人造甜味劑與人體健康風險

趙 輝, 王鑫璇

(天津商業(yè)大學 天津市食品生物技術重點實驗室/生物技術與食品科學學院， 天津 300134)

區(qū)別于直接從植物中提取、純化的天然甜味劑，人造甜味劑(artificial sweeteners，AS),由于其甜度高、用量少、價格低，特別是它們不參與代謝、不提供熱量的優(yōu)良特性，因此在食品生產(chǎn)工藝中得以廣泛應用。然而，近年來的研究結(jié)果顯示AS的長期大量攝入與代謝紊亂、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、甚至癌癥可能密切相關[1]。

1 我國AS的應用現(xiàn)狀

目前世界各國已對部分AS在各類食品中的最大使用量進行了規(guī)定。我國經(jīng)全國食品添加劑標準化技術委員會審定，由衛(wèi)生部批準實施的食品添加劑標準(GB 2760—2014)中允許使用的AS共9種[2](見表1)，按照化學結(jié)構(gòu)可分為磺胺類、二肽類以及蔗糖衍生物。本文擬對我國目前允許使用的AS在食品中的應用及其人體健康風險作系統(tǒng)闡述。

表1 GB 2760—2014中允許使用的9種人造甜味劑

1.1 磺胺類AS的應用

糖精鈉是第一代AS，自1878年合成以來已使用了140年，甜度為蔗糖的300～500倍。糖精鈉是甜價比最高的AS，但耐熱、耐堿性差。在酸性條件下加熱，會形成苦味的鄰氨基磺酰苯甲酸，影響風味。由于安全性受到質(zhì)疑，其使用范圍和用量已受到各國政府的嚴格限制，如聯(lián)合國糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會評估，糖精鈉的每日允許攝入量(acceptable daily intake, ADI)不超過5 mg/(kg·bw)，我國國標中規(guī)定涼果、話化、果糕類最大使用量為5.0 g/kg。但目前仍存在糖精鈉濫用現(xiàn)象[3]，在食品標簽不做明示的前提下，大量使用糖精鈉替代蔗糖，會嚴重影響消費者，尤其是青少年的身體健康。

甜蜜素的甜度為蔗糖的30倍，風味自然，穩(wěn)定性好。甜蜜素的ADI為11 mg/(kg·bw)，常與蔗糖配合使用，增強甜度、延長食品保存時間。或與糖精鈉等甜味劑復配，能有效遮蓋其后苦味并降低成本[4]。因此具有更為廣泛的使用范圍，如涼果、話化、果糕類最大使用量為8.0 g/kg，面包、糕點為1.6 g/kg，餅干、果凍為0.65 g/kg。2017年，經(jīng)國家衛(wèi)生計生委食品安全標準與檢測評估司對這一AS的安全性評估，擴大使用范圍包含方便米面制品(僅限調(diào)味面制品)，最大使用量為1.6 g/kg。

安賽蜜的甜度約為蔗糖的200倍，甜味純正、持續(xù)時間長。穩(wěn)定性極好，不易光解，耐高溫，pH值適用范圍廣?？蓡为毷褂没蚺c其他甜味劑復配使用，協(xié)同作用明顯。與阿斯巴甜以1∶1合用可增強甜度30%[5]?？蓱糜诠揞^、果醬、飲料(最大使用量為0.3 g/kg)、風味發(fā)酵乳(0.35 g/kg)及糖果(2.0g/kg)等食品中，ADI為15 mg/(kg·bw)。

1.2 二肽類AS的應用

阿斯巴甜是第一個二肽類的甜味物質(zhì)。甜度為蔗糖的200倍，但熱值僅為1/200。具有最接近蔗糖的口感。穩(wěn)定性較差，在強酸強堿及高溫條件下，會產(chǎn)生苦味的苯丙氨酸和二嗪哌酮，因此無法應用于高溫烘焙食品[6]。同時也不適用于苯丙酮尿癥患者，需在標簽中進行明確標注。ADI為40 mg/(kg·bw)。在我國國標中允許使用范圍較廣泛，共覆蓋13大類食品，最大使用量普遍較高，如膠基糖果為10 g/kg、面包為4.0 g/kg、巧克力制品為3.0 g/kg、蜜餞涼果為2.0 g/kg。阿斯巴甜可與其他甜味劑復配使用，如與糖精共同使用，可有效遮蓋其不良口感?；蚺c安賽蜜在水溶液中共結(jié)晶生成天門冬酰苯丙氨酸甲酯乙?；前匪?，即雙甜[7]，有明顯的協(xié)同增效作用，且甜味持久，多應用于軟飲料及口香糖。

