现代营养学：碳水化合物分类详解

碳水化合物可根据其能否被水解及水解产物分为单糖、寡糖和多糖。单糖是不能水解的糖，如葡萄糖、果糖等；寡糖又称低聚糖，能水解2～10个分子的单糖，如蔗糖、麦芽糖可水解成2个分子单糖，棉籽糖则水解生成3个分子单糖；多糖又称多聚糖，能水解生成许多分子单糖，如淀粉、纤维素等。

碳水化合物还常根据其来源命名，最初由葡萄中得到的称葡萄糖，由甘蔗中得到的称蔗糖。有些碳水化合物常采用通俗名，如淀粉、纤维素等。

FAO/WHO（1998）专家组将碳水化合物按其聚合度分为三类，三类的组成见表1-4-1。

表1-4-1　碳水化合物分类

引自：FAO/WHO.1998.Expert Consultation Carbohydrates in Human Nutrotion。

4.1.1.1　糖

包括单糖、双糖和糖醇。

1.单糖　最简单的单糖是甘油醛和二羟基丙酮，是含有3个碳原子的多羟醛和多羟酮，称为丙醛糖。甘油醛中含醛基称为丙醛糖；二羟基丙酮中含酮基称为丙酮糖（图1-4-1）。

图1-4-1　单糖核心结构

根据碳原子的数目，单糖可分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖、辛糖及壬糖等。己糖和戊糖在自然界中分布最广，含量最多；丙糖、丁糖和庚糖多以中间代谢物的形式存在；辛糖和壬糖则比较少见。单糖具有醛基或酮基，有醛基者称醛糖，有酮基者称酮糖，几种重要的单糖如下。

（1）D-核糖及D-2-脱氧核糖：D-核糖（Dribose）是核糖核酸（RNA）、辅酶Ⅰ（NAD+）、辅酶Ⅱ（NADP+）、辅酶A以及FMN和FAD等的组成成分；D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose）是脱氧核糖核酸（DNA）的组成成分。这两种戊醛糖在自然界分布很广，均为醛糖，都有呋喃糖的环状结构。在人体中，它们可由葡萄糖或糖原转变而来（图1-4-2）。

图1-4-2　D-核糖及D-2-脱氧核糖结构

（2）D-葡萄糖（glucose）：葡萄糖是己醛糖，分子式为C6H12O6。葡萄糖的构型是以甘油醛的标准构型作比较而定的。甘油醛只有一个手性碳，它与伯醇基相联，如手性碳的OH在右侧是D-型，若在左侧则为L-型，天然葡萄糖为D-型。其他单糖的构型则用同法确定（图1-4-3）。

图1-4-3　D-葡萄糖结构

葡萄糖广泛存在于自然界，植物和动物体中都存在。正常人的血液中，经常保持有80～110 mg/dl的葡萄糖，称为血糖。糖尿病病人尿中含有葡萄糖，含量随病情的轻重而不同。葡萄糖是蔗糖、乳糖、淀粉、纤维素、糖原等许多碳水化合物的组成成分。

葡萄糖是无色结晶，易溶于水，难溶于乙醇，具甜味，甜度仅及果糖的60%。其水溶液为右旋性，故又称右旋糖。

葡萄糖是人体所需能量的重要来源。人体利用葡萄糖时，以其磷酸酶经一系列变化，逐步分解并释放能量。葡萄糖磷酸酯从结构上看是葡萄糖的羟基和磷酸所形成的酯。体内葡萄糖磷酸酯有葡萄糖-1-磷酸酯（即1-磷酸葡萄糖，G-1-P）和葡萄糖-6-磷酸酯（即6-磷酸葡萄糖，G-6-P）。区别仅在于磷酸酯的位置不同，在磷酸变位酶作用下，两者可以相互转变。

（3）D-果糖：果糖的分子式也是C6H12O6，但果糖是己酮糖。其开链结构如图1-4-4。

图1-4-4　D-果糖结构式

果糖开链结构中的C6OH可与C2羰基形成半缩酮，因而果糖C2上有α-和β-两种构型，也有α-和β-2个非对映旋光异构体。自然界游离状态的果糖是β-D-吡喃果糖（图1-4-5）。

