适合白酒酿造工程专业的微生物学课程体系建设探索

赵亮 邹长亮 王新叶 罗贞标 江璐 吴福勇 李宏河 甘广东

摘  要：微生物学相关知识体系是白酒酿造工程专业人才应掌握的核心理论体系，同时也是提出、分析并解决生产实际问题的先决条件。目前现有的微生物学课程体系及教学内容无法适应本专业人才的培养目标和要求，需要对此做适当改革和重建。该文基于白酒企业在生产工艺和工程问题方面的解决与创新，合理定位与此衔接的理论背景，确定相关理论所在的课程及内容，进而构建出以微生物学为核心，3门强化基础课程和3门拔高创新课程为辅助的微生物相关课程体系，并通过与此相适应的教学方法和手段达到培养本专业人才的目的。在国内全面开展工科课程体系改革背景下，期望文中的课程体系及构建思路对国内其他开设酿酒类专业高校有所参考。

关键词：课程模块；辅助课程；理论背景；白酒酿造工程；微生物学课程

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）09-0076-05

Abstract： The microbiology related knowledge is a core theoretical system which should be grasped by the talent expert in Chinese baijiu brewing engineer， and also is an essential prerequisite for them to raise， analyze， and resolve the practical problems of production. However， the content of courses available could not be appropriated for the talent cultivation. Therefore， innovation and rebuilding to the current curriculum system should be performed. In this paper， we first extracted the theorical points potentially explaining the engineering problems， and then content of courses covering the points were selected. Finally， the new curriculum system was rebuilt from the selected courses and the available teaching methods and means. The new curriculum system was consisted of two parts， one was Microbiology as the core course， the other was co-curriculum covering six courses that aims to enhance foundation and promote innovation of the students. Under the background that innovating engineering curriculum system has been full carried out in domestic universities， it is expected that the exploration of Microbiology curriculum system and the course content reform of the Chinese baijiu brewing engineering major in the paper will have reference value for the construction of related majors in domestic universities.

Keywords： curriculum module; co-curriculum; theoretical background; Chinese baijiu brewing engineer; Microbiology course

中国酒业协会发布的《中国酒业“十四五”发展指导意见》指出，到2025年，白酒行业计划产量800万千升，比“十三五”末增长8.0%，年均递增1.6%；销售收入达到9 500亿元，同比增长62.8%，年均递增10.2%；实现利润2 700亿元，同比增长70.3%，年均递增11.2%[1]。白酒产业增长方式的改变，需要酿造类专业人才的有力支撑。

中国贵州茅台酒厂（集团）有限责任公司为助力酿酒产业人才培养的发展，于2012年筹建茅台学院，并于2017年由教育部批准招收第一批酿酒工程专业本科生，是我国第一所围绕酿酒产业链培养应用型人才的非营利性全日制普通本科高校。酿酒工程专业是一个新兴的专业（2011年四川理工学院首设）[2]，在近10年才初步建立起一套较为完善的酿酒工程专业培养体系[3-4]。其中，白酒酿造方向人才培养归属于酿酒工程专业，而白酒酿造与酿酒工程专业建设又存在本质差异。如固态制曲和固态发酵、多菌种群体微生物发酵，以及独立解决企业的生产技术问题属于白酒酿造工程专业重点培养方向。基于此，茅台学院酿酒工程系于2019年针对白酒酿造工程专业应用型人才培养初步建成一套核心课程体系及培养方式，并初显成效。但是，在一些專业基础课的设计和构架上仍需要完善。

微生物是高校生命科学以及医、药、农、林、食品等专业需要掌握的一种基础学科，是现代高新生物技术重要的理论和技术基础，实际应用性强，且对后续课程有重要的作用[5]。微生物是白酒酿造领域的骨架，它为菌种资源的利用、发酵技术的掌握，以及生产问题的发现与解决提供知识背景和理论保障。目前，开设酿酒工程专业的各类院校，相继建设有一套符合本专业培养需求的微生物相关课程体系及教学改革措施，并在人才培养上具有一定成效[4，6-9]。但是，白酒酿造工程专业的培养目标只服务于白酒酿造行业，在微生物相关课程的设置和教学内容上需有别于酿酒工程专业。此外，白酒酿造的自然、开放性发酵特点，在微生物菌群及其环境方面要比其他各类酒的发酵生产复杂得多，以至在微生物教学内容和培养方式上，白酒酿造工程专业要比酿酒工程专业的覆盖面更加集中、知识要求更加深入。因此，需要建设一套针对白酒酿造工程专业的微生物课程体系及教学模式，为培养高质量的白酒酿造工程专业人才夯实基础。

