任务三 掌握糖的组成、结构、分类及生理功能
糖类是自然界中广泛分布的一类重要的有机化合物。葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素等均属糖类。糖在生命活动过程中起着重要的作用，是一切生命体维持生命活动所需能量的主要来源。植物中最重要的多糖是淀粉和纤维素，动物细胞中最重要的多糖是糖原。
一、糖的组成、结构与分类
（一）糖类的组成与结构
从分子结构上看，糖是多羟基醛、多羟基酮及其脱水缩合产物。如葡萄糖为醛糖，果糖为酮糖。糖类化合物分子中的官能团有：羟基（—OH）和醛基（—CHO）或酮基（—CO—）。
由于绝大多数的糖类化合物都可以用通式Cn（H2O）m表示，所以人们习惯把糖类称为碳水化合物。糖类广泛分布于植物体内，占植物干重的50%～80%。糖类在动物体内含量很少，仅占动物干重的2%以下。
（二）糖的分类与结构
根据糖能否水解及不同的水解产物，可将糖分为单糖、寡糖、多糖、结合糖。
1.单糖
单糖是最简单的糖类，不能水解生成更简单的糖类。从结构上看，单糖都是多羟基醛或多羟基酮。我们通常把多羟基醛称为醛糖，多羟基酮成为酮糖。又根据分子中碳原子的数目，单糖可分为丙糖（三碳糖）、丁糖（四碳糖）、戊糖（五碳糖）、己糖（六碳糖）等。烹饪原料中较常见的单糖有葡萄糖、果糖、半乳糖和甘露糖等，其中葡萄糖和果糖能进行各种发酵。葡萄糖、果糖结构如图5-1、图5-2所示。
图5-1 葡萄糖结构
图5-2 果糖结构
葡萄糖的分子式为C6H12O6，属于己醛糖，葡萄糖的结构简式为：CH2OH（CHOH）4CHO。果糖的结构简式为：
，属于己酮糖。葡萄糖、果糖在水溶液中也可以环状结构式存在。
葡萄糖不仅广泛存在于植物体中，人和动物的血液中也含有葡萄糖。我们把人体血液中的葡萄糖称为血糖，正常人在空腹状态下血糖含量为3.9～6.1 mmol/L。果糖是现在已知最甜的糖，它也是自然界中分布较广的一种单糖，游离的果糖主要存在于水果和蜂蜜中，大量的果糖以结合状态存在于蔗糖中。
2.寡糖
寡糖又称为低聚糖，由单糖分子间脱水缩合而成，缩合所形成的化学键常称为糖苷键。每分子寡糖水解可生成2～10个单糖分子。根据聚合度不同，寡糖分为二糖（双糖）、三糖和四糖等。烹饪原料中常见的寡糖是双糖、还原性双糖（有个游离的半缩醛羟基），如乳糖和麦芽糖等；非还原性双糖（无游离的半缩醛羟基），如蔗糖和海藻糖等。蔗糖不能被酵母直接发酵，麦芽糖可被酵母直接发酵。蔗糖结构如图5-3所示，麦芽糖、乳糖与蔗糖结构类似。
图5-3 蔗糖结构
3.多糖
多糖又称为多聚糖，也是由许多个单糖分子间脱水缩合而成的天然高分子化合物。其聚合度一般在10以上，发生水解可生成多种中间产物，最终产物为单糖。食品中常见的多糖有淀粉、纤维素、糖原等，可以用通式（C6H10O5）n表示。
天然淀粉是直链淀粉（见图5-4）和支链淀粉（见图5-5）组成的混合物。直链淀粉是由许多葡萄糖单元以α-1，4- 苷键结合而成的长链状物质。支链淀粉又称胶淀粉，与直链淀粉相比，支链淀粉具有分支，其中葡萄糖单元之间的连接苷键除了α-1，4-苷键外，尚有α-1，6-苷键。支链淀粉的相对分子质量比直链淀粉大。纤维素的结构与直链淀粉类似。图中小圆圈表示葡萄糖单元。
图5-4 直链淀粉的结构
图5-5 支链淀粉的结构