图1-4-5　β-D-吡喃果糖结构

果糖的环状结构也可在C5OH与C2羰基之间形成，称为呋喃果糖。呋喃果糖也有α-和β-型，自然界结合状态的果糖主要以β-呋喃果糖形式存在（图1-4-6）。

图1-4-6　β-呋喃果糖结构

D-果糖通常与蔗糖共存于水果汁及蜂蜜中，苹果及番茄中含量亦较多。菊科植物一般都含有D-果糖聚合成的一种多糖，即菊粉，例如蒲公英、牛蒡草、中国蓟、北美黄花、菊苣以及大丽花芋的根、球茎中都含有以菊粉形式存在的多糖。D-果糖是天然碳水化合物中甜味最高的糖，如蔗糖甜度为100，D-果糖的相对甜度可达110。

游离的D-果糖在动物体内含量甚微，但其磷酸酯却是体内糖代谢中极其活跃的重要中间产物；它参与糖的无氧酵解、有氧氧化、磷酸糖途径、糖的异生作用等各种代谢过程。此外，它还参与甘油及脂肪酸的合成代谢过程。

（4）D-半乳糖：半乳糖与葡萄糖结合成乳糖而存在于哺乳动物的乳汁中，脑及神经组织中的脑苷脂及神经节苷脂主要是半乳糖苷，某些糖蛋白也含有半乳糖。半乳糖是己醛糖，也有环状结构和α-和β-两种构型。α-和β-D-吡喃半乳糖的结构如图1-4-7。

图1-4-　7α-D-吡喃半乳糖（左）β-D-吡喃半乳糖（右）

（5）其他单糖

1）丙糖：天然的丙糖（triose）仅有两种，一种是D-甘油醛，又称甘油糖，为丙醛糖；另一种是二羟丙酮，为丙酮糖。两者均为细胞糖酵解途径和多种相关生化过程的中间产物。

2）丁糖：天然存在的丁糖（tetrose）只有一种，即D-赤藓糖（D-erythrose），是丁醛糖，在体内以4-磷酸-D-赤藓糖的形式存在，是细胞内“磷酸戊糖途径”的重要中间产物。自然界未发现天然丁酮糖的存在。(www.xing528.com)

3）D-阿拉伯糖：D-阿拉伯糖（D-arabinose）比较少见。芦荟类植物中的某些糖苷类泻药芦荟素，例如芦荟苷（barbaloin）、纳塔芦荟素等水解后可得到此糖。

4）L-阿拉伯糖：L-阿拉伯糖（L-arabinose）以游离形式存在于多种针叶树木的心材中，但更多的是以结合状态存在于果胶、半纤维素及树胶中，某些糖苷及细菌多糖水解后亦可得到此糖。食用过多的水果或果制品，其中的果胶类在消化道被水解而吸收，以致在尿中可出现大量L-阿拉伯糖，形成所谓饮食性戊糖尿。

5）D-木糖：D-木糖（D-xylose）大多以结合成木糖胶的形式存在，可由玉米芯、棉子壳、核桃壳、黄麻及稻草等水解而来。它是人体内某些蛋白多糖的组成成分。食用大量梅子、李子、葡萄等水果时，有时可在尿中出现D-木糖。

6）D-核酮糖及D-木酮糖：D-核酮糖（Dribulose）和D-木酮糖（D-xylulose）均是D-葡萄糖代谢的“磷酸戊糖途径”的中间产物。前者也是植物光合作用的初期中间产物。

7）D-甘露糖：又名卡如宾糖（carubinose或seminose）。它很少以游离形式存在于自然界，但它却是多种多糖的组成成分。像椰子、魔芋粉及棕榈种子等水解后可得到此糖。D-甘露糖也是血清多种球蛋白、卵类黏蛋白及结合菌的组成成分。人体日常食入的D-甘露糖甚微，其磷酸酯在体内可与果糖磷酸酯互变，并参与葡萄糖代谢的过程。

2.双糖　双糖是由2个相同或不相同的单糖分子上的羟基脱水生成的糖苷。自然界最常见的双糖是蔗糖及乳糖。此外，还有麦芽糖、海藻糖、异麦芽糖、纤维二糖、壳二糖等。

（1）蔗糖：蔗糖（sucrose）俗称白糖、砂糖或红糖。它是由1分子D-葡萄糖的半缩醛羟基与1分子D-果糖的半缩醛羟基彼此缩合脱水而成。蔗糖几乎普遍存在于植物界的叶、花、根、茎、种子及果实中。在甘蔗、甜菜及槭树汁中含量尤为丰富。

