第一节　碳水化合物——生命的燃料

通常我们吃的主食如馒头、米饭等粮食类食物的主要营养成分即碳水化合物（carbohydrate）。碳水化合物又称糖类，是自然界中最丰富的有机物质，主要存在于植物中，占植物干重的50％～80％，储量丰富。植物叶绿素利用太阳能通过光合作用把大气中CO2和H2O转变成糖。

可以认为：生成的糖类把太阳的光能变成化学能储存在化学键里，成为人类或动物生命活动的“燃料”。人类或动物摄取糖类之后，在体内氧化时释放能量或转变成体内其他物质。

碳水化合物是人体能量的主要来源。1g葡萄糖在体内完全氧化成CO2和H2O，可释放出16.8kJ的能量。通常人体所需能量的50％～65％是由碳水化合物氧化供给的。

糖类物质为什么被称为碳水化合物呢？原因是它由C、H、O三种元素组成，早期发现糖类分子组成中碳和水成一定比例，如葡萄糖（C6H12O6），所以得名碳水化合物。但是后来又发现：不属糖类化合物的物质也有同样的比例，如甲醛（CH2O）、乙酸（C2H4O2），而有些糖又不符合这一比例，如脱氧核糖（C5H10O4），因此用“碳水化合物”定义糖不确切。但由于沿用习惯，“碳水化合物”一词仍在使用，特别在营养学方面，严格说应该称其为“糖类”。

一、糖类物质的分类和性质

根据单糖的聚合度，糖类物质可以分为三类：单糖、寡糖和多糖。单糖是不能继续水解的简单糖。寡糖（低聚糖）是单糖聚合度≤10的复合糖。多糖（高聚糖）是单糖聚合度>10的复合糖。

（一）单糖

在生命和营养过程中比较重要的单糖是戊糖和己糖。戊糖为五碳糖，如在机体生理代谢中起重要作用的核糖。己糖为六碳糖，具有重要意义的己糖有葡萄糖、半乳糖和果糖。半乳糖和果糖（分子式相同，是葡萄糖的异构体）在体内都可以转变成葡萄糖。葡萄糖是机体吸收、利用最直接的单糖。

葡萄糖是生命活动可以直接利用的主要能源。食物中碳水化合物经消化系统水解变成葡萄糖后才能被吸收入血液，血液中的葡萄糖又称为血糖。由血液循环把葡萄糖送到各组织器官进行代谢、产能。有些器官组织完全依赖葡萄糖供能，如大脑、肺组织、红细胞等。

正常人进食后，以淀粉类（谷物）物质为主的食物，经过消化道消化后，分解为葡萄糖供人体利用。正常人的空腹血糖（葡萄糖，glucose，GLU）浓度是恒定的，总是在3.9～6.1mmol/L范围之内，这个范围是正常人的血糖标准，高于或低于这个浓度范围，就可能引起某些疾病，属于不正常情况。当人体由于某种原因不能正常进食时，需静脉滴注葡萄糖，这样可保证机体有足够可以利用的葡萄糖。当然还有其他方式可供人类利用的葡萄糖。

血糖浓度低于3.9mmol/L称为低血糖。症状包括头晕、心悸、出冷汗、饥饿感。血糖浓度低于2.5mmol/L时，可发生低血糖休克，此时，只需给病人输入葡萄糖溶液，病情即可缓解。

空腹血糖浓度高于7.0mmol/L称为高血糖。血糖浓度超过8.8mmol/L（肾糖阈）时，就会出现糖尿。

（二）双糖

1分子双糖可在体内水解（有水参加的分解）成2分子单糖，重要的双糖有三种：蔗糖、麦芽糖和乳糖。

1.蔗糖（葡萄糖+果糖）

蔗糖由1分子葡萄糖加1分子果糖缩合而成，在甘蔗和甜菜中含量丰富。通常食用的白糖、红糖都是蔗糖，可由人体肠道中蔗糖酶水解成2分子单糖后被吸收利用。只有水解成单糖后，才能直接参与人体的化学反应，产生能量。蔗糖虽然是食用糖，但因为是双糖不能用于静脉注射，要经过水解转化（蔗糖水解后产生1分子葡萄糖和1分子果糖，水解生成的混合物称转化糖），方可代替葡萄糖使用。

