人工甜味劑環(huán)境行為及生態(tài)毒理研究進展

陳勝文，賀 程，李文超，陳 凱，馬 磊，陸韻吉，謝洪勇

（上海第二工業(yè)大學城市建設(shè)與環(huán)境工程學院，上海 201209）

人工甜味劑環(huán)境行為及生態(tài)毒理研究進展

陳勝文，賀 程，李文超，陳 凱，馬 磊，陸韻吉，謝洪勇

（上海第二工業(yè)大學城市建設(shè)與環(huán)境工程學院，上海 201209）

人工甜味劑主要是指一些具有甜味但不是糖類的合成化學物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于食品和飲料、制藥、個人護理品、釀酒和飼料等行業(yè)。主要針對其進入環(huán)境后特別是環(huán)境水體當中的污染水平及趨勢、環(huán)境行為、生態(tài)毒理和分析方法等進行了綜述，為進一步研究提供一些建設(shè)性的參考。

人工甜味劑；三氯蔗糖；糖精；環(huán)境行為；生態(tài)毒理

0 引言

近幾十年來，世界范圍包括我國在內(nèi)的肥胖癥、糖尿病和齲齒等人群高發(fā)病的產(chǎn)生都被認為與飲食習慣及膳食結(jié)構(gòu)相關(guān)，尤其是與蔗糖攝入過多有著密切的關(guān)系。因此，催生了無營養(yǎng)價值、無熱量或極低熱量的人工甜味劑。人工甜味劑（Artificial Sweeteners）主要是指一些具有甜味但不是糖類的合成化學物質(zhì)。甜度一般比蔗糖高十倍至數(shù)百倍，所以人工甜味劑又稱為代糖。人工甜味劑主要有糖精（鄰磺酰苯甲酰亞胺, Saccharin，簡寫為SAC）；天門冬酰苯丙氨酸甲酯（蛋白糖，甜味素，阿斯巴甜，簡寫為ASP）；環(huán)己基氨基磺酸鈉（甜蜜素，Cyclamate，簡寫為CYC）；乙?；前匪徕洠ò操惷郏珹K糖，Acesulfame Potassium，簡寫為ACE）；三氯蔗糖（三氯半乳糖，Sucralose，簡寫為SUC）；L-天冬酰-D-丙氨酰胺（阿力甜，Alitame，簡寫為ALI）等[1]，具體參數(shù)及分子結(jié)構(gòu)式見表1。

到目前為止，世界各國已獲批準的人工甜味劑約有20種，其中得到多數(shù)國家批準允許使用的品種主要有ACE、ASP、CYC、SAC、SUC等[2]。

高倍甜味劑主要的消費領(lǐng)域是食品和飲料，還可應(yīng)用于制藥、個人護理品、釀酒和飼料等。2010年，中國成為亞太區(qū)人工甜味劑消費最大的國家，市場規(guī)模大約為24 641噸，市場價值約1.35億美元。研究同時表明，亞太區(qū)是高倍甜味劑的一個重要生產(chǎn)區(qū)域。據(jù)估計，全球超過50 % 的高倍甜味劑的生產(chǎn)集中在亞太區(qū)。報告統(tǒng)計顯示，中國2010年高倍甜味劑的總產(chǎn)量超過了80 639噸，在亞太地區(qū)排名第一（注：http://info.china.alibaba.com/news/detail/v0-d1015122599.html）。

人工甜味劑進入人體后，大部分不被人體所代謝并以母體化合物的形式排出體外。三氯蔗糖95 % 以母體化合物形式進入環(huán)境水體。ACE，CYC和SAC幾乎是100 % 的以母體化合物的形式排出體外[3]。三氯蔗糖（在加拿大和美國稱為Splenda）在2005年進入挪威食品市場。一年以后，挪威空氣研究所（NILU）在環(huán)境水體中發(fā)現(xiàn)該化合物，在污水處理廠的進水和出水中都有檢出[4]。

