第一篇 营养基础篇

第一章 营养物质的消化与吸收

人体每天通过不同的食物获取所需要的营养素。食物是一种非常复杂的混合物，其中所含的营养素，只有水、无机盐和某些维生素等能够直接被人体吸收，而蛋白质、脂肪、多糖类，这些物质不能被人体直接吸收，必须通过消化道的分解，将结构复杂的大分子物质变成结构简单的小分子物质，才能被人体吸收。

所谓消化，就是人体通过各种物理和化学作用将食物分解成可以被吸收的小分子物质。食物的消化包括机械性消化和化学性消化2个过程。机械性消化是指消化管的活动，对食物进行机械性磨碎并与消化液混合和推动食糜前进。化学性消化是指靠消化液中的消化酶对食物进行化学性分解，将食物中营养成分变为可以吸收的营养物质，两者之间是相互联系、相互促进的。消化后的营养成分通过消化管壁进入血液和淋巴的过程叫做吸收。消化和吸收这2个生理过程的顺利进行，从而提供人体的新陈代谢、生长发育和从事各种活动所需要的营养物质。

第一节 消化系统的概述

一、消化系统概述

消化系统是由消化管和消化腺2部分组成。人体的消化管，既是食物通过的管道，又是食物消化、吸收的场所。消化管由口腔、咽、食管、胃、小肠、大肠、直肠、肛门等组成的粗细不等的完整管道。消化腺有唾液腺（包括腮下腺、领下腺、舌下腺）、胃腺、肝脏、胰腺、肠腺等。

整个消化道的长度约9m。口腔是消化道的入口，也是食物摄取的第一场所，其主要作用就是咀嚼食物。咀嚼的意义在于可以将食物由大变小、由粗变细，即由食物变为食物团，这样可以增大其消化面积，更充分的发挥酶的消化作用。另外唾液腺分泌的唾液，不仅起到湿润食物的作用，而且唾液中含有唾液淀粉酶，可以对食物进行初步的化学消化。

通过吞咽作用，食物经食管进入了一个重要的消化器官——胃。胃通过搅动将食物与胃酸等混合在一起，这一消化过程大约要持续1h。

食物的消化和吸收最主要的器官就是小肠，小肠曲折蜿蜒在体内，约5～7m长。小肠分成十二指肠、空肠和回肠3部分，十二指肠长度大约为12个手指的宽度总和（约24 cm），空肠大约占小肠总长度的60%，回肠则占大约40%。经胃消化过的食物首先进入十二指肠，虽然很短，是胆总管与胰管的共同开口，含有丰富的消化酶，也是食物消化的主要场所之一。

小肠管壁有环形皱襞，黏膜有许多绒毛，绒毛根部的上皮下陷至固有层，形成管状的肠腺，每个绒毛中都含有丰富的毛细血管和毛细淋巴管，将营养物质吸收进入体内的循环系统。小肠的长度、皱襞以及丰富的绒毛增大了小肠的吸收面积，因此是食物吸收的主要场所（空肠、回肠）。

经过小肠消化吸收后的食物残渣进入大肠，包括盲肠、结肠和直肠3部分。食物残渣在体内18～24h才会排出体外。大肠中的一些细菌会对人体不能消化吸收的食物残渣进行处理并释放出气体和某些维生素，而这些维生素溶于水后仍可以在结肠中被人体吸收。而后，食物残渣由粪便的形式排出体外。（图1-1）

第二节 营养物质的消化与吸收

一、糖类在人体内的吸收利用

食物中含有丰富的糖，尽管类型不同，但都是由单糖构成的。例如，双糖就是由2个单糖分子脱水形成的；低聚糖，又称寡糖（disaccharide）：由3～10个单糖分子脱水缩合而成；多糖（polysaccharide）：由几百个乃至几万个单糖分子缩合生成。对人体最重要的单糖是葡萄糖，食物中的糖经过酶的消化，才能成为可以被细胞吸收的单糖。