（2）乳糖：乳糖（lactose）由1分子D-葡萄糖与1分子D-半乳糖以β-1，4-糖苷键相连而成。乳糖只存在于各种哺乳动物的乳汁中，其浓度约为5%。人体消化液中乳糖酶可将乳糖水解为其相应的单糖。

（3）麦芽糖：麦芽糖（maltose）由2分子葡萄糖借α-1，4-糖苷键相连而成，大量存在于发芽的谷粒，特别是麦芽中。麦芽糖是淀粉和糖原的结构成分。

（4）异麦芽糖：异麦芽糖（isomaltose）由2分子D-葡萄糖以α-1，6-糖苷键相连而成，是多糖支链淀粉及糖原的结构组成单位，代表此类多糖链的分枝点。

（5）海藻糖：海藻糖（trehalose）又名蘑菇糖、蕈糖，1858年从海藻中分离而获得此名。除海藻外，还广泛存在于蘑菇、酵母、真菌、细菌等中。海藻糖的甜度为蔗糖的45%，为还原性双糖，化学性质稳定，是一种非特异性保护剂，可保护生物膜及敏感细胞壁免受干旱、冷冻、渗透压的变化等造成的损害。同时，还可作为保鲜剂用于食品、蔬菜、果品、生物品的保护。海藻糖由2分子葡萄糖通过半缩醛羟基缩合而成。

3.糖醇　糖醇是单糖的重要衍生物，常见有山梨醇、甘露醇、木糖醇、麦芽糖醇等。

（1）山梨醇和甘露醇：两者互为同分异构体。山梨醇存在于许多植物的果实中，可由氢化葡萄糖制得，由于它含有多个醇羟基，亲水性强，所以临床上常用20%或25%的山梨醇溶液作脱水剂，使周围组织及脑实质脱水，从而降低颅内压，消除水肿。甘露醇在海藻、蘑菇中含量丰富，可从一些海草中提取，也可由氢化甘露糖获得。甘露醇的作用与山梨醇相似，亦为渗透性利尿剂，还可作食品的改进剂。

（2）木糖醇：是存在于多种水果、蔬菜中的五碳糖醇。工业上可由氢化木糖制得，其甜度与蔗糖相等，其代谢不受胰岛素调节，因而可被糖尿病病人接受。木糖醇常作为甜味剂用于糖尿病病人的专用食品及许多药品中。

（3）麦芽糖醇：由麦芽糖氢化制得，可作为功能性甜味剂用于心血管病、糖尿病等病人的保健食品中。不能被口腔中的微生物利用，有防龋齿作用。

4.1.1.2　寡糖

寡糖又称低聚糖，由3～9个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名称。以前对寡糖的定义颇有争议，主要是针对双糖是否归为寡糖的问题，有人认为寡糖应是包括2～9个单糖的碳水化合物，故双糖应为寡糖，但多数营养学家认为，双糖已被包括在“糖”中，寡糖定为2个单糖分子不妥，故FAO定义糖单位≥3和＜10聚合度为寡糖和糖的分界点。目前已知的几种重要寡糖有棉籽糖、水苏糖、异麦芽低聚糖、低聚果糖、低聚甘露糖、大豆低聚糖等。其甜度通常只有蔗糖的30%～60%。

1.棉籽糖　棉籽糖（raffinose）又称蜜三糖，是一种三碳糖。几乎和蔗糖一样广泛分布于多种植物的种子、果实、花及根茎中。甘蔗和棉籽中含量尤多。棉籽糖由D-半乳糖、D-葡萄糖、D-果糖各1分子而组成，前两者以α-1，6-糖苷键相连，后两者借1，2-半缩醛缩合的糖苷键相连。棉籽糖是一种无还原性的糖。

