代飛，聶少春，李玉軍，朱明偉，鄭億琦

(武漢有機實業(yè)有限公司，湖北 武漢 430082)

0 引言

甲酸、乙酸、丙酸等小分子有機酸，都具有良好的抑菌效果，其中效果最好的是甲酸。但這些小分子酸腐蝕性強，容易與飼料中的堿性物質(zhì)直接反應(yīng)，破壞飼料營養(yǎng)成分，所以有機酸無法直接添加到飼料中使用，必須對這些小分子酸做處理后才能使用，最常用、最穩(wěn)定的處理方法為以有機酸鹽的形式來使用。甲酸鹽避免了甲酸對胃黏膜和腸道的刺激性、腐蝕性和其他隱患，豐富了甲酸酸化劑的應(yīng)用范圍。常用的甲酸鹽有甲酸鈉、甲酸鈣、甲酸銨、甲酸鉀和二甲酸鉀。其中，甲酸鈉、甲酸鈣和甲酸鉀水溶液呈中性，抑菌性差；而甲酸銨和二甲酸鉀水溶液呈酸性，抑菌能力強[1]。

甲酸銨和二甲酸鉀都是比較常見的酸化劑，可以促使飼料在進(jìn)入消化系統(tǒng)時保持酸性，有效控制消化系統(tǒng)內(nèi)致病菌的生長，提高消化系統(tǒng)內(nèi)的衛(wèi)生水平，是一種健康有效的飼料添加劑。并且中國正在推行“飼料無抗、養(yǎng)殖減抗”政策，酸化劑已經(jīng)成為抗生素的重要替代品。同時甲酸是分子結(jié)構(gòu)最簡單的有機酸，具有較強的酸化功能、較好的抗氧化作用，對許多微生物均有滅殺作用，因此許多復(fù)合型酸化劑均是以甲酸為基礎(chǔ)。甲酸銨和二甲酸鉀克服了甲酸對腸道的腐蝕性和入口刺激性的缺點，同時繼承了甲酸的酸性和抗菌能力，在動物飼料和畜牧養(yǎng)殖中得到廣泛應(yīng)用[2]。文章對甲酸銨和二甲酸鉀的合成方法和在畜禽、水產(chǎn)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述，為甲酸類衍生物的進(jìn)一步開發(fā)、研究和應(yīng)用提供參考。

1 甲酸鹽合成方法

1.1 甲酸鹽作用機理

在抑菌效果和H+數(shù)量方面，甲酸是性價比最高的酸化劑原料之一，但其具有刺激性氣味，可能會影響飼料適口性和牲畜的采食量，將其制成甲酸銨和二甲酸鉀后，可避免甲酸的刺激性，抗菌性有明顯提升。

甲酸鹽酸化劑的作用機理是甲酸根可破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁，從而干擾細(xì)菌酶的合成和活性，抑制病菌的繁殖，同時降低胃腸道內(nèi)的pH值，提高體內(nèi)蛋白酶的活性，加強胃腸道的消化吸收能力，減少牲畜的腹瀉。酸化劑還能調(diào)節(jié)腸道菌群的平衡，平衡且穩(wěn)定的菌群環(huán)境對預(yù)防動物的疾病十分重要，是腸道健康的關(guān)鍵。幾種常見的病原菌適宜生長的pH值一般接近中性，如大腸桿菌、鏈球菌、葡萄球菌等，而乳酸桿菌、酵母菌等有益菌，適宜在酸性環(huán)境下生長。因此，酸化劑是通過降低動物腸胃pH值來控制有害病菌的生長，進(jìn)而減少動物飼料的損耗和降低細(xì)菌毒素的累積，同時加強有益菌的繁殖[3]。因此，自2006年歐盟全面禁抗后，甲醛被批準(zhǔn)替代抗生素品，由于甲醛對人體的危害，2018年歐盟批準(zhǔn)甲酸及其衍生物作為甲醛的替代品，批準(zhǔn)其在所有動物中使用[4]，自此甲酸鹽酸化劑的應(yīng)用更加廣泛。

1.2 甲酸銨合成方法

甲酸銨的傳統(tǒng)合成工藝是將甲酸和氨氣中和而得。首先用冷凍水將甲酸降溫，攪拌條件下通氨氣反應(yīng)，終點控制在pH值為7.0～7.5，反應(yīng)結(jié)束后降溫至-5 ℃，最后甩濾烘干，得甲酸銨產(chǎn)品。甲酸銨合成方程式如下所示：

