植物纖維化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的思考與改革*

馬巧智，蔣恩臣

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院， 廣東 廣州 510642)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)作為一所以農(nóng)業(yè)科學(xué)和生命科學(xué)為優(yōu)勢的省部共建大學(xué)，在轉(zhuǎn)型改革過程中，將熱能工程、化學(xué)工程、農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程等學(xué)科進(jìn)行交叉整合，在2011年成立了能源與環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)，并在2014年成為廣東省戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)特色專業(yè)[1]。能源與環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)以廣東省新能源產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃為導(dǎo)向，以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能、太陽能和風(fēng)能等可再生資源的高效轉(zhuǎn)化利用為目標(biāo)， 培養(yǎng)具有基礎(chǔ)能源轉(zhuǎn)化理論、清潔能源開發(fā)能力的高級復(fù)合型工程技術(shù)人才[2]。

生物質(zhì)資源是自然界中唯一含碳的可再生資源，因其年產(chǎn)量大，零CO2排放等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[3]，在當(dāng)前的“碳中和”和“碳達(dá)峰”大背景下，針對生物質(zhì)資源的高值化利用引起了各界的重視，也成為國民經(jīng)濟(jì)未來發(fā)展的重點(diǎn)之一[4]。生物質(zhì)能源作為可再生能源的重要分支，是能源與環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)主要培養(yǎng)方向之一，本專業(yè)圍繞生物質(zhì)能源開設(shè)了植物纖維化學(xué)、生物質(zhì)能源工程、能源生物技術(shù)、沼氣工程、生物質(zhì)資源學(xué)等一系列專業(yè)核心課程和專業(yè)拓展課程。

植物纖維化學(xué)課程主要研究生物質(zhì)原料中植物纖維原料的生物結(jié)構(gòu)及分組構(gòu)成，重點(diǎn)研究三大組分：纖維素、半纖維素和木素的分布規(guī)律、物理性質(zhì)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)、分離方法與轉(zhuǎn)化利用途徑[5]。植物纖維化學(xué)課程內(nèi)容涉及面廣、知識點(diǎn)多、綜合性強(qiáng)，既為后續(xù)生物質(zhì)能源工程、沼氣工程等課程提供了理論知識基礎(chǔ)，也為生物質(zhì)資源的高值轉(zhuǎn)化和綜合利用提供了思路和方法。

1 植物纖維化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的重要性

植物纖維化學(xué)是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程[6]。理論知識涉及到有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、現(xiàn)代儀器分析和部分植物學(xué)等課程內(nèi)容[7]，通過“植物纖維原料的生物結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成”、“木素”、“纖維素”、“半纖維素”四個(gè)章節(jié)，系統(tǒng)地闡述了植物纖維化學(xué)的基本概念、基本理論和基本應(yīng)用，從理論知識出發(fā)落腳于實(shí)踐應(yīng)用。植物纖維化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)，是基于學(xué)生在植物纖維化學(xué)理論課中所學(xué)的理論知識，針對植物纖維原料中不同組分的物理、化學(xué)性質(zhì)，采用烘干、灼燒、抽提、降解、分離檢測等方法，對原料組分進(jìn)行定性定量分析。實(shí)驗(yàn)課程的開展不僅能加深學(xué)生對理論知識的理解，更能使學(xué)生了解到理論知識是如何轉(zhuǎn)化為實(shí)踐應(yīng)用的。好的實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)該在理論與實(shí)踐之間起到橋梁與紐帶的作用，讓學(xué)生思考如何能將自己學(xué)到的知識應(yīng)用到后續(xù)的科研和工作中，避免產(chǎn)生理論與實(shí)踐脫節(jié)的情況。

植物纖維化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)主要包括三個(gè)方面：①能夠?qū)χ参锢w維原料全組分進(jìn)行定性定量分析；②掌握實(shí)驗(yàn)基本原理和分析方法，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程；③熟練掌握相關(guān)儀器設(shè)備的操作方法，并理解其工作原理。實(shí)驗(yàn)課程是教學(xué)體系中的重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)技能的教學(xué)鞏固并擴(kuò)大對理論知識的理解，使學(xué)生掌握常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法和基本操作技能，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，并養(yǎng)成客觀嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。最終，使學(xué)生成為既有扎實(shí)理論基礎(chǔ)，又能解決實(shí)際問題的技術(shù)人才。

