高校發酵工程類課程實驗教學探索

趙輝

摘要 以黑龍江大學發酵工程類課程實驗課教學為例，從開放式實驗教學、綜合性設計性實驗教學以及中試實驗教學方面，對構建發酵工程新的實驗教學體系進行了初步的研究和探討。

關鍵詞 黑龍江大學；發酵工程；實驗教學

中圖分類號 S-01 文獻標識碼 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

隨著國家生物產業的發展，發酵工程技術成果被廣泛應用于工農業生產和醫藥衛生等領域。發酵工程主要是利用微生物大量生產目的產物的一門綜合應用性學科，是生物工程的重要組成部分。生物產業是21世紀國家優先發展的支柱產業，而生物產業中的生物醫藥、生物能源、生物環保、生物制造等絕大部分都以發酵工程技術為手段。發酵工程是生物工程的支撐學科，是實現基因工程、酶工程和細胞工程等其他生物技術的最終手段和方法，也是生物技術產業化的關鍵[1]。隨著國家經濟改革的不斷深入，改革我國技術應用型人才培養模式已迫在眉睫。目前，發酵工程實驗教學與發酵企業對人才的需求之間存在著一定的偏差，我國在改造傳統發酵工業方面（酒類、發酵調味品、面包、酸奶等）正面臨轉型期，新的發酵技術必將替代零星陳舊的落后技術。發酵工程作為一門應用性課程，實踐教學是該課程教學的重點，是理論知識運用到實踐生產中的紐帶。實踐教學的質量決定了學生是否具備工科學生應用型人才的特質。因此，應當及時轉變發酵工程類課程實驗教學的理念，改進實驗教學的方法和培養模式。筆者結合自己的工作體會，對開放式實驗教學、綜合性設計性實驗教學以及中試實驗教學展開了探討。

1 開放式實驗教學

開放式實驗與傳統實驗課程相比，在實驗項目的選擇及實驗內容的安排上都有很大的自由度和靈活性，可以最大限度地發揮實驗室綜合資源，使教與學有機結合，在更大程度上激發學生的創造性思維和實踐能力[2]，提高學生的自主開發設計能力，為培養創新應用型人才奠定基礎。

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

現以2010年的開放實驗“耐高溫酒精酵母的選育”為例，對發酵工程實驗室開放式實驗進行簡介。首先該實驗室指導教師在校園網上給出實驗的題目和立項的意義，一周后，3名生物工程專業的大三本科生選擇了該實驗。師生共選后，指導教師先進行該實驗的背景與意義的專題講座，讓學生了解最基本的耐高溫酵母在酒精發酵中的實際意義，然后給課題組2周時間去完成3件事：一是通過文獻檢索進一步深入掌握酒精高溫發酵的意義和國內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綜述；二是通過文獻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備以及生化試劑。學生完成這3方面計劃的書面材料后，指導教師分別就3方面內容進行詳細指導與修正，并將計劃提交給教務處材料科。學校審查后，按所需的試劑情況進行撥款，隨即該學生課題組開始了一個學期的實驗任務。

學生在沒有課的情況下，可全天進入實驗室，在遵守規章制度的前提下，按計劃進行實驗，中間遇到困難隨時與指導教師交流，保證如期完成實驗。學期末，學生按計劃完成實驗，指導教師首先檢查儀器設備的使用情況和藥品的消耗情況，檢查實驗記錄本和關鍵的實驗數據，同時按照發表文章的格式要求學生撰寫實驗總結，進一步鍛煉學生的文章撰寫能力。文章撰寫完畢，提交給學校教務處，學校組織專家審查合格后，頒發實驗結題證書，同時記入2個創新學分。學生既得到了動手鍛煉的機會，又完成了學校要求的學分，因此學生的熱情非常高。發酵工程實行開放實驗室制度完全達到了全面提高學生動手能力和創新能力的目的，全面培養了學生的科學作風、創新思維、創業能力和實踐動手能力[3]。

2 綜合性設計性實驗教學

在發酵工程實驗課教學中，在原有單一驗證性實驗及不相關聯實驗的基礎上，增加實驗的綜合性并且使實驗內容有機地結合在一起是提高工科學生專業技能的重要手段。現以發酵工程實驗室經典的綜合性、設計性實驗—乳酸發酵實驗進行講解。實驗分為以下幾個部分：一是乳酸發酵，主要考察MRS培養基中的金屬離子對乳酸發酵的影響；二是乳酸的檢測，采用多種方法檢測乳酸發酵的產率及純度；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。

