《有機酸工藝學》實踐教學綜合性實驗項目的設計與實踐

黃國清 張名愛 于翠芳

摘 要：《有機酸工藝學》是一門綜合性很強的專業課。該文將比較教學法用于教學實習內容的設計，每個實驗小組選擇不同的離子種類及濃度，使組內和組間比較金屬離子濃度和種類對檸檬酸生成、菌體生長的影響，并篩選高產酸能力的實驗菌株。對于加深同學們對理論知識的理解、提高《有機酸工藝學》教學實習的效果具有重要意義。

關鍵詞：有機酸工藝學；教學實習；比較教學法

中圖分類號 G642.0 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）14-175-03

《有機酸工藝學》教學改革概述

《有機酸工藝學》是一門實踐性極強、與生產實際聯系非常緊密的專業課，其主要研究有機酸發酵的原理、原料、菌種、工藝、技術以及與之相關的各種新工藝、新方法，對于培養學生掌握利用微生物發酵生產有機酸的科學原理、實驗技能、科學研究及實際動手能力非常重要。本門課程是我院生物工程專業的一門必修課，也是比較有特色的一門課程，目前僅有浙江工商大學、仲愷農學院和寧夏大學等少數幾所院校開設了本門或相關的課程。

由于開設本門課程及相關課程的院校較少，目前僅有寧夏大學對該課程的教學改革進行了研究。寧夏大學高度重視實踐性教學在《有機酸發酵工藝學》課程中的應用，提出通過將實踐性教學貫穿于課堂教學、開設綜合性和設計性實驗、對本科生開放專業實驗室、引進仿真軟件、建立校外實踐教學基地等手段來提高本門課程的教學效果。研究結果表明，此舉大大調動了學生參與實踐的積極性、主動性和學習興趣，有效激發了學生獨立思考、靈活運用和勇于創新的能力，提高了學生的綜合素質和實踐技能，有助于將學生培養成應用型、創新型及開拓型人才[1]。

雖然目前對本門課程進行教學改革研究的報導較少，但是對類似課程進行教學改革已有較多報導。山東師范大學對《食品發酵工藝學》的教學改革和實踐進行了研究，提出了在理論教學中以發酵產品的共性規律為主線，并在實驗教學中開設相應綜合大實驗的教學模式；并設置了學生主講日，鼓勵學生參與創新實驗來提高本門課程的教學效果[2]。東北農業大學對《果酒加工工藝學》的教學方法及教學手段進行了改革，發現通過改進教學方法、增設綜合性實驗可顯著提高本門課程的教學效果和學生的學習興趣[3]。

由上述研究可知，教學改革可顯著提高應用性課程的教學效果，而實踐教學是教學改革的重中之重，設計合理的綜合性項目可極大的激發學生的學習熱情。《有機酸工藝學》重點講授的是檸檬酸的發酵生產，因此設計1個檸檬酸發酵的綜合性實驗，對于加深同學們對相關理論和實踐知識的理解有重要意義。

多種微生物，包括細菌[4]、真菌[5]和酵母[6]都能利用不同的底物來發酵產生檸檬酸，但是黑曲霉（Aspergillus niger）由于其產酸率高、易于處理、能夠利用多種底物等特點，是目前工業生產上唯一使用的檸檬酸產生菌[7]。液態發酵工藝是最常用的檸檬酸發酵工藝，底物的性質對檸檬酸的產率有重要影響，目前最常用的底物為甜菜糖蜜和甘蔗糖蜜。菌絲體的流變學特性對發酵液的物理性質及檸檬酸產率有重要影響，而菌絲體的流變學特性與生物量的濃度息息相關[8]。除了上述因素外，檸檬酸的產率還受到諸多因素的影響，其中培養基金屬離子的種類和含量對檸檬酸合成的影響最大。Zn2+、Mn2+、Fe2+、Cu2+等金屬離子在極低濃度下即會顯著抑制檸檬酸的生成[7]；金屬離子之間還存在相互作用，在接種時加入0.1～500mg/kg的Cu2+可拮抗Fe2+對檸檬酸合成的不利影響[9]。氮源種類對檸檬酸的合成也有重要影響，銨鹽如尿素、氯化銨、硫酸銨等有利于檸檬酸的合成[10]。另外，攪拌速度[11]、發酵溫度[12]對檸檬酸合成也有重要影響。

檸檬酸的分離提取方法有多種，包括鈣鹽沉淀法、溶劑提取法、大孔樹脂吸附法和原位提取法，其中鈣鹽提取法最為常用[7]。檸檬酸的定性分析方法有多種，除了色譜分析法外，根據國家標準GB/T8296-2006《檸檬酸》，檸檬酸可以采用物理和化學的方法進行定性分析[13]。

根據上述國內外的最新研究進展，結合本院實驗室的實際情況，本院現有的《有機酸工藝學》教學實習方案采用黑曲霉作為檸檬酸產生菌，主要研究Mn2+濃度（共設置4個濃度）對檸檬酸合成、耗糖速率及生物量的影響，采用鈣鹽法對檸檬酸進行分析純化，并根據國標的方法對所得結晶進行定性分析。近幾年來的實踐結果表明，所選用的Mn2+濃度對菌體生長和檸檬酸的積累具有顯著影響，實驗效果較為明顯。該綜合項目顯著的促進了同學們對發酵工藝原理的理解、培養了同學們發酵行業基本實驗技能，尤其是最后的數據處理和討論環節加深了同學們對《生物化學》、《發酵工藝原理》、《生物分離工程》、《微生物學》等課程的理解和理論知識的綜合運用，受到的同學們的廣泛好評。

