周嘉華

(中國科學(xué)院 自然科學(xué)史研究所,北京　100190)

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曲糵發(fā)酵*①

周嘉華

(中國科學(xué)院 自然科學(xué)史研究所,北京100190)

中國傳統(tǒng)釀造的技術(shù)特色是曲糵發(fā)酵，它不僅造就了中國的酒、醋、醬等發(fā)酵產(chǎn)品在世界食林中獨(dú)樹一幟和倍受贊賞，同時(shí)它作為古老的微生物工業(yè)的精粹，一直造福于人們的物質(zhì)生活，它所積累的經(jīng)驗(yàn)和知識至今仍是現(xiàn)代生物技術(shù)的基石.

曲糵；酒；醋；醬；微生物；菌系；微生物工業(yè)；現(xiàn)代生物技術(shù)

一

曲糵發(fā)酵主要指中國的傳統(tǒng)釀造的核心技藝，特別是釀酒技術(shù).從古至今，中國的酒、醋、醬就有自己的特色，在世界上獨(dú)樹一幟.許多酒友都知道，無論是中國的黃酒，還是白酒都與西方的葡萄酒、威士忌、白蘭地、金酒、伏特加等不一樣.不僅口感不同，呈香也不一樣.這因?yàn)獒勗斓募妓囉泻艽蟛町?中國傳統(tǒng)釀造技藝的最大特色是使用了曲，而且強(qiáng)調(diào)曲是釀酒工藝中的“骨”即靈魂.用現(xiàn)代的科學(xué)術(shù)語來表達(dá)，酒曲是多菌多酶的生物制品.它實(shí)際上是專職培養(yǎng)、馴化霉菌的，用于優(yōu)化、催化發(fā)酵反應(yīng)的特制試劑.中國先民發(fā)明酒曲，通過它來篩選釀造中有益微生物的種群，并馴化、培育這些優(yōu)良菌系，從而保障釀酒過程是在優(yōu)良的菌系的幫助下完成發(fā)酵，最終獲得高質(zhì)量的酒.中國傳統(tǒng)釀造技藝的第二個(gè)特色是摸索出一整套適宜制曲、釀酒的控溫、控濕、最佳釀造氛圍的技術(shù)(包括環(huán)境)的手段.應(yīng)用這些技術(shù)手段的實(shí)質(zhì)是為釀造中的有益霉菌創(chuàng)造一個(gè)正常繁衍的環(huán)境，使發(fā)酵過程處于掌控之中.從制曲到釀造，中國先民都是在與霉菌——多種微生物打交道，無形之中積累了與霉菌和諧相處，相互利用的許多經(jīng)驗(yàn).中國酒的釀造正因?yàn)槭褂昧司魄?，讓多種有益霉菌參與了發(fā)酵過程，它們又各顯其能，有的將淀粉分解為單糖，有的將蛋白質(zhì)分解為氨基酸；有的分解脂肪為多元醇，從而讓中國的酒具有豐富的構(gòu)成而有自己獨(dú)特的口感醇香.

許多人都知道，在中國，無論是陳醋、熏醋、香醋、米醋，它們都是以谷物為原料經(jīng)發(fā)酵而制成.在西方家庭的餐桌或廚房里，常見的調(diào)味品主要有番茄醬、沙拉醬、芥末醬、辣椒醬等，酸味的調(diào)味品主要是各式酸果汁，甚至直接釆用擠榨的檸檬汁，很少見到谷物醋.可見谷物醋在東方，主要在中國是一技獨(dú)秀.由于中國醋的制造沿用的是釀酒技藝的延伸，即先將谷物釀成酒，再讓酒在特定的環(huán)境中，在醋酸菌的催化下變成醋.正因?yàn)槭轻劸频难由?，所以中國醋就很自然地傳承了中國酒的?yōu)點(diǎn)和特色.即谷物醋中含有較比果醋更豐富的物質(zhì)內(nèi)涵.

古代由于缺乏科學(xué)的保鮮防腐設(shè)備和技能，將食料加工成醬食，既便于貯運(yùn)又可食用較長時(shí)間，制醬腌菜是常見之事.在中國古代，將各種食料加工成醬食可謂層出不窮.有各種肉醬、魚醬、菜醬.由于種植業(yè)的主要產(chǎn)品是多種谷糧豆食，因此各類醬中最常見的是以谷物為原料的面醬、以豆類為原料的豆醬、豆豉.面醬、豆醬、豆豉不僅可以直接食用，更多的是用它們加工其他食材，制成可口耐貯的食品或調(diào)味品.做醬技術(shù)的關(guān)鍵也是發(fā)酵，由于原料之差異，特別是發(fā)酵時(shí)的菌系不同，所使用的曲也與釀酒制醋的酒曲不一樣.同樣是種植業(yè)為主的農(nóng)業(yè)形態(tài)，東亞各民族很自然地傳承了以中國做醬技藝為主體的醬文化，無論是飲食，還是烹飪，醬都被放在一個(gè)顯著的地位，遂形成了東亞飲食中的一個(gè)不同于其他地區(qū)的特色.