乳酸發酵實驗采用實驗室保存的植物乳桿菌為發酵菌株，培養及采用經典的MRS培養基，每2個學生1組，實驗目的是考查金屬離子鉀鎂錳對乳酸發酵的影響，為此學生自行設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，設計工作由學生在課前預習完成，經指導教師修改后，上課時學生按照所設計的實驗在實驗室準備儀器和配置培養基，然后接種發酵，72 h后進行乳酸檢測實驗。

第2次課乳酸檢測實驗使用學生第1次課發酵的乳酸發酵液進行乳酸和殘糖檢測。乳酸檢測的方法：根據實驗室的情況，給學生提供了酸堿滴定法和生物傳感器法2種方法，要求學生2種方法都用。滴定法可以知道發酵產的總酸，葡萄糖-乳酸生物傳感儀可以得到乳酸的含量，從而使學生可以進一步分析出發酵過程中乳酸占總酸的比例，通過DNS法檢測殘糖的含量，可以掌握發酵的程度，得到乳酸的轉化率。

第3次課是在前2次課的基礎上，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胞、酶活的測定和蛋白質含量的測定，從酶學的角度分析此次乳酸發酵的程度，同時要求學生對超聲破碎的功率和時間進行探索。設計工作同樣要求由學生在課前預習、檢索文獻完成，從而得出最佳的破碎條件。

通過乳酸發酵綜合性、設計性實驗，學生掌握了設計實驗的基本思路，學習了種子制備、微生物發酵、發酵產物的多角度檢測與分析，掌握了發酵工程的基本原理及發酵優化控制過程，培養了學生從事發酵工程研究的基本思路和方法，提高了對發酵工程課程應用前景的認識[4]。

3 中試實驗教學

中試是科技成果向生產力轉化的必要環節，也是工科專業的學生由學校走向企業的橋梁，學生進入企業后可以更快地進入角色，減少企業的培訓費用，因此經過中試學習鍛煉的畢業生更受企業歡迎。基于此，實驗室自行設計、加工了一套微型啤酒發酵設備，用于高年級學生的中試實驗教學[5]。

這套設備包括與發酵罐配套的糖化-煮沸鍋、過濾槽、回旋沉淀槽、薄板冷卻器、水處理系統、制冷系統以及1 000 L容積的全不銹鋼錐形發酵罐。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，薄板冷卻器降溫進入錐形發酵罐，控制發酵溫度6～8 ℃，并采用絮凝性好的下面啤酒醉母，發酵時間10～15 d，發酵過程中每天檢測還原糖的變化、酵母數量的變化，及時控制發酵的溫度和壓力。這套設備用于啤酒發酵，教學效果非常理想，對于學生提高對“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、啤酒發酵控制都由學生自己動手完成，教師只進行關鍵技術講解和解答學生的提問。通過本次中試實驗的鍛煉，學生對發酵行業的設備、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實驗無法比擬的，極大地提高了學生的擇業競爭力。

4 結語

為適應生物工程專業創新型人才培養目標，改變原有教學中重理論知識、輕實踐應用的傳統教學模式，就必須建立以技術應用能力和基本素質為主線的發酵工程類實驗教學新體系，使學生通過發酵工程實驗的學習，不僅能夠掌握發酵工程操作從小規模實驗到放大生產的具體過程，而且進一步理解了發酵工業產品工藝操作的全過程，掌握發酵工程這一門應用技術，使畢業生達到理論知識扎實、技術應用能力強、知識面較寬、素質較高、畢業即能頂崗工作的人才層面[6]。

參考文獻

[1] 馮惠勇，儀宏，孫國志，等.發酵工程教學的體會與設想[J].微生物學通報，2002，29（6）：98-101.

[2] 謝希賢，陳寧，徐慶陽，等.發酵工程開放式教學的改革探討[J].中國科教創新導刊，2010（7）：181-182.

[3] 許波，唐湘華，王重力，等.深化發酵工程實驗教學改革適應基礎教育新課改[J].微生物學通報，2009，36（5）：758-761.

[4] 趙娟娟.發酵工程實驗教學改革新模式探索[J].考試周刊，2016（13）：7.

[5] 羅方.淺談發酵工程制藥實驗教學的改革[J].教育，2016（6）：292.

[6] 鄧加聰.發酵工程實驗課教學改革與探索[J].福建師大福清分校學報，2014（2）：88-90.