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营养学之碳水化合物

2012-03-13  食疗营养师
碳水化合物俗称糖类,是由碳、氢、氧三种元素组成的一大类有机化合物。碳水化合物是人类热能的主要来源形式。自然界的碳水化合物主要来自植物的光合作用。

一、概述

(一)糖的分类


碳水化合物依结构主要有单糖、双糖、多糖及糖醇、寡糖等种类。在日常生活中人类接触较多的是前三类。
1.单糖
单糖是最简单的糖,一般情况下人体消化酶是不会再将其分解为更小分子的糖。其中,重要的单糖有葡萄糖、果糖和半乳糖。
葡萄糖(又名D-葡萄糖、右旋糖)是人体生理功能上最重要的糖,又是构成食物中各种糖类的基本单位。人体中血糖即为葡萄糖。葡萄糖在蜂蜜和水果中含量丰富,甜度为100。
果糖(又名D-果糖、左旋糖)是天然糖类中最甜的糖,甜度为110。果糖通常与蔗糖共存于
水果及蜂蜜中,在苹果与番茄中含量亦较丰富。
半乳糖(又名D-半乳糖、脑糖)是由乳糖、蜜二糖、棉子糖、水苏糖等分解生成。自然界没有单一形式的半乳糖存在。

2.双糖
双糖是一种水解后可产生两个分子单糖的糖。其既可由两个相同的,又可由两个不相同的单糖分子结合而成。其中,重要的双糖有蔗糖、麦芽糖及乳糖等。
蔗糖广泛存在于甘蔗、甜菜及有甜味的植物果实、叶、花、根茎之中,由一分子葡萄糖和一分子果糖结合而成,是砂糖(红、白)中的主要成分,也是日常生活中常用的甜味剂。
麦芽糖由二分子葡萄糖结合而成,大量存在于发芽的谷粒,特别是麦芽中。淀粉和糖原水解后也可产生少量的麦芽糖。一般亦为食物加工中常用的甜味剂。
乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖结合而成,是唯一来自动物的糖类,故只存在于哺乳动物的乳汁及乳制品中,其浓度多为5%。乳糖不易溶解,且不太甜,但对婴儿营养特别重要。成人的小肠液中若缺乏乳糖酶或因年龄增加而致乳糖酶的活性下降,会导致乳糖不耐症,造成腹胀、腹痛、腹泻等不适症状。

3.多糖

多糖是由≥10个单糖分子聚合而成的大分子化合物。其特性与单糖、双糖及低聚糖等有很大的差异。多糖类一般不溶于水,无甜味,不能形成结晶,无还原性。其中,最具代表性的有淀粉、糖原及膳食纤维等。通常,多糖可分为淀粉和非淀粉多糖二大类。
⑴淀粉类:包括植物淀粉和糖原。淀粉大量存在于植物种籽、根茎及部分干果中,是植物体贮存能量的形式。淀粉水解后中间产物为糊精,然后变为麦芽糖,最终产物为葡萄糖。糊精是淀粉的部分水解物,分子大小约为淀粉的1/5,它的甜度低于葡萄糖。其中,因聚合方式不同又分为和支链淀粉兩种。
①直链淀粉(糖淀粉):由几十至几百个葡萄糖分子残基相连成一直链。在天然食品中的含量为19%~35%,且有粘性小、甜度低、易消化等特点;
②支链淀粉(胶淀粉):一般由几千个葡萄糖分子残基组成。其空间形式呈树冠状,有许多分枝,结构较直链淀粉复杂。在植物淀粉中的含量较高,一般为65%~81%,并具有粘性大、甜度大、不易消化等特点。在谷物类中糯米的支链淀粉含量高达98 % ~100 %;粳米中直链淀粉的含量约为16%~24 % ,平均21%;籼米中所含的直链淀粉约为16%~32%,平均26 %。
糖原(多聚D-葡萄糖)又称为动物淀粉,是人和动物体内糖类的贮存形式。糖原的结构与支链淀粉相似,但分子更大。糖原广泛分布于动物体内的所有组织,但肝脏和肌肉中的含量较高。其在相应酶的作用下可被分解为葡萄糖,故人体可以利用肝糖原快速分解以平衡血糖浓度。同时,肝脏又可将多余的血糖转变成肝糖原贮存,以降低血糖,故肝糖原转化成葡萄糖可作为人体任何组织细胞的能源。
肌肉中的糖原不能用于调节血糖浓度,只能在肌肉细胞需要能量时快速转化成葡萄糖以供能,尤其能满足在高强度和持久运动时肌肉的能量需要。
⑵非淀粉多糖类:包括纤维素、半纤维素、果胶等,常被统称为膳食纤维。膳食纤维是一大类人体不能消化、吸收的多糖。(另有专节介绍)
此外,碳水化合物中还有糖醇和寡糖两类。其中,糖醇是单糖的衍生物,如山梨醇、甘露醇、木糖醇、麦芽糖醇等。通常在临床医学领域应用较多;寡糖(低聚糖)是指由≥3和<10个糖单位组成的糖。其中,低聚果糖被认为是一种水溶性膳食纤维;大豆低聚糖则能部分代替蔗糖作为基料应用于功能饮料和食品的制备和加工。

