中美生物质化学实验分析标准比较研究与应用实践

朱莉伟 宋先亮 王 堃 赵永虎 蒋建新

1.北京林业大学材料科学与技术学院 北京 100083 2.林业生物质材料与能源教育部工程研究中心 北京 100083

随着化石能源的逐渐枯竭和全球气候变暖，生物质能源越来越受到世界各国的普遍关注[1,2]。结合国家能源发展战略和生态文明建设需要，2013年北京林业大学材料学院增设了一个梁希实验班，2018年林产化工系又新增了生物质能源科学与工程专业方向，旨在培养具有高度社会责任感和良好科学素养的生物质新能源专业人才。在梁希班和新专业方向的培养方案中生物质化学实验是一门非常重要的专业基础课，是与生物质化学理论课相辅相成的主干课程，二者在生物质新能源专业人才培养中起着承上启下的作用。

生物质化学实验课程的教学内容主要包括：农林生物质原料的生物结构、全组分分析(灰分、抽提物、纤维素、木素、聚戊糖等)及非粮原料淀粉含量的测定3部分。重点要求学习和掌握木本生物质原料纤维素、木质素和半纤维三大素组成、结构、性质和标准定量测定的原理和方法。实验授课时间安排在本科二年级下学期，共24学时。

1 国内外生物质化学实验分析标准的对比研究

国内生物质化学实验课程中对于生物质原料所有化学组分(灰分除外)的分析法均参考1995年之前修订的造纸行业的国家标准[3-7]。2018年2月全国林业生物质材料标准化技术委员会才首次发布生物质原料分析方法《多糖及木质素的测定》国家标准[8]，2018年9月正式实施，其中对生物质原料的灰分、有机溶剂抽出物、综纤维素(即多糖)及酸不溶木素的测定方法与造纸行业的国标基本相同，全部是采用重量法这种传统经典的化学分析法。随着现代仪器分析技术的不断发展和广泛应用，以及生物质资源利用技术的蓬勃发展，欧美国家早在1991年就在美国召开了国际能源关于木材、一年生植物和木质素现代分析方法专题讨论会，美国国家可再生能源实验室(NREL)2008—2012年间先后制订了一系列生物质原料系统分析标准[9-11]，这些标准具有很高的权威性，已得到国际上各相关研究机构的广泛采用(见表1)。

表1 国内外不同行业标准中生物质原料分析方法对比

由表1对比可以看出，国内外标准对于生物质原料灰分、抽提物和木素的分析方法基本相同，但是对纤维素、聚戊糖和多糖的分析方法大相径庭，差别较大。国内标准分析法需要分别采用硝酸乙醇法、盐酸法和亚氯酸钠法3种方法才能得出相应结果，而它们的具体操作基本相同，均为重量法和容量法这两种传统经典的化学分析法。此外在生物质化学实验的实际教学中，由于亚氯酸钠为有毒危险化学试剂，购买手续烦琐，实验过程中会不断分解产生二氧化氯等有毒化合物，受实验安全性差等因素的影响，故对多糖含量的测定实验一般不作要求，至今未列入教学大纲中。国标法在实际教学实践中存在的主要问题是实验步骤重复烦琐，实验技能单一，耗用时间长，实验结果平行性差，严重影响实验效果；而且原料和试剂用量多，产生的酸性废液量大，环境污染严重。

美国NREL标准分析方法则不需要另外再作处理，只是留取木素测定时的部分水解液，采用高效液相色谱法就可以同时测定出原料中各种单糖的浓度，通过计算得出聚己糖、聚戊糖和多糖的含量，将生物质原料中纤维素、半纤维素和木素这三大素的测定综合在一个实验中即可完成。因此，美国NREL标准分析完美融合了现代仪器分析手段与经典化学分析法，大大简化了实验过程，不仅能够全面、系统地完成生物质原料全组分的分析，缩短实验时间，而且化学试剂的用量和废液的处理量将大幅度减少，实验更为环保、安全。

2 美国NREL标准分析方法在生物质化学实验课程中的应用实践

2.1 新标准法应用于生物质化学实验教学的依据

国内对生物质原料的测定方法全部是采用传统经典的化学分析法。它的优点在于对设备要求不高，投入少，操作简单，适应于过去高校实验室建设经费不足、设备配置简单、实验条件简陋的状况。随着科技的发展，现代仪器分析技术在科研工作中发挥着越来越重要的作用，高校本科人才教育也要紧跟世界先进科技的潮流，努力改善本科教学实验室环境与条件，逐步提升实验室的仪器设备和管理水平[12]。近几年北京林业大学利用中央高校改善基本办学条件专项资金用于本科教学实验室设备购置和实践人才培养项目，建立起了由“学校、学院、系到专业”4级大型仪器开放共享平台。仅林化专业公共分析测试平台就购置了气相色谱、液相色谱、GPC、紫外和红外等现代分析仪器，学院专业实验室配置有核磁共振、气质联用和热重分析仪等，这些仪器过去主要用于教师、研究生或大四本科毕业生的科研工作。现在学校加大公共分析测试平台的开放力度，鼓励优质资源共享机制建设。这些都为实验教学的改革提供了非常有利的条件和制度保障。

