高級氧化技術處理水中人工甜味劑的研究進展

林 恒，徐 銀，張 暉

（武漢大學 環(huán)境工程系，湖北 武漢 430079）

特約述評

高級氧化技術處理水中人工甜味劑的研究進展

林 恒，徐 銀，張 暉

（武漢大學 環(huán)境工程系，湖北 武漢 430079）

介紹了幾個國家在地表水、污水處理廠進出水等水環(huán)境中檢測出的人工甜味劑的含量，簡介了人工甜味劑對人體的危害，綜述了基于臭氧氧化和紫外光照射的高級氧化技術處理水中人工甜味劑的研究進展，剖析了人工甜味劑的降解產(chǎn)物和降解路徑以及在降解過程中的礦化效果和毒性變化，對后續(xù)的研究方向進行了展望。

人工甜味劑；高級氧化；降解路徑；礦化；毒性

人工甜味劑是人工合成或半合成的蔗糖取代物［1］。它們熱量低但甜度高，甜度一般為蔗糖的30～13000倍［2-3］，且成本較低，因此廣泛用于食品、飲料、藥物和動物飼料中［4-7］。近年來，在全球多個國家的水環(huán)境中檢測出人工甜味劑［8］。人工甜味劑已成為一種新型的污染物而受到廣泛的關注。目前的研究表明，多數(shù)的人工甜味劑難以在污水處理廠被降解［9］，因此，需要尋找更高效的處理技術。高級氧化技術主要利用化學、光化學、電化學、超聲和臭氧等方法產(chǎn)生具有強氧化能力的羥基自由基，從而將污染物氧化降解［10-11］。目前，高級氧化技術已成功地應用于水中人工甜味劑的氧化降解。

本文介紹了人工甜味劑在水環(huán)境中的檢測結(jié)果及其危害，綜述了高級氧化技術處理水中人工甜味劑的效果、降解路徑及毒性變化，并就存在的問題進行了展望。

1 人工甜味劑在水環(huán)境中的檢測結(jié)果及其危害

目前常用的及在水環(huán)境中常被檢測到的人工甜味劑主要有三氯蔗糖、安賽蜜、甜蜜素、糖精和阿斯巴甜等。

2007年瑞典科學家首次在其國內(nèi)的地表水中檢測出了三氯蔗糖，其質(zhì)量濃度為4～3600 ng/L［12］。同時，他們對比了污水處理廠進出水中三氯蔗糖的濃度，結(jié)果表明，出水中的三氯蔗糖濃度只比進水中的濃度降低了10%，可見三氯蔗糖無法被傳統(tǒng)的污水處理方法降解［12］。從2009年開始，人工甜味劑在水環(huán)境中的污染特征及其處理技術的研究才逐漸增多［6］。由于大多數(shù)人工甜味劑在人體內(nèi)幾乎不被代謝，因此人工甜味劑主要通過人體排泄物進入水體中，進而通過工業(yè)排水和生活排水進入污水處理廠，污水處理廠中不能有效降解的人工甜味劑會隨出水進入水環(huán)境中［13］。

