人工甜味剂环境行为及生态毒理研究进展

陈胜文，贺 程，李文超，陈 凯，马 磊，陆韵吉，谢洪勇

（上海第二工业大学城市建设与环境工程学院，上海 201209）

人工甜味剂环境行为及生态毒理研究进展

陈胜文，贺 程，李文超，陈 凯，马 磊，陆韵吉，谢洪勇

（上海第二工业大学城市建设与环境工程学院，上海 201209）

人工甜味剂主要是指一些具有甜味但不是糖类的合成化学物质，广泛应用于食品和饮料、制药、个人护理品、酿酒和饲料等行业。主要针对其进入环境后特别是环境水体当中的污染水平及趋势、环境行为、生态毒理和分析方法等进行了综述，为进一步研究提供一些建设性的参考。

人工甜味剂；三氯蔗糖；糖精；环境行为；生态毒理

0 引言

近几十年来，世界范围包括我国在内的肥胖症、糖尿病和龋齿等人群高发病的产生都被认为与饮食习惯及膳食结构相关，尤其是与蔗糖摄入过多有着密切的关系。因此，催生了无营养价值、无热量或极低热量的人工甜味剂。人工甜味剂（Artificial Sweeteners）主要是指一些具有甜味但不是糖类的合成化学物质。甜度一般比蔗糖高十倍至数百倍，所以人工甜味剂又称为代糖。人工甜味剂主要有糖精（邻磺酰苯甲酰亚胺, Saccharin，简写为SAC）；天门冬酰苯丙氨酸甲酯（蛋白糖，甜味素，阿斯巴甜，简写为ASP）；环己基氨基磺酸钠（甜蜜素，Cyclamate，简写为CYC）；乙酰磺胺酸钾（安赛蜜，AK糖，Acesulfame Potassium，简写为ACE）；三氯蔗糖（三氯半乳糖，Sucralose，简写为SUC）；L-天冬酰-D-丙氨酰胺（阿力甜，Alitame，简写为ALI）等[1]，具体参数及分子结构式见表1。

到目前为止，世界各国已获批准的人工甜味剂约有20种，其中得到多数国家批准允许使用的品种主要有ACE、ASP、CYC、SAC、SUC等[2]。

高倍甜味剂主要的消费领域是食品和饮料，还可应用于制药、个人护理品、酿酒和饲料等。2010年，中国成为亚太区人工甜味剂消费最大的国家，市场规模大约为24 641吨，市场价值约1.35亿美元。研究同时表明，亚太区是高倍甜味剂的一个重要生产区域。据估计，全球超过50 % 的高倍甜味剂的生产集中在亚太区。报告统计显示，中国2010年高倍甜味剂的总产量超过了80 639吨，在亚太地区排名第一（注：http://info.china.alibaba.com/news/detail/v0-d1015122599.html）。

人工甜味剂进入人体后，大部分不被人体所代谢并以母体化合物的形式排出体外。三氯蔗糖95 % 以母体化合物形式进入环境水体。ACE，CYC和SAC几乎是100 % 的以母体化合物的形式排出体外[3]。三氯蔗糖（在加拿大和美国称为Splenda）在2005年进入挪威食品市场。一年以后，挪威空气研究所（NILU）在环境水体中发现该化合物，在污水处理厂的进水和出水中都有检出[4]。

瑞典国家食品管理局的Per Ola Darnerud指出，由于欧盟关于食品的科学委员会批准三氯蔗糖可被人们安全食用，就没有对其进行环境评估。加拿大和美国于20世纪90年代批准它作为食品添加剂，也没有对它进行环境影响评价。美国和加拿大使用三氯蔗糖的时间已很长，迄今未发现对人群健康和环境有不良的影响。但Darnerud指出这可能是由于没有人关注它的影响，也可能这类影响需要更长的时间才会显现[5]。鉴于人工甜味剂进入环境后对于生态系统的潜在危害，本文对人工甜味剂的污染水平及趋势、环境行为及生态毒理等方面进行了总结与评述，为下一步的研究提供建设性的参考。

表1 几种人工甜味剂参数及化学结构式Tab. 1 Characters and chemical structures of artificial sweeteners

