発酵（はっこう、、醱酵）は、酵素の働きによって有機物質に化学変化をもたらす代謝プロセスである。生化学では、酸素のない状態で炭水化物からエネルギーを取り出すことと、狭義に定義される。においては、より広く、微生物の活動が食品や飲料に望ましい変化をもたらすあらゆる過程を指すこともある。発酵の科学は発酵学または酵素学と呼ばれる。

微生物において、発酵は、有機栄養素のな分解を通じてアデノシン三リン酸（ATP）を生成する主要な手段である。

人類は新石器時代から、食品や飲料の生産に発酵を利用してきた。たとえば、発酵は、キュウリのピクルス、コンブチャ、キムチ、ヨーグルトなどの酸っぱい食品に含まれる乳酸を生成する工程で長期保存を可能としたり、ビールやにも利用されている。また、発酵は、人間を含むすべての動物の消化管内でも起こる。

とは、化学物質、バイオ燃料、酵素、タンパク質、医薬品の大規模製造に微生物を応用する工程を指す、さらに上位の概念である。

定義と語源
発酵のさまざまな定義を、非公式で一般的な用法からより科学的な定義まで次に示す。
 微生物を用いた食品の保存法（一般用途）
 空気の有無にかかわらず発生する大規模な微生物プロセス（産業界で使用される一般的な定義。として知られている）
 アルコール飲料または酸性乳製品を製造するあらゆる工程（一般用途）
 嫌気条件下でのみ起こるエネルギー放出代謝プロセス（やや科学的）
 糖やその他の有機分子からエネルギーを放出し、酸素や電子伝達系を必要とせず、最終的な電子受容体として有機分子を使用する代謝プロセス（最も科学的）

「発酵（ferment）」という言葉は、沸騰を意味するラテン語の動詞「fervere」に由来する。14世紀後半に錬金術の分野で初めて使われたと考えられているが、あくまで広義の意味である。現代科学的な意味で使われるようになったのは1600年頃である。

 生物学的役割 
好気呼吸と並んで、発酵は分子からエネルギーを取り出す方法である。これは、すべての細菌と真核生物に共通する唯一の方法である。そのため発酵は、地球上に植物が誕生する以前の太古の環境、つまり大気中に酸素が存在する以前の原始的な環境に適した、最も古い代謝経路であると考えられている。

真菌の一種である酵母は、果物の皮から昆虫や哺乳類の内蔵、そして深海に至るまで、微生物が生息できるほぼあらゆる環境に存在する。酵母は糖分を多く含む分子を変換（分解）してエタノールと二酸化炭素を生成する。

発酵の基本的な機構は、高等生物のすべての細胞に依然として残されている。哺乳類の筋肉は、酸素の供給が制限される激しい運動中に発酵を行い、乳酸を産生する。無脊椎動物では、発酵によってコハク酸やアラニンも生成する。

発酵細菌は、家畜の第一胃、汚水処理槽、淡水成堆積物に至るさまざまな生息環境で、メタンの生産に重要な役割を果たしている。発酵細菌は、水素、二酸化炭素、ギ酸、酢酸、カルボン酸を生成する。その後、複合微生物系が、二酸化炭素と酢酸をメタンに変換する。また、酢酸生成菌はこれらの酸を酸化し、さらに酢酸と水素またはギ酸を生成する。最後に、メタン生成菌（古細菌の一種）が酢酸をメタンに変換する。

 生化学的概要 
発酵により、還元型のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）が、内因性の有機と反応する。通常、これは解糖系により糖から生成されたピルビン酸である。この反応によって、酸化型のNAD+と有機生成物が生成される。後者の代表例として、エタノール、乳酸、水素ガス（H2）、二酸化炭素もよく生成する。しかし、発酵によって酪酸やアセトンなど、さらに珍しい化合物が生成することもある。発酵生成物は、酸素を使わなければそれ以上代謝されないため、廃棄物とみなされる。

発酵は通常、嫌気環境で行われる。酸素（O2）が存在する場合、呼吸によって、NADHとピルビン酸がアデノシン三リン酸（ATP）を生成するのに使われる。これは酸化的リン酸化として知られている。これによって解糖系単独よりもはるかに多くのATPが生成される。このため、酸素が利用できる場合は、発酵はほとんど行われない。しかし、出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）などの一部の酵母株は、酸素が豊富にある場合でも、糖が十分に供給される限り、好気呼吸よりも発酵を好むことが知られている（とも呼ばれる）。発酵プロセスの中には、酸素に耐えられないが関与するものもある。

ビールやワインなどのアルコール飲料に含まれるエタノールの生産では酵母が発酵を行うが、酵母だけが発酵を行うわけではなく、たとえばキサンタンガムの製造では細菌が発酵を行っている。

