碳水化合物

碳水化合物是由碳、氢、氧三种元素组成的有机化合物，因分子式中氢和氧的比例恰好与水相同为2：1而得名。因为一些不属于碳水化合物的分子也有同样的元素组成比例，如甲醛、醋酸等。因此，国际化学名词委员会在1927年曾建议用“糖"（glugide）一词来代替碳水化合物。但由于习惯和接受率，“碳水化合物"一词至今仍被广泛使用。碳水化合物是最早被发现的营养素之一，广泛存在于动植物中，包括构成动物体结构的骨架物质如膳食纤维、果胶、黏多糖和几丁质，以及为能量代谢提供原料的物质如淀粉、糊精、菊糖和糖原等。碳水化合物是人类膳食能量的主要来源，对人类营养有着重要作用。

一句话名解[编辑]

膳食纤维：指存在于食物中的不能被人体消化吸收的多糖类化合物的总称，主要包括纤维素、半纤维素、木质素和果胶等。
节约蛋白质作用：当体内碳水化物供给不足时，机体为了满足自身对葡萄糖的需要，则动用蛋白质通过糖原异生作用产生葡萄糖，长期下去将因蛋白质过度分解而对机体器官造成损害，因此摄入足够的碳水化物能预防过多的体内蛋白质进入糖异生旁路，而有利于发挥蛋白质特有的生理功能，这种作用称为节约蛋白质作用。
抗生酮作用：脂肪酸在体内分解代谢时产生的乙酰基需与碳水化物代谢产生的草酰乙酸结合才能进入三羧酸循环而最终被彻底氧化。当碳水化物不足时，因草酰乙酸不足使得脂肪酸不能被彻底氧化分解而产生过多酮体，当超过了肌肉等外周组织的分解能力时，会发生酮症酸中毒。反之，当碳水化物充足时可防止酮症酸中毒的发生，这种作用称为抗生酮作用。

碳水化合物的分类[编辑]

碳水化合物是一个大家族，如何准确地对碳水化合物进行分类，是一个非常重要的问题。因为无论哪种单一的方法都不能给出一个既可用于基础研究又可用于食物指导的分类，所以目前常采用多种分类方法。

根据化学结构和生理作用分类[编辑]

单糖，包括许多种类，最为常见的葡萄糖、半乳糖和果糖

20世纪90年代末期以来，随着人们对糖尿病等慢性病研究的深人和对膳食治疗的认识，科学界认识到，碳水化合物的所有性质均来源于它的两大特性一一一小肠消化和结肠发酵。小肠消化与血糖和供能有关，发酵与其肠道健康等功能作用有关。据此，一些新术语如膳食纤维、抗性淀粉、益生元、血糖生成指数等应运而生，这些新术语体现了科学界对不同种类碳水化合物的吸收利用差异上的认识。但尽管如此，碳水化合物的分类仍主要根据其化学结构进行，FAO/WHO于1998年根据其化学结构及生理作用将碳水化合物分为糖（1、2个单糖）、寡糖（3~9个单糖）、多糖（≥10个单糖）。

常见的单糖及其种类

名称	类型	详细信息
葡萄糖	6碳糖	是构成食物中各种糖类的基本单位，是一类具有右旋性和还原性的醛糖，是人类空腹时唯一游离存在的六碳糖，在人血浆中的浓度是5mmol/L。
果糖	6碳酮糖	主要存在于水果及蜂蜜中。玉米糖浆含果糖40-90%，是饮料、冷冻食品、糖果蜜饯生产的重要原料。果糖吸收后经肝脏转变成葡萄糖被人体利用，部分可转变为糖原、脂肪或乳酸。
半乳糖		是乳糖的组成成分，半乳糖在人体中先转变成葡萄糖后被利用，母乳中的半乳糖实在体内重新合成的，而不是食物中直接获得的。

