基本概念
營養素
營養素(nutrient)是指為維護人體正常生理活動而需要環境提供的一些食物成分，它們是機體細胞生長、發育、修補和維持身體各種生理功能所需要的原材料，是人體新陳代謝的物質基礎，也提供人體生命活動所需要的能量。人體需要400多種營養素，其中六類物質最重要，被稱為六大營養素，即蛋白質、脂質、碳水化合物、維生素、無機鹽(礦物質)和水。其中碳水化合物、脂肪和蛋白質在食品中存在和攝入的量較大，稱為宏量營養素或常量營養素，而維生素和礦物質在平衡膳食中僅需少量，故稱為微量營養素。不少學者把膳食纖維也列為營養素並成為第七類營養素。 有些新認識的食物中固有的植物化學物質也具有某些生理作用和對健康有益的作用, 但目前還沒有被認為是人體所必需的物質。
人們在進食含有這些營養素的食品之後，機體可進一步利用它們，並用來製造許多為身體機能活動所必須的其他物質，如酶和激素等。從營養學和食品科學或食品加工的角度來說，應儘量保持這些營養素不受破壞。
人體必需營養素
目前已證實人類必需的營養素多達40餘種, 這些營養素必須通過食物攝入來滿足人體需要。其中蛋白質、脂類和碳水化合物不僅是構成機體的成分, 還可以提供能量。在人體必需的礦物質中, 有鈣、磷、鈉、鉀、鎂、氯、硫等必需常量元素和鐵、碘、鋅、硒、銅、鉻、鉬、鈷等微量元素。維生素可分為脂溶性維生素和水溶性維生素。維生素A、維生素D、維生素E、維生素K是脂溶性維生素, 維生素B1、維生素B2、維生素B6、維生素B12、維生素C、泛酸、葉酸、煙酸、膽鹼和生物素是水溶性維生素。除了這些營養素外, 水也是人體必需的。另外, 還有膳食纖維及其他植物化學物等膳食成分對維持健康也是必要的 。
宏量營養素
宏量營養素包括蛋白質、脂類和碳水化合物, 它們的共同特點都是能提供能量的物質,且人體需要量較大 。
蛋白質
人類從發現蛋白質到對蛋白質的重要屬性有較為清晰的認識經歷了二百多年的時間。蛋白質是構成生命物質的基礎, 是一切有生命的東西所必須具有的, 沒有蛋白質就沒有生命。從化學結構上來講, 蛋白質是一類很複雜的化學物質。蛋白質除含有氮、碳、氫、氧等元素外, 還含有硫元素, 有些蛋白質還結合有其他元素或微量元素, 如酪蛋白中含有磷元素,血紅蛋白中含有鐵元素, 甲狀腺球蛋白中含有碘元素等。雖然蛋白質中含有這樣或那樣的元素, 但構成蛋白質的基本單位則是胺基酸。現已發現人體內有20 多種胺基酸, 依據胺基酸能否在人體內合成, 是否必須通過膳食來補充分為必需胺基酸和非必需胺基酸。必需胺基酸包括賴氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、色氨酸、苯丙氨酸。對於兒童來說, 組氨酸也是必需胺基酸, 因為兒童不能合成足夠多的組氨酸來滿足身體的需要。另外的一些胺基酸可以在體內合成, 或由必需胺基酸轉變而成, 稱為非必需胺基酸。所有這些胺基酸互相搭配組合, 構成了多種多樣的蛋白質, 進而參與形成各式各樣的細胞, 實現其各自的生理功能。在人體所必需的幾大類營養物質中, 蛋白質起著特殊而又中心性的作用。
蛋白質主要生理功能:
(1)人體重要的組成成分, 促進機體生長或修補、更新人體組織。蛋白質是構成人體細胞和組織不可缺少的物質, 是人體中氮的惟一來源, 蛋白質的含量約占人體16 %左右。
(2)參與體內重要物質的組成, 如構成酶、激素和抗體, 調節機體各種生理過程。