通常把蔗糖的甜度定作甜度标准（100），其他甜味品与其比较得到糖的相对甜度，如表2-1所列。

2.麦芽糖（葡萄糖+葡萄糖）

麦芽糖由2分子葡萄糖缩合而成。麦芽糖在谷类种子发出的芽中含量较多，尤以麦芽含量最多，因而得名。实际上，麦芽糖由淀粉酶水解淀粉而得。人的唾液淀粉酶可以水解淀粉成麦芽糖，所以，慢慢咀嚼馒头时会觉得有甜味。我们平时吃的饴糖，主要是麦芽糖。

3.乳糖（半乳糖+葡萄糖）

乳糖主要存在于动物的乳汁中，其甜味是蔗糖的1/6。人乳中乳糖含量为7％，牛乳中乳糖含量略低，为5％。

乳糖可以在小肠乳糖酶的作用下水解成葡萄糖和半乳糖，被人体吸收利用。如果体内乳糖酶缺乏，在食入奶或奶制品后，乳糖不能消化而滞留在肠腔内，使肠道内容物渗透压增高、体积增加，肠排空加快，使乳糖很快排到大肠并在大肠吸收水分，引起渗透性腹泻。另外，乳糖受细菌的作用发酵产气，可出现腹胀、肠鸣、腹痛等症状。这是婴幼儿和不习惯饮奶者肠胃功能失调的重要原因，称为乳糖不耐受症。现在有一些牛奶品种（如伊利的“营养舒化奶”和蒙牛的“新养道”），将大部分乳糖水解为葡萄糖和半乳糖，使乳糖含量大大降低。这种牛奶不仅甜度增加，而且更容易消化。

（三）多糖

多糖是由许多单糖分子脱水缩合而成的。多糖是高分子化合物，高分子一般指分子量高达几千到几百万的分子。重要的多糖是葡聚糖，即由葡萄糖脱水缩合而成的多糖。

葡萄糖化学式为C6H12O6，环状结构式见图2-2。葡聚糖分子式为：（C6H10O5）n，n可达到成千上万。葡聚糖主要有三种，分别是淀粉、糖原和纤维素。

1.淀粉（starch）

淀粉是以葡萄糖为单位的聚合物。有两种形式，一种是直链淀粉，另一种是支链淀粉，见图2-3（a）和图2-3（b）。

淀粉是人类食物中最重要的碳水化合物，是构成膳食的基础。谷物、土豆、红薯、豆类（红豆、绿豆、豇豆）和一些蔬菜中含有大量淀粉，淀粉可以水解成小分子多糖，最后水解成葡萄糖，被人体利用（图2-4）。

糊精是淀粉分解的中间产物。发面制品（酵母作用下）使部分淀粉水解成小分子多糖（糊精），改善了面食的味道。淀粉在消化道进行消化分解，最终变为葡萄糖供人体吸收利用。

2.糖原（glycogen）

糖原是人和动物体内葡萄糖的储存形式，主要在肝脏和肌肉中储存，分别叫作肝糖原和肌糖原。糖原被称为动物淀粉，因为其结构类似于支链淀粉。糖原在维持人体血糖平衡方面起着十分重要的作用，体内糖原合成与分解与体内血糖浓度密切相关，血糖对体内糖原合成与分解起着重要的调节作用。当饭后血糖浓度升高时，胰岛素分泌增加，体内糖原合成加速。饥饿时肝糖原迅速分解，补充血糖。因此正常人血糖浓度总保持在恒定水平。

青年学生脑组织活动旺盛，消耗能量很大。而脑中没有糖原储备，需要不断地从血液中摄取葡萄糖来维持能量的需要。所以早晨一定要吃早饭来保证血糖的供应。否则容易发生低血糖，严重时会造成低血糖休克。

国际营养学会推荐，人体每天摄取的糖类化合物不能低于100g。

3.纤维素（cellulose）

纤维素是自然界分布最广泛的多糖，主要存在于植物中，构成植物的细胞壁。自然界纤维素所含碳原子数约占一切有机碳原子的50％以上，因此，干植物可做燃料。纤维素和淀粉糖原一样，也是以葡萄糖为基本单位构成的。不同的是，组成纤维素的葡萄糖在空间构型及其互相结合方式上与组成淀粉和糖原的葡萄糖有所不同（图2-5）。

