大健康背景下“生化分离工程”教学设计与探索

罗水忠，潘利华，杨雪飞，郑志，王军辉

（合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽 合肥 230009）

随着人口老龄化的加剧，治未病方法的普及，以及国人健康意识的提升，运用营养保健食品促进健康、改善疾病状况、减少药物副作用已经成为很多人的共识。未来，具有预防疾病和促进康复调节功能的保健品行业将具有巨大的发展空间[1]。但是，随着监管和市场准入的更加严格，未来的保健食品发展机遇和挑战并存。在大健康背景下，如何获取功效成分并有效保持其活性，是保健品行业战胜挑战、确保企业持续健康发展的基础。

“生化分离工程”是分析从发酵液、酶反应液或动植物细胞培养液中分离、提取、纯化与精制生化产品的过程[2]，是保健品生产的重要环节。它是食品科学与工程、生物工程、生物技术等专业的必修课程，亦是一门综合性、实践性、应用性、工程性极强的学科。该课程涉及数学、化学、物理学、生物学、工程学等相关背景知识，基础知识多、基本理论广，与生产联系非常紧密。但是，该课程教学学时少，而且未被列为考研专业课程，因此学生的学习兴趣不浓、积极性不高。如何在有限的教学学时内提高学生的学习兴趣与积极性，让学生理解、掌握“生化分离工程”的理论知识与实验技能，培养学生的创新思维和创新能力，培养适于大健康背景下保健品行业的专业人才，为大健康产业的发展提供智力支持，我们根据工科学校学生工科基础较强的特点，对“生化分离工程”的课程教学与实验教学进行了设计与探索。

1 设计与探索课程教学模式，培养学生创新思维

“生化分离工程”课程主要讲授各种生物活性物质（保健品中的功效成分）中杂质的去除、分离、纯化和精制技术，通过对该课程的学习，要求学生能针对不同功效成分的特性，较好地运用各种分离技术来设计合理的提取、精制工艺路线，并能从理论上解释各种分离现象，提高分析问题和解决问题的能力，培养创新思维。理论学习是“生化分离工程”课程教学的基础，是学生动手能力培养和训练的基石[3]。可以说，“生化分离工程”课程实践教学质量的好坏直接关系到该课程教学的成败。课程教学的好坏，不仅取决于教师的教学水平，更取决于学生学习的积极性与主动性。因此，为提高课程教学质量，我们以大健康背景下培养学生的创新思维为主线，对课程教学模式进行了探索与精心设计。

（1）精选与丰富教材，结合实例，实现教学内容的创新

现代生物技术发展迅猛，生化分离方法层出不穷，但由于教材出版相对滞后，难以选定一本能及时反映现代生物分离技术的满意教材。我们根据曹学君的《现代生物分离工程》、严希康的《生化分离技术》等国内现有的教材，以及我们工科学校的办学思想和学生较强的工学基础等特点，选择了严希康的《生化分离技术》作为主要授课教材，以我国卫生部规定的保健食品原料（卫法监发[2002]51号）为实例原料，将授课内容分为以下5个模块：①难溶物的分离与去除，主要包括过滤、细胞破碎、离心、沉淀4个单元操作，以黄精多糖为例；②产品的粗提分离，主要包括萃取、吸附、离子交换3个单元操作，以葛根黄酮为例；③产品的纯化，主要包括层析、色谱、膜分离3个单元操作，以大蒜SOD为例；④产品的精制，主要包括结晶、干燥2个单元操作，以蛋白和多肽为例；⑤新型分离技术，主要包括分子蒸馏、顶空微萃取等分离技术，以薄荷精油为例。授课时详细讲述各单元分离过程的原理与分离系质量、热量、动量传递过程的基本规律，探求分离过程对原料的选择与设计、技术经济效果的评价与优化等基本方法。课后要求学生对分离技术在1～2种功效成分中的应用进行资料查阅、分析和总结，并在课堂时间对其作点评，实现教学内容创新的同时，培养了学生的科研意识和创新意识。

