（化学工程专业论文）二甲酸钾的合成工艺及其在饲料防霉上的扩展应用研究.pdf

摘要 摘要 传统的抗生素饲料添加剂在给养殖业带来巨大变革的同时，其引发的细菌耐 药性、药物残留、环境污染等问题日益凸显并倍受关注。二甲酸钾是欧盟批准的 第一种用于替代抗生素促生长剂的绿色饲料添加剂，其在促进动物生长、预防疾 病发生以及提高饲料转化率等方面起到了与抗生素促生长剂相似的良好效果，而 其良好的适口性与安全性是抗生素促生长剂所不能比拟的。然而，目前二甲酸钾 的生产技术尚不成熟，尤其在国内的生产尚处于起步阶段。因此对二甲酸钾合成 工艺的系统研究，以及对其应用的进一步拓展具有重要意义。 本文选择了二甲酸钾的三条合成路线，考察了过程工艺条件对合成反应的影 响，选出了较优合成路线，并进一步考察了二甲酸钾产品的吸湿性能，最后尝试 了将二甲酸钾应用于饲料防霉，主要研究工作及结果如下： ( 1 ) 分别采用甲酸甲酸钾法、甲酸碳酸钾法与甲酸氢氧化钾法合成二甲酸 钾，考察反应条件对二甲酸钾产品产率的影响，通过正交实验进一步优化合成工 艺，同时对产品质量作分析检测。结果表明，甲酸甲酸钾法最佳合成工艺条件 为：原料摩尔比n ( h c o o h ) n ( h c o o k ) 1 3 1 0 、反应温度6 5 、反应时间3 0m i l l ； 甲酸碳酸钾法最佳合成工艺条件为：原料摩尔比n ( h c o o h ) n ( k 2 c 0 3 ) 4 4 1 0 、 反应温度8 5 、反应时间9 0m i n ；甲酸氢氧化钾法最佳合成工艺条件为：原料 摩尔比n ( h c o o h ) n ( k o h ) 2 2 1 0 、反应温度7 0 、反应时间3 0m i n 。三条合成 路线在其最佳工艺条件下所得二甲酸钾产品的产率分别为9 4 0 、8 9 9 与 9 8 4 。经三者的原料价格、能耗以及产品产率与质量的比较发现，甲酸氢氧化 钾法优于其它两种方法，是一条符合绿色化学原理的合成路线。 ( 2 ) 采用静态重量法首次研究了二甲酸钾产品的吸湿性能，结果表明，3 0 下，二甲酸钾产品吸湿过程中前1 2h 内的吸湿速率与相对湿度呈良好的线性关 系，由所拟合的线性方程可估算其在不同相对湿度下的吸湿速率。同样，二甲酸 钾产品的平衡吸湿量与环境相对湿度关系密切，可根据所拟合的多项式方程估算 其在不同相对湿度下的平衡吸湿量。二甲酸钾产品的临界相对湿度为4 6 2 。相 对湿度低于4 6 2 时，其平衡含水量小于0 1 1v d g - - 甲酸钾；当相对湿度高于 4 6 2 ，平衡含水量迅速增大，最高可超过2 0g g 二甲酸钾。二甲酸钾具有很强 的吸湿性能，此研究可为二甲酸钾的制备及其后处理过程操作条件的选择提供一 摘要 定参考。 ( 3 ) 采用饲料中霉菌总数测定的通用方法，考察二甲酸钾在饲料中的防霉效 果。结果表明，当添加量为0 1 谢与0 3 叭时，其防霉有效期可保持两个月 左右，延长饲料贮藏期3 5 天。当添加量为0 6w t 及以上时，其防霉有效期可达 三个月以上，延长饲料贮藏期6 0 天以上。二甲酸钾具有良好的防霉效果，其防霉 性能优于常用饲料防霉剂双乙酸钠，可在替代抗生素促生长剂的同时，替代常用 饲料防霉剂。 关键词：二甲酸钾；饲料添加剂；合成：吸湿性能；防霉 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a la n t i b i o t i ca d d i t i v e su s e di na n i m a lf e e d sh a v ep l a y e dav i t a l i m p o r t a n tr o l ei na c c e l e r a t i n gt h ed e v e l o p m e n to fb r e e d i n gi n d u s t r y h o w e v e r , t h e p o t e n t i a lo ft h e s ea g r i c u l t u r a la n t i b i o t i c sc o n t r i b u t i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fa n t i b i o t i c r e s i s t a n t , d r u gr e s i d u ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni st h es u b j e c to f i n t e n s ed e b a t ea n d r e s e a r c h p o t a s s i u md i f o r m a t e ( k d f ) ，an o v e lf e e da d d i t i v e ，h a sb e e nf i r s t l y a u t h o r i z e db yt h ee u r o p e a nu n i o