生物工程专业综合大实验指导(李啸)

  一、现代生物工程的内涵
  生物工程，是20世纪70年代初开始兴起的一门综合性应用学科，最初指的是医学工程、农业工程、环境工程、卫生工程、人体功能工程的总称，不涉及化学催化反应的内容。现代生物工程，一般认为是以生物学（微生物学、生物化学、分子生物学、细胞生物学、细胞生理学等）为基础，结合现代工程技术（化学工程、机械工程、计算机技术与软件工程等），充分运用分子生物学的最新成就，定向地改造生物（微生物、动物、植物等）及其功能，再通过全自动控制生物反应器对这类改造过的生物（如“基因工程菌”等）进行扩大培养，以生产对人类有用的代谢产物或发挥这些生物独特生理功能的一门新兴综合性应用学科。现代生物工程的应用领域非常广泛，包括农业、工业、医学、药物学、能源、环保、冶金、化工原料等，可概括为五大工程：基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和生物反应器工程。
  现代生物工程、现代信息学和新材料学已被视为人类21世纪三大前沿学科，也是当前国际上优先发展的高技术领域之一。近年来，我国把生物工程纳入科学发展的重点，其目标就是解决十几亿人口的食物、医疗保健以及能源等重大问题。
  二、生物工程专业学生应具备的素质和面临的机遇及挑战
  加州理工大学冯·卡门说：“科学家研究已有世界，工程师创造未来的世界。”国外发达国家的高等工程教育面向实际，突出能力培养。国外许多高校十分重视对学生工程素质的培育，所谓工程素质，是指学生在掌握多学科知识的基础上，在生产实践中用系统的、全面的、发展的观点发现问题、分析问题和解决问题的综合能力。工程素质的内涵除本专业知识外，还包括市场意识、安全意识、环境意识、群体意识、管理意识和创新意识等。美国麻省理工学院提出了高等工科教育要“回归工程实践”的教育理念，并把工科院校培养的目标定为“能更好地服务于国家和世界的工程领袖”。
  随着社会的进步，我国的高等教育逐渐实现了由精英教育向大众化教育的转型。招生规模的扩大虽然给越来越多的学生提供了接受高等教育的机会，由于一些地方高校教学资源短缺、专业定位不准确等多种因素的影响，使得工科类专业（包括生物工程专业）学生的工程素质呈下降趋势，而用人单位对大学生的实践能力要求越来越高，这样就造成了工科类本科生在就业竞争中处于不利地位。教育部在教高 【2007】1号、2号文件中强调，“高度重视实践环节 ，提高学生实践能力”。 党的十七大报告也明确指出：“提高自主创新能力，建设创新型国家，是国家发展战略的核心，是提高综合国力的关键。”由此可见，党和国家已经十分关注大学生实践和创新能力的培养。
  现在，知识体系更新速度非常快，为适应与时俱进的时代浪潮，生物工程专业应该培养适应21世纪社会主义现代化建设需要的人才：德、智、体、美、劳全面发展；掌握较为广泛的生物、化学和工程学的基本理论及实验技能；具有良好的工程学基础、较强的学习能力、一定的创新意识和良好的科学素养，能在生物工程领域从事设计、生产、管理、新技术研究和产品开发。
  部分专家将生物工程视为对未来有较大影响力的朝阳行业，许多地区已将生物工程作为高新技术产业进行发展，因此，生物工程专业的学生正面临着各种各样的机遇：生命奥秘的探究空间越来越大；基因工程药物（如促红细胞生成素）的市场销售额连续多年实现跳跃式增长；就业市场越来越广阔。面对诸多机遇的同时，许多挑战也摆在面前：生物合成药物及相关产品的科技含量越来越高；能源危机和扩大生产之间的矛盾越来越尖锐；庞大的生物工程就业队伍与市场对高工程素质的人才需求之间的矛盾不断升级。基于此，生物工程专业应该培养“厚基础、重实践、强能力、高素质”的应用型人才。
  三、生物工程专业开设综合大实验的目的、意义及主要内容
  生物工程专业开设综合大实验正是强化学生实践环节、提高学生动手能力的有效手段之一。通过为期三周的综合大实验的训练，学生可在实验设计能力、动手能力、创新能力、团队合作精神等方面有大幅提高，不但为其后续的毕业课题研究打下坚实的基础，还可增强学生的就业市场竞争力。
  全书主要分为菌种选育、微生物反应过程的优化与放大、生物分离与提取、定量分析四部分内容，书后摘编了与实验相关的附录与参考文献。
  菌种选育包括：林可链霉菌菌株选育综合大实验；酵母菌选育综合大实验；大肠杆菌选育综合大实验；蛋白酶和淀粉酶产生菌的筛选综合大实验。
  微生物反应过程的优化与放大的内容包括：微生物反应过程的优化与调控原理；微生物反应过程的优化与控制实验。
  生物分离与提取的内容包括：生物分离方法、分离设备和分离原理介绍；发酵液成分的分离与提取；DNA的提取与定量测定；天然药物的提取实验。
  定量分析的内容包括：发酵液的常规参数检测大实验；酶的活力测定大实验；白酒的主要成分检测大实验；啤酒的成分及卫生学指标检测大实验。
  本课程建议安排在短学期连续进行，全部实验可在二至三周内完成。各院校生物工程专业可根据实际情况并按照本书的内容选择成套实验。
  本书得以完成，全靠所有参编者的共同努力。尽管我们竭力使本书能满足所有相关读者的需求，但由于编者水平有限，不足及疏漏之处在所难免，恳请同行、读者批评指正。
编者
2009年6月