1 环境中人工甜味剂的污染水平及趋势

人工甜味剂进入水体之后，其在水体当中的浓度水平首先受到环境科学界的关注。到目前为止，至少有九个研究组报道了人工甜味剂在环境中的浓度水平或迁移转化[6]：挪威大气研究院（Norwegian Institute for Air Research）、瑞典环境研究所（Swedish Environmental Research Institute）、欧洲委员会联合研究中心（The European Commission’s Joint Research Centre）、卡罗来纳大学威名顿分校（University of North Carolina-Wilmington）、德国Karlsruhe水技术中心（The Water Technology Center in Karlsruhe, Germany）、瑞士联邦研究站Wädenswil站（The Swiss Federal Research Station inWädenswil, Switzerland）、科罗拉多大学（The University of Colorado）、瑞典林雪平大学（LinkÖping University）和联邦供水、废水处理与水体保护研究所（The Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology）。其中，最近大部分的报道来自卡罗来纳大学威名顿分校[6]。在所报道的人工甜味剂中包括了ACE、ALI、ASP、CYC、SAC、SUC等，主要集中在ACE、CYC、SAC和SUC四种人工甜味剂上。

瑞典科学家首先报道了在斯德哥尔摩和瑞典废水中存在三氯蔗糖，并且在处理中完全不起变化。瑞典环境保护局委托瑞典环境研究所考查瑞典地表水和废水中的SUC。研究人员于2008年1月的报告称，所有废水处理厂的废水在处理前的SUC浓度达到8 μg/L以上，较大的废水处理厂在处理后最多也只能使其浓度减少10 % ；三氯蔗糖在其它环境中也难以降解，半衰期可长达数年。2008年在环境方面的顶级刊物《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）指出三氯蔗糖进入环境后会长期持留在环境当中[4,7,8]，并成为环境当中的一种新兴污染物[6,9]。

Buerge等[10]研究了瑞士苏黎世10个污水处厂的污水，在未经处理的废水当中，大多数样品里检出了四种人工甜味剂，以ACE的浓度最高。四种人工甜味剂浓度在2 μg/L ～ 65 μg/L之间，浓度大小顺序为ACE ≈ CYC ＞ SAC ＞ SUC。在污水处理厂的进水和出水中都检测出了ACE，浓度在12 μg/L ～ 46 μg/L之间。

Scheurer等[11]应用SPE-LC/ESIMS/MS方法研究了德国污染处理厂中七种人工甜味剂（SUC, ACE, SAC, CYC, ASP, NEO和Neohesperdin Dihydrochalcone）的浓度，其中四种人工甜味剂（SUC, ACE, SAC, CYC）在污水处理厂的进水和出水中都被检出；SAC及ACE的浓度在34 μg/L ～ 50 μg/L之间，而CYC的最高浓度达到了190 μg/L，三氯蔗糖（SUC）的浓度相对较低，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 % 。与传统污水处理相比，ACE在土壤含水层的处理更加难以去除。

在美国亚利桑那州七个污水处理厂中，出水中SUC的浓度为2 800 ng/L ± 1 000 ng/L；在经过处理42天或46天后发现SUC在厌氧和好氧条件下都不发生生物降解，既不单代谢也不会共代谢降解；加长紫外线照射时间也不会明显加快SUC的氧化；经氯气和臭氧作用，三氯蔗糖缓慢地降解，而在一般的污水处理系统中，SUC不会降解[12]。在美国不同州的不同地点取样，从三个不同地点的5个污水样品中发现SUC的平均浓度为1.5 μg/L；SAC仅在一个污水处理厂的进口检测到，在样品中没有检出ASP[13]。Mead等[14]在一家污水处理厂检测出出水中的SUC的浓度最高为119 μg/L，而在加拿大的污水样品中检测出的四种人工甜味剂的浓度分别为：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剂的污染研究方面，Loos等[15]研究了欧洲27个国家120个河水样品，SUC浓度最高达到了1 μg/L，较高浓度主要出现在英国、比利时、荷兰、法国、西班牙、瑞士、意大利、挪威和瑞典，而在德国和一些东欧国家的浓度相对较低。

从瑞士多个湖水检测结果表明，ACE浓度最高可达2.8 μg/L，CYC浓度为0.13 μg/L，SAC为0.18 μg/L。浓度高低一般与当地人口及入湖水量相关。河水中的ACE浓度较湖水中要高[3]。

