發酵的科學：微生物如何創造美味的秘密與發酵的基礎科學知識全解析

你喜歡發酵食物嗎?
── 食品科學家的熱門研究課題！美食狂熱者的最愛！養生保健者的必吃食物！──

日常生活中，我們熟悉的味增、醬油、清酒、醋、泡菜、優格、麵包等，
都是藉由微生物力量所製作而成的發酵食物。
不論是當成調味料使用，或者是稍微處理過再送入口中的美味食物，
只要事前經過發酵的程序，再平凡不過的食材，也能擁有豐富多變的美味。
那什麼是發酵?為什麼發酵食品可以讓食物變得更加美味呢?

所謂的「發酵」作用是指微生物為了確保自身的營養分，在經過分解食材蛋白質的過程，藉由胺基酸的游離產生出獨特的風味。而熟悉這樣的發酵轉化作用，不僅是一般民眾可以運用在各種料理或食物工藝，也可以廣泛地應用在食品科學、生物、化學工業中。本書將由致力於食品微生物學研究的農學博士作者帶你從科學的角度，進入麴霉菌、酵母菌、乳酸菌所建構而成的發酵世界，重新認識由微生物所創造出來的美味！

★微生物的生態與食品的安全性
★世界各地的發酵食品＆製作原理
★用於發酵食品中的微生物特徵與用途
★從食材保鮮概念因應而生的發酵技術

本書特色

以清楚易懂、圖文並茂的方式，全方位說明發酵的知識，包括從各種發酵食品的歷史、文化到現在生產技術等，是一本食品科學或從事發酵食品工作者的最佳參考書。

中島春紫
1960年於東京都羽村市出生。1989年於東京大學農業研究科研究所修畢博士課程，成為農學博士。曾任東京工業大學助教、東京大學農學生命科學研究科助理教授、明治大學農學部助理教授，在2007年升任為教授。
過去曾研究過麵包酵母、有機溶劑耐性菌等微生物，現在則以麴黴菌中的蛋白質為主要研究對象。同時也致力於推動基因重組實驗教育的普及化、食品安全行政業務以及國際生物奧林匹亞活動。著有『微生物科學』（日刊工業新聞社出版）等書。相當喜愛發酵食品與酒類。

