《有机酸工艺学》实践教学综合性实验项目的设计与实践.docx

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1、有机酸工艺学实践教学综合性实验项目的设计与实践 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，每个试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，并筛选高产酸实力的试验菌株。对于加深同学们对理论学问的理解、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 1017-773114-175-03 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、与生产实际联系特别紧密的专业课，其主要探讨有机酸发酵的原理、原料、菌

2、种、工艺、技术以及与之相关的各种新工艺、新方法，对于培育学生驾驭利用微生物发酵生产有机酸的科学原理、试验技能、科学探讨及实际动手实力特别重要。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，目前仅有浙江工商高校、仲恺农学院和宁夏高校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，目前仅有宁夏高校对该课程的教学改革进行了探讨。宁夏高校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试验、对本科生开放专业试验室、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。探讨结果表明，此举

3、大大调动了学生参加实践的主动性、主动性和学习爱好，有效激发了学生独立思索、敏捷运用和勇于创新的实力，提高了学生的综合素养和实践技能，有助于将学生培育成应用型、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探讨的报导较少，但是对类似课程进行教学改革已有较多报导。山东师范高校对食品发酵工艺学的教学改革和实践进行了探讨，提出了在理论教学中以发酵产品的共性规律为主线，并在试验教学中开设相应综合大试验的教学模式；并设置了学生主讲日，激励学生参加创新试验来提高本门课程的教学效果2。东北农业高校对果酒加工工艺学的教学方法及教学手段进行了改革，发觉通过改进教学方法、增设综合性试验可显著提高本门课程的教

4、学效果和学生的学习爱好3。 由上述探讨可知，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忱。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试验，对于加深同学们对相关理论和实践学问的理解有重要意义。 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运用的柠檬酸产生菌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

5、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休戚相关8。除了上述因素外，柠檬酸的产率还受到诸多因素的影响，其中培育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0.1500mg/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。 柠檬酸的分别提取方法有多种，包括钙盐沉淀法、溶剂提取法、大

6、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，依据国家标准GB/T8296-2022柠檬酸，柠檬酸可以采纳物理和化学的方法进行定性分析13。 依据上述国内外的最新探讨进展，结合本院试验室的实际状况，本院现有的有机酸工艺学教学实习方案采纳黑曲霉作为柠檬酸产生菌，主要探讨Mn2+浓度对柠檬酸合成、耗糖速率及生物量的影响，采纳钙盐法对柠檬酸进行分析纯化，并依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，试验效果较为明显。该综合项目显著的促进了同学们对发酵工艺原理的理解、培育了同

7、学们发酵行业基本试验技能，尤其是最终的数据处理和探讨环节加深了同学们对生物化学、发酵工艺原理、生物分别工程、微生物学等课程的理解和理论学问的综合运用，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，但仍存在着探讨内容略显单薄、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育有较大的差别，这在肯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分的教学内容，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，能够自然地联想和驾驭1另一个内容，并能自行理解，从而达到预期的教学目的。在教学中采纳多

8、种形式的比较，不仅可以把新旧学问的关系沟通、组织起来，而且能够培育学生的学习爱好，活跃学生的思维，弄清各个现象的本质特性，让学生更好地驾驭学问。 本项目拟将比较教学法应用于有机酸工艺学的教学实习，通过改进试验教学方法和试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、增加同学们综合运用学问的实力具有重要意义。 3 探讨内容 本门课程的教学实践阶段目前采纳的是一个综合试验项目，要求同学们探讨Mn2+浓度对柠檬酸产率、菌体生长、产酸速率及糖酸转化率的影响，涉及到的试验技术包括残糖含量测定、总酸测定、生物量的测

9、定、柠檬酸的结晶分别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，试验结果较为直观。通过此次教学实践，同学们驾驭了残糖测定、生物量测定及结晶分别纯化等基本试验技能，了解了发酵过程监控的基本指标，初步理解了培育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觉了该试验项目的探讨内容较单薄，供应的信息量较少；另外，试验菌株的产酸实力较差，这在肯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。详细的探讨内容如下： 3.1 比较教学法的应用 黑曲霉发酵柠檬酸受培育基

10、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限制是柠檬酸发酵成败的关键。在以往的试验中只探讨了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，要求同学们分成几组，每个组探讨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纳试验室里的2L自动发酵罐进行试验，并与摇瓶发酵进行比较，使同学们

11、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 本试验室目前采纳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，如此低的产率酸严峻影响了发酵过程中产物的检测及试验效果的视察，很多指标，包括pH值、总酸含量及柠檬酸结晶等的改变不够明显。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，以使试验效果更加明显。 4 探讨意义 有机酸发酵工艺

12、学是生物工程专业中的一门实践性极强、与生产实际联系特别紧密的重要的专业课程，对培育学生驾驭利用微生物发酵生产有机酸的科学原理、试验技能、科学探讨及实际动手实力特别重要。 本项目顺当实施后，本门课程的综合试验项目设计更加合理，不同处理组之间差异更加显著，试验效果更加明显、直观，可更好的吸引学生的学习爱好和进一步加深同学们对相关专业学问的理解，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、培育学生的科研实力具有特别显著的促进作用。 参考文献 1方海田，张惠玲.实践性教学在生物工程专业课程教学改革中的应用以有机酸发酵工艺学课程为例J.内蒙古教化，2022，12：44-45. 2赵蕾.食品发

13、酵工艺学课程的教学改革与实践J.微生物学通报，2022，36：1429-1431. 3张秀玲，王鹏，李良.果酒加工工艺学课程教学方法及教学手段的改革探讨J.东北农业高校学报，2022，6：45-46. 4Kuforiji O，Kuboye AO，Odunfa SA.Orange and pineapple wastes as potential substrates for citric acid production.International Journal of Plant Biology，2022，1：5-10. 5Papagianni M.Advances in citric aci

14、d fermentation by Aspergillus niger：Biochemical aspects，membrane transport and modelingJ.Biotechnology Advances，2022，25：244-263. 6Crolla A，Kennedy KJ.Fed-batch production of citric acid by Candida lipolytica grown on n-paraffinsJ.Journal of Biotech nology，2004，110：73-84. 7Singh Dhillon G，Kaur Brar S

15、，Verma M，et al.Recent advances in citric acid bio-production and recoveryJ.Food and Bioprocess Technology，2022，4：505-529. 8Sinha J，Tae Bae J，Pil Park J，et al.Effect of substrate concentration on broth rheology and fungal morphology during exo-biopolymer production by Paecilomyces japonica in a batch

16、 bioreactorJ.Enzyme and Microbial Technology，2001，29：392-3101. 9Haq IU，Ali S，Qadeer MA，et al. Effect of copper ions on mould morphology and citric acid productivity by Aspergillus niger using molasses based mediaJ.Process Biochemistry，2002，37：1085-1090. 10Krishna C.Solid-State Fermentation SystemsAn

17、 OverviewJ.Critical Reviews in Biotechnology，2022，25：1-30. 11Rane K D，Sims KA.Oxygen uptake and citric acid production by Candida lipolytica Y 1095J.Biotechnology and Bioengineering，11014，43：131-137. 12Yadav JS.SSF of wheat straw with alcaliphilic CoprinusJ.Biotechnology and Bioengineering，11018，31：414-417. 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/T8296-2022柠檬酸. 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页