《有机酸工艺学》实践教学综合性实验项目的设计与实践

黄国清 张名爱 于翠芳

摘 要：《有机酸工艺学》是一门综合性很强的专业课。该文将比较教学法用于教学实习内容的设计，每个实验小组选择不同的离子种类及浓度，使组内和组间比较金属离子浓度和种类对柠檬酸生成、菌体生长的影响，并筛选高产酸能力的实验菌株。对于加深同学们对理论知识的理解、提高《有机酸工艺学》教学实习的效果具有重要意义。

关键词：有机酸工艺学；教学实习；比较教学法

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）14-175-03

《有机酸工艺学》教学改革概述

《有机酸工艺学》是一门实践性极强、与生产实际联系非常紧密的专业课，其主要研究有机酸发酵的原理、原料、菌种、工艺、技术以及与之相关的各种新工艺、新方法，对于培养学生掌握利用微生物发酵生产有机酸的科学原理、实验技能、科学研究及实际动手能力非常重要。本门课程是我院生物工程专业的一门必修课，也是比较有特色的一门课程，目前仅有浙江工商大学、仲恺农学院和宁夏大学等少数几所院校开设了本门或相关的课程。

由于开设本门课程及相关课程的院校较少，目前仅有宁夏大学对该课程的教学改革进行了研究。宁夏大学高度重视实践性教学在《有机酸发酵工艺学》课程中的应用，提出通过将实践性教学贯穿于课堂教学、开设综合性和设计性实验、对本科生开放专业实验室、引进仿真软件、建立校外实践教学基地等手段来提高本门课程的教学效果。研究结果表明，此举大大调动了学生参与实践的积极性、主动性和学习兴趣，有效激发了学生独立思考、灵活运用和勇于创新的能力，提高了学生的综合素质和实践技能，有助于将学生培养成应用型、创新型及开拓型人才[1]。

虽然目前对本门课程进行教学改革研究的报导较少，但是对类似课程进行教学改革已有较多报导。山东师范大学对《食品发酵工艺学》的教学改革和实践进行了研究，提出了在理论教学中以发酵产品的共性规律为主线，并在实验教学中开设相应综合大实验的教学模式；并设置了学生主讲日，鼓励学生参与创新实验来提高本门课程的教学效果[2]。东北农业大学对《果酒加工工艺学》的教学方法及教学手段进行了改革，发现通过改进教学方法、增设综合性实验可显著提高本门课程的教学效果和学生的学习兴趣[3]。

由上述研究可知，教学改革可显著提高应用性课程的教学效果，而实践教学是教学改革的重中之重，设计合理的综合性项目可极大的激发学生的学习热情。《有机酸工艺学》重点讲授的是柠檬酸的发酵生产，因此设计1个柠檬酸发酵的综合性实验，对于加深同学们对相关理论和实践知识的理解有重要意义。

多种微生物，包括细菌[4]、真菌[5]和酵母[6]都能利用不同的底物来发酵产生柠檬酸，但是黑曲霉（Aspergillus niger）由于其产酸率高、易于处理、能够利用多种底物等特点，是目前工业生产上唯一使用的柠檬酸产生菌[7]。液态发酵工艺是最常用的柠檬酸发酵工艺，底物的性质对柠檬酸的产率有重要影响，目前最常用的底物为甜菜糖蜜和甘蔗糖蜜。菌丝体的流变学特性对发酵液的物理性质及柠檬酸产率有重要影响，而菌丝体的流变学特性与生物量的浓度息息相关[8]。除了上述因素外，柠檬酸的产率还受到诸多因素的影响，其中培养基金属离子的种类和含量对柠檬酸合成的影响最大。Zn2+、Mn2+、Fe2+、Cu2+等金属离子在极低浓度下即会显著抑制柠檬酸的生成[7]；金属离子之间还存在相互作用，在接种时加入0.1～500mg/kg的Cu2+可拮抗Fe2+对柠檬酸合成的不利影响[9]。氮源种类对柠檬酸的合成也有重要影响，铵盐如尿素、氯化铵、硫酸铵等有利于柠檬酸的合成[10]。另外，搅拌速度[11]、发酵温度[12]对柠檬酸合成也有重要影响。

柠檬酸的分离提取方法有多种，包括钙盐沉淀法、溶剂提取法、大孔树脂吸附法和原位提取法，其中钙盐提取法最为常用[7]。柠檬酸的定性分析方法有多种，除了色谱分析法外，根据国家标准GB/T8296-2006《柠檬酸》，柠檬酸可以采用物理和化学的方法进行定性分析[13]。

根据上述国内外的最新研究进展，结合本院实验室的实际情况，本院现有的《有机酸工艺学》教学实习方案采用黑曲霉作为柠檬酸产生菌，主要研究Mn2+浓度（共设置4个浓度）对柠檬酸合成、耗糖速率及生物量的影响，采用钙盐法对柠檬酸进行分析纯化，并根据国标的方法对所得结晶进行定性分析。近几年来的实践结果表明，所选用的Mn2+浓度对菌体生长和柠檬酸的积累具有显著影响，实验效果较为明显。该综合项目显著的促进了同学们对发酵工艺原理的理解、培养了同学们发酵行业基本实验技能，尤其是最后的数据处理和讨论环节加深了同学们对《生物化学》、《发酵工艺原理》、《生物分离工程》、《微生物学》等课程的理解和理论知识的综合运用，受到的同学们的广泛好评。

