化學家與生物學家激烈論戰百年之謎:發酵是怎麼發生的?
作者:亞當.羅傑斯(Adam Rogers)

英國酵母菌種中心這樣的收藏中心之所以能夠每天順利運作,都要仰賴羅伯斯等人善盡職責。遙想 2500 年之前,一切大為不同。

當時的科學家兼哲人亞里斯多德對於含糖飲料經過一段時間後會轉變成酒感到納悶,他研判應該是「活力」(vis viva )在發揮作用;在他的理解裡,這種力量為萬物注入生機與活力,因此可以完成各自的使命。例如,葡萄是因「想要」熟成為葡萄酒而生,而衰敗後變成醋則等同它的死亡。

轉眼來到距今不久的西元 1516 年,德國已出現專為啤酒頒布的法規《啤酒純釀法》(Reinheitsgebot )─世界上第一部食品安全法 — 規定只能使用大麥、水及啤酒花來釀造啤酒。裡面沒有提到酵母,因為那時還沒人知道它的存在。當時通過這條法規的巴伐利亞公爵們,根本不知道手中擁有的這件神妙之物。

長久以來,每當完成一次成功的發酵─換言之,當果汁、蜂蜜或任何東西變成了可口的酒精飲料,沒有發酸、發臭時─液體中總有一層雲霧狀的東西聚集,沉澱之後可以用來產生下一次成功的發酵。

當時人們按其行為特徵,將此沉澱物取名為「yeast」(即酵母,字義中有「動盪不安」的意味)。法國人和德國人分別將它命名為 levure 及 Hefe,若以字根追溯其詞源,兩者都有「升起」(to lift)之意,正如麵包發酵時會膨脹一般。英文中的「酵母」(yeast)又是從荷蘭文中的「要旨」(gist)這個字衍生而來,其希臘文原意帶有「熬煮成精華」的意思。所以,當我們說「擇其要旨」(getting the gist)時,意思與「取其精華」(boiling it down)是一樣的。

史上一些重量級的研究者,亦即開啟現代科學之門的人,他們奉獻了大半生致力研究發酵作用。《啤酒純釀法》頒布後,過了一個半世紀,顯微鏡的發明人安東尼‧ 范‧雷文霍克(Anton van Leeuwenhoek)在他的全新鏡片上滴了發酵中的啤酒,觀察到了一個個的酵母細胞。他將看到的這些橢圓形球狀生命體描繪下來並加以摘要,然後送到英國皇家學院(Royal Society of London),結果卻令學者們一頭霧水,研究隨即中止。接下來的一個半世紀裡,人們對此依然意興闌珊。

這項發現,要到 1789 年才能再次引起注意─儘管研究主題截然不同。

安東萬‧ 拉瓦節(Antoine Lavoisier)是發現氫和氧的化學家,他率先對糖分轉換成乙醇及二氧化碳發表了定量分析。正如某些作家指出,或許是他任職於一間大型稅務機構的緣故,拉瓦節對於化學計量會計極為拿手。他領悟到,不論經過任何化學反應,初始物質應該會與總產出物等量。這便是物質不滅定律的起源,指出了物質不會被創造或消滅,但是可以被轉換。

當拉瓦節看到葡萄汁的含糖量高達 25% 時,他就做了項假設,研判葡萄中的糖分可以透過某種方式轉換成乙醇。接著,他透過一個巧妙的實驗來證明他的論點。拉瓦節先將一批純糖發酵,同時又將另一批等量的糖碳化,然後使用自己精心製作的計量器與另一邊產出的乙醇比對。

結果顯示,實驗開始前有 26.8 磅的碳(也就是碳化的糖),實驗結束後共有 27.2 磅的碳化合物(發酵產生的乙醇與二氧化碳)。在實驗容許的誤差範圍內,兩邊的重量基本上一致。由於實驗中酵母的重量顯得微不足道,拉瓦節並未將之納入計算。

安東萬‧ 拉瓦節(Antoine Lavoisier)(Source: wikipedia

著名的化學家約瑟夫.路易士.給呂薩克(Joseph Louis Gay-Lussac)發表了更為精確的實驗結果與計算公式;然而,連他也沒把酵母當回事兒。法國大革命後,新政權在 1794 年把拉瓦節送上了斷頭台;九年後,也就是 1803 年,法國法蘭西學會(Institut de France)亟欲找出發酵的原因,並且願意提供一枚重達一公斤的金牌給任何發現者,但是從未有人得到這面金牌。

