呼吸と発酵を区別する

呼吸とは、生物が糖類などの有機化合物に蓄えられたエネルギーを取り出す過程のことです。この過程では酸素が消費され、二酸化炭素と水が放出されます。動物は食物からエネルギーを得るのも、植物は光合成によって生成した糖からエネルギーを得るのも、この呼吸によるものです。

呼吸とは、糖類、脂肪酸、タンパク質由来のアミノ酸といった大きな有機分子を分解する一連の反応のことです。真核生物では、この反応連鎖のうち酸素を利用する部分は、ミトコンドリアと呼ばれる特殊な細胞小器官の中で行われます。酸素分子中の2つの酸素原子間の結合エネルギーが高いため、呼吸は有機分子からエネルギーを得る非常に効率的な方法となっています。

酸素が不足すると、多くの生物は発酵を行う。しかし、発酵は酸素の高エネルギー結合を利用できないため、糖分子1個あたりのエネルギー生成量は呼吸よりもはるかに少ありません。呼吸では、老廃物は二酸化炭素と水です。一方、発酵では、生物によって老廃物の種類が異なり、一般的には乳酸とエタノールが生成されます。

コーヒーやビールの醸造において、細菌や酵母による発酵過程はよく知られています。乳酸菌など多くの種類の細菌は、発酵中に乳酸を生成します。ヨーグルトの酸味は、この乳酸によるものです。

乳酸は、動物や一部の細菌における発酵の副産物でもあります。同様の代謝プロセスは、例えば激しい運動時など、動物の筋肉細胞でも起こります。筋肉細胞が血液から十分な酸素を受け取れない場合、乳酸が筋肉細胞に蓄積し、運動後に「筋肉痛」を感じる原因となります。

エタノールは、酵母や一部の細菌による発酵の最終生成物です。

好気性発酵と嫌気性発酵

厳密な生物学的定義によれば、発酵は酸素を使用しないため、嫌気性プロセスとみなされます。しかし、発酵と呼ばれるプロセスの中には、酸素が存在する環境下で起こるものもあります。

「好気性発酵」という用語は、酸素が存在する環境下でも起こる発酵過程を指す場合に使われることがあります。ほとんどの酵母は酸素が存在すると発酵ではなく呼吸に切り替わりますが、サッカロミセス・セレビシエ（醸造に用いられる酵母）など一部の酵母は、十分な糖があれば酸素が存在する環境下でも発酵を続けます。この能力は、毒性物質であるエタノールをめぐる細菌との競争を減らすために進化したと考えられており、家畜化によってさらに発達した可能性があります。酸素を使用しないにもかかわらず、この過程は、その名称とは裏腹に、嫌気性発酵とみなすことができます。

さらに、「発酵」という用語は、食品やバイオリアクター内で微生物によって行われるあらゆる代謝プロセスを指す、より広い意味で用いられることもあります。例えば、酢（酢酸）の製造は「酸化発酵」とも呼ばれ、酸素を必要とします。このプロセスでは、アセトバクターなどの細菌が酸素を利用してエタノールを酢酸に変換します。この種のプロセスは、コンブチャなどの多くの「自然発酵」プロセスや、酸素にさらされたコーヒー発酵タンクでも起こります。

コーヒーの文脈では、「発酵」という用語は通常、この代謝プロセス全体を指します。一般的な発酵槽では、様々な種類の細菌や酵母が発酵と呼吸の両方を行い、その他多くの代謝活動も行います。

「発酵」という用語の使い方の違いが、コーヒーにおける嫌気性発酵と好気性発酵の名称の区別を難しくしている一因となっている。分かりやすくするために、酸素を除去することを目的とした制御された発酵工程については、「バッグ発酵」など、特定の用語を用いるのが望ましい。