农业院校《生物反应工程》课程教学改革与实践_屈春云.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023农业院校 生物反应工程 课程教学改革与实践屈春云,刘功良,邓开野,赵 翾,李南薇(仲恺农业工程学院 轻工食品学院,广东 广州 510225)摘 要:针对 生物反应工程 课程涉及的理论知识体系广,教学难度较大且在实际教学过程中,学生普遍反映这门课较难掌握,学习兴趣不高等诸多问题,提出在教学过程中注重固本强基、产教融合及课程思政,以激发学生的学习兴趣,帮助学生建立工程思维,应用课堂知识解决实际生产中的问题。经初步探究,目前已取得一定教学效果,现就此讨论以期能为相关课程的教学改革提供参考。关键词:生物反应工程;固本强基;产教融合;课程思政中图分类号:G421 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)02-0240-04 基金项目:仲恺农业工程学院 2022 年校级质量工程项目“新农科背景下 生物反应工程 课程教学改革与实践”(仲教字202248 号);仲恺农业工程学院 2022 年校级课程思政专项教学改革研究培育建设项目“生物反应工程 课程思政教学改革”(仲教字202255 号);仲恺农业工程学院 2020 年度校级质量工程项目“发酵食品课程群教学团队”(仲教字202104 号);广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目“食品生物化学 教学团队”(粤教高函202019 号)。第一作者:屈春云(1990-),女,博士,特聘副教授,研究方向为食品生物技术。通讯作者:刘功良(1980-),男,博士,教授,研究方向为食品发酵与酿造。Teaching Reform and Practice on Biochemical Reaction EngineeringCourse in Agricultural UniversitiesQU Chun-yun,LIU Gong-liang,DENG Kai-ye,ZHAO Xuan,LI Nan-wei(College of Light Industry and Food Science,Zhongkai University of Agriculture and Engineering,Guangdong Guangzhou 510225,China)Abstract:In view of the wide theoretical knowledge system involved in Biochemical Reaction Engineering course,its not only difficult to be taught in class by teachers,but also hard to be mastered by students for lacking of interests inthe actual teaching process.Be faced with these problems,integration of industry and education,consolidating thefoundation and course ideology and politics was proposed to stimulate students interest in learning and help studentsestablish engineering thoughts with the ability to solve problems in actual production with knowledge learned in classroom.After preliminary exploration,some teaching effects were achieved so far.This discussion here was hoped to provide areference for the teaching reform of related courses.Key words:Biochemical Reaction Engineering;consolidate the foundation;integration of industry and education;course ideology and politics生物反应工程 是生物工程专业的核心课程,在专业课程设置中处于桥梁和纽带地位1。