第一節　碳水化合物——生命的燃料

通常我們吃的主食如饅頭、米飯等糧食類食物的主要營養成分即碳水化合物（carbohydrate）。碳水化合物又稱糖類，是自然界中最豐富的有機物質，主要存在于植物中，占植物干重的50％～80％，儲量豐富。植物葉綠素利用太陽能通過光合作用把大氣中CO2和H2O轉變成糖。

可以認為：生成的糖類把太陽的光能變成化學能儲存在化學鍵里，成為人類或動物生命活動的“燃料”。人類或動物攝取糖類之后，在體內氧化時釋放能量或轉變成體內其他物質。

碳水化合物是人體能量的主要來源。1g葡萄糖在體內完全氧化成CO2和H2O，可釋放出16.8kJ的能量。通常人體所需能量的50％～65％是由碳水化合物氧化供給的。

糖類物質為什么被稱為碳水化合物呢？原因是它由C、H、O三種元素組成，早期發現糖類分子組成中碳和水成一定比例，如葡萄糖（C6H12O6），所以得名碳水化合物。但是后來又發現：不屬糖類化合物的物質也有同樣的比例，如甲醛（CH2O）、乙酸（C2H4O2），而有些糖又不符合這一比例，如脫氧核糖（C5H10O4），因此用“碳水化合物”定義糖不確切。但由于沿用習慣，“碳水化合物”一詞仍在使用，特別在營養學方面，嚴格說應該稱其為“糖類”。

一、糖類物質的分類和性質

根據單糖的聚合度，糖類物質可以分為三類：單糖、寡糖和多糖。單糖是不能繼續水解的簡單糖。寡糖（低聚糖）是單糖聚合度≤10的復合糖。多糖（高聚糖）是單糖聚合度>10的復合糖。

（一）單糖

在生命和營養過程中比較重要的單糖是戊糖和己糖。戊糖為五碳糖，如在機體生理代謝中起重要作用的核糖。己糖為六碳糖，具有重要意義的己糖有葡萄糖、半乳糖和果糖。半乳糖和果糖（分子式相同，是葡萄糖的異構體）在體內都可以轉變成葡萄糖。葡萄糖是機體吸收、利用最直接的單糖。

葡萄糖是生命活動可以直接利用的主要能源。食物中碳水化合物經消化系統水解變成葡萄糖后才能被吸收入血液，血液中的葡萄糖又稱為血糖。由血液循環把葡萄糖送到各組織器官進行代謝、產能。有些器官組織完全依賴葡萄糖供能，如大腦、肺組織、紅細胞等。

正常人進食后，以淀粉類（谷物）物質為主的食物，經過消化道消化后，分解為葡萄糖供人體利用。正常人的空腹血糖（葡萄糖，glucose，GLU）濃度是恒定的，總是在3.9～6.1mmol/L范圍之內，這個范圍是正常人的血糖標準，高于或低于這個濃度范圍，就可能引起某些疾病，屬于不正常情況。當人體由于某種原因不能正常進食時，需靜脈滴注葡萄糖，這樣可保證機體有足夠可以利用的葡萄糖。當然還有其他方式可供人類利用的葡萄糖。

血糖濃度低于3.9mmol/L稱為低血糖。癥狀包括頭暈、心悸、出冷汗、饑餓感。血糖濃度低于2.5mmol/L時，可發生低血糖休克，此時，只需給病人輸入葡萄糖溶液，病情即可緩解。

空腹血糖濃度高于7.0mmol/L稱為高血糖。血糖濃度超過8.8mmol/L（腎糖閾）時，就會出現糖尿。

（二）雙糖

1分子雙糖可在體內水解（有水參加的分解）成2分子單糖，重要的雙糖有三種：蔗糖、麥芽糖和乳糖。

1.蔗糖（葡萄糖+果糖）

蔗糖由1分子葡萄糖加1分子果糖縮合而成，在甘蔗和甜菜中含量豐富。通常食用的白糖、紅糖都是蔗糖，可由人體腸道中蔗糖酶水解成2分子單糖后被吸收利用。只有水解成單糖后，才能直接參與人體的化學反應，產生能量。蔗糖雖然是食用糖，但因為是雙糖不能用于靜脈注射，要經過水解轉化（蔗糖水解后產生1分子葡萄糖和1分子果糖，水解生成的混合物稱轉化糖），方可代替葡萄糖使用。