（一）糖进入口腔后发生的变化

糖进入口腔后，唾液腺分泌的唾液淀粉酶就会对其进行初步的消化，将多糖分解成为较小的糖。淀粉是能在口腔中进行酶消化的唯一营养物质，也只有很少一部分淀粉转化成了麦芽糖。在食管的短暂时间里，淀粉酶仍然对淀粉进行消化。一旦进入胃中，胃酸会使唾液淀粉酶变性失活，所以在胃里，淀粉酶消化任务便停止了。然后经胃的蠕动使食物分成了若干小团，同时增大了其在小肠中的吸收面积。

小肠是糖主要的吸收场所，十二指肠含有许多消化酶，胰腺分泌的胰淀粉酶可以继续对淀粉进行消化分解，黏膜细胞和小肠绒毛也会分泌消化酶（如麦芽糖酶、蔗糖酶、乳糖分解酶等）将低聚糖消化成单糖。经过消化后得到的单糖被人体吸收进入循环系统。

一些人体内的乳糖分解酶类分泌不足，可能会导致乳糖不能被消化和吸收，则直接进入大肠内，细菌将如乳糖分解后产生大量气体使人感觉腹胀等不适症状。纤维素等不能被人体消化的多糖也直接进入大肠，细菌可以对其进行分解，但是大肠内糖类不会进行任何的吸收。糖吸收的主要部分就是空肠。

（二）肠道对单糖的吸收

人体主要通过4种途径吸收营养素：被动扩散、协助扩散、主动运输和内吞。

1．被动扩散

物质通过细胞膜时，无需载体，不消耗能量，物质从高浓度一侧向低浓度一侧透过，而且浓度越高扩散越快。由于细胞膜由脂质组成，所以脂肪和脂溶性分子可以通过被动扩散的形式进入细胞中，而水则需要通过特定的蛋白通道进入细胞内。水溶性分子如单糖等则需要特定的载体蛋白。

2．协助扩散

与被动扩散相似，但扩散时需要特定的载体蛋白协助。果糖通过协助扩散可以进入细胞内，扩散速度与果糖的浓度成正比，所以果糖的吸收效率较低，不到葡萄糖和半乳糖（两者通过主动运输）吸收率的50%。

3．主动运输

需要能量和载体蛋白进行的运输形式，其优点在于不用考虑细胞内外浓度的差异，所以主动运输的吸收效率要高于协助扩散。葡萄糖和半乳糖就是通过这种形式进行吸收，载体蛋白为葡萄糖载体（glucose transporters, GLUT）, GLUT可以携带葡萄糖和半乳糖通过细胞膜。但是GLUT必须同时结合葡萄糖（半乳糖）和Na+才能进入细胞内。

4．内吞

是指通过细胞质膜内陷形成囊泡，将外界物质裹进并输入细胞的过程，是细胞质膜运送物质的一种方式。尽管内吞是吸收的形式之一，但其并不是糖吸收的形式。

（三）糖类进入细胞后发生的变化

糖进入血液后，通过肝门静脉系统将其运输到肝脏，运输过程中不需要任何特殊的载体蛋白，因为糖类是溶于水的。葡萄糖被转运进入骨骼肌等组织细胞后，提供能量和储存能量。葡萄糖通过细胞膜时借助特殊的膜转运蛋白被称为葡萄糖载体（GLUT），几乎机体所有的细胞都有葡萄糖载体。在机体的不同组织内有不同的葡萄糖载体。在骨骼肌内，这些载体被称为GLUT1和GLUT4。安静状态下或血液中胰岛素水平较低时，葡萄糖通过GLUT1进入骨骼肌细胞。当血液中葡萄糖和胰岛素水平升高后或骨骼肌运动时，GLUT4被激活，此时，葡萄糖主要通过GLUT4进入骨骼肌细胞。

葡萄糖进入细胞内有3种代谢去路。作为能量代谢的底物；以糖原的形式储存在骨骼肌内，转化为脂肪储存在脂肪组织内。（图1-2）

二、脂肪在机体内的消化、吸收、转运和同化作用

脂肪又称甘油三酯，主要由碳、氢和氧组成，与糖类的元素构成相似，但其化学结构和物理性质却不相同。脂肪是酸和醇构成的酯类物质，不溶于水，能溶于有机溶剂。食用性脂质包括黄油、人造黄油、沙拉酱和油等。肉类、奶制品、坚果、种子、橄榄等，大部分脂质以甘油三酯的形式存在。