糖：糖类包括单糖、双糖和糖醇。
1. 单糖；单糖是不能被水解的最简单的碳水化合物，按照羰在分子中的位置可为多羟醛（醛糖）和多羟酮（酮糖）。依分子中功能碳原子的数目，单糖依次命名为乙糖、丙糖、丁糖、戊糖、己糖及庚糖。分子中碳原子数≥3的单糖因含有不对称碳原子，所以有D-及L-两种构型，天然存在的单糖多为D-型。食物中最常见的单糖是葡萄糖和果糖，它们都含有6个碳原子（己糖）。葡萄糖是一类具有右旋性和还原性的醛糖，因而在工业上常称为右旋糖。在人体禁食情况下，它是体内唯一的游离存在的单糖，在血中的浓度大约是5mmol/L（100mg/dL）。果糖是无色结晶，与葡萄糖分子式相同，但结构不同。果糖几乎总是与葡萄糖同时在于植物中，尤其是菊科植物如洋蓟和菊苣中。果糖也是动物体易于吸收的单糖，如蜂蜜就含有大量的果糖。在糖类中果糖最甜，其甜度是蔗糖的1.25倍。
2. 双糖：蔗糖是最具有商业意义的双糖，主要来源于甘蔗和甜菜。蔗糖由一分子的葡萄糖和一分子的果糖结合而成，无还原性，日常食用白糖即蔗糖，是由甘蔗或甜菜提取而来。乳糖是仅存在于乳品中的碳水化合物，它由葡萄糖β-半乳糖结合，有还原性。麦芽糖是由两个分子的葡萄糖结合构成，无还原性，是淀粉的分解产物，存在于麦芽中。海藻糖由两分子葡萄糖组成，存在于真菌及细菌之中。
3. 糖醇：是单糖还原后的产物，广泛存在于生物界特别是植物中。因为糖醇的代谢不需要胰岛素，常用于糖尿病人膳食。在食品工业上，糖醇也是重要的甜味剂和湿润剂，目前常使用的有甘露糖醇、麦芽糖醇、木糖醇和混合糖醇等。
寡糖：又称低聚糖，是由3个以上10个以下的单糖分子通过糖苷键构成的聚合物，根据糖苷键的不同而有不同的名称。目前已知的几种重要的功能性低聚糖有低聚果糖、异麦芽低聚糖、海藻糖、低聚木糖及大豆低聚糖等，一些低聚糖存在于水果和蔬菜中，多数低聚糖不能或只能部分被吸收，能被结肠益生菌利用，产生短链脂肪酸。
多糖：为带有10个以上单糖分子通过1,4-或1,6-糖苷键相连而成的聚合物。其性质与单糖和低聚糖不同，一般不溶于水，无甜味，不形成结晶，无还原性。在酶或酸的作用下，可水解成单糖残基数不等的片段，最后成为单糖。

几种常见的多糖的结构模式via@SYMC供图

几种主要的多糖

淀粉：存在于谷类、根茎类等植物中，由葡萄糖聚合而成，因聚合方式不同分为直链和支链淀粉。直链淀粉是D-葡萄糖残基以1,4糖苷键连接而成的线性结构，其相对分子质量为3.2×10⁴~1.6×10⁵甚至更大，相当于200、980个葡萄糖残基。天然直链淀粉为卷曲成螺旋形，遇碘产生蓝色反应，且易“老化"，形成难消化的抗性淀粉。支链淀粉是枝杈状结构，相对分子质量在1×10⁵、1×10⁶，相当于600~6000个葡萄糖残基。支链淀粉遇碘产生棕色反应，易使食物糊化，从而提高消化率。食物中直链和支链淀粉的含量不同，其含量变化常取决于淀粉的来源或加工方式。

抗性淀粉（resistant starch，RS）：是膳食纤维的一种，是人类小肠内不能吸收、在肠内被发酵的淀粉及其分解产物。RS可以分为以下二类：

①RS1：这类淀粉的颗粒被食物的一些成分包裹着，影响消化酶直接接触，消化较慢。如全谷粒、部分碾碎的谷粒、种子、豆粒。

②RS2：即生淀粉粒，如马铃薯、青香蕉所含的淀粉。RS2只有糊化后才可被α-淀粉酶消化。

③RS3：是变性淀粉（retrograded starch），是直链和支链淀粉在经过烹煮或糊化处理时变性而成，也不能被α-淀粉酶消化。

膳食纤维：包括纤维素、木质素、抗性低聚糖、果胶、抗性淀粉等，以及其他不可消化的碳水化合物。木质素虽然不是碳水化合物，但因检测时不能排除木质素，故仍将它包括在膳食纤维之中。纤维素是植物细胞壁的主要成分，它是由数千个葡萄糖通过β-D（1,4）葡苷键连接起的直链淀粉，纤维素在人胃肠中不被消化酶所水解。半纤维素，是由五碳糖和六碳糖连接而成的支链淀粉即多聚糖。在谷类中可溶性的半纤维素称为“戊聚糖。可溶性和不可溶性半纤维素在食品中均有重要作用，如可增大食物体积。在酸性溶液中，有些半纤维素能结合阳离子。果胶是存在于水果中的一种多糖，它含有许多甲基化羧基的果胶酸。树胶和胶浆存在于海藻、植物渗出液和种子中，具有凝胶性、稳定性和乳化性能，因此常被用于食品加工，使食品增稠、黏性增加。