二

中國先民創(chuàng)造了一套特有的發(fā)酵技術(shù)體系，不僅流行于中國，甚至在東亞和世界都產(chǎn)生了不容忽視的影響.盡管發(fā)酵現(xiàn)象在地球上無處不在，是常見的自然現(xiàn)象.利用發(fā)酵技術(shù)，特別在食品加工上，幾乎所有的民族都有自己的實(shí)踐.但是，中國先民在長期生產(chǎn)實(shí)踐中，創(chuàng)造性地利用微生物、馴化霉菌，科學(xué)地開發(fā)出以釀酒、制醋、做醬等為主要內(nèi)容的一系列微生物工程技術(shù).這里所取得的經(jīng)驗(yàn)和成就是突出的，是其他民族無法相比的.中國先民在上述微生物工程中所積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不僅為微生物學(xué)和微生物工程科學(xué)的建立提供了認(rèn)知的前提，而且為當(dāng)代生物技術(shù)的發(fā)展作了技術(shù)上的鋪墊.為了客觀地理解這一史實(shí)，有必要再回顧這段歷史的軌跡.

在中國古代，用水果(包括葡萄)釀酒一直沒有形成氣候.以畜奶為原料的奶酒也只是在西北地區(qū)的游牧部落流行.只有采用谷物釀酒才能為人們提供大量的酒.所以中國古代酒業(yè)主要是谷物釀酒.谷物酒的釀造較之果酒或奶酒就復(fù)雜多了.水果、獸奶釀酒只需酒化過程，而谷物中的主要成分是多糖類高分子化合物：淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)等.它們是不能被酵母菌直接轉(zhuǎn)化為乙醇，而必須先經(jīng)過水解糖化分解為單糖才能被發(fā)酵成酒.即它必須經(jīng)過多個(gè)步驟才能被轉(zhuǎn)化為乙醇.簡單地說， 第一步是先將淀粉分解為可被酵母菌利用的單糖和雙糖，即糖化過程.第二步是將糖分轉(zhuǎn)化為乙醇，即酒化過程.兩個(gè)過程依次進(jìn)行，后人稱之為單式發(fā)酵；假若兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行，則稱之為復(fù)式發(fā)酵.在西亞兩河流域、古埃及和古希臘盛產(chǎn)大麥、小麥，長期以來，那里的人們一直沿用麥芽發(fā)酵制酒，即先制麥芽糖化，后酒化的單式發(fā)酵.麥芽酒即原始的啤酒，不僅是最早的酒品，而且還一直流傳下來成為主要的酒品.在當(dāng)時(shí)，啤酒和面包、葡萄酒、蜂蜜酒可能是西方民族發(fā)酵食品中最古老的品種.古埃及、巴比倫人大約在公元前4000年已經(jīng)生產(chǎn)上述發(fā)酵食品了.

中國先民是利用酒曲將谷物釀制成酒.酒曲中既有能使淀粉糖化的曲霉、根霉及毛霉(霉菌在繁殖中分泌糖化酶,就像人分泌含糖化酶的唾液一樣)等，又有使糖分酒化的酵母菌、細(xì)菌等.故釀酒是復(fù)式發(fā)酵.相比之下，復(fù)式發(fā)酵的效率顯然會比單式發(fā)酵高，更重要的是以酒曲(混合菌)為發(fā)酵劑的復(fù)式發(fā)酵中，除了糖化、酒化外，還同時(shí)進(jìn)行蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物及無機(jī)鹽的復(fù)雜的生化反應(yīng).因此，谷物的復(fù)式發(fā)酵不僅較比單式發(fā)酵復(fù)雜，而且產(chǎn)品酒的內(nèi)涵也較豐富，不僅有醇和的口感，還有誘人的芳香.這就造就出在世界酒林中獨(dú)樹一幟的中國的發(fā)酵原汁酒(黃酒)和蒸餾酒(白酒)極其精妙的釀造技術(shù).

