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,