化学与膳食营养

-1-化学与膳食营养作者：王旭旸空间科学与物理学院应用物理专业[e-mail]摘要：生活中的衣、食、住、行，油，肥皂、牙膏、洗发香波，精细化工、润滑化工、珠光宝气、火树银花、药品毒品都与化学息息相关。膳食营养作为生活的很重要的一部分，化学对其有很大的影响。营养学是以人体新陈代谢为基础的生物化学分支。根据现代营养学的研究，人体所需的各种营养素可分为6大类，即蛋白质、脂肪、碳水化合物、无机盐、维生素和水。通过研究营养成分的化学结构可以使人们更好的平衡膳食营养，促进身体健康。关键词：营养素、生理功能、膳食平衡一、六大营养素1、蛋白质蛋白质是组成生命体的基本物质，一切生命活动都是由蛋白质分子的活动来体现的，因此可以说蛋白质是生命的载体。蛋白质均以20种氨基酸为结构单元。生命体中蛋白质种类很多，他们的区别在于作为结构单元的氨基酸的种类数量和排列顺序等的差异。食物中的蛋白质主要来源在于乳类、蛋类、肉类、豆类、硬果类，谷类次之。食物中的蛋白质所含的氨基酸越接近于人体的蛋白质中的氨基酸，它的营养价值就越高，称为“生理价值”越高。一般来讲动物蛋白比植物蛋白生理价值高，以鸡蛋最高，牛奶次之。在植物蛋白中大米、白菜的较高。但是在考虑食物蛋白的营养价值时，还要考虑蛋白质的消化利用情况。两种以上的蛋白质综合食用，其生理价值会升高，称为蛋白质的互补作用。例如，玉米蛋白的生理价值60，小米及大豆分别为57和64，若三者综合食用（23：25：52比例）其生理价值可达73。【1】2、脂肪脂肪是由一分子甘油和三分子脂肪酸（RCOOH）形成的甘油三酯。R是含有偶数个碳原子的长碳氢链。三个脂肪酸可以使都相同（R1=R2=R3=R），也可以是三个都不同。不同的脂肪具有不同的性质和营养功能，是因为他们含有不同的脂肪酸。通常“脂肪”是指室温下为固体的甘油三酯，“油”是指室温下为液体的甘油三酯。CH2COOR1-CHCOOR2-CH2COOR31)饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸（1）饱和脂肪酸。碳链无双键，碳的个数为12、14、16、18的脂肪酸（16碳脂肪酸为棕榈酸，18碳脂肪酸为硬脂酸）。他们多存在于动物脂肪中，个别植物油如椰子油也富含饱和脂肪酸。（2）单不饱和脂肪酸。碳链中只有一个双键的脂肪酸，主要是油酸。橄榄油、花生油都含有较多油酸。-2-（3）多不饱和脂肪酸。碳链中有两个或两个以上双键的脂肪酸，如亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等。豆油、玉米油、鸡油中亚麻酸含量较高。2）脂肪的生理功能几乎一切天然食物中都含有脂类化合物，甘油三酯是人体中含量最多的脂类。大部分组织均可以利用甘油三酯的分解产物提供能量，同时肝脏、脂肪等组织还可以进行甘油三酯的合成，在脂肪组织中储存。它们由生物体产生又被生物体利用。脂类的生理作用是：（1）氧化供能。每克脂肪通过下述反应大约可提供热量38KJ,比蛋白质和碳水化合物大得多：C17H35COOH(s)+26O2(g)=18CO2+18H2O(l)+能量人体就是通过脂肪这种形式来储存能量的。当人体耗能多时，脂肪就提供热能以做补充。（2）促进脂溶性维生素的吸收。维生素A、维生素D、维生素E和胡萝卜素可溶于脂肪而被吸收。因此食物中缺乏脂肪也会导致维生素缺乏。（3）调节生理功能。脂肪是构成人体细胞的重要成分，而必须脂肪酸具有调节生理功能的作用，如促进发育、降低胆固醇、防止血栓生成、参与前列腺素和精子的合成。必须脂肪酸对人类尤其是儿童是不可缺少的。一旦缺乏会出现皮肤类疾病、儿童生长速度缓慢、脂溶性维生素缺乏等症状。3）高脂血症甘油三酯是血脂检查中比较重要的一项指标、“血脂”是指血浆或血清中所含的脂类，包括胆固醇（CH）、甘油三酯（TG）、磷脂（PL）和游离脂肪酸（FFA）等。其中最重要的是胆固醇和甘油三酯。无论是胆固醇含量增高含量增高，还是甘油三酯的含量增高，或者两者皆增高，统称为高脂血症。