（2）采用交互式教学，调动学生创新动力

“生化分离工程”课程在大三下学期开设，学生已经掌握了物理、化学、微生物、数学、计算机等基础知识，具备了成人的思考能力和学习能力，这为交互式教学提供了便利条件。因此，在教学过程中，我们通过雨课堂，把一些较为简单的、定性的内容让学生自学、自讲。在该章节的讲授过程中，教师将自学内容的重点及难点有机结合到教学内容中，对自讲内容通过提问方式让学生回答有关思考题，同时师生共同讨论遇到的疑难问题。生化工程学科的发展日新月异，新型分离技术及新产品层出不穷，在课时有限的情况下，教师不可能在课堂上把所有的内容统统灌输给学生。我们在每个章节的课堂授课结束时，都安排一些结合本章重点和难点内容的小课题，如学完“萃取”一章，安排给学生“萃取技术在生物分离中的应用进展”课题，要求并指导学生查阅文献、分析资料及撰写小论文，最后分组讲解与讨论。学生在进行文献查阅的过程中，能了解萃取领域当前世界的最新发展动态，分析哪些功能成分适合用萃取技术制备，再结合教学内容，不仅加深了课堂内容的印象，而且对于实际使用过程中出现的萃取率低、分离过程缓慢等情况和解决方法也有所认识；同时赋予学生上台表现和被检验的机会，大大地调动了他们的创新动力。

（3）融汇科研实践经验，激发学生创新兴趣

为了激发学生创新兴趣，我们在教学过程中加强科研与教学的结合。在讲授理论课的过程中，首先，我们用自己的科研成果作为例子进行讲解，多媒体教学所用的图片中有我们科研过程中的一些典型的照片，并将自己在相关科研过程中积累的一些经验和注意事项在授课的过程中逐一加以传授。这样既增加了学生对科研的神秘感，拉近了学生与科研的距离，又激发了学生学习的兴趣，其次，我们还把自己的科研工作内容也带入课堂，结合教材内容加以分析，这对很多学生都有吸引力，对有意进一步深造的学生也具有引导作用。如在讲到色谱分离过程的时候，结合我们经常使用的离子交换色谱、纸色谱等操作方式的改进，以黄精多糖的纯化为例，引导学生深入思考，指出每一种分离方法的优劣，使学生深刻理解不同体系必须选择不同的分离方式，激发了学生的创新兴趣。

（4）调动主观能动性思维，培养学生创新意识

主观能动性思维包括发散性思维和收敛性思维。发散性思维通过教师提出问题，鼓励学生以解决问题为中心，不局限于一种传统方法，积极寻求多种解决方法的思维方式，是形成创造意识的基础。例如，在讲授“膜分离”一章时，我们鼓励学生尽可能多列举出增加膜通量的方法。学生纷纷提出自己的想法，如提高热侧溶液的温度，提高膜两侧的温差，增加水蒸气压差，增加进料流量，有同学还提出改进膜材料与结构等设想，思维极其活跃。但为了从众多可能的方案中优选出最佳的方法，则需要收敛性思维的指导。收敛性思维，是将发散性思维求同的思维。如前述的增加膜通量的几种方法，如何确定一种最优的方法呢?就要进行思维收敛，运用已有的知识，根据对膜蒸馏产物的要求，结合增加膜通量各种方法的能耗、设备投资、操作成本等的比较分析，选择最合适的方法。

此外，“生化分离工程”是一门逻辑性很强的学科，它的许多结论往往需要经过一系列严谨的数学推导处理才能得到。因此，如果教师在授课过程有意识地调动、培养学生的创新思维，定能培养出思维敏捷的适于大健康产业需求的大学生人才。

2 设计与改革实验教学模式，提高学生创新能力

“生化分离工程实验”是使学生理解和巩固“生化分离工程”理论知识的关键环节，是物质成分被分离实现工程放大的实践环节，也是培养高质量分离工程与技术人才的重要环节。根据物质分离的工艺方法具有模块化、选择性强、可替换性等特点，如何在“生化分离工程实验”课程中培养学生分析和解决问题的能力、实践创新能力以及科学研究能力，我们对实验教学模式进行了精心设计。

（1）重视基础实验，培养学生的基本实验技能

为了培养学生的基本实验技能，我们开设了以验证型、演示型和虚拟型实验为主的基础实验。“以教师为中心，以课本为中心”的验证型基础实验的目标是使学生学会教材中给定的一种方法，验证一个已知的事实，以加深对理论课堂的理解与巩固。如“PEG/（NH4）2SO4双水相系统中蛋白质分配系数的测定”验证型实验，通过试验测定实验数据，绘制双水相相图，分析牛血清白蛋白在PEG/（NH4）2SO4双水相系统中的分配行为，不仅使学生掌握了双水相相图的制作方法及蛋白质的测定方法，培养了基本实验操作技能，而且有助于学生对物质的双水相分离实验的理论背景和设计方法的理解。根据学校大型硬件设施紧缺的现状，我们将超临界萃取异黄酮、超声波提取香菇多糖、离子交换法制备软水、高效液相色谱仪结构及操作等设计为5～6人一组的演示型基础实验，在有限的学时里实现了每位学生都能进行实践操作的目的。为有效缓解高校在实验经费、场地、器材等方面面临的困难和压力，我们开设了四个虚拟型基础实验，包括薄层色谱法分离糖类物质、反胶束萃取技术提取胰蛋白酶、离子交换法制备软水、高效液相色谱仪结构及操作。借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上进行的虚拟仿真实验提高了学生的学习兴趣，加深了对理论知识的理解，实现了课程教学目标。

