ในชีวเคมีทฤษฎีการหมักหมายถึงการศึกษาทางประวัติศาสตร์ของแบบจำลองกระบวนการหมักตามธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การหมัก แอลกอฮอล์และกรดแลคติกผู้มีส่วนร่วมที่โดดเด่นในทฤษฎีนี้ ได้แก่จัสตุส ฟอน ลีบิกและหลุยส์ ปาสเตอร์ซึ่งปาสเตอร์ได้พัฒนาพื้นฐานทางจุลชีววิทยาล้วนๆ สำหรับกระบวนการหมักโดยอาศัยการทดลองของเขา งานของปาสเตอร์เกี่ยวกับการหมักในภายหลังนำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีเชื้อโรคของโรคซึ่งทำให้แนวคิดเรื่องการกำเนิดเองตามธรรมชาติหมดความสำคัญไป^{[ 1 ]}แม้ว่ากระบวนการหมักจะถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางตลอดประวัติศาสตร์ก่อนกำเนิดทฤษฎีที่แพร่หลายของปาสเตอร์ แต่กระบวนการทางชีววิทยาและเคมีพื้นฐานยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ ในปัจจุบัน การหมักถูกนำมาใช้ในการผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ อาหาร และยาต่างๆ^{[ 2 ] [ 3 ]}

การหมักเป็นกระบวนการเผาผลาญแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่เปลี่ยนน้ำตาลให้เป็นกรด ก๊าซ หรือแอลกอฮอล์ในสภาพแวดล้อมที่ขาดออกซิเจน ยีสต์และจุลินทรีย์อื่นๆ จำนวนมากมักใช้การหมักเพื่อหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งจำเป็นต่อการอยู่รอด แม้แต่ร่างกายมนุษย์ก็ยังมีการหมักเกิดขึ้นเป็นครั้งคราว เช่น ในระหว่างการวิ่งระยะไกลกรดแลคติกจะสะสมในกล้ามเนื้อเมื่อออกกำลังกายเป็นเวลานาน ภายในร่างกายมนุษย์ กรดแลคติกเป็นผลพลอยได้จาก การหมักที่สร้าง ATPซึ่งผลิตพลังงานเพื่อให้ร่างกายสามารถออกกำลังกายต่อไปได้ในสถานการณ์ที่ร่างกายไม่สามารถประมวลผลการรับออกซิเจนได้เร็วพอ แม้ว่าการหมักจะให้ ATP น้อยกว่าการหายใจแบบใช้ออกซิเจน แต่ก็สามารถเกิดขึ้นได้ในอัตราที่สูงกว่ามาก มนุษย์ใช้การหมักอย่างมีสติมาตั้งแต่ประมาณ 5000 ปีก่อนคริสตกาล โดยมีหลักฐานจากภาชนะที่ค้นพบใน บริเวณ เทือกเขาซากรอส ของอิหร่าน ซึ่งมีเศษจุลินทรีย์ที่คล้ายกับที่พบในกระบวนการผลิตไวน์

ก่อนที่ปาสเตอร์จะทำการวิจัยเกี่ยวกับการหมัก มีแนวคิดเบื้องต้นที่แข่งขันกันอยู่บ้าง นักวิทยาศาสตร์คนหนึ่งที่มีอิทธิพลอย่างมากต่อทฤษฎีการหมักคือจัสตุส ฟอน ลีบิก ลีบิกเชื่อว่าการหมักส่วนใหญ่เป็นกระบวนการย่อยสลายอันเป็นผลมาจากการที่ยีสต์สัมผัสกับอากาศและน้ำ^{[ 4 ]}ทฤษฎีนี้ได้รับการยืนยันจากการสังเกตของลีบิกที่ว่าสารที่ย่อยสลายอื่นๆ เช่น ชิ้นส่วนพืชและสัตว์ที่เน่าเปื่อย มีปฏิสัมพันธ์กับน้ำตาลในลักษณะเดียวกับยีสต์ กล่าวคือ การย่อยสลายของสารอัลบูมิน (เช่น โปรตีนที่ละลายน้ำได้) ทำให้น้ำตาลเปลี่ยนเป็นแอลกอฮอล์^{[ 4 ] [ 5 ]}ลีบิกยึดถือมุมมองนี้จนกระทั่งเสียชีวิตในปี 1873 ^{[ 4 ]}ทฤษฎีที่แตกต่างออกไปได้รับการสนับสนุนโดยชาร์ลส์ คาญิอาร์ด เดอ ลา ตูร์และนักทฤษฎีเซลล์ธีโอดอร์ ชวานน์ซึ่งอ้างว่าการหมักแอลกอฮอล์ขึ้นอยู่กับกระบวนการทางชีวภาพที่ดำเนินการโดยยีสต์ของผู้ผลิตเบียร์^{[ 6 ] [ 5 ]}

