傳統固態發酵虛擬仿真實驗項目的建設
——以山西老陳醋為例

王 芳，賈萬利，王海賓，郭建峰

（中北大學，山西 太原 030051）

“發酵工程”是理工科高等院校生物技術、生物工程、生物制藥及食品工程等多個工科專業的核心課程之一，該課程系統學習工業發酵的共性原理及技術，涵蓋生物學和工程學內容，基礎理論性和實踐性要求都很高。在新工科教育背景下，工科素養的培養、實踐能力的提升對課程的教學內容和教學方式提出了更高的要求。多個高校相關課題組結合各自教學實際對“發酵工程”課程進行了教學內容的重組、教學方法的改進等相關的研究和實踐[1-2]。

1 “發酵工程”實驗教學改革研究進展

1.1 虛擬仿真技術在發酵工程實驗中的應用

“發酵工程”實驗是“發酵工程”課程必不可少的一部分，在發酵工程學科素養培養過程中發揮重要作用。針對傳統實踐教學的局限性，“互聯網+”和虛擬仿真技術在實踐教學中的應用越來越多，發酵工程實驗方面也產生了一批優秀的虛仿實驗項目。如武漢理工大學、哈爾濱工業大學相關課程組分別針對本科生和研究生層次建設了“抗生素發酵生產工藝與工程實踐”“微生物絮凝劑合成機理研究及應用”等虛仿實驗項目，將線下不易實現的實驗內容通過計算機展現給學生，并從微觀到宏觀，從原理到設備多層次、多角度逐步展示[3]。南京工業大學“發酵工程”課程組則將VR 技術與實驗室設備結合，構建了一個虛實結合的多維工程中試實驗室平臺，推進工程素質教育[4]。以上虛擬仿真項目在培養學生綜合利用所學知識探索微生物生長及發酵過程發揮了重要作用，并在教學中得到了學生積極的反饋。發酵方式包括深層液態發酵和固態發酵，然而，目前“發酵工程”實驗相關的虛仿項目均以液態發酵技術為主，在固態發酵，尤其是傳統固態發酵方面虛仿項目較少。

1.2 傳統固態發酵特征及實驗項目開發現狀

微生物被譽為發酵食品的“靈魂”，與純種液態發酵相比，傳統固態發酵的微生物大多來源于釀造環境、原料，微生物種類與數量繁多，相互影響逐步演變，形成一個獨特的微生態群落，且隨著釀造工藝的進行，其微生態組成和結構不斷發生變化。傳統固態發酵主要應用在風味食品的制作，如釀酒、釀醋、豆腐乳、豆豉、泡菜等，其群落中的微生物對原料的代謝途徑多樣而復雜，并隨之形成獨特的感官、營養和功能物質。傳統固態發酵在現代多種名優地理標志產品的生產中具有純種液態發酵不可替代的效果[5-6]。除此之外，固態發酵用水量少、在后續加工過程中能耗少的特點在低碳清潔生產中有極大潛力。然而，由于研究技術的限制，傳統固態發酵食品的核心功能微生物組成及種群演變規律、代謝物變化規律、特征風味物質形成過程等很多原理和機制還不甚明了，因此對于經驗和環境要求較高，學生在實驗室不易成功。實際上，不論是作為科學研究還是工程內容，固態發酵過程同樣遵循微生物生長代謝基本規律、微生物與環境互作，以及物質傳遞、動量傳遞以及熱量守恒等基本化工單元操作基本規律，是一個復雜工程體系[7]。

固態發酵過程中問題的解決需要微生物生理和工程計算方面知識綜合分析，可以作為重要抓手培養學生解決復雜工程問題的能力。然而在現實中，由于固態發酵生產周期長、自然微生物受地理條件限制、產品質量不易控制等問題，學生通常很難在線下有限的實驗時間和實驗空間內高質量地完成，嚴重影響實際開課率。很多高校生物工程專業“發酵工程”實踐課程只開設液態發酵內容，忽略固態發酵，尤其是傳統固態發酵的綜合實驗。

