顾晔
摘要:尝试从《齐民要术》、《北山酒经》、《天工开物》等中国古代科技典籍中寻找、整合酿酒工艺的相关记载,以此为素材开发化学反应调控的情境,分析当代科技文献对经典科技典籍内容的分析,旨在丰富高中化学反应速率和反应调控等教学情境,培育学生化学学科核心素养,促进学生理解科学本质。
关键词: 古代科技典籍; 反应调控; 酿酒工艺; 教学情境
《普通高中化学课程标准(2017年版 2022年修订)》在选择性必修“主题2 :化学反应的方向、限度和速率”对化学反应调控的内容要求是“认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。知道催化剂可以改变反应历程,对调控化学反应速率具有重要意义。[1]”目前的高中化学教学中,设计化学反应调控的教学情境往往以某简单化合物(化工产品)的制备、提纯等为教学素材,优点是反应体系明确,副反应较少,但《天工开物》、《齐民要术》、《北山酒经》等古代科技典籍中都记载多样的酿酒工艺,从学科知识看,包括物质的转化、反应条件的控制等,以此为素材,尝试引导学生在真实情境中运用学科知识并体会化学反应原理对科学技术和人类社会文明所起的重要作用。当然,由于酿酒工艺设计复杂的化学反应和生化反应,变量控制较为困难,所以需要参考有关对古代科技典籍的解读及酿酒工艺进行解读的当代科技文献。
1 化学反应调控的课标分析
化学反应调控指利用化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。化学反应速率和化学平衡是近现代(化学)科学发展的重要理论成果,分别隶属于化学反应的动力学和热力学范畴,高中学生在学习这部分内容时往往感到抽象、有难度。教学情境的合理选择可以降低学生的认知难度,还能培养学生变量控制、证据推理等学科素养。
课程标准给出的教学策略和情境素材建议分别是“结合生产实例,组织学生开展关于反应条件的选择与优化的讨论,促使学生形成从限度、速率、能耗等多角度综合调控化学反应的基本思路,发展学生‘绿色化学的观念和辩证思维的能力”和“调控化学反应的成功案例,如与工业合成氨相关的诺贝尔奖、汽车尾气处理,以及塑料的工业合成等”。其中的“生产实例”中大多数生产工艺学生都是较为陌生的,例如“镍的精制、工业合成氨、高炉炼铁、水煤气、高压氧舱治疗一氧化碳中毒等”。
我国古代科技典籍有多处涉及酿酒工艺,其中涉及复杂的生物、化学反应,对反应的调控是酿酒工艺中不可或缺的重要环境,如温度、酸度、湿度、酿造时间等,这些条件的控制在科学技术水平相对落后的古代是如何实现的,本文拟尝试从中提取与化学反应调控相关的文本并加以解读。
2 古代科技典籍中的酿酒工艺
“曲蘖发酵”是中国传统酿造特别是酿酒技术的核心技艺,中国传统酿造技艺的最大特色是使用了曲,《北山酒经》、《齐民要素》、《天工开物》等古代典籍在制曲的基础上了摸索出一套适宜制曲、酿酒的控温、控湿,最佳酿造氛围(包括环境)的技术手段。由于酿酒工艺涉及复杂的生物化学反应,不能简单地将之处理为某几个化学反应,在提取控制反应条件时,需要结合现有研究文献,让学生了解化学工艺的复杂性,同时让学生对浓度、温度、催化剂等常见改变反应速率的条件有了更加真切的体会。
2.1 温度对酿酒工艺的影响
无论控制化学反应的速率还是调节化学反应的限度,温度都是非常重要的调节变量,古代虽没有温度计这样的测量仪器,但包括酿酒在内的生产工艺无不考虑温度的影响,有时甚至巧妙利用季节变化、日夜温差等巧妙控制温度。