德國科學家在其國內(nèi)的地表水和污水處理廠的進出水中檢測出了甜蜜素、安賽蜜、糖精和三氯蔗糖［14］。地表水中安賽蜜的質(zhì)量濃度已達2 μg/L，其他人工甜味劑的濃度較低，均在100～1000 ng/L范圍內(nèi)。污水處理廠進水中甜蜜素的質(zhì)量濃度為190 μg/L，安賽蜜和糖精的質(zhì)量濃度約為40 μg/L，三氯蔗糖的質(zhì)量濃度不足1 μg/L［14］。該研究同時發(fā)現(xiàn)，安賽蜜和三氯蔗糖難以在污水處理廠被降解。瑞士的調(diào)查表明，其國內(nèi)的污水處理廠進出水中安賽蜜的質(zhì)量濃度為12～46 μg/L，地表水、地下水和自來水中安賽蜜的質(zhì)量濃度約為2.6 μg/L［15］。美國污水處理廠進水中三氯蔗糖的平均濃度為17.6 μg/ L，出水中的平均濃度為10.8 μg/L［16］。美國科學家通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)其國內(nèi)一家飲用水處理廠進水中三氯蔗糖的平均濃度為440 ng/L，出水中三氯蔗糖的平均濃度為350 ng/L［17］。在我國天津市的地表水中也檢測出了安賽蜜、三氯蔗糖、甜蜜素、阿斯巴甜和糖精，它們的質(zhì)量濃度為50～210000 ng/L［18］。同時，在天津市的地下水中也檢測出了人工甜味劑，但質(zhì)量濃度不超過0.10 μg/L［18］。在我國香港特別行政區(qū)的地表水中夏天安賽蜜和三氯蔗糖的質(zhì)量濃度較高，分別為0.22，0.05 μg/L，而冬天則是糖精和甜蜜素的質(zhì)量濃度較高，分別為0.11，0.10 μg/L［19］。

從人工甜味劑開始使用至今，其安全性一直是人們關注的焦點。目前普遍接受的觀點是人工甜味劑在規(guī)定劑量內(nèi)使用時對人體是安全的［5，7］。但也有一些人工甜味劑對人體有危害的報道，科學家發(fā)現(xiàn)食用高劑量糖精的鼠類有得膀胱癌的危險［14，20-21］。之后，在歐美等地糖精的使用量逐漸減少，我國也規(guī)定糖精的每日允許攝入量為0.15 mg/kg［22］。甜蜜素也曾被懷疑有致癌性［23］，美國于1970年開始禁用［14］。安賽蜜在2008年被報導能引起DNA損壞［24］。阿斯巴甜的危險性來源于其代謝產(chǎn)物甲醇可導致失明［25］。三氯蔗糖也被懷疑能引起偏頭痛［26］。人工甜味劑的生態(tài)風險性研究目前尚處于起步階段［7］。

2 高級氧化技術處理水中人工甜味劑的進展

高級氧化技術已應用于人工甜味劑的降解。Toth等［27］用脈沖輻射方法產(chǎn)生羥基自由基，安賽蜜、三氯蔗糖、阿斯巴甜和糖精與羥基自由基的反應均符合二級反應動力學，其速率常數(shù)分別為3.80 × 109，1.50 × 109，6.06 × 109，1.85 × 109L-1·mol-1·s-1。目前，降解水中人工甜味劑的高級氧化技術主要是基于紫外光（UV）的高級氧化技術。

2.1基于臭氧的高級氧化技術

臭氧對水中的安賽蜜具有較好的去除效果，對甜蜜素和三氯蔗糖的去除速率比安賽蜜慢［16，30］。其原因可能是安賽蜜的分子結(jié)構(gòu)上帶有碳碳雙鍵（—C=C—），這種結(jié)構(gòu)容易被臭氧直接氧化［30］。甜蜜素和三氯蔗糖則是被臭氧分解后產(chǎn)生的羥基自由基氧化。雖然羥基自由基的氧化還原電位比臭氧高，但羥基自由基對有機污染物幾乎沒有選擇性，因此在處理過程中水中的無機離子和天然有機物會與人工甜味劑競爭羥基自由基［30-31］。而在實際廢水中，無機離子和天然有機物的濃度往往高于人工甜味劑的濃度，因此會降低人工甜味劑的去除率［31］。