多糖不是纯净物，而是聚合程度不同的混合物。因为多糖分子中的苷羟基几乎都被结合为苷键，所以多糖的性质与单糖、低聚糖的性质差别较大，大多数多糖无甜味、不溶于水、无还原性、不能被托伦试剂和班氏试剂等弱氧化剂氧化。
4.结合糖
结合糖，也称复合糖，指糖与非糖物质以共价键结合形成的化合物，糖与蛋白质可结合成糖蛋白或蛋白多糖，糖与脂类结合为糖脂。
糖精不是糖
二、糖的生理功能
（一）氧化供能
糖是机体重要的能量来源。1mol葡萄糖彻底氧化可释放2 840 kJ能量。人体所需能量的50%～70%来源于糖。
（二）为其他物质的合成提供碳骨架
糖代谢的某些中间产物可为蛋白质、核酸、脂质的合成提供碳骨架。例如，糖代谢的中间产物丙酮酸可转化为丙氨酸，用于合成蛋白质，乙酰辅酶A可参与脂肪的合成等。
（三）构成人体组织结构的重要成分
糖与蛋白质、脂质等大分子物质结合形成复合物，如糖蛋白等，是构成生物膜等重要细胞结构的组成成分。又如蛋白聚糖，构成结缔组织、软骨和骨的基质；糖蛋白参与神经组织的构成等。
（四）参与信息传递和细胞分子间的识别
细胞膜表面糖蛋白参与细胞间的信息传递，与细胞免疫、识别作用有关。还有一些具有特殊生理功能的糖蛋白，如激素、免疫球蛋白、血型物质等参与分子间的信息传递与分子识别。
另外，虽然纤维素不能被人体消化吸收，但可以促进胃肠蠕动，对人体健康发挥着重要的作用。它在预防肠道疾病和促进肠道健康、具有饱腹感和调节体重、调节血糖和预防2型糖尿病、预防脂代谢紊乱引起的冠心病、预防结肠癌的发生等方面发挥着积极作用。
三、烹饪与储藏对食物糖的影响
（一）单糖和低聚糖在烹饪、储藏中的变化与应用
1.性质
（1）主要物理性质
①溶解和吸湿。糖类物质中的单糖和寡糖都易溶于水。糖类物质都具有一定的吸湿性，果糖的吸湿性大于葡萄糖的吸湿性，葡萄糖的吸湿性大于麦芽糖的吸湿性，蔗糖的吸湿性很小。
②结晶和熔点。大多数单糖和寡糖都有一定的结晶性。蔗糖晶粒较大，葡萄糖晶粒细小，果糖则不易结晶。糖类熔点较高，蔗糖的熔点为160～186 ℃，麦芽糖的熔点为102～108 ℃，葡萄糖的熔点为146～150 ℃。当温度达到糖类的熔点时，一般已接近其分解温度。(https://www.daowen.com)
③味道。单糖和聚合度较低的寡糖具有不同程度的甜味。一般将蔗糖的甜度规定为100，果糖最甜，甜度为175；葡萄糖的甜度为74；麦芽糖的甜度仅为30～60。
（2）主要化学性质
①水解反应。在酶的作用下或在酸性条件下加热，可使糖类水解。寡糖水解一般生成单糖。蔗糖的水解常称为“转化”，其水解产物（葡萄糖和果糖的混合物）常称为“转化糖”。
②酸、碱的作用。室温下，稀酸对单糖的稳定性没有影响，但当温度和酸的浓度稍高时，即可发生反应。糖类物质在碱性条件下加热时不稳定，易发生异构化、分解、氧化等反应。
2.在烹饪、储藏中的变化与应用
以蔗糖为例，在烹饪、储藏中的变化与应用如下：
（1）水解反应
利用转化糖（是用稀酸或酶对蔗糖作用后所得的混合物）制作糕点，能提高甜度，使糕点松软可口，并有爽口的风味。
（2）重结晶现象
蔗糖的过饱和溶液降温后能重新形成晶体，这是制作挂霜菜的依据。
（3）无定形体（玻璃体）的形成
在蔗糖溶液过饱和程度稍低的情况下，逐渐降低含水量，当含水量为2%左右时，迅速冷却可形成无定形体（玻璃体）。
（4）焦糖化反应