  全书主要分为菌种选育、微生物反应过程的优化与放大、生物分离与提取、定量分析四部分内容，书后摘编了与实验相关的附录与参考文献。编写中主要以部分微生物（细菌、放线菌和真菌）的筛选、发酵过程控制、产物提取与定量分析为主线，突出每个实验的基本原理、操作技能及数据处理方法。为适应“厚基础、重应用、高工程素质”的人才培育模式，目前，许多高校的生物工程专业均开设有综合大实验课程，教学用时为三周，本书即可为此课程提供成套的综合大实验内容。
  本书可作为高等院校生物工程专业本科生和硕士生的实验教学用书，也可作为高等院校和师范院校的生物科学、生物技术和食品科学等专业本科生和硕士生的学习用书，还可供从事微生物发酵行业的企业和研究所人员参考。

第一部分菌种选育1
11微生物菌种选育方式与原理1
12菌种选育实验10
实验11林可链霉菌菌株选育综合大实验10
实验12酵母菌选育综合大实验12
实验121酵母菌营养缺陷型的筛选12
实验122酵母菌原生质体融合14
实验123酵母菌呼吸缺陷型的筛选18
实验124质粒DNA转化啤酒酵母20
实验13大肠杆菌选育综合大实验22
实验131大肠杆菌营养缺陷型的筛选22
实验132质粒DNA转化感受态大肠杆菌25
实验14蛋白酶和淀粉酶产生菌的筛选综合大实验27
实验141碱性蛋白酶高产菌株的选育27
实验142产淀粉酶菌株的紫外诱变及平板初筛31
第二部分微生物反应过程的优化与放大33
21微生物反应过程的优化与调控原理33
22微生物反应过程的优化与控制实验36
实验21林可霉素生物合成过程的优化与控制36
实验22红霉素生物合成过程的优化与控制40
实验23新霉素发酵综合实验44
实验24全麦芽啤酒的生产47
实验25苏云金芽孢杆菌的发酵控制50
实验26酸乳的发酵53
实验27以红薯为原料发酵生产L乳酸56
实验28液态发酵生产纤维素酶的过程优化与控制60
实验29固态产β葡萄糖苷酶的生产过程控制63
第三部分生物分离与提取实验67
31生物分离方法、分离设备和分离原理介绍67
32发酵液成分的分离与提取69
实验31红霉素的提取69
实验32硫酸新霉素的提取71
实验33利福霉素的提取72
实验34L乳酸的提取74
实验35溶菌酶的提取78
33DNA的提取与定量测定81
实验36大肠杆菌质粒DNA的提取与定量测定81
实验37林可链霉菌基因组DNA的提取与定量测定84
实验38酿酒酵母DNA的提取与定量测定87
34天然药物的提取实验91
实验39大孔树脂柱层析在开口箭甾体皂苷分离中的应用91
第四部分定量分析实验95
41发酵液的常规参数检测大实验95
实验41生物量的测定95
实验42酸度和pH值的测定98
实验43总糖、还原糖和葡萄糖含量的测定100
实验44氨基氮和铵离子含量的测定106
实验45溶磷含量的测定110
实验46生物效价的测定112
实验47用在线溶氧电极测发酵体系临界溶氧浓度116
实验48发酵废液COD的测定119
42酶的活力测定大实验121
实验49纤维素酶活力的测定121
实验410α淀粉酶活力的测定123
实验411蛋白酶活力的测定126
实验412糖代谢途径关键调控酶活力的测定129
43白酒的主要成分检测大实验134
实验413甲醇含量的测定134
实验414醛类（甲醛、乙醛和糠醛）含量的测定136
实验415杂醇油含量的测定138
实验416铅含量的测定139
实验417氰化物含量的测定142
实验418己酸乙酯含量的测定144
44啤酒的成分及卫生学指标检测大实验146
实验419酒精度的测定及原麦汁浓度的计算146
实验420双乙酰含量的测定148
实验421苦味质含量的测定149
实验422二氧化碳含量的测定151
实验423细菌总数及大肠菌群的检测152附录157
一、常用单位换算数据157
二、高压蒸汽灭菌常用压力、温度与时间158
三、实验室中常用的化学杀菌剂和消毒剂158
四、常用缓冲液的配制159
五、分子生物学常用试剂的配制161
六、常用培养基162
参考文献164