Mead等[14]第一次报道了在美国水体当中检测出了SUC，也首次报道了南美海岸和开阔海域水体当中SUC的浓度。SUC在海水中的浓度范围为67 ng/L ～ 392 ng/L，并指出人工甜味剂在环境中的持久性及广泛性，有全球分布的可能，应引起各国重视，提早加以控制。

从四条德国河流采集的水样中得出，德国地表水中以ACE占主导，浓度超过了2 μg/L；SAC和CYC的浓度范围为50 ng/L ～ 150 ng/L；三氯蔗糖的浓度一般在60 ng/L ～ 80 ng/L之间，但其中有一样品超过了100 ng/L[9]。美国亚利桑那州地表水中的SUC浓度为300 ng/L ± 30 ng/L，这是第一次报道在美国内陆表水中存在SUC[16]及浓度情况。Ferrer等[13]首次报道了在美国地下水中发现了SUC，从两个地点的8个样品中全部检出，浓度范围为0.6 μg/L ～ 2.4 μg/L。

Van等[17]研究表明，在加拿大的地下水当中，ACE、SAC、SUC和CYC均有检测出，ACE的检测率最高，浓度在μg/L级。这是首次报道在地下水当中存在ACE和CYC。ACE在地下水中至少可以存留一年半以上。在瑞士苏黎世地下水当中，ACE的检出频率及浓度都相对较高，有65 % 的样品检出，最高浓度可达4.6 μg/L[3]，在该研究组另外一文献中发现瑞士地水中的SAC浓度最高可达0.26 μg/L[10]。

在饮用水系统中也检测了到人工甜味剂的存在，首先报道的是在瑞士饮用水系统中检出了ACE，最高浓度为2.6 μg/L。经过氧化处理过后，在饮用水管网末端浓度在0.02 μg/L ～ 0.07 μg/L之间[3]。

Mawhinney等[18]发现在研究的19个美国饮用水厂中15个原水中检测出了SUC，浓度在47 ng/L ～ 2 900 ng/L之间；在检测的17个水厂13个出水中检测出了SUC，浓度在49 ng/L ～ 2 400 ng/L之间；检测12个送水系统中有8个检出了SUC。检测结果经比较后表明，饮用水处理系统对SUC的去除率比较低，平均在11 % 。

Scheuer等[16]研究了六个大规模饮用水处理厂对四种人工甜味剂（SUC, ACE, SAC, CYC）的去除情况。ACE在饮用水处理厂的出水中被检出，浓度可达几百ng/L；在河流岸滤（Bank filter）过程中ACE和SUC不被生物所降解；实验室和田间实验表明，SUC不易被氧化，其转化率小于20 % ；ACE可被臭氧氧化，但在饮用水处理系统中臭氧水平仅能去除18 % ～ 66 % ，而SAC和CYC可被完全去除；总体结果表明ACE和SUC在饮用水处理过程中最易持留。

典型人工甜味剂在污水、地表水、地下水及饮用水系统中都有检出，分布非常广泛，甚至有全球分布的可能，种类主要涉及SAC、CYC、ACE和SUC，常规污水处理过程及饮用水处理流程不易去除ACE和SUC。

2 人工甜味剂环境行为及生态毒理研究

人工甜味剂进入环境后，在环境中的行为也开始受到一些环境科学家的关注。这方面的报道不是很多，而且大多集中在SUC这一种人工甜味剂上面。

Labare等[19]研究结果表明SUC可以通过微生物的共代谢部分降解，4周的时间大约有55 % 被矿化。在湿土壤、厌氧污泥、湖水介质中降解得都很缓慢。而最新研究表明在干土壤（dry soils），SUC有45 % 在四周时间被降解，而湿土壤（flooded soils）几乎没有降解[20]。

Buerge等[10]应用LC/MS/MS方法分析土壤当中四种人工甜味剂（SUC, ACE, SAC, CYC）的浓度。SAC作为一种猪饲料的添加剂，被猪食用后大部分被排出体外，在粪便当中浓度到可达12 mg/L，并至少可稳定贮存2个月。粪便在农业上的应用是SAC进入土壤的重要途径。人工甜味剂也可以通过污染的地表水灌溉农田而进入土壤。这几种人工甜味剂的半衰期从0.4天到124天不等。地下水当中的SAC来源于进入农田的粪便，而高浓度的ACE来源于被ACE污染的地表水通过河床渗透到地下水中。

