111 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班乙組《生物材料化學加工》

此題主要探討家具塗裝中的「附著效率」及其影響，並延伸至環保趨勢下的塗料發展。

核心觀念：

• 附著效率 (Transfer Efficiency, TE)： 指噴塗過程中，實際被噴塗物體表面所獲得的塗料量，與噴槍噴出的總塗料量之比。
• 影響： 高附著效率代表較少的塗料浪費，有助於降低成本、減少VOCs排放，並可能影響塗膜厚度與均勻性。
• 環保趨勢： 聚焦於低VOCs、水性塗料、粉體塗料、UV 固化塗料等。

詳解：

何謂附著效率？ (5分)
附著效率 (Transfer Efficiency, TE) 定義為：
$TE = \frac{塗料在被噴塗物體表面上的量}{噴槍噴出的總塗料量} \times 100\%$
它量化了噴塗過程中，有多少塗料能夠有效地附著在目標物體上，而不是散逸到空氣中或被噴塗設備（如靜電噴塗的集塵板）所收集。

附著效率之高低對各種噴塗作業有何影響？ (5分)

• 高附著效率的影響：
  • 降低塗料浪費： 更多的塗料被有效利用，減少了材料成本。
  • 減少揮發性有機化合物 (VOCs) 排放： 噴塗過程中散逸到空氣中的塗料減少，有助於改善工作環境空氣品質，符合環保法規。
  • 提高生產效率： 達到所需膜厚所需噴塗的塗料量減少，可能縮短噴塗時間，或在相同時間內完成更多工件。
  • 改善塗膜品質： 較均勻的塗料沉積有助於形成更均勻、無缺陷的塗膜。
  • 減少清潔與廢棄物處理： 噴塗設備及周圍環境的清潔工作量減少，廢棄物（如過噴的塗料）也相對較少。
• 低附著效率的影響：
  • 塗料浪費嚴重： 材料成本增加。

此題主要考察纖維素的不同晶型結構以及其分類方法。

核心觀念：

• 纖維素晶型： 纖維素是葡萄糖單元重複連接而成的聚合物，其分子鏈的排列方式形成不同的晶體結構，主要有纖維素 I (Cellulose I) 和纖維素 II (Cellulose II)。
• 纖維素的分類： 根據在鹼溶液中的溶解度，纖維素可分為 $\alpha$-、$\beta$-、$\gamma$-纖維素。

詳解：

Cellulose I 與 Cellulose II 有何不同？ (4分)
Cellulose I 和 Cellulose II 是纖維素最常見的兩種晶型，它們的主要區別在於分子鏈的排列方式和氫鍵網絡結構。

此題考查木材在自然環境中遭受生物性侵蝕的因子，以及台灣國家標準 (CNS) 中規定的防腐處理藥劑。

核心觀念：

• 木材生物性劣化： 指木材因微生物（如真菌、細菌、昆蟲）的侵蝕而導致的物理、化學和結構上的損壞。
• CNS 3000： 台灣國家標準，規範了加壓注入防腐處理木材的相關要求，包括藥劑種類、處理方法、藥劑滲透深度等。

詳解：

木材生物性劣化因子的種類 (約6分)
木材的生物性劣化主要由以下幾類生物體引起：

1. 真菌 (Fungi)： 是木材最主要的劣化因子，根據其對木材成分的分解能力，可分為：

   • 腐朽菌 (Rot Fungi)： 能夠分解木材主要成分（纖維素、半纖維素、木質素）的真菌。
     • 軟腐菌 (Soft Rot Fungi)： 尤其在潮濕的環境中，能夠分解纖維素，使木材表面軟化、出現細小裂紋。
     • 白腐菌 (White Rot Fungi)： 能夠分解木質素和纖維素，使木材呈現白色、海綿狀。
     • 褐腐菌 (Brown Rot Fungi)： 主要分解纖維素和半纖維素，留下木質素，使木材呈現褐色、乾裂狀，並產生明顯的方形裂紋（方塊狀腐朽）。
   • 變色菌 (Stain Fungi)： 主要侵染木材的薄壁細胞，產生藍色、綠色、黑色等斑點，影響木材外觀，但對木材結構強度影響不大。
   • 黴菌 (Mold)： 生長在木材表面，通常在潮濕條件下，形成絨毛狀或粉狀的菌落，主要影響表面外觀。