阿力甜是以L-天冬氨酸與D-丙氨酸縮合而成的衍生物。甜度為蔗糖的2 000倍以上，改進了阿斯巴甜穩(wěn)定性較差的缺點，使其耐熱耐酸堿，可用于高溫烘焙食品的使用。但因稍帶硫味，阿力甜的應用范圍較狹窄，目前國標中允許添加的食品包括冷凍飲品、話化類、膠基糖果、餐桌甜味料、飲料類及果凍6種。最大使用量也普遍較低，約為0.1～0.3 g/kg，ADI為1 mg/(kg·bw)。

紐甜是阿斯巴甜的衍生物，代謝過程中不會產(chǎn)生單個氨基酸，因此對苯丙酮尿癥患者同樣適用。甜度是蔗糖的7 000～13 000倍。干燥狀態(tài)下穩(wěn)定性極高[8]，水溶液狀態(tài)下受溫度、pH、時間等因素影響，甜度稍有下降，但已能滿足蛋糕等高溫烘焙食品的需求[9]。允許使用的食品種類廣泛，與阿斯巴甜相似。但由于其超高甜度，允許最大使用量極低，約為0.1～0.3 g/kg。經(jīng)安全性評估，擴大使用范圍包含方便米面制品(僅限調(diào)味面制品)，最大使用量為0.06 g/kg。ADI為2 mg/(kg·bw)。

愛德萬甜是一種新型食品添加劑，以阿斯巴甜和香蘭素為原料反應制得。其甜味可達蔗糖20 000倍，是已知甜度最高的甜味劑，因此用量可遠低于現(xiàn)有市場上其他甜味劑。具有和阿斯巴甜相似的感官味道，但僅需1/100的使用量即可達到與阿斯巴甜相同的甜度，不會引發(fā)苯丙酮尿癥或其他氨基酸代謝性疾病。我國于2017年10月，由國家衛(wèi)生計生委食品安全標準與監(jiān)測評估司第8號文件公布，允許添加到發(fā)酵乳、加工水果、飲料、果凍等9大類食品中，最大使用范圍為0.000 4～0.12 g/kg。ADI為5 mg/(kg·bw)。

1.3 蔗糖衍生物AS的應用

三氯蔗糖是蔗糖分子中的三個羥基被氯原子所取代形成的衍生物，甜度為蔗糖的600倍。耐熱性比阿力甜更好，在高溫烘焙、滅菌、干燥等食品加工工藝中不受影響。對酸性至中性食品均適用，且在碳酸飲料高速灌裝過程中不易產(chǎn)生氣泡。不被人體代謝、吸收，不產(chǎn)生熱量。感官特性與蔗糖相似，因此應用范圍較廣泛，特別可應用于醋、醬油、沙拉醬等調(diào)味品中，最大使用范圍為0.25～1.25 g/kg，ADI為15 mg/(kg·bw)。

2 AS的健康風險

2.1 代謝性疾病

糖精鈉、三氯蔗糖、阿斯巴甜、安賽蜜[10]等AS的長期攝入會加劇葡萄糖耐受不良，這是通過改變腸道菌群的組分和功能而誘導產(chǎn)生的[11]。Chi等[12]研究了喂食紐甜4周的小鼠腸道微生物組分，發(fā)現(xiàn)厚壁菌顯著減少，而擬桿菌明顯增多。與對照組小鼠的代謝模式有所不同，一些關鍵基因，如丁酸合成基因在攝入甜食的小鼠中明顯減少，同時這些小鼠的糞便代謝物中多重脂肪酸、脂質(zhì)、膽固醇含量增加，而蘋果酸、甘油酸等卻有很大程度降低。Palmnas等[13]發(fā)現(xiàn)喂食阿斯巴甜8周的小鼠糞便中存在大量的腸桿菌科和梭狀芽孢桿菌屬，相比于對照組雖然小鼠攝入熱量少，體重減輕，但由于阿斯巴甜經(jīng)代謝可產(chǎn)生大量的葡萄糖異生反應前體物質(zhì)丙酮酸，因此這些小鼠發(fā)生了高空腹血糖及顯著的胰島素不耐受性。同時，和小鼠實驗結(jié)果類似，健康人群與II型糖尿病患者之間也存在這種腸道微生物組分的差異[14-15]。Suez等[16]對7位攝入大量AS的健康志愿者進行血糖檢測，其中4位受試者后來出現(xiàn)了葡萄糖耐受不良現(xiàn)象。 Lertrit等[17]對未攝入AS、血糖正常的健康志愿者進行葡萄糖耐量試驗，隨機交叉盲服200 mg三氯蔗糖或安慰劑，其中三氯蔗糖組志愿者的急性胰島素反應、全身胰島素敏感性等指標均低于對照組，而活性GLP-1含量顯著高于對照組。