焦糖化反应是指因糖发生脱水与降解等，而引发的褐变反应。焦糖化反应在酸、碱条件下均可进行，但速度不同，如在pH为8时要比pH为5.9时快10倍。糖在强热的情况下生成两类物质：一类是糖的脱水产物，即焦糖或酱色；另一类是裂解产物，即一些挥发性的醛、酮类物质，它们进一步缩合、聚合，最终形成深色物质。
（5）发酵反应
发酵是一种十分复杂的生物化学反应过程，可分为有氧发酵和无氧发酵。通常所说的发酵，多指生物体对于有机物的某种分解过程。发酵是利用微生物在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。由于不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力，因此，利用不同的微生物就可以生产出人们所需要的多种产物。
糖是微生物发酵所利用的主要营养物质之一，可以被酵母、细菌、霉菌等所利用。如葡萄糖、果糖、甘露糖及半乳糖可直接被酵母菌利用，而麦芽糖、蔗糖、乳糖等低聚糖应先被水解后才可进行发酵。烹饪中的面团发酵主要是葡萄糖发酵，产生乙醇和二氧化碳，并伴有乳酸发酵，产生独特的酒香气，其反应式为：
制作酸乳饮料、泡菜和腌菜的发酵过程主要是乳酸发酵作用，产生乳酸，具有独特的风味，由于蔗糖、葡萄糖等具有发酵性，在食品加工中为了避免微生物造成的腐败变质，常用甜味剂替代。
（二）淀粉的性质及其在烹饪、储藏中的变化与应用
1.性质
淀粉是由葡萄糖组成的大分子多糖，天然淀粉是直链淀粉和支链淀粉组成的混合物。直链淀粉又称糖淀粉，能溶于热水。支链淀粉又称胶淀粉，与直链淀粉相比，支链淀粉具有分支，相对分子质量比直链淀粉大，不溶于水，在热水中则溶胀呈糊状。
抗性淀粉
直链淀粉和支链淀粉都是无甜味的白色粉末，无还原性、不能被托伦试剂和班氏试剂等弱氧化剂氧化；在冷水或乙醇中均不溶解，直链淀粉较易溶于热水，随着温度的升高，溶解度增大；遇碘会生成蓝色化合物，在酸或酶的作用下发生水解反应，直链淀粉比支链淀粉易水解；在热水中易糊化，温度降低后会老化。
2.在烹饪、储藏中的变化与应用
淀粉具有独特的理化性质及功能特性，在食品加工中具有广泛应用。上浆、挂糊、勾芡烹饪就是利用了淀粉的糊化和老化等性质。此外，油煎、炸富含碳水化合物的食品会产生丙烯酰胺。
丙烯酰胺不仅能够损伤机体的神经系统、生殖系统、遗传基因，而且还存在致癌性。丙烯酰胺的形成过程是一种极为复杂的多级反应过程，该过程包含离子型反应和自由基反应。
淀粉类食品（如薯条、饼干、面包等）在高温（＞120 ℃）烹调（油煎、油炸、烧烤）时，容易产生丙烯酰胺。丙烯酰胺产生的多少与油温、食物的种类、煎炸烧烤时间以及所用的油是否反复加热使用等因素均有密切关系，其含量一般随加工温度的升高而增高。麦粉类制品在煎炸油温达到170 ℃时，丙烯酰胺含量呈现缓慢上升的趋势；在煎炸油温达到210 ℃时，丙烯酰胺含量呈现急剧上升的趋势。在煎、炸过程中，丙烯酰胺最初形成于食品的外表面，经过热传导、辐射以及油温迁移，逐步渗透到食品内部。所以食品，特别是淀粉类食品不宜长时间煎炸。薯类油炸食品、谷物类油炸食品中丙烯酰胺含量较多，尤其是油炸土豆中的丙烯酰胺含量最高，尽量避免食用。
淀粉是绿色植物光合作用的产物，是植物体储存营养物质的一种形式，主要存在于植物的种子、块根、块茎等部位，其用途十分广泛。除可直接食用外，还可加工成各种变性淀粉、水解产品等。淀粉制成的食品，如粉丝、粉条等可以直接食用。淀粉作为原料可应用于方便面、火腿肠、冰激凌等食品和可降解塑料制品中。淀粉作为发酵原料可用于葡萄糖、氨基酸、酒精、抗菌素、食醋、味精、黏合剂及纸张、布匹的上胶剂等产品的生产。在制药上，淀粉常用作赋形剂等。
