發酵工程理論的創新和發酵原理課程的創建 張星元（江南大學生物工程學院，無錫，214036） 摘 要：首次發表的“微生物生物機器”的創新思路及其理論基礎，爲發酵工程生物學理論和發酵原理課程的創建提供了框架結構。發酵工程脫胎於化學工程，並且因與生物學的融合而走向成熟。發酵原理課程是學術民主的産物，還要靠學術民主來建設。 關鍵字：微生物生物機器，發酵原理，發酵工程，生物能，代謝網路，細胞經濟，代謝工程 Innovation of theories of Fermentation Engineering and Establishment of Course of Fermentation Principles Zhang Xingyuan (School of Biotechnology, Southern Yangtze University, Wuxi, China, 214036) Abstract: The author gave publicity to the word the innovative train of thoughts about “microbial bio-machine” and its theoretical bases, and provided the frameworks for biological theory of fermentation engineering and the course of Principles of Fermentation. Fermentation engineering was born out of Chemical Engineering, and turn full-grown when fuse with Biology. Key words: microbial bio-machine, the principles of fermentation, fermentation engineering, bio-energy, metabolic networks, cell economy, metabolic engineering 我國大學工科的發酵工程專業脫胎于農學院的農産加工專業。1952年全國高等學校院系調整，農學院農業化學系的農產品加工專業的發酵專業方向，從農學院劃歸工學院食品工業系，這才有了工科的發酵工程專業方向，隨後建成發酵工學專業。隨著生物化學、細胞生物學、應用分子生物學和遺傳工程學科的發展，隨著我們對工業發酵的生物學本質的認識的逐步加深，發酵工程正在發生一個從技藝走向科學的重大變化。1998年頒佈的高等學校本科專業目錄[1]把發酵工程劃歸生物工程類，肯定了發酵工程的生物學屬性。 1. 發酵工程的理論創新 天然存在的微生物物種是微生物在大自然中物競天擇的階段性的進化成果，它們的生命活動的規律是不以人的主觀意志爲轉移的。天然存在的億萬微生物物種的生命活動過程——不論是造福於人類或危害人類的——都是它們按自身的生命活動規律進行生存競爭的代謝過程。 微生物具有造福於人類的巨大潛力，人類利用微生物可以實現更多美好的理想。然而，在發酵工業生産中人類不能跳過微生物這個關鍵環節而得到目的産物，沒有微生物就沒有工業發酵。在這個意義上，人在發酵生産中處於被動的地位。因此，對於工業微生物學家和發酵工程師來說，在工業發酵中如何爭取主動始終是一個挑戰性的難題。 爲了爭取主動，必須研究發酵工程的生物學原理。微生物活細胞和它所處的環境組成一種特殊的複雜體系。在這個複雜體系中，代謝流在橫跨細胞內外的代謝網路中流動，這種流動靠生物能來支撐，靠細胞代謝的自動調節機制來維護和規範。代謝網路中的代謝流不但是生命活動的體現，還是目的産物生産效率的測算依據。 多年來，我們從研究微生物的生命活動規律入手，從生物學的角度重新審視了發酵工程，形成以下關於現代發酵工程新思路： （1）現代發酵工程依靠微生物活細胞來完成發酵工廠生產線上的不可缺少的加工（或轉化）步驟，在這個意義上，微生物活細胞就是工業發酵生產線上不可缺少的“微生物生物機器”。因而，沒有微生物就沒有發酵工程。微生物是發酵工程的靈魂。菌種是決定發酵工廠生産成敗的內因。 （2）微生物生物機器與普通意義上的機器不同，微生物生物機器必須由生物能（bio-energy）直接驅動。在發酵工廠的生產線上，微生物必須完成“微生物生物機器”的“在線製造”和“生産運行”的雙重任務。因而，菌種確定以後，仍需對發酵生産的操作條件作相應的階段性的變通，“在線製造”和“生産運行”應在不同的培養條件下進行。“在線製造”階段要控制“機器”的數量和質量；“生産運行”階段不但要保證“機器”（微生物活細胞）數量的基本穩定，還要將細胞的代謝儘量維持在適宜於目的産物生産的狀態下。因而，培養微生物的環境條件是決定生産成敗的外因。 （3）“微生物生物機器”按其自身固有的規律運行，爲了引導微生物爲我們服務，必須深入研究微生物生物機器的工作原理。要研究“微生物生物機器”的工作原理，首先要建立“微生物生物機器”的工作模型；然後有計劃地進行關於“微生物生物機器”實驗研究，通過實驗研究和哲學思辨，逐步揭示“微生物生物機器”工作原理，包括“微生物生物機器”的零件製造、整機裝配和維護保養原理，以及“微生物生物機器”的運行原理，從而創建新的發酵工程基礎理論——發酵工程的生物學理論。 （4）發酵工程具有的鮮明的生物學屬性，發酵工程向生物學靠攏，醞釀著發酵工程的革命性的飛躍。 關於“微生物生物機器”及其製造和運行規律的創新思路的建立是有理論基礎的。多年來我們從不同的角度研究微生物的生命活動，把現代生物學關於物質流動、能量轉換的電子流動、以及資訊流動這3個基本觀點引入發酵工程，提出了反映微生物生命運動客觀規律的3個基本觀點[2]（生物能支撐的觀點, 代謝網路的觀點和細胞經濟的觀點），認定了發酵工程的生物學屬性，論證了生物産品與其有機原料在代謝網路上聯網的可能性和現實性，理出了可用來解決微生物的細胞經濟與人對微生物代謝的導向之間的矛盾的基本思路。並在此基礎上，對發酵工程進行再認識，把微生物育種和微生物培養的工藝控制視爲一個整體，將傳統的發酵工藝與現代生物技術及工程學進行深度結合，用演繹推理的方法做出了體現工業發酵生物學屬性的7個應用性推理（①物質、能量轉化的推理，②細胞資産流失的推理，③原料與産物的推理，④微生物生物機器的推理，⑤配套工藝條件的推理，⑥能量代謝副産物的推理和⑦能量流失的推理），嘗試對未來的發酵工程做出預測。前述的3個基本觀點和7個應用性推理不但孕育了“微生物生物機器”的創新思路，而且爲發酵工程的生物學原理構建了理論框架。 儘管世界上九十年代以來出現了代謝工程[3,4]的熱點，但至今仍未有人提出“微生物生物機器”的概念，也未見到國內外有類似“微生物生物機器”複雜性系統的研究報道。我們期望“微生物生物機器”的研究能使發酵工程技術的獲得生物科學和資訊科學的實質性的支援，能夠引導發酵工程上一個新臺階。我們期望：發酵工程生物學理論的建立能給發酵工程的新飛躍以巨大的推動力，使她能夠順利地進入發酵工程發展的新階段，成爲生物工程的一個重要的組成部分，成爲生物工業的開路先鋒。 2. 發酵原理課程建設 發酵生産歷史悠久，原始的手工作坊式的發酵生産憑藉祖先傳下來的技巧和經驗生産發酵産品，體力勞動繁重，生産規模受到限制，難以實現工業化的生産。於是，發酵界的前人首先求教於化學和化學工程，通過向農業化學和化學工程學習，對發酵生産工藝進行了規範，並用泵和管道等輸送方式替代了肩挑手提的人力搬運，以機器生産代替了手工操作，把作坊式的發酵生産成功地推上了工業化生産的水平。發酵生産與化學和化學工程的結合促成了發酵生産的第一次飛躍。然而，幾十年的生産實踐已經證明發酵工業過程是一個隨著時間變化的（時變的）、非線性的、多變數輸入和輸出的動態過程[5]，按照化學工程的模式來處理發酵工業的問題，往往難以收到預期的效果。從化學工程的角度來看，發酵罐只是一個反應器，發酵罐中培養的微生物細胞只是一種特殊的催化劑。按化學工程的正統思維，微生物當然難以發揮其特有的生産潛力。因此，1998年頒佈的高等學校本科專業目錄把發酵工程劃歸生物工程類，而沒有歸入化工與制藥類，就是一個佐證。 