甲酸衍生物的合成方法及应用

代飞，聂少春，李玉军，朱明伟，郑亿琦

(武汉有机实业有限公司，湖北 武汉 430082)

0 引言

甲酸、乙酸、丙酸等小分子有机酸，都具有良好的抑菌效果，其中效果最好的是甲酸。但这些小分子酸腐蚀性强，容易与饲料中的碱性物质直接反应，破坏饲料营养成分，所以有机酸无法直接添加到饲料中使用，必须对这些小分子酸做处理后才能使用，最常用、最稳定的处理方法为以有机酸盐的形式来使用。甲酸盐避免了甲酸对胃黏膜和肠道的刺激性、腐蚀性和其他隐患，丰富了甲酸酸化剂的应用范围。常用的甲酸盐有甲酸钠、甲酸钙、甲酸铵、甲酸钾和二甲酸钾。其中，甲酸钠、甲酸钙和甲酸钾水溶液呈中性，抑菌性差；而甲酸铵和二甲酸钾水溶液呈酸性，抑菌能力强[1]。

甲酸铵和二甲酸钾都是比较常见的酸化剂，可以促使饲料在进入消化系统时保持酸性，有效控制消化系统内致病菌的生长，提高消化系统内的卫生水平，是一种健康有效的饲料添加剂。并且中国正在推行“饲料无抗、养殖减抗”政策，酸化剂已经成为抗生素的重要替代品。同时甲酸是分子结构最简单的有机酸，具有较强的酸化功能、较好的抗氧化作用，对许多微生物均有灭杀作用，因此许多复合型酸化剂均是以甲酸为基础。甲酸铵和二甲酸钾克服了甲酸对肠道的腐蚀性和入口刺激性的缺点，同时继承了甲酸的酸性和抗菌能力，在动物饲料和畜牧养殖中得到广泛应用[2]。文章对甲酸铵和二甲酸钾的合成方法和在畜禽、水产中的应用情况进行了综述，为甲酸类衍生物的进一步开发、研究和应用提供参考。

1 甲酸盐合成方法

1.1 甲酸盐作用机理

在抑菌效果和H+数量方面，甲酸是性价比最高的酸化剂原料之一，但其具有刺激性气味，可能会影响饲料适口性和牲畜的采食量，将其制成甲酸铵和二甲酸钾后，可避免甲酸的刺激性，抗菌性有明显提升。

甲酸盐酸化剂的作用机理是甲酸根可破坏细菌的细胞壁，从而干扰细菌酶的合成和活性，抑制病菌的繁殖，同时降低胃肠道内的pH值，提高体内蛋白酶的活性，加强胃肠道的消化吸收能力，减少牲畜的腹泻。酸化剂还能调节肠道菌群的平衡，平衡且稳定的菌群环境对预防动物的疾病十分重要，是肠道健康的关键。几种常见的病原菌适宜生长的pH值一般接近中性，如大肠杆菌、链球菌、葡萄球菌等，而乳酸杆菌、酵母菌等有益菌，适宜在酸性环境下生长。因此，酸化剂是通过降低动物肠胃pH值来控制有害病菌的生长，进而减少动物饲料的损耗和降低细菌毒素的累积，同时加强有益菌的繁殖[3]。因此，自2006年欧盟全面禁抗后，甲醛被批准替代抗生素品，由于甲醛对人体的危害，2018年欧盟批准甲酸及其衍生物作为甲醛的替代品，批准其在所有动物中使用[4]，自此甲酸盐酸化剂的应用更加广泛。

1.2 甲酸铵合成方法

甲酸铵的传统合成工艺是将甲酸和氨气中和而得。首先用冷冻水将甲酸降温，搅拌条件下通氨气反应，终点控制在pH值为7.0～7.5，反应结束后降温至-5 ℃，最后甩滤烘干，得甲酸铵产品。甲酸铵合成方程式如下所示：

该工艺属于酸碱中和反应，会产生大量热，同时由于较高温度下甲酸容易挥发，为保证收率，常需要使用冷冻水给反应降温。甲酸铵在水中可电解出甲酸根，起防腐作用。肥城阿斯德化工有限公司生产出四甲酸铵，新工艺采用氮气保护，在常温、常压以及控制甲酸、液氨原料配比条件下，一步反应生成“四甲酸铵”。产品腐蚀性、刺激性、挥发性小，不污染环境、不伤及皮肤、不腐蚀农机具，可替代国内常用的甲酸、丙酸、氨等保鲜剂，同时与甲酸、液氨生产衔接，原材料易得、成本低。四甲酸铵主要应用于饲料青贮保鲜，取得良好效果，青贮使用效果优于国内已推广的甲酸、丙酸氨等保鲜剂[5]，张炳胜等公布了一种四甲酸铵的生产设备[6]。四甲酸铵合成方程式如下所示：

