基本营养物质

引入

为什么人需要吃米饭、面包、肉类、油脂?

糖类、油脂、蛋白质在体内分别起什么作用?

为什么这些物质被称为”营养物质”?

它们的化学本质是什么?

人体需要从食物中获取能量和构建物质。糖类、油脂、蛋白质是三大营养物质,它们不仅提供能量,还参与构成细胞、调节代谢。维生素和无机盐虽然需要量少,但同样重要。

理解基本营养物质,不只是记住几个名称和作用,而是理解它们的化学结构、消化吸收过程、在体内的代谢途径,以及如何合理搭配饮食。

正文

定义

基本营养物质是指维持人体正常生命活动所必需的物质,主要包括糖类、油脂、蛋白质、维生素、无机盐和水六大类。

糖类

定义和分类

糖类又叫碳水化合物,是多羟基醛或多羟基酮及其衍生物的总称。大多数糖类的通式可以表示为 $\mathrm{C}{}_n(\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}){}_m$,但这不是严格定义。

分类	定义	代表物质	分子式
单糖	不能水解的糖	葡萄糖、果糖、核糖	$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6$(己糖)
二糖	水解后生成两分子单糖的糖	蔗糖、麦芽糖、乳糖	$\mathrm{C}{}_{12}\mathrm{H}{}_{22}\mathrm{O}{}_{11}$
多糖	水解后生成多个单糖分子的糖	淀粉、纤维素、糖原	$(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5){}_n$

葡萄糖

葡萄糖是最重要的单糖,是人体主要的能量来源。

结构式:

$\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}-\mathrm{CHOH}-\mathrm{CHOH}-\mathrm{CHOH}-\mathrm{CHOH}-\mathrm{CHO}$

葡萄糖分子中含有醛基 $-\mathrm{CHO}$ 和多个羟基 $-\mathrm{OH}$。

物理性质:

性质	描述
颜色	白色晶体
味道	甜味,但甜度低于蔗糖
溶解性	易溶于水

化学性质:

反应类型	说明	反应式
氧化反应	醛基能被弱氧化剂氧化	$\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){}_4\mathrm{CHO}+2[\mathrm{Ag}(\mathrm{NH}{}_3){}_2]\mathrm{OH}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){}_4\mathrm{COONH}{}_4+2\mathrm{Ag}\downarrow +3\mathrm{NH}{}_3+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$
银镜反应	葡萄糖与银氨溶液反应,生成银单质附着在试管壁上	上式,现象是试管内壁出现光亮的银镜
与新制氢氧化铜反应	加热后生成砖红色沉淀 $\mathrm{Cu}{}_2\mathrm{O}$	$\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){}_4\mathrm{CHO}+2\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}){}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){}_4\mathrm{COOH}+\mathrm{Cu}{}_2\mathrm{O}\downarrow +2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$
还原反应	醛基能被还原成羟基	/
酯化反应	羟基能与羧酸发生酯化反应	/

葡萄糖能发生银镜反应和与新制氢氧化铜反应,说明葡萄糖具有醛的性质,属于多羟基醛。

生理功能:

• 人体主要能量来源,在细胞中氧化分解释放能量
• 血糖的主要成分,正常人空腹血糖浓度约 $0.8\sim 1.2g/L$
• 参与合成糖原、脂肪等物质

葡萄糖的氧化:

$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6+6\mathrm{O}{}_2\stackrel{酶}{\to }6\mathrm{CO}{}_2+6\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\Delta H=-2804kJ/mol$

这是人体细胞呼吸的主要反应,也是人体获得能量的主要途径。

果糖

果糖也是重要的单糖,分子式与葡萄糖相同 $\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6$,但结构不同,属于多羟基酮。

• 果糖是自然界中最甜的糖
• 大量存在于水果和蜂蜜中
• 果糖也能发生银镜反应(因为在碱性条件下能转化为醛式结构)

蔗糖

蔗糖是最常见的二糖,存在于甘蔗、甜菜中。

分子式:$\mathrm{C}{}_{12}\mathrm{H}{}_{22}\mathrm{O}{}_{11}$

性质:

