碳水化合物是一个大家族，有多种分类方法，有的是按照功能分类，如结构多糖、储存多糖、抗原多糖；有的是按人体能否消化吸收分类，分为可利用的碳水化合物，即可以被人体消化吸收利用的各种糖类，另一类是不为人体利用的碳水化合物，例如纤维素；但更多的是按照聚合度（degree of polymerization，DP）分类。2007年，FAO/WHO专家委员会维持了按照聚合度分类的方法，并强调该分类是食品标签等计算的基础。碳水化合物是具有广谱化学结构的有机化合物，其化学本质为多羟醛或多羟酮及其一些衍生物，本节重点介绍常见碳水化合物的化学结构。

根据碳水化合物的聚合度，膳食中主要碳水化合物可分为糖、寡糖和多糖三类，分类详见表1-5-1。

自然界的碳水化合物通常都由一种简单的单糖所构成，通式为（CH ₂O） _n，（n≥3）。一个典型的单糖具有H-（CHOH） _x（C=O）-（CHOH） _y-H结构，也就是多羟基醛或多羟基酮。如葡萄糖、果糖、甘油醛等。

包括单糖、双糖和糖醇。

1.单糖（monosaccharide）是最简单的糖，通常条件下不能再被直接水解为分子更小的糖。单糖是构成各种寡糖和多糖的基本组成单位，每分子含3～9个碳原子。按碳链碳原子的多少，可分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖、辛糖及壬糖。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。有醛基者称为醛糖，有酮基者称为酮糖。重要的己醛糖有D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖。重要的己酮糖有D-果糖。在自然界中只有葡萄糖和果糖以大量的游离状态存在，其他一些单糖主要存在于双糖或多糖中。

（1）葡萄糖（glucose）：又名右旋糖（D-葡萄糖），分子式为C ₆（H ₂O） ₆，是最常见的糖，也是自然界最丰富的有机物。在血液、脑脊液、淋巴液、水果、蜂蜜以及多种植物液中都以游离形式存在，是构成多种寡糖和多糖的基本单位。葡萄糖在体内是一种极其重要的活跃代谢物，例如琼脂、阿拉伯树胶、牧豆树树胶、落叶松树胶以及其他多种植物的树胶，可作为多种活性物质生物合成的原料或前体，如嘌呤、嘧啶、某些氨基酸、卟啉类、胆固醇及其衍生物、糖胺、糖蛋白、糖脂、脂肪中的甘油及脂肪酸、乳汁中的乳糖、某些动物体内的维生素C等。

（2）半乳糖（galactose，D-半乳糖）：又名脑糖，几乎全部以结合形式存在。它是乳糖、蜜二糖（melibiose）、水苏糖（stachyose）、棉籽糖（raffinose）等的组成成分。某些植物多糖及黏浆液水解后都可得到半乳糖。半乳糖在动物界的分布及含量都不多。它和葡萄糖结合成的乳糖仅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。半乳糖也是某些糖蛋白的组成成分。

（3）果糖（fructose，D-果糖）：又称左旋糖（levulose）。果糖通常与蔗糖共存在于水果汁及蜂蜜中，苹果及番茄中含量亦较多。菊科植物一般都含由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。果糖是天然碳水化合物中甜味最高的糖。如以蔗糖甜度为100，果糖的相对甜度可达120。游离的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。

2.双糖（disaccharide）是由两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（sucrose）：俗称白糖、砂糖或红糖。它是由一分子D-葡萄糖的半缩醛羟基与一分子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（lactose）：由一分子D-葡萄糖与一分子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（maltose）：由二分子葡萄糖借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）海藻糖（trehalose）：又名蘑菇糖、蕈糖，由2分子葡萄糖通过半缩醛羟基缩合而成，1858年从海藻中分离获得故名。海藻糖除了存在海藻外，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。

3.糖醇（sugar alcohol）是单糖或双糖的重要衍生物，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（sorbitoland mannitol）：两者互为同分异构体。山梨醇存在于许多植物的果实中，甘露醇在海藻、蘑菇中含量丰富。山梨醇可通过氢化葡萄糖制得，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。甘露醇可从一些海草中抽提，也可通过氢化甘露糖获得。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（xylitol）：存在于多种水果、蔬菜中的五碳醇。工业上可通过氢化木糖制得，其甜度与蔗糖相等。其代谢不受胰岛素调节，因而常作为甜味剂用于糖尿病患者的专用食品及许多药品中。

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

寡糖（oligose）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，主要是针对双糖的归类问题，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个单糖分子没有道理。故此，FAO根据专家建议，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异麦芽低聚寡糖、棉籽糖、水苏糖、低聚果糖、大豆低聚糖等，其甜度通常只有蔗糖的30%～60%。

1.异麦芽低聚寡糖（isomalto-oligosaccharide）又称异麦芽低聚糖、分支低聚糖（branchingoligosaccharide），是葡萄糖之间至少有一个以α-1，6-糖苷键结合而成的一类低聚糖，主要包括异麦芽糖、潘糖、异麦芽三糖和异麦芽四糖等。在自然界中，它主要作为支链淀粉或多糖的组成部分。在某些发酵食品如酱油，黄酒中有少量存在。由于其可促使人体内的双歧杆菌显著增殖，具有水溶性膳食纤维的功能和防龋齿等作用，因而在医疗保健、功能性食品以及食品添加剂等行业得到广泛的应用。

2.棉籽糖（raffinose）又称蜜三糖，是一种三糖。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。

3.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。

4.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个果糖分子结合而成，有蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖。低聚果糖的甜度约为蔗糖的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。

5.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、绿豆和花生等中均有存在。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。

多糖（polysaccharide）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（starch）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（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（图1-5-1），分子量为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（amylopectin）：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支再分支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）抗性淀粉（resistant，RS）：这一术语最早是由英国科学家Englyst提出，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又有了一个全新的认识。Englyst的方法是根据α-淀粉酶水解时间长短来分类不同的淀粉，在模拟胃肠道内环境的前提下，将20分钟时已水解的淀粉称为快消化淀粉（rapidly 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，一般可将其分为3种（表1-5-2），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而形成的。也有人将经过化学修饰的RS称为抗性淀粉RS4。

2.非淀粉多糖（non-starch polysaccharides，NSP）是指淀粉以外的多糖，80%～90%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。按照水溶性的不同，非淀粉多糖可分为可溶性非淀粉多糖（SNSP）和不可溶性非淀粉多糖（INSP）。一些非淀粉多糖以氢键松散地与纤维素、木质素、蛋白质结合，故可溶于水，存在于谷物细胞壁中。

（1）纤维素（cellulose）：一般由1000个至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。分子量约为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（hemicellulose）：绝大多数的半纤维素都是由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支结构。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（pectins）：亦称果胶物质（pectinc substance），一般指以D-半乳糖醛酸为主要成分的复合多糖的总称，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（L-arabnan）。

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。

3.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。