一  微生物相关课程体系设计

（一）  课程体系构建

基于目前白酒企业在生产工艺和工程问题方面的解决与创新，我们首先找到与此类问题相对应的理论背景，再基于这些理论背景，从现有课程中抽取7门课用于构建微生物相关课程体系。在选出的7门课当中，再以精准定位、贴合实际、强化基础、拔高创新为目标导向，设计符合专业培养需求的教学内容来规划章节。构建出的课程体系如图1所示，体系内分两大课程模块，微生物生态学、生物化学、微生物学实验为强化基础模块，主要为学生打造扎实的工程理论基础，使学生从宏观的微生态过程，到具体的微生物代谢机理，再到探究功能微生物的实验操作，全方位掌握白酒生产过程与微生物相关的理论知识和实操技能，进而使学生具备分析生产问题的能力，且能提出解决方案。酶工程、基因工程、发酵工程原理为拔高创新模块，学生在具备分析解决生产问题的基础上，使之兼具基础理论探索、工艺改良、产物提取深加工的思维能力。两个模块的课程均以微生物学为核心，在微生物学各教学章的基础上，向外扩展，建立各模块课程的教学章节。因微生物学是其他各类课程的设计基础，同时微生物学目前还没有符合白酒酿造工程专业的针对性教材，故需要在现有教材《微生物学教程（第4版）》（周德庆主编）的基础上对大纲做适当修改。即（如图1、表1）：包括绪论共分9个章节，绪论章节只针对微生物的定义和五大共性做讲解，1个学时授完。第一章和第二章为微生物形态结构和功能部分，各分配6个学时，重点讲解白酒酿造中细菌、霉菌和酵母菌三類微生物形态构造，特别是芽孢杆菌、乳酸菌、醋酸菌、放线菌、酿酒酵母、毕赤酵母、裂殖酵母、曲霉、根霉、木霉和青霉等常见菌种作重点讲解。第三章病毒只讲解噬菌体的形态特征和繁殖方式，使学生了解噬菌体感染对酿酒产生的影响，3个学时授完。第四章主要讲解微生物的营养需求和培养基配置，旨在让学生掌握微生物的营养结构，懂得通过合理科学的培养基配置，了解发酵体系中目标菌种的生长状况，并从中获得目标菌种，分配6个学时。第五章重点讲解微生物能量代谢，使学生分清楚发酵、有氧呼吸和无氧呼吸的区别，掌握有氧呼吸和发酵的详细机理及路线，为学生从产物积累角度诊断生产问题奠定基础。此章难度相对较大，内容繁杂，需分配8个学时。第六章讲授微生物生长规律、影响微生物生长的因素，以及消毒和灭菌的原理及手段。通过本章6个学时的学习，学生可对发酵过程中微生物的生长趋势有一个整体把控，并能从影响微生物生长的各因素中初步判断评价发酵正常与否的理化指标。此外，懂得微生物操作时必要的杂菌避免手段。第七章分配6个学时，重点讲解教材中第2、3、5节内容，使学生掌握微生物遗传变异的途径和方式，并学会功能菌种的保藏和防衰退。在分析生产实际问题时，可从微生物菌株遗传变异角度切入思考；此外，若从发酵体系中获得功能性菌株，可对其保藏利用或改良升级。总之，本章的学习可为学生从酿酒菌种的种质方面提供思路和依据。第八章重点讲解菌种的命名和分类鉴定。此章内容为所有微生物领域必须掌握的共性理论，它是微生物分析和研究的基础知识，需要分配6个学时用于讲授。基于上述微生物学教学章的合理分配，其他两个模块课程均以微生物学各章节内容为出发设计教学章，旨在对微生物学各章节内容做延展、深化，以达到强化学生理论基础，拔高学生思维水平，引导学生创新意识的目的。