（2）开设综合实验，培养学生综合实验技能

实践出真知，不与实践结合的理论只能是空洞的理论[4]。为了巩固学生的课程理论知识，培养学生综合实验技能，在完成基础实验的基础上，我们设计了8课时的综合实验。综合实验是由学生根据教师给定的实验模块、实验目的、实验要求和实验条件，自行设计方案并加以实现的实验。为充分发挥学生对实验的参与度、创造力和团队精神，以具有调节机体功能的功效成分为目标分离物，我们设计了10个备选实验模块：①植物黄酮的提取与纯化；②胞内SOD的提取与纯化；③发酵液中青霉素的分离与纯化；④发酵液中低聚糖的分离与纯化；⑤茶叶中茶多酚的分离与纯化；⑥发酵液中谷氨酸的分离与纯化；⑦生物多糖的分离与纯化；⑧花青素的提取与纯化；⑨绿原酸的分离与纯化；⑩成纤维细胞生长因子的分离和纯化。实践表明，学生根据自己的兴趣自行选择模块实验，积极性很高。例如，选择“花青素的提取与纯化”实验模块的同学，兴奋地看着大孔树脂魔术般地由白色变成红色，酒精洗脱则又由红色变成白色。我们发现，综合实验不但能够考核学生领悟和融合知识、掌握基本技能、科学思维和创新意识，而且能够提高学生运用所学的知识和技能，创造性地发现问题、分析问题和解决问题的能力。

（3）实施探索实验，提高学生创新实践能力

为了培养学生的逆向思维能力，鼓励他们大胆设想、创新，我们将传统的验证性实验设计为探索实验。探索实验是通过挖掘书本已有的实验内容，对某项或某个方面与某个领域有关的未知或未全知的问题，在学生不知道结论的情况下，通过教师创设问题情境，学生进行大胆设想、自主设计实验、独立实验操作、经过思考分析才能得出结论的实验，如在“超滤浓缩和分离谷光甘酞过氧化酶”的实验中，书中给出了一个标准的分离条件，为了提高学生的参与性和主动性，我们将实验题目改成“浓缩分离谷光甘酞过氧化酶的超滤条件的探索”，这样把验证性实验上升为探索实验，大大发挥了学生的能动性。探索实验把学生引入科学探索的新起点、新境界、新高度，让他们亲历“探索”过程，发现新问题，解决新矛盾，获取新成果，从中体会成功的喜悦与失败的考验，激发并维持旺盛的创新激情，形成创新思维，培养创新能力。

“生化分离工程实验”教学中实践创新能力的培养，不在于一定要学生发现新的生物分离技术，而是根据学生现有的知识、能力基础，教师有意识地利用生化分离工程实验的特性，提出基础性、综合性及探索性问题，学生才有可能用已知的各种分离技术设计待分离物质的分离提纯方案，独立完成实验操作，培养创新意识，提高创新能力[5]。例如，盐析法沉淀蛋白质实验，教师可以提出蛋白质在保健品中的应用原则及盐析的原理等基础性问题，蛋白质的功效发挥机理及其分离方法的种类等综合性问题，以及蛋白质盐析条件等探索性问题。学生根据老师的提示，将能够更深刻地理解蛋白质初级分离纯化的方法，蛋白质高级分离纯化的方法，盐析沉淀在蛋白质高级分离纯化过程中的重要性等知识，进而设计多条脱盐处理工艺路线，并进行工艺优化筛选，从而掌握蛋白质分离技术的精髓。

3 结论

“生化分离工程”是一门理论性、实用性都很强的专业基础课。在本门课的教学过程中，我们根据当前大健康背景下营养与保健品制造业对人才的要求，结合工科院校学生的特点，以培养学生的创新思维、提高学生创新能力为中心，不断改进课程教学和实验教学的内容与方法，激发学生的求知欲望和探索精神，使学生自觉、自愿地去学习更多的新知识，提出更多的新观点，这也要求教师进行更多创造性的科研活动，以便更好地传道授业解惑。