植物纤维化学实验课程的思考与改革*

马巧智，蒋恩臣

(华南农业大学材料与能源学院， 广东 广州 510642)

华南农业大学作为一所以农业科学和生命科学为优势的省部共建大学，在转型改革过程中，将热能工程、化学工程、农业生物环境与能源工程等学科进行交叉整合，在2011年成立了能源与环境系统工程专业，并在2014年成为广东省战略新兴产业特色专业[1]。能源与环境系统工程专业以广东省新能源产业的战略发展规划为导向，以实现生物质能、太阳能和风能等可再生资源的高效转化利用为目标， 培养具有基础能源转化理论、清洁能源开发能力的高级复合型工程技术人才[2]。

生物质资源是自然界中唯一含碳的可再生资源，因其年产量大，零CO2排放等优点而备受关注[3]，在当前的“碳中和”和“碳达峰”大背景下，针对生物质资源的高值化利用引起了各界的重视，也成为国民经济未来发展的重点之一[4]。生物质能源作为可再生能源的重要分支，是能源与环境系统工程专业主要培养方向之一，本专业围绕生物质能源开设了植物纤维化学、生物质能源工程、能源生物技术、沼气工程、生物质资源学等一系列专业核心课程和专业拓展课程。

植物纤维化学课程主要研究生物质原料中植物纤维原料的生物结构及分组构成，重点研究三大组分：纤维素、半纤维素和木素的分布规律、物理性质、化学结构、化学性质、分离方法与转化利用途径[5]。植物纤维化学课程内容涉及面广、知识点多、综合性强，既为后续生物质能源工程、沼气工程等课程提供了理论知识基础，也为生物质资源的高值转化和综合利用提供了思路和方法。

1 植物纤维化学实验课程的重要性

植物纤维化学是一门理论性和实践性都很强的课程[6]。理论知识涉及到有机化学、物理化学、现代仪器分析和部分植物学等课程内容[7]，通过“植物纤维原料的生物结构与化学组成”、“木素”、“纤维素”、“半纤维素”四个章节，系统地阐述了植物纤维化学的基本概念、基本理论和基本应用，从理论知识出发落脚于实践应用。植物纤维化学实验课程的设计，是基于学生在植物纤维化学理论课中所学的理论知识，针对植物纤维原料中不同组分的物理、化学性质，采用烘干、灼烧、抽提、降解、分离检测等方法，对原料组分进行定性定量分析。实验课程的开展不仅能加深学生对理论知识的理解，更能使学生了解到理论知识是如何转化为实践应用的。好的实验课程应该在理论与实践之间起到桥梁与纽带的作用，让学生思考如何能将自己学到的知识应用到后续的科研和工作中，避免产生理论与实践脱节的情况。

植物纤维化学实验教学内容和教学目标主要包括三个方面：①能够对植物纤维原料全组分进行定性定量分析；②掌握实验基本原理和分析方法，能够根据实验目的设计实验流程；③熟练掌握相关仪器设备的操作方法，并理解其工作原理。实验课程是教学体系中的重要组成部分，通过实验技能的教学巩固并扩大对理论知识的理解，使学生掌握常规实验方法和基本操作技能，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，并养成客观严谨、实事求是的科学态度。最终，使学生成为既有扎实理论基础，又能解决实际问题的技术人才。

