甜味剂的应用及其环境影响研究进展

2023-10-18黎泽江李宁杰

科技创新与应用 2023年29期

黎泽江，李宁杰

（桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 541004）

甜味剂是一类被广泛应用于食品和饮料中的化学物质，向食品或饮料之中少量甜味剂就可以赋予食品和饮料甜美的味道，充分满足人们对甜味的需求。在过去，人们使用天然甜味剂如蔗糖和蜂蜜等主要应用于食品等行业，但由于其价格昂贵和供应的限制，人们开始寻找替代品。随着近年来科学技术的迅速发展，科学家们从自然界中提取或者人工合成的甜味剂种类逐渐增多，因此甜味剂的家族越来越庞大。再加之各行各业机械化的全面普及，导致人们生产每一样产品的效率越来越高，所需要的劳动力和时间成本越来越低。因此甜味剂生产行业生产的甜味剂数量越来越多且价格相对低廉。相对低廉且不受供应限制的甜味剂的出现，使得食品和饮料制造商能够以更低的成本生产出甜味产品，填补了现代社会的快节奏生活和口味多样化的需求，满足大众对甜味的追求。这一发展让甜味剂在食品和饮料工业中得到了广泛的应用和重视。此外，甜味剂的应用不再仅仅限制于食品与饮料行业，在其他行业也得到了广泛应用和重视，例如医疗行业、化工类制品及化妆品类用品等。

但不可否认的是，因为甜味剂的大量生产与使用，且由于经济效益及技术普及的因素，部分行业对于含甜味剂的废水、不合格产品没有进行合理处理，而是采取粗放式直接排放，导致环境中甜味剂的浓度含量逐渐增多。甜味剂对于环境造成的污染也越来越严重，各种污染问题逐渐浮出水面。例如，甜味剂三氯蔗糖在污水处理厂中几乎不降解，因此会随着出水管道进入到自然界水体中，污染饮用水。由于人工甜味剂化学性质的特殊性，传统的生物处理方法无法有效地处理甜味剂废弃物，导致其在环境中积累，进一步加剧了环境污染的程度。目前，甜味剂对环境的影响并未引起广泛的重视，这其中原因之一是由于大众对甜味剂的污染现状及生态毒理缺乏认知。因此，为了让人们对甜味剂有全面认识，本文首先介绍了甜味剂的种类及应用领域，然后对人工甜味剂的污染现状及生态毒理研究进展进行了阐述，最后介绍了含人工甜味剂废水的处理方法。

1 甜味剂的种类

甜味剂是一类甜度高，只需添加一点就可以赋予食物甜味的调味剂[1]。

甜味剂有很多不同的种类，按其来源可分为天然甜味剂和人工甜味剂（图1）。天然甜味剂是从天然植物中提取，包括常见的食品原料，如白砂糖、蔗糖、麦芽糖等糖类物质，和天然代糖甜味剂，如甜菊糖、罗汉果甜苷、木糖醇等，其中天然代糖甜味剂作为食品添加剂时，不会被限制使用，而通常所说的天然甜味剂也多是指天然代糖甜味剂。人工甜味剂是指人工合成或半合成的蔗糖替代品，其甜度比天然甜味剂高，有些合成的甜味剂甜度甚至是蔗糖的几百倍，但其产生的热量与营养非常低，如糖精、糖精钠、安赛蜜等[2]。

2 甜味剂的应用

甜味剂作为一种令人无法忽视的增甜剂，不仅在食品饮料行业中有重要的作用，在医疗领域、个人护理用品等其他领域也有着广泛的应用（图2）。

图2 甜味剂在各领域中的应用

2.1 甜味剂在医疗领域中的应用

随着生活水平的不断提高，人们的饮食热量过多，且运动量减少，人们的健康风险越来越高。大量实验研究表明，长期高糖饮食已经成为糖尿病、心血管疾病和口腔疾病的诱因之一。而近些年的研究也表明，甜味剂对于预防或者治疗一些疾病有一定的功效。因此研究新的健康甜味剂作为医疗上的药物辅助物很有必要。如甜菊糖作为一种天然的高倍甜味剂，对于预防动脉粥样硬化、高血糖、心脏病、高血压等病症以及提高自身免疫力都具有很大的作用[3]。再比如结晶单糖已经被中国、日本以及欧美列入药典，适用于糖尿病患者的口服或注射营养剂[4]。阿洛酮糖在降血脂、预防糖尿病有明显功效，在清除ROS、应对氧化应激导致的疾病中具有被开发的巨大潜力[5]。就目前来说，甜味剂在医疗领域上起了重要的作用，不同种类甜味剂对于不同病症有较好的预防或缓解功能。

2.2 甜味剂在食品领域中的应用

食品工业的领域中，一直离不开的就是甜味剂。以蔗糖为代表的第一代甜味剂不仅能为食品提供甜味，还能增加食品的色泽以及香气，在去除或抑制食品中的不良味道、抑制细菌滋生以及延长食物营养流失时间具有非常重要的作用。据研究发现，甜味剂在食品领域中还可以用于减缓食品失水速率、提高淀粉成膜的韧性、减低产品卡路里等[6]。随着人们健康意识的提高，人们越发注重饮食上的少糖，如蛋糕中的低聚异麦芽糖、0 卡糖饮料中的赤藓糖醇（图3）及糖果中的安赛蜜，再加之国家对于降糖行动的支持，无糖或少糖也逐渐变成了一种趋势。在上面这两种因数的影响下，食品产业对于甜味剂也更加依赖，纷纷主打出一系列添加低热量甜味剂的无糖、少糖产品。而健康安全且低热量的甜味剂在食品行业领域也越发重要。

