碳水化合物
碳水化合物是人体最主要、最经济的能量来源，每克提供约 4 kcal（16.7 kJ）能量。其化学本质为多羟基醛或多羟基酮及其缩合物，按聚合度可分为单糖、双糖、寡糖和多糖。美国 IOM 设定的碳水化合物 RDA 为 130 g/天（基于大脑对葡萄糖的最低需求），AMDR 为总能量的 45%–65%。^[IOM (2005). Dietary Reference Intakes for Energy, Carbohydrate, Fiber, Fat, Fatty Acids, Cholesterol, Protein, and Amino Acids]^ ^[WHO (2015). Guideline: Sugars Intake for Adults and Children]^]
Overview
碳水化合物是植物通过光合作用合成的有机化合物，也是人体首选的能量底物。膳食碳水化合物经消化后主要分解为葡萄糖、果糖和半乳糖（单糖），吸收入血后用于即时供能、以糖原形式储存（肝脏约 100 g，肌肉约 400 g），或转化为脂肪储存。
碳水化合物的质量比数量更重要。WHO 强烈建议将游离糖（free sugars）摄入量限制在总能量摄入的 10% 以下，最好低于 5%。全谷物、豆类、蔬菜和水果等富含膳食纤维的复合碳水化合物与降低 2 型糖尿病、心血管疾病和结直肠癌风险相关；而含糖饮料、精制谷物和添加糖则与肥胖、代谢综合征和龋齿风险上升相关。
Key Facts
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 能量系数 | 4 kcal/g（16.7 kJ/g） |
| 成人 RDA | 130 g/天（基于大脑葡萄糖最低需求量） |
| AMDR | 45%–65% 总能量摄入 |
| 大脑葡萄糖需求 | 约 120 g/天（成人），大脑几乎完全依赖葡萄糖供能（饥饿状态下可部分使用酮体） |
| 肝糖原储备 | 约 80–100 g，维持空腹血糖稳定 |
| 肌糖原储备 | 约 300–500 g，为高强度运动供能 |
| WHO 游离糖上限 | <10% 总能量；理想 <5%（约 25 g/天） |
| 血糖指数 (GI) | 衡量含 50 g 碳水化合物的食物引起血糖升高的速度与幅度（白面包或葡萄糖为参考） |
| 血糖负荷 (GL) | GI × 每份可消化碳水化合物 (g) / 100，更反映实际餐后血糖反应 |
Functions & Benefits
1. 能量供应
碳水化合物是人体最高效的能量来源。葡萄糖通过糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化产生 ATP。中枢神经系统（尤其是大脑）在正常情况下几乎完全依赖葡萄糖供能。在长时间禁食或低碳水饮食中，肝脏可通过糖异生和酮体生成部分替代葡萄糖功能，但大脑对葡萄糖仍有最低需求。^[IOM (2005)]
2. 糖原储备
肝脏糖原在禁食期间分解为葡萄糖，维持空腹血糖在 3.9–5.6 mmol/L（70–100 mg/dL）。肌肉糖原仅在肌肉细胞内被利用，为高强度无氧运动（如短跑、力量训练）和中高强度有氧运动提供快速能量。
3. 节省蛋白质（蛋白质节约效应）
充足的碳水化合物摄入可减少糖异生对氨基酸的需求，使膳食蛋白质优先用于组织合成而非能量供应。在能量摄入不足时，蛋白质分解加速以提供糖异生前体，导致负氮平衡。
4. 脂肪氧化调节
碳水化合物代谢生成的草酰乙酸是三羧酸循环的关键中间产物。当碳水化合物极度缺乏时，脂肪氧化生成的乙酰辅酶 A 无法充分进入三羧酸循环，导致酮体积累（酮症）。适度酮症对某些人群（如癫痫患者）有益，但长期严重酮症可能导致代谢性酸中毒。
5. 肠道健康与膳食纤维
复合碳水化合物中的膳食纤维（详见 膳食纤维）是结肠微生物群的主要能量来源，发酵产生短链脂肪酸（SCFA，如丁酸、丙酸、乙酸），对肠屏障完整性和全身代谢具有重要作用。
Classification
单糖与双糖（简单碳水化合物）
| 糖类 | 来源 | 特点 |
|---|---|---|
| 葡萄糖 | 水果、蜂蜜、玉米糖浆 | 血液中主要糖类，GI=100（参考标准） |
| 果糖 | 水果、蜂蜜、高果糖玉米糖浆 | 肝脏代谢为主，不直接刺激胰岛素，但过量与脂肪肝和尿酸升高相关 |