用現(xiàn)代的科學(xué)知識來看，谷物復(fù)式發(fā)酵的糖化、酒化過程遠(yuǎn)比上述的復(fù)式發(fā)酵要復(fù)雜得多.谷物中包含以淀粉為主體的碳水化合物，還有含氮物、脂肪及果膠等.這些成分在谷物用水浸潤和加熱中就會發(fā)生一系列化學(xué)變化.例如谷物中的淀粉顆粒，它實(shí)際上是與纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪、無機(jī)鹽等成分交織在一起.即使是淀粉顆粒本身，也因具有一層外膜而能抵抗外力的作用.淀粉顆粒則是由許多呈針狀的小晶體聚集而成，淀粉分子之間是通過氫鍵聯(lián)結(jié)成束.淀粉是親水膠體，遇水時(shí)，水分子滲入淀粉顆粒內(nèi)部而使淀粉顆粒體積和質(zhì)量增加，這種現(xiàn)象稱之為：淀粉的膨脹.淀粉的膨脹會隨著溫度的提高而增加，當(dāng)顆粒體積膨脹達(dá)50～100倍時(shí)，淀粉分子之間的聯(lián)系將被削弱，最終導(dǎo)之解體，形成均一的黏稠體.這種淀粉顆粒無限膨脹的現(xiàn)象，稱之為糊化.這時(shí)的溫度稱之為糊化溫度.不同的淀粉會有不同的糊化溫度.淀粉初始的膨脹會釋放一定的熱量，當(dāng)進(jìn)一步的糊化過程則是個(gè)吸熱過程.在淀粉糊化后，若品溫繼續(xù)上升至130 ℃左右，由于支鏈淀粉已接近全部溶解，大分子間的氫鍵被削弱，原先淀粉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，淀粉溶液就變成黏度較低的易流動的醪液.這種現(xiàn)象稱之為淀粉的液化即溶解.就在淀粉的糊化和液化過程中，體系中的酶被激活(50 ℃～60 ℃起)，這些活化了的酶就會將淀粉分解為糊精和糖類.與此同時(shí)，還會進(jìn)一步發(fā)生己糖變化、氨基糖反應(yīng)及焦糖生成.原先谷物原料中含糖量最高只有4%左右，經(jīng)過糊化、液化之后，各種單糖就有很大增加.

由于谷物中淀粉是主要成分，所以這樣復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)中最關(guān)鍵的反應(yīng)是淀粉分解為單糖的反應(yīng)即俗稱的糖化反應(yīng).糖化反應(yīng)中真正起作用的是淀粉酶的催化作用.淀粉酶實(shí)際上包括有α-淀粉酶、糖化酶、異淀粉酶、β-淀粉酶、麥芽糖酶、轉(zhuǎn)移葡萄糖苷酶等多種酶，這些酶在糖化中同時(shí)起作用，因此產(chǎn)物除可發(fā)酵性糖類外，還有糊精、低聚糖等.通常，單糖(葡萄糖、果糖等)、雙糖(蔗糖、麥芽糖、乳糖等)能被一般酵母所利用，是最基本的發(fā)酵性糖類.

在糖化反應(yīng)階段，谷物內(nèi)含的其他物質(zhì)成分在氧化還原酶等酶類作用下，蛋白質(zhì)水解為眎、胨、多肽及氨基酸等中、低分子含氮物，為酵母菌等微生物及時(shí)提供了營養(yǎng).脂肪的酶解也產(chǎn)生了甘油和脂肪酸.部分甘油則是微生物的營養(yǎng)源.部分脂肪酸則生成多種低級脂肪酸.果膠被酶解為果膠酸和甲醇.有機(jī)磷酸化合物的酶解可釋放出磷酸，為酵母菌等微生物的生長提供了磷源.部分纖維素和半纖維素的酶解作用，也能水解得少量的葡萄糖、木糖等.總之整個(gè)糖化過程的物質(zhì)變化是錯(cuò)綜復(fù)雜的，過程的環(huán)境和操作都有可能影響其變化.

接下來的發(fā)酵過程實(shí)質(zhì)是由酵母菌、細(xì)菌及根霉主導(dǎo)，將糖、氨基酸等成分轉(zhuǎn)化為乙醇為主的一元醇、多元醇和芳香醇的過程.其反應(yīng)式如下：

乙醇+二氧化碳+ATP+10.6 KJ

反應(yīng)式中的ADP是二磷酸腺苷的縮寫，ATP是三磷酸腺苷的縮寫，它們是生物體內(nèi)能量利用和儲存的中心物質(zhì).它們在酶的催化下可以相互轉(zhuǎn)換.即ATP移去離腺苷最遠(yuǎn)的磷酸基，則生成ADP，同時(shí)釋放大量能量，這能量則可幫助其化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行.反過來，無機(jī)磷與ADP結(jié)合形成ATP，可將細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)氧化所釋放的能量以化學(xué)能的形式儲存在ATP分子的高能磷酸鍵中.酒化酶實(shí)際上是從葡萄糖到酒精一系列生化反應(yīng)中各種酶和輔酶的總稱，主要包括己糖磷酸化酶、氧化還原酶、烯醇化酶、脫羧酶及磷酸酶等.這些酶均為酵母的胞內(nèi)酶.從上述的反應(yīng)式來看，酒化反應(yīng)中沒有氧分子參與，故是個(gè)無氧的發(fā)酵過程.這過程主要囊括葡萄糖的酵解和丙酮酸的無氧降解兩大生化反應(yīng)過程，其中葡萄糖的酵解分四個(gè)階段，十二步才逐步經(jīng)丙酮酸—乙醛最終變成乙醇.伴隨著酵母菌將葡萄糖變成乙醇的過程，某些細(xì)菌也進(jìn)行同樣的工作.即在葡萄糖被磷酸化后，某些細(xì)菌也能通過自身的渠道將其變成乙醇.但是細(xì)菌的酒精發(fā)酵能力不如酵母菌，而且會同時(shí)生成一些如丁醇之類雜醇和多元醇及甲酸、乙酸等有機(jī)酸.無論是糖化過程還是發(fā)酵過程，酒醅中的生化反應(yīng)均需在一定的pH范圍內(nèi)進(jìn)行.過高或過低都將不利于糖化和發(fā)酵.