2.水苏糖　水苏糖（stachyose）是一种四糖，通常多与蔗糖及棉籽糖共存。水苏糖由2分子D-半乳糖、1分子D-葡萄糖及1分子D-果糖组成。

3.低聚果糖　低聚果糖（fructooligosaccharide）又称寡果糖或蔗果三糖族低聚糖，是由蔗糖分子的果糖残基上结合1～3个果糖而组成。低聚果糖主要存在于日常食用的水果、蔬菜中，如洋葱、大蒜、香蕉等。天然的和微生物酶法得到的低聚果糖大多是直链状，在蔗糖分子上以β-1，2-糖苷键与1～3个果糖分子结合成的蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖。低聚果糖的甜度为蔗糖的30%～60%，难以被人体消化吸收，被认为是一种水溶性膳食纤维，但易被大肠双歧杆菌利用，是双歧杆菌的增殖因子。此外，低聚果糖不能被突变的链球菌作为发酵底物生成不溶性葡聚糖，不提供口腔微生物沉淀、产酸、腐蚀的场所，故可作为防龋齿甜味剂。

4.大豆低聚糖　大豆低聚糖（soybean oligosaccharide）是存在于大豆中的可溶性糖的总称，主要成分是水苏糖、棉籽糖和蔗糖。除大豆外，在豇豆、扁豆、豌豆、绿豆和花生等中均存在。其甜味特性接近于蔗糖，甜度为蔗糖的70%，但能量仅为蔗糖的50%左右。大豆低聚糖也是肠道双歧杆菌的增殖因子，可作为功能性食品的基料，能部分代替蔗糖应用于清凉饮料、酸奶、乳酸菌饮料、冰淇淋、面包、糕点、糖果和巧克力等食品中。

4.1.1.3　多糖

多糖是由≥10个单糖分子脱水缩合并借糖苷键彼此连接而成的高分子聚合物。多糖在性质上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，水解成单糖残基不等的片段，最后成为单糖。根据营养学上新的分类方法，多糖可分为淀粉和非淀粉多糖。

1.淀粉　淀粉（starch）是人类的主要食物，存在于谷类、根茎类等植物中。淀粉由葡萄糖聚合而成，因聚合方式不同分为直链淀粉和支链淀粉。为了增加淀粉的用途，淀粉经改性处理后获得了各种各样的变性淀粉。

（1）直链淀粉：直链淀粉（amylose）又称糖淀粉，由几十个至几百个葡萄糖分子残基以α-1，4-糖苷键相连而成的一条直链，并卷曲成螺旋状二级结构，相对分子质量为1万～10万。直链淀粉在热水中可以溶解，与碘产生蓝色反应，一般不显还原性。天然食品中，直链淀粉含量较少，一般仅占淀粉成分的19%～35%。

（2）支链淀粉：支链淀粉（amilopectin）又称胶淀粉，分子相对较大，一般由几千个葡萄糖残基组成，其中每25～30个葡萄糖残基以α-1，4-糖苷键相连而形成许多个短链，每两个短链之间又以α-1，6-糖苷键连接，如此则使整个支链淀粉分子形成许多分枝再分枝的树冠样的复杂结构。支链淀粉难溶于水，其分子中有许多个非还原性末端，但却只有一个还原性末端，故不显现还原性。支链淀粉遇碘产生棕色反应。在食物淀粉中，支链淀粉含量较高，一般占65%～81%。支链淀粉含量与食物的品质有很大关系，含支链淀粉越多，糯性越大。不同品种的大米，所含的支链和直链淀粉的比例各不相同。

（3）改性淀粉：改性淀粉（modified starch）又称变性淀粉，指普通淀粉经过物理或化学方法处理后，使其某些性质改变的淀粉。如预糊化淀粉（α-淀粉）、高黏度淀粉、低黏度淀粉、氧化淀粉、交联淀粉、糊精、阳离子淀粉、淀粉衍生物等。这些淀粉仍保持原有颗粒结构，外观与原淀粉无差别，但其黏度、黏度的稳定性、色泽、凝沉性、胶黏性等性质发生了明显改变。这些改性淀粉在食品工业中可用于增稠、保型、稳定冷冻食品内部结构、改善食物的风味、除去异杂味等；在制药工业可用作平衡物质兼黏合剂；在化妆品行业中可用来制作爽身粉、护肤粉等。

