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- 食物来源
- 谷类、蔬菜、水果、奶制品等 [2]
研究简史
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直至18世纪，德国学者马格拉夫通过从甜菜中提取纯糖和从葡萄中分离出葡萄糖，碳水化合物的科学研究才迈入了快速发展的轨道。
1812年，一位俄罗斯化学家提出报告，指出植物中的碳水化合物主要以淀粉的形式存在，且在稀酸的加热作用下可水解生成葡萄糖。
自1818年法国物理学家让-巴蒂斯特·比奥特发现糖类溶液的旋光性以来，碳水化合物的探究已走过近200年的历程。不同时代的学者在碳水化合物的结构化学、立体化学、构象异构以及生物化学等领域积累了丰富的研究成果。
到了20世纪50年代，人类对碳水化合物的构造、构型、构象，以及其分解和合成代谢的理解已趋于全面，这为碳水化合物化学及生物化学奠定了坚实的基础。此外，对碳水化合物的深入研究还推动了立体化学、有机合成技术以及有机物构象理论的进步。在这一领域，众多杰出人才辈出，如埃米尔·费歇尔、沃尔特·霍沃思、奥德·哈塞尔、里夫斯、翁启惠等，他们为碳水化合物化学与生物学的发展作出了卓越贡献。
命名方式
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《碳水化合物命名方法》（1996年方案）对主要碳水化合物名词进行了定义，讨论了其习惯含义，给出详细的命名规则，内容包括：历史沿革、原单糖（parent monosaccharides）、非环式结构的Fischer投影式、常用符号和前缀、环式结构、端基异构、环式构象、醛糖、二醛糖、酮糖、二酮糖、酮醛糖、脱氧糖、氨基糖、硫糖、其他单糖取代物、不饱和单糖、分支糖、酸醇、醛糖酸、酮糖酸、糖酸酸、醛糖二酸、O-取代物、N-取代物、内酐、分子间酐、环状缩醛、半缩酮、半酮缩醛、自由基、阳离子和阴离子、糖苷和糖复合物、环上氧被杂元素取代、含其他环的碳水化合物、双糖、低聚糖、糖分结构的符号表达、多糖等39个部分，共有两万多字（英文）。IUPAC网站可以阅读该方案。
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分子结构
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单糖是构成碳水化合物的基本结构单元，所有碳水化合物都是单糖的聚合物和衍生物，因此单糖的化学结构决定了碳水化合物的结构形式和功能，成为碳水化合物化学和生物学性质的分子基础。未修饰过的单糖化学式可表达为：(C·H
2
O)
n
。单糖是一种重要的燃料分子，也是核酸的结构片段。最小的单糖中的n＝3，即二羟基丙酮或D-和L-甘油醛。
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碳水化合物结构式
基本分类
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所有的碳水化合物都是单糖的的聚合物和衍生物，按照不同的角度，有不同的分类
按分子大小分类
单糖（Monosaccharides）：最简单的碳水化合物，不能被水解成更简单的糖类。例如，葡萄糖、果糖、半乳糖。
单糖是糖的基本单位，不能再行水解。自然界中的单糖以四个、五个或六个碳原子最为普遍，食品中以戊糖和己糖较多，尤以己糖分布最广。
戊糖在自然界中大都以形成多糖的成分而存在，如阿拉伯糖存在于半纤维素中，稻草、木材中含有木糖的成分。戊糖不能被人体吸收。
己糖中最重要的有三种：葡萄糖、果糖、半乳糖。
（1）葡萄糖除了构成水果与蔬菜类甜味的成分，还以结合状态构成各种多糖及低聚糖，如淀粉、纤维素、半纤维素、麦芽糖、肝糖原等。葡萄糖的甜度相对来说不高，约为蔗糖的0.6倍。