2 目前實(shí)驗(yàn)課程存在的問題

當(dāng)前的植物纖維化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容主要圍繞植物纖維原料的組分測定展開，包含以下四個(gè)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(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2O而揮發(fā)，剩下的礦物性的殘?jiān)礊榛曳?；②苯醇抽提物的測定：植物纖維原料通常采用水、有機(jī)溶劑、堿等為抽提介質(zhì)，不同介質(zhì)下抽提物成分有很大差異，根據(jù)不同測定目的選取恰當(dāng)?shù)某樘峤橘|(zhì)。本實(shí)驗(yàn)作為后續(xù)木素和綜纖維素測定的前置實(shí)驗(yàn)，選取有機(jī)溶劑中的苯醇混合液作為抽提介質(zhì)，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(jù)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(jīng)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?jiān)礊樗岵蝗苣舅?。水解液中酸溶木素的測定則依據(jù)木素對紫外吸收光譜的特性吸收性，使用紫外分光光度計(jì)測定紫外吸收光譜中205 nm特征吸收峰的吸收值，計(jì)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(guī)植物纖維化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與專業(yè)方向的不適配

植物纖維化學(xué)是輕化工程專業(yè)制漿造紙方向的專業(yè)基礎(chǔ)課程，早期教材編寫和教學(xué)內(nèi)容編排較多圍繞植物纖維原料與制漿造紙之間的聯(lián)系展開，《植物纖維化學(xué)(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(jié)，盡可能反映本課程領(lǐng)域相關(guān)的國內(nèi)外最新科研進(jìn)展，以適用于林產(chǎn)化工、天然產(chǎn)物、生物資源科學(xué)與工程等除制漿造紙外的其他專業(yè)。植物纖維化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)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(shù)測定方法均來源于制漿造紙相關(guān)的國標(biāo)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(jià)值的重要指標(biāo)。而對于生物質(zhì)能源方向，由于構(gòu)成纖維素和半纖維素的單糖種類不同，催化轉(zhuǎn)化后得到的水解產(chǎn)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(jìn)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(guī)，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的容錯(cuò)率較高，比較容易得到較為準(zhǔn)確的測定結(jié)果，因此實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果中含有少量聚戊糖，并不能真實(shí)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(fā)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(biāo)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(zhuǎn)化為糠醛，但糠醛作為被檢測的產(chǎn)物并不穩(wěn)定，在水解過程中易分解，因此對水解反應(yīng)過程的鹽酸濃度、反應(yīng)溫度、蒸餾速度都需要精確控制，對學(xué)生操作過程的容錯(cuò)率較低，測定結(jié)果誤差較大。因此絕大多數(shù)植物纖維化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程只測定綜纖維素，不單獨(dú)測定纖維素和半纖維素。而對于生物質(zhì)能源方向來說，纖維素和半纖維素的單獨(dú)測定更具有應(yīng)用意義，對專業(yè)研究更為重要。

2.2 常規(guī)植物纖維化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析檢測方法與現(xiàn)階段專業(yè)應(yīng)用的差距

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置從整體上來說操作較為簡單，對現(xiàn)代儀器設(shè)備要求較低，多數(shù)實(shí)驗(yàn)的測定方法對于物質(zhì)組分的定量分析依然采用稱量質(zhì)量的方法。大部分分析檢測方法為國標(biāo)方法，方案成熟、通用性強(qiáng)、具有權(quán)威性，但有部分檢測方法由于參考的國標(biāo)年代較早，方法相對較為老舊。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代儀器設(shè)備的開發(fā)和更新，部分組分的國際公認(rèn)分析檢測方法更為簡單、檢測結(jié)果也更加準(zhǔn)確。例如前述關(guān)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(jì)算對應(yīng)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(jìn)行衍生化，使單糖轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性衍生物，液相色譜則較少使用。生物質(zhì)能源領(lǐng)域的研究和相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)都隨著前沿技術(shù)的革新在不斷發(fā)展，而學(xué)校的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)依舊相對保守，與現(xiàn)階段行業(yè)應(yīng)用具有明顯差距，不利于人才的培養(yǎng)和后續(xù)學(xué)生與行業(yè)的接洽。