作者序
法國傳統料理當中，有一道名為「法式酥皮鱸魚」的菜餚，其作法是將整條鱸魚包進派皮內，然後烤成魚的外型，端上桌後，再淋上濃稠的起司白醬享用。因為這道菜在視覺上相當吸晴，居住在歐美地區的人們，大多習慣用它來招待客人。所以只要一拿到新鮮的鱸魚，大家第一個念頭就會想要做這道菜。
那麼，同樣拿到新鮮鱸魚的日本人，又會怎麼料理呢？筆者腦中浮現的第一個畫面便是生魚片了。我想，日本人大概會把泛著粉紅光澤的鱸魚肉切成均等的厚片，然後直接沾上芥末醬油來享用吧！雖然筆者絲毫未有輕視法國料理的意思，但過度講究的烹調方式，總覺得浪費了難得的新鮮鱸魚。
另一道西式料理──培根蛋黃義大利麵的作法，則是以黏稠的生蛋黃拌炒鹽漬培根與義大利麵，接著再用帶點微辣口感的黑胡椒，為這一道樸實的菜增添風味。因烹調時必須得將火侯巧妙地控制到不將生蛋黃煮熟，故義大利有不少烹飪學校會將這道料理列入畢業考題中。雖然筆者認為這種風味濃醇的麵料理很不錯，但像日式蕎麥麵那樣，直接將帶點嚼勁的麵配上醬油享用，也不失為一道美味佳餚。
西式料理當中還有一道基本菜色，就是鬆軟的歐姆蛋。歐姆蛋有著能隨個人喜好加入火腿、起司，外層再淋上番茄醬等多變的吃法。因此，歐姆蛋可說是廣受世界各國餐廳與家庭大眾喜愛的味道。但對我而言，有時在蛋黃拌飯上灑點醬油，再配上味增湯與些許醃漬物，如此單純的一餐，就感到十足幸福了。
生魚片、蕎麥麵、生蛋黃拌飯等傳統日式料理，在日本以外的國家相當少見。重新思考這一點後，我認為日本人所喜好的烹調方式，都是忠於發揮肉、蛋、魚、蔬菜等食材本身最原始的美味。
日本列島地形呈南北狹長，其地表多由群山與森林所覆蓋，缺乏地下資源，人們只能在面積狹小的平原上群聚生活。日本雖看似土地利用效率差，國土貧瘠，但卻擁有分明的四季以及適度的日照與降雨，即使是少量的酸雨，也不會對森林與水源造成極大影響。夏季時又因水資源充足，幾乎全國土地都適宜栽種稻米，可說是極受到自然環境恩惠的「瑞穗之國」。再加上，佔了北太平洋一角的日本近海，堪稱為世界上屈指可數的天然漁場之一，供應給人們各式各樣的魚。
如此受惠於自然環境恩典的日本，也常遭到天災的侵襲。日本國土的陸地面積僅佔全世界0.25%，但全世界芮式規模6以上的地震當中，有20.5%是發生在日本境內。(資料來自於『平成22年度內閣府防災白皮書』)此外，也不乏海嘯、颱風、火山爆發、洪水、豪雨、土石流等天災的損害。先進國家當中，恐怕也沒有一個像日本這樣頻繁地發生天災的國家吧！因此，在日本這塊土地上生活的人們，被認為是一邊享用著自然的恩惠，一邊伴隨著與天災共存的宿命，進而發展出對大自然的敬畏之心。從那些配合四季風情而產生的年度祭典活動，以及各地物產所衍伸而來的日式料理當中，就可窺見出日本人對大自然的敬畏之情。
調味料身為將食材鮮味引出來的配角，大多是利用微生物特性所製成的發酵食品。日本的調味料口訣「SA-SI-SU-SE-SO」當中，「SA」是指砂糖，「SI」是食鹽，「SU」是醋，「SE」是醬油，「SO」是味增。在這五種調味料當中，醋、醬油和味增這三種就是發酵食品。此外，除了醃漬品，舉凡納豆、柴魚片、清酒，以及其它人工調味劑的製造，都不能缺少微生物的力量。
發酵食品的相關研究多得不勝枚舉，主要都是從製造方式和文化面的角度出發，至今已經出版了許多書籍。從科學的角度來看，發酵食品是一個具有挑戰性的研究課題，因為食品並非是單純的物質，而且在發酵過程中必然不會只伴隨著單一微生物，而是多種微生物參與其中。隨著現代技術的發展，各種發酵食品的製造原理已經被明確地一一分析出來，這使我們不得不對發明這些發酵食品的先知們的智慧，重新報以敬畏之情啊！
在本書中，筆者將從科學的角度出發，盡可能簡單地解說這些發酵食品的由來與形成緣由。

前言…3

第一章　發酵食品與文化…13
根植於環境風俗中的發酵食品
從食材保鮮概念因應而生的發酵技術
透過發酵引出食材鮮味
發酵作用能幫助人體攝取營養

第二章　關於發酵的基礎知識…27
發酵的科學原理
呼吸與發酵──── 生命創造出能量的兩個機制
人類培育出的發酵技術
發酵與腐壞的區分標準
產生味覺的科學原理

第三章　促進發酵的微生物們…45
文明與美食文化
日本文化與和食
◎麴菌 ──── 黴菌進行發酵作用的產物…51
黴菌的生態／生有根黴的餅麴以及散麴／不產生毒素的黴菌／日本人慣用的麴菌／日本的「國菌」／關於麴菌這種微生物／麴菌對光的感應性／黑麴菌與日本燒酎／麴酸與美白化妝品
◎乳酸菌…69
乳酸菌的生態／微生物的分類與命名／關於菌株／抗微生物肽與乳鏈菌肽
◎酵母…78
酵母的生態／製酒與生麵團的利用
◎微生物與食品安全性…82
生產麩胺酸的細菌／肉毒桿菌的毒性威脅／殺菌與滅菌的差異───有效期限與賞味期限／發酵食品中微生物的命運