瑞典國家食品管理局的Per Ola Darnerud指出，由于歐盟關(guān)于食品的科學委員會批準三氯蔗糖可被人們安全食用，就沒有對其進行環(huán)境評估。加拿大和美國于20世紀90年代批準它作為食品添加劑，也沒有對它進行環(huán)境影響評價。美國和加拿大使用三氯蔗糖的時間已很長，迄今未發(fā)現(xiàn)對人群健康和環(huán)境有不良的影響。但Darnerud指出這可能是由于沒有人關(guān)注它的影響，也可能這類影響需要更長的時間才會顯現(xiàn)[5]。鑒于人工甜味劑進入環(huán)境后對于生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害，本文對人工甜味劑的污染水平及趨勢、環(huán)境行為及生態(tài)毒理等方面進行了總結(jié)與評述，為下一步的研究提供建設(shè)性的參考。

表1 幾種人工甜味劑參數(shù)及化學結(jié)構(gòu)式Tab. 1 Characters and chemical structures of artificial sweeteners

1 環(huán)境中人工甜味劑的污染水平及趨勢

人工甜味劑進入水體之后，其在水體當中的濃度水平首先受到環(huán)境科學界的關(guān)注。到目前為止，至少有九個研究組報道了人工甜味劑在環(huán)境中的濃度水平或遷移轉(zhuǎn)化[6]：挪威大氣研究院（Norwegian Institute for Air Research）、瑞典環(huán)境研究所（Swedish Environmental Research Institute）、歐洲委員會聯(lián)合研究中心（The European Commission’s Joint Research Centre）、卡羅來納大學威名頓分校（University of North Carolina-Wilmington）、德國Karlsruhe水技術(shù)中心（The Water Technology Center in Karlsruhe, Germany）、瑞士聯(lián)邦研究站W(wǎng)?denswil站（The Swiss Federal Research Station inW?denswil, Switzerland）、科羅拉多大學（The University of Colorado）、瑞典林雪平大學（Link?ping University）和聯(lián)邦供水、廢水處理與水體保護研究所（The Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology）。其中，最近大部分的報道來自卡羅來納大學威名頓分校[6]。在所報道的人工甜味劑中包括了ACE、ALI、ASP、CYC、SAC、SUC等，主要集中在ACE、CYC、SAC和SUC四種人工甜味劑上。

瑞典科學家首先報道了在斯德哥爾摩和瑞典廢水中存在三氯蔗糖，并且在處理中完全不起變化。瑞典環(huán)境保護局委托瑞典環(huán)境研究所考查瑞典地表水和廢水中的SUC。研究人員于2008年1月的報告稱，所有廢水處理廠的廢水在處理前的SUC濃度達到8 μg/L以上，較大的廢水處理廠在處理后最多也只能使其濃度減少10 % ；三氯蔗糖在其它環(huán)境中也難以降解，半衰期可長達數(shù)年。2008年在環(huán)境方面的頂級刊物《環(huán)境科學與技術(shù)》（Environmental Science & Technology）指出三氯蔗糖進入環(huán)境后會長期持留在環(huán)境當中[4,7,8]，并成為環(huán)境當中的一種新興污染物[6,9]。

Buerge等[10]研究了瑞士蘇黎世10個污水處廠的污水，在未經(jīng)處理的廢水當中，大多數(shù)樣品里檢出了四種人工甜味劑，以ACE的濃度最高。四種人工甜味劑濃度在2 μg/L ～ 65 μg/L之間，濃度大小順序為ACE ≈ CYC ＞ SAC ＞ SUC。在污水處理廠的進水和出水中都檢測出了ACE，濃度在12 μg/L ～ 46 μg/L之間。

Scheurer等[11]應(yīng)用SPE-LC/ESIMS/MS方法研究了德國污染處理廠中七種人工甜味劑（SUC, ACE, SAC, CYC, ASP, NEO和Neohesperdin Dihydrochalcone）的濃度，其中四種人工甜味劑（SUC, ACE, SAC, CYC）在污水處理廠的進水和出水中都被檢出；SAC及ACE的濃度在34 μg/L ～ 50 μg/L之間，而CYC的最高濃度達到了190 μg/L，三氯蔗糖（SUC）的濃度相對較低，小于1 μg/L；ACE和SUC的去除率都很低，而SAC和CYC的去除率大于94 % 。與傳統(tǒng)污水處理相比，ACE在土壤含水層的處理更加難以去除。