該工藝屬于酸堿中和反應(yīng)，會產(chǎn)生大量熱，同時由于較高溫度下甲酸容易揮發(fā)，為保證收率，常需要使用冷凍水給反應(yīng)降溫。甲酸銨在水中可電解出甲酸根，起防腐作用。肥城阿斯德化工有限公司生產(chǎn)出四甲酸銨，新工藝采用氮氣保護(hù)，在常溫、常壓以及控制甲酸、液氨原料配比條件下，一步反應(yīng)生成“四甲酸銨”。產(chǎn)品腐蝕性、刺激性、揮發(fā)性小，不污染環(huán)境、不傷及皮膚、不腐蝕農(nóng)機具，可替代國內(nèi)常用的甲酸、丙酸、氨等保鮮劑，同時與甲酸、液氨生產(chǎn)銜接，原材料易得、成本低。四甲酸銨主要應(yīng)用于飼料青貯保鮮，取得良好效果，青貯使用效果優(yōu)于國內(nèi)已推廣的甲酸、丙酸氨等保鮮劑[5]，張炳勝等公布了一種四甲酸銨的生產(chǎn)設(shè)備[6]。四甲酸銨合成方程式如下所示：

嚴(yán)格來說，四甲酸銨是甲酸和甲酸銨的混合物，其酸性介于甲酸和甲酸銨之間。四甲酸銨保鮮效果好，添加四甲酸銨后的青貯料外觀色澤好、氣味芳香，可明顯抑制細(xì)菌生長。給奶牛飼喂含四甲酸銨的青貯飼料，比試驗前平均產(chǎn)奶量增長5%～11%。每頭奶牛飼料成本增加小，但奶牛增奶量相當(dāng)明顯，高達(dá)10%，投資回報率為1∶10，效益十分明顯。

1.3 二甲酸鉀合成方法

二甲酸鉀也是一種常用的酸化劑防腐劑，是甲酸和甲酸鉀通過氫鍵結(jié)合的二聚體，水溶液中游離出甲酸和甲酸鉀。其繼承了甲酸的防腐抗菌作用，同時還具有低腐蝕性的緩釋效果。目前二甲酸鉀主要有四條合成路線，分別采用甲酸-碳酸鉀法、甲酸-氫氧化鉀法、甲酸-甲酸鉀法與甲酸-氧化鉀法合成二甲酸鉀。

(1)甲酸-碳酸鉀法

以碳酸鉀和甲酸為原料合成二甲酸鉀和二氧化碳?xì)怏w，如下所示：

該工藝會產(chǎn)生大量廢氣二氧化碳，同時廢氣中還會夾帶甲酸，不僅造成環(huán)境污染，還會增加原料單耗，增加生產(chǎn)成本，且碳酸鉀常配置成水溶液反應(yīng)，產(chǎn)生的廢水量也較大。但由于碳酸鉀的廉價，工業(yè)生產(chǎn)中常使用此方法。

(2)甲酸-氫氧化鉀法

以氫氧化鉀和甲酸為原料合成二甲酸鉀和水，如下所示：

該工藝屬于酸堿中和反應(yīng)，會產(chǎn)生大量熱，為避免甲酸被熱量帶走，需要使用冷凍水冷卻降溫，能耗較高，一些企業(yè)仍在使用該工藝。

(3)甲酸-甲酸鉀法

該工藝以甲酸和甲酸鉀為原料，合成二甲酸鉀，如下所示：

該工藝流程簡單，所得產(chǎn)品純度高，便于生產(chǎn)操作，無明顯“三廢”產(chǎn)生。但由于原料甲酸鉀售價高，相對成本較高，工業(yè)應(yīng)用較少。

(4)甲酸-氧化鉀法

使用甲酸水溶液和固體氧化鉀反應(yīng)，直接生成二甲酸鉀，如下所示：

反應(yīng)中，使用氧化鉀固體和80%左右的甲酸水溶液，由于無其他水引入，反應(yīng)完畢即為二甲酸鉀濃溶液，無需蒸水，可直接冷卻后分離干燥，降低能耗。但氧化鉀來源少、價格高，不適合工業(yè)化應(yīng)用。