Soh等［16］采用臭氧氧化降解水中的安賽蜜和三氯蔗糖。當安賽蜜和三氯蔗糖的初始濃度均為1 μmol/L、臭氧的濃度為100 μmol/L時，安賽蜜在5 min內(nèi)完全去除，而三氯蔗糖在60 min后還剩余6%。為了研究兩種人工甜味劑與臭氧反應的機制，向臭氧系統(tǒng)中加入羥基自由基抑制劑叔丁醇，安賽蜜仍在5 min內(nèi)完全去除，而三氯蔗糖的降解則完全被抑制。這進一步證明了安賽蜜的去除是臭氧的直接氧化，而三氯蔗糖主要是被羥基自由基氧化。Toth等［27］的研究結(jié)果表明，羥基自由基與安賽蜜、三氯蔗糖、阿斯巴甜和糖精的反應效率分別為67.9%、98.3%、52.2%和52.7%。Hollender等［32］采用臭氧氧化去除污水處理廠二級出水中的三氯蔗糖，當臭氧濃度為0.6 g/g時，初始質(zhì)量濃度為4.7 μg/L的三氯蔗糖的去除率僅為31%。Torres等［33］的研究結(jié)果也表明在常規(guī)污水處理條件下，臭氧對三氯蔗糖的去除效果不理想。

2.2 基于紫外光的高級氧化技術

用于處理水中人工甜味劑的基于紫外光的高級氧化技術主要有UV、UV-H2O2光化學氧化、光Fenton氧化和TiO2光催化氧化。Soh等［16］單獨使用UV降解水中的安賽蜜和三氯蔗糖，UV照射5 h后，安賽蜜去除率為35%，三氯蔗糖幾乎沒有被去除。

在UV-H2O2系統(tǒng)中，H2O2在波長小于320 nm的UV照射下可以產(chǎn)生大量的羥基自由基［34-35］。Keen等［36］使用波長大于200 nm的汞蒸氣紫外燈作為光源，在UV-H2O2系統(tǒng)中降解水中的三氯蔗糖，當UV輻射量為4000 mJ/cm2時，三氯蔗糖能完全去除。Lester等［37］使用波長為253.7 nm、功率為100 W的低壓紫外燈作為光源，在連續(xù)反應器中降解自來水中的痕量有機污染物（包括三氯蔗糖），研究結(jié)果表明這些痕量有機物的去除符合準一級反應動力學，但三氯蔗糖的一級反應速率常數(shù)在所處理的有機污染物中偏低。

Calza等［41］采用氙弧燈作為光源，利用光Fenton氧化水中的三氯蔗糖，當Fe2+的質(zhì)量濃度為3 mg/L、H2O2的濃度為2.714 mmol/L、三氯蔗糖溶液的初始pH為3.0時，反應15 min后三氯蔗糖的去除率為90.4%。陳勝文等［42］采用光Fenton氧化降解水中的糖精鈉，當Fe2+質(zhì)量濃度為70 mg/L、H2O2質(zhì)量濃度為525 mg/L、糖精鈉溶液初始質(zhì)量濃度為350 mg/L時，反應30 min后糖精鈉的去除率為37.8%。

Calza等［41］采用TiO2光催化氧化降解水中的三氯蔗糖，當TiO2投加量為200 mg/L、輻照度為600 W/m2時，反應15 min后三氯蔗糖的去除率為80.5%。陳勝文等［42］的研究表明，在無TiO2或無光照的情況下，糖精鈉降解速率非常緩慢，當采用TiO2光催化氧化降解糖精鈉時，去除率可達99%，且該體系對糖精鈉的降解符合準一級動力學；當TiO2投加量為40 mg/L時，糖精鈉降解的表觀一級反應速率常數(shù)為0.0049 min-1。Sang等［19］采用TiO2光催化氧化降解水中的安賽蜜和三氯蔗糖，光源為波長254 nm的殺菌紫外燈，當人工甜味劑和TiO2的質(zhì)量比為1∶20時，初始質(zhì)量濃度為5 mg/L的安賽蜜在反應45 min時去除率達99%；初始質(zhì)量濃度為1 mg/L的三氯蔗糖在反應120 min時去除率達99.8%。