脂肪酸以一个碳原子为基本单位连接成的羧酸类网状结构，脂肪酸可以分为短链脂肪酸（4个碳原子及以下）、中链脂肪酸（6～10个碳原子）和长链脂肪酸（12个碳原子及以上）。在甘油三酯消化时，水解1个脂肪酸变为甘油二酯，水解2个脂肪酸变为单甘油一脂，从甘油骨架上脱了的脂肪酸被称为游离脂肪酸。

由于脂肪不溶于水，所以脂肪的消化、吸收和转运比其他宏量营养素（糖类、脂类、蛋白质）要复杂的多。例如，与消化相关的消化酶都是水溶性的，对脂肪的消化就不那么容易了。但是，消化系统分泌的胆汁能够使脂肪乳化成许多微滴，悬浮在胃肠道内，增加了脂肪的暴露面积，以便于消化酶更好的发挥活性。另外生成的甘油一酯、脂肪酸也进一步促进脂肪的乳化。如果没有乳化剂，脂肪就会聚集在一起，消化酶就很难发挥活性。

（一）脂肪进入胃后发生的变化

脂肪经过咀嚼粉碎后进入胃，胃的内皮细胞分泌胃脂肪酶开始消化脂肪。甘油三酯在唾液的乳化作用下由胃脂肪酶水解为甘油二酯。胃的搅动和胃壁的收缩作用将协助粉碎较大的食物碎片，并协助乳化剂使脂肪处于分散和悬浮状态。脂肪进入胃内的2～4h期间，大约1/3的被水解为甘油二酯和游离脂肪酸。

胰脂肪酶能将脂肪分解成甘油和脂肪酸。由此可见，胰液是消化液中最强的一种。胆汁是由肝脏分泌的一种金黄色或深绿色、味苦的碱性液体，对脂肪的消化和吸收具有重要作用。胆汁排入十二指肠中，成年人每天分泌胆汁约800ml～1000ml。胆汁中不含消化酶，有乳化脂肪作用，其成分除水外，还有胆色素、胆盐、胆固醇、卵磷脂等。其中最重要的成分是胆盐，它的主要作用，一是使脂肪乳化变成极细小的脂肪微粒。这样，一方面加大了胰脂肪酶和脂肪接触面，有利于脂肪酶对脂肪的分解，另一方面被乳化的脂肪微粒有一部分可以直接被肠黏膜吸收。二是增加胰脂肪酶的活性，从而加速对脂肪的分解。

脂肪进入小肠后，首先进入十二指肠，是消化的主要场所。肝脏分泌的胆汁，平时贮存在胆囊中，当食物进入小肠后，引起胆囊收缩，储存于胆囊通过导管进入十二指肠，胆汁可以乳化脂肪，进而使一些水溶性消化酶发挥作用。由十二指肠分泌的促胰液素刺激胰腺分泌碳酸氢盐，后者可以中和肠内物质的酸性。胰液中的胰脂肪酶能将脂肪分解成甘油和脂肪酸，且分泌量很多，足可以完成脂肪的消化过程，将所有剩下的甘油三酯水解为甘油、单甘脂和长链脂肪酸。水溶性的短链脂肪酸和中链脂肪酸通过被动扩散被小肠内皮吸收。不溶于水的单甘脂和长链脂肪酸被胆盐包裹形成微粒。微粒将长链脂肪酸和单甘脂转运到小肠内皮细胞内，通过被动扩散的形式进入肠细胞内部。总之，脂肪的消化吸收在小肠完成，只有少部分脂肪在大肠和排泄物中。一些疾病可导致脂肪吸收不良，导致脂肪泻或大便脂肪。

（二）脂肪吸收后的变化

脂肪被吸收后，可溶性的甘油、短链脂肪酸以及中链脂肪酸穿过肠细胞，扩散至毛细血管，并进入血液。被吸收的单甘脂和长链脂肪酸在肠细胞内重新水合成甘油三酯，重新合成的甘油三酯与载脂蛋白结合形成乳糜微粒，通过淋巴系统将甘油三酯转运至颈静脉，从而转运至血液，并分布于全身各处。