na sa na l t e r n a t i v et oa n t i b i o t i cg r o w t hp r o m o t e r s t h i sa c i df o r m a t ee x h i b i t se x c e l l e n tb i o l o g i c a le f f e c t i v e n e s sw h i c hc a l lg e n e r a t e s i m i l a rb e n e f i t s ，s u c ha si n c r e a s i n gg r o w t h ，i m p r o v i n gf e e de f f i c i e n c ya n dr e d u c i n g i n c i d e n c eo fc e i t a j nd i s e a s e s ，a st h ea n t i b i o t i cg r o w t hp r o m o t e r s m o r e o v e r , i ti s a d v a n t a g e o u s i nt e r m so fg o o dp a l a t a b i l i t ya n dh i g hs a f e t y t h em a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e so fk d fa r ec u r r e n t l yu n d e re x p l o i t a t i o n , e s p e c i a l l yi no u rc o u n t r yt h e k d fm a n u f a c t u r eh a sj u s tb e e na ti t si n i t i a ls t a g e c o n s e q u e n t l y , s t u d i e so i lt h e s y n t h e t i ct e c h n o l o g yo fk d f a n di t se x t e n d e da p p l i c a t i o n sa l eo fg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ，t h r e es y n t h e t i cm e t h o d so fk d fw e r ee v a l u a t e d ，a n dt h e i rs y n t h e t i c t e c h n o l o g i e sw e r ei n v e s t i g a t e d m o i s t u r es o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ek d fp r o d u c t w e r ef u r t h e re x a m i n e d m o r e o v e r , k d fw a su s e dt op r e v e n tm i l d e wi na n i m a lf e e d s m a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s y n t h e s e so fk d fb yh c o o ha n dh c o o k , h c o o ha n dk 2 c o s ，a n d h c o o ha n dk o hw e r ea c c o m p l i s h e d ，r e s p e c t i v e l y t h er e a c t i o nc o n d i t i o n sw h i c h i n f l u e n c et h ey i e l do fp r o d u c ts i g n i f i c a n t l yw e r ei n v e s t i g a t e d o r t h o g o n a ld e s i g n e x p e r i m e n t sw e r ea l s oc a r r i e do u tt oo p t i m i z et h es y n t h e t i ct e c h n o l o g i e s f u r t h e r m o r e ， d i f f e r e n tt e c h n i q u e ss u c ha sf t - i rs p e c t r o s c o p y , m e l t i n gr a n g ed e t e r m i n a t i o na n d a c i d - b a s et i t r a t i o nw e r ea d o p t e dt oc h a r a c t e r i z et h ep r o