3 人工甜味劑在高級氧化過程中的降解路徑

3.1 三氯蔗糖的降解產(chǎn)物及降解路徑

不同處理過程中三氯蔗糖的降解產(chǎn)物和降解路徑不同。Keen等［36］認為在UV-H2O2氧化過程中，首先是六元環(huán)上的C—Cl鍵在羥基自由基的進攻下斷裂，Cl被羥基取代，之后羥基自由基進攻2個氯甲基上的Cl，使這兩個Cl也被羥基取代，實現(xiàn)三氯蔗糖的脫氯。但是三氯蔗糖的最終降解產(chǎn)物不是蔗糖，因為羥基自由基進攻六元環(huán)上的C—Cl鍵時使得六元環(huán)開環(huán)。Calza等［41］研究了光Fenton氧化和TiO2光催化氧化過程中三氯蔗糖的降解產(chǎn)物和降解路徑，見圖1。

圖1 三氯蔗糖在光Fenton氧化和TiO2光催化氧化過程中的降解路徑

在光Fenton氧化過程中，三氯蔗糖主要通過B和D路徑進行降解。在B路徑中，三氯蔗糖結(jié)構(gòu)上的一個羥基被氧化得到產(chǎn)物Ⅳ；D路徑中三氯蔗糖則首先經(jīng)歷糖苷鍵的斷裂，得到產(chǎn)物Ⅵ和Ⅶ，之后產(chǎn)物Ⅵ繼續(xù)被氧化為產(chǎn)物Ⅷ。三氯蔗糖在TiO2光催化氧化過程中通過A 、B、C和D四種路徑進行降解。在A路徑中，三氯蔗糖首先在羥基自由基的作用下被羥基化生成產(chǎn)物Ⅰ，之后Ⅰ被進一步羥基化生成產(chǎn)物Ⅱ或脫氯生成產(chǎn)物Ⅲ。C路徑則主要是三氯蔗糖的脫氯過程，得到產(chǎn)物Ⅴ。

3.2 其他人工甜味劑的降解路徑

Scheurer等［30］研究了甜蜜素和安賽蜜在臭氧氧化過程中的降解路徑。甜蜜素在臭氧的作用下經(jīng)歷C—N鍵的斷裂，得到氨基磺酸鹽和環(huán)已酮，見式1。（1）

安賽蜜在臭氧氧化過程中的降解產(chǎn)物和結(jié)構(gòu)式見表1。安賽蜜經(jīng)臭氧氧化反應后—C=C—斷裂，產(chǎn)生羰基或羰基氧化物。生成的醛類物質(zhì)通過水合加成反應得到產(chǎn)物OP 170。OP 170雖然是一個C上連有兩個羥基的結(jié)構(gòu)，但α羰基的作用使其十分穩(wěn)定。OP 170進一步氧化可得到產(chǎn)物OP 168。

表1 安賽蜜在臭氧氧化過程中的降解產(chǎn)物和結(jié)構(gòu)式

4 人工甜味劑在高級氧化過程中的礦化效果及毒性變化

污染物的礦化效果作為污染物去除效果的重要指標而得到廣泛關注。陳勝文等［42］分別用UVTiO2光催化氧化和光Fenton氧化兩種高級氧化技術降解糖精，在優(yōu)化條件下，UV-TiO2體系180 min內(nèi)TOC去除率達92.8%；光Fenton氧化體系10 min內(nèi)TOC去除率就達91.8%。Calza［41］等利用TiO2光催化氧化降解三氯蔗糖，發(fā)現(xiàn)三氯蔗糖及其降解產(chǎn)物能夠完全降解，且礦化速率很快，30 min內(nèi)TOC去除率達50%，120 min內(nèi)TOC去除率超過90%，240 min內(nèi)TOC去除率達100%。

人工甜味劑的毒性一直是毒理學家研究的熱點。Calza等［41］利用海洋發(fā)光細菌費氏弧菌測定了TiO2光催化氧化降解三氯蔗糖過程的毒性變化，發(fā)現(xiàn)反應10 min后細菌的抑制率從5%迅速增加到23%，并持續(xù)穩(wěn)定至60 min，之后抑制率降低，120 min時僅有1%。Sang等［19］同樣利用該細菌研究了UV-TiO2光降解時三氯蔗糖的毒性變化，發(fā)現(xiàn)三氯蔗糖在降解過程中的毒性隨著產(chǎn)物的生成迅速增強，半數(shù)效應濃度（EC50） 從最初的2670 mg/L降至156.2 mg/L；采用同樣方法光降解阿巴斯甜，發(fā)現(xiàn)毒性的增強很大程度歸因于降解產(chǎn)物的累積，EC50 從最初的72190 mg/L降至125.5 mg/L。

