第一节　碳水化合物

碳水化合物也称糖类，是自然界分布最广、含量最丰富的一类有机化合物，也是人和动物体的重要能源。

一、碳水化合物的分类

碳水化合物是C、H、O三种元素组成一类多羟基醛或多羟基酮化合物。根据其单元结构不同，碳水化合物可分为单糖、低聚糖和多糖3类。

（一）单糖

单糖是糖类的最小组成单位，不能进一步水解。从分子结构上看（图3-1），单糖是含有一个自由醛基或酮基的多羟基醛或多羟基酮类化合物。根据分子中羰基的存在形式，单糖可分为含有醛基的醛糖和含有酮基的酮糖；根据分子中碳原子的数目，单糖可分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖等。自然界存在的单糖主要是戊糖和己糖。戊糖中最重要的是核糖，己糖中最重要的是葡萄糖和果糖。

（二）低聚糖

低聚糖也称寡糖，一般可看作是由2～10个单糖失水而形成的缩合产物。其中二糖最重要，如蔗糖、麦芽糖、乳糖等（图3-2）。蔗糖（C12H22O11）是自然界中分布最广、最重要的二糖，由α-D-（+）-吡喃葡萄糖与β-D-（-）-吡喃葡萄糖以1，2-苷键连接而成。

（三）多糖

多糖是由许多单糖分子通过糖苷键结合而成的天然高分子化合物。与单糖相比，多糖没有还原性和变旋光现象，且多糖没有甜味，大多数难溶于水。淀粉和纤维素是最常见的多糖。淀粉由若干个葡萄糖单体以α-1，4或α-1，6糖苷键聚合而成，广泛存在于植物的种子和块茎中，是多种植物的碳水化合物的储藏物。纤维素是构成植物细胞壁及支柱的主要成分，由若干个葡萄糖单体以β-1，4糖苷键聚合而成。

二、碳水化合物的性质

（一）小分子糖的一般性质

小分子糖主要是指单糖和低聚糖，并以单糖和双糖为主。葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、半乳糖等都具有甜味，可作为甜味剂使用。小分子糖易溶于水并形成糖浆，浓度在70%以上的糖浆能够抑制酵母、霉菌等微生物的生长，可作为蜜饯类食品的保存剂。在食品加热或长期贮存过程中，还原糖能够和氨基化合物（蛋白质、氨基酸）的氨基进行美拉德（Maillard）反应，导致食品发生褐变。

（二）淀粉的一般性质

淀粉是植物体中储存的养分，富含淀粉的食物是人体重要的能量来源。淀粉无甜味，没有还原性，一般不易溶于冷水。淀粉颗粒会在热水中膨胀破裂，形成具有一定黏度的胶状淀粉糊，这种现象称为糊化。近年来，人们采用物理、化学以及生物化学的方法改变淀粉的结构、物理性质和化学性质，从而得到具有特定性能和用途的变性淀粉，大大扩展了淀粉作为食品成分的应用范围。

（三）纤维素和半纤维素的一般性质

纤维素和半纤维素是植物组织中的结构性多糖，是组成植物细胞壁的主要成分。纤维素和半纤维素很难被人体所消化吸收，不溶于水和一般的有机溶剂。虽然纤维素、半纤维素等膳食纤维既不能提供能量又不能提供营养素，但膳食纤维却是健康膳食重要的组成成分。某些植物膳食纤维能够通过控制糖尿病患者血糖浓度升高、降低血液胆固醇浓度等多种方式维护人体的健康。

（四）植物胶的一般性质

植物胶指由植物渗出液、种子、果皮或茎、根等制取获得的食品胶，通常是由甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖、木糖等单糖和其相应的糖醛酸按一定比例结合而组成的水溶性高分子多糖类物质。常见的植物胶有果胶、阿拉伯胶、瓜尔胶、黄原胶、琼脂、卡拉胶等。果胶是一类天然高分子化合物，它主要存在于高等植物中，是植物细胞间质的重要成分。

三、碳水化合物的生理功能

（一）构成细胞和组织

碳水化合物是机体物质的主要组成成分，普遍存在于动物体的各种组织中。人体内的糖蛋白、核糖、糖脂等都由糖参与组成；由糖类和蛋白质结合而成的糖蛋白是抗原、抗体、酶、激素、细胞膜等的重要组成成分；脱氧核糖和核糖分别参与DNA和RNA的构成。

（二）储存和供给能量

糖类在机体内的主要作用是氧化供能，是人体主要的供能物质。1g碳水化合物可提供热能16.74kJ，在总能量中所占比例大。碳水化合物来源广泛，在体内消化、吸收、利用较其他热源物质迅速而及时，氧化的最终产物为二氧化碳和水，对机体无害，即使在缺氧的情况下，仍能通过酵解作用提供身体最必需的能量。此外，糖原是肌肉和肝脏碳水化合物的储存形式，肝脏储存机体内1/3的糖原。一旦机体需要，肝脏中的糖原即分解为葡萄糖供能。

（三）维持神经系统功能

葡萄糖是神经系统唯一的能量来源，神经系统的正常功能需要一定浓度的血糖作为保证。脑对低血糖反应十分敏感，当血糖浓度下降时，脑组织可因缺乏能量而使脑细胞功能受损，造成功能障碍，并出现头晕、心悸、反应迟钝、注意力不集中、低血糖性休克等状况。

（四）抗生酮作用

脂肪在体内分解代谢，需要碳水化合物的协同作用。当碳水化合物摄入不足或不能被充分利用时，机体所需能量主要由脂肪供给，但由于供给脂肪在体内氧化不彻底而产生过多酮体（乙酰乙酸、β-羟丁酸等），造成酮体在机体内过多蓄积会造成酸中毒，导致一系列代谢功能紊乱，如酮血症和酮尿症。

（五）节约蛋白质的作用

碳水化合物是机体最直接、最经济的能量来源，碳水化合物摄入充足时，可减少蛋白质作为机体能量来源的消耗，使更多的蛋白质参与组织构成等更重要的生理功能，起到了节约蛋白质的作用。此外，膳食中碳水化合物的充分补给，体内有足够的ATP产生，也有利于氨基酸的主动转运。

（六）解毒作用

肝脏内的糖原在机体对毒物的抵抗力和对某些化学物质的解毒作用中有着重要的意义。经糖醛酸途径生成的葡萄糖醛酸，是体内一种重要的结合解毒剂，在肝脏中能与细菌毒素、四氯化碳等有害物质结合，能够消除或减轻这些物质的毒性或生物活性，从而起到解毒作用。

（七）增强肠道功能

纤维素、抗性淀粉、果胶、功能性低聚糖等虽然不能在小肠消化吸收，但能够刺激肠道蠕动，增加结肠发酵率，并增强肠道的排泄功能。此外，低聚果糖、菊粉、非淀粉多糖等在结肠发酵时，能够选择性地刺激肠道细菌生长，特别是某些益生菌的繁殖，如乳酸杆菌、双歧杆菌。因此，也将这些不被消化的碳水化合物称为“益生元”。