营养学-碳水化合物和能量

碳水化合物

Carbohydrate

公共卫生学院营养与食品卫生学系

一、概述碳水化合物又称为糖类，是由碳、氢、氧三种元素组成的一类化合物按化学结构不同可分为单糖、双糖、寡糖和多糖四种碳水化合物是人类获取能量的最经济和最重要的来源，人类膳食中约40%～80%的能量来源于碳水化合物碳水化合物还具有调节血糖和血脂、改善肠道菌群等许多功能单糖双糖寡糖多糖二、碳水化合物的分类单糖（monosaccharide）****由3～7个碳原子构成，按碳原子数目分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖，其中以己糖为主葡萄糖（glucose）一种具有还原性的醛糖，是人类空腹时唯一游离存在的六碳糖，在人血浆中的浓度为5mmol/L葡萄糖是构成食物中各种糖类的最基本单位葡萄糖可分为右旋（D）和左旋（L）两种，人体只能代谢右旋葡萄糖果糖（frucose）是一种酮糖，以游离形式存在于水果和蜂蜜中，果糖在肝脏内代谢可转变成葡萄糖被人体利用人工合成的玉米糖浆中果糖含量很高，可达到90%，是饮料、冷冻食品、糖果蜜饯生产的重要原料半乳糖（galactose）是乳糖的组成成分，很少以单糖的形式存在于食物中，在体内需转化为葡萄糖被利用，母乳中的半乳糖是在体内合成的甘露糖（mannose）六碳糖，是许多多糖和树胶的组成成分单糖（monosaccharide）葡萄糖异构体CHO│H－C－OH│HO－C－H│H－C－OH│H－C－OH│CH2OHD-(＋)-葡萄糖CHO│H－C－OH│HO－C－H│HO－C－H│H－C－OH│CH2OHD-(＋)-半乳糖CHO│HO－C－H│HO－C－H│H－C－OH│H－C－OH│CH2OHD-(＋)-甘露糖己糖衍生物：

山梨醇：葡萄糖氢化而成甘露醇：甘露糖氢化而成卫矛醇：半乳糖氢化而成肌醇：存在于天然食物中，与磷酸结合形成植酸其它单糖（戊糖）及衍生物：

核糖：体内可合成脱氧核糖：体内可合成阿拉伯糖：存在于水果和根、茎类蔬菜中木糖：存在于水果和根、茎类蔬菜中木糖醇、麦芽醇等双糖（disaccharide）****是由两分子单糖缩合而成蔗糖（sucrose）由1分子葡萄糖和1分子果糖结合而成，无还原性，主要存在于甘蔗、甜菜和蜂蜜中，蔗糖的水解溶液称为转化糖（invertsugar）乳糖（lactose）由葡萄糖和半乳糖结合而成，具有还原性，主要存在于奶类及奶制品中，鲜奶中有5%的乳糖，供能比为30～50%麦芽糖（maltose）由两分子葡萄糖结合而成。具有还原性，多来源于淀粉降解寡糖（oligosaccharide）

****是由3～9分子单糖构成的一类小分子多糖，食物中常见的寡糖有棉子糖和水苏糖，均不能被人体消化吸收，在肠道中可被肠道细菌代谢，产生气体和其他产物，造成胀气；还可以被肠道益生菌（如双歧杆菌）利用，促进益生菌的生长，起到保健作用棉子糖（raffinose）：由1分子葡萄糖、1分子半乳糖和1分子果糖结合而成，存在于糖蜜中水苏糖（stachyose）：由1分子葡萄糖、1分子果糖和2分子半乳糖结合而成，主要存在于豆类及豆制品中多糖（polysaccharide）

****是由10分子以上单糖构成的大分子糖，可以分成两种，即可被人体利用的多糖（如糖原、淀粉和糊精）、不能被人体利用的多糖（如膳食纤维）淀粉（starch）由许多葡萄糖聚合而成的植物多糖，主要存在于植物细胞中，尤其是根、茎和种子细胞中（如薯类、豆类和谷类），需加热在水中糊化才能被机体利用淀粉根据结构不同可分成直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）淀粉的分子结构一级结构二级结构直链淀粉和支链淀粉直链淀粉支链淀粉葡萄糖几十至几百几千个结构直链、螺旋状分枝、树冠样水溶性热水溶解难溶于水遇碘显色蓝色棕色食物含量19％～35％65％～81％糯性小大酶促降解慢快升血糖反应慢快淀粉粒1.马铃薯2.豌豆3.小麦4.玉米5.水稻淀粉的糊化和老化糊化(gelatinization)淀粉在有充足水分的情况下受热，在温度上升到某一温度范围以上之后，淀粉大量吸水膨胀，结构解体，淀粉分子逸散，粘度急剧增加糊化后淀粉分子逸出、伸展，有利于消化酶的作用老化或回生糊化之后的淀粉，在温度降低之后，淀粉分子互相靠近，重新形成有序排列，成为与水分离的不溶性状态，食物变干变硬老化回生后，淀粉分子重新紧密排列，部分恢复生淀粉的性质，不利人体消化抗性淀粉