由于纤维素成键方式与淀粉和糖原不同，所以纤维素较淀粉水解困难，必须在高温高压下才能被酸水解成葡萄糖。

人体中的消化酶不能使纤维素降解成葡萄糖，所以人不能消化纤维素。食物中的纤维素经消化道后变成残渣随粪便排出体外。食草动物的肠道寄生菌可以分泌纤维素酶，因此，食草动物可将草中的纤维素降解成葡萄糖后供机体利用。

因为人体不能消化纤维素，曾有一段时间人们认为纤维素是食物中的粗糙部分而对其产生误解，忽略了纤维素在人体中的作用。近年来被人们瞧不起的纤维素又引起医学界和营养界的重视，原因是人们观察到食物纤维对治疗某些疾病的临床效果以及对肠胃健康的重要作用。

（1）食物纤维可促进结肠功能，预防结肠癌　有一种病叫“结肠综合征”，病人表现出消化不良，腹胀痛、恶心、胃灼热、屁多、大便次数多而解不净（宿便）。曾有医生建议，多吃精细食物减少粗纤维对结肠的刺激，但事与愿违，病者偏偏久治不愈。后来发现，正是这种少渣食品造成胃肠蠕动不利而致病，采用高纤维食品可使病情缓解。

结肠癌是由于某些毒素（如亚硝铵、霉菌毒素、环芳烃等）和刺激物在结肠停留时间过长，造成肠壁的慢性损伤而引起的。而食物纤维可促进肠蠕动，使毒物在肠中停留时间缩短，减少肠壁的吸收机会。另外，纤维成分可使粪便量增大，起到稀释毒物的作用。国际癌症研究机构调查发现，以肉食（纤维少）为主的地区，结肠癌发病率要高于以多纤维食物和奶制品为主的地区。

（2）可防治糖尿病　实验证明，食用粗制品（纤维素）在咀嚼过程中通过中枢神经刺激胰岛素的分泌，起到降血糖的作用。

有实验证明：对于苹果，产生胰岛素的量自上而下依次增加。

（3）降低血浆胆固醇　血液中胆固醇含量过高，会使胆固醇沉积在动脉血管内壁上，引起心脏病和高血压，这种情况就是动脉粥样硬化症（沉积物使血管堵塞）。若沉积在胆囊壁上，会造成胆石症。食物纤维可在消化道吸附胆汁酸，使胆汁酸随大便排出体外，体内胆汁酸减少可促使肝脏由胆固醇合成胆汁酸，故可减少体内胆固醇，预防心血管病和胆石症。

（4）预防肥胖　纤维素体积大、无直接营养，可产生饱腹感。食后发出已经饱了的信号，从而抑制再吃更多食物的欲望。多食富含纤维的食品（水果、蔬菜），防止营养过剩造成肥胖。

（5）治疗便秘，预防痔疮　维素有净化肠道，促进肠蠕动的作用。食物纤维来源，除蔬菜水果外，主要是粮食。粮食加工越粗，食物纤维总量越高。所以在保证营养的前提下，增加食物纤维的摄入量对人体是有利的。食物纤维在人体中有如此重要的调节作用，因此被营养学会列为第七类营养素。

二、糖类的消化、吸收和代谢

营养素的消化吸收是在消化系统中完成的。

消化：指食物由大分子变成小分子的过程，如淀粉变成葡萄糖。

吸收：指经消化的食物分解成小分子后，由肠道吸收入各组织细胞的过程。

碳水化合物的消化过程在口腔内就开始了，通过消化道各种淀粉酶（唾液、胰、小肠）把大分子多糖变成小分子寡糖和双糖，最终变成葡萄糖被小肠吸收入血液，然后送到各组织器官进一步代谢。

葡萄糖在细胞中代谢过程非常复杂，主要是通过合成代谢变成糖原储备；通过分解代谢产生能量。分解代谢主要是有氧氧化和糖酵解过程，有氧氧化即葡萄糖在有氧的情况下彻底氧化成二氧化碳和水，糖酵解指葡萄糖在缺氧的情况下分解成乳酸。

糖酵解过程是机体缺氧时补充能量的一种有效方式。如：当剧烈运动时急需大量能量，此时糖的有氧氧化加快，需要消耗大量氧，机体通过加快呼吸和血液循环供氧，但氧仍然不能满足需要，这时肌肉处于相对缺氧状态，只能加强无氧酵解以供能量急需，所以有肌肉酸痛感（乳酸产生的结果）。剧烈运动后积累在肌肉中的乳酸可由血液循环至肝转变为葡萄糖（乳酸循环）。如果在病理情况下，呼吸和循环机能发生障碍（失血、休克、肺心病、心功能不全等），因为供氧不足糖酵解加强。严重者由于呼吸衰竭组织缺氧，会使糖酵解过度，乳酸堆积而造成代谢性酸中毒，成为致死原因之一。