【古代典籍】
“七月上寅日作曲”,曲坯放入曲室“布曲讫,闭户,密泥之,勿令通风”。“满七日, 翻之。二七日,聚之。皆还密泥。三七日,出外,日中爆令燥,曲成矣”。[2]——《齐民要术》
【文献分析】
不论北方的麦曲和面曲还是南方的米粉饼曲,其生产季节都选择盛夏,因为夏天的气温一般在30℃左右,最适合酒曲微生物生长繁殖;盛夏也是空气中微生物最多的时候,这是传统制曲重要外界的环境条件,同时又能节约能源,所以至今传统制曲工艺仍选择在盛夏制曲。
如温度不够时,还有特别方法:“如冬月酿酒中冷不发者, 以瓦瓶成热汤, 坚塞口; 又犷釜汤中煮瓶令极热,引出,着酒瓮中须臾而发[2]。” 在当时条件,如温度过高,需要冷却则是比较困难的。由于酿酒发酵时要释放出大量的热量,需要冷却,所以《齐民要术》中酿酒时间多在晚秋和初冬。
2.2催化剂(酶)对酿酒工艺的影响
酿酒要先制曲,制曲的过程实际上是培养微生物菌种的过程[3]。1860年巴斯德认识到发酵作用是微生物(酵母菌)所引起的生化变化。《齐民要术》在制曲的各节中都有曲的滤液来酿造的记述, 并用专章记述“黄衣”、“黄蒸”,这不仅意味着认识到微生物在发酵中的作用,而且进而认识到微生物所产生的酶的作用(生化反应的催化作用)。
【古代典籍】
作黄衣法:六月中,取小麦,净淘讫,于瓮中以水浸之,令醋。漉出,熟蒸之。槌箔上敷席,置麦于上,摊令厚二寸许,预前一日刈薍叶薄覆。无薍叶者,刈胡枲,择去杂草,无令有水露气;候麦冷,以胡枲覆之。七日,看黄衣色足,便出曝之,令干。去胡枲而已,慎勿飏簸。齐人喜当风飏去黄衣,此大谬:凡有所造作用麦者,皆仰其衣为势,今反飏去之,作物必不善矣。
作黄蒸法:六、七月中,生小麦,细磨之。以水溲而蒸之,气馏好熟,便下之,摊令冷。布置,覆盖,成就,一如麦法。亦勿飏之,虑其所损。——《齐民要术》
【文献分析】
用谷物酿酒,从化学的角度看,分两步进行:首先,淀粉在淀粉酶的作用下转化为麦芽糖,进而转化为葡萄糖,是为糖化反应;然后,葡萄糖在酒化酶的作用下變为酒精,此为酒化反应。
反应1:(C6H10O5)n(淀粉)+nH2O→n C6H12O6(葡萄糖)
反应2:C6H12O6 →2C2H5OH+ 2CO2
在一般情况下,这两步反应进行得非常缓慢,以致难以察觉,但在淀粉酶和酒化酶的存在下,却可以大大加快反应的速度。也就是说,淀粉酶和酒化酶分别是糖化反应和酒化反应的催化剂。催化剂是影响化学反应速率的重要因素之一,酶在生物学中更是起着至关重要的催化作用。通向现代酶学与生物化学的大门的德国科学家巴克纳(Büchner)在1897 年发现磨碎的酵母菌滤液能使糖类发酵,《齐民要术》中对微生物在发酵中作用的认识比这项发现早了1300多年[4]。
2.3 酸度对酿酒工艺的影响
现代酿造学说明, 发酵液的酸度过高或过低都会影响酵母菌酒精发酵的正常进行,酿酒发酵必须很好的控制酸度,从溶液中的化学反应条件控制的视角,酸度在此处类似酒体中氢离子浓度,而我国的酿酒经典文本《北山酒经》等出现在阿伦尼乌斯提出经典酸碱理论之前,故用酸度一词。
【古代典籍】
醖釀須酴米偷酸(《說文》:「酴,酒母也。酴音途。」),投醹偷甜。淛人不善偷酸,所以酒熟入灰。北人不善偷甜,所以飲多令人膈上懊憹,桓公所謂靑州從事、平原督郵者,此也[5]。——《北山酒经》
【文献分析】