根据α-淀粉酶水解时间：快消化淀粉：20min内水解，RDS慢消化淀粉：20～120min水解，SDS抗性淀粉（resiststarch，RS）健康人小肠内不被消化吸收的淀粉及其水解物的总称120min仍没有水解淀粉快慢消化模式图淀粉的类型和消化吸收类型结构小肠中消化食物形式快消化淀粉分散性淀粉迅速完全吸收新鲜煮熟的食物慢消化淀粉结晶体淀粉缓慢但完全吸收多数为生的谷类或高温糊化干燥淀粉抗性淀粉1生理上不接受的淀粉形式被膳食纤维包裹的淀粉部分消化整的或部分研磨的谷类和豆类抗性淀粉2结构X－射线的B或C图谱没有糊化的淀粉、高直链部分消化未煮的土豆和青香蕉抗性淀粉3变性的支链淀粉分子或回生的直链淀粉部分消化放冷的熟土豆谷类和食物食物中抗性淀粉含量薯类、根茎类>豆类>谷类生>熟回生>糊化粗加工>精细加工油炸、烘烤>蒸煮9.0g/d抗性淀粉的潜在功能糊精（dextrins）是淀粉的次级水解产物，由5个以上的葡萄糖分子构成，甜度低于葡萄糖，且易于被人体吸收利用糖原（glycogen）由一种含有许多（3000～60000）个葡萄糖分子和支链的动物多糖，又称为动物淀粉，主要由肝脏和肌肉合成和贮存，肝糖原可维持正常的血糖水平，肌糖原则可为肌肉提供能量，尤其是在剧烈和持久运动时糖原溶于水，在相应酶的作用下能快速分解为葡萄糖，食物中的糖原含量很少HighbloodglucosePancreasMusclecellLivercellFatcellNormalbloodglucoseLowbloodglucoseNormalbloodglucosePancreasLivercell膳食纤维（dietaryfiber）非淀粉多糖non-starchpolysaccharides是存在于植物体内的不能被人体消化吸收的成分分成可溶性纤维（如果胶、树胶和粘胶）和不可溶性纤维（如纤维素、半纤维素和木质素）可溶性纤维既可以溶于水，又可以吸水膨胀，并能被大肠中的微生物酵解，常存在于植物细胞液和细胞间质中果胶（pectin）：属可溶性纤维，是被甲酯化到一定程度的半乳糖醛酸多聚体，在食品加工中被用作增稠剂（如果冻、冰淇淋中），通常存在于水果和蔬菜中，果胶分解后产生甲醇和果胶酸树胶（gum）和粘胶（mucilage）：属可溶性纤维，由不同单糖及其衍生物组成，常见的有阿拉伯胶、瓜拉胶等，常用作食品稳定剂，也可作为口香糖的胶基不可溶性纤维纤维素（cellulose）：一般称为粗纤维，是植物纤维的主要成分，由葡萄糖聚合而成，存在于所有植物细胞的细胞壁中，不能被淀粉酶分解，也不能被大肠微生物利用半纤维素（hemicellulose）：是谷类纤维的主要成分，与纤维素共同存在，包括戊聚糖、木聚糖、阿拉伯木糖和半乳聚糖、葡萄糖醛酸等木质素（lignin）：是植物木化过程中形成的，由苯丙烷单体聚合而成，不是碳水化合物，不能被人和动物消化吸收，食物中含量很少，主要存在与蔬菜的木质化部分以及种子中（一）体内碳水化合物的营养学意义贮存和提供能量糖原是肌肉和肝脏中碳水化合物的贮存形式，肝糖原占体内糖原的1/3，可为机体尤其是红细胞、脑和神经组织提供能量机体重要构成成分如结缔组织中的粘蛋白、神经组织中的糖脂以及细胞膜表面的糖蛋白三、碳水化合物的功能节约蛋白质作用摄入充足的碳水化合物可以预防体内或膳食中蛋白质进入糖异生旁路抗生酮作用脂肪在体内的彻底分解过程需要葡萄糖的协同作用，如果碳水化合物摄入不足，则可导致脂肪酸不能被彻底氧化而产生酮体，酮体过多可以酮血症，引起酸碱平衡失调调节血糖的作用血糖平衡血糖食物中糖肝糖原非糖物质肠道吸收分解糖异生CO2、H2O、能量、乳酸糖原非糖物质尿糖分解合成转化排出来源去路8.8~10mmol/L降糖激素胰岛素