通常把蔗糖的甜度定作甜度標準（100），其他甜味品與其比較得到糖的相對甜度，如表2-1所列。

2.麥芽糖（葡萄糖+葡萄糖）

麥芽糖由2分子葡萄糖縮合而成。麥芽糖在谷類種子發出的芽中含量較多，尤以麥芽含量最多，因而得名。實際上，麥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麥芽糖，所以，慢慢咀嚼饅頭時會覺得有甜味。我們平時吃的飴糖，主要是麥芽糖。

3.乳糖（半乳糖+葡萄糖）

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

乳糖可以在小腸乳糖酶的作用下水解成葡萄糖和半乳糖，被人體吸收利用。如果體內乳糖酶缺乏，在食入奶或奶制品后，乳糖不能消化而滯留在腸腔內，使腸道內容物滲透壓增高、體積增加，腸排空加快，使乳糖很快排到大腸并在大腸吸收水分，引起滲透性腹瀉。另外，乳糖受細菌的作用發酵產氣，可出現腹脹、腸鳴、腹痛等癥狀。這是嬰幼兒和不習慣飲奶者腸胃功能失調的重要原因，稱為乳糖不耐受癥。現在有一些牛奶品種（如伊利的“營養舒化奶”和蒙牛的“新養道”），將大部分乳糖水解為葡萄糖和半乳糖，使乳糖含量大大降低。這種牛奶不僅甜度增加，而且更容易消化。

（三）多糖

多糖是由許多單糖分子脫水縮合而成的。多糖是高分子化合物，高分子一般指分子量高達幾千到幾百萬的分子。重要的多糖是葡聚糖，即由葡萄糖脫水縮合而成的多糖。

葡萄糖化學式為C6H12O6，環狀結構式見圖2-2。葡聚糖分子式為：（C6H10O5）n，n可達到成千上萬。葡聚糖主要有三種，分別是淀粉、糖原和纖維素。

1.淀粉（starch）

淀粉是以葡萄糖為單位的聚合物。有兩種形式，一種是直鏈淀粉，另一種是支鏈淀粉，見圖2-3（a）和圖2-3（b）。

淀粉是人類食物中最重要的碳水化合物，是構成膳食的基礎。谷物、土豆、紅薯、豆類（紅豆、綠豆、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，被人體利用（圖2-4）。

糊精是淀粉分解的中間產物。發面制品（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。淀粉在消化道進行消化分解，最終變為葡萄糖供人體吸收利用。

2.糖原（glycogen）

糖原是人和動物體內葡萄糖的儲存形式，主要在肝臟和肌肉中儲存，分別叫作肝糖原和肌糖原。糖原被稱為動物淀粉，因為其結構類似于支鏈淀粉。糖原在維持人體血糖平衡方面起著十分重要的作用，體內糖原合成與分解與體內血糖濃度密切相關，血糖對體內糖原合成與分解起著重要的調節作用。當飯后血糖濃度升高時，胰島素分泌增加，體內糖原合成加速。饑餓時肝糖原迅速分解，補充血糖。因此正常人血糖濃度總保持在恒定水平。

青年學生腦組織活動旺盛，消耗能量很大。而腦中沒有糖原儲備，需要不斷地從血液中攝取葡萄糖來維持能量的需要。所以早晨一定要吃早飯來保證血糖的供應。否則容易發生低血糖，嚴重時會造成低血糖休克。

國際營養學會推薦，人體每天攝取的糖類化合物不能低于100g。

3.纖維素（cellulose）

纖維素是自然界分布最廣泛的多糖，主要存在于植物中，構成植物的細胞壁。自然界纖維素所含碳原子數約占一切有機碳原子的50％以上，因此，干植物可做燃料。纖維素和淀粉糖原一樣，也是以葡萄糖為基本單位構成的。不同的是，組成纖維素的葡萄糖在空間構型及其互相結合方式上與組成淀粉和糖原的葡萄糖有所不同（圖2-5）。

由于纖維素成鍵方式與淀粉和糖原不同，所以纖維素較淀粉水解困難，必須在高溫高壓下才能被酸水解成葡萄糖。

人體中的消化酶不能使纖維素降解成葡萄糖，所以人不能消化纖維素。食物中的纖維素經消化道后變成殘渣隨糞便排出體外。食草動物的腸道寄生菌可以分泌纖維素酶，因此，食草動物可將草中的纖維素降解成葡萄糖后供機體利用。