• 白色晶体,易溶于水,有甜味
• 不能发生银镜反应(因为没有游离的醛基)
• 能水解生成葡萄糖和果糖

$\mathrm{C}{}_{12}\mathrm{H}{}_{22}\mathrm{O}{}_{11}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{酸或酶}{\to }\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6(葡萄糖)+\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6(果糖)$

麦芽糖

麦芽糖是由两分子葡萄糖缩合而成的二糖。

分子式:$\mathrm{C}{}_{12}\mathrm{H}{}_{22}\mathrm{O}{}_{11}$

性质:

• 有还原性,能发生银镜反应(因为有一个游离的醛基)
• 能水解生成葡萄糖

$\mathrm{C}{}_{12}\mathrm{H}{}_{22}\mathrm{O}{}_{11}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{酸或酶}{\to }2\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6(葡萄糖)$

淀粉

淀粉是植物储存能量的主要形式,存在于米、面、马铃薯等食物中。

分子式:$(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5){}_n$

性质:

• 白色粉末,不溶于冷水,在热水中形成糊状物(淀粉糊)
• 遇碘变蓝色(这是检验淀粉的特征反应)
• 能水解,最终生成葡萄糖

$(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5){}_n+n\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{酸或酶}{\to }n\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6$

淀粉在口腔中被唾液淀粉酶初步水解成麦芽糖,在小肠中进一步水解成葡萄糖被吸收。

纤维素

纤维素是植物细胞壁的主要成分,也是自然界中含量最丰富的有机物。

分子式:$(\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{10}\mathrm{O}{}_5){}_n$

纤维素和淀粉的分子式相同,但结构不同,所以性质不同。

性质:

• 不溶于水和一般有机溶剂
• 遇碘不变色
• 能水解生成葡萄糖,但人体内没有分解纤维素的酶
• 可以制造纸张、纤维、炸药等

虽然人体不能消化纤维素,但纤维素能促进肠道蠕动,帮助消化,是重要的膳食纤维。

油脂

定义和组成

油脂是高级脂肪酸与甘油形成的酯,也叫甘油酯或脂肪。

通式:

$\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{O}-\mathrm{CO}-\mathrm{R}{}_1$ $|\mathrm{CH}-\mathrm{O}-\mathrm{CO}-\mathrm{R}{}_2$ $\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{O}-\mathrm{CO}-\mathrm{R}{}_3$

其中 $\mathrm{R}{}_1$、$\mathrm{R}{}_2$、$\mathrm{R}{}_3$ 是长链烃基,通常含有 $12\sim 18$ 个碳原子。

分类:

类型	常温状态	来源	脂肪酸类型
脂肪	固态	动物(猪油、牛油)	饱和脂肪酸为主
油	液态	植物(花生油、豆油)	不饱和脂肪酸为主

物理性质

• 密度比水小,不溶于水
• 油脂是良好的溶剂,能溶解多种有机物
• 熔点与脂肪酸的不饱和度有关:不饱和度越高,熔点越低

化学性质

水解反应

油脂在酸或碱催化下能水解。

酸催化水解:

$\mathrm{CH}{}_2(\mathrm{OOCR}){}_2\mathrm{CH}(\mathrm{OOCR}{}^{\prime })\mathrm{CH}{}_2(\mathrm{OOCR}{}^{\prime \prime })+3\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{酸或酶}{\to }\mathrm{CH}{}_2(\mathrm{OH})\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{CH}{}_2(\mathrm{OH})+\mathrm{RCOOH}+\mathrm{R}{}^{\prime }\mathrm{COOH}+\mathrm{R}{}^{\prime \prime }\mathrm{COOH}$

生成甘油和脂肪酸。

碱催化水解(皂化反应):