升糖激素皮质醇、甲状腺素、生长激素肾上腺素、胰高糖素产生减少、作用降低产生过多、作用增强血糖的管理——糖调节激素降低血糖的激素胰岛素加速血中葡萄糖进入细胞内加速糖原合成，抑制糖原分解促进糖的有氧氧化增强肝、脂肪细胞磷酸戊糖途径促进糖在肝及脂肪细胞中转变成脂肪抑制肝肾糖异生升高血糖的激素胰高血糖素加速肝糖原分解促进糖异生促进脂肪分解和酮体生成糖皮质激素抑制葡萄糖氧化促进肌肉蛋白质分解及肝脏糖异生肾上腺素加速糖原分解（二）食物中碳水化合物的功能主要的能量营养素是世界上大部分人类取得能量的最经济、最主要的来源，1g碳水化合物可提供16.7kJ（4.0kcal）能量改变食物的色、香、味、型提供膳食纤维天然食物，如豆类、谷类、新鲜水果和蔬菜等，是膳食纤维的最好来源食用糖、糖浆、糖醇的相对甜度名称相对甜度名称相对甜度蔗糖100玉米糖浆100～150葡萄糖70山梨醇60～70果糖115～170麦芽糖醇90乳糖20木糖醇90麦芽糖40甘露醇70葡萄糖浆30～60乳糖醇35（三）食物中膳食纤维的生理意义增强肠道功能、有利于粪便排出多数纤维素具有促进肠蠕动和吸水膨胀的特性，可使肠道平滑肌保持健康和张力，还可使粪便软化控制体重和减肥膳食纤维不能被人体吸收，但可以减缓食物由胃进入肠道的速度和吸水作用，增加饱腹感，从而减少能量摄入膳食纤维摄入过多，可使膳食产生的能量减少，一般中等摄入水平，可使能量减少5%可降低血糖水平膳食纤维可以减少小肠对糖的吸收可降低血胆固醇水平膳食纤维可以结合胆酸，减少胆酸和中性固醇的肝肠循环；还可以减少体内胰岛素的释放，另外可溶性纤维在大肠内被肠道细菌代谢产生的一些短链脂肪酸（如乙酸、丁酸等）均可以减弱肝脏中内源性胆固醇的合成可调节肠道菌群，促进益生菌的生长具有预防肠癌发生的作用膳食纤维可以肠道内容物的体积和排泄速度，有利于有害物质（包括致癌物）的排出具有阳离子交换作用膳食纤维可以在胃肠道结合K+、Na+、Ca2+、Fe3+

等阳离子，如摄入过量可引起体内阳离子缺乏食物中膳食纤维的生理意义四、碳水化合物的消化、吸收淀粉主要在小肠消化吸收，肠淀粉酶将之水解为糊精、麦芽寡糖和麦芽糖，再经糊精酶分解为葡萄糖蔗糖和乳糖则经蔗糖酶和乳糖酶水解为葡萄糖、果糖和半乳糖有先天性乳糖酶缺乏的人群不能消化吸收乳糖，引起腹泻、腹胀及肠道功能紊乱，称为乳糖不耐受（lactoseintolerance），在儿童乳糖不耐受可能与蛔虫感染有关，某些药物也可以引起乳糖不耐受由于随着年龄的增加，乳糖酶水平逐渐下降，所以乳糖不耐受在人群中普遍，有70%的人患有不同程度的乳糖不耐受食物加工方式对淀粉消化吸收的影响乳糖不耐受乳糖酶缺乏（lactasedeficiency，LD）先天性、原发性、继发性白种人<30％；亚洲人>60％中国3－5岁儿童30％；7－8岁80％汉族成年人75％－95％；游牧者<40％乳糖吸收不良（lactosemalabsorption，LM）乳糖不耐受（lactoseintolerance，LI）牛奶不耐受（milkintolence，MI）种族、年龄、乳糖存在形式、疾病、饮奶习惯和遗传因素水解后的单糖在小肠上部吸收，吸收速度因种类而异，吸收过程为主动转运过程（果糖除外，果糖以被动扩散的形式被吸收，吸收率很低）吸收后的单糖可直接被组织利用，也可以糖原的形式储存于肝脏及肌肉组织，或转化为脂肪储存葡萄糖半乳糖果糖甘露醇木酮糖阿拉伯糖1061104319159五、碳水化合物的参考摄入量能量充足（碳水化合物摄入充足）、蛋白质和脂肪的摄入不足是我国农民处于温饱阶段的基本膳食特征从1982、1992和1995年全国及部分省市调查来看，我国居民的粮食消费量在逐年下降，蔬菜、水果消费量明显增加全国调查资料显示，我国城市居民碳水化合物摄入均值占能量的58.8%，资料表明碳水化合物占总能量的80%以上和40%以下不利于健康1988年中国营养学会建议我国健康人群碳水化合物的供给量以占总能量的60%～70%为宜2000年中国营养学会根据目前我国膳食碳水化合物的实际摄入情况和FAO/WHO的建议推荐量对上述供给量进行了修正，提出碳水化合物的适宜摄入量为提供总能量的55%～65%摄入的碳水化合物应该来自不同的来源，包括复合碳水化合物、膳食纤维、非淀粉多糖、低聚糖等限制纯能量食物如糖的摄入量成年人蔗糖摄入量以25g/d为限提倡摄入营养素/能量密度高的食物，以保障人体能量和营养素的需要同时要考虑改善胃肠道环境和预防龋齿的需要血糖生成指数

