發酵在生物化學中的定義較廣義：任何以有機分子作為最終電子受體的氧化還原平衡代謝途徑。從演化角度看，發酵可能是最早的能量代謝形式——在地球大氣氧化事件（GOE, ~2.4 Ga）之前，厭氧代謝是唯一的選擇。
發酵的氧化還原平衡邏輯
發酵路徑必須滿足氧化還原平衡：NAD⁺ 還原為 NADH 的步驟數必須等於 NADH 氧化回 NAD⁺ 的步驟數。糖解中每個葡萄糖產生 2 NADH（G3P 脫氫酶步驟），因此發酵的「尾段」反應必須消耗 2 NADH。這一約束決定了發酵產物的化學計量。
多樣的微生物發酵途徑
除經典的乙醇和乳酸發酵外，微生物展現了驚人的發酵多樣性：
- 混合酸發酵（Mixed acid）：腸內菌（E. coli）產生乳酸、乙酸、琥珀酸、甲酸、乙醇和 CO₂ + H₂。甲酸被甲酸氫裂解酶分解為 CO₂ + H₂ 是腸桿菌科的特徵反應（Methyl Red 試驗陽性）。
- 丁二醇發酵（Butanediol）：Klebsiella 產生 2,3-丁二醇為主要中性產物（Voges-Proskauer 試驗陽性），MR 陰性。
- 丙酸發酵：Propionibacterium 經由甲基丙二酸途徑（methylmalonyl-CoA pathway）將乳酸轉化為丙酸 + CO₂。瑞士起司的氣孔就是丙酸發酵產生的 CO₂。
- 丁酸發酵：Clostridium 將丙酮酸經 acetyl-CoA 轉化為丁酸（或丁醇+丙酮，ABE 發酵，在二戰前是工業丙酮的主要來源）。
Pasteur 效應與 Crabtree 效應
Pasteur 效應：氧氣存在時發酵被抑制，因為有氧呼吸更高效地再生 NAD⁺ 並產生 ATP，而高 ATP/AMP 比值異位抑制 PFK-1。Crabtree 效應：酵母菌在高葡萄糖（>0.8 mM）條件下即使有氧也進行發酵——葡萄糖引發的阻遏（glucose repression）下調呼吸鏈基因表達，且高糖解通量超過粒線體的 NADH 處理能力。
Warburg 效應的分子機制
Otto Warburg（1931 年諾貝爾獎）觀察到腫瘤組織即使在有氧條件下仍進行高速率的糖解和乳酸生成。現代理解認為這不是粒線體缺陷，而是增殖細胞的代謝重編程：(1) HIF-1α 活化上調糖解酵素和 LDHA 表現；(2) c-Myc 驅動糖解基因表現；(3) PKM2 的低活性二聚體形式使糖解中間物轉向合成途徑（核苷酸、胺基酸、脂質前驅物）。mTORC1 和 AMPK 的拮抗調控決定細胞在合成代謝（Warburg 表型）和分解代謝之間的切換。
工業發酵生物學
代謝工程利用系統生物學工具改造微生物的發酵途徑。通量平衡分析（FBA）結合基因組規模代謝模型（GEM）可預測基因敲除/過表達對產物產率的影響。CRISPR-Cas9 和合成生物學工具使精準改造成為可能：重新設計 E. coli 生產 1,4-丁二醇（Genomatica）、改造 S. cerevisiae 生產青蒿素前驅物 artemisinic acid（Keasling, 2006）。動態代謝調控（dynamic metabolic regulation）透過感測器-驅動的基因迴路在發酵過程中即時調整酵素表達量，平衡生長和生產。
腸道微生物組的發酵代謝
結腸中的厭氧微生物群落對膳食纖維進行集體發酵，產生短鏈脂肪酸（SCFA）——乙酸、丙酸和丁酸。丁酸是結腸上皮細胞的主要能源（提供 ~70% 能量需求），並透過抑制 HDAC 發揮表觀遺傳調控作用。SCFA 透過 GPR43/GPR41 受體影響腸道免疫、腸內分泌 L 細胞的 GLP-1 分泌和中樞食慾調控。腸道發酵代謝組（fermentome）的組成與肥胖、糖尿病和發炎性腸病的風險相關。