綜合以上發(fā)生的生化反應(yīng)可以清楚認(rèn)識到，谷物發(fā)酵過程是個(gè)很復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，除淀粉水解糖化生成單糖，單糖酒化生成乙醇外，還會產(chǎn)生氨基酸、高級醇、脂肪酸、多種脂類、糊精、有機(jī)酸等及沒有被酒化而剩余的糖分.總之發(fā)酵后制得的酒實(shí)際上是一類以酒精為主體的，包括許多營養(yǎng)物質(zhì)的水溶液.曲糵發(fā)酵優(yōu)于單純的麥芽糖化-酵母菌酒化就在于它充分利用微生物幫助完成這個(gè)復(fù)雜的發(fā)酵過程.

三

漢代劉安主撰的《淮南子·說林訓(xùn)》中說：“清醠之美，始于耒耜”，即指出釀酒技術(shù)開始于種植業(yè)的興起.《尚書·商書·說命(下)》中說：“若作酒醴，爾惟曲糵”，表明商代時(shí)人們已認(rèn)識到曲蘗在釀酒中的決定性作用.從春秋戰(zhàn)國到秦漢，釀酒技術(shù)的進(jìn)步，首先表現(xiàn)在制曲技術(shù)的提高.長期的釀酒實(shí)踐使人們認(rèn)識到，釀制醇香的美酒，首先要有好的酒曲；要豐富酒的品種，就要增加酒曲的種類.無論是北魏時(shí)期名著《齊民要術(shù)》，還是宋代釀酒專著《北山酒經(jīng)》，在介紹釀酒技術(shù)，都是花大篇幅率先講述制曲技術(shù).中國釀酒技術(shù)的發(fā)展正是沿著這條路線前進(jìn)的.

從近代科學(xué)知識來看，酒曲多數(shù)以麥類(小麥和大麥)為主，配加一些豌豆、小豆等豆類為原料，經(jīng)粉碎加水制成塊狀或餅狀，在一定溫度、濕度條件下讓自然界的微生物(霉菌)在其中繁殖培育而成.其中含有根霉、曲霉、毛霉、酵母菌、乳酸菌、醋酸菌等幾十種微生物.酒曲為釀酒提供了所需要的多種微生物的混合體.微生物在這塊含有淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪以及適量無機(jī)鹽的培養(yǎng)基中生長、繁殖，會產(chǎn)生出多種酶類.酶是一種生物催化劑，不同的酶具有不同的催化分解能力，它們分別具有分解淀粉為糖的糖化能力，變糖分為乙醇的酒化能力及分解蛋白質(zhì)為氨基酸的能力.微生物就是憑借其分泌的生物酶而獲取營養(yǎng)物質(zhì)才能生長繁衍.若曲塊以淀粉為主，則曲里生長繁殖的微生物多數(shù)必然是分解淀粉能力強(qiáng)的菌種；若曲中含較多的蛋白質(zhì)，則對蛋白質(zhì)分解能力強(qiáng)的微生物就多起來.由此可見，曲中的菌系是靠后天通過逐次篩選而培育成.不同原料的不同配比會對曲的功效產(chǎn)生影響.曲的不同功效則會進(jìn)一步影響釀造過程，因此酒曲的質(zhì)量決定酒品的質(zhì)量.

四

為了進(jìn)一步認(rèn)識中國傳統(tǒng)釀酒技術(shù)的特色，下面將中國的原汁發(fā)酵酒、蒸餾酒與西方原汁發(fā)酵酒、蒸餾酒再做一個(gè)比較.

中西發(fā)酵原汁酒工藝比較可參見圖1～8和表1.

圖1　貴州茅臺酒廠的人工踩曲

圖2　曲房堆放的酒曲

圖3　古埃及壁畫：3500年前的葡萄酒技術(shù)解示*出自第18王朝(公元前1567-前1320年)統(tǒng)治者森紐法墓.

圖4　馬奶酒釀制的皮囊和搗臼*內(nèi)蒙古博物館藏.

圖5　制作面包和啤酒的作坊

圖6　婦女在攪拌生面團(tuán)的發(fā)酵醪*面前就是酒發(fā)酵罐.

圖7　石刻畫：釀酒備酒圖*河南密縣打虎亭1號漢墓東耳室出土.

圖8　石刻畫下欄：釀酒過程的臨摹圖*圖7分三欄，上欄是一排盛酒的酒甕.中欄是將酒裝入甕.下欄是描繪釀酒過程.

