Практикум и лабораторный эксперимент в программе подготовки специалиста в вузе. О роли практикума ферментации

Введение. В технологической цепочке процесса обучения инженера технолога для биохимического производства практикуму принадлежит особое место. Распространённое представление о биотехнологии как только о методе получения изменённых организмов с помощью генных манипуляций на уровне ДНК и РНК не соответствует истине. Эти манипуляции с получением генно-модифицированных организмов – всего лишь один из аспектов биотехнологии и относится исключительно к биологической научной сфере. В промышленном производстве биотехнологических продуктов получение генноизменённых микроорганизмов-продуцентов – это только первая и не всегда обязательная стадия подготовки всей инженерно-технологической цепочки. Эта стадия является «нулевой», так как относится не к инженерно-технологической, а к чисто биологической проблеме. Научные исследования на этом уровне не имеют цели достигнуть активного применения объектов исследования. Они носят чисто познавательный характер. В учебных целях эти эксперименты также ориентируют только на стандартные методики, которые позволяют однозначно отдифференцировать, отличить объект исследования от других природных субстанций и сущностей при соблюдении постоянных условий эксперимента. С методологической точки зрения здесь в методике наиболее представлен некий шаблон. Она имеет целью установить некие природные истины, догмы и поэтому также может быть охарактеризована как догматическая.

В связи с изложенными выше ограничениями целей и задач генной модификации микроорганизмов понятно, что при разработке и совершенствовании реальных производств микробиологического профиля есть особые требования к основополагающему лабораторному эксперименту. Выполнение лабораторного эксперимента в учебном процессе у будущих технологов должно формировать знания и умения по контролю динамически развивающихся сообществ микроорганизмов-продуцентов и управлению этими процессами с целью выполнения производственной задачи культивирования – получения заданного количества продукции (живой массы, метаболита или переработанного субстрата).

Ферментацией называют культивирование (выращивание) микроорганизмов с целью получения либо самой биомассы, либо продуктов её метаболизма (жизнедеятельности). Само слово происходит от слова фермент. Ферментом называют биологический молекулярный катализатор биохимических реакций, которые приводят к образованию сложнейших из известных соединений живого организма. Образование этих соединений не может протекать спонтанно, но требует преодоления значительного энергетического барье- ра. Поэтому процесс требует особых вспомогательных веществ-катализаторов, уменьшающих энергетический барьер и помогающих его преодолению.

При этом целью исследования является достижение оптимальных показателей по техноэконо-мическим и различным натуральным критериям в изменяющихся условиях эксперимента. Поэтому может использоваться только креативная, гибкая методика, моделирующая постоянно изменяющиеся условия внешней среды. Имеются в виду как субстанциональные показатели (состав, физико-химическое состояние, происхождение), так и социальные (квалификация экспериментатора и состояние условий экспериментирования). Такая методика имеет целью выявить динамические закономерности существования объекта и выявлении возможности для его практического применения. Экспериментирование развивает креативное мышление и дедуктивный подход.

Химический эксперимент как источник знаний о природе биохимических процессов. Этот эксперимент заключается в исследовании закона прироста биомассы с образованием продуктов жизнедеятельности (метаболитов) и потреблением субстратов колонией (или «ансамблем») микроорганизмов. В общем виде этот закон давно известен и носит название уравнения МОНО. Он является частным случаем закона размножения всех организмов. Исследование можно проводить путём непосредственного подсчёта количества микроорганизмов в поле зрения микроскопа или непосредственным подсчётом количества колоний, путём проведения спектральных измерений (по изменению оптических свойств раствора), а также с помощью разных химических анализов [14, 15, 16]. В случае изучения и разработки конкретного биохимического процесса представляет интерес влияние различных известных факторов на количественные характеристики уравнения МОНО (значения входящих в него коэффициентов). Для этого экспериментально проверяют, каким именно образом влияют наиболее известные (значимые) факторы – например, влажность, температура, наличие различных примесей в питательной среде, наличие и отсутствие других микроорганизмов, варьирование методов подготовки воды [2]. Изучение кинетики (законов роста) для микроорганизмов в разных условиях можно проводить как серию однофакторных экспериментов либо как многофакторный эксперимент [3; 27].