在美國亞利桑那州七個污水處理廠中，出水中SUC的濃度為2 800 ng/L ± 1 000 ng/L；在經(jīng)過處理42天或46天后發(fā)現(xiàn)SUC在厭氧和好氧條件下都不發(fā)生生物降解，既不單代謝也不會共代謝降解；加長紫外線照射時間也不會明顯加快SUC的氧化；經(jīng)氯氣和臭氧作用，三氯蔗糖緩慢地降解，而在一般的污水處理系統(tǒng)中，SUC不會降解[12]。在美國不同州的不同地點取樣，從三個不同地點的5個污水樣品中發(fā)現(xiàn)SUC的平均濃度為1.5 μg/L；SAC僅在一個污水處理廠的進口檢測到，在樣品中沒有檢出ASP[13]。Mead等[14]在一家污水處理廠檢測出出水中的SUC的濃度最高為119 μg/L，而在加拿大的污水樣品中檢測出的四種人工甜味劑的濃度分別為：ACE, 3.5 μg/L; SAC, 0.147 μg/L; CYC, 0.133 μg/L; SUC, 17 μg/L[7]。

在地表水中人工甜味劑的污染研究方面，Loos等[15]研究了歐洲27個國家120個河水樣品，SUC濃度最高達到了1 μg/L，較高濃度主要出現(xiàn)在英國、比利時、荷蘭、法國、西班牙、瑞士、意大利、挪威和瑞典，而在德國和一些東歐國家的濃度相對較低。

從瑞士多個湖水檢測結(jié)果表明，ACE濃度最高可達2.8 μg/L，CYC濃度為0.13 μg/L，SAC為0.18 μg/L。濃度高低一般與當?shù)厝丝诩叭牒肯嚓P(guān)。河水中的ACE濃度較湖水中要高[3]。

Mead等[14]第一次報道了在美國水體當中檢測出了SUC，也首次報道了南美海岸和開闊海域水體當中SUC的濃度。SUC在海水中的濃度范圍為67 ng/L ～ 392 ng/L，并指出人工甜味劑在環(huán)境中的持久性及廣泛性，有全球分布的可能，應(yīng)引起各國重視，提早加以控制。

從四條德國河流采集的水樣中得出，德國地表水中以ACE占主導(dǎo)，濃度超過了2 μg/L；SAC和CYC的濃度范圍為50 ng/L ～ 150 ng/L；三氯蔗糖的濃度一般在60 ng/L ～ 80 ng/L之間，但其中有一樣品超過了100 ng/L[9]。美國亞利桑那州地表水中的SUC濃度為300 ng/L ± 30 ng/L，這是第一次報道在美國內(nèi)陸表水中存在SUC[16]及濃度情況。Ferrer等[13]首次報道了在美國地下水中發(fā)現(xiàn)了SUC，從兩個地點的8個樣品中全部檢出，濃度范圍為0.6 μg/L ～ 2.4 μg/L。

Van等[17]研究表明，在加拿大的地下水當中，ACE、SAC、SUC和CYC均有檢測出，ACE的檢測率最高，濃度在μg/L級。這是首次報道在地下水當中存在ACE和CYC。ACE在地下水中至少可以存留一年半以上。在瑞士蘇黎世地下水當中，ACE的檢出頻率及濃度都相對較高，有65 % 的樣品檢出，最高濃度可達4.6 μg/L[3]，在該研究組另外一文獻中發(fā)現(xiàn)瑞士地水中的SAC濃度最高可達0.26 μg/L[10]。

在飲用水系統(tǒng)中也檢測了到人工甜味劑的存在，首先報道的是在瑞士飲用水系統(tǒng)中檢出了ACE，最高濃度為2.6 μg/L。經(jīng)過氧化處理過后，在飲用水管網(wǎng)末端濃度在0.02 μg/L ～ 0.07 μg/L之間[3]。

Mawhinney等[18]發(fā)現(xiàn)在研究的19個美國飲用水廠中15個原水中檢測出了SUC，濃度在47 ng/L ～ 2 900 ng/L之間；在檢測的17個水廠13個出水中檢測出了SUC，濃度在49 ng/L ～ 2 400 ng/L之間；檢測12個送水系統(tǒng)中有8個檢出了SUC。檢測結(jié)果經(jīng)比較后表明，飲用水處理系統(tǒng)對SUC的去除率比較低，平均在11 % 。