游离脂肪酸立即扩散至脂肪细胞或肝细胞，然后与细胞内的甘油重新水合为甘油三酯。重新形成的甘油三酯储存于细胞内。当骨骼肌运动能量需求增加时，血液中的游离脂肪酸和甘油三酯通过毛细血管进入骨骼肌参与供能。

三、蛋白质在机体内的消化、吸收、转运和同化作用

蛋白质的主要作用是参与构成机体的结构和代谢调节酶、激素等，但也可以参与能量代谢。人体内的蛋白质由20种不同的氨基酸组成，为了满足机体对蛋白质的需求，食物中必须包含丰富的氨基酸。

（一）蛋白质在口腔内发生的变化

蛋白质的消化过程也是从咀嚼开始，但是由于唾液中没有蛋白质消化酶，所以蛋白质的消化过程发生在胃和小肠内。食物蛋白进入胃后，胃对食物的搅拌作用，以及胃壁分泌的盐酸共同作用，使得蛋白质与盐酸充分混合并变性，同时胃蛋白酶能够将较长的氨基酸链水解为较短的氨基酸链。蛋白质消化过程的10%～20%由胃内的胃蛋白酶完成。此时，蛋白质大多水解为小分子的肽类，而不是单个的氨基酸。蛋白质消化的大部分过程发生在十二指肠，在十二指肠内蛋白消化酶——蛋白酶将蛋白质短链水解为更小的单元。胰腺和十二指肠都可以分泌蛋白酶，十二指肠的内皮细胞还可以分泌肽酶，后者将蛋白质短链水解为长度为三肽或更小的氨基酸链。单个氨基酸或长度为2个以及3个氨基酸的氨基酸短链通过被动扩散或主动运输被吸收。大部分的吸收发生在十二指肠和空肠。

（二）蛋白质的消化与吸收

蛋白质消化的最后步骤发生在小肠细胞内。氨基酸短链进入小肠细胞后，一些肽酶将其水解成单个的氨基酸。这些被吸收的氨基酸一部分被小肠细胞利用，而大部分的氨基酸通过被动扩散被转运至静脉，然后到达肝脏。最后，氨基酸被肝脏利用或者进入血液循环。

蛋白质的消化吸收主要发生在胃和小肠，没有消化及吸收的蛋白质最后通过大肠排便的方式排出体外。某些疾病会导致蛋白质消化吸收出现问题，因此，在给运动员制订饮食计划时也应该考虑此类问题。例如，对患有消化系统疾病的运动员不能消化小麦、黑麦、燕麦等谷物类蛋白，而这些谷物所含的碳水化合物是运动员的能量的主要来源。因此，运动营养专家要寻找一些能量丰富且不含这些植物蛋白的食物。

（三）被吸收的蛋白质穿过小肠的过程

氨基酸的吸收方式有被动扩散和主动运输。大部分氨基酸需要通过主动运输进入小肠细胞。氨基酸的主动运输与葡萄糖的主动运输类似，只是两者的转运蛋白不同。相似的氨基酸可以通过同样的转运蛋白。例如，支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸）在吸收过程都依靠相同的转运蛋白。但持续补充大量单一氨基酸会影响与其共享相同转运蛋白的氨基酸的吸收。例如，运动员为了增加骨骼肌质量会持续补充大量的特殊氨基酸或氨基酸混合物，这样会导致氨基酸对转运蛋白的竞争，结果可能使某一氨基酸过度吸收而另外一些氨基酸吸收不足。

（四）氨基酸进入血液后发生的变化

进入血液的氨基酸随之变成机体氨基酸库的一部分，氨基酸库不仅包括血液中的氨基酸，还包括组织中的氨基酸（如骨骼肌和肝脏中的氨基酸）。血液中的氨基酸是机体氨基酸库的主体部分，血液中氨基酸的浓度与其他组织内的氨基酸浓度相当。但也有个别氨基酸在血液中的浓度与在骨骼肌或肝脏中存在差异。如果某一部分氨基酸浓度下降，其他部分的氨基酸就会被动员来弥补这种不平衡。不同部位共享氨基酸的现象可以确保某一组织在缺乏氨基酸时，有足够的氨基酸补充。

