人类从发现蛋白质到对蛋白质的重要属性有较为清晰的认识经历了二百多年的时间。蛋白质是构成生命物质的基础, 是一切有生命的东西所必须具有的, 没有蛋白质就没有生命。从化学结构上来讲, 蛋白质是一类很复杂的化学物质。蛋白质除含有氮、碳、氢、氧等元素外, 还含有硫元素, 有些蛋白质还结合有其他元素或微量元素, 如酪蛋白中含有磷元素,血红蛋白中含有铁元素, 甲状腺球蛋白中含有碘元素等。虽然蛋白质中含有这样或那样的元素, 但构成蛋白质的基本单位则是氨基酸。现已发现人体内有20 多种氨基酸, 依据氨基酸能否在人体内合成, 是否必须通过膳食来补充分为必需氨基酸和非必需氨基酸。必需氨基酸包括赖氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸、色氨酸、苯丙氨酸。对于儿童来说, 组氨酸也是必需氨基酸, 因为儿童不能合成足够多的组氨酸来满足身体的需要。另外的一些氨基酸可以在体内合成, 或由必需氨基酸转变而成, 称为非必需氨基酸。所有这些氨基酸互相搭配组合, 构成了多种多样的蛋白质, 进而参与形成各式各样的细胞, 实现其各自的生理功能。在人体所必需的几大类营养物质中, 蛋白质起着特殊而又中心性的作用。

蛋白质主要生理功能:

(1)人体重要的组成成分, 促进机体生长或修补、更新人体组织。蛋白质是构成人体细胞和组织不可缺少的物质, 是人体中氮的惟一来源, 蛋白质的含量约占人体16 %左右。

(2)参与体内重要物质的组成, 如构成酶、激素和抗体, 调节机体各种生理过程。

(3)提供能量, 每克蛋白质提供4kCal 的能量。

另外, 蛋白质还参与体内水分的正常分布、体液酸碱平衡的调节, 以及遗传信息的传递等生理过程。

脂类是脂肪酸所组成的物质, 除了我们通常所说的脂肪以外, 还包括磷脂、糖脂、固醇、类固醇等。在食物化学中, 脂类是指能用非极性溶剂提取的物质。动植物中脂肪酸的种类很多, 但基本是由4-24 个偶数碳原子组成的直链脂肪酸。根据其组成的不同, 脂类分为中性脂肪和类脂, 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。类脂是一类含有脂肪酸的复杂化合物, 又分为磷脂类、鞘脂类、糖脂、脂蛋白和类固醇等。磷脂是指含有磷酸、脂肪酸和氮的化合物, 如卵磷脂、脑磷脂;鞘脂是指含有磷酸、脂肪酸、胆碱和氨基醇的化合物;糖脂和脂蛋白分别指脂肪酸与糖或蛋白质结合的物质。根据其碳链不同, 脂肪酸可分为短链(4-6C)、中链(8-12C)和长链(14C 以上)脂肪酸。根据碳链上双键数量, 也可分为饱和(不含双键)、单不饱和(一个双键)、多不饱和脂肪酸(2 个双键以上)。根据人体能自身合成, 或必须由食物提供,脂肪酸又分为必需和非必需脂肪酸。亚油酸是公认的必需脂肪酸, 花生四烯酸(AA)在人体可由其衍生而来。亚麻酸也属于必需脂肪酸。其可衍生为二十碳五烯酸(EPA)、二十碳六烯酸(DHA)。脂肪酸是构成甘油三脂和磷脂的基本成分。

脂类的生理功能:

(1)供给和贮存能量。通常1 克脂肪在体内氧化分解后可以产生9kCal 的能量, 远高于1克蛋白质或碳水化合物所提供的能量。所以,有人将脂肪称为膳食中的浓缩能源。当然, 当摄入过多的能量后, 还会以脂肪的形式贮存在体内。

(2)脂溶性维生素的天然载体。食物中的油脂有携带脂溶性维生素的功能, 维生素A 、D 、E 、K 等脂溶性维生素均溶解在脂肪中, 如鱼肝油和奶油富含维生素A 、D , 葵花籽油、花生油中含维生素E 较高等。因此, 膳食脂肪是脂溶性维生素的重要来源。另外, 脂肪还能够促进脂溶性维生素的吸收。

(3)参与构成一些重要的生理物质。脂类是构成细胞膜的重要成分。胆固醇还是合成类固醇激素、维生素D 和胆汁酸的原料。

(4)供给必需脂肪酸。脂肪酸是构成脂肪、磷脂和糖脂的重要组成部分。在多不饱和脂肪酸中, 亚油酸、亚麻酸人体不能将其合成, 而必须从食物脂肪获得。必需脂肪酸是促进婴幼儿生长发育和合成前列腺素不可缺少的物质,与人体健康密切相关。

另外, 食物中的脂肪可以提高食物的色香味, 增加食欲;还可以增加饱腹感。人体内贮存的皮下脂肪具有阻止体热散失、维持体温的作用;分布在器官周围的脂肪还起到缓冲震荡、固定和保护脏器的作用。