(二)碳水化合物的消化、吸收与代谢

膳食中的主要碳水化合物是淀粉和食糖。碳水化合物的消化自口腔开始,经胃至小肠。其主要消化过程在小肠内进行,被分解为单糖后通过小肠粘膜吸收。被机体吸收后的糖有三个基本去向:一是进入血液被直接利用,二是以糖原的方式储存,三是转变为脂肪。
当碳水化合物摄入过多,超过机体需要时即转变为脂肪,并储存于脂肪组织中。机体的能量来源可同时从脂肪酸和葡萄糖获得。肝脏在碳水化合物代谢中起着关键作用,肝细胞既能将葡萄糖合成糖原,又能将糖原分解为葡萄糖供能。
血液中的葡萄糖又称为血糖,是糖在体内的转运形式。早晨空腹时,正常人血糖水平一般为4.5(90mg/100ml)。若碳水化合物代谢失常,可通过血糖浓度的改变反映出来,如高血糖、低血糖等。高血糖是指空腹血糖浓度高于>6.5 mmol/L(130mg/100ml),其原因可能是生理性的,也可能是病理性的。糖尿病即为病理性碳水化合物代谢异常。
低血糖是指血糖浓度低于<3.5 mmol/L(70mg/100ml),通常只在一些特殊生理或病理情况下出现。脑组织对低血糖的反应很敏感,当血糖浓度下降时,脑组织可因能量短缺而发生功能障碍,出现头晕、心悸、出冷汗及饥饿感;当血糖浓度低于2.3 mmol/L(45mg/100ml)时,即可出现“低血糖昏迷”。


二、生理功能

1.供给和储存能量
碳水化合物来源广泛,价格低廉,易贮存,在体内消化吸收和利用非常快速并且完全,即使在缺氧的条件下仍能进行酵解供能,是人类能量的最主要来源。每克葡萄糖可产生4kcal(16.7KJ)的能量。通常,人体的能量来源中的55﹪/65﹪为碳水化合物提供。同时,碳水化合物可转化成糖原贮存于肝脏、肌肉等组织中,在需要时又可分解为葡萄糖供能。
但与蛋白质及脂肪相比,碳水化合物在人体内的储备量较少,仅占人体干重的2%左右,一般能维持数小时的需要。而人体每日所消耗碳水化合物的量比体内储备量要大得多,因此必须经常性保证供给。这即是碳水化合物的营养学特点。若碳水化合物供给不足,基于能量供应第一优先的原则,人体会动员机体组织中的脂肪和蛋白质供能,从而导致脂肪和蛋白质的消耗。
此外,葡萄糖供能对维持神经组织功能有特殊的生理意义。尤其是脑中枢神经系统只能靠葡萄糖供能,故其是脑细胞唯一可利用的能量形式。对胎儿和婴儿来说,缺乏碳水化合物摄入不仅会影响脑细胞的代谢,甚至能导致脑细胞的发育障碍。


