你最喜歡/最討厭的酸味食品，隱藏着生命獲取能量的奧秘_風聞

食物儲存不當容易變餿，吃了容易拉肚子。

不洗澡，酸酸臭臭就是你。

是什麼讓食物變酸？微生物如何產生酸？人類為何品酸味？

撰文 | 李慶超（山東師範大學）

飯菜儲存不當就容易變餿，產生令人不快的酸味。不過，變酸也不見得都是壞事，人們也喜歡製作酸味食品，例如酸奶、泡菜、醋等。人為發酵可以追溯到公元前一萬年北非地區的酸奶[1]，中國也發現早在公元前七千年的釀酒證據[2]。

食物變酸的原因是什麼？歷史上探討食物變質或發酵，最有名的例子之一是酒變酸。先秦《韓非子》記載，宋人楊倩提出了“狗猛酒酸”理論。説酒家門口的狗太兇了，買酒人不敢光顧，酒賣不出去就變酸了。

酒放久了會變酸？人們一般認為酒放得越久越香醇啊，究竟是怎麼回事？

微生物發酵產生有機酸

1856年，法國科學家巴斯德（Louis Pasteur）受一名學生家長所託，也研究了酒變酸的問題。巴斯德提出，發酵過程是由活的微生物造成的（發酵理論）。巴斯德用顯微鏡發現，正常的酒類發酵過程中存在圓的微生物（酵母菌），而異常發酵時存在更細小的桿狀微生物（細菌）。因此，酒變酸這種異常的發酵，是因為“壞的”微生物污染而造成的。基於這些理論，巴斯德發明了巴氏滅菌法（短暫加熱），殺滅這些微生物，可以阻止酒繼續發酵變酸，達到延長儲存期的目的。

現在我們知道，細菌和酵母降解糖類之後產生的代謝產物不同，酵母發酵產生酒精，而細菌發酵可以產生酒精，也可產生乳酸、乙酸等有機酸，這與微生物的代謝途徑有關。也就是説儲存時間過久，並不是酒變酸的原因，一身酸臭也不是你不洗澡導致的。真正的禍首是特定微生物發酵造成的。

圖1 巴斯德研究酒變酸的問題，正常的發酵是由酵母引起的，而異常的發酵是由細菌引起的。

現在我們很清楚，微生物會造成食物的腐敗變質。食品腐敗過程中，發酸是較早能被察覺的現象，其機理是微生物分解糖類釋放能量的代謝過程中產生了有機酸。我們可以通過低温儲存、防腐劑、醃漬、曬乾等方法抑制微生物的增殖，而加熱的方法可以殺死微生物，以達到儲存食物的目的。

圖2 微生物代謝產生的有機酸。細菌產生乙酸或乳酸是食物變酸的主要原因，而汗酸臭的來源主要是細菌產生的丙酸。[3]

但是，如果要刨根問底，生物分解糖類不是產生二氧化碳和水嗎，為什麼會產生有機酸？

有機酸是生物氧化的中間產物

生物完全氧化葡萄糖產生能量的過程，總反應式類似葡萄糖燃燒的化學反應式，所以分解糖會產生二氧化碳和水。

但是，生命不是“一把火”，分解代謝糖類並非一燒了之，而是會產生能量和中間代謝產物。其中能量以ATP（三磷酸腺苷）的形式進行流轉，可以用於各種生命活動；而中間代謝產物可以用於合成其他重要物質，例如氨基酸、核糖、脂肪等。

圖3 ATP是生物的通用能量“貨幣”。

與燃燒、爆炸等劇烈的氧化還原反應不同，發生在生物體內的生物氧化（Biological Oxidation）是逐級的、可控的、相對緩慢的，且受酶催化的化學反應。

圖4 與燃燒這種化學反應不同，生物氧化是分步的、可控的。

氧化還原反應中，還原劑一方要失去電子，而氧化劑一方要得到電子。有機物逐步被氧化的過程，則可以直觀地理解為加氧和脱氫的過程。在生物氧化中，這些過程更是被充分展開和剝離：有機物的氧化過程需要經過多步加氧、脱氫、脱羧，這些亟待傳遞、需要去除

其中酸在哪裏？葡萄糖通過糖酵解產生丙酮酸，丙酮酸轉化為乙酰輔酶A之後進入三羧酸循環（TCA，或稱檸檬酸循環），產生為數眾多的有機酸。三羧酸循環的中間代謝產物對生物來説都很重要，其中檸檬酸被稱為第一食用酸味劑，在食品工業上有很廣泛的用途，是世界上用生物化學方法（發酵）生產的產量最大的有機酸，年產數百萬噸，是發酵行業的支柱產品之一[4]。

圖5 三羧酸循環。

的轉移、傳遞伴隨着電子的得失（在呼吸鏈或電子傳遞鏈上進行），電子傳遞又驅動氫離子逆濃度差運輸，在膜（包括真核生物的線粒體內膜或原核生物的細胞質膜）兩側產生質子勢能（濃度差），質子勢能驅動的氫離子迴流推動ATP合酶合成ATP。這種通過呼吸鏈進行遞【H】和遞電子，並耦合ATP合成的過程稱為氧化磷酸化。含有氧化磷酸化的代謝途徑稱為呼吸作用（Cellular respiration，注意不是呼氣吸氣的“呼吸”）。