d u c t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r e ：m o l a rr a t i oo fh c o o ht oh c o o k1 3 ：1 0 ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e6 5 a n dr e a c t i o nt i m e3 0m i n u t e sf o rt h er e a c t i o nb yh c o o h a n d h c o o kw i t ht h ey i e l do fk d fo f9 4 o ，m o l a rr a t i oo fh c o o ht ok 2 c 0 34 4 ：1 0 ， r e a c t i o nt e m p e r a t u r e8 5 a n dr e a c t i o nt i m e9 0m i n u t e sf o rt h er e a c t i o nb yh c o o h a n dk 2 c 0 3 诵mt h ey i e l do fk d fo f8 9 9 ，a n dm o l a rr a t i oo fh c o o ht ok o h a b s t r a c t 2 2 ：1 0 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e7 0 a n dr e a c t i o nt i m e3 0m i n u t e sf o rt h er e a c t i o nb y h c o o ha n dk o hw i t ht h ey i e l do fk d fo f9 8 4 c o n c e r n e dw i t ht h em a t e r i a l sa n d e n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ey i e l da n dq u a l i t yo fp r o d u c t s ，t h em e t h o db yh c o o h a n dk o h ，a ne n v i r o n m e n t a l l yb e n i g ns y n t h e s i sr o u t e ，w a st h eb e s to n ea m o n gt h e t h r e em e n t i o n e da b o v e ( 2 ) mm o i s t u r es o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fk d f w e r em e a s u r e de m p l o y i n gt h e s t a t i cg r a v i m e t r i cm e t h o d i tw a sf o u n dt h a tt h em o i s t u r es o r p t i o nv e l o c i t yo fk d f w a sl i n e a r l yd e p e n d e n to nt h er e l a t i v eh u m i d i t ya t3 0 d u r i n gt h ef i r s t12 - h o u r p e r i o d ，a n dt h em o i s t u r es o r p t i o nv e l o c i t yc o u l db ep r e d i c t e ds u c c e s s f u l l yb yu s i n ga l i n e a r e q u a t i o n b e s i d e s ，t h ee q u i l i b r i u m m o i s t u r ec o n t e n tw a s s i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e db yr e l a t i v eh u m i d i t y , a n di tc o u l db ea l s op r e d i c t e ds u c c e s s f u l l yb y e m p l o y i n gap o l y n o m i a le q u a t i o n t h ec r i t i c a lr e l a t i v eh u m i d i t yo fk d fw a s4 6 2 ， b e l o ww h i c ht h ee q u i l i b r i u mm o i s t u r ec o n t e n tw a sl e s st h a n0 11 gd r yk d f t h e e q u i l i b r i u