$\mathrm{CH}{}_2(\mathrm{OOCR}){}_2\mathrm{CH}(\mathrm{OOCR}{}^{\prime })\mathrm{CH}{}_2(\mathrm{OOCR}{}^{\prime \prime })+3\mathrm{NaOH}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{CH}{}_2(\mathrm{OH})\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{CH}{}_2(\mathrm{OH})+\mathrm{RCOONa}+\mathrm{R}{}^{\prime }\mathrm{COONa}+\mathrm{R}{}^{\prime \prime }\mathrm{COONa}$

生成甘油和高级脂肪酸钠(肥皂)。这个反应叫皂化反应。

硬化反应

不饱和油脂在催化剂作用下能与氢气发生加成反应,转化为饱和脂肪。

$\mathrm{C}{}_n\mathrm{H}{}_{2n-x}(\mathrm{COO}){}_3\mathrm{C}{}_3\mathrm{H}{}_5+x\mathrm{H}{}_2\underset{\mathrm{\Delta }}{\overset{\mathrm{Ni}}{\to }}\mathrm{C}{}_n\mathrm{H}{}_{2n}(\mathrm{COO}){}_3\mathrm{C}{}_3\mathrm{H}{}_5$

这是工业上制造人造黄油(植物黄油)的方法。

氧化反应

油脂能被氧气缓慢氧化,产生难闻气味,这就是油脂酸败。

含不饱和键的油脂更容易氧化酸败,所以保存时要避光、密封、低温。

油脂的功能

• 提供能量,是能量密度最高的营养物质($1\mathrm{g}$ 油脂约产生 $37\mathrm{kJ}$ 能量)
• 储存能量,皮下脂肪可以保温
• 保护内脏器官
• 提供必需脂肪酸(如亚油酸、亚麻酸)
• 帮助吸收脂溶性维生素(A、D、E、K)

蛋白质

蛋白质是生命活动的主要承担者,是细胞的重要组成成分。

**组成:**蛋白质由 C、H、O、N 元素组成,有些还含有 S、P 等元素。

**结构:**蛋白质是由氨基酸通过肽键连接而成的高分子化合物。

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}-\mathrm{COOH}$

氨基酸通过脱水缩合形成肽键 $-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}{}^{-}$:

$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}{}_1-\mathrm{COOH}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}{}_2-\mathrm{COOH}\to \mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CHR}{}_1-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}-\mathrm{CHR}{}_2-\mathrm{COOH}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

性质:

• 能水解,最终生成氨基酸
• 遇浓硝酸变黄(蛋白质的颜色反应)
• 受热、强酸、强碱、重金属盐等作用会变性(结构破坏,失去生理活性)
• 某些蛋白质具有酶的催化作用

功能:

• 构成细胞和组织
• 催化生化反应(酶)
• 运输物质(如血红蛋白运输氧气)
• 免疫防御(抗体)
• 调节代谢(激素)

必需氨基酸:

人体需要 20 种氨基酸,其中 8 种不能自己合成,必须从食物中获取,叫必需氨基酸。

维生素

维生素是维持正常生理功能所必需的一类小分子有机化合物,需要量很少,但缺乏会导致疾病。

维生素	主要功能	缺乏症	来源
维生素A	维持视力、皮肤健康	夜盲症、皮肤干燥	胡萝卜、动物肝脏
维生素B1	参与糖代谢	脚气病	粗粮、豆类
维生素C	抗氧化、增强免疫力	坏血病	新鲜蔬菜水果
维生素D	促进钙吸收	佝偻病、骨质疏松	鱼肝油、阳光照射

无机盐和水

无机盐:

元素	功能	缺乏症
钙	构成骨骼和牙齿	佝偻病、骨质疏松
铁	构成血红蛋白	贫血
碘	构成甲状腺激素	甲状腺肿大
锌	促进生长发育	生长迟缓、食欲不振

水:

• 是人体含量最多的物质(约占体重 $60\%\sim 70\%$)
• 是细胞的主要成分
• 参与物质运输和代谢
• 调节体温

引出

为什么糖尿病患者要控制糖类摄入?

为什么减肥要控制油脂摄入?

为什么素食者也要注意蛋白质补充?

如何合理搭配饮食,保证营养均衡?