（4）抗性淀粉：抗消化淀粉（resist starch，RS）最早是由英国科学家Englyst提出的，当时指α-淀粉酶作用于淀粉后剩余的未被降解的部分；而后概念扩展到包括不被肠道酶降解消化的部分。1991年欧洲的工作会议将RS定义为健康人小肠内不被消化吸收的淀粉及其水解物的总称，1998年这一概念得到FAO/WHO碳水化合物专家组的认可。近年来，Englyst的研究使得淀粉的分类在生理意义上又有了一个全新的认识。Englyst根据α-淀粉酶水解时间长短来分类，即在模拟胃肠道内环境的前提下，将20分钟已水解的淀粉称为快消化淀粉（readily digestible starch，RDS）；20～120分钟水解的淀粉称为慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS），120分钟后仍没有水解的淀粉称为抗性淀粉（RS）。RS也并非是一类完全相同的物质，因其天然来源或加工方法不同，其抗消化性会有很大的差别，一般将其分为3种（表1-4-2），其消化吸收上的差别主要是由于直链和支链淀粉的比例不同所致。

表1-4-2　淀粉的类型和消化吸收

（5）糖原：糖原（glycogen）是多聚D-葡萄糖，几乎全部存在于动物组织，故又称动物淀粉。糖原结构与支链淀粉相似，分子中各葡萄糖残基间通过α-1，4-糖苷键相连，链与链之间以α-1，6-糖苷键连接。糖原的分支多，支链比较短。每个支链平均长度相当于12～18个葡萄糖分子。糖原的分子很大，一般由几千个至几万个葡萄糖残基组成。

2.非淀粉多糖　80%～90%的非淀粉多糖（non starch polysaccharides，NSP）由植物细胞壁成分组成，包括纤维素、半纤维素、果胶等，即以前概念中的膳食纤维。其他是非细胞壁物质如植物胶质、海藻胶类和菊粉等。

（1）纤维素：纤维素（cellulose）一般由1000～10 000个葡萄糖残基借β-1，4-糖苷键相连，形成一条线状长链。相对分子质量为20万～200万，不溶于水及一般溶剂，无还原性，遇碘不起任何颜色反应。纤维素在植物界无处不在，是各种植物细胞壁的主要成分，也是许多木质植物的结构成分和骨架。人体和动物组织不含纤维素，但它与人类生活有极其密切的关系，人类日常膳食中必须有足够的纤维素。人体消化液及消化道中缺乏能水解纤维素的β-1，4-糖苷键的酶，故纤维素不能被人体消化吸收，但它可刺激和促进胃肠道的蠕动，有利于其他食物的消化吸收及粪便的排泄。

（2）半纤维素：绝大多数的半纤维素（hemicellulose）都是由2～4种不同的单糖或衍生单糖构成的杂多糖，这些杂多糖以多种形式存在，主要有L-阿拉伯糖-D-木聚糖、L-阿拉伯糖-D-葡萄糖醛酸-D-木聚糖、4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸-D-木聚糖、D-葡萄糖-D-甘露聚糖、D-半乳糖-D-葡萄糖-D-甘露聚糖以及L-阿拉伯糖-D-甘露聚糖等。分子中的各种多聚糖部分均为半纤维素分子的主体，都是由相应的单糖借β-1，4-糖苷键相连而成的线性长链，而其他的单糖或衍生单糖则是α-或β-1，2、1，3、1，6-糖苷键相连而形成的分枝结构。半纤维素的分子量相对较小，一般由50～200个单糖或衍生单糖分子聚合而成。

半纤维素也是组成植物细胞壁的主要成分，一般与纤维素共存。半纤维素既不是纤维素的前体或衍生物，也不是其生物合成的中间产物。

（3）果胶类：果胶类（pectins）亦称果胶物质（pectic substance），一般指以D-半乳糖醛酸为主要成分的复合多糖之总称，其分子中的D-半乳糖醛酸残基一般都是借α-1，4-糖苷键相连而形成一条长链，个别残基也以α-1，2-糖苷键相连接。果胶物质主要有D-半乳糖醛酸聚糖（D-galacturonan）、D-半乳聚糖（D-galactan）及L-阿拉伯聚糖（Larabinan）。

果胶类普遍存在于陆地植物的原始细胞壁和细胞间质层。在一些植物的软组织中含量特别丰富，例如在柑橘类水果的皮中约含30%，甜菜中约含25%，苹果中约含15%。

果胶物质均溶于水，与糖、酸在适当的条件下能形成凝冻，一般用作果酱、果冻及果胶糖果等的凝冻剂，也可用作果汁、饮料、冰淇淋等食品的稳定剂。