（2）果糖是葡萄糖的异构糖，主要存在于水果中而得名，是甜度最高的糖，约为蔗糖的1.5倍。果糖吸湿性强。果糖与葡萄糖结合构成蔗糖，多数果糖结合成为多糖类的菊糖。果糖也是蜂蜜的糖分组成之一。
（3）半乳糖为无游离状态存在，与葡萄糖结合构成乳糖，存在于动物乳汁中。
双糖（Disaccharides）：由两个单糖分子通过糖苷键连接而成。例如，蔗糖、乳糖、麦芽糖。
（1）麦芽糖由二分子葡萄糖结合而成，可由淀粉水解得到，是饴糖的主要成分，甜度比蔗糖低，有还原性。
（2）蔗糖是食品中最重要的甜味料，由一个葡萄糖分子和一个果糖分子构成，无还原性，甘蔗和甜菜中含量最高。
（3）乳糖由半乳糖和葡萄糖构成，甜度约为蔗糖的0.7倍。乳糖是双糖中溶解度最小而又没有吸湿性的一种，在食品和医药工业中可作特殊用途。乳糖也具有还原性。
寡糖（Oligosaccharides）：由3到10个单糖分子组成。例如，纤维二糖、棉子糖。
多糖（Polysaccharides）：由许多单糖分子组成的大分子。例如，淀粉、纤维素、糖原。
按结构分类
直链糖：单糖分子以直链形式存在。
支链糖：单糖分子带有分支链。
环状糖：单糖分子形成环状结构，这是单糖在自然界中的主要存在形式。
按功能分类
能量储存糖：如淀粉和糖原，它们是植物和动物储存能量的形式。
结构糖：如纤维素，它是植物细胞壁的主要成分，提供结构支持。
功能糖：如糖蛋白和糖脂上的糖部分，它们在细胞识别、信号传递等生物过程中起重要作用。
按化学性质分类
醛糖（Aldoses）：单糖分子中含有醛基。
酮糖（Ketoses）：单糖分子中含有酮基。
糖醛酸（Uronic Acids）：单糖分子中的羟基被羧基取代。
氨基糖（Amino Sugars）：单糖分子中的一个或多个羟基被氨基取代。
按氧化程度分类
还原糖：如葡萄糖和果糖，它们含有游离的醛基或酮基，可以还原其他物质。
非还原糖：如蔗糖和纤维素，它们的糖苷键阻止了还原端的自由存在。
这些分类方法并不是相互独立的，一个碳水化合物可以同时属于多个分类。例如，葡萄糖既是单糖，也是醛糖，还可以是还原糖。
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化学性质
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1、单糖中醛基和酮基形成的性质－醛基的氧化还原及成脎反应
[2]
（1）醛基和酮基被还原
当单糖醛基被还原为醇后，形成糖醇(glycitol)。由于失去了形成半缩醛反应的主要基团，故由单糖还原得到的糖醇都是直链结构。低聚糖也可以被还原成相应的糖醇。天然存在的环糖醇，如肌醇，其生理功能和代谢与由单糖还原形成的糖醇有明显不同。糖醇是重要的碳水化合物衍生物。
（2）醛基被氧化
醛糖上的醛基被氧化为羧基后，形成醛糖酸 (aldonic acid)。醛糖酸是酸性单糖的一种，其他酸性单糖还包括糖醛酸(glycuronic acids)、糖酮酸(osones)、酮糖酸(keto-aldonic acids)、抗坏血酸(ascorbic acids)、糖醛酸酯(glycuronides)、 脱氧糖酸(deoxyaldonic acids)。
（3）醛基的还原性
（4）成脎反应
醛糖和酮糖中的醛基可以和苯肼反应生成脎，可以用于鉴定单糖。
2、单糖中羟基形成的性质－羟基的取代、成酯、成醚、氧化及脱氧反应
[2]
（1）被胺类所取代生成氨基糖
如果单糖结构中的伯醇或仲醇羟基被氨基所取代则称为氨基糖(aminosugars)或糖胺(glycosamine)，对于呋喃糖，氨基取代位置通常为C-2和C-3位。氨基糖是单糖的重要衍生物，是构成壳素和氨基糖苷的基本结构单元。
（2）与酸反应生成糖酯
单糖中的羟基可以与有机酸和无机酸生成酯。例如与醋酸、磷酸生成相应的糖酯。
