植物纖維化學實驗課程的思考與改革*

馬巧智，蔣恩臣

(華南農業大學材料與能源學院， 廣東 廣州 510642)

華南農業大學作為一所以農業科學和生命科學為優勢的省部共建大學，在轉型改革過程中，將熱能工程、化學工程、農業生物環境與能源工程等學科進行交叉整合，在2011年成立了能源與環境系統工程專業，并在2014年成為廣東省戰略新興產業特色專業[1]。能源與環境系統工程專業以廣東省新能源產業的戰略發展規劃為導向，以實現生物質能、太陽能和風能等可再生資源的高效轉化利用為目標， 培養具有基礎能源轉化理論、清潔能源開發能力的高級復合型工程技術人才[2]。

生物質資源是自然界中唯一含碳的可再生資源，因其年產量大，零CO2排放等優點而備受關注[3]，在當前的“碳中和”和“碳達峰”大背景下，針對生物質資源的高值化利用引起了各界的重視，也成為國民經濟未來發展的重點之一[4]。生物質能源作為可再生能源的重要分支，是能源與環境系統工程專業主要培養方向之一，本專業圍繞生物質能源開設了植物纖維化學、生物質能源工程、能源生物技術、沼氣工程、生物質資源學等一系列專業核心課程和專業拓展課程。

植物纖維化學課程主要研究生物質原料中植物纖維原料的生物結構及分組構成，重點研究三大組分：纖維素、半纖維素和木素的分布規律、物理性質、化學結構、化學性質、分離方法與轉化利用途徑[5]。植物纖維化學課程內容涉及面廣、知識點多、綜合性強，既為后續生物質能源工程、沼氣工程等課程提供了理論知識基礎，也為生物質資源的高值轉化和綜合利用提供了思路和方法。

1 植物纖維化學實驗課程的重要性

植物纖維化學是一門理論性和實踐性都很強的課程[6]。理論知識涉及到有機化學、物理化學、現代儀器分析和部分植物學等課程內容[7]，通過“植物纖維原料的生物結構與化學組成”、“木素”、“纖維素”、“半纖維素”四個章節，系統地闡述了植物纖維化學的基本概念、基本理論和基本應用，從理論知識出發落腳于實踐應用。植物纖維化學實驗課程的設計，是基于學生在植物纖維化學理論課中所學的理論知識，針對植物纖維原料中不同組分的物理、化學性質，采用烘干、灼燒、抽提、降解、分離檢測等方法，對原料組分進行定性定量分析。實驗課程的開展不僅能加深學生對理論知識的理解，更能使學生了解到理論知識是如何轉化為實踐應用的。好的實驗課程應該在理論與實踐之間起到橋梁與紐帶的作用，讓學生思考如何能將自己學到的知識應用到后續的科研和工作中，避免產生理論與實踐脫節的情況。

植物纖維化學實驗教學內容和教學目標主要包括三個方面：①能夠對植物纖維原料全組分進行定性定量分析；②掌握實驗基本原理和分析方法，能夠根據實驗目的設計實驗流程；③熟練掌握相關儀器設備的操作方法，并理解其工作原理。實驗課程是教學體系中的重要組成部分，通過實驗技能的教學鞏固并擴大對理論知識的理解，使學生掌握常規實驗方法和基本操作技能，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，并養成客觀嚴謹、實事求是的科學態度。最終，使學生成為既有扎實理論基礎，又能解決實際問題的技術人才。