白蘭地因?yàn)槭菍⑵咸丫普麴s而成，傳統(tǒng)上被視為一種高貴而有檔次的烈性酒.主要的產(chǎn)地在法國.后來用其他水果為原料，只要采用白蘭地生產(chǎn)工藝制成的酒也稱作白蘭地，只是在冠名上前面加上該水果的名稱.蒸餾方法的不同，對白蘭地產(chǎn)品的風(fēng)味有較大的影響.舉世聞名的法國科湼克釆用的是兩次蒸餾法，即把葡萄原汁酒用壸式蒸酒器經(jīng)兩次蒸餾而成.也是名酒的法國阿爾瑪湼克則是釆用連續(xù)蒸餾法，即把發(fā)酵原酒用塔式蒸餾設(shè)備一次蒸餾達(dá)到工藝要求.白蘭地原酒隨儲存時(shí)間的增加，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，尤其是儲存在橡木桶中.

威士忌是利用發(fā)芽谷物(主要是大、小麥)釀制的一種蒸餾酒.由于原料的差別而有許多品種.當(dāng)今的技術(shù)是大麥經(jīng)過發(fā)芽后，放在泥炭火烘房內(nèi)烤干、磨碎，制成發(fā)酵醪，因而帶有泥炭煙香口味，構(gòu)成蘇格蘭威士忌的特殊香型.完成酒化的發(fā)酵醪要經(jīng)過兩次間歇蒸餾，就得到單體麥芽威士忌.將多種單體麥芽威士忌混合在一起就能得到“純麥芽威士忌”或“兌和威士忌”.愛爾蘭威士忌以大麥芽加小麥、黑麥為原料，大麥芽不經(jīng)過泥炭煙火爐的烘烤處理，故成品酒就沒有煙熏香味.

伏特加又名俄得克，其俄語Vodka的意思是“可愛之水”.原產(chǎn)于俄羅斯、波蘭、立陶宛及某些北歐國家，是這些國家的國酒.它以小麥、大麥、馬鈴薯、糖蜜(甜菜廢糖蜜)及其他含淀物的根莖果為原料，經(jīng)發(fā)酵(在19世紀(jì)前以麥芽為糖化劑，20世紀(jì)逐漸改為人工培育的淀粉酶為糖化劑，發(fā)酵劑則是酵母菌)蒸餾制得食用酒精，再以它為酒基，經(jīng)樺木炭脫臭除雜，除去酒精中所含的甲醇、醛類、雜醇油和高級脂肪酸等成分，從而使酒的風(fēng)味清爽、醇和.應(yīng)該說是一種典型的酒精飲料.真正的伏特加口味純正，無味、無嗅，完全是中性，只有純酒精的香和味.

蘭姆酒主要是以甘蔗中的糖蜜或蔗汁為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾、貯存、勾兌而制成的蒸餾酒.通常酒精含量在40%～43%.蘭姆酒的主要產(chǎn)地是盛產(chǎn)甘蔗的牙買加、古巴、海地、多米尼加等加勒比海國家.其生產(chǎn)方法主要是在甘蔗糖蜜或蔗汁中加入特選的生香酵母(產(chǎn)酯酵母)共同發(fā)酵，再釆用間歇或連續(xù)式蒸餾，獲得酒精含量高達(dá)75%的酒液.這些酒液應(yīng)在橡木桶中陳釀數(shù)年后，再被勾兌成酒精含量在40%～43%的酒液.

表1　中西蒸餾酒工藝對比

金酒起源于荷蘭，發(fā)展在英國.是以食用酒精為酒基，加入杜松子及其他香料(芳香植物)共同蒸餾而成.由于杜松子不僅具有幽雅芳香，還有利尿作用，故金酒實(shí)際上是一種露酒.

此外，還有墨西哥的龍舌蘭酒，北歐一些囯家以小麥和馬鈴薯為原料釀制的白蘭地烈酒、波蘭的直布羅加酒(放入牛愛吃的直布拉草共同發(fā)酵)及利口酒(加入某些果實(shí)、香料、藥材共同發(fā)酵的芳香烈酒)等.

上述的介紹可以清楚看到古代東、西方各類酒的發(fā)酵工藝是有明顯差別的.由于自然環(huán)境和文化傳統(tǒng)的不同，釀造技術(shù)及其產(chǎn)品各有其典型的特征.所謂的自然環(huán)境的不同，主要有兩點(diǎn).一是原料的不同，西方釀酒的主要原料是小麥和大麥，這兩種作物都有堅(jiān)硬的外皮，較難直接蒸煮加工，大多數(shù)情況下是將其先研磨成面粉后再加工成面食.因?yàn)閳?jiān)強(qiáng)的外皮直接阻止霉菌之類的真菌在其表面生長繁衍，只有加工粉碎后才能接受在空氣中游蕩的酵母菌孢子.東方釀酒的主要原料是稻米、粟米，情況就不同，去掉軟殼后的稻米、粟米，能夠直接蒸煮，當(dāng)逢遇夏季氣候炎熱潮濕的環(huán)境，加工中的谷物，特別是熟制的谷物很自然地成為真菌落腳繁殖的陣地，發(fā)酵釀酒是順?biāo)浦鄣氖虑?第二點(diǎn)的不同，與中國有炎熱潮濕的夏季不同，在古代的蘇美爾和埃及，盡管夏天氣也炎熱，卻是空氣干燥，不利于真菌的繁殖，加上在當(dāng)?shù)氐目諝庵姓婢緛砭秃苌?，故由霉菌引發(fā)的谷物發(fā)酵的現(xiàn)象就少見了.這可能就是西方能生產(chǎn)啤酒而沒有出現(xiàn)黃酒的原因之一.

