多學(xué)科交叉培養(yǎng)在《食品生物技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

史海粟，烏日娜，洛 雪，孫希云，呂春茂，魏寶東

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110866）

食品生物技術(shù)理論教學(xué)內(nèi)容以基因工程、發(fā)酵工程、酶工程、細(xì)胞工程和蛋白質(zhì)工程技術(shù)為主線，圍繞基因工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用、發(fā)酵工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用、細(xì)胞工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用和酶工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用四大基本模塊，系統(tǒng)講解食品生物技術(shù)的基本原理及應(yīng)用。利用沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)科優(yōu)勢，突出食品產(chǎn)業(yè)與生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的緊密結(jié)合。在教學(xué)內(nèi)容組織上，突出重點和難點，形成層次分明的立體知識結(jié)構(gòu)，使學(xué)生在掌握基本概念、基本理論、基本技術(shù)的同時，深入了解生物技術(shù)學(xué)科發(fā)展的前沿，熟悉食品生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)工程應(yīng)用狀況。經(jīng)過多年教學(xué)工作探索，逐步形成比較鮮明的課程特色。

1 食品生物技術(shù)與生物學(xué)科交叉培養(yǎng)與教育

1.1 微生物學(xué)

食品生物技術(shù)課程中的食品發(fā)酵工程是采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種新技術(shù)。在食品發(fā)酵工程這一篇章的教學(xué)過程中，應(yīng)將微生物課程的知識融會貫通，使學(xué)生在回顧先修課程的同時，進一步將所學(xué)過的專業(yè)知識運用到專業(yè)課中。例如：在分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵過程中，需要運用菌種選育、培養(yǎng)基配制、滅菌、擴大培養(yǎng)與接種、發(fā)酵過程與產(chǎn)品分離提純等方面的知識，學(xué)生只有具備一定的微生物學(xué)知識，才能掌握食品發(fā)酵工程是如何進行的。乳酸發(fā)酵也是該章的主要內(nèi)容，主要講解乳酸細(xì)菌利用糖發(fā)酵產(chǎn)生乳酸的過程，這就要求學(xué)生必須在先修課程中了解乳酸菌及其相關(guān)特征、生活史等。

1.2 分子生物學(xué)

食品生物技術(shù)課程中的基因工程是以分子遺傳學(xué)為理論基礎(chǔ)，以分子生物學(xué)和微生物學(xué)的現(xiàn)代方法為手段，將不同來源的基因按預(yù)先設(shè)計的藍(lán)圖，在體外構(gòu)建雜種DNA分子，然后導(dǎo)入活細(xì)胞，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產(chǎn)新產(chǎn)品。在本章節(jié)的學(xué)習(xí)中，分子生物學(xué)始終貫穿全章，主要從分子水平的角度闡明生命現(xiàn)象的本質(zhì)，沃森和克里克提出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是分子生物學(xué)誕生的標(biāo)志。學(xué)生必須通過學(xué)習(xí)分子生物學(xué)的有關(guān)知識，才能掌握這一章的內(nèi)容。例如：基因的體外擴增是體外酶促合成特異DNA片段的一種方法，是在認(rèn)識基因分子結(jié)構(gòu)、堿基互補配對原則及DNA片段特性的基礎(chǔ)上建立起來的，是體外構(gòu)建表達載體的基本環(huán)節(jié)。基因工程的核心內(nèi)容是構(gòu)建基因的體外表達載體，以改變細(xì)胞的遺傳特性并獲得新產(chǎn)品。而構(gòu)建載體需要對質(zhì)粒DNA有著充分的了解，如復(fù)制原點、篩選標(biāo)記、目的基因插入位點、限制性內(nèi)切酶位點種類和數(shù)量等，這些都是分子生物學(xué)所需要掌握的基本知識點。對基因轉(zhuǎn)錄水平檢測、表達產(chǎn)物表達量檢測等，均需要分子生物學(xué)中的RNA檢測、SDS－PAGE及Western blotting等技術(shù)來解決?？梢?，基因工程與分子生物學(xué)是密不可分的。

