentation, in which alcohol and carbon dioxide are produced from sugar by the action of yeast. Many other fermentation phenomena are known, including lactic acid fermentation, acetic acid fermentation, and amino acid fermentation. In addition, fermentation that takes place in the first stomach of ruminant animals such as cows and sheep, which have multiple stomachs, is carried out by the action of protozoa and bacteria, and is called ruminal fermentation. From a biochemical perspective, fermentation is understood as a form of energy acquisition for living organisms, along with respiration and photosynthesis, but it is a chemical reaction catalyzed by enzymes contained in microorganisms. Special examples include black tea and oolong tea. Fermented tea (black tea) is made by fully utilizing the activity of the enzymes contained in tea leaves, while semi-fermented tea (oolong tea) is made by stopping the activity of the enzymes halfway through.

Since ancient times, humans have used the phenomenon of microbial fermentation to produce fermented foods such as alcohol, vinegar, cheese, and lactic acid drinks, but for a long time, the cause of fermentation was unknown and considered mysterious. The study of fermentation began with the study of alcohol, especially wine. In other words, as wine production, which had been carried out based on experience, grew into a major industry in Europe, the demand for elucidating the principles of fermentation and for the stable production of better tasting wine increased. The quantitative chemical analysis method, which began with Lavoisier, who is said to be the father of modern chemistry, was the first to remove one of the veils of alcoholic fermentation. Lavoisier announced that alcoholic fermentation is the phenomenon in which glucose is broken down into alcohol and carbon dioxide, and in the early 19th century, Gay-Lussac and J. B. A. Dumas created a chemical equation for alcoholic fermentation, which produces two molecules of ethyl alcohol and two molecules of carbon dioxide from one molecule of glucose. However, it was still unknown what caused this chemical change, and many scholars repeatedly debated it. It was Pasteur who put an end to this debate and demonstrated that fermentation is a phenomenon caused by the action of specific microorganisms. Through his research into alcoholic fermentation, lactic acid fermentation, and acetic acid fermentation, he proved beyond doubt that each of these fermentation phenomena is caused by the action of specific microorganisms, and refuted the theories of chemists such as Berzelius and Liebig, who claimed that fermentation occurs through the catalytic action of inanimate matter. After Pasteur's death, in 1897, Büchner discovered that alcoholic fermentation could occur even in extracts of completely crushed yeast, experimentally demonstrating that fermentation is caused by the catalytic action of enzymes in yeast cells. Later, toward the beginning of the 20th century, many enzyme chemists, including Harden, S. Young, and Carl Neuberg (1877-1956), discovered and isolated enzymes and coenzymes involved in fermentation from yeast extracts, and the mechanism of alcoholic fermentation became clear in detail.

[Masahiro Yamaguchi]

kinds

Fermentation in the true sense of the word, which proceeds in an anaerobic state, includes alcoholic fermentation by yeast, lactic acid fermentation by lactic acid bacteria, butyric acid fermentation/acetone-butanol fermentation by butyric acid bacteria, propionic acid fermentation by propionic acid bacteria, methane fermentation by methanogens, and mixed acid fermentation by Escherichia coli. On the other hand, acetic acid fermentation, which produces acetic acid from alcohol using the oxidizing ability of acetic acid bacteria, is a typical example that requires the presence of oxygen. Although this does not fall under the narrow definition of fermentation in terms of the form of energy acquisition, it is still called fermentation because a large amount of useful substances are produced by the action of microorganisms, and is also called oxidative fermentation. In addition, amino acid fermentation by Corynebacterium and organic acid fermentation by many molds also require the presence of oxygen.

The above is the fermentation phenomenon, in which a large amount of useful substances are produced as a result of the metabolic activity essential for the survival of microorganisms. In contrast, antibiotics such as penicillin and kanamycin are secondary metabolic products and are not essential to the microorganisms that produce them. However, this is extremely important industrially and is called fermentation production. In other words, today, the production of useful substances with the help of microorganisms is broadly called fermentation, and in fermentation for the purpose of substance production, specific microorganisms are usually used in pure culture. In the case of brewing, even though the same fermentation phenomenon is used, it is different from other processes in that the growth of multiple microorganisms is artificially controlled to obtain the product. However, in recent years, there have been many attempts to improve production efficiency and flavor in brewing by using biotechnology to improve specific microorganisms and using equipment with immobilized microorganisms, and the strict distinction between fermentation and brewing is gradually disappearing.