目前国内学生在科研实验中也多参照美国NREL标准分析方法，现阶段教学与科研明显脱节，教学内容滞后于科研的发展需求。因此，本科阶段对大型仪器的实践操作技能的培养显得尤为重要，这有利于学生对理论课的理解和掌握，帮助学生对前沿实验技术的了解和掌握，提高学生综合实践能力和科研创新能力，为今后开展大学生创新项目和科研工作奠定基础，为高水平、高素质、复合型人才培养创造条件。这是实验教学改革的内在要求和动力。

北京林业大学林产化学加工工程学科作为国家“985”优势学科平台建设学科，拥有“林木生物质化学”北京市重点实验室及“林业生物质材料与能源”教育部工程研究中心。作为以科研型为主的学院，本科教学实践课程应坚持国际国内相结合，产学研相结合，理论与实践相结合的教学改革思路，因此迫切需要探究国外新标准分析方法在生物质化学实验教学中的应用和实践。

2.2 应用实践的具体方案

先以梁希班的生物质化学实验课程为试点，以南方松为原料，将全班学生2人1组分组，7个小组采用国标分析方法，6个小组采用美国NREL/TP-510-42618标准测定南方松三大素含量，将两种方法得到的测定结果、实验时间、试剂用量和废液总量进行对比，总结经验，下一步再考虑在其他班级推广使用。

2.3 实验结果与分析

国内外标准分析方法测定南方松原料三大素的具体实验数据见表2。

表2 国内外标准分析方法测定的具体实验数据(以南方松为例)

由表2中国内外标准分析方法对于南方松原料中纤维素含量、聚戊糖含量和酸不溶木素含量的测定结果可以看出，美国NREL标准分析法的相对标准偏差(RSD)均明显低于国标法，这说明美国NREL标准分析法测试结果的精密度较好，实验的平行性较好，学生较容易掌握。其中酸不溶木素含量的测定结果国内外标准分析方法得出的结果非常接近，说明这两种方法都是可行且可靠的。但是对纤维素含量的测定，国标分析法需要4～5次重复处理才能得到较纯净的纤维素，在实际教学过程中，由于学时有限，一般只要求完成2次操作，得到的纤维素中仍含有其他杂质，故最终的实验结果要高于真实值，各组之间的标准偏差也比较大，可信度差。对于聚戊糖含量的测定，国标法实验步骤烦琐，实验影响因素多，原料中的己糖也会参与反应，所以一般测定结果也会偏高；美国NREL标准法更接近真实值。因此对比实验测定结果的准确性和精密度，美国NREL标准法都要优于国标法。

此外，在实际应用实践中，美国NREL标准法所需试剂用量仅为国标法的1%，原料用量只需国标法的1/10，实验产生的废液量为国标法的1/7，总体实验时间缩短了一半，大大提高了实验效率和效果。

2.4 实验总结

美国NREL标准法在生物质化学实验教学中的应用实践充分体现了以下几方面的特色：(1)现代仪器分析与传统经典化学分析方法相结合，教学与科研相结合；(2)大大简化了实验过程，缩短了实验时间，更为高效精准；(3)化学试剂的用量和废液的处理量大幅度减少，实验更为安全可靠、绿色环保；(4)实验原料用量小，对于一些珍贵材料样品的分析成为可能。美国NREL标准分析方法在生物质化学实验教学的应用是切实可行的，实践取得了初步的成功，这为下一步继续推广奠定了基础。

3 结语

现代科技都向高、尖、精方向发展，对于实验教师而言，不仅要具备一定的学科素养和专业知识，而且要能紧跟世界潮流，能够熟练掌握现代仪器分析测试新技术，与时俱进，不断改进实验教学。如果将科研实验室大型仪器纳入到本科教学过程中，将要求实验教师具备应用现代分析仪器的能力，维护管理好实验仪器的正常使用，同时还要求保证实验室的使用安全，尽量不影响科研工作的正常运转，这些都对实验教师的教学水平和对实验室的管理能力提出新的挑战。