西方在中世紀(jì)以前，葡萄酒、啤酒一直是飲用酒的主流；而東方的中國則是黃酒幾乎壟斷了市場.啤酒是面包制作技術(shù)的延伸；而黃酒技術(shù)則是谷飯的自然發(fā)酵的結(jié)晶.同樣是谷物釀酒，在西方，像生產(chǎn)啤酒那樣，淀粉糖化和酒精發(fā)酵是分兩個(gè)獨(dú)立步驟按順序完成，參與的微生物基本上是酵母菌.而在中國淀粉糖化、酒化開始后不久即同時(shí)進(jìn)行，過程中既有霉菌又有酵母菌參與，是以曲的形式進(jìn)行混合菌種的發(fā)酵.對比之下，中國的釀造技術(shù)雖然復(fù)雜些，但將兩步變成一步畢竟有許多好處，可能最大的好處在于有眾多微生物的參與，產(chǎn)品的內(nèi)容會豐富多了，口感會更豐滿.這個(gè)“豐富”和“豐滿”可以理解為，由于通過 “酒曲”，而引進(jìn)混合菌種，它們在發(fā)酵中，各自為戰(zhàn)，除生產(chǎn)出乙醇外，還產(chǎn)出一些其他醇、有機(jī)酸，酯等化合物，特別是呈香的酯類化合物.這就造成了中國酒的獨(dú)自特色.下面僅從乙醇濃度的關(guān)系做一分析.

啤酒釀制中，其糖化過程主要由麥芽中所含的α-淀粉酶和β-淀粉酶所主導(dǎo)，這兩種酶都參加淀粉的水解.啤酒的酒化過程完全由酵母菌在操作，酵母菌通過自身的麥芽糖酶將淀粉水解產(chǎn)生的麥芽糖分子水解為兩個(gè)葡萄糖分子，葡萄糖再發(fā)酵成乙醇.然而，麥芽糖的存在是β-淀粉酶的抑制劑(因?yàn)棣?淀粉酶作用淀粉生成麥芽糖是個(gè)可逆反應(yīng))，所以一旦麥芽糖濃度達(dá)到了7%，β-淀粉酶就會停止工作，麥芽糖的產(chǎn)率就會降低.因此在通常情況下，啤酒中的乙醇濃度大約維系在3%～4%.

中國黃酒釀造中使用的是酒曲，發(fā)酵的過程就是另外一種狀況.曲中引入發(fā)醪液中的真菌群，不僅會產(chǎn)生α-淀粉酶和β-淀粉酶，還會產(chǎn)生淀粉葡萄糖苷酶.淀粉葡萄糖苷酶也作用于淀粉，釋放出葡萄糖分子，葡萄糖直接被酵母菌發(fā)酵生成乙醇.葡萄糖卻不會抑制淀粉葡萄糖苷酶的作用，因此發(fā)醪液中可以積累較高濃度的葡萄糖.此外，淀粉葡萄糖苷酶對乙醇的敏感度小于谷物的-β淀粉酶，因而在發(fā)醪液中添加新鮮培養(yǎng)基，如煮熟的大米或粟米等，以增加發(fā)醪液中的淀粉-葡萄糖的濃度，就可以借此提高發(fā)醪液中的乙醇濃度.這時(shí)節(jié)，唯一限制乙醇濃度的因素是酵母菌對乙醇的敏感度.一般來說，當(dāng)發(fā)醪液中的乙醇濃度達(dá)到11%～12%時(shí)，酵母菌的發(fā)酵作用會明顯緩慢下來.因此，中國的黃酒的酒精度在秦漢時(shí)期也應(yīng)能達(dá)到10%左右.然而，中國的釀酒師為了提高酒品的酒度曾在技術(shù)上有許多創(chuàng)新，例如曹操推薦的九醞春酒法，就是通過米飯分批投入發(fā)醪液的辦法來培育和鍛煉霉菌和酵母菌的工作能力.特別是在南北朝時(shí)，已普遍使用陳曲來接種培育新曲的技術(shù)，當(dāng)時(shí)的釀酒師可能不知道，這一技術(shù)措施則是篩選、馴化優(yōu)質(zhì)的霉菌和酵母菌的重要途徑.經(jīng)過長期反復(fù)地這種技術(shù)操作，無形之中培育出具有較強(qiáng)活力的菌系和酵母菌.這些經(jīng)過長期培育的酵母菌在酒精度達(dá)到15%～16%的濃度時(shí)，仍能保持其活性.所以近代的紹興黃酒和福建黃酒，其酒精含量分別達(dá)到16.1%～19.4%之間.當(dāng)然提高發(fā)醪液的酒精度的辦法不止這一項(xiàng)，例如在《北山酒經(jīng)》中提到的培養(yǎng)、使用“酒母”、“酸漿”等技術(shù).總之中國釀酒中使用酒曲的技術(shù)優(yōu)勢是一言難盡的.難怪明清時(shí)期來華的西方傳教士都把中國釀酒所使用的曲看得很神秘.