mm o i s t u r ec o n t e n ti n c r e a s e dw i t ha l li n c r e a s eo fr e l a t i v eh u m i d i t ya n d e s p e c i a l l yas h a r pi n c r e a s ee m e r g e d ，w h i c hc o u l df i n a l l ye x c e e d2 0e g gd r yk d f , w h i l et h er e l a t i v eh u m i d i t yw a sg r e a t e rt h a n4 6 2 ( 3 ) e f f o r t sw e r ea l s om a d et oe x p l o r et h ea n t i m o l dp e r f o r m a n c eo fk d fi n f e e d s k d fc o u l dp r o l o n gs t o r a g ep e r i o do ff e e d su pt o3 5dw i t ha na d d i t i o no f0 1 、矶o r0 3w t ，a n dp r e s e r v ef e e d sf r o mg o i n gm o l d yw i t h i n2m o n t h s w h i l ei t e x h i b i t e dm o r er e m a r k a b l ea n t i - m o l dp e r f o r m a n c eb yp r o l o n g i n gs t o r a g ep e r i o do f f e e d so v e r6 0dw i t ha na d d i t i o nr a n g i n gf r o m0 6w t t o2 4w t a n dp r e s e r v e f e e d sf r o m g o i n gm o l d yo v e r3m o n t h s k d fe x h i b i t e de x c e l l e n ta n t i m o l d p e r f o r m a n c e ，a n di tw a ss u p e r i o rt os o d i u md i a c e t a t ew h i c hh a sb e e na c c e p t e d 硒a g o o dm o l di n h i b i t o r , a n dt h u sc o u l db eu s e da sa na l t e r n a t i v et ob o t ha n t i b i o t i cg r o w t h p r o m o t e r sa n dm o l di n h i b i t o r so ff e e d s k e yw o r d s ：p o t a s s i u md i f o r m a t e ；f e e da d d i t i v e s ；s y n t h e s i s ；m o i s t u r es o r p t i o n e h a r a e t e r i s t i c s ；a n t i - m o l d 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：彳卜友破 如毽年予只e l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：寸、互数 劫。驴年夕月日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 抗生素饲料添加剂及其替代产品 1 1 1 抗生素饲料添加剂的作用 1 9 2 8 年，英国科学家f l e m i n g 发现了能够抑制葡萄球菌生长的丝状真菌，并 命名为点青霉；1 9 4 0 年第二次世界大战初期，f l o r e y 和c h a i n 成功地从点青霉培 养液中制得青霉素结晶，并证实了其显著的临床效果，世界上真正有临床价值的 抗生素从此诞生【l 】。1 9 4 6 年m o o r e 等【2 1 首次发现在雏鸡饲料中添加链霉素能够促 进雏鸡生长；1 9 4 9 年s t o k s t a d 掣3 】亦证实在雏鸡饲料中添加抗生素金霉素可促进 雏鸡增重。1 9 5 0 年美国食品与药物管理局首次批准抗生素作为饲料添加剂【4 】，随 着大量研究证实抗生素具有预防畜禽疾病、提高饲料转化率、促进动物生长发育 和育肥的作用，各种各样的抗生素开始被大量地用作预防、治疗畜禽疾病和促进 畜禽生长的饲料添加剂。 抗生素在饲料中的应用开创了畜牧业和饲料业的革命，使得集约化、工厂化 养殖成为可能，使得动物的生产数量和饲料转化率得到了大幅度的提高。特别是 在一些发展中国家，由于饲养环境较差，抗生素在养殖业中的应用更为普遍。