图3 三氯蔗糖对于部分水生生物的影响

图3 饮料中部分常见的甜味剂及饮料

2.3 甜味剂在其他领域上的应用

甜味剂在其他领域中也有重要的地位。如甜味剂种类中的赤藓糖醇具有很强的保湿性和吸湿性，在化妆品领域中，赤藓糖醇不仅可以增加产品的保湿性能，对产品的抗氧化性也有一定程度的提高[7]；在化工领域中，赤藓糖醇因其独特的物理与化学性能，被用作有机合成的中间体[8]。低聚果糖是一种符合当代要求的健康甜味剂，且据文献显示[9]，低聚果糖能提高饲料转化率，增强动物的免疫力，在改善后备母猪中发挥着重要的作用。

3 人工甜味剂的污染现状

随着甜味剂尤其是人工甜味剂的使用量越来越大，涉及领域越来越广，且行业中由于各种因素随意排放含人工甜味剂的废水，因此越来越多的甜味剂出现在环境中，它已被视为新型环境污染物。

据报道，大连近岸海域广泛存在人工甜味剂，其中三氯蔗糖和安赛蜜是最广泛的人工甜味剂，浓度分别为32～766 ng/L 和103～557 ng/L[10]。在中国天津自来水体中发现三氯蔗糖、安蜜素、糖精钠和甜蜜素的浓度分别高达0.12、0.68、0.10 和36 ng/L[11]。瑞典污水处理厂和水环境中检出的三氯蔗糖浓度范围为1.8～10.8 μg/L，附近地表水中浓度范围为0.052～3.6 μg/L[12]，而美国纽约港SUC 的含量高达16.2 μg/L[13]；Morlock 等在瑞士苏黎世地区的地下水样品中检出浓度高达4.71 μg/L 的安赛蜜。可见，人工甜味剂造成的环境污染不是区域性的，而是全球性的。

4 人工甜味剂的生态毒理研究进展

人工甜味剂的生态毒理的研究目前已是科学家广为关注的一个问题，但目前相关报道较少，已有研究也主要集中在三氯蔗糖上（图4）。

Huggett 等[14]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。

Morten 等[15]研究了三氯蔗糖对于北极两种桡足动物的影响，发现三氯蔗糖浓度的变化对于其中一种动物（Copepod，Calanus glacialis）的食物摄入量有影响，且影响关系成正比。Lillicrap 等[16]研究发现三氯蔗糖在水生藻类（alga，Pesudokirchneirella subcapita）和鱼（Zebrafish，Danio rerio）中的生物放大系数（BCF）小于1，而在大型蚤（Daphnia magna）的BCF 在1.6~2.2 之间。最近Wiklund[17]发现当水中存在三氯蔗糖，大型蚤的游泳距离和游泳速度会明显增加。

虽然从目前的研究结果来看，人工甜味剂并未对水生生态系统造成比较严重的后果，但三氯蔗糖的存在也会影响生物的正常行为，这表明人工甜味剂在环境中存在着潜在的威胁。

5 含人工甜味剂废水的处理方法

降解含人工甜味剂的方法有多种，包括电-Fenton法、光催化降解法、生物降解法、臭氧降解法等[18-23]。在电-Fenton 体系中，0.2 mmol/L 的Fe2+浓度和200 mA 的电流强度是最优降解条件，而在不同电极材料中，碳毡/掺硼金刚石电极体系中蔗糖的矿化率均要高于碳毡/Pt电极体系[18]。

Soh 等[19]发现浓度为100 μmol/L 的臭氧可在5 min将1 μmol/L 的安赛蜜完全去除，而紫外照射5 h 仅可达到35%的去除率。沈丹丹等[20]研究发现，在紫外光照体系中，安赛蜜的初始浓度、pH 都会影响它的降解速率。安赛蜜初始平均浓度为13 和54 mg/L 时的紫外光降解曲线相似，且在pH=7 时降解较快，在9 h 去除率分别为100%和99.6%。

研究初期结果表明，生物降解对于安赛蜜和三氯蔗糖的作用不大，去除率低于20%，而对糖精和甜蜜素去除效果较好[21]。但近年来随着研究深入，科学家们发现含安赛蜜、三氯蔗糖等人工甜味剂的废水可在特定的条件下达到较好的去除效果，如活性污泥法和滤砂在脱氮过程中能生物降解去除部分安赛蜜[22]，反硝化过程能够生物去除7.11%～50.76%的安赛蜜，其中A2O 工艺的降解最为有效[23]。也有研究提出自养氨氧化菌能降解安赛蜜，但是富集的硝化菌对安赛蜜的降解速度比传统活性污泥法要慢很多[24]。

除上述几种方法外，紫外（ultraviolet，UV）活化过硫酸盐技术去除水中人工甜味剂也有着广阔的发展前景，比如在pH=7 和2.520 mmol/L 氧化剂浓度条件下，UV/H2O2、UV/过一硫酸盐和UV/过二硫酸盐技术降解三氯蔗糖反应60 min，对于三氯蔗糖的矿化率分别为70%、100%和93%，费用分别为36.69 元、20.57 元和15.83元，说明了UV/PMS 技术高效且成本低；在众多活化过硫酸盐的方法中，UV 能量消耗较低且不会导致二次污染[25]。