甘油三酯与蛋白质结合成脂蛋白，在在血液中循环运转。低密度脂蛋白和胆固醇结合而成的低密度脂蛋白胆固醇，是导致动脉硬化的重要因素，常被称为”坏”胆固醇。高密度脂蛋白和胆固醇结合形成高密度脂蛋白胆固醇，它如同血管内的清道夫，将胆固醇从组织转移到肝脏中去，具有防治动脉粥样硬化的作用，也称为“好”胆固醇。【2】3、碳水化合物碳水化合物的化学通式为Cm(H2O)n，其中碳、氢、氧原子个数比恰好可以写成碳和水组成的复合物，所以称为碳水化合物。实际上，碳水化合物是一种包括多羟基的醛、多羟基的醛和能分解成多羟基醛和酮的大分子化合物。它们的主要生物学功能是通过氧化反应来提供能量，以满足生命活动的能量需要。糖是一种富含能量（每克约17kJ）、易被大多数组织快速利用的燃料。葡萄糖与氧气反应生成二氧化碳和水及能量。C6H1206(s)+6O2(g)=6CO2+6H2O(l)+能量根据分子的大小，糖类可以分为单糖、二糖和多糖。单糖在水解时不能再分成更小单位的碳水化合物，而多糖在水解时可产生十个或更多的单糖。葡萄糖及半乳糖含有一个醛基（—C=O）、六个碳原子，称为醛糖。果糖含有一个酮基-3-（—C=O）、六个碳原子，称己酮糖。它们不仅有直链状结构，还可以通过羰基与分子内的羟基结合成环状结构，形成两种形式的葡萄糖：α葡萄糖和β葡萄糖。而环状结构的差异，常常是产生特性的根本原因。二糖水解成两分子单糖。常见的二糖有蔗糖、乳糖、麦芽二糖和纤维二糖。甘蔗和甜菜中含有蔗糖。牛奶中的糖分主要是乳糖，它的结构是由一分子的葡萄糖和一分子半乳糖β键连接。乳糖在小肠中必须经过乳糖酶的水解变为两个单糖，即葡萄糖和半乳糖后才能被吸收。乳糖酶缺乏的人，在食入奶制品后，因奶中的乳糖不能完全被消化吸收而滞留在肠腔内，受细菌作用发酵产气，可能出现腹痛、腹泻等症状。多糖是包含十个或以上单糖的聚合物，他们既是能量的储存形式，也是有机体的结构成分。多糖广泛存在于自然界，是一类天然高分子化合物。包括淀粉、糖原、纤维素。淀粉是由葡萄糖单体组成的聚合物。糖原中的葡萄糖链比淀粉中的要长而且分支较多。当血液中葡糖糖含量较多时，会结合成糖原储存于肝脏中；当血液中葡萄糖含量降低时，糖原分解成葡萄糖供给机体能量。纤维素是植物产生的一种葡萄糖聚合物，人的消化液中所含的酶只能使淀粉水解成人体吸收的葡萄糖，却不能使纤维素水解。4、维生素维生素是存在于天然食物中的人体必需而不能自身合成的一类有机化合物，少量即可满足生理代谢的需要。1）维生素的分类一般按溶解性质分为脂溶性及水溶性两类。人类营养必需的脂溶性维生素有维生素A、维生素D、维生素E及维生素K。脂溶性维生素大部分由胆盐帮助吸收，循淋巴系统输送到体内各器官。体内可储存大量脂溶性维生素，维生素A和维生素D主要储存于肝脏，维生素E主要存于体内脂肪组织，维生素K储存较少。水溶性维生素有维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素B12、烟酸、维生素C、叶酸及维生素U。他们被肠道吸收后，通过水循环到机体需要的组织中，多余的部分大多由尿排出，在体内储存甚少。维生素不同于蛋白质、脂类、碳水化合物和无机盐类，不提供能量，一般不构成组织。大多数必须由食物供给。但若是有足够的阳光照射，人体的皮肤有能力合成维生素D。维生素的摄取主要是通过食物、蔬菜、水果和谷类，它们含有胡萝卜素、维生素B1、烟酸、维生素C等较多。动物性食品含维生素A、维生素B2、维生素E较多。维生素制剂，尤其是维生素A、维生素D、维生素E、维生素B1、维生素B2、维生素C等及在食物中的强化维生素也是补充维生素的手段之一。【3】5、无机盐构成人体的化学元素，除了血液中存在少量游离态的N2和O2之外，其余各种元素都已-4-化合态存在。人体中除C、H、O、N外，其余各种元素称为无机盐或矿物质，约占人体中的4%，他们来自动植物组织、水、盐和食品添加剂。从营养角度可以把无机盐分为必需元素和非必需元素。