你最喜歡/最討厭的酸味食品，隱藏著生命獲取能量的奧秘

食物儲(chǔ)存不當(dāng)容易變餿，吃了容易拉肚子。

不洗澡，酸酸臭臭就是你。

是什么讓食物變酸？微生物如何產(chǎn)生酸？人類(lèi)為何品酸味？

撰文 | 李慶超（山東師范大學(xué)）

飯菜儲(chǔ)存不當(dāng)就容易變餿，產(chǎn)生令人不快的酸味。不過(guò)，變酸也不見(jiàn)得都是壞事，人們也喜歡制作酸味食品，例如酸奶、泡菜、醋等。人為發(fā)酵可以追溯到公元前一萬(wàn)年北非地區(qū)的酸奶[1]，中國(guó)也發(fā)現(xiàn)早在公元前七千年的釀酒證據(jù)[2]。

食物變酸的原因是什么？歷史上探討食物變質(zhì)或發(fā)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。說(shuō)酒家門(mén)口的狗太兇了，買(mǎi)酒人不敢光顧，酒賣(mài)不出去就變酸了。

酒放久了會(huì)變酸？人們一般認(rèn)為酒放得越久越香醇啊，究竟是怎么回事？

微生物發(fā)酵產(chǎn)生有機(jī)酸

1856年，法國(guó)科學(xué)家巴斯德（Louis Pasteur）受一名學(xué)生家長(zhǎng)所托，也研究了酒變酸的問(wèn)題。巴斯德提出，發(fā)酵過(guò)程是由活的微生物造成的（發(fā)酵理論）。巴斯德用顯微鏡發(fā)現(xiàn)，正常的酒類(lèi)發(fā)酵過(guò)程中存在圓的微生物（酵母菌），而異常發(fā)酵時(shí)存在更細(xì)小的桿狀微生物（細(xì)菌）。因此，酒變酸這種異常的發(fā)酵，是因?yàn)椤皦牡摹蔽⑸镂廴径斐傻??；谶@些理論，巴斯德發(fā)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(xù)發(fā)酵變酸，達(dá)到延長(zhǎng)儲(chǔ)存期的目的。

現(xiàn)在我們知道，細(xì)菌和酵母降解糖類(lèi)之后產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物不同，酵母發(fā)酵產(chǎn)生酒精，而細(xì)菌發(fā)酵可以產(chǎn)生酒精，也可產(chǎn)生乳酸、乙酸等有機(jī)酸，這與微生物的代謝途徑有關(guān)。也就是說(shuō)儲(chǔ)存時(shí)間過(guò)久，并不是酒變酸的原因，一身酸臭也不是你不洗澡導(dǎo)致的。真正的禍?zhǔn)资翘囟ㄎ⑸锇l(fā)酵造成的。

圖1 巴斯德研究酒變酸的問(wèn)題，正常的發(fā)酵是由酵母引起的，而異常的發(fā)酵是由細(xì)菌引起的。

現(xiàn)在我們很清楚，微生物會(huì)造成食物的腐敗變質(zhì)。食品腐敗過(guò)程中，發(fā)酸是較早能被察覺(jué)的現(xiàn)象，其機(jī)理是微生物分解糖類(lèi)釋放能量的代謝過(guò)程中產(chǎn)生了有機(jī)酸。我們可以通過(guò)低溫儲(chǔ)存、防腐劑、腌漬、曬干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(dá)到儲(chǔ)存食物的目的。

圖2 微生物代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸。細(xì)菌產(chǎn)生乙酸或乳酸是食物變酸的主要原因，而汗酸臭的來(lái)源主要是細(xì)菌產(chǎn)生的丙酸。[3]

但是，如果要刨根問(wèn)底，生物分解糖類(lèi)不是產(chǎn)生二氧化碳和水嗎，為什么會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸？

有機(jī)酸是生物氧化的中間產(chǎn)物

生物完全氧化葡萄糖產(chǎn)生能量的過(guò)程，總反應(yīng)式類(lèi)似葡萄糖燃燒的化學(xué)反應(yīng)式，所以分解糖會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和水。

但是，生命不是“一把火”，分解代謝糖類(lèi)并非一燒了之，而是會(huì)產(chǎn)生能量和中間代謝產(chǎn)物。其中能量以ATP（三磷酸腺苷）的形式進(jìn)行流轉(zhuǎn)，可以用于各種生命活動(dòng)；而中間代謝產(chǎn)物可以用于合成其他重要物質(zhì)，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(yīng)不同，發(fā)生在生物體內(nèi)的生物氧化（Biological Oxidation）是逐級(jí)的、可控的、相對(duì)緩慢的，且受酶催化的化學(xué)反應(yīng)。