碳水化合物是含有碳、氢、氧3 个元素组成的一类化合物。由于此类物质分子式中氢和氧的比例恰好是2∶1 , 与水相同, 就像是碳和水的化合物, 因而称为碳水化合物。低分子量的碳水化合物有甜味, 所以碳水化合物又称作糖。碳水化合物是自然界中最丰富的有机物,按照1999 年世界卫生组织和国际粮农组织的划分, 碳水化合物可分为糖、寡糖和多糖。

近年来, 国际上对碳水化合物的研究取得了突破性进展, 为预防慢性病的发生, 鼓励增加碳水化合物的摄入量、减少脂肪摄入量已成为许多国家膳食指南中的共识。由此亦可见碳水化合物对于生命活动之重要。

碳水化合物的生理功能:

(1)储存和提供能量。膳食碳水化合物是人类获取能量的最经济和最主要的来源。每克葡萄糖在体内氧化可以产生16.7kJ (4kCal)的能量。维持人体健康所需要的能量中, 55%-65%由碳水化合物提供。糖原是肌肉和肝脏碳水化合物的储存形式, 肝脏约储存机体内1/ 3的糖原。一旦机体需要, 肝脏中的糖原即可分解为葡萄糖以提供能量。碳水化合物在体内释放能量较快, 供能也快, 是神经系统和心肌的主要能源, 也是肌肉活动时的主要燃料, 对维持神经系统和心脏的正常供能, 增强耐力, 提高工作效率都有重要意义。

(2)构成组织及重要生命物质。碳水化合物是构成机体组织的重要物质, 并参与细胞的组成和多种活动。每个细胞都有碳水化物, 其含量约为2 %～ 10 %, 主要以糖脂、糖蛋白和蛋白多糖的形式存在。分布在细胞膜、细胞器膜、细胞浆, 以及细胞间基质中糖和脂形成的糖脂是细胞与神经组织的结构成分之一。除每个细胞都有碳水化合物外, 糖结合物还广泛存在于各组织中。脑和神经组织中含大量糖脂,主要分布在髓鞘上。肾上腺、胃、脾、肝、肺、胸腺、视网膜、红细胞、白细胞等都含糖脂。一些具有重要生理功能的物质, 如抗体、酶和激素的组成成分, 也需碳水化合物参与。

(3)节约蛋白质作用。机体需要的能量,主要由碳水化合物提供, 当膳食中碳水化合物供应充分时, 机体为了满足自身对葡萄糖的需要, 则通过糖原异生作用产生葡萄糖, 既摄入足够量的碳水化合物能预防体内或膳食蛋白质消耗, 不需要动用蛋白质来供能, 即碳水化合物对蛋白质具有节约保护作用。碳水化合物供应充足, 体内有足够的三磷酸酰酐产生, 也有利于氨基酸的主动转运。

(4)抗生酮作用。脂肪在体内分解代谢,需要葡萄糖的协同作用。脂肪酸被分解所产生的乙酰基需要与草酰乙酸结合进入三羧酸循环,而最终被彻底氧化和分解产生能量。当膳食中碳水化合物供应不足时, 草酰乙酸供应相应减少;而体内脂肪或食物脂肪被动员并加速分解为脂肪酸来供应能量。这一代谢过程中, 由于草酰乙酸不足, 脂肪酸不能彻底氧化而产生过多的酮体, 酮体不能及时被氧化而在体内蓄积,以致产生酮血症和酮尿症。膳食中充足的碳水化合物可以防止上述现象的发生, 因此称为碳水化合物的抗生酮作用。

(5)解毒作用。经糖醛酸途径生成的葡萄糖醛酸, 是体内一种重要的结合解毒剂, 在肝脏中能与许有害物质如细菌毒素、酒精、砷等结合, 以消除或减轻这些物质的毒性或生物活性, 从而起到解毒作用。最近的研究证实, 不消化的碳水化合物在肠道菌的作用下发酵所产生的短链脂肪酸(short chain fat ty acid , SCFA)有着广泛的解毒或者健康作用。非离子化酸性SCFA 的生成可促进Na+与H+交换, 刺激Na+的吸收;丁酸还通过产能提供ATP 增加细胞内CO2 , 经碳酸酐酶作用产生H+而促进Na+与H+交换;Na+的吸收又刺激了SCFA-的吸收。结肠粘膜上皮细胞对Na +吸收增加, 继之增加水的吸收, 这正是由饮食性纤维生成的SCFA 具有抗腹泻作用这一假设的理论依据。

(6)增强肠道功能。非淀粉多糖类如纤维素和果胶、抗性淀粉、功能性低聚糖等抗消化的碳水化合物, 虽不能在小肠消化吸收, 但刺激肠道蠕动, 增加了结肠的发酵, 发酵产生的短链脂肪酸和肠道菌群增埴, 有助于正常消化和增加排便量。能促进肠道特定菌群的生长繁殖不消化的碳水化物常被称为“益生元” 。如特异性的促进双歧杆菌或乳酸杆菌等益生菌的生长。从资料看, 低聚果糖和菊粉有益生元样作用。