第四章　納豆．味增．醬油────大豆發酵食品與調味料…93
◎納豆…94
各國的大豆發酵食品／納豆菌／納豆的製作方法／黏糊成分的形成原理／納豆菌帶來的營養價值／稻草捆包納豆／納豆的氣味與納豆菌的培育／納豆的吃法／鹽辛納豆／印尼天貝／帶有臭味的食品／惡臭化合物
◎味增…120
味增的歷史與分類／味增的製法／手工味增／耐鹽酵母與嗜鹽乳酸菌／味增顏色與梅納德反應／味增的營養與效用／高湯與味增湯
◎醬油…135
調味料中的王者／魚露／醬油的種類／醬油的製法／鹹味包覆現象／醬油的香氣成分／機能性醬油的新技術

第五章　乳酸菌發酵食品157
◎醃漬食品…158
醃漬食品的分類／米糠醃漬食品的製法與保養／醃漬食品的安全基準／日本的醃漬食品／國外的醃漬食品／熟壽司
◎優格…178
牛奶蛋白質的凝固原理／優格的製作方式／機能性食品／腸內環境／益生菌
◎起司…195
起司的種類與製法／凝乳酵素

第六章　一味調味料與小麥麵團的發酵法…203
◎食用醋…204
單純發酵與並行複式發酵／食用醋的種類／醋酸菌的工作／食用醋的製法／奇蹟產品──福山黑醋／食用醋的烹調效果／添加食用醋的調味料／舉世囑目的食用醋效能
◎味醂…231
正統味醂和仿味醂調味料／味醂的製法
柴魚片…235
柴魚片的製法／柴魚片的成分與利用方式
◎澱粉團的發酵…240
為何要將小麥磨成粉？／乾燥食用米／麵包的製法──直捏法與中種發酵法

終章…249
參考文獻／索引 …256

第一章　發酵食品與文化

根植於環境風俗中的發酵食品
一般人都是沒有意識到微生物存在的情況下，進行著發酵食品的生產與消費。如同雖然大家都知道納豆、優格等食品都是透過微生物作用製成的食品，但親眼見過微生物的人少之又少。
發酵食品一般都是透過微生物作用再加工製成的食品，此種作法常被用來製作醃漬物、納豆、柴魚片等改善料理風味的食品，或是長期保存的食品。此外，醬油、味增、醋等調味料，以及啤酒、清酒等酒精飲料，皆是典型的發酵食品。在國外，則有麵包、優格、起司、泡菜和醃黃瓜等發酵食品，不斷地被製造出來供人們享用。
在微生物被發現以前，發酵食品的製作方式是透過無數次的反覆試驗後，由人們代代傳承下來。一般來說，發酵食品的製程相當費時又費工，製作時需要十分注意以及保持耐心。人們深信「即使不懂製作原理，總之就按照學到的方式做看看，肯定能作出美味的食品。」這個信念，進而付出耐心與努力去製作發酵食品的最大原因，就是抱持著「想嚐到美味的食品」、「想讓別人吃到這麼美味的食品」這個強烈的想法。因此，發酵食品可說是充滿了民族愛的產物。我想，在研究發酵食品之前，要先向創造這種食品加工法的先人們，其奉獻精神和熱情表達敬意。
享用法國料理時，服務人員在上完主菜後，會推著載有起司的推車到桌邊，切片端給客人享用。這些起司當中，也包含利瓦羅起司這種具有刺激性氣味的種類。雖然吃進嘴裡很美味，但對不習慣的人來說，會忍不住對它的氣味敬而遠之。另外，日本滋賀縣傳統料理之一的「鯽魚壽司」則是將白飯塞進用鹽醃過的鯽魚當中，並放進木桶裡發酵熟成的食品。因為它同樣會散發出具有刺激性的強烈氣味，恐怕也是使許多人望而生畏的原因。
發酵食品多具有這一種「好吃但很臭」的獨特風味，且它們的生成原理和當地食材、氣候息息相關，還包含了當地「製作者」與「品嚐者」長年以來的諸多對話。因此，對當地人來說，美味至極的食品，對外地人而言卻是難以下嚥的情況，這樣的情況古今中外並不少見。早已習慣鯽魚壽司的人認為它是極美味的發酵食品，但在許多觀光客眼裡，它只是腐壞的鯽魚吧！
小泉武夫博士（東京農業大學名譽教授）曾說過：「區別食品是發酵還是腐壞的標準是由文化來定義，而非科學。」我認為這句話是至理名言。
分析發酵食品的製程時，會發現作業當中包含了防止細菌污染以及協助好菌繁殖的技術。在追求失敗風險降到最小，而且能保留美味的製法的過程中，以往那些缺乏效率的方法就被淘汰，進而達到整體製程更趨完善。已完成的發酵食品製程可說是一種藝術，然後這些寶貴的工藝會再傳承至下一代。