（3）与醇反应生成糖醚
单糖中的羟基可以与其他分子上的羟基脱水生成醚，也可以在自身的羟基之间脱水生成内酯。
（4）被氧化生成糖酸
单糖中的羟基（非糖苷羟基）被氧化成羧基，生成糖酸等。
（5）脱氧生成脱氧糖
单糖中的羟基在脱氧酶的作用下，生成脱氧糖。
3、由糖苷键与单糖之间的分子间力形成的性质－多糖的结构
[2]
多糖的糖链结构与蛋白质、核酸等大分子相似，也包括了一级结构（也称初级结构）以及二级结构、三级结构和四级结构，后三者合称为高级结构。糖苷键多达11种，并可以形成支链，它的复杂性是多糖的结构复杂性的基础。与蛋白质形成高级结构是由疏水作用、离子键、氢键、二硫键和范德华力等多种分子间力不同；影响多糖的高级结构主要分子间力是氢键，相对单一。对多糖的二级结构及高级结构的研究没有蛋白质的研究那么深入，但是随着对多糖糖链结构空间构象研究的积累，已经有了较多的了解，尤其是一些典型的多糖构象。尽管构成多糖的结构单元，单糖的种类远不如构成蛋白质的结构单元氨基酸的种类多，但是由于糖苷键连接形式远比肽键多，因此形成的多糖二级和三级结构也非常复杂。
天然分布
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碳水化合物是与蛋白质、脂肪并列的生物界三大基础物质之一，并且在自然界中含量最丰富，占生物物质总量的3/4。
自然界中的无机碳转变为生物体内有机碳的途径包括植物的叶绿素光合作用、细菌的光合作用以及细菌的化能合成作用。地球上的植物每年通过光合作用合成的碳水化合物，以葡萄糖计，达到4500亿吨，占有绝对优势。光合作用形成了生物的主要能量来源，也是人类的食物、能源和工业有机原料的重要来源。在植物体内，碳水化合物通常占干重的50%-90%，植物的重要组成物质纤维素是自然界中含量最多的碳水化合物。而碳水化合物在动物体内含量并不高，仅占到人和动物的器官组织干重的2%以下。但碳水化合物却是动物体生命活动的重要能量来源，起到不可或缺的作用。微生物体含糖量约占菌体干重的10%-30%。
天然的单糖是指从自然界不同生物材料中检出并确认其存在的单糖，不包括人工合成的产物。天然单糖广泛地分布在自然界，存在于植物、动物、微生物中。一部分理论上的单糖并不存在于自然界，如D-阿洛糖、D-塔洛糖、D-山梨糖、D-阿洛酮糖、L-果糖等，仅由人工合成获得。在自然界分布最广的单糖是六碳糖（己糖），如葡萄糖、果糖、甘露糖和半乳糖，其次是五碳糖（戊糖），如木糖（xylose）、核糖（ribose）、脱氧核糖（deoxyribose）。一些单糖衍生物在自然界中不存在或存在很少，但由于它们具有重要的应用价值，而被人们通过人工发酵或化学合成制备，如木糖醇、山梨糖醇、葡萄糖有机酸酯等。
目前已经发现了数百种由2~10个单糖残基组成的低聚糖，其中以双糖种类最多，其次是三糖。低聚糖广泛存在于自然界，在植物、微生物和动物中都普遍存在。实际上大多数低聚糖是由葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖、N-乙酰-D-葡萄糖等少数几种单糖组成，而由于糖苷键的不同形成了性质各不相同、种类繁多的低聚糖。低聚糖在植物中分布最为广泛，如蔗糖，大多是光合作用的次级产物。
多糖约占天然碳水化合物的90%以上，是自然界存在最多的有机物。自然界中的大多数碳水化合物来源于植物的光合作用，在卡尔文循环中吸收大气中的二氧化碳进入D-果糖-6-磷酸，由此生成单糖，以及相应衍生物和寡糖。它们通常以蔗糖的形式，被运送到植物的各个器官，进一步合成结构多糖，如纤维素、半纤维素和果胶，以及贮存多糖，如淀粉、果聚糖和甘露聚糖。低等植物的贮存多糖主要是D-葡聚糖，也有果聚糖和木聚糖。在动物中也有具有贮存能量功能的贮存多糖，如糖原；还有作为构成生物肢体结构的多糖，如甲壳素构成动物肢体结构和真菌细胞壁、纤维素构成植物结构、硫酸软骨素构成动物软骨。多糖也广泛存在于微生物中，起到贮存能量、构成细胞结构等功能。