因為人體不能消化纖維素，曾有一段時間人們認為纖維素是食物中的粗糙部分而對其產生誤解，忽略了纖維素在人體中的作用。近年來被人們瞧不起的纖維素又引起醫學界和營養界的重視，原因是人們觀察到食物纖維對治療某些疾病的臨床效果以及對腸胃健康的重要作用。

（1）食物纖維可促進結腸功能，預防結腸癌　有一種病叫“結腸綜合征”，病人表現出消化不良，腹脹痛、惡心、胃灼熱、屁多、大便次數多而解不凈（宿便）。曾有醫生建議，多吃精細食物減少粗纖維對結腸的刺激，但事與愿違，病者偏偏久治不愈。后來發現，正是這種少渣食品造成胃腸蠕動不利而致病，采用高纖維食品可使病情緩解。

結腸癌是由于某些毒素（如亞硝銨、霉菌毒素、環芳烴等）和刺激物在結腸停留時間過長，造成腸壁的慢性損傷而引起的。而食物纖維可促進腸蠕動，使毒物在腸中停留時間縮短，減少腸壁的吸收機會。另外，纖維成分可使糞便量增大，起到稀釋毒物的作用。國際癌癥研究機構調查發現，以肉食（纖維少）為主的地區，結腸癌發病率要高于以多纖維食物和奶制品為主的地區。

（2）可防治糖尿病　實驗證明，食用粗制品（纖維素）在咀嚼過程中通過中樞神經刺激胰島素的分泌，起到降血糖的作用。

有實驗證明：對于蘋果，產生胰島素的量自上而下依次增加。

（3）降低血漿膽固醇　血液中膽固醇含量過高，會使膽固醇沉積在動脈血管內壁上，引起心臟病和高血壓，這種情況就是動脈粥樣硬化癥（沉積物使血管堵塞）。若沉積在膽囊壁上，會造成膽石癥。食物纖維可在消化道吸附膽汁酸，使膽汁酸隨大便排出體外，體內膽汁酸減少可促使肝臟由膽固醇合成膽汁酸，故可減少體內膽固醇，預防心血管病和膽石癥。

（4）預防肥胖　纖維素體積大、無直接營養，可產生飽腹感。食后發出已經飽了的信號，從而抑制再吃更多食物的欲望。多食富含纖維的食品（水果、蔬菜），防止營養過剩造成肥胖。

（5）治療便秘，預防痔瘡　維素有凈化腸道，促進腸蠕動的作用。食物纖維來源，除蔬菜水果外，主要是糧食。糧食加工越粗，食物纖維總量越高。所以在保證營養的前提下，增加食物纖維的攝入量對人體是有利的。食物纖維在人體中有如此重要的調節作用，因此被營養學會列為第七類營養素。

二、糖類的消化、吸收和代謝

營養素的消化吸收是在消化系統中完成的。

消化：指食物由大分子變成小分子的過程，如淀粉變成葡萄糖。

吸收：指經消化的食物分解成小分子后，由腸道吸收入各組織細胞的過程。

碳水化合物的消化過程在口腔內就開始了，通過消化道各種淀粉酶（唾液、胰、小腸）把大分子多糖變成小分子寡糖和雙糖，最終變成葡萄糖被小腸吸收入血液，然后送到各組織器官進一步代謝。

葡萄糖在細胞中代謝過程非常復雜，主要是通過合成代謝變成糖原儲備；通過分解代謝產生能量。分解代謝主要是有氧氧化和糖酵解過程，有氧氧化即葡萄糖在有氧的情況下徹底氧化成二氧化碳和水，糖酵解指葡萄糖在缺氧的情況下分解成乳酸。

糖酵解過程是機體缺氧時補充能量的一種有效方式。如：當劇烈運動時急需大量能量，此時糖的有氧氧化加快，需要消耗大量氧，機體通過加快呼吸和血液循環供氧，但氧仍然不能滿足需要，這時肌肉處于相對缺氧狀態，只能加強無氧酵解以供能量急需，所以有肌肉酸痛感（乳酸產生的結果）。劇烈運動后積累在肌肉中的乳酸可由血液循環至肝轉變為葡萄糖（乳酸循環）。如果在病理情況下，呼吸和循環機能發生障礙（失血、休克、肺心病、心功能不全等），因為供氧不足糖酵解加強。嚴重者由于呼吸衰竭組織缺氧，會使糖酵解過度，乳酸堆積而造成代謝性酸中毒，成為致死原因之一。