從食材保鮮概念因應而生的發酵技術
人類無法一次性地將大量食物囤積在體內慢慢消化，也不會冬眠，因此需要每天確保食物的來源。而食材則視季節或氣候等因素而定，有大量產出的時期，也有遇見如冬季大量減產的時期。遠古時代的人們，肯定為了如何保存食材而傷透了腦筋，其中，應該也有不少人因為難以忍受饑餓，而忍不住吃掉已發臭的腐壞食材吧。過去恐怕有許多人暴露在食物中毒這種勝率不高的風險中，死於非命。可想而知，發酵食品在問世的初期，其製法就是經歷過這種致命的反覆試驗而逐漸成形。
該如何避免食物變質呢？食物中的雜菌（壞菌）若繁殖過多，便是導致食物腐壞的主因，所以，只要不讓食物成為培育這種壞菌的溫床即可。微生物的繁殖過程中需要養分、以及適當的〈溫度〉〈水分〉〈含鹽量〉〈pH值〔酸鹼平衡度〕〉等必備條件，故為了確保食材的衛生，需要排除前述任何一項助長壞菌的必備條件。
1.溫度
在超市的海產區，即使是同一種食材，也會區分成「生吃」、「需加熱」兩種類型（如：生牡蠣）。直接生吃雖然多少讓人覺得不安，但只要用火將它煮熟，便沒有衛生方面的疑慮。食物中的微生物可以透過加熱來殺死，完全不用擔心病原菌進到體內繁殖。古人在發現火之後，也知道稍微腐爛一點的肉可以用烤熟的方式來食用吧！
另一方面，低溫也能減緩食物腐敗的速度。冰箱的主要功能，就是讓食物保持在壞菌繁殖所需溫度以下的環境中。即便是此種文明利器尚未問世的古代，人們也懂得將食材貯藏於冰室、或是放在陰暗的洞穴當中長期保存。
2.水分
保存食物的方法當中，最一開始被使用的是乾燥法。古代的人們將捕獲的魚曬在太陽底下，抓到的獵物肉拿來煙燻逼出水分，藉以延長食材保存期限。如同葡萄般的小顆果實，只要將其乾燥便能長期保存。至於原本水分含量低的穀類，就能直接當作長期保存食品，被人們珍惜使用。
發酵食品當中，例如柴魚片或乾燥納豆，可透過乾燥方式達到長期保存效果的種類也不少。
3.鹽分
海水的鹽度大約為3.5％，但是當環境中的鹽度升為8％時，只有一部份的微生物還能繁殖，而當鹽度超過15％時，大多數的微生物將無法生存。這是因為微生物內部細胞中的水分，被滲透壓吸走的關係。自古以來，人們就習慣將容易腐壞的魚、肉、蔬菜等食材用鹽醃漬保存。即使到了現代，海鮮仍會被製成鹽辛，肉類則被加工成火腿或是鹹肉。而實際上，部份嗜鹽細菌可以在高鹽度的環境下生長，但是這些微生物生長速度不僅緩慢，再加上其生長環境必須得保持高鹽度，因此很少發揮出致病性。
醬油、味增等發酵食品當中，也有不少是透過保持高鹽度環境來延長保存期限的產品。
4.pH值
大白菜等蔬菜若是在常溫下長時間放置不管，就會腐爛。但將蔬菜放在罐中與米糠一起醃製的話，則會產生酸味，延長保存時間。含糖食品在有限的通風條件下儲存時，通常會使乳酸菌開始繁殖。乳酸菌會藉由產生大量乳酸來降低整體環境的pH值，如此一來，就能殺死大部份喜好中性環境的雜菌。由於大部份的壞菌以及病原菌都偏好中性或是鹼性環境，故透過乳酸菌的繁殖將環境pH值降至四．三的程度後，幾乎能讓致病的微生物無法生存。
乳酸菌的用途相當廣泛，人們較熟知的大多是用於製作醃漬品與優格，但起司、清酒、味增、醬油、紅酒等食品的生產過程中，也多數會藉由乳酸菌的特性來進行製作。製作發酵食品最主要的目的，就是透過這種方式降低pH值來提高食品的防腐性，從而抑制各種細菌的繁殖。
蔬菜水果的含糖量很高，穀類的主成分澱粉被分解後，也會轉化為糖分。澱粉是由碳（元素符號C）、氫（H）、氧（O）所構成，比例為一：二：一。換句話說，澱粉就是主要以碳（C）結合水（H2O）所形成的成分，故也稱為「碳水化合物」。當糖被微生物分解時，會生成有機酸（例如：乳酸、醋酸）來降低環境PH值，此時食品就會散發酸味較強的酸甜味。
另一方面，魚、肉、牛奶等食物含有大量蛋白質。由於蛋白質除了碳（C）與氫（H）之外，還包含了氮（N）與硫（S）等物質被微生物分解後，會形成含氮的胺以及氨這兩種物質，造成整體pH值上升。氮與硫的化合物除了會產生強烈的氣味，還會因為pH值的上升而使環境偏鹼性，成為容易大量繁殖病原菌與壞菌的溫床，非常危險。因此，這一類食品大多是透過施以大量的鹽分來抑制病原菌的生長。
“醃漬”是長時間保存蔬菜的一種有效方式，可以添加大量鹽分防止變質，也可利用生育乳酸菌的方式降低食物的pH值。用這兩種方式製作出的鹹菜與酸菜，能長時間在室溫下被保存。此外、“淺漬”食品則無法達到長時間保存的條件，故容易腐壞。這就是為什麼淺漬食品雖然算是醃漬品之一，但需要放進冰箱保存，且需要迅速食用的原因。