2 目前实验课程存在的问题

当前的植物纤维化学实验课程内容主要围绕植物纤维原料的组分测定展开，包含以下四个模块：①水分和灰分的测定：水分的测定采用干燥法，即将试样放在105±2 ℃的电热烘箱中干燥至恒重，所失去的重量即为试样水分的含量；灰分测定，将试样在575±25 ℃的马弗炉中灼烧，使试样中的有机物转变为CO2和H2O而挥发，剩下的矿物性的残渣即为灰份；②苯醇抽提物的测定：植物纤维原料通常采用水、有机溶剂、碱等为抽提介质，不同介质下抽提物成分有很大差异，根据不同测定目的选取恰当的抽提介质。本实验作为后续木素和综纤维素测定的前置实验，选取有机溶剂中的苯醇混合液作为抽提介质，可溶出植物纤维原料中的树脂、脂肪、蜡和部分单宁、色素；③木素的测定：木素根据其特性可分为酸不溶木素和酸溶木素。酸不溶木素可采用Klason木素法测定，即抽提后原料先经过72% H2SO4浓酸水解，后用4% H2SO4稀酸水解，使纤维素、半纤维素水解为单糖，剩余残渣即为酸不溶木素。水解液中酸溶木素的测定则依据木素对紫外吸收光谱的特性吸收性，使用紫外分光光度计测定紫外吸收光谱中205 nm特征吸收峰的吸收值，计算酸溶木素含量。酸不溶木素和酸溶木素含量之和即为总木素含量；④综纤维素的测定：综纤维素是指植物纤维原料中纤维素和半纤维素的总和，亚氯酸钠法测定综纤维素可以快速除去木素并能保持纤维素和半纤维素不受破坏，适用于各种木材和非木材植物纤维原料。

2.1 常规植物纤维化学实验课程内容与专业方向的不适配

植物纤维化学是轻化工程专业制浆造纸方向的专业基础课程，早期教材编写和教学内容编排较多围绕植物纤维原料与制浆造纸之间的联系展开，《植物纤维化学(第四版)》教材有了较大改动，增加了如纤维素功能材料、植物纤维原料制取燃料乙醇、半纤维素的综合利用等小节，尽可能反映本课程领域相关的国内外最新科研进展，以适用于林产化工、天然产物、生物资源科学与工程等除制浆造纸外的其他专业。植物纤维化学实验课程的内容主要与理论课程相匹配，其参考教材主要为《制浆造纸分析与检测》，因此多数测定方法均来源于制浆造纸相关的国标方法，且相对老旧，而测定对象则更倾向制浆造纸中的概念和意义。

例如综纤维素的测定，纤维素和半纤维素作为纸浆主要成分的来源，综纤维素的含量是鉴别植物纤维原料制浆造纸使用价值的重要指标。而对于生物质能源方向，由于构成纤维素和半纤维素的单糖种类不同，催化转化后得到的水解产物具有较大差别，因此需要对植物纤维原料中的纤维素和半纤维素分别进行测定。由于参考参考教材中，综纤维素的测定方法较为简单可控，操作较为常规，对学生实验过程的容错率较高，比较容易得到较为准确的测定结果，因此实验课程安排基本选择综纤维素的测定。纤维素的测定方法由于尚无国家标准方法[8]，参考教材选择了硝酸-乙醇纤维素测定方法，但该方法的测定结果中含有少量聚戊糖，并不能真实反映原料中纤维素的含量，且硝酸-乙醇混合液在配制过程中容易发生爆炸。半纤维素(聚戊糖)的测定方法，参考教材列举了两种国标方法：溴化法和分光光度法，不论是哪种方法都需要将聚戊糖水解转化为糠醛，但糠醛作为被检测的产物并不稳定，在水解过程中易分解，因此对水解反应过程的盐酸浓度、反应温度、蒸馏速度都需要精确控制，对学生操作过程的容错率较低，测定结果误差较大。因此绝大多数植物纤维化学实验课程只测定综纤维素，不单独测定纤维素和半纤维素。而对于生物质能源方向来说，纤维素和半纤维素的单独测定更具有应用意义，对专业研究更为重要。

