食品营养学第三章碳水化合物

第三章碳水化合物碳水化合物又称糖类，是由碳、氢、氧组成的一类多羟基醛或多羟基酮类化合物，是生物界三大基础物质之一，其基本结构式为Cm(H2O)n。碳水化合物主要存在于植物界，多是通过绿色植物的光合作用而产生。碳水化合物占植物干重的50%～80%，占动物体干重的2%左右。在植物组织中碳水化合物主要以能源物质（如淀粉）和支持结构（如纤维素和果胶等）的形式存在，在动物组织中，碳水化合物主要以肝糖原、肌糖原、核糖、乳糖的形式存在。第三章碳水化合物•第一节碳水化合物的生理功能•第二节碳水化合物的分类•第三节食品加工对碳水化合物的影响•第四节碳水化合物的供给量及食物来源•第五节膳食纤维•第六节碳水化合物的质量评价第三章碳水化合物•第一节碳水化合物的生理功能•一、供能和节约蛋白质碳水化合物对机体最重要的作用是供能，是供能营养素中最经济的一种。其中葡萄糖可很快被代谢，1g葡萄糖彻底氧化可供能17kJ（4kcal）。当食物中碳水化合物的供给量充足时，机体首先利用它提供能量，从而减少蛋白质作为能量的消耗。相反，体内碳水化合物供给不足时，机体为了满足对能量的需要，要动用蛋白质转化为葡萄糖提供能量。因此，足够的碳水化合物对蛋白质有保护作用，也就是节约蛋白质的作用。第三章碳水化合物•二、构成机体组织碳水化合物是构成机体的重要物质，并参与细胞的许多生命活动。所有神经组织和细胞都含有碳水化合物，如糖蛋白构成人和动物体中结缔组织的胶原蛋白、黏膜组织的黏蛋白、血浆中的转铁蛋白、免疫球蛋白等；糖脂是细胞膜与神经组织的组成部分；另外，核糖和脱氧核糖是构成核酸的重要组成成分，在遗传中起着重要的作用。第三章碳水化合物•三、维持神经系统的功能和解毒在正常情况下，神经组织主要靠葡萄糖氧化供给能量，若血中葡萄糖水平下降（低血糖），神经组织供能不足，易出现昏迷、四肢麻木、烦躁易怒等症状。机体里肝糖元对某些细菌毒素有很强的抵抗力，充足的肝糖元能加强肝脏功能。如果体内肝糖元不足时，对四氯化碳、酒精、砷等有害物质的解毒作用明显下降。第三章碳水化合物•四、抗生酮作用脂肪在体内被彻底分解，需要葡萄糖的协同作用。当膳食中碳水化合物供应不足时，脂肪动员加速，肝脏中酮体生成量增加，再加上糖代谢减少，丙酮酸缺乏，可与乙酰辅酶A缩合成柠檬酸的草酰乙酸减少，更减少了酮体的去路使酮体聚集于血液成为酮血症。血中酮体过多，由尿排出，又形成酮尿。酮体为酸性物质，若超过血液的缓冲能力时，引起酸中毒。第三章碳水化合物•五、有益肠道功能摄食富含碳水化合物的食物，尤其是吸收缓慢和不易消化吸收的碳水化合物易产生饱腹感。乳糖可促进肠道中有益菌的生长，也可加强钙的吸收。非淀粉多糖如纤维素、半纤维素、果胶、树胶，以及功能性低聚糖等虽不能被消化吸收，但可刺激肠道蠕动，有利于排便。与此同时，它们还可促进结肠菌群发酵，产生短链脂肪酸和使肠道有益菌增殖。第三章碳水化合物•六、多糖的生物活性功能许多多糖类物质具有生物活性功能，如细菌的荚膜多糖有抗原性，分布在肝脏、肠黏膜等组织中的肝素，对血液有抗凝作用，真菌多糖对肿瘤有一定的抑制作用等。多糖特殊的生物活性已被广泛地应用于临床医学，有口服液、发酵液、精粉等。多糖在食品中的功能主要是能够增稠和形成凝胶，其次是能控制或改变饮料和流体食品的质构和流动性质。很多工业食品中都含有多糖，它对食品的感官性状具有很重要的作用。第三章碳水化合物•七、食品工业的重要原料和辅助材料碳水化合物是食品工业中糖果、糕点的重要原辅材料，同时也是其他多种食品的辅助材料。例如，在食品加工时要控制一定的糖酸比；焙烤食品主要由富含碳水化合物的谷类原料制成；而硬糖则几乎全是由蔗糖制成的。此外，碳水化合物一般有甜味，不仅是食物，而且可以做佐料，调节食物风味，增加食欲。第三章碳水化合物•第二节碳水化合物的分类碳水化合物是自然界最丰富的有机物，人体总能量的60%～70%来自食物中的碳水化合物。它在人体内消化后，主要以葡萄糖的形式被吸收利用。