響應面法優(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

（隴東學院化學化工學院，甘肅慶陽 745000）

二甲酸鉀是甲酸分子與甲酸鉀通過氫鍵締合的產(chǎn)物，作為飼料添加劑可降低動物腸道的pH，抑制腸道內(nèi)有害細菌的生長，預防動物發(fā)病，提高礦物質(zhì)及營養(yǎng)成分的吸收率，促進動物生長發(fā)育 （Papenbrock 等，2005；Knarreborg 等，2002；Mroz等，2002）。 同時，二甲酸鉀無毒害、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，并通過響應面法系統(tǒng)地研究了合成工藝。該方法工藝簡單、對設備的腐蝕性小、基本無“三廢”排放。

1 材料與方法

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

甲酸（質(zhì)量分數(shù)≥88.0%）、碳酸氫鉀，均為分析純試劑。

1.2 合成方法 向配有溫度計與攪拌裝置的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)品熔點通過WRS-1B數(shù)字熔點儀進行測定，采用KBr壓片進行FT-IR分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 反應溫度對收率的影響 選取nHCOOH∶nKHCO3為 2.4，反應時間為 1.5 h，分別在 45、55、65、75、85℃下進行合成試驗，考察反應溫度對產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見表1。由表1可知，產(chǎn)品收率隨溫度的升高先增大后減小，65℃時達到最大值?？赡苁且驗槎姿徕浀暮铣煞謨刹竭M行，第一步是甲酸與碳酸氫鉀進行酸堿反應生成甲酸鉀、二氧化碳和水，反應放熱并且速率很快；第二步是過量的甲酸與甲酸鉀之間締合形成氫鍵，時間相對較長。當反應溫度高于65℃時，甲酸揮發(fā)損失的量增加，可能會使締合反應逆向移動導致產(chǎn)品收率下降，故選擇反應溫度65℃為宜。

表1 單因素試驗結(jié)果

2.1.2 反應時間對收率的影響 選取nHCOOH∶nKHCO3為2.4，反應溫度為65℃，分別在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h 時合成二甲酸鉀， 考察反應時間對產(chǎn)品收率的影響，結(jié)果見表1。由表1可知，產(chǎn)品收率隨反應時間的延長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，1.5 h時達到最大值，1.5～2.5 h收率不斷下降，可能因為隨著加熱時間的延長，甲酸揮發(fā)損失的量增加，締合反應逆向移動使收率下降。故選擇反應時間為1.5 h。

2.1.3 反應物物料比對收率的影響 選取反應溫度為65℃，反應時間為1.5 h，分別在nHCOOH∶nKHCO3為 2.0、2.2、2.4、2.6、2.8 時進行試驗，結(jié)果見表 1。 由表 1可知，nHCOOH∶nKHCO3為 2.0～2.2時，產(chǎn)品收率增加，是因為甲酸作為反應物之一，適當過量可促進反應正向進行；nHCOOH∶nKHCO3為2.2～2.8時，產(chǎn)品收率逐漸減小可能因為二甲酸鉀在水和甲酸中都有較好的溶解性，甲酸過量太多，生成的二甲酸鉀會溶于水和過量甲酸中難以析出使收率下降，或者干燥過程中呈現(xiàn)稀糊狀，給后處理帶來困難。故選擇nHCOOH∶nKHCO3為 2.2。

2.2 響應面試驗

2.2.1 試驗設計 為了得到較好的回歸模型，各因素的水平根據(jù)單因素試驗結(jié)果選取。試驗因素與水平見表2。

表2 響應面試驗因素與水平

以反應溫度（X1）、反應時間（X2）、nHCOOH∶nKHCO3（X3）為自變量，產(chǎn)品收率（Y）為響應值，根據(jù)Box-Behnken中心組合原理進行響應面試驗設計，結(jié)果見表3。由表3可知，共設計出17個試驗點，其中 1、6、10、16、17 為零點試驗，用以估計試驗誤差，其余為析因試驗。