Химический эксперимент как основание для создания технологии биохимического производства. Всю технологию рассматривают как последовательность: во-первых – операций подготовки (сырьё [21, с.16 – 19], вода [2; 9], сами продуценты [21, с.22 – 59], во-вторых – собственно ферментации [21, c.19 – 22, c. 80 – 91] и, в-третьих – заключительных операций выделения, очистки и придания товарного вида выпускаемой продукции) [21, с. 92 – 103]. При постановке этого эксперимента, прежде всего, необходимо иметь в виду сам способ культивирования микроорганизмов. Если не считать различные экзотические варианты, существуют два главных способа – глубинное культивирование в объёме раствора и поверхностное или твердофазное – на поверхности твёрдой питательной среды. В обоих случаях главной операцией подготовки выбранного на нулевой фазе проектирования микроорганизма-продуцента является его хранение [11; 28, c. 75 – 84]. Эта операция осуществляется на всех предприятиях биохимического профиля, в каждой микробиологической лаборатории. Выполнение двух лабораторных работ – во-первых, по организации хранения микроорганизмов различными способами и, во-вторых, по контролю сохранения жизнеспособности и технологических свойств микроорганизмов по окончании срока их хранения – является обязательным элементом практикума ферментации. Если имеется в виду производство твёрдофазного культивирования [6], то в этом случае работу целесообразно проводить на двух занятиях. На первом занятии – освоение операций подготовки, к которым относят высушивание, определение массы, влажности, количества добавляемой воды; а на следующем занятии – освоение операций определения выхода продукта ферментации, содержащегося на поверхности питательной среды [29, c. 85 – 100]. На этих двух занятиях целесообразно потренироваться в статистических расчётах, которые позволяют правильно определить технологические параметры с заданной точностью эксперимента либо, наоборот, оценить точность эксперимента по полученным экспериментальным данным.

К типичным операциям подготовки питательной среды в случае глубинного культивирования относят, прежде всего, получение сахаристых растворов путём гидролиза отходов целлюлозосодержащего сырья. Эти растворы после гидролиза целлюлозы содержат гексозы и пентозы, хорошо усваиваемые микроорганизмами и являющиеся непременным компонентом питательных сред, которые могут и должны содержать также и другие компоненты, в том числе, микроэлементы. После лабораторной работы с получением гидролизата растительного сырья, в том числе, из отходов пивоварения, целесообразно провести эксперимент по применению полученного раствора. Таким биотехнологическим производством является, прежде всего, наращивание биомассы дрожжей – хлебопекарных или кормовых для использования в животноводстве и птицеводстве [19].

Только при выполнении относительно простых задач творческий процесс создания нового производства можно разбить на отдельные операции и проследить их последовательность (как в кибернетике). В процессе проектирования выделяют много задач (техноэкономические, функциональные, экологические и другие) [27; 10, c. 225 – 231]. Но последовательность их выполнения с учётом элементов риска контролю не поддаётся. Велика роль человеческого фактора, творческого мышления человека. Наряду с этим целесообразным является непосредственный химический эксперимент, который может дать однозначный ответ на поставленный вопрос.

Химический эксперимент как средство организации контроля и регулирования биохимического производства. Контролировать и регулировать биохимических процесс химическими способами можно путём активирования либо угнетения жизнедеятельности микроорганизмов. В практикуме предложена работа по исследованию эффективности влияния антибиотиков [7], которые можно применять как для стерилизации помещений и оборудования, так и для подавления контаминации (загрязнения посторонними микроорганизмами [17]). Другая работа посвящена иммобилизации – обездвижения микроорганизмов путём прикрепления их к носителям либо путём создания на их поверхности барьерной плёнки, обладающей особыми свойствами [18; 28, c. 52]. К средствам регулирования активности микроорганизмов-продуцентов можно также отнести активирование с помощью специальных добавок [12; 20, c.78 – 79, 83 – 88], особенно, при подготовке посевного материала и засевной культуры (ЧКД – чистая культура дрожжей [22; 26]).

Химический эксперимент как особый вид искусства. Существует множество пособий по описанию методов проведения отдельных операций [1; 4; 5; 6; 8; 13] в химии физиологически активных веществ и с микроорганизмами. К сожалению, мало уделено внимания чисто человеческим факторам – понятиям об эстетическом оформлении эксперимента, требованиям к физическим возможностям экспериментатора – острота зрения и слуха, чувство ритма и равновесия, ловкость владения мелкими предметами, умение работать со стеклянной посудой без нанесения ей значительного ущерба. Известно, что подобная работа, например, рукоделие, стимулирует развитие интеллекта. Огромное значение имеют особенности эмоционально-чувственных характеристиках опытного исследователя – его умение создать рабочий настрой, поддерживать ритм (у каждого может быть свой), настойчивость, вера в свои возможности и эмоциональный подъём в случае успешного завершения научного поиска с получением нового, не всегда обычного результата либо неожиданно простого решения, казалось бы, очень сложной проблемы. Часто таким решением можно гордиться, так как оно даётся всегда с затратой значительных физических, интеллектуальных и эмоциональных усилий. Наконец, «сделать – это ещё полдела». В обязанности экспериментатора входит правильное оформление полученных результатов с приведением аргументации, которая не оставляет сомнений в достоверности опытов. Эти результаты никто не сможет представить так, как сам автор – устно либо письменно, либо графически. Необходимо владеть всеми тремя способами – часто они дополняют друг друга, и простое словесное описание, особенно, в письменном виде, где отсутствует какое-либо эмоциональное сопровождение, не привлекает внимания даже очень заинтересованной аудитории. Именно на стадии описания и обсуждения результатов эксперимента в полной мере проявляется либо эмпирический, либо дедуктивный уровень целей и задач исследования.