必需元素中含量在人体重的0.01%以上称为常量元素；含量在人体重的0.01%以下的称为微量元素，有V、Gr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、F、Si、Sn、Se、I14种。1）几种常用元素的主要作用（1）钙。钙是人体中含量排在第五位的元素，约为成人体重的2%。人体内99%的钙在骨骼和牙齿中。除此之外，Ca2+还有其他的重要生物功能。（2）磷。90%的磷以PO43-形式存在于骨骼和牙齿中。例如，牙釉质是由难溶的羟基磷灰石Ca10(OH)2(PO4)6组成。（3）镁。镁是组成叶绿素的重要成分之一，叶绿素在光合作用下使植物成绿色。人体中Mg2+是许多酶的激活剂。若降低人体内镁的含量，可导致人情绪激动，肌肉痉挛和抽搐等。（4）钾、钠和氯。这三种元素在人体内的作用既复杂又相互关联。Na+和K+常以氯化物的形式存在。K+一般在细胞内，Na+则在细胞周围的体液中。他们的主要作用是控制细胞、组织液和血液内的电解质平衡，这对保持体液的正常流通和控制体内的酸碱平衡时非常重要的。无机盐在中的这些元素早人体中的作用如下：①构成人体组织的重要材料，如Cu、Mg、P构成骨骼和牙齿，P、S构成蛋白质，Fe构成血红蛋白（如细胞血红素），Zn构成胰岛素等；②调节体液渗透压、酸碱平衡、心跳节律；③运载信息，如Fe2+对于O2、CO2有运载作用，Cu2+可以激活多种可传递信息的酶等。2）微量元素的生理作用他们对于发挥正常的生物功能很关键。这些元素中某些元素在人体内的功能还不很清楚，但很多微量元素是酶的重要组成部分，特别是过渡金属元素。碘是人体必需的微量元素。甲状腺需要利用碘来产生甲状腺激素，如果缺乏碘人体的健康就会受到影响，产生甲状腺病，如甲状腺肿、克汀病等。点过多也会对人体产生影响。6、水人体内的60%~80%是由水组成的血液的90%是由水构成的。人体失去5%的水就会感到口渴、恶心、混混欲睡；达到10%，会产生眩晕、头晕、行走困难；达到15%则要抢救，20%即导致死亡。水的生理功能：水能帮助消化，并把食物中的营养物质带给细胞；水又是一种基本的营养物质，它的主要功能室参与新陈代谢，输送养分，排出废物。因此水被称为体内的“搬运工”和“清洁工”。普通人每天要保证饮用1.5dm3的水。二、膳食营养平衡-5-合理营养、平衡饮食是人类赖以生存、维持健康的物质基础。平衡膳食是指由多种食物构成，不但提供足够的热能和营养来满足人体正常的生理需要，而且要保持各种营养素之间有合理的比例。1、热量平衡不同的食物会产生不同的热量。食物热量通常用卡（cal）表示，1cal=4.182J其中每克脂肪供给热量9cal；每克蛋白质和碳水化合物供给热量4cal。在计算每天需要多少cal时，主要考虑三个因素：基础代谢率、体能消耗、食物热效应。如果消耗量等于所摄入的能量，体重就保持不变；如果消耗量大于摄入量，体重就会减轻。只要有多余的卡路里，身体就会把它转化成脂肪。2各种营养素平衡平衡膳食宝塔总共分成5层。谷类食物位居底层，每人每天应摄入250~400g;蔬菜水果居于第二层，每天应摄入300~500g和200~400g；鱼、禽、肉、蛋等动物性食物位于第三层，每天应摄入125~225g;奶类和豆类食品合居第四层，每天应吃相当于鲜奶300g的奶类及奶制品、大豆及坚果30~50g;第五层塔顶是烹调油和食盐，每天烹调油不超过25g或30g,食盐不超过6g。【4】3、酸碱平衡酸碱平衡是指人体体液的酸碱度应该维持在pH7.35~7.45，就是说人体的内环境是呈弱碱性的。人体的酸碱平衡依赖所摄入的食物的酸碱性，以及排泄系统对体液酸碱度的调节。食物的酸碱性是按人吃了某种食物经过消化吸收和新陈代谢，最后在体内变成的物质是酸性还是碱性来划分的。如果代谢产物中含P、S偏多即为酸性食物；反之，含Ca2+、Mg2+、K+等偏多即为碱性食物。[1].曲保忠，朱炳林，周伟红-《新大学化学》-2012年修订[2].刘旦初-《化学与人类》-2009年修订[3].席晓岚-《基础化学》-2001年修订[4].《中国居民膳食指南》2007年修订