金年会

人工甜味劑是人工合成或由天然物質提取後二次合成的有機物，可替代糖類使用。2017年，全球人工甜味劑的消費量超過15．9萬t，其中我國占到32%。人工甜味劑在生物體内很難代謝完全，大部分通過排洩系統進入水體。此外，人工甜味劑具有高度的極性、結構穩定、難降解等特性，現有的傳統水處理系統無法将其完全去除，導緻其在水環境中不斷累積，對生态系統和人類健康産生潛在威脅。因此，本文重點總結了人工甜味劑在水中的分布和危害，處理技術和檢測技術的發展，及其在環境領域的應用，并闡述了人工甜味劑未來的研究趨勢。  

1人工甜味劑種類、分布和危害

目前，全球使用的人工甜味劑有20多種，其中安賽蜜、甜蜜素、糖精和三氯蔗糖很難被人體吸收，有85%～98%排入下水道。現有的污水廠不能完全去除人工甜味劑，其出水成為人工甜味劑進入環境的主要途徑。據報道，經常規污水廠處理後，通過污水和污泥排入環境的阿斯巴甜可達417μg/(人·d)，其次是三氯蔗糖［117μg/(人·d)］、安賽蜜［90μg/(人·d)］和糖精［66μg/(人·d)］，遠高于藥品和個人護理品的濃度。此外，由于人工甜味劑極易溶于水，其濃度在ng/L與μg/L級别中均存在。我國自來水中的三氯蔗糖、安賽蜜、糖精和甜蜜素濃度高達0．12μg/L、0．68μg/L、0．10μg/L和36ng/L。而在美國，自來水中的三氯蔗糖濃度為48～2400ng/L，相當于人均每天消耗4．8μg的三氯蔗糖。人工甜味劑不僅在地表水中存在，還可以通過污水灌溉、管道滲漏、糞肥返田、污泥施肥等方式滲入地下水。盡管每天攝入15mg/L的安賽蜜未對人體造成危害。但是，人工甜味劑的自然降解副産物在環境中更持久，毒性比本身高500倍，長期暴露在人工甜味劑環境中對水生态系統和人類健康存在潛在風險。

圖 1  人工甜味劑在環境中的來源與歸趨

2 人工甜味劑的檢測技術發展

2.1 色譜質譜技術

水中人工甜味劑的種類多、含量低、物理化學性質差異大，同時檢測多種痕量或超痕量人工甜味劑存在諸多困難。高效液相色譜-質譜串聯(HPLC-MS)能夠測定水中的人工甜味劑，隻是靈敏度不高。在HPLC-MS之前，采用液-液萃取或固相萃取技術進行分離，不僅能夠同時測定多種目标物，而且靈敏度高、選擇性好。當前關于萃取技術的研究主要集中在萃取劑的種類和條件優化。

從儀器的角度來看，氣相色譜、液相色譜和帶質譜儀的離子色譜(三重四極杆、飛行時間)都被用來定量分析人工甜味劑。首先，三重四級杆質譜在超痕量濃度下，也能通過三重質量過濾器來提高目标離子的選擇性。其次，質譜儀的飛行時間能夠準确測量和鑒定目标離子，從而實現對水中阿斯巴甜、糖精和三氯蔗糖的分離和分析。再次，電噴霧電離是三重四極杆和飛行時間質譜儀模式中最常用的技術。在電離過程中施加強電場，使液體樣品去質子化産生離子，從而提高目标物在色譜柱中的保留和分離效果、減少沖洗劑的用量。特别是以負電離模式運行的電噴霧和質譜儀，對化合物觸發的電離抑制的依賴性更小，定量分析更敏感。