ความสนใจของหลุยส์ ปาสเตอร์ในการหมักเริ่มขึ้นเมื่อเขาสังเกตเห็นคุณสมบัติที่น่าทึ่งบางอย่างของแอลกอฮอล์อะมิลซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการหมักกรดแลคติกและแอลกอฮอล์ ในระหว่างการศึกษาทางชีวเคมีของเขา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปาสเตอร์สังเกตเห็นความสามารถในการ "หมุนระนาบของแสงโพลาไรซ์ " และ "การจัดเรียงอะตอมที่ไม่สมมาตร" ^{[ 4 ]}พฤติกรรมเหล่านี้เป็นลักษณะเฉพาะของสารประกอบอินทรีย์ที่ปาสเตอร์เคยตรวจสอบมาก่อน แต่ก็เป็นอุปสรรคต่อการวิจัยของเขาเองเกี่ยวกับ "กฎแห่งความสัมพันธ์ของเฮมิเฮดรัล" ^{[ 6 ] [ 7 ]}ก่อนหน้านี้ ปาสเตอร์พยายามที่จะหาความเชื่อมโยงระหว่างโครงสร้างทางเคมีและรูปร่างภายนอกของสาร และแอลกอฮอล์อะมิลที่มีฤทธิ์ทางแสงไม่ได้เป็นไปตามที่เขาคาดหวังตาม 'กฎ' ที่เสนอ^{[ 6 ]}ปาสเตอร์จึงพยายามหาเหตุผลว่าทำไมจึงมีข้อยกเว้นนี้ และทำไมสารประกอบทางเคมี ดังกล่าว จึงถูกสร้างขึ้นในระหว่างกระบวนการหมักตั้งแต่แรก^{[ 6 ]}ในการบรรยายชุดหนึ่งในช่วงปลายปี พ.ศ. 2403 ปาสเตอร์พยายามเชื่อมโยงกิจกรรมทางแสงและความไม่สมมาตรของโมเลกุลเข้ากับต้นกำเนิดอินทรีย์ของสาร โดยยืนยันว่าไม่มีกระบวนการทางเคมีใดที่สามารถเปลี่ยนสารสมมาตร (อนินทรีย์) ให้เป็นสารไม่สมมาตร (อินทรีย์) ได้^{[ 6 ]}ดังนั้น การสังเกตแอลกอฮอล์อะมิลจึงเป็นแรงจูงใจแรกๆ บางประการสำหรับคำอธิบายทางชีววิทยาของการหมัก

ในปี พ.ศ. 2499 ปาสเตอร์สามารถสังเกตจุลินทรีย์ที่รับผิดชอบต่อการหมักแอลกอฮอล์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ได้ ในขณะที่ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยลีลล์ [ ^{4 ] [ 6 ] ตาม}ตำนานที่มาจากชีวประวัติของปาสเตอร์ในปี พ.ศ. 2443 นักศึกษาเคมีคนหนึ่งของเขา ซึ่งเป็นเจ้าของ โรงงานผลิตแอลกอฮอล์ จากบีทรูทในลีลล์ ได้ขอความช่วยเหลือจากเขาหลังจากประสบความล้มเหลวในการผลิตเบียร์มาหนึ่งปี^{[ 6 ]}ปาสเตอร์ทำการทดลองที่โรงงานเพื่อสังเกตกระบวนการหมัก โดยสังเกตว่ากลุ่มยีสต์จะยืดออกหลังจากเกิดกรดแลคติก แต่จะกลมและเต็มเมื่อแอลกอฮอล์กำลังหมักอย่างถูกต้อง^{[ 6 ]}

ในการสังเกตที่แตกต่างออกไป ปาสเตอร์ได้ตรวจสอบอนุภาคที่มาจากเถาองุ่นภายใต้กล้องจุลทรรศน์และพบว่ามีเซลล์ที่มีชีวิตอยู่ การปล่อยให้เซลล์เหล่านี้แช่อยู่ในน้ำองุ่นส่งผลให้เกิดการหมักแอลกอฮอล์อย่างแข็งขัน การสังเกตนี้เป็นหลักฐานที่ทำให้ยุติการแบ่งแยกความแตกต่างระหว่างการหมัก 'เทียม' ในไวน์และการหมัก 'แท้จริง' ในผลิตภัณฑ์ยีสต์^{[ 4 ]}การแบ่งแยกที่ไม่ถูกต้องก่อนหน้านี้มีสาเหตุส่วนหนึ่งมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าต้องเติมยีสต์ลงในเวิร์ตเบียร์เพื่อกระตุ้นการหมักแอลกอฮอล์ที่ต้องการ ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาการหมักสำหรับไวน์เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนเถาองุ่น การหมักไวน์ถูกมองว่าเป็น 'เทียม' เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มเติม แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาตามธรรมชาติมีอยู่บนเถาองุ่นเอง^{[ 8 ]}การสังเกตเหล่านี้ทำให้ปาสเตอร์มีสมมติฐานในการทำงานสำหรับการทดลองในอนาคต^{[ 6 ] [ 7 ]}