北宋末期成书的《北山酒经》是最能完整体现我国发酵酒酿酒实践的酿酒专著。宋代的酒母是酴米,它是用醋糜﹑酵﹑曲﹑酸浆制成的,其中含有酵母菌,故可起酒母的作用。在我国,淀粉酶和酒化酶是由酒曲提供的。酒曲中含有有益霉菌和酵母菌。霉菌可以分泌淀粉酶,酵母菌中含有酒化酶。宋代造酒,在技术上有两大进步,一是所谓“合酵”,二是使用了酸浆。“合酵”技术是对酵母菌的扩大培养;酸浆的使用则增强了酵母菌的活力,因为酵母菌的最佳生存环境是pH 4.5到5.0之间,酸浆的作用就是调节pH。两项技术的应用,既增加了酵母菌的数量,又增强了酵母菌的活性,保证了造酒过程最关键的反应——酒化反应的顺利进行。但酸浆只能在制造“酴米”阶段使用,在投醹阶段,就不能使用了,否则会影响酒质,甚至导致酸败,故云“酴米偷酸”。
《北山酒经》中的“造酒最在浆,浆不酸即不可酝酒”就是须先制好酸浆,用以保护酵母菌和调节发酵作用。目前,在绍兴酒等的黄酒酿造中,加浆水的工作还是被十分注意的, 而且以“三浆四水”、“冬浆冬水”最好。这种用加浆水的办法来调节发酵液,是近代酒精工业采用乳酸菌生酸来调节酸度和抑制杂菌繁殖的先河。现代化学工艺认为,酿造制酒对水质的一个重要要求是其pH,酿造过程中生化反应的结果是液相介质或产物的pH趋向酸性发展,故起始水质的pH不能大于7[6]。
2.4 制曲原料(形态)对酿酒工艺的影响
影响化学反应速率的诸多因素中,固体表面积是学生较早接触到的因素之一,当代工业生产中也有矿渣粉碎等类似操作,古代酿酒工艺中亦有类似记录。
【古代典籍】
麦曲,大小麦皆可用。造者将麦连皮井水淘净,晒干,时宜盛暑天。磨碎,则以淘麦水和作块,用楮叶包扎,悬风处,或稻秸淹黄,经四十九日取用。
造面曲,用白面五斤,黄豆五升,以蓼汁煮烂,再用辣蓼末五两,杏仁泥十两,和踏成饼,楮叶包悬,与稻秸淹黄,法亦同前。[7]
——《天工开物》
【文献分析】
微生物参与的反应机理是复杂度,但无论是制曲原料还是大规模的工业生成原料,物质表面积(反应接触面积)对反应都有动力学层面的影响。据傅金泉等人研究,不同的制曲原料与曲中的微生物有密切关系,因为酒曲是自然繁殖的原始方法生产的,其微生物主要来源是原料,其中根霉喜欢在米粉上生长繁殖,而麦类适合黄曲霉生长繁殖。其次是制曲原料的粗细和曲粒大小也会造成不同微生物的繁殖,所以《天工开物》中的麦曲、面曲、米粉饼曲其性能是不同的[8]。
3 教学应用
以《影响化学反应速率的因素》为例,在复习课阶段可以创设情境,以古代科技典籍中关于酿酒工艺的记载回顾影响反应速率的因素,并加以应用。教学设计简要呈现如表1。
《影响化学反应速率的因素》在复习过程中进行表1的尝试目前并不多见,目前的研究中常见复习方式包括以合成氨等工业生产等情境进行项目式或者大单元的教学设计[9][10]。本教学尝试在学生学习完化学反应速率、化学平衡和化学反应的调控的单元内容后,将古代科技典籍中的酿酒工艺作为素材传插在本单元复习过程中,依次呈现温度、催化剂、压强和固体表面积对反应速率的影响。当然,如果仅仅是依次呈现科技典籍文本是很难完成复习任务的,一方面纯粹的古代文献的文本分析对学生阅读古文有较高要求,而且学科教学价值也不显著,毕竟无论《天工开物》、《齐民要术》还是《北山酒经》,其中是记载终究大多是对酿酒(制曲)工艺的记录(经验居多),鲜见对反应原理的分析。故若用做教学情境只能作为其中的一个线索,在此基础上还要根据复习内容设计学生实验、文本梳理、习题整理等复习手段,力求让学生回顾所学知识的同时增强文本阅读、反思和评价的能力。这样的教学设计仅仅是一种尝试,不能替代其他的复习方式,毕竟教学情境的选择最终是服务教学的,为情境而情境就失去设置情境的本身目的了。