此外，腸道菌群失調(diào)也可能引發(fā)代謝性炎癥，進而產(chǎn)生糖尿病和肥胖癥。Bian等[18]在小鼠飲用水中連續(xù)6個月加入三氯蔗糖，經(jīng)16S rRNA基因測序、功能基因富集分析和代謝組學方法測定發(fā)現(xiàn)實驗組小鼠腸道菌群有明顯改變，促炎基因富集，代謝產(chǎn)物紊亂。此時三氯蔗糖添加量尚低于其ADI，表明可接受攝入量下的三氯蔗糖長期食用仍會增加代謝性炎癥的風險。

與高熱量糖分的過量攝入所導致的肥胖不同，以AS替代糖類會引發(fā)神經(jīng)元系統(tǒng)的補償機理[19]，這是因為雖然AS刺激了口咽部的甜味受體，滿足了感官需求，但由于其不供能或不參與代謝使得血糖和胰島素分泌無法達到同等水平[20]，從而引起更大的食物和能量的渴求[21]。Feijo等[22]在飼料中添加甜度水平相近的蔗糖、糖精鈉、阿斯巴甜喂養(yǎng)大鼠12周，其中添加了AS的兩組大鼠體重遠高于添加蔗糖組，但總能量攝入沒有組間差別。流行病學研究也表明AS的使用與人群BMI的增長有正相關關系。Chia等[23]通過對1 454名志愿者歷經(jīng)10年的追蹤研究發(fā)現(xiàn)，日常飲食中含AS的人群，其BMI和腰圍都顯著高于不攝入AS的人群。妊娠期婦女每日飲用含AS的飲料也會增加嬰兒BMI過高的風險[24]。若雙親經(jīng)常飲用添加糖分的飲料，其子女發(fā)生肥胖的風險為1.18；而雙親飲用添加AS的飲料，其子女發(fā)生肥胖的風險則上升為1.59[25]。

2.2 神經(jīng)系統(tǒng)疾病

動物和人體實驗均表明，AS會對神經(jīng)行為和功能產(chǎn)生影響[26]。Ibi等[27]在小鼠的低碳水化合物飼料中添加安賽蜜喂食4周，行為分析結(jié)果顯示，實驗組小鼠的水攝入量明顯增加，在Y型迷宮測試中的短期記憶、新物體識別測試中的對象認知記憶都有所降低，原因在于其額葉皮質(zhì)的葡萄糖水平降低，從而影響認知功能。阿斯巴甜的代謝產(chǎn)物——甲醇會增加大腦的氧化應激以及記憶衰退速度，與阿爾茲海默癥的發(fā)病密切相關[28]。Ashok等[29]給大鼠喂食阿斯巴甜90 d，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)源性一氧化氮合酶的蛋白表達明顯增加，誘導一氧化氮合酶產(chǎn)生，使一氧化氮自由基增多，從而改變細胞膜完整性，導致神經(jīng)元壞死或凋亡。他們還發(fā)現(xiàn)，大鼠海馬錐體細胞層NMDAR1-CaMKII-ERK/CREB信號通路活化受到抑制，造成學習能力及空間識別記憶的下降。Lindseth等[30]將健康成人分為兩組，分別在日常飲食中添加高(25 mg/(kg·bw))、低(10 mg/(kg·bw))含量的阿斯巴甜，食用8 d后對比其食物攝入量、情緒和抑郁量表，進行工作記憶和空間取向的認知測試。結(jié)果表明，攝入高含量阿斯巴甜的人群表現(xiàn)出更多的易怒、沮喪情緒，并且在空間取向的認知測試中表現(xiàn)不佳。但此時阿斯巴甜攝入量尚未超過其ADI值(40 mg/(kg·bw))，提示應進一步研究并注意控制AS的攝入量，避免長期的攝入累積。