然 而抗生素添加剂的应用在带给人们巨大利益的同时，也带来了诸多令人担忧的问 题。 1 1 2 抗生素饲料添加剂的不良影响 抗生素作为动物疾病预防、治疗药物或生长促进剂，在控制畜禽疾病的发生、 促进畜禽的生长发育以及提高养殖业经济效益等方面起到了极大的作用。然而， 随着抗生素添加剂在饲料中的大量使用甚至滥用，饲料安全问题及其相关的食品 安全问题不断出现，间接或直接地对人类健康与自然环境带来了极大的危害【5 1 。 1 1 2 1 细菌耐药性 由抗生素引起的细菌耐药性是指细菌对于抗生素降低或丧失感受性的现象。 第一章文献综述 细菌耐药性可分为固有耐药和获得耐药两种，固有耐药是由细菌染色体决定的， 具有稳定的遗传性；获得耐药是指细菌原先对抗生素敏感，但在长期接触抗生素 后，由于选择压力的作用，迫使其改变代谢途径或调整自身细微结构以逃避抗生 素的追杀或扼制【6 】。抗生素引起的细菌耐药性属于后者。关于细菌耐药性的报道 以及传染病专家们对此现象的关注直到上个世纪9 0 年代中期才引起足够的重 视。此后，美国与欧盟国家纷纷采取措施以控制抗生素耐药性【1 7 1 。细菌耐药性问 题已引起了世界各国的广泛关注，饲用抗生素的滥用是目前细菌耐药状况日趋严 重的重要原因之一【8 】。 1 1 2 2 抗生素残留 抗生素残留是指给动物使用抗生素后，抗生素的原形及其代谢产物可蓄积或 贮存在动物的细胞、组织器官或产品中。抗生素被动物吸收到体内后，可分布到 全身各器官，但大多数抗生素都难以透过机体的几个“天然屏障 ，如血脑屏障、 血睾屏障等。抗生素在内脏器官尤其是肝脏内分布较多，而在肌肉和脂肪中分布 较少。抗生素的代谢途径以肝脏代谢为主，经胆汁，由粪便排出体外，也会通过 泌乳和产蛋过程残留在奶和蛋中，从而广泛地在畜禽产品中残留或蓄积。一些性 质稳定的抗生素被排泄到环境中后仍能稳定存在很长一段时间，从而造成环境中 的药物残留。这些残存的药物，通过畜产品和环境慢慢蓄积于人体和其他动植物 体中，最终以各种途径汇集于人体，导致人体产生大量耐药菌株，失去对某些疾 病的抵抗力，或因大量蓄积而对机体产生毒害作用0 1 。 抗生素在动物体内的残留受到添加量的影响，抗生素添加量越高，血清中残 留量越高，对动物危害越大【i l 】。此外，抗生素在动物体内的残留还受到摄取时 间长短的影响，若抗生素用作促生长添加剂时，其使用时间一般都很长，因此存 在更大的危险性。 1 1 2 3 抗生素引起的环境与社会问题 除了上述最常见的由抗生素产生的负面效应，抗生素的大量使用甚至滥用也 引发了令人关注的环境与社会问题。绝大多数抗生素排入环境后仍具有活性，对 土壤微生物、水生生物及昆虫等造成影响。d j e k 等发现，土壤和水中的3 6 2 第一章文献综述 种典型的微生物只有7 种对在饲料中添加的2 1 种抗生素敏感，其他2 9 种微生物 对这些畜禽常用抗菌药都有天然的耐药性。h a m s e h e r 等【”】报道，从用动物排泄 物施肥的土壤的0 4 0c m 表层中检测到的土霉素和氯四环素残留最大浓度分别 高达3 2 3m g k g 和2 6 4m g k g 。残留的抗生素进入生态环境中，对土壤环境、表 层水体等生态环境带来不良影响，并通过食物链对生态环境产生毒害作用，影响 其中的植物、动物和微生物的正常生命活动，最终影响人类的健康【1 4 1 。 随着人类生活水平和健康意识的提高，食品安全问题己受到全球范围日益广 泛的关注，限制与禁止抗生素添加剂在养殖生产中的呼声越来越高。瑞典与丹麦 率先完全禁止在动物饲料中使用抗生素促生长剂；欧盟于2 0 0 6 年全面禁止在动 物饲料中使用抗生素促生长添加剂；美国、英国、日本等发达国家也都纷纷采取 措施限制抗生素添加剂在饲料中的使用。我国农业部也于2 0 0 1 年发布了饲料 药物添加剂使用规范，以规范和指导饲料药物添加剂的合理使用，防止滥用饲 料药物添加剂。但由于我国有关饲料的管理法规和检测手段相对滞后，饲养环境 相对恶劣，再加上一些饲料企业和养殖场片面追求经济效益，长期超量添加抗生 素、激素、镇静类药物等危害动物及人体健康、存在环保隐患的饲料添加剂，所 以由此而引发的饲料及食品安全问题日益突出。 1 1 3 禁用抗生素促生长剂的影响 1 9 8 6 年瑞典率先全面禁止动物饲料中使用抗生素促生长剂，d o y l e i b j 在综述 中指出，该国家在1 9 9 8 年的兽用抗生素总量为1 9 8 4 年用量的3 8 。在此过程中， 断奶猪的发病率与死亡率都明显升高，并且用于治疗疾病的抗生素药物的需求量 也显著增大【l6 1 。同样，丹麦于1 9 9 8 年与2 0 0 0 年先后在生长肥育猪和断奶猪生产 中禁止使用所有抗生素促生长剂。抗生素的消费总量从1 9 9 4 年的2 0 6t 减少至u 2 0 0 3 年的1 0 2t ，同时也降低了家畜对抗生素促生长剂的耐药性。然而，在禁用抗生素 促生长剂的使用后，断奶猪的腹泻疾病等问题增加，日生长速度降低，死亡率上 升，并且每头猪的生产成本大约增j j l ：i 1 0 3 欧元【1 7 1 。