[2]
各类食物碳水化合物的来源及含量
合成方法
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1、 天然合成
碳水化合物的合成是一个复杂的生物化学过程，主要发生在植物、某些细菌和真菌中。以下是碳水化合物合成的几个主要步骤和途径：
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光合作用（Photosynthesis）：
植物、某些细菌和藻类通过光合作用合成碳水化合物。这个过程分为两个阶段：光反应和暗反应（卡尔文循环）。
光反应：在叶绿体的类囊体膜上，太阳光中的能量被捕获，用于分解水分子（H₂O），产生氧气（O₂），并储存能量（ATP和NADPH）。
卡尔文循环（暗反应）：在叶绿体的基质中，ATP和NADPH的能量被用来固定大气中的二氧化碳（CO₂）成为有机物。这个过程最终生成3-碳糖磷酸甘油酸（3-PGA），然后转化为磷酸丙糖（G3P），最终可以用来合成葡萄糖等碳水化合物。
碳水化合物的转化：
合成的磷酸丙糖（G3P）可以通过以下途径转化为其他碳水化合物：
蔗糖合成途径：G3P转化为果糖-6-磷酸，然后与尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-Glc）反应生成蔗糖。
淀粉合成途径：G3P和其他3-碳糖可以转化为葡萄糖-1-磷酸，然后通过ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）的作用，将葡萄糖单元添加到淀粉链上，形成淀粉。
纤维素和半纤维素合成途径：葡萄糖-1-磷酸也可以转化为UDP-葡萄糖，然后通过纤维素合酶复合体添加到纤维素链上，形成纤维素。半纤维素的合成则涉及多种不同的单糖和糖醛酸。
寡糖和多糖的合成：
寡糖合成：单糖单元通过糖苷键连接形成寡糖，这个过程涉及糖基转移酶和糖苷酶的作用。
多糖合成：多个单糖单元通过糖苷键连接形成多糖，如淀粉、纤维素、果胶等。这些多糖的合成涉及特定的酶和调控机制。
动物中的碳水化合物合成：
虽然动物不能通过光合作用合成碳水化合物，但它们可以通过糖异生途径（Gluconeogenesis）在肝脏中将非碳水化合物（如氨基酸、乳酸、甘油）转化为葡萄糖，以维持血糖水平。
碳水化合物的合成是一个高度调控的过程，涉及到多种酶和代谢途径，这些过程对于维持生物体的能量平衡和结构完整性至关重要。
2、 人工合成
中国科学院天津工业生物技术研究所取得了淀粉人工合成的重大突破，首次在实验室实现从二氧化碳到淀粉的从头合成，这一成果发表在《科学》杂志上。该技术通过类似酿造啤酒的过程，在生产车间中制造淀粉，利用二氧化碳作为原料，通过11步核心生化反应，其合成速率是玉米淀粉的8.5倍。这一技术不仅能够合成易消化的支链淀粉，还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。此外，该技术理论上可以大幅节约耕地和淡水资源，避免农药、化肥对环境的负面影响，提高粮食安全水平，并促进碳中和的生物经济发展。这一成果的背后，是科研组织模式的创新，多个不同专长的团队协同攻关的结果。
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应用领域
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生物意义
能量来源：碳水化合物是生物体最主要的能量来源。在动物体内，葡萄糖是主要的能量货币，通过细胞呼吸过程释放能量。
结构成分：在植物细胞壁中，纤维素是主要的结构成分，而在动物体内，糖蛋白和糖脂等复合碳水化合物构成了细胞的外层和细胞间连接。