2.3 心腦血管疾病

飲用含AS的軟飲料會增加腦卒中及癡呆的風險。Pase等[31]對2 888名年齡大于45歲以及1 484名年齡大于60歲的志愿者進行了10年的跟蹤調(diào)查，分析其罹患意外中風及新發(fā)癡呆的風險，并應用食物頻率調(diào)查問卷對飲料攝入量進行量化。整個隨訪過程中，他們共觀察到97例腦卒中(包括82例缺血性中風)和81例癡呆(包括63例阿爾茲海默癥)。分析結(jié)果顯示，含AS軟飲料的短期大量攝入及長期積累會增加缺血性中風、癡呆和阿爾茲海默癥的風險，風險比為2.96和2.89。Bernstein等[32]對84 085名女性和43 371名男性進行了前瞻性隊列研究，探索含AS的飲料的攝入與罹患腦卒中的相關性。經(jīng)20年以上跟蹤調(diào)查，共記錄到1 416名男性、2 938女性患腦卒中，分析得每日攝入含AS的飲料患腦卒中的風險比為1.16，這一數(shù)值與每日攝入含糖飲料的風險比相似，表明AS雖然大多不參與代謝、不提供熱量，但與糖一樣都可能誘發(fā)心腦血管疾病。

2.4 遺傳毒性

體外實驗證實阿斯巴甜[33]和糖精[34]等AS都會造成DNA損害，且具有遺傳毒性。Bandyopadhyay等[35]應用單細胞凝膠電泳技術檢測發(fā)現(xiàn)，口服不同濃度阿斯巴甜、安賽蜜及糖精鈉等AS均對大鼠骨髓細胞DNA造成損傷，并且安賽蜜和糖精鈉的影響要高于阿斯巴甜。長期攝入高濃度阿斯巴甜的大鼠，嗜多染紅細胞微核率、染色體總畸變數(shù)及不正常精子數(shù)目均有顯著增加[36]。過量AS的攝入也會對妊娠期個體及子代健康產(chǎn)生影響，妊娠期母鼠每日接受50.4 mg阿斯巴甜胃飼后，母鼠及其娩出的幼鼠與對照組相比體重減輕，肝組織損傷率高，骨髓細胞染色體畸變和DNA斷裂等不良事件都明顯增加[37]。

2.5 肝損傷和癌癥

長期攝入AS會導致肝組織中氧化還原狀態(tài)失衡[38]。Alkafafy等[39]喂食大鼠4倍ADI的糖精(100 mg/(kg·bw))或阿斯巴甜(1 000 mg/(kg·bw))8周，發(fā)現(xiàn)糖精是潛在的氧化應激誘導物，引起總抗氧化能力及過氧化氫酶活的顯著降低，大鼠肝臟切片顯示阿斯巴甜和糖精可明顯改變組織學形態(tài)，肝組織結(jié)構(gòu)紊亂、中央靜脈和肝血竇堵塞、單核細胞浸潤、門靜脈周纖維化、膽道增生，肝臟中活性氧增多，伴隨白細胞浸潤增加等炎癥反應，引起肝中毒。Dhurandhar等[40]將大鼠灌胃三氯蔗糖(3 g/(kg·d))30 d，觀察肝臟的石蠟切片可見肝細胞呈斑片狀變性，伴Kupffer細胞增生、淋巴細胞浸潤、肝竇擴張、肝纖維化。此外，關鍵致癌基因h-Ras的超表達和腫瘤抑制基因P27的表達下調(diào)提示長期暴露AS可能引起肝癌。另有研究表明，將阿斯巴甜作用于宮頸癌HeLa細胞，細胞活性沒有明顯改變，而腫瘤抑制基因p53和促凋亡基因BAX表達下調(diào)，同時抗凋亡基因BCL-1表達上調(diào)，提示阿斯巴甜可抑制腫瘤細胞凋亡[41]。

3 結(jié)束語

自第一代糖精鈉被發(fā)明以來，已歷經(jīng)多種AS的更新?lián)Q代。而全球糖價的持續(xù)走高，使得甜味劑行業(yè)替代效應開始凸顯，也反映了甜味劑市場的巨大需求。我們應該審慎地意識到，隨著人們對糖精、甜蜜素等初代AS的安全性質(zhì)疑，其使用范圍和用量已受到各國政府的嚴格限制；而目前對愛德萬甜、阿力甜等新型AS的初步研究表明，其在動物和人體內(nèi)都有較好的耐受性，無全身毒性，較之傳統(tǒng)的甜味劑具有更高的安全性[42]，但其長期效應仍需觀察，人類對甜味劑的開發(fā)和健康風險研究仍然在路上。