2 目前實驗課程存在的問題

當前的植物纖維化學實驗課程內容主要圍繞植物纖維原料的組分測定展開，包含以下四個模塊：①水分和灰分的測定：水分的測定采用干燥法，即將試樣放在105±2 ℃的電熱烘箱中干燥至恒重，所失去的重量即為試樣水分的含量；灰分測定，將試樣在575±25 ℃的馬弗爐中灼燒，使試樣中的有機物轉變為CO2和H2O而揮發，剩下的礦物性的殘渣即為灰份；②苯醇抽提物的測定：植物纖維原料通常采用水、有機溶劑、堿等為抽提介質，不同介質下抽提物成分有很大差異，根據不同測定目的選取恰當的抽提介質。本實驗作為后續木素和綜纖維素測定的前置實驗，選取有機溶劑中的苯醇混合液作為抽提介質，可溶出植物纖維原料中的樹脂、脂肪、蠟和部分單寧、色素；③木素的測定：木素根據其特性可分為酸不溶木素和酸溶木素。酸不溶木素可采用Klason木素法測定，即抽提后原料先經過72% H2SO4濃酸水解，后用4% H2SO4稀酸水解，使纖維素、半纖維素水解為單糖，剩余殘渣即為酸不溶木素。水解液中酸溶木素的測定則依據木素對紫外吸收光譜的特性吸收性，使用紫外分光光度計測定紫外吸收光譜中205 nm特征吸收峰的吸收值，計算酸溶木素含量。酸不溶木素和酸溶木素含量之和即為總木素含量；④綜纖維素的測定：綜纖維素是指植物纖維原料中纖維素和半纖維素的總和，亞氯酸鈉法測定綜纖維素可以快速除去木素并能保持纖維素和半纖維素不受破壞，適用于各種木材和非木材植物纖維原料。

2.1 常規植物纖維化學實驗課程內容與專業方向的不適配

植物纖維化學是輕化工程專業制漿造紙方向的專業基礎課程，早期教材編寫和教學內容編排較多圍繞植物纖維原料與制漿造紙之間的聯系展開，《植物纖維化學(第四版)》教材有了較大改動，增加了如纖維素功能材料、植物纖維原料制取燃料乙醇、半纖維素的綜合利用等小節，盡可能反映本課程領域相關的國內外最新科研進展，以適用于林產化工、天然產物、生物資源科學與工程等除制漿造紙外的其他專業。植物纖維化學實驗課程的內容主要與理論課程相匹配，其參考教材主要為《制漿造紙分析與檢測》，因此多數測定方法均來源于制漿造紙相關的國標方法，且相對老舊，而測定對象則更傾向制漿造紙中的概念和意義。

例如綜纖維素的測定，纖維素和半纖維素作為紙漿主要成分的來源，綜纖維素的含量是鑒別植物纖維原料制漿造紙使用價值的重要指標。而對于生物質能源方向，由于構成纖維素和半纖維素的單糖種類不同，催化轉化后得到的水解產物具有較大差別，因此需要對植物纖維原料中的纖維素和半纖維素分別進行測定。由于參考參考教材中，綜纖維素的測定方法較為簡單可控，操作較為常規，對學生實驗過程的容錯率較高，比較容易得到較為準確的測定結果，因此實驗課程安排基本選擇綜纖維素的測定。纖維素的測定方法由于尚無國家標準方法[8]，參考教材選擇了硝酸-乙醇纖維素測定方法，但該方法的測定結果中含有少量聚戊糖，并不能真實反映原料中纖維素的含量，且硝酸-乙醇混合液在配制過程中容易發生爆炸。半纖維素(聚戊糖)的測定方法，參考教材列舉了兩種國標方法：溴化法和分光光度法，不論是哪種方法都需要將聚戊糖水解轉化為糠醛，但糠醛作為被檢測的產物并不穩定，在水解過程中易分解，因此對水解反應過程的鹽酸濃度、反應溫度、蒸餾速度都需要精確控制，對學生操作過程的容錯率較低，測定結果誤差較大。因此絕大多數植物纖維化學實驗課程只測定綜纖維素，不單獨測定纖維素和半纖維素。而對于生物質能源方向來說，纖維素和半纖維素的單獨測定更具有應用意義，對專業研究更為重要。

