響應(yīng)面法優(yōu)化飼料添加劑二甲酸鉀的合成工藝

武 蕓， 胡浩斌， 張小偉， 齊慧麗， 張艷敏

（隴東學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，甘肅慶陽(yáng) 745000）

二甲酸鉀是甲酸分子與甲酸鉀通過(guò)氫鍵締合的產(chǎn)物，作為飼料添加劑可降低動(dòng)物腸道的pH，抑制腸道內(nèi)有害細(xì)菌的生長(zhǎng)，預(yù)防動(dòng)物發(fā)病，提高礦物質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)成分的吸收率，促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育 （Papenbrock 等，2005；Knarreborg 等，2002；Mroz等，2002）。 同時(shí)，二甲酸鉀無(wú)毒害、不殘留、安全性高、適口性好（Overland等，2000）。目前，二甲酸鉀的合成方法主要有甲酸-甲酸鉀法（Hj?rnevik，2000）、甲酸-碳酸鉀/氫氧化鉀法（鐘國(guó)清等，2006）、甲酸甲酯-碳酸鉀/氫氧化鉀法（Adami等，2005）、甲酸-氧化鉀法（鄒宗加等，2006）。

本研究以甲酸、碳酸氫鉀為原料合成了二甲酸鉀，并通過(guò)響應(yīng)面法系統(tǒng)地研究了合成工藝。該方法工藝簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備的腐蝕性小、基本無(wú)“三廢”排放。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑 BS110S電子天平（賽多利斯科學(xué)有限公司）、6511電動(dòng)攪拌器 （上海昂尼電子儀器公司）、HH·S11-Ni2型恒溫水浴鍋（北京三二八科學(xué)儀器有限公司）、SHK-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（鄭州科泰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒有限公司）、WRS-1B數(shù)字熔點(diǎn)測(cè)定儀（上海易測(cè)電子儀器公司）、FTIR-8400S紅外光譜儀（日本島津公司）。

甲酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥88.0%）、碳酸氫鉀，均為分析純?cè)噭?/p>

1.2 合成方法 向配有溫度計(jì)與攪拌裝置的250 mL三口圓底燒瓶中加入20 mL甲酸，分批加入21.4 g碳酸氫鉀，保持反應(yīng)溫度65℃2 h后，冷卻、結(jié)晶、抽濾，得白色針狀晶體，60℃恒溫干燥48 h，研磨，即得二甲酸鉀產(chǎn)品。

1.3 產(chǎn)品收率

1.4 二甲酸鉀的分析與表征 產(chǎn)品熔點(diǎn)通過(guò)WRS-1B數(shù)字熔點(diǎn)儀進(jìn)行測(cè)定，采用KBr壓片進(jìn)行FT-IR分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響 選取nHCOOH∶nKHCO3為 2.4，反應(yīng)時(shí)間為 1.5 h，分別在 45、55、65、75、85℃下進(jìn)行合成試驗(yàn)，考察反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，產(chǎn)品收率隨溫度的升高先增大后減小，65℃時(shí)達(dá)到最大值。可能是因?yàn)槎姿徕浀暮铣煞謨刹竭M(jìn)行，第一步是甲酸與碳酸氫鉀進(jìn)行酸堿反應(yīng)生成甲酸鉀、二氧化碳和水，反應(yīng)放熱并且速率很快；第二步是過(guò)量的甲酸與甲酸鉀之間締合形成氫鍵，時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。當(dāng)反應(yīng)溫度高于65℃時(shí)，甲酸揮發(fā)損失的量增加，可能會(huì)使締合反應(yīng)逆向移動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)品收率下降，故選擇反應(yīng)溫度65℃為宜。