2. 細菌 (Bacteria)： 在某些特定環境（如水下、土壤）中，細菌也能夠分解木材成分，尤其對半纖維素和木質素有較強的分解能力。它們通常需要較高的濕度才能活動。

3. 昆蟲 (Insects)：

   • 蛀木昆蟲 (Wood-boring Insects)：
     • 白蟻 (Termites)： 這是對木材危害最大的昆蟲之一，牠們以木材為食，並能建造複雜的巢穴，對建築結構造成嚴重破壞。

此題主要探討從森林資源中提取的特殊化學成分，涵蓋其化學分類、提取技術及其在不同產業的應用。

核心觀念：

• 特殊森林產物： 指木材、樹皮、樹葉、樹脂、根部等非木質部分或特定木材成分中，具有特殊化學結構和生理活性、經濟價值的次生代謝產物。
• 化學分類： 根據化學結構將這些產物歸類。
• 萃取方法： 介紹從生物質中分離和純化這些化合物的技術。
• 產業用途： 闡述這些產物在醫藥、食品、化妝品、材料等領域的應用。

詳解：

特殊森林產物（抽出成分）的化學分類 (約5分)
特殊森林產物種類繁多，可根據其化學結構大致分為以下幾類：

1. 酚類化合物 (Phenolic Compounds)：

   • 單寧 (Tannins)： 具有收斂性，能與蛋白質結合。分為水解單寧（如鞣花單寧）和濃縮單寧（如兒茶素、原花青素）。
   • 黃酮類 (Flavonoids)： 如花青素（植物色素）、黃酮醇、異黃酮等，常具有抗氧化、抗炎活性。
   • 木質素相關酚類 (Lignin-related Phenols)： 如香草醛、丁香醛等，是木質素的降解產物或結構單元。
   • 酚酸 (Phenolic Acids)： 如沒食子酸、咖啡酸、阿魏酸等。

2. 萜類化合物 (Terpenoids)： 是異戊二烯單元聚合而成。

   • 單萜 (Monoterpenes)： 如檸檬烯、蒎烯，常是精油的主要成分，具有芳香。
   • 倍半萜 (Sesquiterpenes)： 如沒藥醇。
   • 二萜 (Diterpenes)： 如紫杉醇 (Paclitaxel)，是重要的抗癌藥物。
   • 三萜 (Triterpenes)： 如皂苷。
   • 四萜 (Tetraterpenes)： 如類胡蘿蔔素。
   • 多萜 (Polyterpenes)： 如橡膠。

3. 生物鹼 (Alkaloids)： 含有氮原子的鹼性有機化合物，常具有顯著的生理活性，如嗎啡、可待因（從罌粟中提取）。

4. 醣類與多醣類 (Carbohydrates and Polysaccharides)：

   • 單醣、雙醣、寡醣： 如葡萄糖、果糖。
   • 多醣： 如纖維素、半纖維素、樹膠（如阿拉伯膠）、果膠等。這些多醣本身或其衍生物具有廣泛應用。

5. 脂肪類化合物 (Lipids)：

   • 脂肪酸 (Fatty Acids)：
   • 油脂 (Oils)： 如木本植物的種子油。
   • 樹脂 (Resins)： 複雜的混合物，常包含松香酸（樹脂酸）、萜烯類等，如松節油、龍腦。