严格来说，四甲酸铵是甲酸和甲酸铵的混合物，其酸性介于甲酸和甲酸铵之间。四甲酸铵保鲜效果好，添加四甲酸铵后的青贮料外观色泽好、气味芳香，可明显抑制细菌生长。给奶牛饲喂含四甲酸铵的青贮饲料，比试验前平均产奶量增长5%～11%。每头奶牛饲料成本增加小，但奶牛增奶量相当明显，高达10%，投资回报率为1∶10，效益十分明显。

1.3 二甲酸钾合成方法

二甲酸钾也是一种常用的酸化剂防腐剂，是甲酸和甲酸钾通过氢键结合的二聚体，水溶液中游离出甲酸和甲酸钾。其继承了甲酸的防腐抗菌作用，同时还具有低腐蚀性的缓释效果。目前二甲酸钾主要有四条合成路线，分别采用甲酸-碳酸钾法、甲酸-氢氧化钾法、甲酸-甲酸钾法与甲酸-氧化钾法合成二甲酸钾。

(1)甲酸-碳酸钾法

以碳酸钾和甲酸为原料合成二甲酸钾和二氧化碳气体，如下所示：

该工艺会产生大量废气二氧化碳，同时废气中还会夹带甲酸，不仅造成环境污染，还会增加原料单耗，增加生产成本，且碳酸钾常配置成水溶液反应，产生的废水量也较大。但由于碳酸钾的廉价，工业生产中常使用此方法。

(2)甲酸-氢氧化钾法

以氢氧化钾和甲酸为原料合成二甲酸钾和水，如下所示：

该工艺属于酸碱中和反应，会产生大量热，为避免甲酸被热量带走，需要使用冷冻水冷却降温，能耗较高，一些企业仍在使用该工艺。

(3)甲酸-甲酸钾法

该工艺以甲酸和甲酸钾为原料，合成二甲酸钾，如下所示：

该工艺流程简单，所得产品纯度高，便于生产操作，无明显“三废”产生。但由于原料甲酸钾售价高，相对成本较高，工业应用较少。

(4)甲酸-氧化钾法

使用甲酸水溶液和固体氧化钾反应，直接生成二甲酸钾，如下所示：

反应中，使用氧化钾固体和80%左右的甲酸水溶液，由于无其他水引入，反应完毕即为二甲酸钾浓溶液，无需蒸水，可直接冷却后分离干燥，降低能耗。但氧化钾来源少、价格高，不适合工业化应用。

总的来说，二甲酸钾的主要原料有甲酸和钾盐，其中制备甲酸常采用甲酸钠水解法和甲酸甲酯水解法。国内常使用甲酸钠水解法，国外常用BASF开发的甲酸甲酯水解法。合成原理如下所示：

目前国内常使用甲酸-碳酸钾法和甲酸-氢氧化钾法生产二甲酸钾[7]，近年来甲酸-甲酸钾法也被生产应用，其以一氧化碳和氢氧化钾为原料，高压合成甲酸钾，再进一步合成二甲酸钾。由于直接采用源头原料一氧化碳，具有一定技术门槛但工艺成本更低，反应更温和且能耗更低，同时该方法还能合理利用一氧化碳废气，符合未来绿色化工的发展方向。

2 甲酸衍生物的应用

2.1 甲酸铵的应用

2010年7月23日，美国食品药物管理局(FDA)确定了关于动物饲料和饮用水内食品添加剂——甲酸铵的最终法规。该食品添加剂的申请最先由芬兰Kemira Oyj公司提交，美国食品药物管理局同意并修订动物饲料和饮用水内食品添加剂相关法规，允许甲酸铵作为饲料酸化剂的日常使用。杨梅等[8]报道了一种饲料中甲酸-甲酸铵的配比，液体型组成为甲酸、甲酸铵、水比例为10～50∶10～50∶0～80，粉体型为液体型加载体。通过合适的配比，可降低甲酸的挥发性，增强适口性，在饲料中添加甲酸-甲酸铵酸化剂，能显著提高牲畜的生长效果。EISEMANN等[9]研究确定在猪的保育期和育肥期饲粮中添加甲酸-甲酸铵(甲酸与甲酸铵比例为62∶37)的最佳添加量，在合适的配比下，保育期和育肥期的猪平均日增重与肉料相比显著提高且达到最大值。根据鸡蛋残留研究的结果，在动物饲料中使用甲酸铵，最高含量为每公斤完整饲料2000 mg的甲酸当量，不会对消费者产生不良影响。欧盟食品安全局通过一系列饲料实验，其中测试了甲酸铵溶液的保鲜效果，测定加入饲料后不同时间后，饲料中需氧菌、大肠杆菌、酵母菌和丝状真菌的总数。其结果表明，在饲料中添加甲酸铵，丝状真菌的数量显著减少，对酵母菌或细菌的数量影响不大。2020年，欧盟食品安全局重新授权在所有动物饲料中使用铵、钙和甲酸钠作为防腐剂，以及使用甲酸铵和甲酸钠作为青贮添加剂。甲酸的液体制剂可作为饲料中的防腐剂，有可能控制真菌和需氧细菌的生长[10-11]。