储存形式：生物体通过合成糖原（动物）和淀粉（植物）来储存能量，以便在需要时释放。
信号传递：碳水化合物通过与蛋白质结合形成糖蛋白和糖脂，参与细胞识别、免疫反应和信号传递。
细胞间通讯：碳水化合物在细胞表面的糖链参与细胞间的识别和通讯过程。
免疫应答：糖蛋白和糖脂在抗原识别和免疫应答中扮演重要角色。
[2]
各种应用
食品工业：碳水化合物是食品的主要成分之一，如面粉、大米、糖等，提供能量和口感。
药物载体：碳水化合物可以用于制备药物载体，如糖基纳米颗粒。
疫苗：多糖和糖蛋白可以作为疫苗的组成部分，增强免疫应答。
治疗剂：某些碳水化合物具有抗炎、抗肿瘤等生物活性，可以直接用作治疗剂。
生物材料：碳水化合物如纤维素和壳聚糖可以用于制备生物可降解材料，用于医疗植入物、伤口敷料等。
化妆品工业：碳水化合物在化妆品中用作增稠剂、稳定剂和保湿剂。
农业：碳水化合物作为植物细胞壁的主要成分，其改性产品可以用于农业上作为生物农药和植物生长调节剂。
生物科学研究：碳水化合物在分子生物学和细胞生物学研究中用作标记物和探针。
能源和环保：碳水化合物是生物质能源的重要来源，通过发酵可以生产生物乙醇等可再生能源。
营养作用
(1) 供给能量：每克葡萄糖产热16千焦（4千卡），人体摄入的碳水化合物在体内经消化变成葡萄糖或其它单糖参加机体代谢。每个人膳食中碳水化合物的比例没有规定具体数量，我国营养专家认为碳水化合物产热量占总热量的60~65%为宜。平时摄入的碳水化合物主要是多糖，在米、面等主食中含量较高，摄入碳水化合物的同时，能获得蛋白质、脂类、维生素、矿物质、膳食纤维等其它营养物质。而摄入单糖或双糖如蔗糖，除能补充热量外，不能补充其它营养素。
同时应多食用复合碳水化合物淀粉、不消化的抗性淀粉、非淀粉多糖和低聚糖等碳水化合物；限制纯能量食物如糖的摄入量，提倡摄入营养素、能量密度高的食物，以保障人体能量和营养素的需要及改善胃肠道环境和预防龋齿的需要。
(2) 构成细胞和组织：每个细胞都有碳水化合物，其含量为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、细胞浆以及细胞间质中。
(3) 节省蛋白质：食物中碳水化合物不足，机体不得不动用蛋白质来满足机体活动所需的能量，这将影响机体用蛋白质进行合成新的蛋白质和组织更新。因此，完全不吃主食，只吃肉类是不适宜的，因肉类中含碳水化合物很少，这样机体组织将用蛋白质产热，对机体没有好处。所以减肥病人或糖尿病患者最少摄入的碳水化合物不要低于150克主食。
(4) 维持脑细胞的正常功能：葡萄糖是维持大脑正常功能的必需营养素，当血糖浓度下降时，脑组织可因缺乏能源而使脑细胞功能受损，造成功能障碍，并出现头晕、心悸、出冷汗、甚至昏迷。
(5) 抗酮体的生成：当人体缺乏糖类时，可分解脂类供能，同时产生酮体。酮体导致高酮酸血症。
(6) 解毒：糖类代谢可产生葡萄糖醛酸，葡萄糖醛酸与体内毒素（如：药物 胆红素）结合进而解毒。
(7) 加强肠道功能：与膳食纤维有关。如：防治便秘、预防结肠和直肠癌、防治痔疮等。其它：碳水化合物中的糖蛋白和蛋白多糖有润滑作用。另外它可控制细脑膜的通透性。并且是一些合成生物大分子物质的前体，如嘌呤、嘧啶、胆固醇等。
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摄入指南
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摄入来源
碳水化合物的主要食物来源有：糖类、谷物（如水稻、小麦、玉米、大麦、燕麦、高粱等）、水果（如甘蔗、甜瓜、西瓜、香蕉、葡萄等）、干果类、干豆类、根茎蔬菜类（如胡萝卜、番薯等）等。
[9]
含量计算
食品营养标签中的碳水化合物是指每克产生能量为17kJ/g 的部分，数值可由减法或加法获得。