雖然本門課程的教學實踐環節取得了較好的教學效果，但仍存在著研究內容略顯單薄、發酵產酸率低等；此外，本實習的發酵過程均在三角瓶中進行，與工業上常用的深層培養有較大的差別，這在一定程度上影響了實習效果。

2 比較教學法

比較教學法是指在教學中將一些具有某種聯系和區別的教學內容，放在一起進行對比分析，找出其異同點，使學生在明確了一個內容之后，能夠自然地聯想和掌握1另一個內容，并能自行理解，從而達到預期的教學目的。在教學中采用多種形式的比較，不僅可以把新舊知識的關系溝通、組織起來，而且能夠培養學生的學習興趣，活躍學生的思維，弄清各個現象的本質特性，讓學生更好地掌握知識。

本項目擬將比較教學法應用于《有機酸工藝學》的教學實習，通過改進實驗教學方法和實驗設計使同學們對多種不同的結果進行比較，并結合理論教學的內容對結果進行分析，這對于促進《有機酸工藝學》的教學效果、加深同學們對發酵工業的理解、增強同學們綜合運用知識的能力具有重要意義。

3 研究內容

本門課程的教學實踐階段目前采用的是一個綜合實驗項目，要求同學們研究Mn2+濃度（該金屬離子是影響檸檬酸發酵的關鍵因素之一）對檸檬酸產率、菌體生長、產酸速率及糖酸轉化率的影響，涉及到的實驗技術包括殘糖含量測定、總酸測定、生物量的測定、檸檬酸的結晶分離純化及定性分析等技術。教學效果表明，Mn2+濃度對菌體生產、產酸率及糖酸轉化率有顯著的影響，實驗結果較為直觀。通過此次教學實踐，同學們掌握了殘糖測定、生物量測定及結晶分離純化等基本實驗技能，了解了發酵過程監控的基本指標，初步理解了培養基組成對發酵的重要性及其影響目標產物合成的途徑，同學們對實習效果反映良好。但在實踐過程中也發現了該實驗項目的研究內容較單薄，提供的信息量較少；另外，實驗菌株的產酸能力較差，這在一定程度上影響了教學實習效果。本項目擬通過運用比較教學法和篩選產酸力強的菌株來進一步提高實習效果。具體的研究內容如下：

3.1 比較教學法的應用 黑曲霉發酵檸檬酸受培養基中金屬離子的影響極大。有些金屬離子對菌體生長和檸檬酸的合成均有抑制作用；有些金屬離子對菌體生長有促進作用，但會抑制檸檬酸的積累。金屬離子種類及含量的控制是檸檬酸發酵成敗的關鍵。在以往的實驗中只研究了Mn2+對檸檬酸發酵及菌絲體的影響，同學們無法理解其它金屬離子的影響及其作用方式。因此，本項目擬選取多種具有不同作用方式的離子（包括Cu2+、Fe2+、Mn2+、F-、EDTA），要求同學們分成幾組，每個組研究某一種離子在不同濃度下對菌體生長和產酸的影響，比較離子濃度的影響；同時，在數據分析中，要求對不同組之間的數據進行比較，比較不同金屬離子對產酸的影響及機理。同時，要求新增一組同學采用實驗室里的2L自動發酵罐進行實驗，并與搖瓶發酵進行比較，使同學們了解發酵工藝對產酸、菌體生長及菌絲球形態和直徑的影響。該實習內容設計有望使同學們通過此次教學獲得大量的信息，通過比較可使同學們理解離子種類和濃度及發酵工藝對產酸的重要影響，從而加強對發酵工業的理解。

3.2 高產檸檬酸黑曲霉菌株的選擇 本實驗室目前采用的黑曲霉不是產檸檬酸專用菌株，產酸率很低，只有1%～2%左右，遠低于工業用檸檬酸產生菌的產酸率（15%左右），如此低的產率酸嚴重影響了發酵過程中產物的檢測及實驗效果的觀察，許多指標，包括pH值、總酸含量及檸檬酸結晶等的變化不夠明顯。因此極有必要從各菌種保藏機構購買多種檸檬酸高產菌株并對其產酸性能進行比較和篩選，以使實驗效果更加明顯。

4 研究意義

《有機酸發酵工藝學》是生物工程專業中的一門實踐性極強、與生產實際聯系非常緊密的重要的專業課程，對培養學生掌握利用微生物發酵生產有機酸的科學原理、實驗技能、科學研究及實際動手能力非常重要。

本項目順利實施后，本門課程的綜合實驗項目設計更加合理，不同處理組之間差異更加顯著，實驗效果更加明顯、直觀，可更好的吸引學生的學習興趣和進一步加深同學們對相關專業知識的理解，這對于提高本門課程的教學效果、加深學生對發酵工業的理解、培養學生的科研能力具有非常顯著的促進作用。

參考文獻

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[13]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.國家標準GB/T8296-2006檸檬酸. （責編：徐煥斗）