玉米淀粉中直链淀粉占27%，其余为支链淀粉；而糯米几乎全部是支链淀粉。有些豆类淀粉全是直链淀粉，直链淀粉比支链淀粉容易消化。
（三）纤维素的性质及烹饪、储藏中的变化与应用
1.性质
纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂，也不溶于稀碱溶液，是植物细胞壁的主要成分，在自然界中分布广、含量多，占植物界碳含量的50%以上。在一定条件下，纤维素在酶的催化下可发生水解反应，与氧化剂发生化学反应后，生成一系列与原来纤维素结构不同的物质。人的胃肠不能分泌纤维素水解酶，因此纤维素不能被人体消化吸收。
2.在烹饪、储藏中的变化与应用
在焙烤食品中使用的纤维素主要来源于谷物、果蔬。纤维素在小剂量添加范围内对面筋网络结构和面团有一定的改良作用，能延缓面包陈化率，增大面包和糕点体积，改善饼干咀嚼性，满足人们对高膳食纤维、低能量焙烤食品的需求。
纤维素稳定性也较好，不与食品中任何成分发生对人体不利的理化反应；另外长期食用富含有纤维素的食品，能促进胃肠蠕动，有益于防止便秘、抗肠癌，并可降低胆固醇，调节血脂、血糖。多吃蔬菜、水果以保持摄入一定量的纤维素对人体健康有重要意义。
纤维素是粉末状产品，遇水会结块，所以储存时首要注意的问题就是防潮，温度也不能过低，也不能有太多水汽，更不能出现水源。
（四）活性多糖的性质及其应用
活性多糖是由许多单糖分子结合而成的天然高分子化合物，是生命有机体的重要组成部分，广泛存在于植物和微生物细胞壁中，毒性小、安全性高、功能广泛，具有非常重要与特殊的生理活性，如灵芝多糖、枸杞多糖、香菇多糖、黑木耳多糖、海带多糖、松花粉多糖等。富含活性多糖的食物有香菇、蘑菇、黑木耳、银耳、金针菇、枸杞子、茶叶等。
活性多糖具有双向调节人体生理节奏的功能，活性多糖大多数可以刺激免疫活性，能增强网状内皮系统吞噬肿瘤细胞的作用，促进淋巴细胞转化，激活T细胞和B细胞，并促进抗体的形成，从而在一定程度上具有抗肿瘤的活性。活性多糖还能降低甲基胆蒽诱发肿瘤的发生率，对一些易发生广泛转移、不宜采取手术治疗和放射疗法的白血病、淋巴瘤等特别有价值。
（五）黏多糖的性质及应用
黏多糖又称氨基多糖，是含氮的不均一多糖，是构成细胞间结缔组织的主要成分，也广泛存在于哺乳动物各种细胞内。构成它的糖单元不止一种，有氨基己糖、己糖醛酸及其他己糖等。黏多糖存在于结缔组织中，是腺体分泌黏液的组成成分，它常与蛋白质结合成黏蛋白。
黏多糖具有多种药理活性，包括抗凝血、降血脂、抗病毒、抗肿瘤及抗放射等作用。已知黏多糖是动物药的常见活性成分，如在阿胶、鹿茸、牡蛎、穿山甲、虎骨等类药材中均含有黏多糖。
四、糖类食物来源和膳食参考摄入量
糖类食物（碳水化合物）来源广泛，我国居民膳食中的碳水化合物主要来自小麦、稻米、玉米、小米、高粱米等谷类，含量为70%～75%；绿豆、赤豆、豌豆、蚕豆等干豆类，含量为50%～60%；甜薯、马铃薯、芋头等薯类，含量为20%～25%。甘蔗和甜菜是蔗糖的主要来源，蔬菜和水果除含少量可利用的单糖、果糖外，还含有纤维素和果胶类。
中国营养学会建议适宜摄入量（AI）：碳水化合物所提供的能量应占总能量的 55%～65%，精制糖不超过总能量的10%。