甜味劑的應(yīng)用及其環(huán)境影響研究進展

黎澤江，李寧杰

（桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

甜味劑是一類被廣泛應(yīng)用于食品和飲料中的化學(xué)物質(zhì)，向食品或飲料之中少量甜味劑就可以賦予食品和飲料甜美的味道，充分滿足人們對甜味的需求。在過去，人們使用天然甜味劑如蔗糖和蜂蜜等主要應(yīng)用于食品等行業(yè)，但由于其價格昂貴和供應(yīng)的限制，人們開始尋找替代品。隨著近年來科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，科學(xué)家們從自然界中提取或者人工合成的甜味劑種類逐漸增多，因此甜味劑的家族越來越龐大。再加之各行各業(yè)機械化的全面普及，導(dǎo)致人們生產(chǎn)每一樣產(chǎn)品的效率越來越高，所需要的勞動力和時間成本越來越低。因此甜味劑生產(chǎn)行業(yè)生產(chǎn)的甜味劑數(shù)量越來越多且價格相對低廉。相對低廉且不受供應(yīng)限制的甜味劑的出現(xiàn)，使得食品和飲料制造商能夠以更低的成本生產(chǎn)出甜味產(chǎn)品，填補了現(xiàn)代社會的快節(jié)奏生活和口味多樣化的需求，滿足大眾對甜味的追求。這一發(fā)展讓甜味劑在食品和飲料工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用和重視。此外，甜味劑的應(yīng)用不再僅僅限制于食品與飲料行業(yè)，在其他行業(yè)也得到了廣泛應(yīng)用和重視，例如醫(yī)療行業(yè)、化工類制品及化妝品類用品等。

但不可否認的是，因為甜味劑的大量生產(chǎn)與使用，且由于經(jīng)濟效益及技術(shù)普及的因素，部分行業(yè)對于含甜味劑的廢水、不合格產(chǎn)品沒有進行合理處理，而是采取粗放式直接排放，導(dǎo)致環(huán)境中甜味劑的濃度含量逐漸增多。甜味劑對于環(huán)境造成的污染也越來越嚴重，各種污染問題逐漸浮出水面。例如，甜味劑三氯蔗糖在污水處理廠中幾乎不降解，因此會隨著出水管道進入到自然界水體中，污染飲用水。由于人工甜味劑化學(xué)性質(zhì)的特殊性，傳統(tǒng)的生物處理方法無法有效地處理甜味劑廢棄物，導(dǎo)致其在環(huán)境中積累，進一步加劇了環(huán)境污染的程度。目前，甜味劑對環(huán)境的影響并未引起廣泛的重視，這其中原因之一是由于大眾對甜味劑的污染現(xiàn)狀及生態(tài)毒理缺乏認知。因此，為了讓人們對甜味劑有全面認識，本文首先介紹了甜味劑的種類及應(yīng)用領(lǐng)域，然后對人工甜味劑的污染現(xiàn)狀及生態(tài)毒理研究進展進行了闡述，最后介紹了含人工甜味劑廢水的處理方法。

1 甜味劑的種類

甜味劑是一類甜度高，只需添加一點就可以賦予食物甜味的調(diào)味劑[1]。

甜味劑有很多不同的種類，按其來源可分為天然甜味劑和人工甜味劑（圖1）。天然甜味劑是從天然植物中提取，包括常見的食品原料，如白砂糖、蔗糖、麥芽糖等糖類物質(zhì)，和天然代糖甜味劑，如甜菊糖、羅漢果甜苷、木糖醇等，其中天然代糖甜味劑作為食品添加劑時，不會被限制使用，而通常所說的天然甜味劑也多是指天然代糖甜味劑。人工甜味劑是指人工合成或半合成的蔗糖替代品，其甜度比天然甜味劑高，有些合成的甜味劑甜度甚至是蔗糖的幾百倍，但其產(chǎn)生的熱量與營養(yǎng)非常低，如糖精、糖精鈉、安賽蜜等[2]。

2 甜味劑的應(yīng)用

甜味劑作為一種令人無法忽視的增甜劑，不僅在食品飲料行業(yè)中有重要的作用，在醫(yī)療領(lǐng)域、個人護理用品等其他領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用（圖2）。