1  强化基础，增强分析解决生产实际问题能力

强化基础课程模块安排2门理论课，1门实验课，各32个学时，安排在第3学期（大二上半学期）开展教学。微生物生态学主要让学生了解和白酒酿造有关的各类环境中的微生物类型和分布，微生物学研究目前使用的主流和前沿技术手段及原理；同时，针对白酒酿造，讲解各个酿造过程微生物群落变化特征以及它们与酒醅内源环境间的联系。此外，白酒发酵环境可视为一个小型极端环境，各类极端环境下的微生物类型及生命适应机理在涵盖在教学内容当中。生物化学主要包括糖、蛋白质化学和其代谢过程，使学生认识白酒发酵中酸、醇、酯以及其他各类风味物质产生的基本原理。此外，酶化学为酶及其催化功能的基本原理，一方面为酶工程的学习打开突破口，另一方面使学生初步掌握发酵体系中酶功能及其作用原理。维生素、水和矿物质平衡的内容重点讲解这三大类营养要素对微生物的重要性，可与微生物学第四章和发酵工程原理第二章内容构建关联。第五章和第八章内容分别讲解微生物能量代谢过程机理和如何基于微生物代谢机理对发酵体系进行控制，这两章为糖和蛋白质化学及其代谢知识的综合贯穿，从专业针对性考虑，为本门课核心章节，需要结合特定案例做重点讲解。此外，与微生物学第五章内容相互巩固，也为发酵工程原理第五章内容奠定学习基础。微生物学实验的课程安排，根据生产一线技术分析的常规思路和流程，设计综合性实验，并将整个实验内容分配到7次实验课中，即图1中第一至七的实验科目，每个科目4个学时。实验基本思路是从生产用料（酒醅或大曲）中分离、纯化功能菌，包括酵母菌、霉菌和芽孢杆菌，并基于菌落、细胞形态对其进行初步鉴定，然后通过分子鉴定手段（16S rDNA和ITS）确定所获菌株的分类情况，并基于固定化技术验证其解淀粉（芽孢杆菌和霉菌）和酒精发酵（酵母菌）能力。整套实验完成后，学生一方面可掌握如灭菌、消毒、平板菌落计数、分离纯化、保藏、镜检、染色和分类鉴定等基本微生物学操作技能；另一方面了解并熟悉生产技术分析的基本操作环节和实验流程。综上所述，以微生物学为核心，结合上述3门课程的辅助强化，可为学生对专业内微生物学相关知识的掌握打下坚实的理论基础。

2  拔高创新，培养学生对生产的创新和升级改造能力

拔高创新课程模块共设计3门理论课，酶工程和基因工程各32个学时，发酵工程原理48个学时，安排在第4学期（大二下半学期）开展教学。基于微生物学的章节导向，以及基础模块课程相关章节的入门强化，设置本课程模块的教学章节。酶工程包括绪论共7章内容，第一章分配6个学时，重点使学生了解生产中各类关键酶的微生物类型，以及这些酶是如何在细胞内被调控合成的，引导学生可利用某些途径，如固定化微生物细胞发酵的方法大量获取酿酒中的关键酶系。第二章至第四章共分配14个学时，讲解酶的提取、分离纯化，修饰及固定化技术，引导学生如何基于这些技术，对生产中的重要酶进行大量获取及升级改造，并加以利用。第五章针对固态发酵特点，讲解酶在非水环境中的催化特性，使学生厘清固态发酵中酶催化相对于液态发酵中的差别。第六章利用3个学时，使学生了解酶在食品和轻化工领域的应用，引导学生可以对酒糟中的各类酶进行提取深加工，并合理地应用到食品和轻化工等其他领域当中。发酵工程原理目前现有的参考教材主要针对液态发酵体系构建章节知识点，并没有针对白酒酿造这类开放式固态发酵体系的成熟教材，因此，需从现有教材中抽取部分原理和机制与白酒酿造共通的章节作为本门课的教学内容。本门课设定48个学时，包括绪论共6个教学章。第一、二、三、五章分别对应微生物学课程的第七、四、六、五章，是基于实际生产对微生物学中相应基础章节的理论扩充与拔高，为本门课重点教学章，分别设定10、9、9、10个教学学时。此外，针对大曲和酱香型白酒堆积发酵工艺中供氧关键问题，设置第四章内容，共分配8个学时，旨在使学生掌握白酒发酵过程微生物供氧机理，便于以后从溶氧角度分析解决生产实际问题。基因工程是现代生物技术中最主要的一门技术，同时与其他工程技术相辅相成。本门课32个学时，分5个教学章，其内容主要衔接微生物学第七章和第八章内容，使学生了解目前基因工程手段，掌握菌种分子鉴定技术原理与实验方法；形成应用前沿生物技术手段，驯化、改良并升级功能菌种，为产业领域提供新型微生物种质资源的创新思维。