圖4 與燃燒這種化學(xué)反應(yīng)不同，生物氧化是分步的、可控的。

氧化還原反應(yīng)中，還原劑一方要失去電子，而氧化劑一方要得到電子。有機(jī)物逐步被氧化的過(guò)程，則可以直觀地理解為加氧和脫氫的過(guò)程。在生物氧化中，這些過(guò)程更是被充分展開(kāi)和剝離：有機(jī)物的氧化過(guò)程需要經(jīng)過(guò)多步加氧、脫氫、脫羧，這些亟待傳遞、需要去除

其中酸在哪里？葡萄糖通過(guò)糖酵解產(chǎn)生丙酮酸，丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A之后進(jìn)入三羧酸循環(huán)（TCA，或稱檸檬酸循環(huán)），產(chǎn)生為數(shù)眾多的有機(jī)酸。三羧酸循環(huán)的中間代謝產(chǎn)物對(duì)生物來(lái)說(shuō)都很重要，其中檸檬酸被稱為第一食用酸味劑，在食品工業(yè)上有很廣泛的用途，是世界上用生物化學(xué)方法（發(fā)酵）生產(chǎn)的產(chǎn)量最大的有機(jī)酸，年產(chǎn)數(shù)百萬(wàn)噸，是發(fā)酵行業(yè)的支柱產(chǎn)品之一[4]。

圖5 三羧酸循環(huán)。

的轉(zhuǎn)移、傳遞伴隨著電子的得失（在呼吸鏈或電子傳遞鏈上進(jìn)行），電子傳遞又驅(qū)動(dòng)氫離子逆濃度差運(yùn)輸，在膜（包括真核生物的線粒體內(nèi)膜或原核生物的細(xì)胞質(zhì)膜）兩側(cè)產(chǎn)生質(zhì)子勢(shì)能（濃度差），質(zhì)子勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的氫離子回流推動(dòng)ATP合酶合成ATP。這種通過(guò)呼吸鏈進(jìn)行遞【H】和遞電子，并耦合ATP合成的過(guò)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(guò)程是氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的【H】和電子，在傳遞過(guò)程中逐步釋放能量、產(chǎn)生質(zhì)子勢(shì)能，進(jìn)而推動(dòng)ATP合酶合成ATP的。

TCA循環(huán)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(huán)中的中間產(chǎn)物一般并不會(huì)大量積累。

為了達(dá)到生產(chǎn)目的，在發(fā)酵工業(yè)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(jī)酸。例如，生產(chǎn)檸檬酸時(shí)，主要使用黑曲霉，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、異檸檬酸脫氫酶）的活性則降低。但檸檬酸的增加更可能是由于生物合成的增強(qiáng)，而不是降解的抑制造成的。此外，將丙酮酸轉(zhuǎn)化為草酰乙酸的丙酮酸羧化酶也是檸檬酸生產(chǎn)中的關(guān)鍵酶。

那在非生產(chǎn)的情況下，酸又是怎么積累下來(lái)的呢？

有機(jī)酸是發(fā)酵的終產(chǎn)物

生命不產(chǎn)生和消滅元素，他們只是物質(zhì)代謝的中轉(zhuǎn)站；生命也不憑空產(chǎn)生能量，他們只是能量的轉(zhuǎn)化者、儲(chǔ)存者和消耗者。同樣，糖類(lèi)在分解過(guò)程中產(chǎn)生的【H】不會(huì)憑空消失，需要一個(gè)去處。在氧化磷酸化過(guò)程中，【H】最終可以交給氧氣，從而產(chǎn)生水，這一過(guò)程稱為有氧呼吸。而沒(méi)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(wú)機(jī)物，或者交給外源的延胡索酸，這種呼吸作用稱為無(wú)氧呼吸。

那如果不進(jìn)入呼吸鏈，【H】不能通過(guò)呼吸鏈傳遞給氧化物，該怎么辦？

不讓乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)將產(chǎn)生更多【H】，糖酵解（葡萄糖被降解成丙酮酸）過(guò)程中產(chǎn)生的這些無(wú)處安放的【H】將還給中間代謝產(chǎn)物。后者這種將【H】還給內(nèi)源有機(jī)物的代謝途徑稱為發(fā)酵（狹義），在這里發(fā)酵的意思是不存在氧化磷酸化的分解代謝產(chǎn)能過(guò)程，僅存在底物水平磷酸化（又是一個(gè)新概念，指的是將磷酸基團(tuán)從底物直接轉(zhuǎn)移到ADP或GDP來(lái)產(chǎn)生ATP或GTP，不需要ATP合酶）。