Заключение. 1. Процессы в живом организме отличаются особой сложностью, они высокочувствительны к условиям внешней среды, а сами микроорганизмы склонны к изменчивости. Реальные предприятия биохимической и пищевой промышленности настроены на многопрофиль-ность, постоянное варьирование ассортимента. Поэтому трудно ожидать (по крайней мере, в ближайшее время) создания безупречно действующих полностью автоматизированных производств аналогичных таким производствам как создание механических, радиотехнических и тому подобных изделий машиностроения и приборостроения с применением новейших достижений кибернетики и компьютерного моделирования. Роль химического эксперимента остаётся неизменно высокой. Развитие искусства экспериментатора остаётся актуальнейшей задачей подготовки и совершенствования специалиста для биохимического производства [22 – 25], так же как и закрепление навыков терпеливого, кро- потливого и творческого отношения к выполнению этих задач.

• 2.    Экспериментальные задачи технологической направленности развивают креативное мышление и способствуют пробуждению интереса к Химии. Необходимо ориентировать школьных учителей не только на изучение основ химии как таковой, но и на практические технологиче-

• ские проблемы [30]. Это поможет повысить уровень преподавания химии в средних школах, поможет школьникам и даже их родителям более адекватно выбирать будущую профессию. При этом кафедры химикотехнологических специальностей вузов будут комплектовать контингент студентов из числа более подготовленных абитуриентов.

• 1.    Аристовская Т.В., Владимирская М.Е., Голлербах М.М., Катанская Г.А., Кашкин П.Н., Клупт С.Е., Лозина-Лозинский Л.К., Норкина С.П., Румянцева В.М., Селибер Г.Л., Скалон И.С., Скородумова А.М., Хетагурова Ф.В., Частухин В.Я. Большой практикум по микробиологии / ред. Г.Л. Селибер. М., Высшая школа, 1962. 491с.

• 2.    Бахир В.М., Прилуцкий В.И., Шомовская Н.Ю. Электрохимически активированные водные среды - анолит и католит как средство подавления инфекционных процессов // Медицинский алфавит. 2010. Т. 13. № 3. С. 40 – 42.

• 3.    Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии: учеб. пособие для вузов. М., КОЛОСС, 2004. 296 с.

• 4.    Градова Н.Б., Бабусенко Е.С., Горнова И.Б. Лабораторный практикум по общей микробиологии. М., ДеЛи принт, 2004. 144с.

• 5.    Лабораторный практикум по дисциплине Общая биология и микробиология / сост. О.Н. Чечина, Л.П. Кривова. Самара, Сам. гос. техн. ун-т, 2009. 125 с.

• 6.    Лабораторный практикум по технологии ферментных препаратов: учеб. пособие для пищ. специальностей вузов / сост. И.М. Грачева, Ю.П. Грачев, М.С. Мосичев, Е.Г. Борисенко, С.В. Богатков, М.В. Гернет. М., Лег. и пищ. пром., 1982. 240 с.

• 7.    Микробиологические методы определения витаминов, аминокислот и антибиотиков / пер. с анг. М., «Колос», 1968. 160 с.

• 8.    Микробиология: методические рекомендации к лабораторным занятиям, контроль самостоятельной работы студентов / авт.-сост. В.В. Лысак, Р.А. Желдакова. Мн., БГУ, 2002. 97 с.

• 9.    Осадченко И.М., Горлов И.Ф. Технология получения электроактивированной воды, водных растворов и их применение в АПК: монография. Волгоград, Волгоград. науч. изд-во, 2010. 92 с.

• 10.    Основы проектирования и оборудование предприятий биотехнологической промышленности: сб. задач / сост. О.Н. Чечина. Самара, Сам. гос. техн. ун-т, 2012. С. 225 – 231.