3 結(jié)合專業(yè)需求的教學(xué)改革思路

3.1 調(diào)整課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

針對上述存在的問題，可以結(jié)合專業(yè)文獻(xiàn)與實(shí)驗(yàn)室可用現(xiàn)代儀器設(shè)備調(diào)整分析檢測方法。例如關(guān)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(shí)驗(yàn)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(yīng)1 h，期間每隔 5～10 min在不離開水浴的條件下進(jìn)行一次攪拌，使原料和濃硫酸充分反應(yīng)，此步驟為濃酸水解，此時(shí)水解產(chǎn)物呈糊精狀態(tài)，聚合度約為10；濃酸水解反應(yīng)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(zhuǎn)移至121 ℃的油浴鍋中反應(yīng)1 h，此步驟為稀酸水解，此時(shí)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(yīng)液經(jīng)過水相濾頭過濾后保存在進(jìn)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(jì)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(jié)果較為準(zhǔn)確，可以通過一個(gè)反應(yīng)同時(shí)得到兩個(gè)組分的檢測結(jié)果，在植物纖維原料組分分析中具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，是國際同行中公認(rèn)的檢測方法。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代儀器設(shè)備的使用能力

分析測試方法包含化學(xué)分析和儀器分析兩類，植物纖維化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容多數(shù)屬于化學(xué)分析，這類方法發(fā)展較早，是經(jīng)典的分析方法，但過程繁雜、耗時(shí)較長。隨著科技的發(fā)展，儀器分析方法應(yīng)用范圍日益廣泛，通過測量、表征物質(zhì)的物理或理化性質(zhì)參數(shù)，可以確定其化學(xué)組成、含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)，除了對物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析,還可以進(jìn)行物質(zhì)的狀態(tài)、價(jià)態(tài)和結(jié)構(gòu)的分析。儀器分析具有分析速度快、靈敏度高、重現(xiàn)性好、試樣用量少等特點(diǎn)，掌握儀器分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)是自然科學(xué)領(lǐng)域工作者必備的能力。在調(diào)整后的纖維素和半纖維的測定中，水解產(chǎn)物單糖的檢測使用了高效液相色譜。通過現(xiàn)場對儀器結(jié)構(gòu)的介紹、原理的講解，鞏固理論知識，并學(xué)習(xí)儀器的實(shí)際操作流程。了解流動相選擇標(biāo)準(zhǔn)、配制方法、預(yù)處理規(guī)范，了解色譜柱和檢測器的選擇依據(jù)，學(xué)習(xí)建立方法文件設(shè)置儀器檢測參數(shù)，學(xué)習(xí)使用外標(biāo)法計(jì)算檢測樣品濃度：通過配制不同濃度標(biāo)樣繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)樣品出峰位置及峰面積，確定產(chǎn)物種類并計(jì)算其濃度。這對現(xiàn)代儀器分析課程只開設(shè)了理論課沒有實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生們來說，是一個(gè)學(xué)習(xí)使用現(xiàn)代儀器設(shè)備的機(jī)會，消除學(xué)生對現(xiàn)代儀器設(shè)備的距離感和畏懼感，培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代儀器設(shè)備的實(shí)際操作能力。

4 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)課程對學(xué)生培養(yǎng)的最終目的是將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐應(yīng)用，生物質(zhì)能源作為新能源產(chǎn)業(yè)中的重要構(gòu)成，正走在科技的前沿飛速發(fā)展，針對能源與環(huán)境工程專業(yè)的需求，專業(yè)課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)應(yīng)不斷地更新完善，最終培養(yǎng)擁有扎實(shí)理論知識、掌握先進(jìn)方法技術(shù)、能快速與行業(yè)接軌的復(fù)合型技術(shù)人才。