圖6 氧化磷酸化過程是氧化還原反應產生的【H】和電子，在傳遞過程中逐步釋放能量、產生質子勢能，進而推動ATP合酶合成ATP的。

TCA循環是一種廣泛存在的代謝途徑，那我們的食物為何不都是酸的呢？原因是TCA循環中的中間產物一般並不會大量積累。

為了達到生產目的，在發酵工業中，往往要提高合成酶的活性、降低分解酶的活性，用這樣的方式積累特定的有機酸。例如，生產檸檬酸時，主要使用黑麴黴，它能令檸檬酸合酶的活性增加十倍，而降解檸檬酸的其他酶（烏頭酸酶、異檸檬酸脱氫酶）的活性則降低。但檸檬酸的增加更可能是由於生物合成的增強，而不是降解的抑制造成的。此外，將丙酮酸轉化為草酰乙酸的丙酮酸羧化酶也是檸檬酸生產中的關鍵酶。

那在非生產的情況下，酸又是怎麼積累下來的呢？

有機酸是發酵的終產物

生命不產生和消滅元素，他們只是物質代謝的中轉站；生命也不憑空產生能量，他們只是能量的轉化者、儲存者和消耗者。同樣，糖類在分解過程中產生的【H】不會憑空消失，需要一個去處。在氧化磷酸化過程中，【H】最終可以交給氧氣，從而產生水，這一過程稱為有氧呼吸。而沒有氧氣的條件下，也可以將【H】交給硝酸根、硫酸根等氧化性的無機物，或者交給外源的延胡索酸，這種呼吸作用稱為無氧呼吸。

那如果不進入呼吸鏈，【H】不能通過呼吸鏈傳遞給氧化物，該怎麼辦？

不讓乙酰輔酶A進入三羧酸循環將產生更多【H】，糖酵解（葡萄糖被降解成丙酮酸）過程中產生的這些無處安放的【H】將還給中間代謝產物。後者這種將【H】還給內源有機物的代謝途徑稱為發酵（狹義），在這裏發酵的意思是不存在氧化磷酸化的分解代謝產能過程，僅存在底物水平磷酸化（又是一個新概念，指的是將磷酸基團從底物直接轉移到ADP或GDP來產生ATP或GTP，不需要ATP合酶）。

在糖分解產生丙酮酸的過程中，會產生【H】和ATP，如果【H】不進入呼吸鏈，那它就要想方設法還給丙酮酸或者丙酮酸的代謝產物。

丙酮酸接受【H】被還原，則產生乳酸。

圖7 丙酮酸還原為乳酸。

有些葡萄糖分解過程中不是產生兩個丙酮酸，而是裂解為四碳糖（後續轉變為五碳糖）和乙酰磷酸（HK途徑），或者脱羧產生五碳糖後裂解為3-磷酸-甘油醛（後轉變為丙酮酸）和乙酰磷酸（PK途徑）。其中丙酮酸可以產生乳酸，而乙酰磷酸可以接受【H】產生乙醇，或者經過氧化產生乙酸。

圖8 異型乳酸發酵，可產生乳酸及其他產物。

如果丙酮酸脱羧轉化為乙醛之後再被還原，則成為乙醇。

圖9 酒精發酵：丙酮酸產生乙醛後接受【H】。

在富氧條件下，乙醇還可以繼續發生不完全氧化代謝，在醋酸菌的作用下氧化成乙酸：乙醇首先被乙醇脱氫酶氧化成乙醛，然後乙醛水合形成乙醛水合物，最後後者被乙醛脱氫酶作用形成乙酸。此外，丙酮酸可以在丙酸桿菌代謝下還原為丙酸。

看來有機酸是微生物發酵過程中很容易就產生的一類物質，人類為何需要感知這種物質的存在呢？

酸味覺的演化意義

味覺在演化中能夠帶來生存優勢，通過追求愉悦的味道，躲避不悦的味道，能夠幫助物種獲得生存優勢，例如備受喜愛的甜味代表糖和能量，而令人不悦的苦味往往表明有毒性。酸味覺則相對較少有這方面的討論，這是因為酸味覺的喜好或厭惡感並不是絕對的，它取決於酸的程度和與其他味覺的搭配。

酸味是由有機酸（包括乳酸、檸檬酸、蘋果酸和乙酸）和無機酸（例如鹽酸、硝酸和硫酸）引起的。對於脊椎動物來説，酸味覺在演化上是相當保守的，研究發現，幾乎所有脊椎動物——包括七鰓鰻等原始魚類——都具有酸味覺。相比之下，某些鳥類喪失了甜味覺，而鯨類則不能品嚐苦味。

對於魚類來説，酸味覺可提醒其注意水質的酸鹼程度。而對於其他動物來説，酸味所代表的信息相對複雜。酸的水果往往代表不成熟，但是也代表了豐富的維生素C，酸在阻止動物食用未成熟水果方面的作用遠低於澀味和苦味。

酸的另一個含義是發酵。食物發酵帶來兩個方向的效果，這取決於食物的種類和導致發酵的菌種。混合着臭味、黴味的酸味發酵物，一般意味着有毒的代謝產物。另一方面，人類文明也掌握了人工發酵、生產酸味美食的技巧。人們之所以偏好比較純粹的酸味發酵物，是因為以酵母菌和乳酸菌為主發酵過的水果蔬菜，往往使食物變得更好——發酵後產生了更多遊離氨基酸和維生素，而且也分解了纖維和某些植物毒素。同時，有機酸產生，pH值下降，也抑制了有害細菌的滋生。此外，酒精的存在也使發酵水果更加招人喜愛。並且，叢林動物也掌握這些秘密。

圖10 2018新西蘭年度動物：吃醉的新西蘭木鴿倒吊在樹上。

天氣炎熱，注意飲食哦。

參考文獻

[1] https://www.lhf.org/2014/03/beyond-sauerkraut-a-brief-history-of-fermented-foods/

[2] https://www.newscientist.com/article/dn6759-worlds-earliest-tipple-discovered-in-china/

[3] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9781119048961.ch5

[4] http://www.im.cas.cn/kxcb/shzdwsw/201010/t20101009_2983799.html

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