中国以淀粉类食物为主食，主要有大米、面粉、玉米、小米等谷物以及豆类、根茎类富含淀粉的食品。第三章碳水化合物•一、按照分子结构和性质分类•1．单糖单糖是指分子结构中含有3～6个碳原子的糖，如三碳糖的甘油醛；四碳糖的赤藓糖；五碳糖的阿拉伯糖、核糖、木糖、来苏糖；六碳糖的葡萄糖、果糖、半乳糖等。食品中常见的单糖以六碳糖为主，主要有如下几种。（1）葡萄糖植物性食品中含量最丰富，有的高达20%。在动物的血液、肝脏、肌肉中也含有少量的葡萄糖，而且是人体血液中不可缺少的糖类，有些器官甚至完全依靠葡萄糖提供能量，例如大脑每天约需100～120g葡萄糖。葡萄糖也是双糖、多糖的组成成分。第三章碳水化合物（2）果糖存在于水果和蜂蜜中，为白色晶体。是糖类中最甜的一种，食品中的果糖在人体内转变为肝糖，然后再分解为葡萄糖，所以在整个血液循环中果糖含量很低。果糖代谢不受胰岛素制约，故糖尿病人可食用果糖。但大量摄入果糖，容易出现恶心、呕吐、上腹部疼痛以及不同血管区的血管扩张现象。（3）半乳糖由乳糖分解而来，是白色结晶，具有甜味，在人体内转变成肝糖后被利用。（4）其他单糖除了上述三种重要的已糖外，食物中还有少量的戊糖，如核糖、脱氧核糖、阿拉伯糖和木糖。前两种糖动物体内可以合成，后几种糖主要存在于水果和根、茎类蔬菜之中。第三章碳水化合物•2．双糖双糖是由两个单糖分子缩合失去一分子水形成的化合物，双糖为结晶体，溶于水，但不能直接被人体所吸收，必须经过酸或酶的水解作用生成单糖后方能被人体所吸收。（1）蔗糖蔗糖不具有还原性，由一分子葡萄糖和一分子果糖失去一分子水缩合而成的，为白色结晶体，易溶于水，加热到200℃变成黑色焦糖。甘蔗、甜菜中含量最多，果实中也有，作为食品原料的白砂糖、红糖就是蔗糖。蔗糖摄入过高，容易引发糖尿病、龋齿、甚至动脉硬化等疾病。第三章碳水化合物（2）麦芽糖主要来自淀粉水解，由二分子葡萄糖构成，具有还原性，为针状晶体，易溶于水。食品工业中所用的麦芽糖主要由淀粉经酶的作用分解生成。用大麦芽作为酶的来源，作用于淀粉得到糊精和麦芽糖的混合物，即饴糖。（3）乳糖存在于哺乳动物的乳汁中，由一分子葡萄糖和一分子半乳糖组成，白色结晶体，能溶于水。人乳中含乳糖5%～8%，牛乳中含4%～5%，羊乳中含4.5％～5%。乳糖是婴儿主要食用的糖类物质，随着年龄的增长，肠道中的乳糖酶活性下降，因而很多成年人食用大量的乳糖后，不易消化，即乳糖不耐症。第三章碳水化合物•3．多糖多糖是由许多单糖分子残基构成的大分子物质，一般不溶于水，无甜味，无还原性，不形成结晶，在酸或酶的作用下，依水解程度不等而生成糊精，完全水解的最终产物是单糖。多糖中一部分可被人体消化吸收，如淀粉、糊精、糖原等；而另一部分则不被人体消化吸收，如纤维素、半纤维素、木质素、果胶等。（1）淀粉普通淀粉由25%的直链淀粉和75%的支链淀粉构成，前者遇碘出现蓝色反应，后者单独存在时遇碘发生棕色反应。直链淀粉溶于热水，支链淀粉则不能。淀粉不溶于冷水，与水共煮时会形成浆糊状，这叫淀粉的糊化。淀粉经酸或酶适当处理后，其物理性质发生改变，这种淀粉叫变性淀粉。第三章碳水化合物（2）糊精糊精是淀粉的水解产物，通常糊精的分子大小是淀粉的1/5。糊精具有易溶于水，强烈保水及易于消化等特点，食品工业中常被用来增稠、稳定或保水。（3）糖原糖原也称动物淀粉，在肝脏和肌肉合成并贮存，是一种含有许多葡萄糖分子和支链的动物多糖。肝脏中贮存的糖原可以维持正常的血糖浓度，肌肉中的糖原可提供机体运动所需要的能量。其较多的分支可提供较多的酶的作用位点，能快速分解和提供较多的葡萄糖。食物中糖原含量很少。（4）纤维素、半纤维素、木质素广泛存在于植物组织中，详细性状见本章第五节膳食纤维部分。第三章碳水化合物（5）果胶是植物细胞壁的成分之一，存在于相邻细胞壁的中胶层。按果蔬成熟度不同，果胶分为原果胶、果胶和果胶酸三种。果胶是亲水性胶体物质，其水溶液在适当条件下形成凝胶，利用果胶这一特性，可将水果生产果酱、果冻、果糕等制品。•4．