又過了二十年,法國的製酒業中,光是葡萄酒一項的市值就已高達二千二百五十萬英鎊─這是以 1820 年代的英鎊幣值計算,相當於今天的 25 億美金,這還不含啤酒、蘋果酒,或任何蒸餾酒。

終於,到了 1837 年,一位名叫泰奧多爾.許旺(Theodor Schwann)的德國生理學家認真看待了這個課題。他斷定雷文霍克發現的那些微生物便是促成發酵的推手。許旺是細胞生物學的先驅,他相繼歸納出一些與神經系統關係重大的細胞,今日我們稱之為「許旺細胞」。他堪稱史上第一位洞察酵母菌種種特徵的人,包括它們是以無性生殖方式繁衍、以糖為食、只能存活於含氮環境,並會排放乙醇等。他把它們叫成「糖蘑菇」(Zuckerpilz),這是他的同事弗蘭茨‧ 邁恩(Franz Meyen)在為此菌屬取名時的創意來源。在德文中,Zuckerpilz有「糖菌」的意味;邁恩的拉丁文翻譯則是Saccharomyces 。

後來,這種用在釀酒與烘焙的菌種就被稱為 Saccharomyces cerevisiae (即啤酒酵母),而西班牙文中 cerveza 即意指啤酒。

問題看似已有解答,對嗎? 這些人理當得到一公斤黃金。可是…… 化學家這時跳了出來,提出他們的質疑。

化學家與生物學家的看法始終南轅北轍;化學家認為,生物學家所標榜的論點過於武斷,相較之下,化學家的論證方式要來得更為仔細。(物理學家呢? 可別讓他們發難。)兩位德國化學家─斐德列希.維勒(Friedrich Wöhler)、尤斯圖斯.馮.李比希男爵(Justus von Liebig),連同他們的瑞典籍老師永斯.雅各布.柏齊流斯(Jöns Jacob Berzelius)相繼加入論戰,強烈駁斥微生物可以產生酒精的想法。不容分說,化學家們必定認為發酵是一道化學程序─只要讓果汁放久了自然就會發生的化學反應。他們認為微生物無關痛癢。

這幾個人可非等閒之輩;他們都在自己的領域中建立了一定聲譽。根據歷史記述,柏齊流斯是首位宣稱分子結構僅包含碳、氫、氧及含氮「有機物」的科學家,由於他是從生物中發現這些分子,因而創造了「有機化學」這門大學科,並且讓許多原本立志當醫生的孩子喪失信心。

斐德列希‧ 維勒(Friedrich Wöhler)(Source: wikipedia)

李比希男爵的貢獻則是,建立了讓化學系學生走進業界實驗室實習的風氣。這三位化學家又聯手發現同分異構物的存在,這是指成分元素相同,但因其結構不同,而性質各異的化合物。就好比說,你準備的是做蛋糕的材料,但因調理時先後順序錯亂,結果做出了臘腸。

此外,這幾個人也頗為風趣。維勒意外合成出尿素,也就是尿液的主要成分時,寫了封著名的信給柏齊流斯:「以後當我內急時,這麼說吧,就是憋不住的時候,你一定要知道,我現在不需要腎就能產生尿液了。」

李比希男爵認為,酵母菌死亡分解時,會產生某種震盪效應,先將糖裂解,再重組成為乙醇。現在看來或許可笑,其實當時還有不少更怪異的想法大行其道。所以,當後起之秀的生物學家許旺不留情面地戳破這些謬論時,李比希男爵與維勒難以忍受,於是指使同夥發動了包括科學上的惡意攻訐、冷嘲熱諷等手段予以詆毀。

他們在自己主辦的科學期刊《化學與製藥年報》(Annalen der Chemie und Pharmacie )上撰文(以匿名方式)揶揄發酵中的酵母(「貌似一個本多夫牌蒸餾瓶」)出現在顯微鏡下的形象:「簡單來說,這條草履蟲把糖吃掉,然後從肛門排出酒精,從泌尿器官排出二氧化碳。」將如此渺小的神奇生物說成會尿出二氧化碳,排出啤酒糞便? 真是誇張。

現在我們大概覺得這些化學家居心叵測,然而當時他們自有一套說詞。早期的顯微鏡製造粗糙,經常因為讓人觀察到不實之物而招來罵名。這場科學論戰一直延燒到 1850 年代仍是欲罷不能,顯然對釀酒師的燃眉之急完全沒有幫助,整個製酒業建立在充滿謎團的薄弱基礎上。發酵過程一切順利時無人在意;出紕漏時則無人救急。

