Dù các quá trình lên men có khác nhau về hình thức, cơ chế, tiến trình phản ứng, sản phẩm cuối và hệ vi sinh vật tham gia... Nhưng các quá trình lên men có bản chất giống nhau ( Nguyễn Trọng Cẩn, 1998).
Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong quá trình lên men là những phàn ứng chuyển hydro và điển tử (e- và H+). Các enzyme xúc tác cho quá trình này là các enzyme oxi hóa khử (dehyrogenase, oxydase...) chủ yếu từ vi sinh vật. Như vậy, thực chất các quá trình lên men là các quá trình oxy hóa – khử sinh học để thu năng lượng và các hợp chất trung gian ( Trần Thị Luyến, 2007).
Năng lượng này rất cần thiết cho hoạt động sống của vi sinh vật như sinh trưởng, phát triển, sinh sản...
Tùy theo chủng vi sinh vật, môi trường và điều kiện lên men, chúng ta thu được các sản phẩm chính, phụ khác nhau.
Trong quá trình oxy hóa – khử sinh học, hydro được tách khỏi cơ chất ban đầu nhờ enzyme dehydrogenase, và chuyển đến những chất tiếp nhận khác nhau. Tùy theo chất tiếp nhận hydro từ cơ chất mà người ta phân biệt các dạng lên men và hô hấp như sau:
Trong lên men yếm khí (lên men theo định nghĩa của Pasteur) không có sự tham gia của oxi phân tử, hydro được tách ra khỏi cơ chất và chuyển đến chất nhận là chất hữu cơ chưa no. Sau khi nhận hydro các chất này tạo thành các chất hữu cơ nhất định, đây chính là sản phẩm của quá trình lên men tích tụ trong môi trường (ví dụ etanol, acid lactic...). Trong lên men rượu, hydro được tách ra trong quá trình phân hủy glucose, được chuyển hóa đến acetaldehyt (CH3CHO) hình thành trong quá trình đường phân và tạo thành etanol trong điều kiện thiếu oxi, chất này hoạt động như chất nhận hydro và bị khử thành etanol, đồng thời tái sinh NAD và NADH2.
Trong hô hấp hiếu khí (lên men hiếu khí). Hydro được tách ra từ cơ chất hữu cơ trải qua hàng loạt các giai đoạn trung gian, cuối cùng kết hợp với oxi để tạo ra H2O. Ví dụ acid pyruvic, bị oxi hóa hoàn toàn trong chu trình Kreb, qua hàng loạt sản phẩm trung gian, cuối cùng tạo CO2 và H2O, giải phóng năng lượng. Quá trình hô hấp hiếu khí giải phóng năng lượng lớn cung cấp cho quá trình hoạt động sống của cơ thể vi sinh vật. Nguyên liệu của quá trình oxi hóa (hô hấp hiếu khí) chủ yếu là gluxit, sáp, chất béo... Sản phẩm cuối cùng này là CO2 và H2O và một số sản phẩm trung gian do oxi hóa không hoàn toàn như acid acetic, acid citric...
Các vi sinh vật sống trong điều kiện hiếu khí thường có thể sống trong điều kiện kị khí hoặc kị khí không bắt buộc hoàn toàn. Chất nhận điện tử và hydro
cuối cùng không phải oxi mà là nitrat hay sulfat. Kiểu chuyển điện tử và H+ này giúp cho vi khuẩn oxi hóa hoàn toàn cơ chất mà không cần sự tham gia của oxi phân tử. So với quá trình lên men trong hô hấp kị khí, vi sinh vật thu được nhiều năng lượng hơn (Trần Thị Luyến, 1998).
Tóm lại, trong thực tiễn sản xuất hiện nay, người ta chỉ phân biệt hai dạng lên men là lên men hiếu khí (có oxi tham gia) và lên men yếm khí (không có oxi tham gia), đôi khi còn gọi là lên men kị khí.