总的来说，甲酸铵(或甲酸-甲酸铵)常作为饲料添加剂，主要应用在猪的养殖中，使用量在0.6%～1.0%，能增加牲畜的饮食和消化能力，也可作为青贮饲料的保鲜防腐。

2.2 二甲酸钾的应用

在禁抗的大背景下，第一种被欧盟批准用于替代抗生素生长剂的非抗生素类饲料添加剂为二甲酸钾，2005年中国也批准使用[12]。二甲酸钾因其完全的生物降解性，同时能有效抑制肠道致病菌，成为抗生素的替代品，在动植物养殖中，得到广泛的研究和应用。

二甲酸钾常用于家禽的养殖中。邓丽等[13]研究了二甲酸钾作为饲料添加剂的作用机理和在养猪行业中的应用。二甲酸钾在水中可释放出H+，降低肠道pH值，从而改善动物肠道菌群，并且促进动物肠道消化酶的分泌，有助于饲料的消化和营养的吸收，同时进入消化道后，分解出的H+能抑制微生物的生长。二甲酸钾能促进猪仔生长、提高饲料吸收率[14]、 降低仔猪腹泻频率[15]、增强猪的免疫能力[16]、改善母猪的产仔情况[17]和猪肉品质[18]。同时二甲酸钾在肉鸡和蛋鸡养殖中也有促进效果，饲料中添加二甲酸钾可提高鸡的日增重和饲料转化率，达到黄曲霉素同等效果[19]。在日粮中添加了二甲酸钾的肉鸡，其肌胃、嗉囊、十二指肠、回肠和空肠的 pH值显著降低，肠道的健康和免疫水平显著提高[20]。在30～32 ℃的较高温度下，二甲酸钾还能提高饲料中干物质和粗蛋白的消化能力[21]。日粮添加1%～2%的二甲酸钾能够提高产蛋后期蛋鸡生产性能，增加蛋壳比重，增强血液免疫力，降低肠道炎性细胞因子表达[22]。在饲粮中添加3.0 g/kg的二甲酸钾，能够显著提高公貂对干物质和粗蛋白表观消化率，同时提高体内十二指肠胰蛋白酶活性，降低公貂粪便中氨氮和总氮含量[23]。

在水产方面，在对虾养殖的饲料中加入二甲酸钾，能提高虾日增重和存活率。ANGGI等[24]研究了饲料中添加二甲酸钾以促进巨型淡水虾生长的最佳剂量，添加1%二甲酸钾的日生长率为1.86%±0.60%、饲料效率值为19.0%±1.91%、饲料添加量为1%时存活率为92%。MOUHAMADOU等[25]研究未发现对凡纳滨对虾的生长、存活以及饲料效率和水质有显著影响，这可能是由于海虾与河虾的差异性引起的。ELALA A M N等[26]研究发现二甲酸钾可提高罗非鱼的生长性能和免疫功能。

同时，也有相关研究报道二甲酸钾和其他添加剂的复配使用。翟振亚等[27]报道了在断奶仔猪的日粮中添加1%二甲酸钾+200 g/t凝结芽孢杆菌，可显著改善生长性能，效果优于单独使用二甲酸钾。詹海杰等[28]和李燕平等[29]分别报道了“复合酶+柠檬酸+二甲酸钾”组合添加剂对獭兔和肉兔生长性能、养分表观消化率、毛皮品质和免疫指标等的积极作用，同时确定了三种添加剂的最佳配比。邹俊等[30]报道了饲粮中组合添加300 mg/kg丁酸梭菌和2000 mg/kg二甲酸钾的复配添加剂时，肉鸡的生长性能、屠宰性能和免疫器官指数最佳。

总之，二甲酸钾在饲料方面得到广泛应用，饲料中的添加量通常在0.3%～1.2%。二甲酸钾凭借其在家禽和水产等饲养方面的良好表现和直观效果，将作为一种新型的非抗生素类饲料添加剂在牲畜水产养殖生产中得到更加广泛地研究、发展和应用。

3 结语

随着禁抗的势在必行，抗生素的使用范围将越来越小，甲酸铵和二甲酸钾的应用也将更加广泛。甲酸铵和二甲酸钾都属于甲酸盐，不仅避免了甲酸的腐蚀性，还继承了甲酸的抑菌性和酸性，是理想的抗生素替代品。同时由于甲酸铵和二甲酸钾属于小分子有机盐，在体内可完全分解、不易残留，是非常安全的添加剂。目前，甲酸铵和二甲酸钾在畜牧方面已得到广泛应用，许多的文献对其使用效果进行研究和报道，也有少量文献报道了甲酸铵或二甲酸钾和其他添加剂的复合使用，通过各种添加剂的复配可以达到各方面的互补和增益，甲酸盐的复配效果和机理的研究将是今后的发展方向和热点。