5 結(jié)語與展望

高級氧化技術可有效降解水中的人工甜味劑，但對人工甜味劑的降解路徑、礦化效果和毒性的研究還處于起步階段。后續(xù)的研究可以從以下幾個方面開展：

1）優(yōu)化現(xiàn)有技術，降低處理成本。如對臭氧氧化技術，應進一步提高臭氧的傳質(zhì)速率和利用率；對基于紫外光的高級氧化技術，要研發(fā)高效的光接收積聚技術，以及更易于固液分離、穩(wěn)定性更高和壽命更長的催化劑。

2）用于降解人工甜味劑的高級氧化技術目前主要是羥基自由基型高級氧化技術，且僅限于臭氧氧化技術和基于紫外光的高級氧化技術。硫酸根自由基型高級氧化技術是一種較新穎的高級氧化技術，其在人工甜味劑的處理方面的應用才剛剛起步，有必要對這一新興高級氧化技術和其他羥基自由基型高級氧化技術處理人工甜味劑開展更全面、更深入的研究。

3）污染物的降解路徑與毒性變化是高級氧化研究中的一個重要方面，但現(xiàn)有的研究集中在三氯蔗糖。因此，需要對安賽蜜、阿斯巴甜和糖精等其他人工甜味劑在高級氧化過程中的降解路徑和毒性變化開展研究。

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（編輯 祖國紅）

·專利文摘·

一種發(fā)酵液脫鹽樹脂再生廢液的處理方法

該專利涉及一種1，3-丙二醇發(fā)酵液脫鹽樹脂再生廢液的處理方法。采用電滲析對陽樹脂再生廢水和陰樹脂再生廢水進行提濃，分別得到陽樹脂再生廢水濃縮液及陽樹脂再生廢水清液和陰樹脂再生廢水濃縮液及陰離子再生廢水清液；向陽樹脂再生廢水濃縮液中加入沉淀劑進行反應，靜置、過濾，得到金屬沉淀物和脫除金屬離子的強酸溶液，強酸溶液和陽樹脂再生廢水清液用來配制陽樹脂再生液，陰樹脂再生廢水濃縮液用來提取有機酸，陰離子再生廢水清液用來作為中和劑返回發(fā)酵單元或用來配制陰樹脂再生液，優(yōu)選前者。該方法簡單易行，綠色環(huán)保，能夠完全回用處理后的脫鹽樹脂再生廢液、回收脫鹽樹脂再生廢液中的陰陽離子，變廢為寶，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益，有利于發(fā)酵法制備1，3-丙二醇的產(chǎn)業(yè)化。/CN 104556496 A，2015-04-29

Research Progresses in Treatment of Artificial Sweeteners in Water by Advanced Oxidation Processes

Lin Heng，Xu Yin，Zhang Hui
（Department of Environmental Engineering，Wuhan University，Wuhan Hubei 430079，China）

The detected contents of artificial sweeteners in various water environments such as surface water and municipal wastewater in several countries are introduced. The hazards of artif i cial sweeteners and the research progresses in treatment of artificial sweeteners in water by advanced oxidation processes based on ozone oxidation and UV irradiation are reviewed. The degradation products，degradation paths，mineralization eff i ciency and the changes of toxicity in treatment of artif i cial sweeteners are analyzed. Furthermore，the direction for further research is prospected.

artif i cial sweetener；advanced oxidation；degradation pathway；mineralization；toxicity

X703

A

1006-1878（2015）04-0333-06

2013 - 03 - 23；

2015 - 04 - 03。

林恒（1983—），女，湖北省潛江市人，博士，電話 027 - 6877587，電郵 lheng2005@163.com。

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（2012205020207）；國家留學基金管理委員會資助項目（201306270179；201306270100） 。