多学科交叉培养在《食品生物技术》课程教学中的应用探讨

史海粟，乌日娜，洛 雪，孙希云，吕春茂，魏宝东

（沈阳农业大学 食品学院，辽宁 沈阳 110866）

食品生物技术理论教学内容以基因工程、发酵工程、酶工程、细胞工程和蛋白质工程技术为主线，围绕基因工程及其在食品工业中的应用、发酵工程及其在食品工业中的应用、细胞工程及其在食品工业中的应用和酶工程及其在食品工业中的应用四大基本模块，系统讲解食品生物技术的基本原理及应用。利用沈阳农业大学食品学科优势，突出食品产业与生物技术产业的紧密结合。在教学内容组织上，突出重点和难点，形成层次分明的立体知识结构，使学生在掌握基本概念、基本理论、基本技术的同时，深入了解生物技术学科发展的前沿，熟悉食品生物技术产业工程应用状况。经过多年教学工作探索，逐步形成比较鲜明的课程特色。

1 食品生物技术与生物学科交叉培养与教育

1.1 微生物学

食品生物技术课程中的食品发酵工程是采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。在食品发酵工程这一篇章的教学过程中，应将微生物课程的知识融会贯通，使学生在回顾先修课程的同时，进一步将所学过的专业知识运用到专业课中。例如：在分批发酵、连续发酵和补料分批发酵过程中，需要运用菌种选育、培养基配制、灭菌、扩大培养与接种、发酵过程与产品分离提纯等方面的知识，学生只有具备一定的微生物学知识，才能掌握食品发酵工程是如何进行的。乳酸发酵也是该章的主要内容，主要讲解乳酸细菌利用糖发酵产生乳酸的过程，这就要求学生必须在先修课程中了解乳酸菌及其相关特征、生活史等。

1.2 分子生物学

食品生物技术课程中的基因工程是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。在本章节的学习中，分子生物学始终贯穿全章，主要从分子水平的角度阐明生命现象的本质，沃森和克里克提出DNA分子的双螺旋结构模型是分子生物学诞生的标志。学生必须通过学习分子生物学的有关知识，才能掌握这一章的内容。例如：基因的体外扩增是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，是在认识基因分子结构、碱基互补配对原则及DNA片段特性的基础上建立起来的，是体外构建表达载体的基本环节。基因工程的核心内容是构建基因的体外表达载体，以改变细胞的遗传特性并获得新产品。而构建载体需要对质粒DNA有着充分的了解，如复制原点、筛选标记、目的基因插入位点、限制性内切酶位点种类和数量等，这些都是分子生物学所需要掌握的基本知识点。对基因转录水平检测、表达产物表达量检测等，均需要分子生物学中的RNA检测、SDS－PAGE及Western blotting等技术来解决。可见，基因工程与分子生物学是密不可分的。

1.3 生物化学

食品生物技术课程中的五大工程均离不开生物化学知识。基因的表达与调控不仅涉及到核酸的基础知识，也需要学生掌握蛋白质是如何表达的，以及在表达后是如何进行修饰的。发酵过程中的基本营养成分主要是碳水化合物、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等，这些主要成分是学习生物化学的基础。微生物在发酵过程中的新陈代谢（如糖代谢、脂类代谢、蛋白质代谢等）是研究发酵产物的种类及含量的必要过程，而这些代谢途径是生物化学学习的重点。酶工程中对改造后的酶学性质研究离不开对酶的基本认识，如酶的专一性、酶活性测定、酶的分离纯化以及酶的作用机制和调节等。细胞工程中对于原生质体的融合技术是通过人为的方法使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程，该技术需要在充分学习生物膜的组成与结构，以及生物膜具备的生物学特性基础上建立起来。蛋白质工程是在蛋白质合成及转运、蛋白质降解及其分解代谢的基础上建立起来的。可见，生物化学中的所有知识点都是学习食品生物技术的前提。只有将两者有机结合，才能充分掌握食品生物技术这门课程。

1.4 细胞生物学

在学习食品生物技术课程中的细胞工程这一章内容时，学生必须事先了解有关细胞的基本常识，这就需要学生掌握细胞生物学这门课程。细胞生物学是在显微、亚显微和分子水平3个层次上研究细胞结构、功能和各种生命规律的一门科学，而细胞工程需要按照人们的设计蓝图进行在细胞水平、细胞器水平和分子水平上遗传操作，以及大规模细胞和组织培养，这就需要对细胞结构和各细胞器结构与功能有着充分的了解。例如：在学习细胞融合技术时，学生不仅要掌握融合的原理、方法、步骤等，还要从细胞结构视角来充分了解细胞是如何发生融合的，进而从根本上理解和掌握细胞融合的基本技术。这不仅对多学科交叉培养学生具有重要意义，而且使学生的知识视野得到开阔，并赋予学生无限的想象空间，充分发挥学生的想象力。