舉例來說,英國在 1800 年到 1815 年之間與法國交惡,封鎖了來自西印度和亞洲地區的蔗糖。無奈之下,法國只好尋求替代品:甜菜,這是唯一比較容易榨出糖的替代植物。約莫在 1850 年代中期,法國北部的里爾地區(Lille)成為甜菜榨糖、發酵釀酒的主要產地─儘管利潤頗豐,這裡的人們也同樣經常遇到釀造葡萄酒及啤酒時出現的問題。

畢戈(Bigo)是里爾地區的製酒業者之一,在某批釀製的酒中,有幾桶相當不錯,但其餘的都變酸了,渾濁得像是敗損的牛奶一般。畢戈把事情告訴他的兒子後,這位年輕人對父親說他在里爾大學有位教授或許能幫得上忙。

這位「小」畢戈所提到的是位不苟言笑的「保皇黨人」(Royalist),知名的晶體學研究者,年方三十,當時正致力於研究同分異構物─即柏齊流斯發現的具有相同化學成分,但是分子結構不同的物質。他的名字叫做路易‧ 巴斯德。

路易‧ 巴斯德(Louis Pasteur)(Source: wikipedia)

巴斯德發現平面偏極光(polarized light)通過同分異構物時會出現旋轉效應;平面偏極光指的是因透鏡阻擋,只允許在某一平面上震盪的波長通過,其他任意光波無法穿透,有些太陽眼鏡便具有此效果。這項「光學異構物」的偉大發現,在 1854 年為巴斯德贏得了里爾大學的教授職;次年,他對甜菜發酵的酒精展開同分異構作用的研究。在實驗中,他發現了兩種實為「光學異構物」的相反分子結構,他也從此加入了這個怪異、人們一知半解的發酵化學的研究陣容。

巴斯德接受了畢戈的請託前去查看酒槽。這時的巴斯德尚未成為大人物。那是「巴斯德氏滅菌法」之前的巴斯德;發表「細菌致病說」之前的他;發現鼠疫之前的他;早於他的所有偉大發現之前的他。巴斯德對發酵萌生興趣前,世上幾乎無人確知其為何物。

當時,產生酒精的發酵作用被世人稱為所謂「富含酒精的發酵」(spirituous fermentation)。可是醋酸(醋)和乳酸(製作泡菜或讓牛奶敗損)看來也是形成於發酵物中。因此,有些研究人員便借題發揮,提出腐敗(敗損及腐爛)也是另一種發酵形態的論述。以上提及的各種作用,都與這神秘的、將「此種」物質轉變成「彼種」物質的發酵脫不了干係。

這個故事的出處其實已不可考。巴斯德本人從未提過自己造訪「畢戈先生」這位甜菜發酵業者的外傳;這段軼事其實出自後來一本美化過的巴斯德傳記。在正史中,巴斯德早在來到里爾前就曾對發酵成因表示好奇,不過他本人不太喝酒。另外,他的早期研究和酒石酸有關,那是製酒的副產物。

因此,他或許早已懷疑會從發酵研究裡找到具有生機的微生物。(如一位巴斯德的傳記作家傑拉德‧ 傑森﹝Gerald Geison﹞所言:「我相信巴斯德在展開以實驗為基礎的研究時,已預料到自己會找出不對稱結晶體、光學作用,以及生命之間的相關性。」)

無論真相為何,傳奇同樣動人:抵達畢戈的工廠後,巴斯德發覺那些冒出怪味的釀液形貌有些不同,看起來像是已被弄髒或受到汙染。於是,他採集了一些樣本。在顯微鏡下,可以看到那些正常發酵的甜菜糖液中,有許旺等人曾觀察到的圓形結構物體;冒出怪味的樣本中,則有長棍形的黑色物體。而且這些敗損的樣本中充滿了乳酸,而不是酒精。

巴斯德推斷,那些圓形細胞,亦即酵母菌,可以透過某種方式製造酒精,至於那些不知名的黑色長棍則會產生乳酸。他設計了一個相當出色的實驗來支持自己的論點,後來巴斯德就是因其獨到的實驗手法聞名於世。他將糖及礦物質滋養液分別倒入幾個瓶子內,然後在其中一瓶添加成功發酵樣本的沉澱物,再將發酵成乳酸的樣本沉澱物加到另一個瓶內。結果,第一瓶中產生了酒精;第二瓶內則沒有。這個實驗的可信度,遠遠超越許旺的關聯性推論;它提供了充分的實證。

在實驗室里做實驗的巴斯德。(Source: wikipedia)