五

這些傳教士覺得中國酒跟他們過去所喝的酒不一樣，當(dāng)看到中國釀酒師傅都使用那種方磚型的法寶(酒曲)時(shí)，更感到十分好奇.于是他們想方設(shè)法偷到這種神秘的磚頭，探索其中的秘密.當(dāng)他們的學(xué)識也無法幫助他解密時(shí)，他們又費(fèi)盡了心機(jī)，把這些秘寶偷偷地捎回歐洲，請朋友幫忙做出分析檢測.首先揭開中國酒曲這個(gè)神秘面紗的是一位法國的學(xué)者.

1892年，法國人卡爾麥特(L.C.A.Calmette,1863-1933)不僅注意到中國釀酒的獨(dú)特方法，還專門研究了傳教士帶回的中國酒曲，在巴斯德研究所同事的幫助下，從中分離出毛霉、米曲霉、根霉等一類微生物.他認(rèn)識到這些過去沒有被注意的霉菌，正是能在發(fā)酵中起關(guān)鍵作用的微生物，從而初步揭示了中國酒曲的獨(dú)特功能.他是第一個(gè)認(rèn)識到中國利用霉菌糖化制酒先進(jìn)性的科學(xué)家.卡爾麥特也是個(gè)有商業(yè)頭腦的科學(xué)家，在1898年他將自己這一發(fā)現(xiàn)在歐洲申請了應(yīng)用毛霉于酒精生產(chǎn)的專利.并將這種淀粉酶發(fā)酵法在酒精工業(yè)中加以推廣.在推廣實(shí)踐中，他們又開發(fā)出幾株可用于發(fā)酵生產(chǎn)的酶類合成載體的霉菌，極大地促進(jìn)了世界釀造業(yè)的發(fā)展和釀造技術(shù)的提高.因?yàn)槟７轮袊劸萍夹g(shù)的淀粉酶發(fā)酵法，一改過去酒精生產(chǎn)的單邊發(fā)酵為復(fù)式發(fā)酵，不僅提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)降低了成本，保證了質(zhì)量.

從此，科學(xué)家們進(jìn)一步認(rèn)識到霉菌一類微生物的利用是大有作為，先后在淀粉質(zhì)原料酒精發(fā)酵技術(shù)上開發(fā)出米曲霉—黑曲霉—液體曲等技術(shù)，并完善了以糖蜜、甜菜糖蜜、甘蔗糖蜜為原料生產(chǎn)酒精的技術(shù).在有機(jī)酸發(fā)酵技術(shù)中開發(fā)出生產(chǎn)檸檬酸等產(chǎn)品.在氨基酸發(fā)酵技術(shù)中開發(fā)出谷氨酸(味精的主要成分即是谷氨酸鈉)、L-賴氨酸、色氨酸等多種氨基酸的生產(chǎn).最突出的成就是抗生素藥劑的發(fā)明和生產(chǎn).1928年9月，英國科學(xué)家弗萊明(A.Fleming,1881-1955)發(fā)現(xiàn)了青霉素.這是第一種抗生素類的藥物，開辟了世界現(xiàn)代醫(yī)療革命的新階段.對于弗萊明來說，青霉素的發(fā)現(xiàn)象征著對治療傳染性疾病取得了重大進(jìn)展.同時(shí)證實(shí)霉菌的研究及微生物學(xué)和微生物工程在醫(yī)藥革命所具有的價(jià)值.

釀酒技術(shù)屬發(fā)酵工程，既是最古老的技術(shù)，又是現(xiàn)今最前沿的生物工程(現(xiàn)代生物技術(shù))的一部分.說它古老，是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)在8000年前，人們模仿自然發(fā)酵的現(xiàn)象掌握了它.盡管沿用發(fā)酵釀酒的技術(shù)那么綿長，但是直到19世紀(jì)下半葉，才對谷物究竟是為什么能釀成酒總算有了一知半解的認(rèn)識.法國科學(xué)家巴斯德(L.Pasteur,1822-1895)初步揭開了釀酒的機(jī)理.1897年德國化學(xué)家布希納(E.Buchner,1860-1917)完成了精心設(shè)計(jì)的，堪稱判定性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明存在著無細(xì)胞的生醇發(fā)酵.并稱這一活潑的發(fā)酵制劑為“釀酶”.“釀酶”的發(fā)現(xiàn)，不僅揭示了發(fā)酵本質(zhì)是一種“酶”促的化學(xué)反應(yīng)過程.釀酶實(shí)質(zhì)上是一種蛋白質(zhì)一類的物質(zhì)，我們現(xiàn)在知道動物的唾液、胃液、胰液、膽液等器官都能分泌多種酶：水解淀粉的淀粉酶、水解蛋白質(zhì)的蛋白酶、水解脂肪的脂肪酶……