1.5 结构生物学

在讲授蛋白质工程这一章时，常常要接触到蛋白质的三维结构，这就需要学生对物质结构学有一定的认识，即结构生物学。结构生物学主要是用物理手段如X－射线晶体学、核磁共振波谱学、电镜技术等物理学技术，配合生物化学和分子生物学方法，来研究生物大分子功能和结构，从而阐明这些大分子相互作用机制的新学科。而蛋白质工程主要通过对蛋白质化学、蛋白质晶体学和蛋白质动力学进行研究，获得有关蛋白质理化特性和分子特性的信息，在此基础上对其三维结构乃至思维结构进行有目的的设计和改造，这就需要将蛋白质工程和结构生物学交叉融合起来进行教学。例如：研究某一蛋白质的三维结构时，在获得其晶体蛋白质后，需要采用X衍射或电镜技术来测定其三维结构，然后通过计算机处理得到三维立体结构。因此，结构生物学对于学生掌握蛋白质工程的知识具有重要意义。

2 食品生物技术与食品学科交叉培养与教育

2.1 食品酶学

食品生物技术课程的教学与食品酶学课程是密不可分的。食品酶学课程主要使学生了解和掌握酶的作用机理、酶的分离纯化方法及酶在食品行业的应用等，从而使学生学会根据酶的性质进行食品加工与保藏，并对由酶引起的食品腐败变质进行防治。这些知识点是食品生物技术课程中酶工程一章的基础和前提，食品酶学这门课程对于酶工程的学习有着直接意义。酶的作用机理是改造一种酶的理论前提，学生掌握了酶的作用机理，才能根据食品行业需要改造酶的性质。食品中酶的分离纯化是研究一种酶的作用机理、结构以及提纯后的酶用于食品生产的前提条件。食品中的酶种类很多，无论是天然存在的酶还是改造后的酶，应用于食品行业的例子数不胜数，如酶法保鲜技术、蛋白酶用于肉制品生产、果胶酶用于果酒澄清等，以及在食品加工与保藏过程中使用的酶如淀粉酶、糖化酶、溶菌酶等。总之，食品酶学课程的学习是食品生物技术课程的先修课程。

2.2 食品加工技术

食品加工技术属于食品生物技术研究范畴的下游技术。食品加工技术课程主要使学生掌握食品加工技术概念及研究内容、食品工业组成及相关产业、食品中各种成分在加工处理过程中的变化及其对于加工过程和食品感官性质所起的功能作用，在此基础上还包括食品加工工艺技术方法、食品原料及其加工产品在贮藏过程中腐败的影响因素及控制方法、食品热加工过程中应用的主要技术和食品冷冻、冷藏与冷却概念与技术的区别、原理、方法等内容。而食品生物技术是在现代生命科学和微生物、发酵、基因、细胞、蛋白质等学科科研成果基础上，结合现代工程技术手段，用全新的方法生产和开发新型食品和食品原料、改良食品品质、保藏食品、检测食品安全性以及与食品加工制造相关的其他生物技术的一门技术，两者具有承上启下的关系。食品生物技术是食品加工技术的前提和基础条件，食品加工技术是食品生物技术的应用和拓展。同时，食品生物技术是为食品加工等下游技术服务的。现代食品加工技术要不断改进，利用食品生物技术改良食品品质、创造新食品并保证食品的安全性。

2.3 食品发酵工程概论

食品发酵工程概论课程与食品生物技术课程有着密切的联系。食品发酵工程概论课程旨在让学生深入学习和理解发酵工业菌种来源、种子扩大培养、培养基制备、发酵工艺过程控制、工业发酵染菌防治，以及与食品相关的发酵工业等，并使学生掌握应用这些基本理论分析和解决发酵工业生产中的具体问题，使生产过程更符合客观规律，提高发酵产品质量和产率，同时，使学生具有选育优良新菌种，合理控制发酵工艺使生产过程连续化自动化，以及探讨新工艺、新技术、新设备的研究和设计能力。这是学生学习发酵工程一章内容的深化与拓展，是食品生物技术课程的补充和延伸。通过学习，学生可进一步掌握食品发酵工程下游技术，了解发酵工程在食品行业中的应用情况。