 発酵生成物 

 エタノール 

エタノール発酵（アルコール発酵とも呼ばれる）では、1分子のグルコースが、2分子のエタノールと2分子の二酸化炭素（CO2）に変換される。これはパン生地を膨らませるのにも使われ、二酸化炭素の作りだす気泡によって生地が泡だって膨張する。エタノールは、ワイン、ビール、リキュールなどのアルコール飲料に含まれる酩酊剤である。サトウキビ、トウモロコシ、テンサイなどの原料の発酵により生産されるエタノールは、バイオマスエタノールとしてガソリンに添加される。金魚や鯉など一部の魚類においては、エタノール発酵は（乳酸発酵とともに）酸素が不足したときのエネルギー供給源となる。

発酵の前に、グルコース分子は2分子のピルビン酸に分解される（解糖という）。この発熱反応からのエネルギーは、無機リン酸を ADP に結合させ、ADP を ATP に、NAD+をNADHにそれぞれ変換するために使われる。ピルビン酸塩は2分子のアセトアルデヒドに分解され、2分子の二酸化炭素を老廃物として排出する。アセトアルデヒドは、NADHのエネルギーと水素を使ってエタノールに還元され、NADHはNAD+に酸化され、このサイクルを繰り返すことができる。この反応は、ピルビン酸デカルボキシラーゼとアルコールデヒドロゲナーゼという酵素によって触媒される。

 乳酸 

ホモ乳酸発酵（Homolactic fermentation、乳酸のみを生成する）は、最も単純な種類の発酵である。解糖系からのピルビン酸が単純な酸化還元反応を起こして乳酸を生成する。全体として、1分子のグルコース（または任意の六炭糖）が2分子の乳酸に変換される。
C6H12O6 → 2 CH3CHOHCOOH
乳酸は、動物の筋肉で血液が酸素を供給するよりも早くエネルギーを必要とするときに、グリコーゲンが分解されて生成する。乳酸は、乳酸菌などの細菌や一部の真菌類にも存在する。ヨーグルトに含まれる乳糖を乳酸に変え、酸味を与えるのもこの種類の細菌である。これらの乳酸菌は、最終生成物のほとんどが乳酸であるホモ乳酸発酵と、一部の乳酸がさらにエタノールと二酸化炭素（ホスホケトラーゼ経路を経由）、酢酸、その他の代謝生成物に代謝されるヘテロ乳酸発酵のいずれかを行うことができる。一例を示す。
C6H12O6 → CH3CHOHCOOH + C2H5OH + CO2
ヨーグルトやチーズのように、乳糖が発酵すると、まずグルコースとガラクトース（どちらも同じ分子式の六炭糖）に変換される。
C12H22O11 + H2O → 2 C6H12O6

ヘテロ乳酸発酵は、ある意味では、乳酸発酵とアルコール発酵など別の種類の発酵との中間的なものである。乳酸を別のものにさらに進んで変換する理由には、次のようなものがある。

 乳酸の酸性は生物学的プロセスを抑制する。これによって酸性に適応できない競争相手が排除されて、発酵微生物にとって有益となりうる。その結果、食品の保存期間を長くできる（食品が意図的に発酵するひとつの理由）。しかし、ある点を超えると、酸性度はそれを生成する生物に影響を及ぼし始める。
 高濃度の乳酸（発酵の最終生成物）は平衡を逆行させ（ル・シャトリエの原理）、発酵速度を低下させ、増殖の進行を遅らせる。
 乳酸から容易に変換されるエタノールは揮発性が高く、容易に蒸発するため、反応は容易に進行する。CO2も生成されるが、弱酸性でエタノールよりも揮発性が高い。
 別の変換生成物である酢酸は、エタノールほど揮発性は高くないが、酸素が限られている環境では、乳酸から酢酸を生成することで、さらにエネルギーが放出される。酢酸は乳酸よりも軽い分子で、周囲と形成する水素結合の数が少ないために揮発性が高く、反応がより迅速に進行する。
 プロピオン酸や酪酸など、より長いモノカルボン酸が生成すると、エタノールと同様に消費されるグルコースあたりの酸の生成量が減少し、より早く増殖することができる。

 水素ガス 

水素ガス（H2）は、NADHからNAD+を再生する手段として、多くの種類の発酵により作られる。電子はフェレドキシンに移動し、フェレドキシンはヒドロゲナーゼによって酸化されてH2を生成する。水素ガスはメタン生成菌や硫酸還元菌の基質となるため、水素濃度は低く保たれ、このようなエネルギーに豊む化合物の生成に有利になるが、腸内ガスのようにかなり高濃度の水素ガスが生成されることもある。

たとえば、細菌であるクロストリジウム・パストゥリアヌム（Clostridium pasteurianum）はグルコースを酪酸、酢酸、二酸化炭素、水素ガスに発酵させる。酢酸を生成する反応は次のとおりである。
C6H12O6 + 4 H2O → 2 CH3COO− + 2 HCO3− + 4 H+ + 4 H2

 メタン 

メタン発酵とは、メタン菌の有する代謝系のひとつであり、水素、ギ酸、酢酸などの電子を用いて二酸化炭素をメタンまで還元する系である。メタン菌以外の生物はこの代謝系を持っていない。嫌気環境における有機物分解の最終段階の代謝系であり、特異な酵素および補酵素群を有する。