然而,巴斯德無法排除甜菜糖液微生態中的不良競爭對手,甚至不知其為何方神聖,不過他還是給了建議:清洗發酵槽。槽內絕對不可殘留任何一滴受到汙染的發酵液,清洗後從頭來過。

從 1857 年開始,巴斯德在他所發表的文獻與書籍中,更深入地構築出發酵作用的全貌。他理解乙醇並不是發酵作用的唯一產物─視用來發酵的物質而定,還可能產生甘油(丙三醇)、琥珀酸,或酪酸。這是史上首次有人主張微生物會吸收周遭化合物,發生一些作用,然後釋放出其他物質。新陳代謝的論述也在此時誕生,那是關於生物如何產生能量的生物學研究。

巴斯德在 1866 年出版了《葡萄酒研究》(Études sur le Vin ),這是他有關酒的主要著作;十年後,他又出了另一本以啤酒與發酵為主題的書。

不過,李比希男爵從來不買他的書。他仍強硬主張酵母在發酵過程中並非全然必要,即便酵母中存在某種讓糖發酵成酒精的物質;巴斯德認為只有活的酵母才能發生作用。李比希男爵則又舉出幾個絕妙的反證堅持己見。譬如,法國化學家在 1833 年精煉出一種可將澱粉轉換成糖的化學物質,過程中就不需生物插手。三年後,許旺自己也分離出一種他稱為「胃蛋白酶」的化學物質,可以溶解肌肉、血塊和凝固的蛋白。

當時化學家將這些物質稱為「可溶性發酵劑」;今天我們稱之為「酵素」,是一種能夠加速生物反應的蛋白質(我會在後續幾章中詳細討論)。雙方僵持不下,在各種公開場合及期刊中你來我往。巴斯德也從來不甘示弱,直到李比希男爵過世後,這場持續多年的學術論戰才終告落幕。

尤斯圖斯‧ 馮‧ 李比希男爵(Justus von Liebig)

轉眼來到 1897 年,紛擾中的要角均已作古,終於可以繼續進行正事。就在這一年,有位名叫愛德華‧ 布希納(Eduard Buchner)的德國化學家休假時探訪他在慕尼黑實驗室工作的弟弟漢斯,一位微生物學家。漢斯當下正忙著破壞酵母的細胞壁、從中抽出萃取物,並想辦法讓它們仍能保持幾小時的活性。而他嘗試的作法之一就是:把從酵母中取出的膠黏物質,放到濃度高達 40% 的糖水中。

操作過程裡的某個現象,吸引了愛德華的目光。

起泡了,他知道這代表正在發酵。於是兄弟兩人忙了起來,希望弄清楚前因後果。豈知,竟然就此創造了能夠讓酵母萃取物永保活性的作業方式:他們先將釀酒酵母摻入砂子碾碎,然後加水調成膏狀,再使用液壓機擠壓膏狀物質。接著,他們以紙網過濾液壓機榨出的汁,產生了最終萃取物。然後,如布氏兄弟所記載,「榨出來的汁液可以讓碳水化合物發酵,這是它最有趣的特性。」他們將這種萃取物─他們當時還不知道已經提煉出許多純淨酵素─命名為「酵酶」(zymase)。

換句話說,巴斯德與李比希男爵都沒有錯 ─ 發酵是由活酵母菌細胞內的一種或多種物質促成,但酵母絕對是過程中不可缺少的要角。另外,布氏兄弟的成就也微妙地傳遞出一分優雅,因為這項成就是由生物學家和化學家合作無間完成的,化解了兩造間長達一世紀的嫌隙。

至於要想了解酵母菌細胞內究竟如何運作,則要再等個幾十年,彼時將會激盪出另一個全新的科學領域─生物化學。

從發酵、蒸餾到熟陳等工序,書中以獨特的視野, 將生產知名酒飲的木桶、蒸餾器、槽具與酒缸內的神奇展露無遺。 跟著羅傑斯的腳步,我們神遊蘇格蘭高地的威士忌聖地, 以及當今世上最頂尖的基因定序實驗室 ──沿途還會造訪好幾間酒吧 ──也順道見識了現代製酒技術衍生而來的各種角色與發展。 鍾情於醺酣的羅傑斯,在他筆下酒精飲料儼然成了科學奇蹟。 當你凝視著杯中之物,遙想它的來歷源起, 或是沉吟乾杯後身體裡發生的變化, 《酒的科學》便是陪你展開冒險的最佳伴侶。 你,準備好來一杯了嗎?