| 半乳糖 | 乳糖分解产物 | 转化为葡萄糖后利用 |
| 蔗糖 | 食糖、甜菜糖、甘蔗糖 | 葡萄糖+果糖，GI≈65 |
| 乳糖 | 乳制品 | 葡萄糖+半乳糖，GI≈46；乳糖不耐受者缺乏乳糖酶 |
| 麦芽糖 | 麦芽、啤酒 | 两个葡萄糖分子，GI≈105 |
多糖（复合碳水化合物）
| 类型 | 来源 | 特点 |
|---|---|---|
| 淀粉 | 谷物、豆类、薯类 | 植物储能多糖，直链淀粉（20–30%）和支链淀粉（70–80%） |
| 糖原 | 动物肝脏和肌肉 | 动物储能多糖，结构与支链淀粉类似但分支更密 |
| 膳食纤维 | 全谷物、蔬菜、水果、豆类 | 不可消化碳水化合物，包括可溶性纤维和不可溶性纤维 |
| 抗性淀粉 | 冷却的熟土豆/米饭、青香蕉、豆类 | 抵抗小肠消化，在大肠发酵产生 SCFA |
Mechanisms
血糖调节
餐后血糖升高刺激胰腺 β 细胞释放胰岛素，促进肌肉和脂肪细胞对葡萄糖的摄取（通过 GLUT4 转运体），并抑制肝脏糖异生。血糖下降后，胰高血糖素分泌增加，促进肝糖原分解和糖异生，维持血糖稳定。
低 GI 食物（GI <55）消化慢，葡萄糖释放平缓，胰岛素峰值较低；高 GI 食物（GI >70）引起快速血糖和胰岛素波动，长期高 GI 饮食与胰岛素抵抗和 2 型糖尿病风险增加相关。^[IOM (2005)]
糖酵解与有氧氧化
葡萄糖在细胞质中经糖酵解生成丙酮酸，后者进入线粒体后：
- 在有氧条件下转化为乙酰辅酶 A，进入三羧酸循环和氧化磷酸化，产生约 30–32 ATP/葡萄糖；
- 在无氧条件下转化为乳酸，产生 2 ATP/葡萄糖，是高强度短持续运动的主要供能方式。
Dietary Reference Intakes
美国 IOM (2005) DRI
| 人群 | RDA (g/d) | AMDR (% 能量) |
|---|---|---|
| 成人 (19–50 岁) | 130 | 45–65% |
| 孕妇 | 175 | 45–65% |
| 哺乳期 | 210 | 45–65% |
| 儿童 (1–3 岁) | 130 | 45–65% |
| 儿童 (4–8 岁) | 130 | 45–65% |
| 儿童 (9–13 岁) | 130 | 45–65% |
| 青少年 (14–18 岁) | 130 | 45–65% |
注：130 g/天的 RDA 基于大脑对葡萄糖的最低代谢需求（约 120 g/d），加上红细胞和其他葡萄糖依赖组织的消耗。实际推荐摄入量通常更高（通常占能量 50–60%）。
WHO 游离糖限制
WHO (2015) 强烈建议：
- 成人和儿童应将游离糖摄入量降至总能量摄入的 10% 以下（约 50 g/天，基于 2000 kcal 饮食）；
- 进一步降至 5% 以下（约 25 g/天）可获得额外健康收益。
"游离糖"包括制造商、厨师或消费者添加到食物中的单糖和双糖，以及蜂蜜、糖浆、果汁和浓缩果汁中的天然糖，不包括完整水果、蔬菜和牛奶中的天然糖。
Deficiency & Excess
缺乏（极端低碳水/生酮状态）
- 低血糖：❤️.9 mmol/L（70 mg/dL），症状包括头晕、出汗、心悸、意识模糊。严重低血糖（<2.8 mmol/L）可导致昏迷和脑损伤。
- 酮症：肝脏将脂肪酸转化为酮体（β-羟基丁酸、乙酰乙酸、丙酮），作为大脑的替代燃料。轻度酮症（营养性生酮）在低碳饮食中被有意诱导，但严重酮症（如糖尿病酮症酸中毒，DKA）是危及生命的急症。
- 运动表现下降：肌糖原耗竭导致耐力运动能力下降，高强度间歇运动表现显著受限。
- 便秘：低纤维低碳水饮食可能减少粪便体积和肠道蠕动。
过量
- 肥胖：过量碳水化合物（尤其精制糖和高 GI 食物）在能量过剩时转化为脂肪储存。
- 2 型糖尿病：长期高 GI/GL 饮食与胰岛素抵抗和 β 细胞功能衰竭相关。
- 龋齿：可发酵碳水化合物是口腔细菌的底物，产生酸腐蚀牙釉质。
- 非酒精性脂肪肝病（NAFLD）：过量果糖摄入（尤其来自含糖饮料）增加肝脏脂肪从头合成。
- 心血管疾病：高糖饮食与甘油三酯升高、HDL 降低和炎症标志物升高相关。
Glycemic Index & Load
常见食物 GI 值
| 食物 | GI | GL/份 |
|---|---|---|
| 葡萄糖 | 100 | – |
| 白面包 | 75 | 10/片 |