透過發酵引出食材鮮味
即使是最高檔的牛肉，剛經過精肉程序的味道依舊難達美味程度，需再經過熟成才會成為名副其實的品牌牛標準。一般的濕式熟成法中，會先將切成塊狀的肉或是帶骨肉作成真空包裝，以接近0℃的溫度保存二十至二十五天。從北美洲與大洋洲進口的半冷凍牛肉，因為需要三到五個星期的時間進行分配和運送，通常抵達日本後就已經完成熟成階段，適逢享用時期。由此可知，肉在進行熟成的這段時間內，其中的蛋白水解酶會分解肉纖維，讓肉質變得更柔軟，且在分解過程中釋放出胺基酸，引出肉的鮮味。
一般情況下，蛋白質不會產生味道，因為成分幾乎是純蛋白質。可以想像是蛋白、豆腐、雞里肌肉一類的食材，就會比較好理解。蛋白質是由多種胺基酸所構成，但胺基酸有味道，例如：胺基酸當中含量最豐富的胺基酸之一的麩胺酸，以其製成的食鹽，則作為鮮味調味劑被人們所使用。（即調味料『味之素』）
構成蛋白質的二十多種胺基酸，每一種都有其獨特的味道。通常，易溶於水的親水性胺基酸具有甜味（如：甘胺酸），而酸性胺基酸（如：麩胺酸）則具有鮮味與酸味。另外，難溶於水的的鹼性胺基酸（如：精胺酸）以及疏水性胺基酸（如：苯丙胺酸）大多數具有苦味。
製作發酵食品的過程中，微生物為了確保自身的營養素來源，會透過分解食材中的蛋白質釋放出胺基酸，進而產生獨特的味道。經由分解蛋白質而產生的胺基酸混合物，通常也會具有鮮味，這些鮮味與甜味能夠讓食物更增添一份風味，而酸味與苦味則使食物味道變得更濃郁可口。這些發酵食品的形成機制，被認為是引出食材鮮味的關鍵，也是發酵食品第二重要的意義。