该课程将化学反应工程原理与生物反应工艺过程有机结合,是解决生物反应过程的设计和操作相关的工程技术问题的一门学科2。该课程内容主要包括酶促反应动力学、微生物反应动力学、微生物反应器操作、生物反应器中的传质、生物反应器及生物反应工程进展等章节3,涉及的理论知识体系广,要求学生在一个学期内完成课程学习,并兼顾学生的应用性和工程素质的培养,教学难度较大。仲恺农业工程学院生物工程专业开设于 2003 年,隶属轻工食品学院,在教学、科研及学科建设上皆侧重食品发酵与酿造、食品生物工程。本专业与海天调味食品、美味鲜、九江酒厂、顺昌源、十二岭、宝生园、广味源等多家知名食品企业长期开展产学研合作,注重学科交叉与融合以培养学生的“工程意识”、创新思维和工程实践能力。本专业的本科生毕业论文选题 70%以上源于科研项目或实际生产需求,使毕业生具有较强的择业竞争力及就业适应力。生物反应工程 课程的实践性和应用性皆很强,在产学研教学模块发挥重要作用4。在实际教学过程中,学生普遍反映这门课较难掌握,学习兴趣不高。因此,本文基于生物工程专业特点及人才培养目标,就农业院校生物工程专业学生工科意识较薄弱、基础较差及缺乏主动思考的特点,探讨如何激发学生的学习兴趣,帮助学生建立工程思维,拓展学生的思维空间,应用课堂知识,解决实际生产问题。为此,在教学过程中主要注重三方面的内容,即固本强基、产教融合及课程思政。第 51 卷第 2 期屈春云,等:农业院校 生物反应工程 课程教学改革与实践241 1 注重固本强基在固本强基方面,将每一章节的基础知识点与实验设计相结合,不仅能巩固知识,还能学以致用。针对酶反应动力学章节,酶促反应动力学是基于相应的化学反应动力学建立的动力学。在本章的学习过程中,先让同学们回忆高中的化学反应级数概念,然后以葡萄糖在酶催化作用下生成葡萄糖酸的连锁反应式(1)为例:G葡萄糖k1L葡萄糖内酯k2P葡萄糖酸(1)根据化学反应级数概念分别写出葡萄糖生成葡萄糖内脂的动力学方程式-dGdt=k1G 及由葡萄糖内脂生成葡萄糖酸的动力学方程式dLdt=k1G-k2L。当学生理解酶促反应动力学方程与化学反应动力学方程之间的关系后,根据酶 底物中间复合物假说,建立单底物酶促反应,根据酶促反应式(2)及稳态法假说,推导米氏方程。E+Sk1k-1=ESk2E+P(2)稳态法假说的核心要点是底物量远多于酶量,在酶催化反应过程中,中间复合物 ES 一经分解,产生的游离酶立即与底物结合,使得底物中间复合物 ES 浓度保持恒定。因此类比(1)式写出复合物 ES 随时间变化的反应动力学方程:dESdt=k1ES-k-1ES-k2ES且dESdt=0;同时由酶量守恒写出方程:E0=E+ES;再由底物 S 的消化速率-rs或产物P 的生成速率 rP表示酶的反应速率即:-rs=rP=k2ES。当反应速率 rP最大时,rP=Vmax=k2E0,联立上式可得:-rs=rP=VmaxSk-1+k2k1+S,令 Km=k-1+k2k1,则有-rs=rP=VmaxSKm+S,至此推导出米氏方程。接着对米氏方程-dSdt=VmaxSKm+S进行积分变形或-rs=VmaxSKm+S进行双倒数变形,将可以通过实验测定的变量化成 X 和 Y,将酶的最大反应速率 Vmax及米氏常数 Km化成斜率或截距,变形成 Y=aX+b,通过实验设计并结合作图法,即可求解 Vmax和 Km。随后让学生分组分别通过积分变形或双倒数变形设计葡萄糖激酶活性测定实验方案,并根据米氏方程的变形公式求解葡萄糖激酶的最大反应速率 Vmax及米氏常数Km。在此基础上,接着探讨酶的活性抑制类型,并结合米氏方程(r=VmaxSKm+S)推导,建立三种可逆抑制的方程式,特别是针对可逆抑制中的竞争性抑制(r=VmaxSKm(1+IKi)+S)、非竞争性抑制(r=VmaxS(1+IKi)(Km+S)或 反 竞 争 性 抑 制(r=Vmax(1+IKi)SKm(1+IKi)+S)。外源添加葡萄糖结构类似物 2-脱氧葡萄糖,设计实验探讨 2-脱氧葡萄糖对葡萄糖激酶的 Vmax及米氏常数Km的影响,从而判断 2-脱氧葡萄糖对葡萄糖激酶抑制的抑制类型。