在糖分解產(chǎn)生丙酮酸的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生【H】和ATP，如果【H】不進(jìn)入呼吸鏈，那它就要想方設(shè)法還給丙酮酸或者丙酮酸的代謝產(chǎn)物。

丙酮酸接受【H】被還原，則產(chǎn)生乳酸。

圖7 丙酮酸還原為乳酸。

有些葡萄糖分解過(guò)程中不是產(chǎn)生兩個(gè)丙酮酸，而是裂解為四碳糖（后續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)槲逄继牵┖鸵阴Ａ姿幔℉K途徑），或者脫羧產(chǎn)生五碳糖后裂解為3-磷酸-甘油醛（后轉(zhuǎn)變?yōu)楸幔┖鸵阴Ａ姿幔≒K途徑）。其中丙酮酸可以產(chǎn)生乳酸，而乙酰磷酸可以接受【H】產(chǎn)生乙醇，或者經(jīng)過(guò)氧化產(chǎn)生乙酸。

圖8 異型乳酸發(fā)酵，可產(chǎn)生乳酸及其他產(chǎn)物。

如果丙酮酸脫羧轉(zhuǎn)化為乙醛之后再被還原，則成為乙醇。

圖9 酒精發(fā)酵：丙酮酸產(chǎn)生乙醛后接受【H】。

在富氧條件下，乙醇還可以繼續(xù)發(fā)生不完全氧化代謝，在醋酸菌的作用下氧化成乙酸：乙醇首先被乙醇脫氫酶氧化成乙醛，然后乙醛水合形成乙醛水合物，最后后者被乙醛脫氫酶作用形成乙酸。此外，丙酮酸可以在丙酸桿菌代謝下還原為丙酸。

看來(lái)有機(jī)酸是微生物發(fā)酵過(guò)程中很容易就產(chǎn)生的一類(lèi)物質(zhì)，人類(lèi)為何需要感知這種物質(zhì)的存在呢？

酸味覺(jué)的演化意義

味覺(jué)在演化中能夠帶來(lái)生存優(yōu)勢(shì)，通過(guò)追求愉悅的味道，躲避不悅的味道，能夠幫助物種獲得生存優(yōu)勢(shì)，例如備受喜愛(ài)的甜味代表糖和能量，而令人不悅的苦味往往表明有毒性。酸味覺(jué)則相對(duì)較少有這方面的討論，這是因?yàn)樗嵛队X(jué)的喜好或厭惡感并不是絕對(duì)的，它取決于酸的程度和與其他味覺(jué)的搭配。

酸味是由有機(jī)酸（包括乳酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸和乙酸）和無(wú)機(jī)酸（例如鹽酸、硝酸和硫酸）引起的。對(duì)于脊椎動(dòng)物來(lái)說(shuō)，酸味覺(jué)在演化上是相當(dāng)保守的，研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有脊椎動(dòng)物——包括七鰓鰻等原始魚(yú)類(lèi)——都具有酸味覺(jué)。相比之下，某些鳥(niǎo)類(lèi)喪失了甜味覺(jué)，而鯨類(lèi)則不能品嘗苦味。

對(duì)于魚(yú)類(lèi)來(lái)說(shuō)，酸味覺(jué)可提醒其注意水質(zhì)的酸堿程度。而對(duì)于其他動(dòng)物來(lái)說(shuō)，酸味所代表的信息相對(duì)復(fù)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(dòng)物食用未成熟水果方面的作用遠(yuǎn)低于澀味和苦味。

酸的另一個(gè)含義是發(fā)酵。食物發(fā)酵帶來(lái)兩個(gè)方向的效果，這取決于食物的種類(lèi)和導(dǎo)致發(fā)酵的菌種。混合著臭味、霉味的酸味發(fā)酵物，一般意味著有毒的代謝產(chǎn)物。另一方面，人類(lèi)文明也掌握了人工發(fā)酵、生產(chǎn)酸味美食的技巧。人們之所以偏好比較純粹的酸味發(fā)酵物，是因?yàn)橐越湍妇腿樗峋鸀橹靼l(fā)酵過(guò)的水果蔬菜，往往使食物變得更好——發(fā)酵后產(chǎn)生了更多游離氨基酸和維生素，而且也分解了纖維和某些植物毒素。同時(shí)，有機(jī)酸產(chǎn)生，pH值下降，也抑制了有害細(xì)菌的滋生。此外，酒精的存在也使發(fā)酵水果更加招人喜愛(ài)。并且，叢林動(dòng)物也掌握這些秘密。

圖10 2018新西蘭年度動(dòng)物：吃醉的新西蘭木鴿倒吊在樹(shù)上。

天氣炎熱，注意飲食哦。

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