（二）  教学方法与手段

本课程体系采用以课堂讲授为主，辅以电化、实验教学手段。在课堂讲授中遵循五大原则即科学性（基本概念正确性）、逻辑性（条理清楚、循序渐进、突出重点、讲清难点）、直观性（辅以投影片、录像片）、趣味性（联系生产实践和本学科最新研究成果、扩大知识信息量）、思政性（从专业知识中提取与之关联的价值观和世界观，使学生思想品德得到正确的启迪和引导）。科学性是五大原则的基础，需要授课教师在掌握本门课程专业知识体系的前提下，熟悉课程体系内其他课程的专业知识，分清不同课程间相似或相同的概念表述和原理背景，在教学环节精准地将本门课牵涉的理论概念传递给学生，并让学生厘清对应概念在本门课领域与其他课程领域中的区别。逻辑性为教学过程的线索和主干，它需要将教学过程中各项内容如串糖葫芦般有机地串联起来，形成完整的故事教授给学生。同时，趣味性作为各教学内容的引导，将上一个内容巧妙引入到下一个内容当中，并启发学生思考。趣味性在五大原则中是本课程体系的教学手段核心，其教学素材需要课程体系的授课教师在日常工作中频繁进入生产车间调研收集，甚至通过顶岗在车间参与劳动实习，旨在从一线生产中获取各工艺环节最新、最亟待解决的工程技术问题，并结合学术知识和理论分析对这些问题整合重构，不断形成新的教学素材，反哺到教学环节当中，启发学生思考，引导学生对理论知识的渴求。此外，随时搜阅行业内科学研究论文，将新成果和新理论与课程内容相融合，在开阔学生视野的同时，激发学生创造性思维，为学生参加各类创新、创想型比赛提供思想素材。此外，对于需要直观感受的教学内容，除了PPT展示，网络搜集相关影像素材外，根据教学需求，随时制作、拍摄素材影像。特别是跟生产工艺紧密相关的内容，可借助茅台学院紧靠生产企业的优势，从中获取拍摄素材，应用到教学环节中去。针对课程体系，全面考虑立德树人宗旨，与马克思教育学院共同携手，共同挖掘课程中天然蕴含的思政元素，并有机地植入到教学章节，进而实现所有课程思政元素融入，覆盖教学全过程。落实“全课程，大思政”教育内容，做到专业课程思政与思政课程同向同行，培养学生科学思维、工匠精神和家国情怀[10]。

教学方法上采用启发式教学，在课堂讲授中按逻辑思维的基本规律（质疑→思考→推理→判断）引导学生开展思维活动，提高课堂教学效果。对于强化基础的课程，每一章结束后，围绕本章教学内容，布置1～2个生产问题案例，要求学生针对案例提出自己的分析思路和解决方案，并以小组形式对个人提议做归纳总结。以此激发学生课后积极思考、自主学习的能动性。同时，安排1～2个学时，针对先前布置的案例展开模拟生产技术分析会，各小组间做汇报研讨，老师再对小组汇报情况做分析和评判，使教学结果最终回归到解决生产实际问题。对拔高创新的课程，关联度较高的几个章节内容结束后，围绕教学内容，以工艺问题为导向，从科研文献中抽提2～3个讨论点，要求学生课后广泛阅读、查阅资料，同样以小组形式收集成员意见，并在接下来的2～3个学时课程中，以模拟科学研讨会的形式汇报各小组研究思路，老师对小组的思路做评价和剖析，在培养学生创新能力的同时，也为学生在校期间各类科创比赛及毕业课题设计孵育创新点。

二  結束语

微生物学是白酒酿造工程专业人才必须掌握的一门基础学科，同时也是本专业人才分析、解决生产实际问题，并结合生产提出创新理念的前提。然而，微生物学相关知识体系庞大，涉及领域广、涵盖面宽，现有教材难以适应白酒酿造工程专业人才的培养。因此，需要在现有教学资源的基础上，重构微生物学课程体系，以满足本专业人才的培养要求。本文基于目前白酒企业在生产工艺和工程问题方面的解决与创新需求，从现有教学资源出发，找到适合本专业培养需求的课程及章节，使其重新构架成一个适应白酒酿造工程专业人才培养的课程体系。此外，采用配套的教学方法和手段，使学生通过本课程体系的学习，在具备分析解决生产实际问题能力的同时，能够基于科学原理并采用科学方法对白酒酿造工程领域中的复杂工程问题进行研究，且具有创新改造的初步技能。

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