| 白米饭（煮） | 73 | 23/碗 |
| 土豆（煮） | 78 | 16/个 |
| 全麦面包 | 69 | 9/片 |
| 燕麦片（钢切） | 55 | 13/碗 |
| 糙米 | 68 | 18/碗 |
| 扁豆 | 32 | 5/半杯 |
| 鹰嘴豆 | 28 | 8/杯 |
| 苹果 | 36 | 5/个 |
| 橙子 | 43 | 5/个 |
| 牛奶 | 37 | 4/杯 |
| 冰淇淋 | 51 | 8/半杯 |
注：GI 值因烹饪方法、品种、成熟度和测试人群而异。GI <55 为低 GI，56–69 为中 GI，≥70 为高 GI。
Food Sources
优质碳水来源（低 GI，高纤维）
| 食物 | 碳水化合物 (g/100g) | 纤维 (g/100g) | GI |
|---|---|---|---|
| 燕麦（钢切/传统） | 66 | 10 | 42–55 |
| 藜麦 | 64 | 7 | 53 |
| 糙米 | 77 | 3.5 | 68 |
| 全麦面包 | 41 | 7 | 69 |
| 红薯 | 20 | 3 | 63 |
| 扁豆（干） | 60 | 31 | 32 |
| 鹰嘴豆（干） | 61 | 17 | 28 |
| 黑豆（干） | 62 | 16 | 30 |
| 苹果 | 14 | 2.4 | 36 |
| 蓝莓 | 14 | 2.4 | 53 |
应限制的碳水来源
| 食物 | 特点 |
|---|---|
| 含糖饮料（汽水、果汁饮料） | 游离糖高，液体热量不增加饱腹感 |
| 糖果、甜点 | 高添加糖，低微量营养素密度 |
| 白面包、精制谷物 | 高 GI，纤维和 B 族维生素流失 |
| 烘焙食品 | 通常同时含高糖、高饱和脂肪和高钠 |
Supplements
运动碳水化合物补充剂
- 麦芽糊精（Maltodextrin）：由淀粉部分水解制成的葡萄糖聚合物，GI 高（85–105），易溶于水，口感清淡，是运动饮料和能量凝胶的主要成分。适合耐力运动中快速补充能量。
- 葡萄糖/右旋糖（Dextrose）：纯葡萄糖，吸收最快，GI=100。常用于运动后恢复，与蛋白质搭配促进胰岛素分泌和糖原再合成。
- 果糖：肝脏代谢为主，不刺激胰岛素，与葡萄糖按 2:1 比例混合（如某些能量凝胶配方）可提高肠道碳水吸收速率（利用 GLUT5 和 SGLT1 双转运体）。
- 异麦芽酮糖（Palatinose）：一种缓慢释放的双糖，GI≈32，提供持续能量供应，减少血糖波动。
- 环糊精（Cyclic Dextrin，Cluster Dextrin）：高度分支的环状麦芽糊精，胃排空快，渗透压低，不易引起胃肠不适，适合运动中摄入。
补充策略
- 耐力运动（>1 小时）：每小时摄入 30–60 g 碳水化合物（高 GI），以维持血糖和肌糖原。
- 运动后恢复：运动后 0–4 小时内按 1.0–1.2 g/kg 体重摄入碳水化合物，与 0.25–0.4 g/kg 蛋白质搭配，最大化糖原再合成。
- 日常补充：非运动人群通常不需要碳水补充剂，应从全谷物、豆类、水果和蔬菜中获取。
Interactions
- 膳食纤维：可溶性纤维（如 β-葡聚糖、果胶）延缓胃排空和葡萄糖吸收，降低餐后血糖峰值。不可溶性纤维增加粪便体积，促进肠道蠕动。
- 蛋白质：高蛋白饮食可降低高 GI 食物的餐后血糖反应（食物矩阵效应）。蛋白质与碳水化合物共同摄入促进胰岛素分泌，有利于运动后糖原恢复。
- 脂肪：高脂肪饮食延缓胃排空，可能降低碳水化合物的 GI，但长期高脂饮食与胰岛素抵抗相关。
- 铬：参与碳水化合物代谢，增强胰岛素敏感性（详见 铬）。
- 硫胺素（维生素 B1）：碳水化合物代谢的关键辅酶（硫胺素焦磷酸，TPP），高碳水摄入时 B1 需求增加。
Safety
- 一般安全：碳水化合物是安全的食物成分，IOM 未设定碳水化合物的 UL。
- 糖尿病：1 型和 2 型糖尿病患者需要监测碳水化合物摄入量，选择低 GI 食物，配合药物或胰岛素治疗。碳水计数法是糖尿病管理的常用工具。
- 乳糜泻：患者需严格避免含麸质的谷物（小麦、大麦、黑麦），选择无麸质碳水来源（大米、玉米、藜麦、荞麦、土豆）。
- 果糖不耐受：遗传性果糖不耐受（HFI）患者缺乏醛缩酶 B，需严格避免果糖和蔗糖。
- 口腔健康：频繁摄入可发酵碳水化合物（尤其粘性糖果和含糖饮料）显著增加龋齿风险。