血糖指数，glycemicindex，GI1981年加拿大科学家Jenkins等提出反映食物引起人体血糖升高程度的指标，是食物经过消化吸收引起血糖变化的真实反映含有相同数量糖的不同食物，其消化吸收率和血糖应答水平不相同

目前全世界已完成了大约2000余种食物血糖生成指数的研究计算公式含50g碳水化合物食物餐后2小时血糖曲线下总面积*——————————————————————×10050g葡萄糖餐后2小时血糖曲线下总面积*相当于50g碳水化合物（CHO）的食物重量：

100×50/食物CHO含量GI评价低GI的食物GI≤55不易产生饥饿感，因此不容易食用过量或引起血糖大的波动中等GI的食物GI在55～70

高GI的食物GI≥70不适合糖尿病人，也不适合任何糖耐量异常的个体GI的意义高GI食物进入胃肠后消化快，吸收完全，葡萄糖迅速进入血液低GI食物胃肠停留时间长，释放缓慢，葡萄糖进入血液后峰值低，下降速度慢影响GI的因素糖的类型单糖/多糖；葡萄糖/果糖糖的构成直链淀粉/支链淀粉食物的物理性状和烹调加工如淀粉的糊化程度、颗粒大小食物的化学成分和含量膳食纤维、脂肪、蛋白质、酸度等GI应用尽可能多选择中低GI的食物，注意食物加工、总量和血糖的关系利用高血糖生成指数的食物时，要搭配低的GI食物，合理安排膳食控制血糖肥胖、糖尿病、高血压、高脂血症等慢性病的防治常见糖类的GI值食物名称GI食物名称GI葡萄糖100麦芽糖105蔗糖65白糖83.8果糖23蜂蜜73乳糖46巧克力49常见食物的GI值食物名称GI食物名称GI食物名称GI馒头88.1小米71.0西瓜72.0大米83.2熟甘薯76.7菠萝66.0熟土豆66.4闲趣饼干47.1猕猴桃52.0面条81.6南瓜75.0香蕉52.0烙饼79.6胡萝卜71.0柑43.0油条74.9扁豆38.0葡萄43.0荞麦54.0绿豆27.2苹果36.0玉米粉68.0大豆18.0梨36.0面包87.9牛奶27.6鲜桃28.0血糖负荷（glycemicload,GL）GL=(食物中碳水化合物含量×GI)／100高GL：>20中GL：10～20低GL：<10西瓜：GI=72，5.5克CHO/100克100克：GL=(72×5.5)/100=3.96500克：GL=19.8苏打饼干:GI=72，76克CHO/100克100克：GL=(76×72)／

100=5520克：GL=111997年哈佛大学Salmeron等提出六、碳水化合物的食物来源谷类含碳水化合物70%～75%，薯类含碳水化合物20%～25%，根茎类蔬菜、豆类含碳水化合物50%～60%含淀粉较多的坚果，如栗子、菱角等水果、蔬菜中除含少量单糖外，还含有纤维素、果胶类食糖，主要是蔗糖，可以提供双糖和单糖食物中淀粉含量能量

energy一、概述能量是一个系统作功的能力，人体需要不断摄取食物中的能量以维持自身生命活动和体力活动，能量在作功的同时也释放热以维持正常体温人体需要的能量主要来源于食物中的宏量营养素，包括碳水化合物、脂类和蛋白质，乙醇也能提供较高的能量如过人体能量摄入不足，机体将动用自身的能量储备甚至消耗自身组织以满足生命活动能量的需要长期处于饥饿状态（能量不足）则将导致生长发育迟缓、消瘦、活力消失，甚至生命活动停止而死亡长期能量过剩，则在体内主要以脂肪的形式储存，发生异常脂肪堆积，引起肥胖和机体不必要的负担，并成为心血管疾病、部分癌症、糖尿病等的危险因素因此，人体能量的摄入应与需要保持平衡能量的单位和换算