1.3 生物化學(xué)

食品生物技術(shù)課程中的五大工程均離不開生物化學(xué)知識?；虻谋磉_與調(diào)控不僅涉及到核酸的基礎(chǔ)知識，也需要學(xué)生掌握蛋白質(zhì)是如何表達的，以及在表達后是如何進行修飾的。發(fā)酵過程中的基本營養(yǎng)成分主要是碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)等，這些主要成分是學(xué)習(xí)生物化學(xué)的基礎(chǔ)。微生物在發(fā)酵過程中的新陳代謝（如糖代謝、脂類代謝、蛋白質(zhì)代謝等）是研究發(fā)酵產(chǎn)物的種類及含量的必要過程，而這些代謝途徑是生物化學(xué)學(xué)習(xí)的重點。酶工程中對改造后的酶學(xué)性質(zhì)研究離不開對酶的基本認(rèn)識，如酶的專一性、酶活性測定、酶的分離純化以及酶的作用機制和調(diào)節(jié)等。細(xì)胞工程中對于原生質(zhì)體的融合技術(shù)是通過人為的方法使遺傳性狀不同的兩個細(xì)胞的原生質(zhì)體進行融合，借以獲得兼有雙親遺傳性狀的穩(wěn)定重組子的過程，該技術(shù)需要在充分學(xué)習(xí)生物膜的組成與結(jié)構(gòu)，以及生物膜具備的生物學(xué)特性基礎(chǔ)上建立起來。蛋白質(zhì)工程是在蛋白質(zhì)合成及轉(zhuǎn)運、蛋白質(zhì)降解及其分解代謝的基礎(chǔ)上建立起來的?？梢姡锘瘜W(xué)中的所有知識點都是學(xué)習(xí)食品生物技術(shù)的前提。只有將兩者有機結(jié)合，才能充分掌握食品生物技術(shù)這門課程。

1.4 細(xì)胞生物學(xué)

在學(xué)習(xí)食品生物技術(shù)課程中的細(xì)胞工程這一章內(nèi)容時，學(xué)生必須事先了解有關(guān)細(xì)胞的基本常識，這就需要學(xué)生掌握細(xì)胞生物學(xué)這門課程。細(xì)胞生物學(xué)是在顯微、亞顯微和分子水平3個層次上研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能和各種生命規(guī)律的一門科學(xué)，而細(xì)胞工程需要按照人們的設(shè)計藍(lán)圖進行在細(xì)胞水平、細(xì)胞器水平和分子水平上遺傳操作，以及大規(guī)模細(xì)胞和組織培養(yǎng)，這就需要對細(xì)胞結(jié)構(gòu)和各細(xì)胞器結(jié)構(gòu)與功能有著充分的了解。例如：在學(xué)習(xí)細(xì)胞融合技術(shù)時，學(xué)生不僅要掌握融合的原理、方法、步驟等，還要從細(xì)胞結(jié)構(gòu)視角來充分了解細(xì)胞是如何發(fā)生融合的，進而從根本上理解和掌握細(xì)胞融合的基本技術(shù)。這不僅對多學(xué)科交叉培養(yǎng)學(xué)生具有重要意義，而且使學(xué)生的知識視野得到開闊，并賦予學(xué)生無限的想象空間，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力。

1.5 結(jié)構(gòu)生物學(xué)