圖2 甜味劑在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 甜味劑在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著生活水平的不斷提高，人們的飲食熱量過多，且運動量減少，人們的健康風(fēng)險越來越高。大量實驗研究表明，長期高糖飲食已經(jīng)成為糖尿病、心血管疾病和口腔疾病的誘因之一。而近些年的研究也表明，甜味劑對于預(yù)防或者治療一些疾病有一定的功效。因此研究新的健康甜味劑作為醫(yī)療上的藥物輔助物很有必要。如甜菊糖作為一種天然的高倍甜味劑，對于預(yù)防動脈粥樣硬化、高血糖、心臟病、高血壓等病癥以及提高自身免疫力都具有很大的作用[3]。再比如結(jié)晶單糖已經(jīng)被中國、日本以及歐美列入藥典，適用于糖尿病患者的口服或注射營養(yǎng)劑[4]。阿洛酮糖在降血脂、預(yù)防糖尿病有明顯功效，在清除ROS、應(yīng)對氧化應(yīng)激導(dǎo)致的疾病中具有被開發(fā)的巨大潛力[5]。就目前來說，甜味劑在醫(yī)療領(lǐng)域上起了重要的作用，不同種類甜味劑對于不同病癥有較好的預(yù)防或緩解功能。

2.2 甜味劑在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用

食品工業(yè)的領(lǐng)域中，一直離不開的就是甜味劑。以蔗糖為代表的第一代甜味劑不僅能為食品提供甜味，還能增加食品的色澤以及香氣，在去除或抑制食品中的不良味道、抑制細菌滋生以及延長食物營養(yǎng)流失時間具有非常重要的作用。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，甜味劑在食品領(lǐng)域中還可以用于減緩食品失水速率、提高淀粉成膜的韌性、減低產(chǎn)品卡路里等[6]。隨著人們健康意識的提高，人們越發(fā)注重飲食上的少糖，如蛋糕中的低聚異麥芽糖、0 卡糖飲料中的赤蘚糖醇（圖3）及糖果中的安賽蜜，再加之國家對于降糖行動的支持，無糖或少糖也逐漸變成了一種趨勢。在上面這兩種因數(shù)的影響下，食品產(chǎn)業(yè)對于甜味劑也更加依賴，紛紛主打出一系列添加低熱量甜味劑的無糖、少糖產(chǎn)品。而健康安全且低熱量的甜味劑在食品行業(yè)領(lǐng)域也越發(fā)重要。

圖3 三氯蔗糖對于部分水生生物的影響

圖3 飲料中部分常見的甜味劑及飲料

2.3 甜味劑在其他領(lǐng)域上的應(yīng)用

甜味劑在其他領(lǐng)域中也有重要的地位。如甜味劑種類中的赤蘚糖醇具有很強的保濕性和吸濕性，在化妝品領(lǐng)域中，赤蘚糖醇不僅可以增加產(chǎn)品的保濕性能，對產(chǎn)品的抗氧化性也有一定程度的提高[7]；在化工領(lǐng)域中，赤蘚糖醇因其獨特的物理與化學(xué)性能，被用作有機合成的中間體[8]。低聚果糖是一種符合當(dāng)代要求的健康甜味劑，且據(jù)文獻顯示[9]，低聚果糖能提高飼料轉(zhuǎn)化率，增強動物的免疫力，在改善后備母豬中發(fā)揮著重要的作用。

3 人工甜味劑的污染現(xiàn)狀

隨著甜味劑尤其是人工甜味劑的使用量越來越大，涉及領(lǐng)域越來越廣，且行業(yè)中由于各種因素隨意排放含人工甜味劑的廢水，因此越來越多的甜味劑出現(xiàn)在環(huán)境中，它已被視為新型環(huán)境污染物。

據(jù)報道，大連近岸海域廣泛存在人工甜味劑，其中三氯蔗糖和安賽蜜是最廣泛的人工甜味劑，濃度分別為32～766 ng/L 和103～557 ng/L[10]。在中國天津自來水體中發(fā)現(xiàn)三氯蔗糖、安蜜素、糖精鈉和甜蜜素的濃度分別高達0.12、0.68、0.10 和36 ng/L[11]。瑞典污水處理廠和水環(huán)境中檢出的三氯蔗糖濃度范圍為1.8～10.8 μg/L，附近地表水中濃度范圍為0.052～3.6 μg/L[12]，而美國紐約港SUC 的含量高達16.2 μg/L[13]；Morlock 等在瑞士蘇黎世地區(qū)的地下水樣品中檢出濃度高達4.71 μg/L 的安賽蜜?？梢姡斯ぬ鹞秳┰斐傻沫h(huán)境污染不是區(qū)域性的，而是全球性的。