国际通用单位：焦耳（joule,J）、千焦耳（kJ）常用单位：卡（calorie,cal）、千卡（kcal）

1cal=4.184J1kcal=4.184kJ1J=0.239cal1kJ=0.239kcal食物粗卡价食物经过完全燃烧氧化后所放出的热能称为食物的粗卡价。这种完全氧化以后放出来的能量是在机体外用弹式热量计测定出来的

蛋白质、脂肪和碳水化合物在体外完全氧化后生成CO2，H2O和NO21克蛋白质、脂肪和碳水化合物燃烧后放出的热量平均分别为5.65、9.45和4.1千卡（0.024、0.040和0.017MJ）食物生理卡价食物在体内经过氧化后所放出的热能。不包括消化吸收的损失及蛋白质排出体外的产物还能燃烧所产生的能量脂肪和碳水化合物消化吸收率分别约为95％和98％。同时在正常情况下，它们在体内能被完全氧化蛋白质在体内不能完全被氧化，最后还有尿素、肌酸酐、尿酸等含氮物质随尿排出，并在体外还能继续被氧化释放约1.3千卡的热能脂肪生理卡价为9.45

95％=9.0千卡／克碳水化合物生理卡价为4.l

98％=4.0千卡／克蛋白质生理卡价=（5.65-1.3）

92％=4.0千卡二、人体的能量消耗能量消耗之一——基础代谢

（basalmetabolism,BM）是指维持生命的最低能量消耗，即人体在安静和恒温条件下（18～25℃），禁食12小时后，静卧、放松而又清醒时，仅用于维持体温、呼吸和血液循环及其它器官生理需要的能量消耗。基础代谢率（basalmetabolicrate,BMR）是指人体处于基础代谢状态下，每小时每平方米体表面积（或每公斤体重）的能量消耗基础代谢的计算体表面积法

基础代谢=体表面积

基础代谢率*体表面积(m2)=0.00659

身高(cm)+0.0126

体重(kg)-0.1603*基础代谢率可根据年龄、性别查出基础代谢率（kcal/m2）年龄男女20～2538.635.325～30……基础代谢的计算直接公式法男：66+13.7

体重（kg）+5.0

身长（cm）-6.8

年龄（y）女：65.5+9.5

体重（kg）+1.8

身长（cm）-4.7

年龄（y）粗略估计法成年男性按1kcal/kg/h，女性按0.951kcal/kg/h，与体重的乘积基础代谢的影响因素体格体表面积大，基础代谢高肌肉发达，基础代谢水平高生理状况儿童、孕妇高成年后，随年龄增长而下降疾病状态下可以改变基础代谢环境炎热或寒冷、过多摄食、精神紧张禁食、饥饿或少食化学物质尼古丁和咖啡因可刺激基础代谢基础代谢的影响因素能量消耗之二——体力活动是人体能量消耗变化最大，也是人体控制能量消耗、保持能量平衡维持健康最重要的部分肌肉发达者能量消耗大；体重大者能量消耗大；活动时间长、强度大者消耗能量多体力活动一般可按活动的强度分为五级，2000年中国营养学会制订中国居民膳食指南时将其调整为三级调整后的活动水平分级活动水平职业工作时间分配工作内容举例轻75%时间坐或站立办公室工作、修理电器钟表、售货员、酒店服务员、化学实验操作、讲课等25%时间站着活动中40%时间坐或站立学生日常活动、机动车驾驶、电工安装、车床操作、金工切割等60%时间特殊职业活动重25%时间坐或站立非机械化农业劳动、炼钢、舞蹈、体育运动、装卸、采矿等75%时间特殊职业活动能量消耗之三——食物特殊动力学作用（specificdynamicaction,SDA）又称为食物热效应（thermiceffectoffood,TEF）指人体在摄食过程中，对食物进行消化、吸收、代谢转化等过程所消耗的额外的能量，而且这一过程中可引起体温升高和热量散失，这种因摄食而引起的能量的额外消耗称为SDA或TEFTEF与食物成分、进食量和进食频率有关脂肪的TEF为本身产生能量的4%～