女【 d o y l e t l 5 1 亦指出，美国在养 猪业中禁用抗生素添加剂使得每头猪的生产成本大约增加5 0 0 6 0 0 美元，从而 导致猪肉零售成本每磅增加0 0 5 美元。虽此类的成本核算随不同的饲养条件与技 术有较大差别，但其变化趋势相同，抗生素促生长剂的限制与禁用在一定程度上 第一章文献综述 增大了猪的生产成本。 1 1 4 抗生素促生长剂的替代产品 为了解决抗生素添加剂应用中存在的上述一系列问题，同时又尽量减小由于 抗生素添加剂的限制与禁用给养殖业带来的负面影响，研究人员正极力寻求和开 发抗生素促生长剂的替代产品。此类产品需具有同抗生素促生长剂相似的功能， 即促进动物生长、提高饲料转化率以及减少禽畜疾病的发病率等功能，同时不会 产生药物残留和耐药性等问题。当前研究较多的抗生素替代产品有益生素、低聚 糖、酶制剂、中草药、酸化剂等，其中一些抗生素替代产品已在畜禽生产中得到 应用。 1 1 4 1 益生素 益生素是一种可直接饲喂动物并能促进动物肠道菌群平衡的微生物制剂。它 以活菌形式在动物消化道中与病原菌通过竞争性抑制，增强动物免疫力，并直接 参与胃肠道微生物平衡，调节胃肠道功能【1 3 ，1 9 1 。益生素在7 0 年代末开始被重视 和应用，目前使用的益生素产品，多是由多种有益微生物组成的复合制剂。益生 素中的有益微生物进入动物机体后，形成优势菌群，该有益菌群与有害菌争夺附 着位点和营养素，竞争性地抑制有害菌的生长，从而调节肠道内菌群趋于正常化； 产生各种消化酶，有利于养分分解；合成b 族维生素、氨基酸等营养物质；直 接刺激肠道免疫细胞而增加局部免疫抗体，增强机体抗病力。 在实际应用中添加益生素可防治疾病，提高动物的生产性能，并且能够提高 饲料利用率。与抗生素促生长剂具有相似效果，而且无毒、副作用或药物残留【2 0 】。 然而，人们亦发现益生素具有一定的缺点，如益生素多为厌氧菌，发酵生产难度 较大，产品质量标准难以统一，品质行业管理几乎无法进行；储运和加工过程中 氧气、高温等条件均使其大量失活；制作配方时存在着与抗生素类的配伍禁忌； 胃酸对它有失活作用以及在动物肠道内定植能力不强等【2 1 1 。 1 1 4 2 低聚糖 低聚糖又称寡聚糖、寡糖，是由2 1 0 个单糖经脱水缩合，由糖苷键连接形 4 第一章文献综述 成的具有直链或支链的低度聚合糖类。作为饲料添加剂的低聚糖主要有低聚木 糖、低聚异麦芽糖、低聚果糖、半乳聚糖、寡甘露糖和大豆寡糖等 2 2 】。低聚糖 能促进双歧杆菌等有益微生物增殖，抑制有害微生物如大肠杆菌等的生长，从而 改善肠道微生态区系；能够促进动物肠道发育，提高动物机体的免疫功能，促进 日粮中钙、磷、铁等矿物质的吸收田j 。 低聚糖具有提高哺乳或断奶仔猪日增重，降低料肉比及有效控制仔猪腹泻等 作用，同样对育肥猪与母猪的养殖均具有很好的促进作用，是抗生素促生长剂的 可选替代品。但是低聚糖的应用效果稳定性低于抗生素，且添加量必须达到较高 的浓度，但是较大的添加量将导致饲料成本增加，而且可能引起腹泻 2 2 1 。 1 1 4 3 酶制剂 1 9 7 5 年美国饲料工业首次把微生物酶作为添加剂应用于配合饲料中，在饲养 方面取得显著效剽2 4 1 。饲用酶制剂是通过特定生产工艺加工而成的包含单一酶 或混合酶的工业产品。其主要功能因子是酶，作为活细胞所产生的一种生物催化 剂，能够在常温、常压下高效地催化专一的底物，直接分解底物，供给机体营养； 能够去除抗营养因子，改善消化机能；激活内源酶分泌，提高饲料消化率；参与 动物内分泌调节，影响血液成分晒】。除了植酸酶有单一酶产品外，其余饲用酶 制剂大多是包含多种酶的复合制剂，应用较多的有纤维素酶、p 葡聚糖酶、木聚 糖酶、淀粉酶、蛋白酶、果胶酶和植酸酶等。 在实际应用中，酶制剂能够提高断奶仔猪的日增重和饲料转化率，较好地抑 制仔猪腹泻f 2 6 】；能够促进家禽对饲料中营养物质的消化吸收，提高家禽生产性 能，降低料肉比【2 5 】。但酶制剂亦存在热稳定性差、产品质量不稳定以及与饲料 组分的配伍等问题，需要进一步解决【2 7 , 2 8 】。 1 1 4 4 中草药 中草药是我国特有的中医理论与实践的产物。中草药饲料添加剂是指应用我 国传统的中兽医理论和中草药的物性( 阴阳、寒凉、温热) 、物味( 酸、苦、甘、辛、 咸) 及物间关系，在饲料中加入一些健脾、消食开胃、补气养血、滋阴生津、镇 静安神等扶正祛邪、调节阴阳平衡的药【2 9 1 。中草药添加剂含有生物碱、多糖、 5 第一章文献综述 甙类、挥发油、鞣质、有机酸等生物活性物质，其既可直接杀菌、抑菌，又可通 过大量活性物质调节动物机体免疫功能和新陈代谢，提高畜禽健康水平，促进畜 禽生长发育3 0 , 3 1 】。 大量实验表明，中草药添加剂在猪、牛、鸡等畜禽动物以及水产动物的养殖 上都体现了较好的应用效果【3 2 】，由于其来源于天然产品，具有低毒、无残留、 无耐药性，且对环境不造成污染的独特优势，因此应用前景广阔。但中草药饲料 添加剂开发中尚存在一定的制约因素 2 9 ，3 3 1 ，如药用机理尚未弄清，成分复杂难 以检测，添加剂配方缺乏科学评定标准等，仍待进一步深入研究。 