2.2 其它分析方法

與許多儀器分析技術不同，傅裡葉紅外光譜（FTIR）不需要溶解或提取樣品，大大簡化了分析程序和測試時間。有學者提出了一種結合計算機模型的FTIＲ新方法，用于識别和快速定量甜蜜素、三氯蔗糖、糖精鈉、安賽蜜和阿斯巴甜。此外，常見的人工甜味劑也可通過具有非接觸電導檢測功能的毛細管電泳來測定，無需表面改性來消除或逆轉電滲流量，檢測限更高、動态範圍更窄。還有學者則采用納克級激光計數檢測器同時測定7種人工甜味劑，該方法的靈敏度、方法簡單、專屬性高。

3 水中人工甜味劑的處理技術

3.1 高級氧化技術

高級氧化工藝（AOPS）的應用給處理難降解污染物方向上提供了一種行之有效的選擇，基于生成使有機化合物氧化的強氧化自由基。這一原理能夠非選擇性廣泛地降解有機污染物。已經有各種不同的工藝技術被用于開發高級氧化技術，特别是那些涉及臭氧和紫外線照射的衍生工藝，已經在飲用水處理和水再生利用設施中得到了很好的建立和全面運行。研究人員也在不斷報道許多新興的高級氧化技術（如電化學AOPS，等離子體AOPS，電子束AOPS，超聲AOPS，微波AOPS）的新研究。大量不同的研究以及越來越多的拟議技術和工藝組合給AOPS帶來了巨大的開發潛力，但是也要綜合評估AOPS的運營成本和一般可行性，以便能夠将其效率與其他可替代處理工藝進行比較，從而得到更加完善的水處理方式。

3.2吸附技術

吸附法因具有低能耗，操作簡單和成本效益高等優勢，成為從水環境中去除有機物的一種很有前途的方法。目前為止，生物炭，顆粒活性炭，金屬有機骨架衍生碳等多孔材料已被用于吸附去除人工甜味劑。顆粒活性炭和磁性樹脂對人工甜味劑的吸附研究對比表明，樹脂對糖精、安賽蜜和甜蜜素的吸附量是顆粒活性炭的3.33-18.51倍。在水廠使用顆粒活性炭不能過濾去除安賽蜜。近年來，金屬有機骨架被廣泛開發研究，有望成為去除水中人工甜味劑的一種非常有效的吸附劑。科學家制備的金屬氮氧化物骨架多孔炭（ MDC-6h）通過與吸附質表面官能團的氫鍵和吸附作用來去除人工甜味劑，其對水中糖精的吸附容量為93mg/L，是商業活性炭的20倍。除此之外，尿素或三聚氰胺改性的金屬有機框架對糖精、安賽蜜和甜蜜素的吸附能力也超過商業活性炭。

此外，活性炭常與其它技術聯合使用以提高對人工甜味素的去除效果。比如，超聲對糖精預處理180min後，再用活性炭吸附16h，可使總有機碳的去除率提高75%。

3.3生物降解

在過去一段時間内，人們普遍認為安賽蜜和三氯蔗糖在污水和土壤處理過程中具有很強的持久性，難以生物降解。但是近年來，越來越多的研究表明，在特定的條件下，安賽蜜、三氯蔗糖等人工甜味劑可通過生物降解去除。污水廠和自來水廠的長期抽樣結果發現，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。我國以序批反應器(SBＲ)、氧化溝、厭氧-缺氧-好氧(A2O)為主的大型污水廠，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。也有研究認為: Bacteroidetes、Chloroflexi和Actinobacteria是促進安賽蜜、三氯蔗糖等人工甜味劑降解的主要微生物。此外，安賽蜜的生物降解程度受多種因素影響。比如，中試規模的人工濕地對安賽蜜的降解範圍為0～62%。實驗室規模的SBＲ對安賽蜜的降解率(＞90%)明顯優于實際污水廠。實驗室規模的固定床反應器可實現10μg/L的安賽蜜污水完全生物降解。

4 總結

人工甜味劑普遍存在于污水廠、水廠、地表水和地下水中，其在水環境中持續累積對生态系統的潛在影響逐漸顯現，成為新型污染物。另一方面，人工甜味劑作為有前景的示蹤劑，被單獨或輔助傳統指示劑用于監控和識别水污染源。