В чём же сущность процесса брожения? Этот вопрос занимал не только Пастера. К концу ⅩⅧ в. химики уже доказали, что при брожении виноградного сока из виноградного сахара (глюкозы) образуются спирт и углекислый газ. В середине ⅩⅨ в. знаменитый немецкий химик Юстус фон Либих (1803—1873) выдвинул в этой связи следующую теорию. Он утверждал, что при образовании спирта речь идёт о чисто химическом, а не биологическом процессе. Либих находил просто смехотворным, что брожение будто бы могут вызывать микроскопически маленькие создания. Однако же при всех спиртовых брожениях находили дрожжи, то есть живые существа.

Луи Пастер вступил в горячий спор с Юстусом Либихом. «Без живых дрожжей не может быть никакого спирта»,— настаивал Пастер. Либих насмешливо парировал: «Те люди, которые думают, что процесс брожения обусловлен анималькулями (зверьками), подобны детям, которые полагают, что течение Рейна обусловлено вращением колес водяных мельниц, стоящих на его берегах». Спор длился годы с переменным успехом. Однако окончательно решён он был лишь после смерти Пастера и Либиха.

В 1876 г. Пастер опубликовал обширный труд, включающий результаты двух десятилетий исследовательской работы. «Брожение есть дыхание без кислорода»,— утверждал Пастер. Брожение служит для стимуляции живых существ, для приобретения энергии. Все живые существа нуждаются в энергии для жизни. Они приобретают эту энергию путём расщепления сахаров, жиров и белков в клетках своего организма. Например, сахар в процессе дыхания разлагается до углекислого газа и воды. Оба этих продукта покидают клетки. Образующуюся при этом энергию организм использует, к примеру, для движения собственных мышц. Для этого «холодного горения», как и для «горячего» горения дров с образованием золы, клеткам необходим кислород воздуха. Таким образом, без кислорода высшие животные и растения не могут добыть энергию, и, следовательно, нежизнеспособны.

В противоположность этому микробы в случае дефицита кислорода способны прибегнуть к своего рода «аварийному дыханию». Вероятно, это в данной ситуации вынужденное решение — брожение — восходит к древнейшему периоду существования жизни на Земле, когда земная атмосфера не содержала кислорода. Лишь позднее кислород был высвобожден растениями из воды и углекислого газа в результате фотосинтеза. А до того времени в бедной кислородом атмосфере брожение являлось для первичных микробов нормальной формой добывания энергии.

При скисании молока и заквашивании капусты и огурцов молочнокислые бактерии являются главными возбудителями брожения. Что касается спиртового брожения, то оно обусловливается дрожжами. В отсутствие доступа воздуха они расщепляют сахар лишь до спирта и углекислого газа. В зависимости от имеющегося в данный момент окислительно-восстановительного потенциала дрожжи могут либо «дышать», либо «бродить». Однако посредством брожения они добывают меньше энергии, чем с помощью дыхания. Поэтому в отсутствие кислорода они размножаются в 20 раз медленнее, чем при его наличии. Ради того, чтобы получить спирт или разрыхлить с помощью пузырьков углекислого газа тесто для хлеба, человек помещает дрожжи до известной степени в «аварийную» ситуацию. Однако если требуются большие массы дрожжей, то есть необходимо их размножение, то кислород даже нагнетается в дополнительном количестве в питательный раствор. Правда, тогда образуется очень мало спирта.

Но помимо дрожжей с их «двойной жизнью» имеются и такие микробы, для которых даже ничтожные количества кислорода являются смертельными, например метанобактерии, образующие без доступа воздуха болотный газ (метан).