高校發(fā)酵工程類課程實驗教學(xué)探索

趙輝

摘要 以黑龍江大學(xué)發(fā)酵工程類課程實驗課教學(xué)為例，從開放式實驗教學(xué)、綜合性設(shè)計性實驗教學(xué)以及中試實驗教學(xué)方面，對構(gòu)建發(fā)酵工程新的實驗教學(xué)體系進(jìn)行了初步的研究和探討。

關(guān)鍵詞 黑龍江大學(xué)；發(fā)酵工程；實驗教學(xué)

中圖分類號 S-01 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）03-0245-02

Abstract Taking the experiment teaching of fermentation engineering course in Heilongjiang University as an example， a new experimental teaching system of fermentation engineering was studied from the aspects of open experiment teaching， comprehensive design experiment teaching and pilot experiment teaching.

Key words Heilongjiang University；Fermentation engineering；Experimental teaching

隨著國家生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，發(fā)酵工程技術(shù)成果被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域。發(fā)酵工程主要是利用微生物大量生產(chǎn)目的產(chǎn)物的一門綜合應(yīng)用性學(xué)科，是生物工程的重要組成部分。生物產(chǎn)業(yè)是21世紀(jì)國家優(yōu)先發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，而生物產(chǎn)業(yè)中的生物醫(yī)藥、生物能源、生物環(huán)保、生物制造等絕大部分都以發(fā)酵工程技術(shù)為手段。發(fā)酵工程是生物工程的支撐學(xué)科，是實現(xiàn)基因工程、酶工程和細(xì)胞工程等其他生物技術(shù)的最終手段和方法，也是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵[1]。隨著國家經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，改革我國技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式已迫在眉睫。目前，發(fā)酵工程實驗教學(xué)與發(fā)酵企業(yè)對人才的需求之間存在著一定的偏差，我國在改造傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)方面（酒類、發(fā)酵調(diào)味品、面包、酸奶等）正面臨轉(zhuǎn)型期，新的發(fā)酵技術(shù)必將替代零星陳舊的落后技術(shù)。發(fā)酵工程作為一門應(yīng)用性課程，實踐教學(xué)是該課程教學(xué)的重點，是理論知識運用到實踐生產(chǎn)中的紐帶。實踐教學(xué)的質(zhì)量決定了學(xué)生是否具備工科學(xué)生應(yīng)用型人才的特質(zhì)。因此，應(yīng)當(dāng)及時轉(zhuǎn)變發(fā)酵工程類課程實驗教學(xué)的理念，改進(jìn)實驗教學(xué)的方法和培養(yǎng)模式。筆者結(jié)合自己的工作體會，對開放式實驗教學(xué)、綜合性設(shè)計性實驗教學(xué)以及中試實驗教學(xué)展開了探討。

1 開放式實驗教學(xué)

開放式實驗與傳統(tǒng)實驗課程相比，在實驗項目的選擇及實驗內(nèi)容的安排上都有很大的自由度和靈活性，可以最大限度地發(fā)揮實驗室綜合資源，使教與學(xué)有機(jī)結(jié)合，在更大程度上激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實踐能力[2]，提高學(xué)生的自主開發(fā)設(shè)計能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。

黑龍江大學(xué)在開放實驗室制度的指導(dǎo)下，己連續(xù)多年在發(fā)酵工程實驗室實行開放實驗教學(xué)，先后開放的課題有：高產(chǎn)乙酸乙酯釀酒酵母的篩選、耐高溫酒精酵母產(chǎn)乙醇條件的研究、耐高溫酒精酵母的選育、濃醪酒精發(fā)酵的研究、乳酸啤酒的發(fā)酵、高產(chǎn)谷氨酸北京棒桿菌的誘變育種、谷氨酸發(fā)酵條件的研究、乳酸發(fā)酵條件的研究、乳酸發(fā)酵香腸的研究等，深受學(xué)校生物工程、生物技術(shù)和食品科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生歡迎。