目前，國內外有關發酵工程和生物制藥的科技書籍和國內的大學教材往往沿用以往“菌種（催化劑）——發酵（化學反應）——提煉（化學分離）”的體例描述發酵工業生産，這種從化學工廠的工藝操作規程衍生出來的體例難於體現生物工程（發酵工程）的生物學屬性，也難以將菌種和培養工藝作爲一個整體來深入討論發酵工業生産問題。而且還容易助長忽視發酵工程的生物學屬性的傾向，這將對發酵工程的電腦控制和自動化進程帶來負面影響。只有通過實驗研究和哲學思辨，對發酵工程的生物學屬性有了初步的認識，才有可能進而建立發酵工程的生物學理論，才有可能開好發酵原理課程。因此，《發酵原理》課程建設在性質上屬於理論和實踐相結合的創新工作。 筆者1983年開始爲研究生開微生物生理學課。爲補充對發酵工程來說非常重要的微生物異常生理的內容，從1988年開始對研究生增設了代謝控制發酵課程。八十年代末設想在發酵專業本科生中開設工業發酵的生物學原理課程。進入九十年代初發表了相關的教學研究論文[6，7]，還在學術年會上徵求同行專家及校友的意見[8]。1993年的訪日研究，深切感受到發酵理論教學和研究的重要性和迫切性，進一步肯定了自己在進入九十年代以來的科學研究方向。經過進一步的實驗室研究[9-11]和哲學思辨，深切認識到發酵工程作爲生物科學的一個工程學分支有它自己獨有的運行規律，這些規律歸屬於生物學範疇，因此發酵工程應歸屬於生物工程，發酵工程的根本原理就是其生物學原理，發酵工程的生物學原理就是發酵原理。發酵學科發展到今天，應該有它的核心理論課程，而理論課程的開出在某種意義上也將成爲發酵學科成熟的一個重要標誌。 經過對兩屆本科生的試講，1997年正式向本科生開設《發酵原理》課程[12，13]，並在香港回歸前夕，內部出版了《發酵原理》教材[14]。此教材已在本科生和研究生（含博士生）兩個不同層次的學生中以不同的深度和教學方法施教五年。《發酵原理》原先推出的關於工業發酵的3個基本觀點，經過五年來的教學實踐及每學期舉行的研討會的辯論和討論，以及哲學的思辨，正在逐步完善之中，目前已形成論述微生物生命運動的客觀規律的3個基本觀點和針對發酵工業的7個應用性推理。在課堂教學中教學相長，在討論和辯論的基礎上取得如下一致的認識：生物能支撐的觀點是工業發酵運行的立足點，它規定了工業發酵的生物學屬性和微生物在發酵工程的中心地位；代謝網路的觀點表述了工業發酵的內涵，它給出了發酵工程的潛力和發酵工業産品開發的大致範圍；細胞經濟的觀點從生物學的角度評估發酵工程的基本矛盾和發酵工業生産中人的主觀能動作用，爲微生物生物機器的製造和運行做出基本的規範。《發酵原理》課程以發酵工業技術學爲起點，抓住物質代謝和能量代謝這兩條主線動態地描述工業發酵中微生物生命活動的過程和原理，把發酵工程技術上升到發酵科學的高度。《發酵原理》把典型的發酵工業過程抽象爲以微生物細胞爲中心的從發酵原料到發酵産品的代謝流動過程，並在此基礎上提出了代謝設計育種和發酵過程的代謝控制的策略。以細胞經濟學的觀念分析工業生産中微生物的生長與發酵産物（代謝中間産物）的形成之間的矛盾，以及代謝設計育種的目標與微生物固有的自動調節機制的矛盾，從而導出“關於過量合成特定代謝産物的代謝設計思路”。在2000年的國際學術交流會上已就這個問題用英語作了專題發言[15]。發酵工程的3個基本觀點已於2001年在無錫輕工大學學報正式發表[2]。 目前，《發酵原理》已發展成面向本科生、研究生的發酵原理系列課程，它們分別是①《發酵原理》；②研究生學位課程《微生物生理》的升級課程發酵原理（上）：《工業微生物代謝學》；以及③研究生專業課程《代謝控制發酵》的升級課程發酵原理（下）：《代謝工程導論》。學生層次有本科生、碩士生、博士生等，在校學生的專業分佈爲發酵工程、環保工程、食品工程、食品科學等。 原來打算主要用於本科教學兼用於研究生教學的《發酵原理》教材，深受不同層次學生的歡迎。教學實踐告訴我們，本科教學中使用現行《發酵原理》教材，要求學生和教師都要有比較扎實的數理化和生物學的基礎；如果作爲本科必修課，宜採取少而精，講深講透的原則施教。在研究生教學中使用該教材，學生學習熱情高，主動性強，激發創造精神，教學效果好。 《發酵原理電子講義》[16]則是一部多層次學生通用的電子教材，它以PowerPoint 爲主輔之以圖畫和動畫，PowerPoint的幻燈片以講義的形式印在書上，學生在課堂上不必忙於抄寫，可以集中精力聽講。