Scheuer等[16]研究了六個大規(guī)模飲用水處理廠對四種人工甜味劑（SUC, ACE, SAC, CYC）的去除情況。ACE在飲用水處理廠的出水中被檢出，濃度可達幾百ng/L；在河流岸濾（Bank filter）過程中ACE和SUC不被生物所降解；實驗室和田間實驗表明，SUC不易被氧化，其轉(zhuǎn)化率小于20 % ；ACE可被臭氧氧化，但在飲用水處理系統(tǒng)中臭氧水平僅能去除18 % ～ 66 % ，而SAC和CYC可被完全去除；總體結(jié)果表明ACE和SUC在飲用水處理過程中最易持留。

典型人工甜味劑在污水、地表水、地下水及飲用水系統(tǒng)中都有檢出，分布非常廣泛，甚至有全球分布的可能，種類主要涉及SAC、CYC、ACE和SUC，常規(guī)污水處理過程及飲用水處理流程不易去除ACE和SUC。

2 人工甜味劑環(huán)境行為及生態(tài)毒理研究

人工甜味劑進入環(huán)境后，在環(huán)境中的行為也開始受到一些環(huán)境科學家的關(guān)注。這方面的報道不是很多，而且大多集中在SUC這一種人工甜味劑上面。

Labare等[19]研究結(jié)果表明SUC可以通過微生物的共代謝部分降解，4周的時間大約有55 % 被礦化。在濕土壤、厭氧污泥、湖水介質(zhì)中降解得都很緩慢。而最新研究表明在干土壤（dry soils），SUC有45 % 在四周時間被降解，而濕土壤（flooded soils）幾乎沒有降解[20]。

Buerge等[10]應(yīng)用LC/MS/MS方法分析土壤當中四種人工甜味劑（SUC, ACE, SAC, CYC）的濃度。SAC作為一種豬飼料的添加劑，被豬食用后大部分被排出體外，在糞便當中濃度到可達12 mg/L，并至少可穩(wěn)定貯存2個月。糞便在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用是SAC進入土壤的重要途徑。人工甜味劑也可以通過污染的地表水灌溉農(nóng)田而進入土壤。這幾種人工甜味劑的半衰期從0.4天到124天不等。地下水當中的SAC來源于進入農(nóng)田的糞便，而高濃度的ACE來源于被ACE污染的地表水通過河床滲透到地下水中。

Soh等[20]對SUC的環(huán)境行為進行了比較全面的研究，包括環(huán)境過程（生物降解，水解，吸附），飲用水處理過程（包括氯氣處理、臭氧消毒、活性碳吸附和紫外照射）以及對植物的毒性。結(jié)果表明：SUC水解、臭氧氧化及微生物降解都是一個非常緩慢的過程，這也是SUC在水體中殘留的原因；SUC不容易被土壤和活性污泥吸附；對植物毒性實驗表明，SUC沒有抑制植物（Lemna gibba）的生長速率且不會抑制另一種植物（cotelydons）對于蔗糖的吸收。

對于人工甜味劑，有很多關(guān)于生物累積及生態(tài)毒性方面的報告，大部分來自于生產(chǎn)廠商，在同行評議的雜志上相對較少。而對于生態(tài)毒理方面的研究不多，個別研究組在研究環(huán)境行為的同時對環(huán)境水體中的SUC水生毒性有所關(guān)注。

Huggett等[21]研究發(fā)現(xiàn)，當三氯蔗糖濃度小于1 800 mg/L時，對大型蚤（Daphnia magna）的成活率和生長情況沒有影響；小于93 mg/L時對America bahia (mysid shrimp)成活率、生長和生殖情況沒有影響。Hjorth等[22]研究了SUC對于北極兩種橈足動物的影響，發(fā)現(xiàn)其中一種動物（Copepod, Calanus glacialis）的食物攝入量隨SUC濃度的增加而增大，而產(chǎn)蛋量沒有受到影響。Lillicrap等[23]做了SUC水生生物累積方面的研究，發(fā)現(xiàn)對于受試藻類（alga, Pesudokirchneirella subcapita）和魚（Zebrafish, Danio rerio），其生物放大系數(shù)（BCF）小于1，而對于大型蚤（Daphnia magna）其BCF稍高，在1.6 ～ 2.2之間。

