發酵的科學

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。

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...

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。

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，...

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

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...