[Masahiro Yamaguchi]

[Reference item] | Enzymes | Fermentation industry

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

微生物の作用によって有機物が分解され、より単純な物質に変化する反応のうち、無酸素的に行われるものをさしたのが、発酵の最初の定義であった。しかし、最近では酸素の存在下で進行する反応も発酵とよばれることがある。この定義に当てはまる反応をすべて発酵とよぶわけではなく、有害な反応である腐敗は除外し、とくにその作用が人間にとって有用である場合を発酵とよんでいる。代表的なものは、酵母の作用によって糖からアルコールと炭酸ガスが生じるアルコール発酵である。そのほか乳酸発酵、酢酸発酵、アミノ酸発酵など多くの発酵現象が知られている。また、複数の胃をもつウシやヒツジなど反芻(はんすう)動物の第一胃の中で、原虫や細菌の作用によって行われる発酵があり、これをルーメン発酵とよぶ。発酵は生化学的にみて、呼吸や光合成と並ぶ生物のエネルギー獲得の一形式と理解されるが、それは微生物のもつ酵素によって触媒される化学反応である。特殊な例としては、紅茶とウーロン茶がある。チャの葉に含まれる酵素の働きを十分に活用して製造したのが発酵茶（紅茶）であり、酵素の活性を途中で止めてつくるのが半発酵茶（ウーロン茶）である。

　人類は古来、酒、酢、チーズ、乳酸飲料など醸造食品の製造に微生物の発酵現象を利用してきたが、発酵が何によっておこるかについては長い間不明で、神秘的なものとされてきた。発酵の学問は酒、とくにぶどう酒の研究から始まった。すなわち、経験を頼りに行われていたぶどう酒製造がヨーロッパで大きな産業に成長するとともに、発酵の原理を明らかにして、よりうまいぶどう酒を安定的に生産したいという要求が高まってきたのが、その動機であった。近代化学の父といわれるラボアジエに始まる定量的化学分析法が、まずアルコール発酵のベールの一枚をはがした。ラボアジエは、ブドウ糖がアルコールと炭酸ガスに分解する現象がアルコール発酵であることを発表し、19世紀の初期にはゲイ・リュサックやJ・B・A・デュマによって、1分子のブドウ糖から2分子のエチルアルコールと2分子の炭酸ガスが生成するアルコール発酵の化学方程式がつくられた。しかし、この化学変化が何によっておこるかはなお不明で、多くの学者の間で論争が繰り返された。この論争にくぎりをつけ、発酵は特殊な微生物の作用によっておこる現象であることを明らかにしたのは、パスツールである。彼はアルコール発酵、乳酸発酵、酢酸発酵などの研究を通じて、これらの発酵現象がそれぞれ固有の微生物の働きによることを疑問の余地なく証明し、発酵は無生物の触媒作用によっておこると主張していたベルツェリウスやリービヒら化学者の説を否定した。パスツールの死後、ブフナーは1897年、完全に擦りつぶした酵母の抽出液でもアルコール発酵がおこることを発見し、発酵が酵母細胞中にある酵素の触媒作用によることが実験的に示された。その後、20世紀初頭にかけて、ハーデン、S・ヤング、ノイベルクCarl Neuberg（1877―1956）ら多くの酵素化学者により酵母抽出液から発酵に関与する酵素や補酵素が次々と発見・分離され、それに伴ってアルコール発酵の機序が細部にわたって明らかになった。

［山口雅弘］

種類

無酸素状態で進行する本来の意味の発酵としては、酵母によるアルコール発酵、乳酸菌による乳酸発酵、酪酸菌による酪酸発酵・アセトンブタノール発酵、プロピオン酸菌によるプロピオン酸発酵、メタン細菌によるメタン発酵、大腸菌による混合酸発酵がある。他方、酸素の存在を必要とするものとしては、酢酸菌の酸化能力によってアルコールから酢酸を生ずる酢酸発酵が代表的な例である。これはエネルギーの獲得形式からいうと狭義の発酵には当てはまらないが、微生物の働きによって大量の有用物質が生産されることから同様に発酵とよばれ、酸化発酵ともいわれる。また、コリネバクテリウムCorynebacteriumによるアミノ酸発酵や多くのカビによる有機酸発酵なども、酸素の存在が必要である。

　以上が微生物の生命維持に不可欠な代謝活動の結果、大量の有用物質がつくられる発酵現象であるが、これに対してペニシリンやカナマイシンなど抗生物質は二次代謝産物であり、それらを生産する微生物にとって必要不可欠なものではない。しかし、これは産業上きわめて重要な意味をもち、発酵生産とよばれている。つまり、今日では微生物の力を借りて有用物質を生産することを広く発酵とよんでいるわけで、物質生産を目的とした発酵では特定の微生物を純粋培養して用いるのが普通である。醸造の場合は同じ発酵現象を利用するにしても、複数の微生物の増殖を人為的に制御して製品を得る点でほかと異なる。しかし、最近では醸造においてもバイオテクノロジーを利用して特定の微生物を改良したり、微生物を固定化した装置を用いるなどして生産の効率化、風味の向上を図る試みが盛んに行われており、発酵と醸造の厳密な意味での区別はなくなりつつある。

［山口雅弘］

[参照項目] | 酵素 | 発酵工業

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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