現(xiàn)以2010年的開放實驗“耐高溫酒精酵母的選育”為例，對發(fā)酵工程實驗室開放式實驗進(jìn)行簡介。首先該實驗室指導(dǎo)教師在校園網(wǎng)上給出實驗的題目和立項的意義，一周后，3名生物工程專業(yè)的大三本科生選擇了該實驗。師生共選后，指導(dǎo)教師先進(jìn)行該實驗的背景與意義的專題講座，讓學(xué)生了解最基本的耐高溫酵母在酒精發(fā)酵中的實際意義，然后給課題組2周時間去完成3件事：一是通過文獻(xiàn)檢索進(jìn)一步深入掌握酒精高溫發(fā)酵的意義和國內(nèi)外較新的耐高溫酒精酵母的選育方法，形成一個初步的文獻(xiàn)綜述；二是通過文獻(xiàn)檢索列出初步的方法、步驟、時間計劃以及每個人的實驗分工；三是列出所需要的實驗室儀器設(shè)備以及生化試劑。學(xué)生完成這3方面計劃的書面材料后，指導(dǎo)教師分別就3方面內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)指導(dǎo)與修正，并將計劃提交給教務(wù)處材料科。學(xué)校審查后，按所需的試劑情況進(jìn)行撥款，隨即該學(xué)生課題組開始了一個學(xué)期的實驗任務(wù)。

學(xué)生在沒有課的情況下，可全天進(jìn)入實驗室，在遵守規(guī)章制度的前提下，按計劃進(jìn)行實驗，中間遇到困難隨時與指導(dǎo)教師交流，保證如期完成實驗。學(xué)期末，學(xué)生按計劃完成實驗，指導(dǎo)教師首先檢查儀器設(shè)備的使用情況和藥品的消耗情況，檢查實驗記錄本和關(guān)鍵的實驗數(shù)據(jù)，同時按照發(fā)表文章的格式要求學(xué)生撰寫實驗總結(jié)，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的文章撰寫能力。文章撰寫完畢，提交給學(xué)校教務(wù)處，學(xué)校組織專家審查合格后，頒發(fā)實驗結(jié)題證書，同時記入2個創(chuàng)新學(xué)分。學(xué)生既得到了動手鍛煉的機(jī)會，又完成了學(xué)校要求的學(xué)分，因此學(xué)生的熱情非常高。發(fā)酵工程實行開放實驗室制度完全達(dá)到了全面提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的目的，全面培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)作風(fēng)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)業(yè)能力和實踐動手能力[3]。

2 綜合性設(shè)計性實驗教學(xué)

在發(fā)酵工程實驗課教學(xué)中，在原有單一驗證性實驗及不相關(guān)聯(lián)實驗的基礎(chǔ)上，增加實驗的綜合性并且使實驗內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合在一起是提高工科學(xué)生專業(yè)技能的重要手段?，F(xiàn)以發(fā)酵工程實驗室經(jīng)典的綜合性、設(shè)計性實驗—乳酸發(fā)酵實驗進(jìn)行講解。實驗分為以下幾個部分：一是乳酸發(fā)酵，主要考察MRS培養(yǎng)基中的金屬離子對乳酸發(fā)酵的影響；二是乳酸的檢測，采用多種方法檢測乳酸發(fā)酵的產(chǎn)率及純度；三是乳酸脫氫酶活力的檢測，采用比色法測定乳酸脫氫酶的活性，一共需要3次實驗課來完成。

乳酸發(fā)酵實驗采用實驗室保存的植物乳桿菌為發(fā)酵菌株，培養(yǎng)及采用經(jīng)典的MRS培養(yǎng)基，每2個學(xué)生1組，實驗?zāi)康氖强疾榻饘匐x子鉀鎂錳對乳酸發(fā)酵的影響，為此學(xué)生自行設(shè)計單因素實驗和正交試驗，從而得出該植物乳桿菌對3種金屬離子的最佳需求量，設(shè)計工作由學(xué)生在課前預(yù)習(xí)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師修改后，上課時學(xué)生按照所設(shè)計的實驗在實驗室準(zhǔn)備儀器和配置培養(yǎng)基，然后接種發(fā)酵，72 h后進(jìn)行乳酸檢測實驗。

第2次課乳酸檢測實驗使用學(xué)生第1次課發(fā)酵的乳酸發(fā)酵液進(jìn)行乳酸和殘?zhí)菣z測。乳酸檢測的方法：根據(jù)實驗室的情況，給學(xué)生提供了酸堿滴定法和生物傳感器法2種方法，要求學(xué)生2種方法都用。滴定法可以知道發(fā)酵產(chǎn)的總酸，葡萄糖-乳酸生物傳感儀可以得到乳酸的含量，從而使學(xué)生可以進(jìn)一步分析出發(fā)酵過程中乳酸占總酸的比例，通過DNS法檢測殘?zhí)堑暮?，可以掌握發(fā)酵的程度，得到乳酸的轉(zhuǎn)化率。