总之，体内血液葡萄糖浓度保持恒定是维持机体正常生理功能的基本保证。血糖来源和去路的主要平衡方式见图2-6。

三、糖类物质的主要功能

（1）供给能量　体每日膳食中热能供给量的60％～70％来自碳水化合物。每克碳水化合物可氧化产能16.7kJ（4kcal）。碳水化合物所提供的能量几乎为所有的组织所利用，特别对于骨骼肌、心肌和大脑组织更为重要。碳水化合物在供能时有许多优点，比脂肪和蛋白质易消化吸收，且产热快，耗氧少，氧化终产物为水和二氧化碳，生理无毒无害。而且在缺氧条件下仍能进行酵解供给部分能量，这有利于在高强度的运动和某些缺氧的病例状态下产能。

（2）构成细胞的组成成分　糖类存在于一切细胞中，含量占2％～10％。如构成细胞膜的糖蛋白，构成神经组织和细胞膜的糖脂，构成结缔组织（广泛存在于器官组织之间，起联络固定作用，如韧带、软骨、肌腱、眼球膜等）的黏蛋白。此外核糖还可构成基因成分中的核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。

（3）节省蛋白质作用　糖类有利于机体蛋白质的节省。体内糖类物质充足时，可以避免动用蛋白质作为燃料，从而保证蛋白质用于修补机体组织的需要。膳食蛋白以氨基酸的形式被吸收，并在体内合成组织蛋白或其他代谢物，这些过程需要能量。若摄入蛋白质并同时摄入糖类，可增加ATP的形成，有利于氨基酸的活化以及合成机体蛋白质。

（4）抗生酮作用　酮体是人体以脂肪作为燃料时形成的必然产物，对机体有一定的毒性。机体在正常情况时酮体很少，可以被迅速处理掉。在某些特殊情况或病理状态下（饥饿或疾病时）造成体内缺糖，脂肪就会分解代谢产能，同时会产生大量酮体（丙酮、β-羟丁酸和乙酰乙酸），当机体无能力处理时，酮体就会在体内堆积，达到一定浓度就发生酮症酸中毒。

（5）解毒保肝作用　肝糖原储备较充足时，可产生葡萄糖醛酸，此物对某些化学毒物（如四氯化碳、酒精、砷等）以及各种致病微生物感染引起的毒血症有较强的解毒能力。因此，保证糖的供给，就可以保证肝脏中充足的糖原，以保持肝脏正常的解毒功能，使肝脏和其他组织器官免受有害因素的侵害。

（6）对中枢神经系统的作用　体内糖含量充足而且稳定是中枢神经系统正常工作的必要条件。大脑没有糖原储备，所以能量来源主要依赖血液中的葡萄糖。经常性低血糖，可造成大脑的不可逆损害，影响思维能力和神经系统的工作机能。

（7）提供膳食纤维　膳食纤维也是多糖，虽然不能变成可被吸收的葡萄糖，但它可促进胃肠蠕动，并可吸附肠道中胆汁酸使之由粪便排出。胆汁酸是合成胆固醇的原料，所以胆汁酸的排出有利于血清胆固醇浓度下降，减少胆固醇在血管壁的沉积，有利于防止动脉硬化。另外，膳食纤维还可以使糖尿病人血糖含量降低，有利于改善症状。

四、糖类物质的来源及供给量

糖类物质在自然界分布很广，人类所需的糖类物质主要由植物性食品如米面、薯类、蔬菜、水果等供给。单糖与双糖类除部分来自天然食物外，大部分以食糖的形式（如葡萄糖与蔗糖）直接摄取，食糖因为更容易消化吸收所以被称为精制糖。动物性食品中糖的含量很少。

碳水化合物的供给量没有严格规定，一般认为应占食物总热能的50％～65％，也可根据饮食习惯和生活水平，在保证能量平衡的前提下做适当调整。但每天应摄入约250～400g碳水化合物，至少为100g，否则会引起脂肪和组织蛋白分解过多，造成对健康的影响。