再如生物反应器中传质这一章节,引入案例:果醋发酵。在果醋发酵过程中,醋酸菌是革兰氏阴性好氧菌,以乙醇为碳源进行乙酸发酵,其中氧的传递对果醋发酵意义重大。引出次案例中的溶氧问题,由双模理论讲解氧的传递过程,接着引出氧传质速率 Na=KLa(C-C)计算公式及体积传质系数 kLa 的 4种测定方法,包括亚硫酸盐法、稳态发、动态法及葡萄糖氧化法,并讨论实验过程中 kLa 的影响因素(包括操作条件、发酵液的理化性质及反应器的构造等)及提高实验过程中 kLa 的方法。醋酸菌以乙醇为底物转化生成乙酸,随着培养的进行,发酵液组分及理化性质发生改变,此时体积溶氧系数 kLa 也发生变化。先让同学们查阅文献,初步判断发酵过程中 kLa 的变化趋势,随后根据 kLa 的测定方法设计实验验证醋酸菌发酵过程中体积溶氧系数 kLa 的变化,然后比较文献查阅结果及实验测定结果,并进行分析讨论。此案例使同学们通过实验设计,将课堂中讲述的 4 种 kLa 测定方法及 kLa 的影响因素进行关联,让学生了解果醋生产过程中的专用菌株及氧传质在生产过程中的重要性,同时能利用所学知识解决实际生产过程中遇到的问题。通过以上案例学习,同学们不仅回顾章节中重要的知识点而且在应用过程中进一步强化知识点的记忆。2 注重产教融合在产教融合方面,将发酵食品生产案例与 生物反应工程 的知识点相融合,使 生物反应工程 中的课程内容贯穿其中,实现所学皆为所用,激发学生的学习兴趣,使学生领会课堂理论知识的重要性及学习的快乐。如酶促反应动力学这一章,引出案例:啤酒发酵。在工业生产过程中,酿酒酵母以麦芽汁为底物发酵生产乙醇。麦芽汁的制备过程涉及底物的糊化、液化及糖化,最终转化成酿酒酵母可发酵性的糖。引出此案例中所涉及的麦芽里的水解酶、外源添加的糖化酶以及酵母菌胞内催化底物转化为乙醇等相关的酶系,并针对性讲解酵母菌以葡萄糖为底物进行代谢的过程,帮助同学回忆糖酵解途径(EMP)及参与 EMP 途径的关键酶(葡萄糖激酶、1,6-二磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶),并针对葡萄糖激酶的催化特性、稳定性及活性测定进行探讨,内容涉及酶的基本知识、酶的催化特点、稳定性、米氏方程推导及变形。接着针对酶稳定性方面,进一步探讨固定化酶及固定化技术,并将固定化酶延伸至固定化细胞。固定化技术不仅能提高酶与细胞的稳定性还能利于回收酶与细胞,实现反复多次利用,节约成本。同时针对固定化酶和细胞的应用进行举例,如高果糖浆作为天然甜味剂广泛应用于食品和饮料中,采用共价结合法将葡萄糖异构酶固定在MgO/Al3O3载体上或采用吸附法将葡萄糖异构酶吸附在颗粒状的 DEAE-纤维素-聚苯乙烯-氧化钛树脂上又或采用聚乙烯亚胺和戊二醛对产葡萄糖异构酶菌体直接进行交联,催化葡萄糖生产高果糖浆;再如牛乳是一种重要的食品原料,然而其中乳糖含量约占牛乳干物质的38%,对于亚洲人约有97%的成年人存在乳糖不耐受现象,导致胀气或腹泻。利用游离的乳糖酶去除牛乳中的乳糖,不仅会向牛奶中引入外源蛋白而且游离酶的用量增加显著提升牛奶的成本。此时采用酶固定化技术,不仅242 广 州 化 工2023 年 1 月能实现乳糖酶的回收再利用而且也能实现酶促反应的连续性操纵,大大缩短生产周期,降低生产成本。当固定化酶进行实际生产应用时,其催化能力受到物质传递和酶促反应两方面的影响。底物传质速率表示为:Ns=KLa(S-Ss),酶促反应速率表示为:rs=VmaxSsKm+Ss。在同一坐标图纸中,以底物浓度为横坐标,绘制底物传质速率及酶促反应速率分别随底物浓度变化的曲线,通过作图法判别固定化酶的反应过程是酶促反应限制、底物扩散限制还是双向限制,并针对不同限制,讨论如何提高固定化酶的反应效率,包括增加反应体系的混合程度、降低固定化酶粒径以增加比表面积、加大酶量等等。又如微生物反应动力学这一章,引出案例:仍是啤酒发酵。啤酒发酵过程分好氧发酵和厌氧发酵两阶段进行。在好氧发酵阶段,酵母菌将葡萄糖完全氧化生产 CO2并大量合成菌体;当菌体生长至对数生长中后期,停止供氧,此时酵母菌进行厌氧发酵阶段,通过葡萄糖的不完全氧化大量合成乙醇和少量的菌体。同时引出与此案例相关的知识点,如微生物的生长、基质的消耗和产物的生成等,包括微生物生长需要的环境因素(碳源、氮源、水、无机盐、生长因子、温度、pH、溶氧量等)、微生物生长的时期(延滞期、对数期、减数期、平稳期及衰亡期)及每个时期的生长特点、微生物生长与代谢产物生成之间的模型(相关、部分相关及非相关模型)、微生物底物的利用能力及产物的得率等等。