2.2.2 響應面試驗結(jié)果分析 利用Design-Expert 8.0.5軟件對表3的試驗結(jié)果進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中心組合試驗設計及結(jié)果

其方差分析及顯著性檢驗結(jié)果見表4。

由表4可知，模型的P值小于0.0001，說明回歸模型已達到極顯著統(tǒng)計水平，表明回歸模型與試驗數(shù)據(jù)吻合良好；失擬項P值為0.1407（大于0.05），說明失擬因素不顯著；決定系數(shù)（R2）和調(diào)整系數(shù)（RAdj2）的值分別為 0.9849和0.9655，表明該模型的準確性和適用性均良好。因此，可以用該模型進行模擬和預測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結(jié)果

一次項 X2、二次項 X12和 X32、交互項 X1X3的P值均小于0.01，說明反應時間、反應溫度與nHCOOH∶nKHCO3的平方、反應溫度與 nHCOOH∶nKHCO3的交互作用對響應值的影響極顯著，并且由各項估計值可知，各因素對產(chǎn)品收率的影響順序為：反應時間＞反應溫度＞nHCOOH∶nKHCO3。因此，在實際操作中，可通過適當調(diào)整反應物物料比和嚴格控制反應時間的方法節(jié)約成本。為了更直觀的表示各交互作用對二甲酸鉀收率的影響，采用Design-Expert 8.0.5軟件作出響應面圖及等高線圖，見圖 1～3，其中 A=X1：反應溫度；B=X2：反應時間；C=X3：nHCOOH∶nKHCO3。

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

圖1 Y=f（X1，X2）的響應面圖及等高線圖

圖2 Y=f（X1，X3）的響應面圖及等高線圖

圖3 Y=f（X2，X3）的響應面圖及等高線圖

由圖2可知，在選取的條件范圍內(nèi)，反應溫度不變，隨著nHCOOH∶nKHCO3值的增大，產(chǎn)品收率先逐漸增大，隨后逐漸減?。划敺磻锬柋缺３植蛔?，產(chǎn)品收率隨反應溫度先增大，達到一定值后開始下降。綜合響應面圖和等高線圖可知，收率的極值出現(xiàn)在試驗范圍內(nèi)，反應溫度為64～66℃時，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證試驗 利用Design-Expert軟件對回歸方程求解，預測出二甲酸鉀的最佳合成工藝條件為：nHCOOH∶nKHCO3=2.19，反應溫度64.61℃，反應時間2.0 h，對應的最大響應值為91.17%。為驗證該模型的可靠性，同時兼顧試驗操作的簡便，采用nHCOOH∶nKHCO3=2.19，反應溫度65℃，反應時間2.0 h進行3次驗證試驗，得到二甲酸鉀收率的平均值為91.44%，與預測值接近，說明所得模型與實際情況基本吻合，模型可靠。

2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表征

2.3.1 熔點測定 測定產(chǎn)品的熔點為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）見圖4。

圖4 產(chǎn)品的紅外光譜圖

由圖4可知，3421.48 cm－1處強而寬的吸收峰， 指紋區(qū) 763.21 cm－1與 698.37 cm－1處的吸收峰說明分子中存在締合的OH基團；2808.31 cm－1與2715.59cm－1處的兩個吸收峰為醛基上 C-H的伸縮振動，1631.67 cm－1與 1602.74 cm－1處的兩個吸收峰說明樣品中含有兩個C=O基團，在1384.79 cm－1與 1350.08 cm－1處有兩個吸收峰說明樣品中含有兩個羧酸根基團。產(chǎn)品的紅外特征吸收峰與二甲酸鉀的分子結(jié)構(gòu)相對應，并且與石波等（2004）報道一致，說明試驗所得的產(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，并采用響應面法優(yōu)化得出最佳工藝條件為：nHCOOH∶nKHCO3=2.19，反應溫度 65 ℃，反應時間2.0 h。在此條件下產(chǎn)品收率達91.44%。

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