在講授蛋白質(zhì)工程這一章時，常常要接觸到蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，這就需要學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)有一定的認(rèn)識，即結(jié)構(gòu)生物學(xué)。結(jié)構(gòu)生物學(xué)主要是用物理手段如X－射線晶體學(xué)、核磁共振波譜學(xué)、電鏡技術(shù)等物理學(xué)技術(shù)，配合生物化學(xué)和分子生物學(xué)方法，來研究生物大分子功能和結(jié)構(gòu)，從而闡明這些大分子相互作用機制的新學(xué)科。而蛋白質(zhì)工程主要通過對蛋白質(zhì)化學(xué)、蛋白質(zhì)晶體學(xué)和蛋白質(zhì)動力學(xué)進行研究，獲得有關(guān)蛋白質(zhì)理化特性和分子特性的信息，在此基礎(chǔ)上對其三維結(jié)構(gòu)乃至思維結(jié)構(gòu)進行有目的的設(shè)計和改造，這就需要將蛋白質(zhì)工程和結(jié)構(gòu)生物學(xué)交叉融合起來進行教學(xué)。例如：研究某一蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)時，在獲得其晶體蛋白質(zhì)后，需要采用X衍射或電鏡技術(shù)來測定其三維結(jié)構(gòu)，然后通過計算機處理得到三維立體結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)構(gòu)生物學(xué)對于學(xué)生掌握蛋白質(zhì)工程的知識具有重要意義。

2 食品生物技術(shù)與食品學(xué)科交叉培養(yǎng)與教育

2.1 食品酶學(xué)

食品生物技術(shù)課程的教學(xué)與食品酶學(xué)課程是密不可分的。食品酶學(xué)課程主要使學(xué)生了解和掌握酶的作用機理、酶的分離純化方法及酶在食品行業(yè)的應(yīng)用等，從而使學(xué)生學(xué)會根據(jù)酶的性質(zhì)進行食品加工與保藏，并對由酶引起的食品腐敗變質(zhì)進行防治。這些知識點是食品生物技術(shù)課程中酶工程一章的基礎(chǔ)和前提，食品酶學(xué)這門課程對于酶工程的學(xué)習(xí)有著直接意義。酶的作用機理是改造一種酶的理論前提，學(xué)生掌握了酶的作用機理，才能根據(jù)食品行業(yè)需要改造酶的性質(zhì)。食品中酶的分離純化是研究一種酶的作用機理、結(jié)構(gòu)以及提純后的酶用于食品生產(chǎn)的前提條件。食品中的酶種類很多，無論是天然存在的酶還是改造后的酶，應(yīng)用于食品行業(yè)的例子數(shù)不勝數(shù)，如酶法保鮮技術(shù)、蛋白酶用于肉制品生產(chǎn)、果膠酶用于果酒澄清等，以及在食品加工與保藏過程中使用的酶如淀粉酶、糖化酶、溶菌酶等?？傊?，食品酶學(xué)課程的學(xué)習(xí)是食品生物技術(shù)課程的先修課程。

2.2 食品加工技術(shù)

食品加工技術(shù)屬于食品生物技術(shù)研究范疇的下游技術(shù)。食品加工技術(shù)課程主要使學(xué)生掌握食品加工技術(shù)概念及研究內(nèi)容、食品工業(yè)組成及相關(guān)產(chǎn)業(yè)、食品中各種成分在加工處理過程中的變化及其對于加工過程和食品感官性質(zhì)所起的功能作用，在此基礎(chǔ)上還包括食品加工工藝技術(shù)方法、食品原料及其加工產(chǎn)品在貯藏過程中腐敗的影響因素及控制方法、食品熱加工過程中應(yīng)用的主要技術(shù)和食品冷凍、冷藏與冷卻概念與技術(shù)的區(qū)別、原理、方法等內(nèi)容。而食品生物技術(shù)是在現(xiàn)代生命科學(xué)和微生物、發(fā)酵、基因、細(xì)胞、蛋白質(zhì)等學(xué)科科研成果基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代工程技術(shù)手段，用全新的方法生產(chǎn)和開發(fā)新型食品和食品原料、改良食品品質(zhì)、保藏食品、檢測食品安全性以及與食品加工制造相關(guān)的其他生物技術(shù)的一門技術(shù)，兩者具有承上啟下的關(guān)系。食品生物技術(shù)是食品加工技術(shù)的前提和基礎(chǔ)條件，食品加工技術(shù)是食品生物技術(shù)的應(yīng)用和拓展。同時，食品生物技術(shù)是為食品加工等下游技術(shù)服務(wù)的。現(xiàn)代食品加工技術(shù)要不斷改進，利用食品生物技術(shù)改良食品品質(zhì)、創(chuàng)造新食品并保證食品的安全性。

