発酵：生物学的過程、歴史、実用的な応用

主な特徴

発酵経路は、外部酸化剤を用いる電子伝達系を使用しない点で好気呼吸と異なる。代わりに、細胞内の電子受容体に依存する。共通する特徴として、解糖系が中心的役割を果たすこと、補酵素NADが再利用されること、そして糖1分子当たりのATP収量が酸化的呼吸より限られることが挙げられる。多くの微生物は、NADHをNAD+へ酸化して代謝を維持しながら、ピルビン酸をエタノール、乳酸、または有機酸などの異なる最終産物へ変換する。

一般的な種類と生成物

• アルコール発酵：酵母などの生物が行い、糖を二酸化炭素とアルコール（エタノール）へ変換する。エタノールは飲料に用いられるほか、バイオ燃料としても利用される。
• 乳酸発酵：乳酸菌および一部の動物細胞が行い、ヨーグルト、チーズ、筋肉の代謝に重要な乳酸を生成する。
• 酢酸の生産：一部の微生物はエタノールをさらに酸化し、酢（酢酸）へ変換する。これはアルコール生成に続いて起こりうる別個の過程である。

歴史と科学的発展

発酵に関する現代的な理解は、ルイ・パスツールなどの科学者がこの過程の微生物学的起源を研究し、特定の生物が異なる発酵を担うことを示した19世紀にさかのぼる。パスツールの研究は、微生物学と、発酵過程およびその制御を研究する応用分野である発酵学の確立に寄与した。

用途、例と重要性

発酵は、食品の保存と風味の形成（パン、チーズ、キムチ、サワードウ）、飲料の生産（ビール、ワイン、蒸留酒。これにはワイン製造で用いられる変換段階が含まれる）、酸や溶媒の工業的合成、再生可能燃料の生成など、幅広い分野を支えている。製パンでは酵母が生じる二酸化炭素が生地を膨らませ、醸造では酵母の代謝によってエタノールと香気化合物が生成される。また、組成の定められた培地で微生物を培養し、生化学品を大規模に生産するためにも用いられる。

区別と注目すべき事項

低酸素条件での代謝がすべて、厳密な生化学的意味での発酵であるわけではない。一部の経路は代替的な電子受容体を用いる嫌気呼吸である。そのため、この語は細胞内で起こる酵素触媒性の酸化還元段階の一群と、有用な産物を得るために基質上で微生物を増殖させる応用技術の一群の両方を表しうる。概要や手順については、微生物学および生化学工学の専門資料や総説を参照するとよい（歴史的研究と現代の文献が背景を示す）。

関連する概念には、代謝における酸化還元バランスの役割、細胞によるエネルギーと補因子の管理、さらに菌株の選定、温度と基質の制御といった、発酵過程の結果と安全性を左右する実務的段階がある。入門資料やレシピについては、多くの教育資料や実験マニュアルが利用できる（エタノール、酢酸、乳酸発酵の例）。工業的応用は生化学工学の文献で扱われている（基質の取扱いと細胞培養戦略）。

さらに読むための資料や実用的な手引きについては、微生物学および食品科学の総合的な概説や専門的な入門資料へのリンクを参照するとよい。そこでは酵母の利用、代謝の基礎、応用発酵プロセスの設計が取り上げられる。工程を生産規模へ拡大する際には、安全性および規制に関して認定された参考資料を確認する必要がある。