Soh等[20]对SUC的环境行为进行了比较全面的研究，包括环境过程（生物降解，水解，吸附），饮用水处理过程（包括氯气处理、臭氧消毒、活性碳吸附和紫外照射）以及对植物的毒性。结果表明：SUC水解、臭氧氧化及微生物降解都是一个非常缓慢的过程，这也是SUC在水体中残留的原因；SUC不容易被土壤和活性污泥吸附；对植物毒性实验表明，SUC没有抑制植物（Lemna gibba）的生长速率且不会抑制另一种植物（cotelydons）对于蔗糖的吸收。

对于人工甜味剂，有很多关于生物累积及生态毒性方面的报告，大部分来自于生产厂商，在同行评议的杂志上相对较少。而对于生态毒理方面的研究不多，个别研究组在研究环境行为的同时对环境水体中的SUC水生毒性有所关注。

Huggett等[21]研究发现，当三氯蔗糖浓度小于1 800 mg/L时，对大型蚤（Daphnia magna）的成活率和生长情况没有影响；小于93 mg/L时对America bahia (mysid shrimp)成活率、生长和生殖情况没有影响。Hjorth等[22]研究了SUC对于北极两种桡足动物的影响，发现其中一种动物（Copepod, Calanus glacialis）的食物摄入量随SUC浓度的增加而增大，而产蛋量没有受到影响。Lillicrap等[23]做了SUC水生生物累积方面的研究，发现对于受试藻类（alga, Pesudokirchneirella subcapita）和鱼（Zebrafish, Danio rerio），其生物放大系数（BCF）小于1，而对于大型蚤（Daphnia magna）其BCF稍高，在1.6 ～ 2.2之间。

最近Wiklund等[24]研究了SUC对大型蚤行为及生理的影响，结果表明SUC的存在会增加大型蚤的游泳距离和游泳速度。实验结果给了我们一个警示，SUC的存在可能使生物的行为出现异常，可能导致比较严重的生态后果。从目前的研究结果来看，虽然人工甜味剂对于水生生态系统没有表现出比较严重的后果，但实验已经表明有些人工甜味剂的存在已对某些水生生物的行为有所影响，这表明人工甜味剂在环境中存在着潜在的威胁。另外，还没有对于长期低剂量暴露对生态系统的影响的这方面的研究，这应该是评价人工甜味剂的生态毒理的一个十分重要的内容。

3 人工甜味剂环境分析方法

对于人工甜味剂的分析方法，在食品领域有比较多的研究[25-29]，但在这里只探讨一下环境水体中的人工甜味剂的前处理及分析方法。环境水体当中的人工甜味剂的前处理方法多采用固相微萃取技术（SPE），在已有的文献报道中几乎全部采用这一前处理技术。萃取柱材料、不同pH等因素对于不同人工甜味剂的回收率情况见表2[30]。

环境水体中的人工甜味剂的分析方法主要由GC-MS、LC-MS或LC/MS/MS方法来完成，由于在检测SUC时，应用GC-MS检测需要衍生化技术，所以在分析环境水体中的人工甜味剂时多采用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) 作为衍生化试剂[14,31]。

表2 不同固相微萃取材料在不同pH条件下萃取人工甜味剂的回收率（采样体积, 50 mL; 加标浓度, 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 结语

目前对于人工甜味剂的环境行为研究主要集中在环境水体中的污染水平，包括污水、地表水、地下水以及饮用水，主要涉及四种工人甜味剂（SUC, SAC, CYC, ACE），SUC和ACE在污水处理系统及饮用水处理中的去除率都比较低。而关于人工甜味剂的环境行为的研究报道比较少，主要是模拟现有污水处理及饮用水处理过程，生物降解和水解都比较缓慢，其环境行为有待进一步的深入研究。在生态毒理方面，对水生植物和水生动物急性毒性方面的研究报道表明，有些人工甜味剂的存在已经对某些水生生物的行为有所影响，而对于其低剂量的长期暴露方面没有涉及。为了更加全面地评价其进入环境水体中的生态风险，应该对更多的水生生物做低剂量长期暴露方面的研究。

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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

陈胜文（1977－），男，江西南昌人，副教授，博士，主要研究方向为污染物高级氧化，电子邮箱swchen@eed.sspu.cn。

上海市教育委员会重点学科建设项目资助（No. J51803）