接着根据碳守恒,探讨微生物生长过程中的物料衡算、能量衡算及得率系数,并对微生物生长动力学(生长速率和比生长速率)进行详细讲解,同时让学生举一反三,根据微生物生长动力学定义去描述基质消耗动力学(基质的消耗速率和比消耗速率)及产物生成动力学(产物的生成速率及比生成速率),并根据绘制的酵母菌生长曲线及产物生成曲线,判断产物生成与菌体生长之间的关系是属于相关、部分相关还是非相关模型,并根据模型讨论如何提高目标产物的生成效率。最后描述微生物的非结构模型,引出 Monod 方程(=maxSKs+S),同时类比米氏方程(r=VmaxSKm+S)的变形进行应用。如在酵母菌生长过程中,采集一系列底物浓度 S 和比生长速率 相对应的数值,将 Monod 方程=maxSKs+S进行双倒数变形成S=Ksmax+1maxS,然后将已知数据转化成S与 S 的关系,并在坐标纸上以 S 为横坐标,S为纵坐标,绘制S与 S 对应的点,随后进行线性拟合得到线性方程,方程的斜率数值即为1max,方程的纵截距数值为Ksmax,即可求解酵母菌生长的最大比生长数率 max和 Monod 饱和常数 Ks。在此基础上,可通过微生物比生长速率概念列出关系式=dXXdt,当酵母菌处于对数生长时期时,=dXXdt=max,通过变形积分可得 lnxtx0=maxt,当xtx0=2 时,即可求解倍增时间 td=ln2max。通过酶促反应动力学及微生物反应动力学的学习,同学们不仅对啤酒发酵过程有一定认识,同时也对酶及微生物的特点及功能特性更加了解。通过产教融合,将工业生产知识、生产面临的问题及解决方案与课程内容有机结合,激发学生学习兴趣和帮助学生建立工程思维,拓展学生的思维空间,应用课堂知识,解决实际生产问题,促进科研与教学互动。3 注重课程思政在课程思政方面,对于青年教师而言,需要认真仔细上好每一堂课,寓育人于教学全过程5。因此,在完成专业知识讲授的同时,挖掘 生物反应工程 中相关的爱国情怀、社会责任、人文精神等要素,融入教学中,从立志、发奋、成才等方面对学生进行启发式教育,培养学生的团队合作的能力及严谨的求实的科学态度。如在酶促反应动力学这一章,针对酶的可逆抑制,给大家讲述有关糖尿病,特别是二型糖尿病的发生及治疗。强调良好生活习惯的重要性,包括讲卫生、多锻炼、不熬夜、不暴饮暴食等,以防止疾病的发生。同时讲述目前口服降血糖药物中葡萄糖苷酶抑制剂的作用原理,就应用本章的重要知识点。葡萄糖苷酶抑制剂可以对肠道内的葡萄糖苷酶产生竞争性抑制作用,从而降低葡萄糖的生成,进而降低饭后的血糖,可以较好地治疗型糖尿病。针对次案例,鼓励学生勤于思考,可利用该部分知识开发药物,治疗疾病,应用所学造福人类。又如在微生物反应动力学这一章,强调微生物和人类的生活息息相关,知己知彼方能百战不殆。当更加了解微生物包括有益微生物或有害微生物时,可以根据它们的喜好及特点,培养它们为我们所用或消灭它们以保证食品和生产的安全。同时将酵母菌的生长及产物生成与人的成长和收获相类比,告诉学生现在他们的体力、记忆力及脑力等皆处于黄金时期,也是学习和成长的最佳时期,目前要以学习为重,用知识武装自己,蓄积力量,为下一阶段的成长做好准备。再如微生物反应器操作这一章,讲述我国正面临能源危机、粮食危机及环境污染等问题,需要大力开发可再生能源的生产。作为绿色能源的生物乙醇、氢气等,其应用非常具有前景,掌握好这一章的内容,我们可以根据不同的微生物发酵特点,选择合适的反应器操作,利用食品废弃物生产绿色能源,大大缩短发酵周期,实现底物的高效利用及目标产物产率的最大化。最后针对生物反应工程进展这一章,引入合成生物学概念,告诉学生现在生物工程技术发展迅速,特别是高通量测序及 CRISPR 技术的发展,人们已经可以按照自己的意愿,像设计电路一般设计微生物的代谢通路。生物技术的发展日新月异,生物工程专业的学生,不仅要学习课堂上的知识,更要学习课外知识,肩负历史使命,奋发图强立大志。经仲恺农业工程学院发酵食品课程群教学团队的多年探索,本课程将案例分析融入课堂重要知识点,再结合课堂实验设计使同学们在掌握知识点的同时学会应用,与此同时引入课堂思政元素,不仅传授知识,而且传道受业,坚持立德树人,实现“三全育人”。