减法：食品总质量分别减去蛋白质、脂肪、水分、灰分和膳食纤维的质量，即是碳水化合物的量。
加法：淀粉和糖的总和即为碳水化合物。
总碳水化合物指碳水化合物和膳食纤维的总和。
[10]
摄入选择
营养专家普遍认为，人们每天摄入的50%~60%的热量应来自碳水化合物。由于碳水化合物的不同，所以更多的证据表明应慎重选择饮食。
对于简单碳水化合物，饮用牛奶和果汁，食用适量的水果是十分重要的。但食用糖和其他甜味剂会提供大量体内不需要的热量对健康有害。
对于复杂碳水化合物，应避免仅仅食用低纤维碳水化合物，淀粉（如土豆）和精加工的谷物（如白米饭，通心粉和白面包）。这些食品中的碳水化合物会被身体迅速转化为单糖。
相反，应尽量多食用含大量纤维的碳水化合物。特别是豆类和全麦类食品会对人体健康有益。按照这些专家推荐的水果和蔬菜的食用量，可以对碳水化合物进行完整，健康的摄入。
摄取碳水化合物可通过食用含更多碳水化合物的食品，例如食用风干的水果、食用包含豆类且丰盛的汤、改吃全麦面包、食用黄色稻米而非白米（或在白米中混入野生稻米）。
[11]
摄入过量
当膳食中碳水化合物过多时，就会转化成脂肪贮存于身体内，使人过于肥胖而导致各类疾病如高血脂、糖尿病等。
有研究显示，某些碳水化合物含量丰富的食物会使人体血糖和胰岛素激增，从而引起肥胖，甚至导致糖尿病和心脏病，原因是这些碳水化合物食物的血糖负载很高。医学界的5个临床试验表明，低碳水化合物饮食和低脂饮食一样能有效促进快速减肥，并能预防糖尿病和心脏病等疾病。
[7]
[9]
[12]
摄入缺乏
法律法规
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《特殊医学用途配方食品标识指南》：这份由市场监管总局发布的指南是根据《中华人民共和国食品安全法》和《特殊医学用途配方食品注册管理办法》等法律法规制定的。它专门针对特殊医学用途配方食品的标识，包括碳水化合物的含量和类型等信息。
[13]
《特殊医学用途碳水化合物组件配方食品注册指南》：此指南规定了特殊医学用途碳水化合物组件配方食品的注册要求。它强调，碳水化合物组件应以补充碳水化合物和提供能量为目的，适用于特定疾病或医学状况下需要补充碳水化合物的人群。指南还详细说明了碳水化合物的来源和配方组成的要求。
[14]
《预包装食品营养标签通则》（GB 28050-2011）：这是中国首部关于预包装食品营养标签的标准，旨在指导和规范食品营养标签的标示，保护消费者的知情权、选择权和监督权。该标准要求预包装食品必须标示营养标签内容，包括碳水化合物的含量，以促进消费者合理平衡膳食和身体健康。
[15]
这些文件和指南体现了中国在食品安全和营养标签方面的法律法规，旨在确保消费者能够获取准确的食品信息，并促进公众健康。对于碳水化合物的使用和标识，这些规定确保了产品的安全性和透明度，同时也为食品生产企业提供了明确的生产和标识指导。
相关报道
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高质量碳水摄入能减缓衰老
提到碳水，很多人第一时间都会想到米饭、馒头、面条、包子等，有些人觉得“吃碳水=容易胖”“碳水升血糖不健康”，因此选择少吃或不吃主食，甚至断掉碳水。其实，碳水化合物是维持机体正常运作的三大能量营养素之一，碳水化合物也有质量高低之分。研究发现，高质量碳水化合物饮食对于减缓衰老、体重管理至关重要。
2025年1月《营养学杂志》上发表的一项研究显示，高质量碳水化合物的饮食与减缓衰老相关，最高碳水化合物质量饮食与表观年龄衰老减缓1.2年相关。2023年《英国医学杂志》发表的一项研究表明，限制添加糖、含糖饮料、精制谷物和淀粉类蔬菜等低质量碳水的摄入，多吃全谷物、水果和非淀粉类蔬菜等高质量碳水，有助于控制体
重。
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