發酵作用能幫助人體攝取營養
世界上約有八成的人以穀物為主食。以稻米、小麥、玉米這三大穀物為主食的人口數分別為三十二億、十七億、五億人左右。（聯合國糧食及農業組織〔FAO〕，二ＯＯ二年的統計數字）。另外、稻米的全世界總生產量為四億六千萬公噸，小麥為六億八千萬公噸，玉米則是八億六千萬公噸（FAO在二Ｏ一一年的統計數字）。這統計數字乍看之下，總生產量最低的稻米居然是全球消費量最高，有87%供於人類食用。而玉米總產量的59%則多使用於牲畜的飼料。
德國以啤酒和香腸聞名，但德國人的餐桌上總會出現各種不同形式的馬鈴薯料理。馬鈴薯原產於南美洲安第斯山脈的高地，由於它耐寒且生產力高，故成為農業史上重要的農作物之一。馬鈴薯在十六世紀時傳入歐洲，隨著歐洲市場逐漸普及，也進而帶動寒冷地區的人口增加。即使是現代，歐洲仍有不少國家以馬鈴薯為主食。另一方面、非洲國家則是多數以木薯、芋頭與山藥為主食。從以上數據來看，可推測出全世界以根莖類作物為主食的族群，大約有十億人左右。
植物可透過光合作用，利用空氣中的二氧化碳產生碳水化合物，另一方面，製造蛋白質則需要用到氮，但植物只能從土壤中的氨與硝酸鹽所含有的氮素來進行製造，無法永無止盡地製造蛋白質，故多數植物會將自身產出的碳水化合物以澱粉（植物膠）的形式貯存在體內。如此一來，稻米、小麥、玉米等穀物，以及馬鈴薯等根莖類作物的澱粉質就能被人類所利用。此外、部份植物也可將碳水化合物轉化成油類或其它脂質，貯藏在種子內部。人們通常從這一類植物的種子擠壓出植物油來使用，如芝麻油、菜籽油或是橄欖油。
人體所需的三大營養素是碳水化合物、脂質和蛋白質。由於穀物和根莖類作物含有豐富的澱粉，因此可透過食用這一類食物來確保碳水化合物的攝取。況且、碳水化合物可以在人體內轉化為脂質，故也能攝取到脂質。但可惜的是，穀物與根莖類作物中僅含微量蛋白質，人類需透過其他食物來攝取，故自古以來，生活在海邊或是湖岸上的人們就會以魚類作為蛋白質的來源，居住在野外的人們透過狩獵來捕捉野生動物與鳥類，以草原為家的人們則飼養牲畜，並以牛奶與肉類為食。那麼，居住於農村的人們是如何確保蛋白質來源呢？
棲息在豆類根部組織中的根瘤菌，能將空氣中的氮氣轉化為植物可以利用的氮元素（例如：氨）。根瘤菌將氮元素提供給宿主（植物），而宿主則提供碳水化合物幫助其繁殖，因此根瘤菌與植物為互惠共生的關係。豆類植物藉由根瘤菌所提供的氮元素，能無止盡地生產出蛋白質，因此，豆類藉由生產蛋白質來代替碳水化合物，並將其貯藏於種子中。
不知從何時開始，人類早已發現到，即使完全不吃肉類，僅食用豆類也不會造成身體營養不良。但是，豆類含有一種稱為蛋白酶抑制劑的營養阻礙物質，因此，生吃豆類容易造成消化不良。此物質可透過加熱使其失效，故食用豆類時需先用火加熱過才行。這一點也是從前人痛苦的經驗當中學來的教訓，並早已成為一種習慣。