第3次課是在前2次課的基礎(chǔ)上，采用比色法測定乳酸脫氫酶的比活力，這一次實驗包括超聲破碎細(xì)胞、酶活的測定和蛋白質(zhì)含量的測定，從酶學(xué)的角度分析此次乳酸發(fā)酵的程度，同時要求學(xué)生對超聲破碎的功率和時間進(jìn)行探索。設(shè)計工作同樣要求由學(xué)生在課前預(yù)習(xí)、檢索文獻(xiàn)完成，從而得出最佳的破碎條件。

通過乳酸發(fā)酵綜合性、設(shè)計性實驗，學(xué)生掌握了設(shè)計實驗的基本思路，學(xué)習(xí)了種子制備、微生物發(fā)酵、發(fā)酵產(chǎn)物的多角度檢測與分析，掌握了發(fā)酵工程的基本原理及發(fā)酵優(yōu)化控制過程，培養(yǎng)了學(xué)生從事發(fā)酵工程研究的基本思路和方法，提高了對發(fā)酵工程課程應(yīng)用前景的認(rèn)識[4]。

3 中試實驗教學(xué)

中試是科技成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的必要環(huán)節(jié)，也是工科專業(yè)的學(xué)生由學(xué)校走向企業(yè)的橋梁，學(xué)生進(jìn)入企業(yè)后可以更快地進(jìn)入角色，減少企業(yè)的培訓(xùn)費用，因此經(jīng)過中試學(xué)習(xí)鍛煉的畢業(yè)生更受企業(yè)歡迎?；诖耍瑢嶒炇易孕性O(shè)計、加工了一套微型啤酒發(fā)酵設(shè)備，用于高年級學(xué)生的中試實驗教學(xué)[5]。

這套設(shè)備包括與發(fā)酵罐配套的糖化-煮沸鍋、過濾槽、回旋沉淀槽、薄板冷卻器、水處理系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)以及1 000 L容積的全不銹鋼錐形發(fā)酵罐。運行中，麥芽采取噴霧粉碎，糖化方法采用三段式升溫浸出糖化法，糖化時間2～3 h，二次洗糟自然過濾，回旋沉淀槽自然沉降，薄板冷卻器降溫進(jìn)入錐形發(fā)酵罐，控制發(fā)酵溫度6～8 ℃，并采用絮凝性好的下面啤酒醉母，發(fā)酵時間10～15 d，發(fā)酵過程中每天檢測還原糖的變化、酵母數(shù)量的變化，及時控制發(fā)酵的溫度和壓力。這套設(shè)備用于啤酒發(fā)酵，教學(xué)效果非常理想，對于學(xué)生提高對“工程” 概念的理解非常有益。工藝過程如圖1所示。

實驗中，從原料粉碎、麥芽汁糖化、啤酒發(fā)酵控制都由學(xué)生自己動手完成，教師只進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)講解和解答學(xué)生的提問。通過本次中試實驗的鍛煉，學(xué)生對發(fā)酵行業(yè)的設(shè)備、管路以及具體工藝控制有了非常深入的了解，可以說是理論課和實驗室常規(guī)實驗無法比擬的，極大地提高了學(xué)生的擇業(yè)競爭力。

4 結(jié)語

為適應(yīng)生物工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，改變原有教學(xué)中重理論知識、輕實踐應(yīng)用的傳統(tǒng)教學(xué)模式，就必須建立以技術(shù)應(yīng)用能力和基本素質(zhì)為主線的發(fā)酵工程類實驗教學(xué)新體系，使學(xué)生通過發(fā)酵工程實驗的學(xué)習(xí)，不僅能夠掌握發(fā)酵工程操作從小規(guī)模實驗到放大生產(chǎn)的具體過程，而且進(jìn)一步理解了發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品工藝操作的全過程，掌握發(fā)酵工程這一門應(yīng)用技術(shù)，使畢業(yè)生達(dá)到理論知識扎實、技術(shù)應(yīng)用能力強(qiáng)、知識面較寬、素質(zhì)較高、畢業(yè)即能頂崗工作的人才層面[6]。

參考文獻(xiàn)

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