2.3 食品發(fā)酵工程概論

食品發(fā)酵工程概論課程與食品生物技術(shù)課程有著密切的聯(lián)系。食品發(fā)酵工程概論課程旨在讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解發(fā)酵工業(yè)菌種來源、種子擴大培養(yǎng)、培養(yǎng)基制備、發(fā)酵工藝過程控制、工業(yè)發(fā)酵染菌防治，以及與食品相關(guān)的發(fā)酵工業(yè)等，并使學(xué)生掌握應(yīng)用這些基本理論分析和解決發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中的具體問題，使生產(chǎn)過程更符合客觀規(guī)律，提高發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率，同時，使學(xué)生具有選育優(yōu)良新菌種，合理控制發(fā)酵工藝使生產(chǎn)過程連續(xù)化自動化，以及探討新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備的研究和設(shè)計能力。這是學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)酵工程一章內(nèi)容的深化與拓展，是食品生物技術(shù)課程的補充和延伸。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生可進一步掌握食品發(fā)酵工程下游技術(shù)，了解發(fā)酵工程在食品行業(yè)中的應(yīng)用情況。

2.4 食品分析

食品分析課程主要使學(xué)生理解食品中的營養(yǎng)成分、添加劑、有毒有害物質(zhì)等理化檢驗方法，了解食品中引起腐敗變質(zhì)的微生物及其毒素和致病性，以及食品新鮮度、摻假食品等檢驗。食品分析是食品相關(guān)工作者獲得食品質(zhì)量或營養(yǎng)信息第一手科學(xué)數(shù)據(jù)的最基本手段，是一門極其重要的專業(yè)課程。該課程中的檢驗方法包括基于分子生物學(xué)技術(shù)的檢驗，如PCR、基因芯片、DNA重組技術(shù)、DNA測序等。這些技術(shù)是基因工程章節(jié)的主要內(nèi)容，在食品分析中的應(yīng)用不可忽視。PCR可對食品中的病原微生物核酸進行快速檢測，也可對植物源、動物源食品進行特異性檢驗；基因芯片可快速、準(zhǔn)確、靈敏地檢測食品中的致病微生物，能對畜產(chǎn)品、水產(chǎn)品進行微生物檢測，并真實判斷畜產(chǎn)品中某種成分的含量；基因重組技術(shù)可用于轉(zhuǎn)化法測定由食品傳染并能引起痢疾的志賀氏細(xì)菌；DNA測序技術(shù)能將植物、菌類和動物的基因排序分析到分子層次，用以分析和檢測食品中的各種成分是否真實及是否有摻假行為。因此，食品生物技術(shù)課程中基因工程的學(xué)習(xí)內(nèi)容是食品檢驗分析的基礎(chǔ)技術(shù)手段。

2.5 食品原料學(xué)