6. 其他： 如有機酸、胺基酸、維生素、色素等。

萃取方法的種類 (約5分)
從森林生物質中提取這些化合物的方法多樣，主要根據目標產物的性質（極性、揮發性、熱穩定性）、生物質的形態以及所需的純度來選擇。

1. 溶劑萃取法 (Solvent Extraction)：
   • 傳統溶劑萃取： 使用水、乙醇、甲醇、己烷、乙酸乙酯、丙酮、氯仿等極性或非極性溶劑，通過浸泡、迴流、滲濾等方式提取。
   • 超臨界流體萃取 (Supercritical Fluid Extraction, SFE)： 最常用的是超臨界二氧化碳 (scCO2)。

此題主要探討木質素在植物細胞壁中的作用、其化學結構的基礎單元，以及針葉樹和闊葉樹木質素前驅物的差異。

核心觀念：

• 木質素 (Lignin)： 是植物細胞壁（特別是次生細胞壁）中的一種複雜的酚類聚合物，僅次於纖維素，是植物界含量第二豐富的有機物。
• 功能： 提供結構支撐、防止細胞壁被微生物侵襲、調節水分運輸。
• 前驅物： 木質素由三種主要的單元酚類化合物聚合而成。
• 針葉樹 vs. 闊葉樹： 兩者木質素的基本組成單元略有不同，影響其結構和性質。

詳解：

在木本植物細胞壁中, 木質素的功能為何？ (約5分)
木質素在木本植物細胞壁中扮演著多重關鍵角色：

1. 結構支撐與剛性： 木質素填充在纖維素微纖絲之間的空隙，並與纖維素和半纖維素形成網狀結構，大大增強了細胞壁的強度、剛性和抗壓能力。這使得植物能夠直立生長，抵抗重力，並支撐高大的樹體。
2. 抗微生物侵襲： 木質素的酚類結構使其具有一定的疏水性和抗化學性質，能有效阻止微生物（如真菌、細菌）的入侵和酶的分解，保護細胞壁免受腐朽。
3. 調節水分運輸： 木質素的疏水性可以限制水分在細胞壁內的擴散，有助於維持細胞的形態和防止細胞過度吸水。同時，它也與植物的抗旱性有關。
4. 提高機械強度： 木質素的加入使得木材具有較高的硬度和強度，這對木材作為建築、造紙等材料的應用至關重要。
5. 防止細胞壁崩潰： 在木材導管或管胞中，木質素的剛性有助於防止在負壓（蒸騰作用）下細胞壁發生塌陷。

木質素主要是由哪些前驅物聚合而成？ (約5分)
木質素是由三種主要的單元酚類化合物（phenylpropanoid units）聚合而成，這些前驅物稱為單體 (monomers)。它們的結構差異在於甲氧基 (methoxy, -OCH3) 的數量：

1. 對香豆醇 (p-Coumaryl Alcohol)： 結構上帶有一個羥基 (-OH)，沒有甲氧基。
2. 香豆醇 (Coniferyl Alcohol)： 結構上帶有一個羥基和一個甲氧基（在苯環的5位）。
3. 丁香醇 (Sinapyl Alcohol)： 結構上帶有一個羥基和兩個甲氧基（在苯環的3位和5位）。

這三種單體通過自由基聚合（Oxidative Polymerization）的方式，隨機地、非線性地連接起來，形成複雜的三維網絡結構。

這題主要考驗學生對針葉樹與闊葉樹半纖維素結構、組成與性質差異的理解。半纖維素是植物細胞壁中的重要成分，其結構與組成會影響木材的加工性質與應用。

解題過程：

本題要求列表比較針葉樹與闊葉樹半纖維素的異同，因此我們需要從半纖維素的幾個關鍵面向進行比較，包括：

1. 主要組成單醣 (Monomeric Composition): 半纖維素是由多種單醣聚合而成，不同樹種的半纖維素所含的單醣種類與比例有所差異。
2. 骨架結構 (Backbone Structure): 半纖維素的骨架通常是β-(1→4)鍵連接的醣類，但具體的骨架結構也會有所不同。