• 11.    Патент РФ 2454459. Способ сорбционно-контактного обезвоживания высокодисперсных биологически активных материалов / авт. Давыдкин В.Ю. (RU), Давыдкин И.Ю. (RU), Алёшкин В.А. (RU), Мелихова А.В.(RU), Трофимова Л.И. (RU).

• 12.    Патент РФ2528872. Способ культивирования хлебопекарных дрожжей / авт. Сокол О.В. (RU), Зимичев А.В. (RU), Мартынов К.А. (RU).

• 13.    Практикум по микробиологии / под ред. Н.С. Егорова. М., Изд-во МГУ, 1995. 307 с.

• 14.    Руденко Е.Ю. Лабораторный практикум по дисциплине Микробиология. Изучение морфологии микроорганизмов: учеб. пособ. Самара, Сам ГТУ, 2006. 41с.

• 15.    Руденко Е.Ю. Лабораторный практикум по дисциплине Микробиология. Выделение чистой культуры микроорганизмов: учеб. пособ. Самара, Сам ГТУ, 2006. 67с.

• 16.    Руденко Е.Ю. Лабораторный практикум по дисциплине Микробиология. Изучение чистой культуры микроорганизмов: учеб. пособ. Самара, Сам ГТУ, 2006. 41с.

• 17.    Руденко Е.Ю. Пищевая микробиология: лабор. практ. Самара, Самар. гос. техн. ун-т, 2014. 52 с.

• 18.    Руководство к практическим занятиям по заводской технологии лекарственных форм /авт. Г.П. Грядунова, Л.М. Козлова, Т.П. Литвинова; под ред. А.И. Тенцовой. М., Медицина, 1986. 272 с.

• 19.    Товароведение и экспертиза продовольственных товаров: лабораторный практикум для специальности 080401 и направления подготовки 100800 / под ред. А.В. Зимичева; сост. А.В. Зимичев, Л.П. Кривова, О.Н. Чечина, А.Ф. Шевченко. Самара, Сам. гос. техн. ун-т, 2013. 314 с. Ч.1., работа №5.

• 20.    Чечина О.Н. Биотехнологии в Самарском регионе: монография в 2-х ч. Ч.І. Концепция биотехнологий. Этапы обучения. Ч.II. Практические биотехнологии и методики. Самара, Изд-во Сам ГТУ, 2014. 90 с.

• 21.    Чечина О.Н. Общая биотехнология: учеб. пособ. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. 232 с.

• 22.    Чечина О.Н. Биотехнологические основы пищевых производств и их проблемы (методические основы обучения специалистов в вузе) // Известия Самарского научного центра РАН. Социальные, гуманитарные, медикобиологические науки. Том 19, №3, 2017. С. 121 – 124.

• 23.    Чечина О.Н. О трудностях внедрения математизированных методов в технической химии // Известия Самарского научного центра РАН. Социальные, гуманитарные, медико-биологические науки. Том 18, №1, 2016. С. 19 – 23.

• 24.    Чечина О.Н. Специфика и методология обучения биотехнологов в высшей школе // Известия Самарского научного центра РАН. Социальные, гуманитарные, медико-биологические науки. Том 19, №2, 2017. С.127 – 130.

• 25.    Чечина О.Н. Электрохимический метод в учебном плане биотехнологов // Известия Самарского научного центра РАН. Социальные, гуманитарные, медико-биологические науки. Том 19, №4, 2017. С.135 – 139.

• 26.    Чечина О.Н., Зимичев А.В. Экологическая биотехнология: лабор. практ. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2012. С. 28 – 30.

• 27.    Научно-методические основы применения математических методов в биотехнологии: монография. Самара, Сам. Гос. техн. ун-т, 2018. 158 с.

• 28.    Чечина О.Н. Научно-методические основы проектирования биохимических предприятий: монография. Самара, Сам. гос. техн. ун-т, 2018. 103 с.

• 29.    Чечина О.Н. Промышленная ферментация: монография. Самара, Сам. Гос. техн. ун-т, 2018. 125 с.

• 30.    Галямова А.М. Исследование хлебопечения с водой, активированной бездиафрагменным электролизом: конкурсная работа по программе «ВЗЛЁТ» (руководитель Абдуразакова В.П., научный консультант Чечина О.Н.). Самара, ФГБОУ ВО Сам ГТУ, кафедра ТПП и ПКП. 2017. 26 с.

WORKSHOP AND LABORATORY EXPERIMENT IN THE TRAINING PROGRAMIN HIGH SCHOOL. THE ROLE OF THE FERMENTATION WORKSHOP