课堂内外的相关训练,能培养学生求真务实、注重实践的科研和工程思维能力,为学生今后的发展和成才创造条件,为培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人奠定基础。教学成果也初见成效,希望本论文能为相关课程的教学改革提供一定参考。(下转第 261 页)第 51 卷第 2 期姚继平,等:专业建设背景下应用型化学化工类创新性成果导向人才培养模式探究261 竞赛等活动,毕竟这部分涵盖的人数有限,不能实现对专业整体创新能力的提高。为了整体提升学生的创新意识,我们通过学业导师的形式来对一般学生进行创新教育。一般来讲,从大学一年级下学期开始,就初步要求学生根据自己的兴趣参与教师科研团队,而该教师就成为这部分学生的学业导师,关注着这部分学生的创新创业工作的培养。学业导师根据学生的兴趣和发展前景的探究,可以给出不同学生不一样的研究课题,而后续的学生可能参与考研、创业等,最后以发表研究论文、提交工艺参数、创新比赛获奖等不同的形式来完成创新学分,并提升创新意识的培养。2.5 不同专业之间的交叉融合对创新创业有非常重要的作用在新工科的建设背景下,学科交叉融合和创新创业教育进行有效衔接,共同服务于国家发展战略需求,这既是新工科建设对创新创业人才培养的新要求,也是值得研究的重要命题6。化学化工是以实验为基础的科学,注重细节的把握,然而与文科类专业相比,文科生看待问题的角度有所不同,文理工专业的差别在于知识的区别和思维的区别,不同的思维有不同的人生,考虑问题的角度都是有差距的。以化学化工专业为例,在参与大学生化工设计大赛、互联网+等类型的比赛中,从选题上都看出,有许多谐音的项目,这也说明化学化工类专业必须要与其他类专业相融合,进而可以产生出一些亮点跌出的创新性项目。另外,在化学合成中,采用不同的分子结构可以构建出不同结构类型的新型分子,使之具有独特的性能,如采用杯芳烃制备的分子光刻胶、具有量子点图案化的光刻胶系列,这些新型的分子结构不仅形貌新颖,而且具有独特的性质,所以化学化工类专业的学生创新思维的培养还需要交叉融合文科类专业的看待问题的角度,还需要融合具有艺术气质的审美能力,只有这样才能培养出双创意识明显的新型人才。3 结 语将创新创业教育有机地融合在一流专业建设之中,可以从总体上把握专业建设过程中的创新思维的合理融入,把创新的能力培养与专业特色相结合,使学生在大学学习的过程中很自然地融入对新知识的获取、企业必需能力的培育、创新点的发掘和深入;通过学业导师与学生兴趣的结合,实现不同学生的分层次发展和个性化教育,从而使创新教育融入日常学习生活中;通过专业建设和管理制度的合理设置,加强学科交叉的融合程度,提升了教师的创新意识培养能力,并保证了学生的创新能力的提高。总之,通过不断的制度完善,使创新性教育有机融合于专业建设之中,将更有利于专业的发展和深化。参考文献1 李伟静.协同育人视角下应用型本科高校创新创业人才培养体系构建J.人才资源开发,2021(16):56-58.2 马乐元.创新创业教育与专业教育融合的人才培养模式研究J.黑龙江教师发展学院学报,2021,40(8):10-13.3 巨晓洁,夏有强,李德富,等.新工科背景下基于 OBE 理念的化工复合型人才培养体系的构建与实践J.化工高等教育,2021,38(4):27-31.4 李振,孙晴.基于 OBE 教育理念的制药工程专业创新创业型人才培养体系的构建与实践J.广东化工,2021,48(18):238,261.5 赵丹,王毅,谭琳,等.高校创新创业教育与化学化工专业教育融合的实践研究J.广东化工,2021,48(16):285-286.6 柳芳,张宗海,张鹏.跨界融合培养大学生创新创业素质的思考与实践J.教育教学论坛,2021,15(4):100-104.(上接第 242 页)参考文献1 朱本伟,倪芳,熊强,等.新工科背景下生物反应工程课程的多元化教学模式改革与探索J.生物工程学报,2021,37(7):2571-2580.2 韩培培,贾士儒,乔长晟.浅谈如何上好生物反应工程课J.广州化工,2012,40(3):148-154.3 贾士儒.生物反应工程原理(第四版)M.北京:科学出版社,2015.4 王春,刘杰凤,周天.生物工程专业生物反应工程教学探究与实践J.南方论刊,2011(8):105-106.5 郑辉杰,张洪起.生物反应工程教学改革研究与实践J.河北工业大学成人教育学院学报,2008,23(3):40-42.