最近Wiklund等[24]研究了SUC對大型蚤行為及生理的影響，結(jié)果表明SUC的存在會增加大型蚤的游泳距離和游泳速度。實驗結(jié)果給了我們一個警示，SUC的存在可能使生物的行為出現(xiàn)異常，可能導(dǎo)致比較嚴重的生態(tài)后果。從目前的研究結(jié)果來看，雖然人工甜味劑對于水生生態(tài)系統(tǒng)沒有表現(xiàn)出比較嚴重的后果，但實驗已經(jīng)表明有些人工甜味劑的存在已對某些水生生物的行為有所影響，這表明人工甜味劑在環(huán)境中存在著潛在的威脅。另外，還沒有對于長期低劑量暴露對生態(tài)系統(tǒng)的影響的這方面的研究，這應(yīng)該是評價人工甜味劑的生態(tài)毒理的一個十分重要的內(nèi)容。

3 人工甜味劑環(huán)境分析方法

對于人工甜味劑的分析方法，在食品領(lǐng)域有比較多的研究[25-29]，但在這里只探討一下環(huán)境水體中的人工甜味劑的前處理及分析方法。環(huán)境水體當中的人工甜味劑的前處理方法多采用固相微萃取技術(shù)（SPE），在已有的文獻報道中幾乎全部采用這一前處理技術(shù)。萃取柱材料、不同pH等因素對于不同人工甜味劑的回收率情況見表2[30]。

環(huán)境水體中的人工甜味劑的分析方法主要由GC-MS、LC-MS或LC/MS/MS方法來完成，由于在檢測SUC時，應(yīng)用GC-MS檢測需要衍生化技術(shù)，所以在分析環(huán)境水體中的人工甜味劑時多采用LC-MS或LC/MS/MS。常用N-甲基-N- (三甲基硅烷基) 三氟乙酰胺 (MSTFA) + 1 % 三甲基氯硅烷 (TMCS) 作為衍生化試劑[14,31]。

表2 不同固相微萃取材料在不同pH條件下萃取人工甜味劑的回收率（采樣體積, 50 mL; 加標濃度, 200 ng/L, n=3）[30]Tab. 2 Recoveries for artificial sweeteners and cartridge materials and pH values (sample volume, 50 mL; spiked amount, 200 ng/L, n=3)

4 結(jié)語

目前對于人工甜味劑的環(huán)境行為研究主要集中在環(huán)境水體中的污染水平，包括污水、地表水、地下水以及飲用水，主要涉及四種工人甜味劑（SUC, SAC, CYC, ACE），SUC和ACE在污水處理系統(tǒng)及飲用水處理中的去除率都比較低。而關(guān)于人工甜味劑的環(huán)境行為的研究報道比較少，主要是模擬現(xiàn)有污水處理及飲用水處理過程，生物降解和水解都比較緩慢，其環(huán)境行為有待進一步的深入研究。在生態(tài)毒理方面，對水生植物和水生動物急性毒性方面的研究報道表明，有些人工甜味劑的存在已經(jīng)對某些水生生物的行為有所影響，而對于其低劑量的長期暴露方面沒有涉及。為了更加全面地評價其進入環(huán)境水體中的生態(tài)風險，應(yīng)該對更多的水生生物做低劑量長期暴露方面的研究。

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Review on Behaviour and Ecological Toxicity of Artificial Sweeteners in Environments

CHEN Sheng-wen, HE Cheng, LI Wen-chao, CHEN Kai, MA Lei, LU Yun-ji, XIE Hongyong
( School of Urban Development and Environmental Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China )

Artificial sweeteners are synthetic compounds that duplicate the effect of sugar in taste, which are widely applied to food, drinks, drugs, PPCPs, feed, alcohol, et al. Concentrations of artificial sweeteners in environments media such as water and soil were described. Behaviour and ecological toxicity of artificial sweeteners and effect of them in ecosystem were summarized. And then the new trend of study on environmental behaviors of artificial sweeteners in ecosystem is presented.

artificial sweeteners; surcalose; saccharin; environmental fate; ecological toxicity

X131.1

A

1001-4543(2012)03-0219-07

2012-06-01;

2012-08-12

陳勝文（1977－），男，江西南昌人，副教授，博士，主要研究方向為污染物高級氧化，電子郵箱swchen@eed.sspu.cn。

上海市教育委員會重點學科建設(shè)項目資助（No. J51803）