หนึ่งในกระบวนการทางเคมีที่ปาสเตอร์ศึกษาคือการหมักน้ำตาลให้กลายเป็นกรดแลคติก ซึ่งเกิดขึ้นในนมเปรี้ยว ในการทดลองเมื่อปี พ.ศ. 2490 ปาสเตอร์สามารถแยกจุลินทรีย์ที่มีอยู่ในกรดแลคติกที่หมักแล้วหลังจากกระบวนการทางเคมีเกิดขึ้น^{[ 9 ]}จากนั้นปาสเตอร์ได้เพาะเลี้ยงจุลินทรีย์เหล่านั้นใน ห้อง ปฏิบัติการของเขา เขาสามารถเร่งกระบวนการหมักกรดแลคติกในนมสดได้โดยการเติมตัวอย่างที่เพาะเลี้ยงลงไป^{[ 7 ]}นี่เป็นขั้นตอนสำคัญในการพิสูจน์สมมติฐานของเขาที่ว่าการหมักกรดแลคติกถูกเร่งปฏิกิริยาโดยจุลินทรีย์^{[ 7 ] [ 9 ]}

ปาสเตอร์ยังได้ทดลองกลไกของยีสต์เบียร์ในกรณีที่ไม่มีไนโตรเจนอินทรีย์ด้วย^{[ 6 ]}โดยการเติมยีสต์เบียร์บริสุทธิ์ลงในสารละลายของน้ำตาลอ้อย เกลือแอมโมเนียม และเถ้ายีสต์ ปาสเตอร์สามารถสังเกตกระบวนการหมักแอลกอฮอล์พร้อมกับผลพลอยได้ตามปกติทั้งหมด ได้แก่กลีเซอรีน กรดซัคซินิกและเซลลูโลสและไขมัน ในปริมาณเล็กน้อย ^{[ 6 ]}อย่างไรก็ตาม หากนำส่วนผสมใดส่วนผสมหนึ่งออกจากสารละลาย การหมักจะไม่เกิดขึ้น สำหรับปาสเตอร์ นี่เป็นหลักฐานว่ายีสต์ต้องการไนโตรเจน แร่ธาตุ และคาร์บอนจากตัวกลางสำหรับกระบวนการเมตาบอลิซึม โดยปล่อยกรดคาร์บอนิกและเอทิลแอลกอฮอล์เป็นผลพลอยได้^{[ 5 ] [ 6 ]}สิ่งนี้ยังหักล้างทฤษฎีของ Liebig ด้วย เนื่องจากไม่มีสารอัลบูมินอยู่ในตัวกลาง การสลายตัวของยีสต์จึงไม่ใช่แรงขับเคลื่อนสำหรับการหมักที่สังเกตได้^{[ 5 ] [ 6 ]}

ก่อนช่วงปี 1860 และ 1870 ซึ่งเป็นช่วงที่ปาสเตอร์ตีพิมพ์ผลงานเกี่ยวกับทฤษฎีนี้ เชื่อกันว่าจุลินทรีย์และแม้แต่สัตว์ขนาดเล็กบางชนิด เช่น กบ จะสามารถเกิดขึ้นเองได้ การเกิดเองตามธรรมชาติได้รับการอธิบายในหลากหลายวิธีในเชิงประวัติศาสตร์ อริสโตเติล นักปรัชญากรีกโบราณ ได้ตั้งทฤษฎีว่าสิ่งมีชีวิตปรากฏขึ้นจากส่วนผสมของธาตุต่างๆ บนโลก เช่น ดินเหนียวหรือโคลนผสมกับน้ำและแสงแดด^{[ 10 ]}ต่อมาเฟลิกซ์ ปูเชต์ได้โต้แย้งถึงการมีอยู่ของ 'แรงพลาสติก' ภายในเศษซากพืชและสัตว์ที่สามารถสร้างไข่ขึ้นเองได้ และสิ่งมีชีวิตใหม่ก็ถือกำเนิดจากไข่เหล่านี้^{[ 5 ] [ 6 ]}นอกจากนี้ หลักฐานที่พบได้ทั่วไปที่ดูเหมือนจะสนับสนุนทฤษฎีนี้คือการปรากฏตัวของหนอนแมลงวันบนเนื้อดิบหลังจากที่ปล่อยทิ้งไว้ในที่โล่ง