2.2 常规植物纤维化学实验分析检测方法与现阶段专业应用的差距

现有的实验课程设置从整体上来说操作较为简单，对现代仪器设备要求较低，多数实验的测定方法对于物质组分的定量分析依然采用称量质量的方法。大部分分析检测方法为国标方法，方案成熟、通用性强、具有权威性，但有部分检测方法由于参考的国标年代较早，方法相对较为老旧。随着检测技术的发展，现代仪器设备的开发和更新，部分组分的国际公认分析检测方法更为简单、检测结果也更加准确。例如前述关于纤维素和半纤维的测定方法，可以通过高效液相色谱的示差折光检测器直接检测单糖，从而计算对应的纤维素和半纤维素含量。而在早期的参考教材中，单糖的仪器检测使用气象色谱，在检测前还需先进行衍生化，使单糖转化为挥发性衍生物，液相色谱则较少使用。生物质能源领域的研究和相关行业的产业化推进都随着前沿技术的革新在不断发展，而学校的实验课程教学依旧相对保守，与现阶段行业应用具有明显差距，不利于人才的培养和后续学生与行业的接洽。

3 结合专业需求的教学改革思路

3.1 调整课程内容设计

针对上述存在的问题，可以结合专业文献与实验室可用现代仪器设备调整分析检测方法。例如关于纤维素和半纤维素的测定方法，可参考美国国家可再生能源实验室的检测方法[9]：取0.3 g原料样品置于150 mL厚壁耐压管中，加入3 mL(4.92 g)72% H2SO4并用玻璃棒搅拌1 min使原料和浓硫酸混合均匀，将厚壁耐压管置于(30±3) ℃恒温水浴中反应1 h，期间每隔 5～10 min在不离开水浴的条件下进行一次搅拌，使原料和浓硫酸充分反应，此步骤为浓酸水解，此时水解产物呈糊精状态，聚合度约为10；浓酸水解反应完成后，向厚壁耐压管中加入84 mL蒸馏水使硫酸浓度降低到4%，将厚壁耐压管转移至121 ℃的油浴锅中反应1 h，此步骤为稀酸水解，此时纤维素和半纤维素会完全水解为葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等单糖。用注射器吸取1.5 mL反应液经过水相滤头过滤后保存在进样瓶中，通过高效液相色谱检测得到水解液中单糖浓度，从而计算原料中纤维素和半纤维素的含量。该检测方法操作简单、结果较为准确，可以通过一个反应同时得到两个组分的检测结果，在植物纤维原料组分分析中具有较高的实际应用价值，是国际同行中公认的检测方法。

3.2 培养学生对现代仪器设备的使用能力

分析测试方法包含化学分析和仪器分析两类，植物纤维化学实验课程的内容多数属于化学分析，这类方法发展较早，是经典的分析方法，但过程繁杂、耗时较长。随着科技的发展，仪器分析方法应用范围日益广泛，通过测量、表征物质的物理或理化性质参数，可以确定其化学组成、含量及化学结构，除了对物质进行定性定量分析,还可以进行物质的状态、价态和结构的分析。仪器分析具有分析速度快、灵敏度高、重现性好、试样用量少等特点，掌握仪器分析实验技术是自然科学领域工作者必备的能力。在调整后的纤维素和半纤维的测定中，水解产物单糖的检测使用了高效液相色谱。通过现场对仪器结构的介绍、原理的讲解，巩固理论知识，并学习仪器的实际操作流程。了解流动相选择标准、配制方法、预处理规范，了解色谱柱和检测器的选择依据，学习建立方法文件设置仪器检测参数，学习使用外标法计算检测样品浓度：通过配制不同浓度标样绘制标准曲线，根据样品出峰位置及峰面积，确定产物种类并计算其浓度。这对现代仪器分析课程只开设了理论课没有实验课的学生们来说，是一个学习使用现代仪器设备的机会，消除学生对现代仪器设备的距离感和畏惧感，培养学生对现代仪器设备的实际操作能力。

4 结 语

实验课程对学生培养的最终目的是将理论转化为实践应用，生物质能源作为新能源产业中的重要构成，正走在科技的前沿飞速发展，针对能源与环境工程专业的需求，专业课程的内容设计应不断地更新完善，最终培养拥有扎实理论知识、掌握先进方法技术、能快速与行业接轨的复合型技术人才。