表1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響 選取nHCOOH∶nKHCO3為2.4，反應(yīng)溫度為65℃，分別在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h 時(shí)合成二甲酸鉀， 考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，產(chǎn)品收率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，1.5 h時(shí)達(dá)到最大值，1.5～2.5 h收率不斷下降，可能因?yàn)殡S著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，甲酸揮發(fā)損失的量增加，締合反應(yīng)逆向移動(dòng)使收率下降。故選擇反應(yīng)時(shí)間為1.5 h。

2.1.3 反應(yīng)物物料比對(duì)收率的影響 選取反應(yīng)溫度為65℃，反應(yīng)時(shí)間為1.5 h，分別在nHCOOH∶nKHCO3為 2.0、2.2、2.4、2.6、2.8 時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表 1。 由表 1可知，nHCOOH∶nKHCO3為 2.0～2.2時(shí)，產(chǎn)品收率增加，是因?yàn)榧姿嶙鳛榉磻?yīng)物之一，適當(dāng)過(guò)量可促進(jìn)反應(yīng)正向進(jìn)行；nHCOOH∶nKHCO3為2.2～2.8時(shí)，產(chǎn)品收率逐漸減小可能因?yàn)槎姿徕浽谒图姿嶂卸加休^好的溶解性，甲酸過(guò)量太多，生成的二甲酸鉀會(huì)溶于水和過(guò)量甲酸中難以析出使收率下降，或者干燥過(guò)程中呈現(xiàn)稀糊狀，給后處理帶來(lái)困難。故選擇nHCOOH∶nKHCO3為 2.2。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 為了得到較好的回歸模型，各因素的水平根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果選取。試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平

以反應(yīng)溫度（X1）、反應(yīng)時(shí)間（X2）、nHCOOH∶nKHCO3（X3）為自變量，產(chǎn)品收率（Y）為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken中心組合原理進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，共設(shè)計(jì)出17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中 1、6、10、16、17 為零點(diǎn)試驗(yàn)，用以估計(jì)試驗(yàn)誤差，其余為析因試驗(yàn)。

2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析 利用Design-Expert 8.0.5軟件對(duì)表3的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到二甲酸鉀的收率與各因素變量的二次回歸模型為：

Y=87.66-0.13X1+2.74X2+0.059X3-1.09X1X2-4.60X1X3-0.96X2X3-6.87X12+0.71X22-7.59X32。

表3 Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

其方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，模型的P值小于0.0001，說(shuō)明回歸模型已達(dá)到極顯著統(tǒng)計(jì)水平，表明回歸模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好；失擬項(xiàng)P值為0.1407（大于0.05），說(shuō)明失擬因素不顯著；決定系數(shù)（R2）和調(diào)整系數(shù)（RAdj2）的值分別為 0.9849和0.9655，表明該模型的準(zhǔn)確性和適用性均良好。因此，可以用該模型進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)二甲酸鉀的合成工藝。

表4 回歸模型的方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

一次項(xiàng) X2、二次項(xiàng) X12和 X32、交互項(xiàng) X1X3的P值均小于0.01，說(shuō)明反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度與nHCOOH∶nKHCO3的平方、反應(yīng)溫度與 nHCOOH∶nKHCO3的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響極顯著，并且由各項(xiàng)估計(jì)值可知，各因素對(duì)產(chǎn)品收率的影響順序?yàn)椋悍磻?yīng)時(shí)間＞反應(yīng)溫度＞nHCOOH∶nKHCO3。因此，在實(shí)際操作中，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整反應(yīng)物物料比和嚴(yán)格控制反應(yīng)時(shí)間的方法節(jié)約成本。為了更直觀(guān)的表示各交互作用對(duì)二甲酸鉀收率的影響，采用Design-Expert 8.0.5軟件作出響應(yīng)面圖及等高線(xiàn)圖，見(jiàn)圖 1～3，其中 A=X1：反應(yīng)溫度；B=X2：反應(yīng)時(shí)間；C=X3：nHCOOH∶nKHCO3。