它們幫助完成食物的消化和新陳代謝等功能.這些酶統(tǒng)稱為細(xì)胞外酶，它的發(fā)現(xiàn)不僅翻開了生物新陳代謝研究的新篇章，而且還把酵母細(xì)胞的活力與酶化學(xué)作用聯(lián)系起來，推動了微生物學(xué)、生物化學(xué)、發(fā)酵生理學(xué)和酶化學(xué)的發(fā)展.1902-1909年他對其他類型的發(fā)酵研究，如乳糖酸、醋酸、檸檬酸、油質(zhì)等的發(fā)酵，進(jìn)一步證實(shí)發(fā)酵是一系列酶催化的反應(yīng)過程.酶化學(xué)的應(yīng)用就構(gòu)成生物技術(shù)上的“酶工程”，酶工程的研究對于釀酒、制醋、做醬、制糖及整個(gè)食品工業(yè)的發(fā)展都有著重要意義.對于醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生學(xué)、生物學(xué)的某些問題的解難也是有特殊的作用.由此，布希納榮獲了1907年的諾貝爾化學(xué)獎.

20世紀(jì)40年代，采用深層培養(yǎng)發(fā)酵法使青霉素生產(chǎn)工業(yè)化，是發(fā)酵工程的發(fā)展亮點(diǎn).此后，綜合微生物學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)工程學(xué)的進(jìn)展，發(fā)酵工程日愈成熟.60年代以后，固定化酶和固定化細(xì)胞等新技術(shù)促進(jìn)了生化技術(shù)的發(fā)展，加上分析、分離和檢測技術(shù)的進(jìn)步及電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，發(fā)酵工程又獲得革新.1973年重組DNA技術(shù)出現(xiàn)，能夠按工程設(shè)計(jì)藍(lán)圖定向地改變物種的功能而創(chuàng)立新物種.這就是基因工程.通過細(xì)胞融合建立雜交瘤，用以生產(chǎn)單克隆抗體，成為免疫學(xué)的革命性進(jìn)展，通過動植物細(xì)胞大量培養(yǎng)，可以像微生物發(fā)酵那樣大量生產(chǎn)人類需要的各種物質(zhì)，也可以培育出常規(guī)方法無法得到的雜交新品種，從而創(chuàng)立了細(xì)胞工程.

從微生物發(fā)酵工程到酶工程、細(xì)胞工程、基因工程就構(gòu)成了一個(gè)綜合體系，這體系就是“生物工程”，又稱作“現(xiàn)代生物技術(shù)”.它的基礎(chǔ)是發(fā)酵工程，核心是基因工程.它是21世紀(jì)科技的前沿，是新興的工程技術(shù).自1973年建立以來，在起步的前20年就開拓了蛋白質(zhì)工程、重組DNA工程等新領(lǐng)域，并在實(shí)驗(yàn)中研制了許多高產(chǎn)抗病的植物轉(zhuǎn)基因新品種和利用體細(xì)胞克隆技術(shù)復(fù)制出牛、羊等動物.它的許多研究技術(shù)和成果正逐漸地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域，必將取得人們期待的效益.

中國對微生物菌種的收集、選育、馴化、保藏及研究中所取得的成就和在發(fā)酵釀造技術(shù)上的摸索、試驗(yàn)、創(chuàng)新所取得的經(jīng)驗(yàn)一樣，都是人類在邁向新的科學(xué)征程中難得的、寶貴的財(cái)富.我們深信，在現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展和它將在推動人類文明進(jìn)程中，中國人也將像先輩一樣做出自己的、新的貢獻(xiàn).

[責(zé)任編輯黃祖賓]

[責(zé)任校對黃招揚(yáng)]

Qu'nie Fermentation

ZHOU Jia-hua

(InsitituteforHistoryofNaturalSciences,ChineseAcademyofSciences，Beijng，100190,China)

Qu'nie fermentation is the technical characteristics of the Chinese traditional brewing. It not only created the Chinese wine, vinegar and other products. At the same time, It is also the essence of ancient microbial industry as the foundation. The accumulated experience and knowledge are still the cornerstone of modern biotechnology.

Qu'nie;Wine; Vinegar; soy sauce; microbial; Strains; microbial industry; modern biotechnology

2016-01-27.

周嘉華(1942-)，男，浙江瑞安人，中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所研究員，研究方向：化學(xué)史、釀酒史.

TS26

A

1673-8462(2016)02-0008-08

①曲糵發(fā)酵：嚴(yán)格講，曲和糵是不同的，曲是指發(fā)霉的谷物，糵是指發(fā)芽的谷物。在中國古代，盡管在戰(zhàn)國以后已很少用糵釀酒，但是人們還是習(xí)慣用“曲糵”來統(tǒng)稱制酒的曲。故本文沿用古代的稱謂.