不溶性纤维
1. 纤维素存在于所有植物中，以小麦为代表。
2. 半纤维素存在于小麦、黑麦、大米、蔬菜中。
3. 木质素存在于所有植物中。
可溶性纤维
1. 果胶、树胶和粘胶存在于柑橘类和燕麦类制品中。
2. 某些半纤维素存在于豆类中。

其他分类方式[编辑]

除上述分类外，随着人们对碳水化合物的认识加深，近年来又出现了以下新术语。

可消化和不可消化的碳水化合物按照人类对碳水化合物的消化性，碳水化合物可分为可消化的（digestible）、不可消化的（indigestible）。这个概念是从以前可利用（available carbohydrates）和不可利用碳水化合物（unavailable carbohydrates）演变而来。在1929年，首次由德国科学家McCance和Lawrence发现食物中的碳水化合物并不都是被机体“利用和代谢”，因此首次提出“可利用和不可利用碳水化合物”的概念并被科学界广泛接受。基于此，可利用的碳水化合物主要包括“淀粉和可溶性的糖类”，不可利用碳水化合物主要指“半纤维素和纤维素”。“可利用和不可利用”碳水化合物的分类，是人类对碳水化合物生理学性质认识的一个重要台阶，在碳水化合物分类史上有着重要贡献。但是，随着科学对慢性病研究发展，人们对碳水化合物“消化”“利用”认识的不断进步。现在认识到，碳水化合物并不都是只通过糖吸收利用的方式来提供能量，不消化部分经过结肠细菌发酵，产生短链脂肪酸（醋酸、丁酸等），或者产生益生菌，然后机体再吸收并提供其他生理功能。因此，1998年FAO和WHO的专家委员会已建议不再使用“可利用和不可利用"这个分类概念。常见的不消化的碳水化合物如部分糖醇、低聚糖、膳食纤维等。

益生元：抗性淀粉、抗性糊精、低聚木糖、低聚果糖等作为不消化的碳水化合物已经得到广泛应用。一些成分可以有益于益生菌生长，由此派生出“益生元”的概念。益生元是指不被人体消化系统消化和吸收，能够选择性地促进宿主肠道内原有的一种或几种有益细菌（益生菌）生长繁殖的物质，通过有益菌的繁殖增多，抑制有害细菌生长，从而达到调整肠道菌群，促进机体健康的目的。这类物质最代表性有乳果糖（lactulose）、异麦芽低聚糖（maltoo—oligossacharides）等。

食物血糖生成指数（glycemic index，GI）简称生糖指数，含50g碳水化合物的食物血糖应答曲线下面积与同一个体摄入含50g碳水化合物的标准食物（葡萄糖或面包）血糖应答曲线下面积之比。

血糖生成指数，蓝色曲线为低升糖指数的血糖应答曲线（豆子），红色为标准食物的血糖应答曲线，二者面积之比即为血糖生成指数（升糖指数，GI）

GI=某食物在食后2小时血糖曲线下面积/相等含量葡萄糖在食后2小时血糖曲线下面积×100，以百分比表示。

不同食物的升糖指数

它是Jenkins在1981年提出，可以衡量某种食物或某种膳食组成对血糖浓度影响。GI高的食物或膳食，进人胃肠后消化快、吸收完全，葡萄糖迅速进人血液；反之则在胃肠内停留时间长，释放缓慢，葡萄糖进人血液后峰值低，下降速度慢。GI反映食物被利用的程度，给出了一个新的评价富含碳水化合物食物的方法。一般Gl>75为高生糖指数，75~55为中生糖指数，<55为低生糖指数食物。食物生糖指数可作为糖尿病患者选择多糖类食物的参考依据，也可广泛用于高血压病人和肥胖者的膳食管理、居民营养教育等。