總的來說，二甲酸鉀的主要原料有甲酸和鉀鹽，其中制備甲酸常采用甲酸鈉水解法和甲酸甲酯水解法。國內(nèi)常使用甲酸鈉水解法，國外常用BASF開發(fā)的甲酸甲酯水解法。合成原理如下所示：

目前國內(nèi)常使用甲酸-碳酸鉀法和甲酸-氫氧化鉀法生產(chǎn)二甲酸鉀[7]，近年來甲酸-甲酸鉀法也被生產(chǎn)應(yīng)用，其以一氧化碳和氫氧化鉀為原料，高壓合成甲酸鉀，再進(jìn)一步合成二甲酸鉀。由于直接采用源頭原料一氧化碳，具有一定技術(shù)門檻但工藝成本更低，反應(yīng)更溫和且能耗更低，同時該方法還能合理利用一氧化碳廢氣，符合未來綠色化工的發(fā)展方向。

2 甲酸衍生物的應(yīng)用

2.1 甲酸銨的應(yīng)用

2010年7月23日，美國食品藥物管理局(FDA)確定了關(guān)于動物飼料和飲用水內(nèi)食品添加劑——甲酸銨的最終法規(guī)。該食品添加劑的申請最先由芬蘭Kemira Oyj公司提交，美國食品藥物管理局同意并修訂動物飼料和飲用水內(nèi)食品添加劑相關(guān)法規(guī)，允許甲酸銨作為飼料酸化劑的日常使用。楊梅等[8]報道了一種飼料中甲酸-甲酸銨的配比，液體型組成為甲酸、甲酸銨、水比例為10～50∶10～50∶0～80，粉體型為液體型加載體。通過合適的配比，可降低甲酸的揮發(fā)性，增強適口性，在飼料中添加甲酸-甲酸銨酸化劑，能顯著提高牲畜的生長效果。EISEMANN等[9]研究確定在豬的保育期和育肥期飼糧中添加甲酸-甲酸銨(甲酸與甲酸銨比例為62∶37)的最佳添加量，在合適的配比下，保育期和育肥期的豬平均日增重與肉料相比顯著提高且達(dá)到最大值。根據(jù)雞蛋殘留研究的結(jié)果，在動物飼料中使用甲酸銨，最高含量為每公斤完整飼料2000 mg的甲酸當(dāng)量，不會對消費者產(chǎn)生不良影響。歐盟食品安全局通過一系列飼料實驗，其中測試了甲酸銨溶液的保鮮效果，測定加入飼料后不同時間后，飼料中需氧菌、大腸桿菌、酵母菌和絲狀真菌的總數(shù)。其結(jié)果表明，在飼料中添加甲酸銨，絲狀真菌的數(shù)量顯著減少，對酵母菌或細(xì)菌的數(shù)量影響不大。2020年，歐盟食品安全局重新授權(quán)在所有動物飼料中使用銨、鈣和甲酸鈉作為防腐劑，以及使用甲酸銨和甲酸鈉作為青貯添加劑。甲酸的液體制劑可作為飼料中的防腐劑，有可能控制真菌和需氧細(xì)菌的生長[10-11]。

總的來說，甲酸銨(或甲酸-甲酸銨)常作為飼料添加劑，主要應(yīng)用在豬的養(yǎng)殖中，使用量在0.6%～1.0%，能增加牲畜的飲食和消化能力，也可作為青貯飼料的保鮮防腐。

2.2 二甲酸鉀的應(yīng)用

在禁抗的大背景下，第一種被歐盟批準(zhǔn)用于替代抗生素生長劑的非抗生素類飼料添加劑為二甲酸鉀，2005年中國也批準(zhǔn)使用[12]。二甲酸鉀因其完全的生物降解性，同時能有效抑制腸道致病菌，成為抗生素的替代品，在動植物養(yǎng)殖中，得到廣泛的研究和應(yīng)用。