由圖1和圖3可知，在選取的條件范圍內(nèi)，產(chǎn)品收率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，并且曲線(xiàn)較陡，說(shuō)明反應(yīng)時(shí)間影響顯著，綜合響應(yīng)面圖和等高線(xiàn)圖可以得出，反應(yīng)溫度控制為64～66℃時(shí)或nHCOOH∶nKHCO3值為2.15～2.25時(shí)，反應(yīng)時(shí)間大于1.8 h時(shí)，產(chǎn)品收率高于88.95%和88.78%。

圖1 Y=f（X1，X2）的響應(yīng)面圖及等高線(xiàn)圖

圖2 Y=f（X1，X3）的響應(yīng)面圖及等高線(xiàn)圖

圖3 Y=f（X2，X3）的響應(yīng)面圖及等高線(xiàn)圖

由圖2可知，在選取的條件范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度不變，隨著nHCOOH∶nKHCO3值的增大，產(chǎn)品收率先逐漸增大，隨后逐漸減?。划?dāng)反應(yīng)物摩爾比保持不變，產(chǎn)品收率隨反應(yīng)溫度先增大，達(dá)到一定值后開(kāi)始下降。綜合響應(yīng)面圖和等高線(xiàn)圖可知，收率的極值出現(xiàn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度為64～66℃時(shí)，nHCOOH∶nKHCO3值為 2.15～2.25，產(chǎn)品收率極值為88.77%

2.2.3 最佳工藝條件的確定和驗(yàn)證試驗(yàn) 利用Design-Expert軟件對(duì)回歸方程求解，預(yù)測(cè)出二甲酸鉀的最佳合成工藝條件為：nHCOOH∶nKHCO3=2.19，反應(yīng)溫度64.61℃，反應(yīng)時(shí)間2.0 h，對(duì)應(yīng)的最大響應(yīng)值為91.17%。為驗(yàn)證該模型的可靠性，同時(shí)兼顧試驗(yàn)操作的簡(jiǎn)便，采用nHCOOH∶nKHCO3=2.19，反應(yīng)溫度65℃，反應(yīng)時(shí)間2.0 h進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到二甲酸鉀收率的平均值為91.44%，與預(yù)測(cè)值接近，說(shuō)明所得模型與實(shí)際情況基本吻合，模型可靠。

2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表征

2.3.1 熔點(diǎn)測(cè)定 測(cè)定產(chǎn)品的熔點(diǎn)為106.4～109.1℃，與石波等（2004）研究結(jié)果接近。

2.3.2 紅外光譜分析 最佳合成條件下所得產(chǎn)品為白色晶體，其紅外光譜圖（KBr壓片）見(jiàn)圖4。

圖4 產(chǎn)品的紅外光譜圖

由圖4可知，3421.48 cm－1處強(qiáng)而寬的吸收峰， 指紋區(qū) 763.21 cm－1與 698.37 cm－1處的吸收峰說(shuō)明分子中存在締合的OH基團(tuán)；2808.31 cm－1與2715.59cm－1處的兩個(gè)吸收峰為醛基上 C-H的伸縮振動(dòng)，1631.67 cm－1與 1602.74 cm－1處的兩個(gè)吸收峰說(shuō)明樣品中含有兩個(gè)C=O基團(tuán)，在1384.79 cm－1與 1350.08 cm－1處有兩個(gè)吸收峰說(shuō)明樣品中含有兩個(gè)羧酸根基團(tuán)。產(chǎn)品的紅外特征吸收峰與二甲酸鉀的分子結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，并且與石波等（2004）報(bào)道一致，說(shuō)明試驗(yàn)所得的產(chǎn)物為二甲酸鉀。

3 結(jié)論

采用甲酸與碳酸氫鉀為原料合成了二甲酸鉀，并采用響應(yīng)面法優(yōu)化得出最佳工藝條件為：nHCOOH∶nKHCO3=2.19，反應(yīng)溫度 65 ℃，反應(yīng)時(shí)間2.0 h。在此條件下產(chǎn)品收率達(dá)91.44%。

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