糖的衍生物糖醇是糖的衍生物，由单糖或多糖加氢而成，也有天然存在的。在食品工业中常用其代替蔗糖作为甜味剂使用。（1）山梨糖醇葡萄糖氢化，使其醛基转化为醇基，代谢时可转化为果糖，不受胰岛素的控制，食后不影响血糖。第三章碳水化合物（2）木糖醇存在于多种水果、蔬菜中，其甜度及氧化功能与蔗糖相似，但代谢不受胰岛素调节，可被糖尿病患者食用。此外，木糖醇不能被口腔细菌发酵，因对牙齿无伤害，可用作无糖糖果中防止龋齿的甜味剂。（3）麦芽糖醇由麦芽糖氢化而来的，在工业上是由淀粉酶解制得多组分“葡萄糖浆”后氢化制成。麦芽糖醇被人体摄入后在小肠内的分解量是同量麦芽糖得1/40，是非能源物质，不升高血糖，也不增加胆固醇和中性脂肪的含量，是心血管疾病、糖尿病患者的甜味剂。也不能被微生物利用，故也能防止龋齿。第三章碳水化合物•二、按照聚合度不同分类FAO/WHO专家组将糖类按照其聚合度分为三类，见表3-1。表3-1主要的膳食糖类分类亚组组成糖（1～2）单糖葡萄糖，半乳糖，果糖双糖蔗糖，乳糖，麦芽糖糖醇山梨醇，甘露醇，木糖醇寡糖（3～9）麦芽低聚寡糖麦芽糊精其他杂寡糖面子糖，木苏糖，低聚果糖多糖（≥10）淀粉直链淀粉，支链淀粉，变性淀粉非淀粉多糖纤维素，半纤维素，国胶，亲水胶质物注：1.括号内的数字为单糖分子数；2.引自FAO/WHO.1998.Expertconsultationcarbohydratesinhumannutrition。第三章碳水化合物•第三节食品加工对碳水化合物的影响•一、淀粉水解淀粉经酸水解或酶水解可生成糊精。当以糖化型淀粉酶水解支链淀粉至分支点时所生成的糊精称为极限糊精。食品工业中常用大麦芽为酶源水解淀粉，得到糊精和麦芽糖的混合物，称为饴糖。饴糖在体内水解为葡萄糖后被吸收、利用。在制作羊羹时添加少许糊精可防止结晶析出，避免外观不良。淀粉在使用α-淀粉水解酶和葡萄糖淀粉酶进行水解时，可得到近乎完全的葡萄糖。此后再用葡萄糖异构酶使其异构成果糖，最后可得到58%的葡萄糖和42％的果糖组成的玉米糖浆。由其进一步制成果糖含量55%的高果糖（玉米）糖浆是食品工业中重要的甜味物质。第三章碳水化合物•二、淀粉的糊化与老化通常，将淀粉加水、加热，使之产生半透明、胶状物质的作用称为糊化作用。糊化淀粉即α-淀粉，未糊化的淀粉称为β-淀粉。淀粉糊化后可使其消化性增加。这是因为多糖分子吸水膨胀和氢键断裂，从而使淀粉酶能更好地对淀粉发挥酶促消化作用的结果。未糊化的淀粉则较难消化。糊化淀粉(α-淀粉)缓慢冷却后可生成难以消化的β-淀粉，即淀粉的老化或反生。这在以淀粉凝胶为基质的食品中有可能由凝胶析出液体，称为食品的脱水收缩。此外，当α-淀粉在高温、快速干燥，并使其水分低于10%时，可使α-淀粉长期保存，成为方便食品或即食食品。此时，若将其加水，无需再加热即可得到完全糊化的淀粉。第三章碳水化合物•三、沥滤损失食品加工期间经沸水烫漂后的沥滤操作，可使果蔬装罐时的低分子碳水化合物，甚至膳食纤维受到一定损失。例如，在烫漂胡萝卜和芜菁甘蓝时，其低分子碳水化合物如单糖和双糖的损失分别25%和30%。青豌豆的损失较少，约为12%，它们主要进入加工用水而流失。此外，胡萝卜中低分子质量碳水化合物的损失，可依品种不同而有所不同，且在收获与贮藏时也不相同。贮存后期胡萝卜的损失增加。这可能是因其具有更高的水分含量而易于扩散的结果。膳食纤维在烫漂时的损失依不同情况而异。胡萝卜、青豌豆、菜豆和孢子甘蓝没有膳食纤维进入加工用水，但芜菁甘蓝则可有大量膳食纤维（主要是不溶的膳食纤维）因煮沸和装罐时进入加工用水而流失。第三章碳水化合物•四、焦糖化反应和羰氨反应•1．焦糖化反应焦糖化作用是糖类在不含氨甚化合物时加热到其熔点以上(高于135℃)的结果。在酸、碱条件下都能进行，经一系列变化，生成焦糖等褐色物质，并失去营养价值。但焦糖化作用在食品加工中控制适当，尚可使食品具有诱人的色泽与风味，有利于提高食品的感观性状。第三章碳水化合物•2．羰氨反应羰氨反应又称美拉德反