1 1 4 5 酸化剂 饲料酸化剂是指能提高饲料酸度，通过与饲料或水结合，能改善动物消化道 环境以满足营养及疾病预防需要的饲料添加剂。酸化剂主要包括单一酸化剂和复 合酸化剂【3 4 1 。单一酸化剂分为无机酸和有机酸及其盐，无机酸化剂主要包括盐 酸、硫酸和磷酸，其中以磷酸居多；有机酸化剂主要有柠檬酸、延胡索酸、乳酸、 丙酸、苹果酸、山梨酸、甲酸、乙酸及其盐等。复合酸化剂是由两种或两种以上 的单一酸化剂复合而成。 饲料酸化剂的作用机制是通过降低消化道内环境的p h 值，提高消化酶活性， 促进消化；有效抑制消化道中致病菌群的繁殖，使有益菌群成为优势菌群，改善 胃肠道微生物区系；促进矿物质和维生素的吸收 3 s , 3 6 。早在上世纪6 0 年代就有 研究表明，在仔猪饲料中添加乳酸可减少粪便中大肠埃希氏杆菌的数量，提高动 物的增重速度3 7 1 。之后的大量研究表吲3 8 删，饲料酸化剂在畜禽与水产养殖中 的应用都起到了很好的效果，并且其在动物体内无残留、无毒害作用，不产生耐 药性，在体内吸收迅速并参与代谢。然而在实际应用中，有机酸和无机酸添加剂 亦存在一定的不足：如易被饲料中的碱性物质中和，失去酸化效果；在胃中吸收 速度过快，抑制胃酸分泌和胃功能的正常发育；无法到达小肠，不能有效抑制肠 道中有害菌的生长与繁殖；腐蚀加工机械、仓贮及运输设备。因此有机酸盐及其 复合酸化剂由于其稳定的性质以及较强的缓冲能力，能够避免出现上述问题，起 到良好的效果。 有机酸化剂中酸性最强的是甲酸。研究表明，甲酸对沙门氏菌、芽孢杆菌、 6 第一章文献综述 酵母菌等微生物有较强的抑制作用【4 i 】；在饲料中添加甲酸能够减少动物胃肠道 中大肠杆菌、沙门氏菌等有害微生物的数量，提高动物的生长性能 4 2 1 。然而， 由于甲酸常温下呈液态，易给饲料加工过程带来不便：甲酸腐蚀性强，可能对饲 料加工设备以及工作人员造成伤害；并且其较大的挥发性以及强烈的刺激性气味 容易造成损失或影响饲料的适口性。因此，具有稳定性质以及较强缓冲能力的甲 酸盐更适合于用作饲料添加剂，尤其是酸式甲酸盐更具优势。 在欧洲，二甲酸钾作为一种新型饲料添加剂最早由挪威n o r s kh y d r oa s a 公 司研制开发，并已被欧盟及瑞士、挪威等国家批准作为饲料中的促生长添加剂， 我国也于2 0 0 5 年批准其作为饲料添加剂。二甲酸钾是欧盟批准的第一种用于替代 抗生素促生长剂的非抗生素饲料添加剂，其稳定的性质以及优良的性能决定了该 产品将拥有广阔的应用前景与巨大的潜在市场。 1 2 二甲酸钾的性质与功能 1 2 1 二甲酸钾的理化性质 二甲酸钾( p o t a s s i u md i f o r m a t e , k d f ) ，又称双甲酸钾，化学式为( h c o o ) 2 h k ， 是由甲酸钾与甲酸分子通过分子间氢键缔合而成，相对分子质量为1 3 0 1 4 。二甲 酸钾是一种白色、无味，流散性好的结晶或结晶性粉末，极易吸潮，极易溶于水。 其熔点为1 0 8 6 【4 3 】，分解温度在1 2 0 以上【州。二甲酸钾水溶液呈酸性，其在 酸性条件下稳定，而在碱性条件下即分解为甲酸盐与甲酸。 1 2 2 二甲酸钾的功能及其作用机理 大量研究表明，日粮中添加有机酸化剂二甲酸钾能够提高动物的日采食量、 日增重以及饲料利用率，促进动物生长发育【4 5 4 8 】；抑制动物胃肠道中有害细菌的 生长与繁殖，降低疾病发生率4 9 。5 1 】；改善营养成分消化率与矿物质保留率【5 2 掰】， 提高畜禽肉、蛋等产品的质量【5 5 】。二甲酸钾所具备的上述功能与抗生素促生长 剂的作用相似，并且其在动物体内无毒害、无残留，不产生耐药性。其作用机理 简述如下。 ( 1 ) 降低胃肠道的p n 值 7 第一章文献综述 二甲酸钾添加到饲料中可以降低饲料的p h 值5 5 1 。动物进食含二甲酸钾的饲 料后，由于胃液呈酸性，故二甲酸钾在胃中被分解的量较小，可以有较多到达肠 道，从而在酸性较低的肠道中起作用。二甲酸钾在肠道中大量解离为甲酸根与钾 离子，释放出旷，降低肠道的p h 值。m r o z 等【划报道在日粮中添加1 0w t 的二 甲酸钾，其在猪胃中释放出甲酸与甲酸钾，此二者在酸性较大的胃中解离量很小； 而当其到达酸性较小的小肠中则大量解离出甲酸根离子与钾离子，释放出h + 。黄 小春等【5 6 1 也报道在日粮中添加o 4 5w t 二甲酸钾降低了肉仔鸡嗉囊和肌胃内容 物的p h 值。 ( 2 ) 改善体内微生物区系 几种有害肠道菌生长的适宜p h 值都是中性偏碱，如大肠杆菌适宜p h 值为6 0 8 0 ，肠球菌为7 0 8 0 ，链球菌为6 0 7 5 ，葡萄球菌为6 8 7 5 ，梭状芽孢杆 菌为6 0 7 5 。而乳酸菌作为肠道有益菌则适宜在酸性环境中生殖，在p h 值为3 5 时仍能生长良好5 7 ，5 引。因此，如上所述二甲酸钾通过降低动物胃肠道的p h 值， 能够抑制大肠杆菌等有害细菌的生长与繁殖，使有益细菌成为优势菌群。 ( 3 ) 提高营养物质的消化率 p h 值是动物体内消化环境中的重要因素之一。动物胃中p h 值为2 0 3 5 、小 肠内p h 值为5 0 7 0 的酸性环境，是饲料组分在体内被充分地消化吸收的必要条 件【3 6 ，5 7 1 。动物消化道中大多数酶对p h 值的要求都接近中性( 6 5 8 0 ) ，如仅淀粉 酶最适p h 值为6 8 7 0 ，胃脂肪酶为5 0 6 0 ，胰脂肪酶为7 0 8 0 。然而分解蛋 白质的酶( 胰蛋白酶除外) 必须在酸性很强的条件下才被激活，胃蛋白酶的最适p h 值为2 0 3 5 【5 7 】。饲料中添加二甲酸钾能够使胃内p h 值下降，激活胃蛋白酶，促 进蛋白质分解，进而刺激十二指肠分泌较多的胰蛋白酶，从而提高蛋白质的消化 吸收率，减少氮、磷的排泄量。m r o z 等 5 4 】还指出，二甲酸钾在动物肠道中大量 解离所得的甲酸根与钾离子对动物机体的腔内与系统酸碱平衡、表观消化率以及 氮保留率均有显著影响。 综上所述，二甲酸钾由于具有上述功能而在促进动物生长发育、预防疾病发 生以及提高饲料转化率等方面体现了与抗生素促生长剂相似的良好效果；同时， 其良好的适口性例与安全性嘲是抗生素促生长剂所不能比拟的。 第一章文献综述 1 3 二甲酸钾的合成 酸式甲酸盐及其制备方法很早就为人所知，1 9 2 1 年，k e n d a l l 等【4 3 1 合成出二 甲酸钾；1 9 2 8 年，德国盖墨林无机化学手册亦记载了二甲酸钾及其制备方法。 然而，直到2 0 0 1 年该产品被批准作为饲料添加剂才真正实现商业化。目前，国内 外关于二甲酸钾合成方法的报道包括以下5 种：甲酸甲酸钾法、甲酸氧化钾法、 甲酸碳酸钾法、甲酸氢氧化钾法和甲酸甲酯碳酸钾或氢氧化钾法。 1 3 1 甲酸一甲酸钾法 以甲酸和甲酸钾为原料，反应式为 h c o o h + h c o o k _ ( h c o o h h k ( 1 - 1 ) 早在1 9 2 8 年，德国盖墨林无机化学手册记载二甲酸钾的制备方法即以甲 酸和甲酸钾为原料。美国发明专利u s 6 1 3 7 0 0 5 删也介绍了采用该方法制备二甲酸 钾。该方法的特点是过程为原子经济反应，所得产品纯度高，并且工艺简单，操 作方便，基本无“三废”排放。但是其原料之一甲酸钾的价格较高，由于原料成本 限制，目前未见该方法的工业化生产报道。 1 3 2 甲酸一氧化钾法 以甲酸和氧化钾为原料，反应式为 4 h c o o h + k 2 0 2 ( h c o o ) 2 h k + h 2 0( 1 2 ) 中国发明专利c n l 8 4 4 0 7 4 t 6 0 】报道了此方法，即以浓度为8 0w t 以上的甲酸 和固体氧化钾直接反应制备二甲酸钾。该反应的特点在于，原料中只有甲酸溶液 中含有水，而且甲酸溶液的浓度在8 0 叭以上，从整个反应过程看，其用水量 少；反应后得到的溶液无需减压浓缩，就可直接进行分离和干燥，降低了能耗。 但该方法所采用的原料氧化钾来源少、价格高，限制了该方法的应用。 1 3 3 甲酸一碳酸钾或氢氧化钾法 以甲酸和碳酸钾或氢氧化钾为原料，反应式为 4 h c o o h + k 2 c 0 3 _ 2 ( h c o o ) 2 h k + h 2 0 + c 0 2 t( 1 3 a ) 9 第一章文献综述 或2 h c o o h + k o h _ ( h c o o ) 2 h k + h 2 0( 1 3 b ) 美国发明专利u s 6 1 3 7 0 0 5 t 4 4 j 中同时介绍了采用甲酸与碳酸钾或氢氧化钾为 原料制备二甲酸钾，使二甲酸钾的工业化生产成为可能。中国发明专利 c n l 4 2 8 3 2 5 6 l 】在国内首次公开了在一种特殊反应器( 捏合反应器) 中，由甲酸和固 体碳酸钾或氢氧化钾制备二甲酸钾的工艺。梁平等【6 2 】以甲酸和固体碳酸钾为原 料合成二甲酸钾，并考察了反应时间、反应温度及原料配比对产品收率的影响。 研究表明，该方法工艺简单，所得二甲酸钾产品纯度较高，收率为4 8 1 。钟国 清掣6 3 】也研究了甲酸碳酸钾或氢氧化钾法，通过对其合成工艺的考察，二甲酸 钾产品收率提高到8 3 。在梁平等的研究基础上，中国发明专利c n l 7 0 4 3 9 4 公开 了一种由甲酸溶液与碳酸钾或氢氧化钾溶液反应生产二甲酸钾的工艺，该工艺引 入了较大量的溶剂，大大降低了反应的剧烈程度，同时循环使用母液亦使二甲酸 钾产品的总收率大为提高，达到9 4 。但大量溶剂的引入与分离也在一定程度上 增大了设备投资与能耗。与甲酸甲酸钾法或甲酸氧化钾法相比，该方法最大的 优势是原料碳酸钾或氢氧化钾来源广且价格较低。 1 3 4 甲酸甲酯一碳酸钾或氢氧化钾法 以甲酸甲酯与碳酸钾或氢氧化钾为原料，反应式为 h c o o c h 3 + h 2 0 _ h c o o h + c h 3 0 h( 1 4 a ) 4 h c o o h + k 2 c 0 3 + 2 ( h c o o i l 2 h k + h 2 0 + c 0 2t( 1 4 b ) 或2 h c o o h + k o h