二甲酸鉀常用于家禽的養(yǎng)殖中。鄧麗等[13]研究了二甲酸鉀作為飼料添加劑的作用機理和在養(yǎng)豬行業(yè)中的應(yīng)用。二甲酸鉀在水中可釋放出H+，降低腸道pH值，從而改善動物腸道菌群，并且促進(jìn)動物腸道消化酶的分泌，有助于飼料的消化和營養(yǎng)的吸收，同時進(jìn)入消化道后，分解出的H+能抑制微生物的生長。二甲酸鉀能促進(jìn)豬仔生長、提高飼料吸收率[14]、 降低仔豬腹瀉頻率[15]、增強豬的免疫能力[16]、改善母豬的產(chǎn)仔情況[17]和豬肉品質(zhì)[18]。同時二甲酸鉀在肉雞和蛋雞養(yǎng)殖中也有促進(jìn)效果，飼料中添加二甲酸鉀可提高雞的日增重和飼料轉(zhuǎn)化率，達(dá)到黃曲霉素同等效果[19]。在日糧中添加了二甲酸鉀的肉雞，其肌胃、嗉囊、十二指腸、回腸和空腸的 pH值顯著降低，腸道的健康和免疫水平顯著提高[20]。在30～32 ℃的較高溫度下，二甲酸鉀還能提高飼料中干物質(zhì)和粗蛋白的消化能力[21]。日糧添加1%～2%的二甲酸鉀能夠提高產(chǎn)蛋后期蛋雞生產(chǎn)性能，增加蛋殼比重，增強血液免疫力，降低腸道炎性細(xì)胞因子表達(dá)[22]。在飼糧中添加3.0 g/kg的二甲酸鉀，能夠顯著提高公貂對干物質(zhì)和粗蛋白表觀消化率，同時提高體內(nèi)十二指腸胰蛋白酶活性，降低公貂糞便中氨氮和總氮含量[23]。

在水產(chǎn)方面，在對蝦養(yǎng)殖的飼料中加入二甲酸鉀，能提高蝦日增重和存活率。ANGGI等[24]研究了飼料中添加二甲酸鉀以促進(jìn)巨型淡水蝦生長的最佳劑量，添加1%二甲酸鉀的日生長率為1.86%±0.60%、飼料效率值為19.0%±1.91%、飼料添加量為1%時存活率為92%。MOUHAMADOU等[25]研究未發(fā)現(xiàn)對凡納濱對蝦的生長、存活以及飼料效率和水質(zhì)有顯著影響，這可能是由于海蝦與河蝦的差異性引起的。ELALA A M N等[26]研究發(fā)現(xiàn)二甲酸鉀可提高羅非魚的生長性能和免疫功能。

同時，也有相關(guān)研究報道二甲酸鉀和其他添加劑的復(fù)配使用。翟振亞等[27]報道了在斷奶仔豬的日糧中添加1%二甲酸鉀+200 g/t凝結(jié)芽孢桿菌，可顯著改善生長性能，效果優(yōu)于單獨使用二甲酸鉀。詹海杰等[28]和李燕平等[29]分別報道了“復(fù)合酶+檸檬酸+二甲酸鉀”組合添加劑對獺兔和肉兔生長性能、養(yǎng)分表觀消化率、毛皮品質(zhì)和免疫指標(biāo)等的積極作用，同時確定了三種添加劑的最佳配比。鄒俊等[30]報道了飼糧中組合添加300 mg/kg丁酸梭菌和2000 mg/kg二甲酸鉀的復(fù)配添加劑時，肉雞的生長性能、屠宰性能和免疫器官指數(shù)最佳。

總之，二甲酸鉀在飼料方面得到廣泛應(yīng)用，飼料中的添加量通常在0.3%～1.2%。二甲酸鉀憑借其在家禽和水產(chǎn)等飼養(yǎng)方面的良好表現(xiàn)和直觀效果，將作為一種新型的非抗生素類飼料添加劑在牲畜水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中得到更加廣泛地研究、發(fā)展和應(yīng)用。

3 結(jié)語

隨著禁抗的勢在必行，抗生素的使用范圍將越來越小，甲酸銨和二甲酸鉀的應(yīng)用也將更加廣泛。甲酸銨和二甲酸鉀都屬于甲酸鹽，不僅避免了甲酸的腐蝕性，還繼承了甲酸的抑菌性和酸性，是理想的抗生素替代品。同時由于甲酸銨和二甲酸鉀屬于小分子有機鹽，在體內(nèi)可完全分解、不易殘留，是非常安全的添加劑。目前，甲酸銨和二甲酸鉀在畜牧方面已得到廣泛應(yīng)用，許多的文獻(xiàn)對其使用效果進(jìn)行研究和報道，也有少量文獻(xiàn)報道了甲酸銨或二甲酸鉀和其他添加劑的復(fù)合使用，通過各種添加劑的復(fù)配可以達(dá)到各方面的互補和增益，甲酸鹽的復(fù)配效果和機理的研究將是今后的發(fā)展方向和熱點。