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（图片来源：SciencePhotoLibrary）

曲霉是生活中最常见的真菌之一。曲霉的“曲”字，在古代写作麴（qū），也作“麯”，来源于古人的谷物酿酒技艺。

从生物化学的角度看，谷物酿酒实际是淀粉被酶解为糖，糖再经发酵转化为乙醇的过程。根据淀粉酶来源的不同，谷物酒可以分为谷芽酒、曲酒和口嚼酒三种。谷芽酒使用谷物发芽时自身产生的淀粉酶，其中最为人所知的是啤酒。口嚼酒使用口腔中的唾液淀粉酶，略显重口味，在日本动画电影《你的名字》中曾有所体现。曲酒使用的酒曲实际是微生物与谷物的混合物，淀粉酶主要来自其中的霉菌。

酒曲是中国古代劳动人民的伟大发明。在新石器时代早期我国中原地区遗址（距今约至年）出土的小口鼓腹罐中，考古学家发现了形态与曲霉和根霉相似的霉菌的遗存，推测那时的先民已经能够“驾驭”谷物上自然生长的霉菌，使用酒曲来酿酒[1]。汉代典籍《礼记》用简炼的文字描述了酿造曲酒的六大注意事项——“秫稻必齐，曲蘖必时，湛炽必洁，水泉必香，陶器必良，火齐必得”，涉及原料选择、发酵剂制备、器皿清洁、温度控制等多个方面，俨然一份发酵操作指南。在“六必”的基础上，工业微生物学家方心芳先生曾将山西汾酒的酿造工艺总结为“七大秘诀”，酒曲的制作仍然是其中最重要的秘诀之一。

图1︱汾酒地缸发酵车间的酿酒“秘诀”

曲霉是酒曲中常见的一类霉菌。在现代生物分类学的“门、纲、目、科、属、种”层级体系中，曲霉是一个属，拉丁名为Aspergillus。这一名称来自意大利神父、生物学家PierAntonioMicheli，而与酿酒无关。Micheli在显微镜下看到曲霉分生孢子梗末端的顶囊以及其上着生的孢子，形状颇似神职人员洒圣水用的器具（aspergillum），因此在年将其记录为Aspergillus。

图2︱显微镜下的曲霉[2]与天主教洒圣水的器具外形相似

曲霉属包含超过个种，其中很多与人类生活关系非常密切。今天，我们一起探访这个家族中5个成员的“菌生菌世”。

黑曲霉：酸酸甜甜都是它

黑曲霉（Aspergillusniger）的孢子含有黑色素（melanin），种名niger在拉丁语中即表示黑色。在食品、饮料的配料表上，常常可以看到柠檬酸和果葡糖浆的身影，它们的制造过程都有黑曲霉的贡献。

柠檬酸又称为枸橼酸，含有三个羧基，温和爽口，是食品领域用量最大的酸味剂。此外，柠檬酸在洗涤、医药、化工等行业也有广泛应用，全球年产量超过万吨，是当之无愧的第一大有机酸品种。

20世纪初，柠檬酸主要使用石灰沉淀、硫酸回收的方法从柠檬、酸橙等水果中提取。年，美国食品化学家JamesCurrie发现黑曲霉能够以蔗糖为碳源大量产生柠檬酸。当时一般认为，黑曲霉能够产生草酸而不是柠檬酸。Currie的实验结果显示，黑曲霉产生柠檬酸需要合适的培养条件，包括低pH、高糖、合适种类与浓度的氮源等，而前人使用的条件并不适合柠檬酸的积累[3]。Currie还使用浅盘进行液体表层发酵，使得黑曲霉能够获得充分的氧气供应（图3）。

辉瑞（Pfizer）公司敏锐地意识到Currie研究成果的重要性，聘请他继续研发，于年代实现了柠檬酸的大规模发酵生产。彼时的辉瑞还是一家化学品公司，为可口可乐等客户供应柠檬酸是其重要业务。一战期间，从欧洲进口用于提取柠檬酸的水果受到限制。黑曲霉发酵技术解决了柠檬酸生产的原料问题，使辉瑞在柠檬酸市场占据了主导地位。

图3︱Currie在浅盘中培养黑曲霉生产柠檬酸[3]

Currie的助手JasperKane当时只有16岁，他后来将表面发酵升级为效率更高的深层发酵，用于葡萄糖酸等的生产。二战期间，辉瑞凭借Kane的深层发酵技术在青霉素的生产中大放异彩[4]。

年，HansAdolfKrebs提出了著名的三羧酸循环。柠檬酸是这一循环合成的第一个关键中间产物，因此Krebs将其命名为柠檬酸循环。对于黑曲霉在特定条件下积累柠檬酸的“代谢溢流”（metabolicoverflow）现象，目前已经知道涉及中心代谢途径多个酶的活性调控。

除了产酸，黑曲霉也是产酶的高手。上世纪中叶起，黑曲霉在产酶方面的能力逐渐受到重视。目前，黑曲霉已经用于淀粉酶、葡萄糖氧化酶、半纤维素酶、果胶酶等多种酶制剂的工业化生产，葡萄糖淀粉酶（glucoamylase）是其中最重要的品种之一。

在以淀粉（主要是玉米淀粉）为原料生产葡萄糖的过程中，淀粉通常首先被细菌来源的a-淀粉酶在°C左右的高温下切断为短链糊精，糊精再被葡萄糖淀粉酶水解为葡萄糖。一部分葡萄糖可以继续被葡萄糖异构酶转化为甜度更高的果糖，浓缩后就得到了果葡糖浆。果葡糖浆口味清爽，在果汁、可乐、糕点、蜜饯等食品中广泛用作甜味剂。在这场酶催化的“接力赛”中，黑曲霉负责“第二棒”葡萄糖淀粉酶（习惯上称为糖化酶）的生产。

图4︱微生物酶“接力”用于果葡糖浆的生产

在葡萄糖淀粉酶和它的“队友”的共同努力下，来自淀粉的糖以其价格低廉等优势于年代迅速崛起，目前在饮料、发酵等行业已经取代了蔗糖的“霸主”地位。

米曲霉：晚来天欲雪，能饮一杯无？

米曲霉（Aspergillusoryzae）是东亚地区传统酿造中常见的菌种，种名oryzae来自拉丁语中的“稻米”。

在日本清酒的制作中，首先将清酒米碾磨、蒸熟，然后均匀洒上米曲霉，发酵制成米曲（koji）。米曲霉分泌的淀粉酶将米粒中的淀粉水解为糖，用于后续酵母的发酵。年，日本化学家高峰让吉（TakamineJokichi）从米曲霉中提取的“高峰淀粉酶”（Taka-diastase）获得了美国专利，用于改善消化不良的症状，这被认为是最早的蛋白药物。高峰淀粉酶的主要组分之一是α-淀粉酶，与人唾液淀粉酶、图4中淀粉制糖使用的细菌α-淀粉酶具有类似的结构和功能。

除了清酒以外，米曲霉也广泛应用于日本酱油、味噌等发酵食品的生产，对日本文化产生了深远影响，6年曾被日本酿造协会认定为“国菌”。

图5︱清酒酿造者在接种米曲霉孢子

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