2.是机体组织及重要生命物质的构成原料
如细胞膜中的糖蛋白、结缔组织中的粘蛋白、神经组织中的糖脂等的构成都有碳水化合物的参与;再如核糖和脱氧核糖等遗传物质合成也必须有碳水化合物的参与;某些激素、抗体的生成也与之相关。在人体的组织细胞中碳水化合物的含量约为2%~10%。


3.调节血糖、节约蛋白质
被机体吸收的单糖进入血液,血糖升高,经组织利用或以糖原形式储存于肝脏及肌肉组织,可恢复到正常水平;当饥饿时血糖降低,糖原分解为葡萄糖,调节血糖使之稳定在正常范围。
当碳水化合物摄入不足,供给的能量不能满足机体需要时,膳食中的蛋白质有一部分将会被用来分解供能,而不能发挥其更主要的生理功能,造成蛋白质的浪费。故摄入充足的碳水化合物可以节约蛋白质,避免其无效消耗,使蛋白质在体内的贮存量增加。这即是碳水化合物对蛋白质的节约作用。


4.抗生酮作用
脂肪在体内氧化时需要碳水化合物的参与。如脂肪在体内代谢所产生的乙酰基必须与草酰乙酸结合才能进入三羧酸循环被彻底氧化。而草酰乙酸是葡萄糖在体内氧化的中间产物。当碳水化合物摄入不足,草酰乙酸减少,脂肪则不能完全被氧化而会产生过量酮体。酮体过量堆积可致人体内酸碱平衡失调,甚至可能危及生命。故足量的碳水化合物摄入,能有效防止脂肪不完全氧化的情况发生,从而避免产生过量的酮体。营养学将这一作用称为抗生酮作用。


5.协助胃肠系统
乳糖可促进肠中有益菌的生长,进而合成维生素B群及加强钙的吸收。有些多聚糖尽管不能被人体所吸收利用,但可被人体内肠道细菌所利用,并有利于维持人体肠道内环境的平衡,促进肠道蠕动,维护消化管的正常功能及大便通畅等。


6.解毒作用
碳水化合物经代谢生成的葡萄糖醛酸是人体内的重要结合性解毒物质。其可在肝细胞中与诸如细菌毒素、乙醇、重金属离子等结合,可使之毒性减弱,甚至消失,从而达到解毒的目的。


三、来源与供给量

1.来源
碳水化合物广泛存在于各类食物中,且以植物类食物中的含量尤为丰富。人类所需的碳水化合物主要由谷物类和薯类供给。一般谷物类食物中的含量为60%~80%、薯类中的含量为15%~29%、豆类中约含40%~60%,其他如根茎类蔬菜、坚果(如栗子、莲子、菱角等)亦含淀粉较多。
此外,蔗糖(食糖)、蜂蜜、水果、糕点、乳制品等亦都是人类所需碳水化合物的重要来源。

2.供给量

碳水化合物的供给量取决于机体对能量的需要。1998年中国营养学会曾推荐我国居民中健康人群的碳水化合物膳食供给量应占总能量供给的60%~70%。但目前有许多营养学家认为,若要长期维持人体健康,碳水化合物摄入量以占总能量供给的55%~65%为宜,即我国
健康成年人每日平均需要摄入的碳水化合物大约在300~400克左右。
由于纯能量食物,如蔗糖等精制糖摄取后会被迅速吸收,若摄入量较大使人体一时难以尽快将其完全氧化,并分解利用,尤易于转化成脂肪储存,以致发生肥胖,儿童则易造成龋齿等。故认为精制糖摄入量应加以控制,一般健康成年人以25g/d为宜。并提倡在日常生活中应以复合性碳水化合物淀粉、非淀粉多糖、低聚糖等为主。

 

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