2 以山西老陳醋為例建設固態發酵虛擬仿真項目

山西老陳醋是中國四大名醋之首，是中國食醋地理標志產品。山西老陳醋以當地特色小雜糧高粱為主要原料，配以豌豆、苦蕎、小麥麩皮等原料，經大曲糖化、酒精發酵、高溫引種醋酸菌、熏醅等工藝發酵而成。其原料、微生物菌源自產地，發酵完成之后要經歷1～3 年的夏曬冬撈冰陳釀后熟過程。陳釀不僅是老陳醋的濃縮過程，也是各種生化反應進行，進一步形成老陳醋特有風味物質的過程[8]。整個釀造工藝是地理生態環境、微生物與釀造工藝的完美結合，是傳統文化中就地取材、順應自然的大生態理念的體現，極具科學性與傳承價值。以“山西老陳醋”為例，將傳統固態發酵以虛擬仿真實驗的形式融入“發酵工程”實驗教學中，可以為發酵工程實驗體系補足重要的一環，同時也是山西省地方特色釀造文化的升級和傳承。

2.1 從山西老陳醋發酵中提煉微生物發酵及食品生化反應知識點

在發酵工藝及原理方面，老陳醋釀造在內容上貫通厭氧酒精發酵和需氧醋酸發酵，實驗過程涉及原料選取與預處理、大曲糖化、大曲質量鑒定及微生物菌相分析、糖化過程中酶活和營養物質的變化、酒精發酵、引火工藝、醋酸發酵、熏醅及美拉德反應、陳釀及關鍵芳香物質的形成等10 個知識點。對工藝技術及背后科學原理的深刻理解需要調動生物產品工藝學、微生物學、發酵工程、生物化學、有機化學、生物工廠設計與生物設備、食品工藝學等多門基礎和專業課程的知識，將其中涉及的知識點融匯貫通，從而為培養工科學生“解決復雜工程問題能力”提供一次重要的實踐。

課程組在太原寧化府老陳醋生產車間實地取材建模，委托上海曼恒科技有限公司進行技術開發，采用面向服務的軟件架構開發，集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體，建設成為具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬實驗教學平臺（http://121.196.15.100/page2021/vinegar/index.html）。線上項目內容與傳統課堂教授內容交互，并在手機端進行了內容的擴展，為學生提供系統、完備的學習體驗。該項目既可以作為生物工程在校學生的教學軟件，也可以服務于老陳醋生產企業崗前培訓。

項目通過“情景再現”與“產品化實習”，重現真實發酵工藝生產流程，縮短實驗周期，讓學生有親臨其境的真實感受，提升實訓效率及效果。學習并實踐了山西老陳醋虛仿固態發酵工藝之后，學生應理解老陳醋中微生物生長代謝規律及其與產品品質的關系，進一步清楚固態發酵與液態發酵的異同點，為培養固態發酵中復雜工程問題的分析和解決能力提供實踐平臺。

2.2 項目按照“虛實結合，能實不虛”的原則，圍繞全程質量控制的思想構建了從初級到高級的訓練考核體系

項目按照“能實不需，虛實結合”的思路設計，打造虛實結合的實驗項目（見圖1）。線上內容主要通過虛擬仿真模擬老陳醋的整體工藝、設備及質量監控要點，比如釀造過程中涉及到整體工藝流程、生產設備、生產環境等，讓學生對整體生產環境和設備有全面的了解。線上部分還包括工藝中重要的質量控制點，如發酵培養過程、熏醅、陳釀等步驟，每一個質量控制點的操作條件均會影響到其中的生化反應進程，導致產品質量差異。因此，在設計中不同的操作會產生不同結果，錯誤的操作程序會給出殘次品的結果，并給出選擇返回重做，借此糾偏模塊加深學生對工藝控制點作用的理解。在實驗的關鍵步驟中穿插了問答題，涉及了該步驟背后的主要原理相關知識點的理解，如微生物菌相變化、酶的變化、風味變化和營養成分變化，讓學生能夠實際聯系理論，強化學生對發酵機理和工程原理的應用能力。

線下部分主要在工藝中選取實物體積小的原料、中間產物和終端產物，在線下實驗室利用已有分析設備進行分析檢測及感官評價，如高粱、豌豆等原料的認知，大曲的感官及活性檢測、酒精度檢測、新醋和老陳醋的醋酸檢測及感官評價等。線上和線下質量監控點包含了老陳醋生產過程中主要的檢測內容，通過實踐深化全程質量控制的理念。