氨基酸库的氨基酸可以根据需要发挥不同的作用。氨基酸可以被用来合成新的结构蛋白、酶、激素和其他含氮化合物。当糖类供能下降，且机体需能增加时，氨基酸还可以用来供能。另外，当氨基酸浓度过高时，还可以被转化为脂肪储存起来。

不同部位共用氨基酸代谢库是动态的、持续的过程。机体内蛋白质的转运更新需要的氨基酸来自代谢库。代谢库需要补充氨基酸，氨基酸库内的氨基酸从食物中获得。如果不能及时补充蛋白质，骨骼肌以及其他组织中的蛋白质将会被降解以提供必需氨基酸，进而会影响运动员的运动能力和运动成绩。

（五）氨基酸进入体内细胞后发生的变化

血液中的氨基酸通过被动扩散进入细胞后，氨基酸就成为特定蛋白质的基本单位。某个特定蛋白质在细胞内合成由当前需要所决定，与外界因子（如：激素）的影响有关。例如，激素睾酮引起肌肉细胞不断合成收缩蛋白，从而使肌肉更强壮。

细胞合成特定蛋白质的指令位于细胞核的DNA链上（脱氧核糖核酸）。合成特定蛋白质所需的DNA片段称为基因。当细胞需要特定蛋白质时，含有这个蛋白质指令的特定基因在转录过程中被复制。转录后生成信使核糖核酸（mRNA）, mRNA是合成蛋白质的指令基因组。离开细胞核后，mRNA给核糖体提供指令，核糖体是位于细胞质中的细胞器。它能合成蛋白质。在翻译过程中，核糖体读取mRNA片段并开始接触氨基酸组成指令所需的队列。核糖体所需的氨基酸是由转运核糖核酸（tRNA）提供给蛋白质合成场所的。tRNA给核糖体提供所需氨基酸的过程一直持续到蛋白质合成完成。

当氨基酸时，蛋白质合成过程就会停止。如果所需氨基酸是非必需氨基酸，细胞会合成这种氨基酸，继续蛋白质合成过程。然而，如果所需氨基酸是必需氨基酸，蛋白质合成过程不能继续，所需蛋白质就不能合成。这就是运动员膳食中应含有高质量蛋白或完全蛋白质的原因。当缺少必需氨基酸时，蛋白质合成过程就会停止。如果蛋白质合成停止的话，部分合成好的蛋白质也会降解，其氨基酸会在其他地方被利用或代谢供能。

四、矿物质、维生素和水在体内的吸收和转运

矿物质、维生素和水（不像糖类、蛋白质、脂质）不需要通过消化被分解成更小的单元吸收进人体。食物被消化后，食物中的维生素和矿物质被释放入肠。在消化过程中释放大部分的矿物质除了钠、钾、氯在大肠中吸收，其他的在小肠的十二指肠和空肠中吸收。

维生素可分为水溶性和脂溶性2大类。水溶性维生素（如B族维生素，维生素C）在胃肠道的水中溶解并随着水一起被吸收。大部分的水和水溶性维生素在小肠中被吸收。水溶性维生素更容易进入血液，在细胞内液和细胞外液中自由穿行。

脂溶性维生素（如维生素A、维生素D、维生素E和维生素K），从消化的食物中释放出来后，在胃肠道的脂肪中溶解。它们与微粒中的脂肪一起通过被动扩散在肠壁被吸收。与水溶性维生素相似，大部分的脂溶性维生素在小肠被吸收。少部分的维生素K由大肠中的细菌产生然后被大肠吸收。一旦进入小肠细胞，脂溶性维生素被乳糜微粒包裹，然后与其他脂肪一起通过淋巴进入血液并被供给全身。有些被转运到细胞内并被细胞利用；其他的与脂肪一起储存在脂肪细胞中。不推荐摄入高剂量脂溶性维生素的原因之一就是脂溶性维生素会储存在体内。