食品原料學(xué)是從資源利用角度研究食品原料的生產(chǎn)流通基本知識，以及理化、營養(yǎng)特征、加工利用方法等內(nèi)容。通過正確理解食品原料知識，可使食品保藏、流通、烹調(diào)、加工等操作更加科學(xué)合理，達到最大限度地利用食物資源，滿足人們對飲食生活的需求。但在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和集約化生產(chǎn)的今天，隨著工業(yè)污染物和城市垃圾大量向農(nóng)業(yè)環(huán)境轉(zhuǎn)移、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期大量不合理使用新型農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)、畜禽排泄物中獸藥殘留增加等問題的出現(xiàn)，使食品原料生產(chǎn)環(huán)境污染逐年加劇。生物修復(fù)因其具有治理大面積環(huán)境污染的作用，而成為一種新的可靠的環(huán)境治理技術(shù)，受到環(huán)保部門的青睞。其中，利用現(xiàn)代生物技術(shù)構(gòu)建基因工程菌，將可降解多種污染物的降解基因轉(zhuǎn)入微生物細(xì)胞中，使其具有廣譜降解能力，或增加胞內(nèi)降解基因的拷貝數(shù)來增加降解物數(shù)量，可以有效提高其降解污染物的能力。這就需要完備的基因工程知識才能完成。因此，生物技術(shù)在生物修復(fù)中的廣泛應(yīng)用，使生物修復(fù)的處理效率得到提高，進而改善食品原料的生產(chǎn)環(huán)境。

3 食品生物技術(shù)與前沿學(xué)科交叉培養(yǎng)與教育

計算生物學(xué)正在成為現(xiàn)代生命科學(xué)領(lǐng)域的核心內(nèi)容，也是最具活力的新興前沿學(xué)科之一。它是生物學(xué)的一個分支，主要針對生物學(xué)現(xiàn)象，開發(fā)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析、理論方法、數(shù)學(xué)建模、計算機仿真技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)計和數(shù)學(xué)模型，并對大量組學(xué)數(shù)據(jù)進行解析，進而提煉出具有生物學(xué)意義的規(guī)則。其最終目的不僅僅局限于測序，而是運用計算機思維解決生物問題，用計算機語言和數(shù)學(xué)邏輯構(gòu)建和描述并模擬出生物世界。

學(xué)生在發(fā)酵工程一章的學(xué)習(xí)中，常常發(fā)現(xiàn)食品在發(fā)酵過程中并非單一微生物對食品的營養(yǎng)組分、風(fēng)味物質(zhì)、食用安全性等起作用，而是由多種微生物在某一特定環(huán)境中起著協(xié)同效應(yīng)。這種協(xié)同效應(yīng)的調(diào)控機制、對食品組分影響變化及每種微生物之間是否存在拮抗等問題盡管比較復(fù)雜，但依靠計算生物學(xué)可以定量描述很多指標(biāo)，并反映這些指標(biāo)的變化規(guī)律。

學(xué)生在學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)工程中三維結(jié)構(gòu)預(yù)測時，會接觸到很多關(guān)于蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的參數(shù)。這些參數(shù)可以反映蛋白質(zhì)或酶與底物結(jié)合的位點、催化的位點以及形成三維結(jié)構(gòu)的剛性骨架等問題。借助計算生物學(xué)中分子動力學(xué)模擬與必要量子力學(xué)計算相結(jié)合的研究方法，可以很快分析這些復(fù)雜繁瑣的問題，解析影響酶催化活性和底物選擇性的分子機理。

學(xué)生在拓展學(xué)習(xí)基因工程這一章時，會接觸到引物設(shè)計、基因重組、載體構(gòu)建、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、基因及氨基酸多序列比對等生物信息學(xué)軟件，尤其是近幾年人類解析的生物基因組圖譜、蛋白質(zhì)組圖譜乃至最近陳扎克伯格基金會宣布的人類細(xì)胞圖譜，成為繪制生命的基本單元，可為疾病診斷與治療提供參考。計算生物學(xué)在這些領(lǐng)域可以發(fā)揮其優(yōu)勢，未來發(fā)展前景廣闊。

計算生物學(xué)對揭示生命科學(xué)界復(fù)雜問題具有直接意義，為進一步探索生命本質(zhì)提供基礎(chǔ)研究手段，為食品生物技術(shù)課程提供拓展空間，讓學(xué)生更深入地理解食品生物技術(shù)課程。

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