2.2 常規植物纖維化學實驗分析檢測方法與現階段專業應用的差距

現有的實驗課程設置從整體上來說操作較為簡單，對現代儀器設備要求較低，多數實驗的測定方法對于物質組分的定量分析依然采用稱量質量的方法。大部分分析檢測方法為國標方法，方案成熟、通用性強、具有權威性，但有部分檢測方法由于參考的國標年代較早，方法相對較為老舊。隨著檢測技術的發展，現代儀器設備的開發和更新，部分組分的國際公認分析檢測方法更為簡單、檢測結果也更加準確。例如前述關于纖維素和半纖維的測定方法，可以通過高效液相色譜的示差折光檢測器直接檢測單糖，從而計算對應的纖維素和半纖維素含量。而在早期的參考教材中，單糖的儀器檢測使用氣象色譜，在檢測前還需先進行衍生化，使單糖轉化為揮發性衍生物，液相色譜則較少使用。生物質能源領域的研究和相關行業的產業化推進都隨著前沿技術的革新在不斷發展，而學校的實驗課程教學依舊相對保守，與現階段行業應用具有明顯差距，不利于人才的培養和后續學生與行業的接洽。

3 結合專業需求的教學改革思路

3.1 調整課程內容設計

針對上述存在的問題，可以結合專業文獻與實驗室可用現代儀器設備調整分析檢測方法。例如關于纖維素和半纖維素的測定方法，可參考美國國家可再生能源實驗室的檢測方法[9]：取0.3 g原料樣品置于150 mL厚壁耐壓管中，加入3 mL(4.92 g)72% H2SO4并用玻璃棒攪拌1 min使原料和濃硫酸混合均勻，將厚壁耐壓管置于(30±3) ℃恒溫水浴中反應1 h，期間每隔 5～10 min在不離開水浴的條件下進行一次攪拌，使原料和濃硫酸充分反應，此步驟為濃酸水解，此時水解產物呈糊精狀態，聚合度約為10；濃酸水解反應完成后，向厚壁耐壓管中加入84 mL蒸餾水使硫酸濃度降低到4%，將厚壁耐壓管轉移至121 ℃的油浴鍋中反應1 h，此步驟為稀酸水解，此時纖維素和半纖維素會完全水解為葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等單糖。用注射器吸取1.5 mL反應液經過水相濾頭過濾后保存在進樣瓶中，通過高效液相色譜檢測得到水解液中單糖濃度，從而計算原料中纖維素和半纖維素的含量。該檢測方法操作簡單、結果較為準確，可以通過一個反應同時得到兩個組分的檢測結果，在植物纖維原料組分分析中具有較高的實際應用價值，是國際同行中公認的檢測方法。

3.2 培養學生對現代儀器設備的使用能力

分析測試方法包含化學分析和儀器分析兩類，植物纖維化學實驗課程的內容多數屬于化學分析，這類方法發展較早，是經典的分析方法，但過程繁雜、耗時較長。隨著科技的發展，儀器分析方法應用范圍日益廣泛，通過測量、表征物質的物理或理化性質參數，可以確定其化學組成、含量及化學結構，除了對物質進行定性定量分析,還可以進行物質的狀態、價態和結構的分析。儀器分析具有分析速度快、靈敏度高、重現性好、試樣用量少等特點，掌握儀器分析實驗技術是自然科學領域工作者必備的能力。在調整后的纖維素和半纖維的測定中，水解產物單糖的檢測使用了高效液相色譜。通過現場對儀器結構的介紹、原理的講解，鞏固理論知識，并學習儀器的實際操作流程。了解流動相選擇標準、配制方法、預處理規范，了解色譜柱和檢測器的選擇依據，學習建立方法文件設置儀器檢測參數，學習使用外標法計算檢測樣品濃度：通過配制不同濃度標樣繪制標準曲線，根據樣品出峰位置及峰面積，確定產物種類并計算其濃度。這對現代儀器分析課程只開設了理論課沒有實驗課的學生們來說，是一個學習使用現代儀器設備的機會，消除學生對現代儀器設備的距離感和畏懼感，培養學生對現代儀器設備的實際操作能力。

4 結 語

實驗課程對學生培養的最終目的是將理論轉化為實踐應用，生物質能源作為新能源產業中的重要構成，正走在科技的前沿飛速發展，針對能源與環境工程專業的需求，專業課程的內容設計應不斷地更新完善，最終培養擁有扎實理論知識、掌握先進方法技術、能快速與行業接軌的復合型技術人才。