2.4 食品分析

食品分析课程主要使学生理解食品中的营养成分、添加剂、有毒有害物质等理化检验方法，了解食品中引起腐败变质的微生物及其毒素和致病性，以及食品新鲜度、掺假食品等检验。食品分析是食品相关工作者获得食品质量或营养信息第一手科学数据的最基本手段，是一门极其重要的专业课程。该课程中的检验方法包括基于分子生物学技术的检验，如PCR、基因芯片、DNA重组技术、DNA测序等。这些技术是基因工程章节的主要内容，在食品分析中的应用不可忽视。PCR可对食品中的病原微生物核酸进行快速检测，也可对植物源、动物源食品进行特异性检验；基因芯片可快速、准确、灵敏地检测食品中的致病微生物，能对畜产品、水产品进行微生物检测，并真实判断畜产品中某种成分的含量；基因重组技术可用于转化法测定由食品传染并能引起痢疾的志贺氏细菌；DNA测序技术能将植物、菌类和动物的基因排序分析到分子层次，用以分析和检测食品中的各种成分是否真实及是否有掺假行为。因此，食品生物技术课程中基因工程的学习内容是食品检验分析的基础技术手段。

2.5 食品原料学

食品原料学是从资源利用角度研究食品原料的生产流通基本知识，以及理化、营养特征、加工利用方法等内容。通过正确理解食品原料知识，可使食品保藏、流通、烹调、加工等操作更加科学合理，达到最大限度地利用食物资源，满足人们对饮食生活的需求。但在农业现代化和集约化生产的今天，随着工业污染物和城市垃圾大量向农业环境转移、农业生产中长期大量不合理使用新型农用化学物质、畜禽排泄物中兽药残留增加等问题的出现，使食品原料生产环境污染逐年加剧。生物修复因其具有治理大面积环境污染的作用，而成为一种新的可靠的环境治理技术，受到环保部门的青睐。其中，利用现代生物技术构建基因工程菌，将可降解多种污染物的降解基因转入微生物细胞中，使其具有广谱降解能力，或增加胞内降解基因的拷贝数来增加降解物数量，可以有效提高其降解污染物的能力。这就需要完备的基因工程知识才能完成。因此，生物技术在生物修复中的广泛应用，使生物修复的处理效率得到提高，进而改善食品原料的生产环境。

3 食品生物技术与前沿学科交叉培养与教育

计算生物学正在成为现代生命科学领域的核心内容，也是最具活力的新兴前沿学科之一。它是生物学的一个分支，主要针对生物学现象，开发应用数据分析、理论方法、数学建模、计算机仿真技术，构建统计和数学模型，并对大量组学数据进行解析，进而提炼出具有生物学意义的规则。其最终目的不仅仅局限于测序，而是运用计算机思维解决生物问题，用计算机语言和数学逻辑构建和描述并模拟出生物世界。

学生在发酵工程一章的学习中，常常发现食品在发酵过程中并非单一微生物对食品的营养组分、风味物质、食用安全性等起作用，而是由多种微生物在某一特定环境中起着协同效应。这种协同效应的调控机制、对食品组分影响变化及每种微生物之间是否存在拮抗等问题尽管比较复杂，但依靠计算生物学可以定量描述很多指标，并反映这些指标的变化规律。

学生在学习蛋白质工程中三维结构预测时，会接触到很多关于蛋白质空间结构的参数。这些参数可以反映蛋白质或酶与底物结合的位点、催化的位点以及形成三维结构的刚性骨架等问题。借助计算生物学中分子动力学模拟与必要量子力学计算相结合的研究方法，可以很快分析这些复杂繁琐的问题，解析影响酶催化活性和底物选择性的分子机理。

学生在拓展学习基因工程这一章时，会接触到引物设计、基因重组、载体构建、蛋白质结构预测、基因及氨基酸多序列比对等生物信息学软件，尤其是近几年人类解析的生物基因组图谱、蛋白质组图谱乃至最近陈扎克伯格基金会宣布的人类细胞图谱，成为绘制生命的基本单元，可为疾病诊断与治疗提供参考。计算生物学在这些领域可以发挥其优势，未来发展前景广阔。

计算生物学对揭示生命科学界复杂问题具有直接意义，为进一步探索生命本质提供基础研究手段，为食品生物技术课程提供拓展空间，让学生更深入地理解食品生物技术课程。

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