虽然本门课程的教学实践环节取得了较好的教学效果，但仍存在着研究内容略显单薄、发酵产酸率低等；此外，本实习的发酵过程均在三角瓶中进行，与工业上常用的深层培养有较大的差别，这在一定程度上影响了实习效果。

2 比较教学法

比较教学法是指在教学中将一些具有某种联系和区别的教学内容，放在一起进行对比分析，找出其异同点，使学生在明确了一个内容之后，能够自然地联想和掌握1另一个内容，并能自行理解，从而达到预期的教学目的。在教学中采用多种形式的比較，不仅可以把新旧知识的关系沟通、组织起来，而且能够培养学生的学习兴趣，活跃学生的思维，弄清各个现象的本质特性，让学生更好地掌握知识。

本项目拟将比较教学法应用于《有机酸工艺学》的教学实习，通过改进实验教学方法和实验设计使同学们对多种不同的结果进行比较，并结合理论教学的内容对结果进行分析，这对于促进《有机酸工艺学》的教学效果、加深同学们对发酵工业的理解、增强同学们综合运用知识的能力具有重要意义。

3 研究内容

本门课程的教学实践阶段目前采用的是一个综合实验项目，要求同学们研究Mn2+浓度（该金属离子是影响柠檬酸发酵的关键因素之一）对柠檬酸产率、菌体生长、产酸速率及糖酸转化率的影响，涉及到的实验技术包括残糖含量测定、总酸测定、生物量的测定、柠檬酸的结晶分离纯化及定性分析等技术。教学效果表明，Mn2+浓度对菌体生产、产酸率及糖酸转化率有显著的影响，实验结果较为直观。通过此次教学实践，同学们掌握了残糖测定、生物量测定及结晶分离纯化等基本实验技能，了解了发酵过程监控的基本指标，初步理解了培养基组成对发酵的重要性及其影响目标产物合成的途径，同学们对实习效果反映良好。但在实践过程中也发现了该实验项目的研究内容较单薄，提供的信息量较少；另外，实验菌株的产酸能力较差，這在一定程度上影响了教学实习效果。本项目拟通过运用比较教学法和筛选产酸力强的菌株来进一步提高实习效果。具体的研究内容如下：

3.1 比较教学法的应用 黑曲霉发酵柠檬酸受培养基中金属离子的影响极大。有些金属离子对菌体生长和柠檬酸的合成均有抑制作用；有些金属离子对菌体生长有促进作用，但会抑制柠檬酸的积累。金属离子种类及含量的控制是柠檬酸发酵成败的关键。在以往的实验中只研究了Mn2+对柠檬酸发酵及菌丝体的影响，同学们无法理解其它金属离子的影响及其作用方式。因此，本项目拟选取多种具有不同作用方式的离子（包括Cu2+、Fe2+、Mn2+、F-、EDTA），要求同学们分成几组，每个组研究某一种离子在不同浓度下对菌体生长和产酸的影响，比较离子浓度的影响；同时，在数据分析中，要求对不同组之间的数据进行比较，比较不同金属离子对产酸的影响及机理。同时，要求新增一组同学采用实验室里的2L自动发酵罐进行实验，并与摇瓶发酵进行比较，使同学们了解发酵工艺对产酸、菌体生长及菌丝球形态和直径的影响。该实习内容设计有望使同学们通过此次教学获得大量的信息，通过比较可使同学们理解离子种类和浓度及发酵工艺对产酸的重要影响，从而加强对发酵工业的理解。

3.2 高产柠檬酸黑曲霉菌株的选择 本实验室目前采用的黑曲霉不是产柠檬酸专用菌株，产酸率很低，只有1%～2%左右，远低于工业用柠檬酸产生菌的产酸率（15%左右），如此低的产率酸严重影响了发酵过程中产物的检测及实验效果的观察，许多指标，包括pH值、总酸含量及柠檬酸结晶等的变化不够明显。因此极有必要从各菌种保藏机构购买多种柠檬酸高产菌株并对其产酸性能进行比较和筛选，以使实验效果更加明显。

4 研究意义

《有机酸发酵工艺学》是生物工程专业中的一门实践性极强、与生产实际联系非常紧密的重要的专业课程，对培养学生掌握利用微生物发酵生产有机酸的科学原理、实验技能、科学研究及实际动手能力非常重要。

本项目顺利实施后，本门课程的综合实验项目设计更加合理，不同处理组之间差异更加显著，实验效果更加明显、直观，可更好的吸引学生的学习兴趣和进一步加深同学们对相关专业知识的理解，这对于提高本门课程的教学效果、加深学生对发酵工业的理解、培养学生的科研能力具有非常显著的促进作用。

参考文献

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[12]Yadav JS.SSF of wheat straw with alcaliphilic Coprinus[J].Biotechnology and Bioengineering，1988，31（5）：414-417.

[13]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.国家标准GB/T8296-2006柠檬酸. （责编：徐焕斗）