4 反思
4.1 开发新的情境,但不能相互取代
教材中的化学实验(如双氧水的分解、大理石与盐酸反应、硫代硫酸钠与硫酸反应等)和化工生产(合成氨工业、硫酸工业等)素材是研究化学反应速率、限度和控制反应条件的经典教学素材,开发基于我国古代科技典籍的教学情境不意味着对以上教学素材的取代。酿酒工艺出自我国古代科技典籍,但这也是全人类的文化遗产,可以让学生多角度看待化学反应的影响因素,了解古代酿酒工艺的巧妙之处的同時,发现现代科学发展的必要性,毕竟,很多关于温度、湿度、酸度更加侧重经验、依赖时节,产品的稳定性和产量都受限制。
4.2 阅读古代经典,但不能囿于经典
《完善中华优秀传统文化教育指导纲要》提出:“地理、数学、物理、化学、生物等课程,应结合教学环节渗透中华优秀传统文化相关内容。鼓励各地各学校充分挖掘和利用本地中华优秀传统文化教育资源,开设专题的地方课程和校本课程。” 高中阶段,可以通过经典文本阅读等途径增强学生对中华优秀传统文化的理性认识,引导学生感悟中华优秀传统文化的精神内涵,增强学生对中华优秀传统文化的自信心;与此同时,通过古今酿酒工艺的比较,可以让学生感受到科学发展还是受制与社会需求、技术革新等多方面因素。
控制化学反应条件的教学过程阅读《天工开物》、《北山酒经》和《齐民要术》中节选的经典文本,不仅认识人民群众创造历史的决定作用和杰出人物的贡献,吸取前人经验和智慧,还能发现现当代科学技术学习的必要性。在教学中引入古代科技典籍中酿酒工艺的教学情境,可以让学生赞赏运用化学反应原理对科学技术和人类社会文明所起的重要作用;通过古今文献对比阅读和实验设计,发展“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”等化学学科核心素养。
参考文献
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准[M].北京:人民教育出版社,2018.
[2] 缪启愉.齐民要术导读.北京:中国国际广播出版社,2008:299
[3] 曾纵野,李良春.我国先代人民对酿酒工艺和微生物学的贡献[J].西北大学学报(自然科学报),1983 (4): 106-113.
[4] 中國科学院微生物研究所《齐民要术》研究小组,《齐民要术》中的制取酿酒[J].微生物学报,1975,15 (1): 1-4.
[5] 朱肱.酒经(宋一明,李艳译注) [M].上海:上海古籍出版社,2010:77-79
[6] 周良彦.试谈水质对酿酒的影响[J].酿酒,1984(4): 20
[7] 宋应星.天工开物译注(潘吉星译注) [M].上海:上海古籍出版社, 2013
[8] 傅金泉.《天工开物·曲糵》读后感[J].酿酒科技,2015 (11): 142-145
[9] 张重相. “教、学、评”一体化的智慧课堂教学设计——以“化学反应的调控”为例[J].中学化学教学参考, 2023(3):30
[10] 叶依丛.基于信息处理与模型建构的课堂教学设计与实践——从合成氨工业看化工条件的选择与优化[J].化学教学, 2023(3):111