總之，體內血液葡萄糖濃度保持恒定是維持機體正常生理功能的基本保證。血糖來源和去路的主要平衡方式見圖2-6。

三、糖類物質的主要功能

（1）供給能量　體每日膳食中熱能供給量的60％～70％來自碳水化合物。每克碳水化合物可氧化產能16.7kJ（4kcal）。碳水化合物所提供的能量幾乎為所有的組織所利用，特別對于骨骼肌、心肌和大腦組織更為重要。碳水化合物在供能時有許多優點，比脂肪和蛋白質易消化吸收，且產熱快，耗氧少，氧化終產物為水和二氧化碳，生理無毒無害。而且在缺氧條件下仍能進行酵解供給部分能量，這有利于在高強度的運動和某些缺氧的病例狀態下產能。

（2）構成細胞的組成成分　糖類存在于一切細胞中，含量占2％～10％。如構成細胞膜的糖蛋白，構成神經組織和細胞膜的糖脂，構成結締組織（廣泛存在于器官組織之間，起聯絡固定作用，如韌帶、軟骨、肌腱、眼球膜等）的黏蛋白。此外核糖還可構成基因成分中的核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）。

（3）節省蛋白質作用　糖類有利于機體蛋白質的節省。體內糖類物質充足時，可以避免動用蛋白質作為燃料，從而保證蛋白質用于修補機體組織的需要。膳食蛋白以氨基酸的形式被吸收，并在體內合成組織蛋白或其他代謝物，這些過程需要能量。若攝入蛋白質并同時攝入糖類，可增加ATP的形成，有利于氨基酸的活化以及合成機體蛋白質。

（4）抗生酮作用　酮體是人體以脂肪作為燃料時形成的必然產物，對機體有一定的毒性。機體在正常情況時酮體很少，可以被迅速處理掉。在某些特殊情況或病理狀態下（饑餓或疾病時）造成體內缺糖，脂肪就會分解代謝產能，同時會產生大量酮體（丙酮、β-羥丁酸和乙酰乙酸），當機體無能力處理時，酮體就會在體內堆積，達到一定濃度就發生酮癥酸中毒。

（5）解毒保肝作用　肝糖原儲備較充足時，可產生葡萄糖醛酸，此物對某些化學毒物（如四氯化碳、酒精、砷等）以及各種致病微生物感染引起的毒血癥有較強的解毒能力。因此，保證糖的供給，就可以保證肝臟中充足的糖原，以保持肝臟正常的解毒功能，使肝臟和其他組織器官免受有害因素的侵害。

（6）對中樞神經系統的作用　體內糖含量充足而且穩定是中樞神經系統正常工作的必要條件。大腦沒有糖原儲備，所以能量來源主要依賴血液中的葡萄糖。經常性低血糖，可造成大腦的不可逆損害，影響思維能力和神經系統的工作機能。

（7）提供膳食纖維　膳食纖維也是多糖，雖然不能變成可被吸收的葡萄糖，但它可促進胃腸蠕動，并可吸附腸道中膽汁酸使之由糞便排出。膽汁酸是合成膽固醇的原料，所以膽汁酸的排出有利于血清膽固醇濃度下降，減少膽固醇在血管壁的沉積，有利于防止動脈硬化。另外，膳食纖維還可以使糖尿病人血糖含量降低，有利于改善癥狀。

四、糖類物質的來源及供給量

糖類物質在自然界分布很廣，人類所需的糖類物質主要由植物性食品如米面、薯類、蔬菜、水果等供給。單糖與雙糖類除部分來自天然食物外，大部分以食糖的形式（如葡萄糖與蔗糖）直接攝取，食糖因為更容易消化吸收所以被稱為精制糖。動物性食品中糖的含量很少。

碳水化合物的供給量沒有嚴格規定，一般認為應占食物總熱能的50％～65％，也可根據飲食習慣和生活水平，在保證能量平衡的前提下做適當調整。但每天應攝入約250～400g碳水化合物，至少為100g，否則會引起脂肪和組織蛋白分解過多，造成對健康的影響。