實驗設計思路見圖1。

圖1 實驗設計思路

為了提高仿真實驗項目對學生從知識到解決復雜工程問題能力不通層次的培養，實驗由易到難設計了初級、中級、高級3 個模塊。初級和中級通常按既定模式學習和應用，高級層次以“質量糾偏模塊”來實現。此模塊中會隨學生操作參數不同而出現生產中的各種問題，學生需要根據所學知識和實際情況進行分析，找到產生問題的原因，提出綜合解決方法及依據，并通過操控模式解決。系統根據問題解決的程度，進行打分?！疤搶嵔Y合”與“在線糾錯”，減少了實驗材料的損耗、避免了盲目操作的風險、縮短了實驗培訓時間。

2.3 項目設計分層次、多維度展示實驗內容在時間、空間、操作上的變化

項目具體分為實驗預習、實驗模擬和考核測評3 個模塊，每個模塊層層展開，涉及車間選擇和排序、場景展示、原料和設備選擇、分步操作、參數輸入、產生數據、形成結果等一系列實施過程。具體講可以從4 個層面。

第一層面為運行模塊內容。該實驗把整個實驗內容融入到3 個運行模塊中，從而更清晰地展現所涵蓋的過程體系。

第二層面為場景性內容。利用場景性帶入法，每個過程模塊對應一個或者若干個相應場景（車間），通過360 °全景巡視，創設一種身臨其境的感覺，從而引導學生更容易進入相應的實驗步驟和所設立的實驗環節中。

第三層面是時間性內容。通過設置實驗流程、現在所處實驗步驟、實驗操作提示，進入每個場景后，通過界面友好的引導，學生能夠實時感受到自己所處的操作節點，領悟當前操作要領，基于先前的預習和討論，能夠一步一步將實驗進行下去，最終完成一個場景的所有操作。

第四層面為實驗訓練內容。借助引導和激勵，通過嘗試和糾錯，根據實驗進程設計一系列關節點，如同游戲闖關，不能完成關鍵過程，只能退出重來，從而增強實驗的吸引力和挑戰性。在具體的實驗過程中，充分體現學生的自主性學習，尤其是學習時間和學習地點的靈活性，學習模塊和學習場景的自主選擇和重要環節的反復操演，鍛煉學生解決問題的動手能力。

2.4 選擇多種教學方法交叉融合，讓學生成為“教”“學”過程的中心和主體

整個項目通過課堂教學、線上討論組等方式實現師生互動式、研討式教學；學生通過自主學習和組隊學習進行自主式、合作式、探究式學習。項目建設過程有學生的全程參與，以學生的需求為項目建設的主體。項目含有自主學習模塊，相比于傳統“填鴨式”教學方法，學生的自主創新和學習能力有了顯著提高，學習效果更好。其中，線上自主考核系統，學生根據自己的想法操作實驗，實現實習時間、實習步驟、實習報告的管理和分享，可以追溯和管理實習的過程。

3 山西老陳醋項目建設中優秀傳統文化的滲透

中華優秀傳統文化博大精深，體現在人們生活、勞動的方方面面。很多名特優地理標志產品，如汾酒、茅臺、老陳醋、豆豉等，都是傳統固態發酵。傳統固態發酵多富集自然菌種，菌種微生態來源和動態演變，以及對最終產品獨特風味的貢獻是自然環境氣候、水、原料、用具、工藝和諧統一的結果，在釀造過程中既體現了微生物對環境氣候溫度、濕度等條件的依賴，也凸顯了通過人為調整原料中營養物質、pH 值、發酵時間等對發酵方向的控制。比如山西老陳醋傳統釀造工藝中的“夏曬冬撈冰”“酒精發酵時間隨夏天與冬天而變化”、酒精發酵向醋酸發酵轉化時加入的輔料，都暗含了我國“天人合一”“順應自然”“天時、地利、人和”自然統一等哲學思想。

在傳統固態發酵虛擬仿真項目的建設過程中，課程組積極挖掘山西老陳醋工藝中蘊含的哲學思考，并將其在虛仿課程引導片中展示出來，使得學生在學習、使用虛仿課程的同時，領會體悟其中蘊含的傳統哲學思想，提升工科學生的人文素養[9]。

4 結語

項目旨在以山西老陳醋為切入點，研究、傳承、提升傳統自然固態發酵，并以此為基礎開發了虛擬仿真項目。在教學中融合線上虛擬仿真軟件和線下實驗室的分析檢測，讓學生更好地掌握固態發酵生產環境、設備、工藝條件和質量控制方法，為綜合培養學生解決復雜工程問題的能力提供一個著力點。