多媒體教學信息量大，可以省下時間來進行討論，加深理解。這本電子講義投入使用以來博士研究生自發選課，環保方向的研究生（含博士生）、食品學院的研究生（含博士生）也主動增選此課程。 發酵原理的研究和教學是緊密結合，交互促進的。多年來的師生切磋、教學相長，實實在在地推進了發酵工程基本理論和發酵原理的課程建設。這個發酵工程基本理論的框架，以及不同學生層次上發酵原理課程的成功開設，都是學術民主的産物；她們是幾代師生用自己的血汗澆灌而培育而成的新生事物[17，18]。 3. 以多樣化的教學方法實現教學相長 21世紀生物工業需要什麽樣的人才?如何培養世界一流的生物工程人才？如何設置發酵工程專業課程？世紀末，筆者曾發表了一些不太成熟的看法[19-22]，近年來在教學科研第一線身體力行，自以爲有一些長進。 我們（我和我的學生們）認爲《發酵原理》教學的價值主要體現在：引導專攻生物工程和生命科學的學生對以前所學到的相對零星的知識進行梳理，並應用經過梳理的知識來建立對發酵科學的理解，從而激發創造精神和實踐、求知的欲望。學生需要有豐富的知識，更需要對科學的性質（特別是自己所學的專業的科學性質）的正確理解。對高層次的學生來講更有必要通曉科學家的思想方法和科學實踐活動。 該怎樣去培養21世紀的大學生、研究生呢?筆者認爲科學的本質在於創新，大學的動力在於創新。大學是追求真理的地方，要創新就必須有好的理論基礎，因此大學師生必須從事高水準的學術研究，必須加強基礎理論的學習和應用。進行跟蹤性研究固然有利於早出經濟成果，但從長計議，更重要的應該是創新和跨越。因此大學教授的首要任務應該是要培養學生的獨立思考的能力和創新能力[23-25]，引導學生從源頭上進入世界發酵工程的研究和開發的前沿。學術腐敗必須剷除，浮躁心態必須克服。時代呼喚腳踏實地。 近年來，隨著改革開放以來的經濟發展、社會進步，多樣化的趨勢明顯加強。大學生物工程專業不同層次的學生身份的多樣化（應屆生、往屆生、進修生、在職研究生、本校在職教師等），學術背景的多樣化（工、農、林、醫、礦、理、師範等），學生前修課程的多樣化等等，給教學帶來了一定的難度；但如果教師掌握得好，會給教學帶來更大的生機和活力。因爲教學應該是個互動的過程，教，主要是引導，教並不是單純的付出；學，主要靠自己，學習不單純向老師學。追求真理無止境，教學相長出成果。我們的具體做法是： 教學與科研緊密結合相互促進，追求科學真理，不受非學術的干擾。 教學內容自編自教，不斷進取，教學相長 自編自製作有特色的多媒體電子教材，對學生言傳身教 互動式的教學（堂上提問，問題作爲作業交，普遍性問題堂上作答，討論會上直接對話） 注重培養學生的自學能力和表達能力（每學期舉辦討論會或辯論會或讀書報告會，鼓勵採用多媒體的表達方式，評分採用自評和互評相結合的方法） 因材施教。對不同層次的學生採用不同的教學方法。對層次較低的學生教授主要觀點，討論爲輔；學生層次越高，討論占的比重越高，課外閱讀和思考的時間越長 鼓勵思想和觀點創新，鼓勵合作和交流，鼓勵爭論，鼓勵發表與老師不同的意見。 考試方法推陳出新。把考試作爲課程的最後一個教學環節，對不同層次的學生採取不同的考試方法，對不同專業來源的學生用可以變通的考題，不設標準答案。 發酵工程理論創新和發酵原理課程建設的工作對於重點學科的建設至關重要，面對發酵産業的現狀，在戰術上進行跟蹤是可以理解的，但戰略上必須強調創新和跨域，這就要求我們在理論創新和關鍵課程（如發酵原理課程）的建設上看得遠一些，投入多一些，政策和規定寬鬆一些。有意義的事大家齊心來做，可以做的快一些，完成得好一些，我們的事業就可以推進的更快一些。我國已加入WTO，進入國際競爭之中了。原始創新關係到國家的安危，關係到中華民族的存亡。我們必須努力工作，爲營造有利於原始創新的文化環境做出自己的貢獻。 參考文獻 教育部：《普通高等學校本科專業目錄》（1998年頒佈） 張星元：微生物生物工程的3個基本觀點，無錫輕工大學學報，20（4）436-439， 2001 Gregory N. 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