ในช่วงทศวรรษ 1860 และ 1870 ความสนใจของปาสเตอร์ในการเกิดเองตามธรรมชาติทำให้เขาวิจารณ์ทฤษฎีของปูเชต์และทำการทดลองของตนเอง^{[ 6 ]}ในการทดลองครั้งแรก เขาใช้น้ำยีสต์ที่ต้มกับน้ำตาลแล้วปิดผนึกไว้ในภาชนะที่ปิดสนิท การป้อนอากาศร้อนที่ปราศจากเชื้อเข้าไปในส่วนผสมนั้นไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในขณะที่การนำฝุ่นละอองในอากาศเข้าไปทำให้เกิดจุลินทรีย์และเชื้อราขึ้นภายในส่วนผสม^{[ 5 ] [ 6 ]}ผลลัพธ์นี้ยังได้รับการสนับสนุนจากข้อเท็จจริงที่ว่าปาสเตอร์ใช้แอสเบสตอส ซึ่งเป็นสารอนินทรีย์ชนิดหนึ่ง เพื่อนำพาฝุ่นละอองในอากาศ ในการทดลองครั้งที่สอง ปาสเตอร์ใช้ขวดและส่วนผสมน้ำตาล-ยีสต์แบบเดียวกัน แต่ปล่อยทิ้งไว้ในขวดคอหงส์แทนที่จะนำสารแปลกปลอมใดๆ เข้าไป ขวดบางขวดถูกเปิดทิ้งไว้ในอากาศทั่วไปเพื่อเป็นกลุ่มควบคุม และขวดเหล่านี้แสดงให้เห็นการเจริญเติบโตของเชื้อราและจุลินทรีย์ภายในหนึ่งหรือสองวัน เมื่อขวดคอหงส์ไม่แสดงการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์แบบเดียวกันนี้ ปาสเตอร์จึงสรุปว่าโครงสร้างของคอขวดขัดขวางการผ่านของฝุ่นละอองในบรรยากาศเข้าไปในสารละลาย^{[ 5 ] [ 6 ]}จากการทดลองทั้งสองครั้ง ปาสเตอร์สรุปว่าฝุ่นละอองในบรรยากาศเป็นพาหะของเชื้อโรคที่ทำให้เกิด 'การเกิดเอง' ในน้ำซุปของเขา^{[ 6 ]}ดังนั้น งานของปาสเตอร์จึงเป็นหลักฐานที่พิสูจน์ได้ว่าการเจริญเติบโตของแบคทีเรียในน้ำซุปอาหารเกิดจาก กระบวนการสร้างสิ่งมีชีวิต (biogenesis)มากกว่าการเกิดเองในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง

ปัจจุบัน กระบวนการหมักถูกนำมาใช้ในแอปพลิเคชันในชีวิตประจำวันมากมาย รวมถึงยา เครื่องดื่ม และอาหาร ปัจจุบัน บริษัทต่างๆ เช่นGenencor International ใช้การผลิตเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการหมักเพื่อสร้างรายได้มากกว่า 400 ล้านดอลลาร์ต่อปี^{[ 3 ]}ยาหลายชนิด เช่น ยาปฏิชีวนะ ผลิตขึ้นโดยกระบวนการหมัก ตัวอย่างเช่น ยาคอร์ติโซน ที่สำคัญ สามารถเตรียมได้โดยการหมักสเตียรอยด์จากพืชที่เรียกว่าไดออสเจนิน

เอนไซม์ที่ใช้ในปฏิกิริยามาจากเชื้อราRhizopus nigricans [ ^{11 ] ดัง}ที่ทราบกันดีอยู่แล้ว แอลกอฮอล์ทุกประเภทและทุกยี่ห้อก็ผลิตขึ้นโดยวิธีการหมักและการกลั่นเช่นกันเหล้าเถื่อนเป็นตัวอย่างคลาสสิกของการดำเนินการดังกล่าว สุดท้ายนี้ อาหารเช่นโยเกิร์ตก็ทำขึ้นโดยกระบวนการหมักเช่นกันโยเกิร์ตเป็นผลิตภัณฑ์นมหมักที่มีแบคทีเรียที่มีลักษณะเฉพาะคือLactobacillus bulgaricusและStreptococcus thermopiles ^{[ 12 ]}

• การหายใจระดับเซลล์
• การกลั่น
• การหมักในกระบวนการผลิตอาหาร
• หลุยส์ ปาสเตอร์
• การกำเนิดโดยธรรมชาติ
• โรคที่เกิดจากเอนไซม์ (จากคำในภาษากรีก ว่า zumounซึ่งหมายถึง "การหมัก")