(3)提供能量, 每克蛋白質提供4kCal 的能量。
另外, 蛋白質還參與體內水分的正常分布、體液酸鹼平衡的調節, 以及遺傳信息的傳遞等生理過程。
脂類
脂類是脂肪酸所組成的物質, 除了我們通常所說的脂肪以外, 還包括磷脂、糖脂、固醇、類固醇等。在食物化學中, 脂類是指能用非極性溶劑提取的物質。動植物中脂肪酸的種類很多, 但基本是由4-24 個偶數碳原子組成的直鏈脂肪酸。根據其組成的不同, 脂類分為中性脂肪和類脂, 中性脂肪即是甘油三酯、甘油一酯、甘油二酯, 甘油一酯和二酯在自然界含量甚微。類脂是一類含有脂肪酸的複雜化合物, 又分為磷脂類、鞘脂類、糖脂、脂蛋白和類固醇等。磷脂是指含有磷酸、脂肪酸和氮的化合物, 如卵磷脂、腦磷脂;鞘脂是指含有磷酸、脂肪酸、膽鹼和氨基醇的化合物;糖脂和脂蛋白分別指脂肪酸與糖或蛋白質結合的物質。根據其碳鏈不同, 脂肪酸可分為短鏈(4-6C)、中鏈(8-12C)和長鏈(14C 以上)脂肪酸。根據碳鏈上雙鍵數量, 也可分為飽和(不含雙鍵)、單不飽和(一個雙鍵)、多不飽和脂肪酸(2 個雙鍵以上)。根據人體能自身合成, 或必須由食物提供,脂肪酸又分為必需和非必需脂肪酸。亞油酸是公認的必需脂肪酸, 花生四烯酸(AA)在人體可由其衍生而來。亞麻酸也屬於必需脂肪酸。其可衍生為二十碳五烯酸(EPA)、二十碳六烯酸(DHA)。脂肪酸是構成甘油三脂和磷脂的基本成分。
脂類的生理功能:
(1)供給和貯存能量。通常1 克脂肪在體內氧化分解後可以產生9kCal 的能量, 遠高於1克蛋白質或碳水化合物所提供的能量。所以,有人將脂肪稱為膳食中的濃縮能源。當然, 當攝入過多的能量後, 還會以脂肪的形式貯存在體內。
(2)脂溶性維生素的天然載體。食物中的油脂有攜帶脂溶性維生素的功能, 維生素A 、D 、E 、K 等脂溶性維生素均溶解在脂肪中, 如魚肝油和奶油富含維生素A 、D , 葵花籽油、花生油中含維生素E 較高等。因此, 膳食脂肪是脂溶性維生素的重要來源。另外, 脂肪還能夠促進脂溶性維生素的吸收。
(3)參與構成一些重要的生理物質。脂類是構成細胞膜的重要成分。膽固醇還是合成類固醇激素、維生素D 和膽汁酸的原料。
(4)供給必需脂肪酸。脂肪酸是構成脂肪、磷脂和糖脂的重要組成部分。在多不飽和脂肪酸中, 亞油酸、亞麻酸人體不能將其合成, 而必須從食物脂肪獲得。必需脂肪酸是促進嬰幼兒生長發育和合成前列腺素不可缺少的物質,與人體健康密切相關。
另外, 食物中的脂肪可以提高食物的色香味, 增加食慾;還可以增加飽腹感。人體內貯存的皮下脂肪具有阻止體熱散失、維持體溫的作用;分布在器官周圍的脂肪還起到緩衝震盪、固定和保護臟器的作用。
碳水化合物
碳水化合物是含有碳、氫、氧3 個元素組成的一類化合物。由於此類物質分子式中氫和氧的比例恰好是2∶1 , 與水相同, 就像是碳和水的化合物, 因而稱為碳水化合物。低分子量的碳水化合物有甜味, 所以碳水化合物又稱作糖。碳水化合物是自然界中最豐富的有機物,按照1999 年世界衛生組織和國際糧農組織的劃分, 碳水化合物可分為糖、寡糖和多糖。
近年來, 國際上對碳水化合物的研究取得了突破性進展, 為預防慢性病的發生, 鼓勵增加碳水化合物的攝入量、減少脂肪攝入量已成為許多國家膳食指南中的共識。由此亦可見碳水化合物對於生命活動之重要。
碳水化合物的生理功能:
(1)儲存和提供能量。膳食碳水化合物是人類獲取能量的最經濟和最主要的來源。每克葡萄糖在體內氧化可以產生16.7kJ (4kCal)的能量。維持人體健康所需要的能量中, 55%-65%由碳水化合物提供。糖原是肌肉和肝臟碳水化合物的儲存形式, 肝臟約儲存機體內1/ 3的糖原。一旦機體需要, 肝臟中的糖原即可分解為葡萄糖以提供能量。碳水化合物在體內釋放能量較快, 供能也快, 是神經系統和心肌的主要能源, 也是肌肉活動時的主要燃料, 對維持神經系統和心臟的正常供能, 增強耐力, 提高工作效率都有重要意義。
(2)構成組織及重要生命物質。碳水化合物是構成機體組織的重要物質, 並參與細胞的組成和多種活動。每個細胞都有碳水化物, 其含量約為2 %～ 10 %, 主要以糖脂、糖蛋白和蛋白多糖的形式存在。分布在細胞膜、細胞器膜、細胞漿, 以及細胞間基質中糖和脂形成的糖脂是細胞與神經組織的結構成分之一。除每個細胞都有碳水化合物外, 糖結合物還廣泛存在於各組織中。腦和神經組織中含大量糖脂,主要分布在髓鞘上。腎上腺、胃、脾、肝、肺、胸腺、視網膜、紅細胞、白細胞等都含糖脂。一些具有重要生理功能的物質, 如抗體、酶和激素的組成成分, 也需碳水化合物參與。
(3)節約蛋白質作用。機體需要的能量,主要由碳水化合物提供, 當膳食中碳水化合物供應充分時, 機體為了滿足自身對葡萄糖的需要, 則通過糖原異生作用產生葡萄糖, 既攝入足夠量的碳水化合物能預防體內或膳食蛋白質消耗, 不需要動用蛋白質來供能, 即碳水化合物對蛋白質具有節約保護作用。碳水化合物供應充足, 體內有足夠的三磷酸醯酐產生, 也有利於胺基酸的主動轉運。
(4)抗生酮作用。脂肪在體內分解代謝,需要葡萄糖的協同作用。脂肪酸被分解所產生的乙醯基需要與草醯乙酸結合進入三羧酸循環,而最終被徹底氧化和分解產生能量。當膳食中碳水化合物供應不足時, 草醯乙酸供應相應減少;而體內脂肪或食物脂肪被動員並加速分解為脂肪酸來供應能量。這一代謝過程中, 由於草醯乙酸不足, 脂肪酸不能徹底氧化而產生過多的酮體, 酮體不能及時被氧化而在體內蓄積,以致產生酮血症和酮尿症。膳食中充足的碳水化合物可以防止上述現象的發生, 因此稱為碳水化合物的抗生酮作用。
(5)解毒作用。經糖醛酸途徑生成的葡萄糖醛酸, 是體內一種重要的結合解毒劑, 在肝臟中能與許有害物質如細菌毒素、酒精、砷等結合, 以消除或減輕這些物質的毒性或生物活性, 從而起到解毒作用。最近的研究證實, 不消化的碳水化合物在腸道菌的作用下發酵所產生的短鏈脂肪酸(short chain fat ty acid , SCFA)有著廣泛的解毒或者健康作用。非離子化酸性SCFA 的生成可促進Na+與H+交換, 刺激Na+的吸收;丁酸還通過產能提供ATP 增加細胞內CO2 , 經碳酸酐酶作用產生H+而促進Na+與H+交換;Na+的吸收又刺激了SCFA-的吸收。結腸黏膜上皮細胞對Na +吸收增加, 繼之增加水的吸收, 這正是由飲食性纖維生成的SCFA 具有抗腹瀉作用這一假設的理論依據。
(6)增強腸道功能。非澱粉多糖類如纖維素和果膠、抗性澱粉、功能性低聚糖等抗消化的碳水化合物, 雖不能在小腸消化吸收, 但刺激腸道蠕動, 增加了結腸的發酵, 發酵產生的短鏈脂肪酸和腸道菌群增埴, 有助於正常消化和增加排便量。能促進腸道特定菌群的生長繁殖不消化的碳水化物常被稱為“益生元” 。如特異性的促進雙歧桿菌或乳酸桿菌等益生菌的生長。從目前資料, 低聚果糖和菊粉有益生元樣作用。