4 人工甜味劑的生態(tài)毒理研究進展

人工甜味劑的生態(tài)毒理的研究目前已是科學(xué)家廣為關(guān)注的一個問題，但目前相關(guān)報道較少，已有研究也主要集中在三氯蔗糖上（圖4）。

Huggett 等[14]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)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。

Morten 等[15]研究了三氯蔗糖對于北極兩種橈足動物的影響，發(fā)現(xiàn)三氯蔗糖濃度的變化對于其中一種動物（Copepod，Calanus glacialis）的食物攝入量有影響，且影響關(guān)系成正比。Lillicrap 等[16]研究發(fā)現(xiàn)三氯蔗糖在水生藻類（alga，Pesudokirchneirella subcapita）和魚（Zebrafish，Danio rerio）中的生物放大系數(shù)（BCF）小于1，而在大型蚤（Daphnia magna）的BCF 在1.6~2.2 之間。最近Wiklund[17]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水中存在三氯蔗糖，大型蚤的游泳距離和游泳速度會明顯增加。

雖然從目前的研究結(jié)果來看，人工甜味劑并未對水生生態(tài)系統(tǒng)造成比較嚴重的后果，但三氯蔗糖的存在也會影響生物的正常行為，這表明人工甜味劑在環(huán)境中存在著潛在的威脅。

5 含人工甜味劑廢水的處理方法

降解含人工甜味劑的方法有多種，包括電-Fenton法、光催化降解法、生物降解法、臭氧降解法等[18-23]。在電-Fenton 體系中，0.2 mmol/L 的Fe2+濃度和200 mA 的電流強度是最優(yōu)降解條件，而在不同電極材料中，碳氈/摻硼金剛石電極體系中蔗糖的礦化率均要高于碳氈/Pt電極體系[18]。

Soh 等[19]發(fā)現(xiàn)濃度為100 μmol/L 的臭氧可在5 min將1 μmol/L 的安賽蜜完全去除，而紫外照射5 h 僅可達到35%的去除率。沈丹丹等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在紫外光照體系中，安賽蜜的初始濃度、pH 都會影響它的降解速率。安賽蜜初始平均濃度為13 和54 mg/L 時的紫外光降解曲線相似，且在pH=7 時降解較快，在9 h 去除率分別為100%和99.6%。

研究初期結(jié)果表明，生物降解對于安賽蜜和三氯蔗糖的作用不大，去除率低于20%，而對糖精和甜蜜素去除效果較好[21]。但近年來隨著研究深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)含安賽蜜、三氯蔗糖等人工甜味劑的廢水可在特定的條件下達到較好的去除效果，如活性污泥法和濾砂在脫氮過程中能生物降解去除部分安賽蜜[22]，反硝化過程能夠生物去除7.11%～50.76%的安賽蜜，其中A2O 工藝的降解最為有效[23]。也有研究提出自養(yǎng)氨氧化菌能降解安賽蜜，但是富集的硝化菌對安賽蜜的降解速度比傳統(tǒng)活性污泥法要慢很多[24]。

除上述幾種方法外，紫外（ultraviolet，UV）活化過硫酸鹽技術(shù)去除水中人工甜味劑也有著廣闊的發(fā)展前景，比如在pH=7 和2.520 mmol/L 氧化劑濃度條件下，UV/H2O2、UV/過一硫酸鹽和UV/過二硫酸鹽技術(shù)降解三氯蔗糖反應(yīng)60 min，對于三氯蔗糖的礦化率分別為70%、100%和93%，費用分別為36.69 元、20.57 元和15.83元，說明了UV/PMS 技術(shù)高效且成本低；在眾多活化過硫酸鹽的方法中，UV 能量消耗較低且不會導(dǎo)致二次污染[25]。

6 結(jié)束語

甜味劑已廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，且用量也在逐年上漲。研究表明，人工甜味劑會影響動物的行為，目前其已被視為新型環(huán)境污染物，故各行業(yè)應(yīng)合理使用甜味劑，在排放含甜味劑廢水前應(yīng)進行合理地處理，且有必要找到更多能用于處理含人工甜味劑廢水的方法。