Carbohydrates - glucide

A general term for substances whose main component is sugar, and was decided at the International Congress of Chemistry in 1923. It is used in contrast to lipids and proteins. Carbohydrates are the first organic matter that green plants create by using solar energy from carbon dioxide and water as a result of photosynthesis, and an estimated 4×10 ¹¹ t are synthesized per year. Plants contain a large amount of carbohydrates, ranging from complex polymeric compounds such as the supporting polysaccharides cellulose and hemicellulose, and the storage polysaccharide starch, to relatively simple sugars such as the monosaccharide glucose and disaccharide sucrose, accounting for 50-80% of the plant's dry weight. On the other hand, animals use carbohydrates produced by plants as an energy source, but the carbohydrate content in animals is usually low. In the human body, carbohydrates are mainly blood sugar (0.7-1.2% of blood glucose concentration) and glycogen in muscles (maximum 1.2% by weight) and liver (maximum 7%), and the carbohydrate content of an adult is about 200-300 grams of glucose.

Naturally occurring sugars, such as glucose, fructose, sucrose, lactose, starch, and cellulose, are composed of the three elements carbon (C), hydrogen (H), and oxygen (O), and the ratio of these elements can be expressed as the empirical formula Cm(H ₂ O)n, just as water H ₂ O and carbon atom C are combined in a certain ratio. Therefore, carbohydrates were originally named carbohydrates (or hydrates). The basic unit of sugars contains many hydroxyl groups (-OH) and a carbonyl group called an aldehyde group (-CHO) or a ketone group (O). However, it has become clear that a huge number of derivatives exist in nature, such as deoxy sugars and amino sugars in which some of the hydroxyl groups of these basic units have been replaced with hydrogen atoms or amino groups, uronic acids and sulfur sugars that contain carboxyl groups or sulfur atoms, alditols and inositols that do not contain carbonyl groups, uloses that contain two carbonyl groups, branched sugars that have branched carbon chains, and other analogues with a variety of functional groups, glycosides, partial methyl ethers, acetates, sulfates, phosphate esters, etc. As these do not match the empirical formula of Cm(H ₂ O)n mentioned above, some believe that the term carbohydrate is not appropriate, and the term sugar has begun to be used, along with proteins and lipids.

The basic unit of carbohydrates is a monosaccharide (reducing sugar) that has a polyhydroxyaldehyde or polyhydroxyketone structure and has reducing properties, such as glucose and fructose. Monosaccharides are further classified into trioses, tetroses, pentoses, hexoses, etc., based on the number of carbon atoms in the molecule. They are also classified into disaccharides, trisaccharides, oligosaccharides, polysaccharides, etc., based on the number of base units.

The carbohydrate intake of Japanese people is gradually decreasing, but still stands at about 300 grams per person per day, accounting for 50-60% of total energy intake, making it the main source of energy. Globally, carbohydrates account for 40-80% of total energy intake, depending on eating habits, foods, and income. Generally, carbohydrate intake decreases as income increases, which is mainly due to a decrease in the intake of plant-based foods, and the content of carbohydrates consumed tends to decrease with less starch and increase with sucrose. The energy available to the body per gram of carbohydrates is about 4 kilocalories, which is less than the 9 kilocalories of fat but almost the same as protein, making it the cheapest energy source.

The important carbohydrates as our energy sources are monosaccharides such as glucose, fructose, and galactose, disaccharides such as sucrose, maltose, and lactose, and polysaccharides such as starch. The rest are of little importance as energy sources in terms of both intake and ease of utilization. Of course, in addition to being energy sources, hemicellulose, pectin, and some other indigestible polysaccharides found in cereals, potatoes, vegetables, fruits, mushrooms, and algae are recognized as important as dietary fiber. On the other hand, from the perspective of processing, cooking, and preserving the foods we consume every day, reducing sugars are important as the cause of browning, and polysaccharides such as starch and pectin are important in maintaining the texture of foods (physical characteristics such as mouthfeel and chewiness). Furthermore, sugars such as sucrose, glucose, and fructose are important sweeteners and are indispensable in our diet. In addition, glycoconjugates such as glycoproteins are considered to have important physiological functions as components of cells in the body and as components of mucus and connective tissue.

The monosaccharides glucose, fructose, and galactose are absorbed in the small intestine. Glucose is absorbed mainly by active transport, while the others are absorbed by passive transport. Sucrose, maltose, and lactose are digested through the membrane in the small intestine. That is, they are hydrolyzed into their constituent monosaccharides by disaccharidase on the small intestinal mucosa and are simultaneously absorbed from the small intestine. Starch is broken down into maltose and branched oligosaccharides by α-amylase in the oral cavity and pancreatic juice, and these sugars undergo membrane digestion in the small intestine to become glucose, which is absorbed from the small intestine.

[Fuwa Eiji]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

糖を主要成分とする物質の総称で、1923年の国際化学会議で決められた名称。脂質およびタンパク質に対してよばれる。糖質は、緑色植物が光合成の結果、炭酸ガス（二酸化炭素）と水から太陽エネルギーを利用して最初につくる有機物で、年間概算4×10¹¹t合成される。植物体には、支持多糖であるセルロースやヘミセルロースをはじめ貯蔵多糖であるデンプンのような複雑な高分子化合物から、単糖のグルコースや二糖のショ糖のような比較的簡単な糖に至るまで多量に含まれており、植物体乾物重量の50～80％に及んでいる。一方、動物は植物のつくった糖質をエネルギー源として利用するが、糖質の含量は動物体では少ないのが普通である。人体では血糖（血液濃度の0.7～1.2％のグルコース）と筋肉（重量％で最高1.2％）や肝臓（最高7％）のグリコーゲンが主体であり、成人の糖質含量はグルコースに換算して200～300グラム程度である。

　天然に存在する糖類、たとえばグルコース、フルクトース、ショ糖や乳糖、あるいはデンプンやセルロースは炭素（C）、水素（H）、酸素（O）の三元素から構成されており、それら三元素の含まれている比率は実験式Cm(H₂O)nで表されるように、ちょうど水H₂Oと炭素原子Cがある比率で結び付いているように示せるので、carbohydrateは最初は炭水化物（あるいは含水炭素）と名づけられた。糖類の基本単位はヒドロキシ基（-OH）を多数含み、アルデヒド基（-CHO）またはケトン基（O）というカルボニル基を含んでいる。しかし、これら基本単位のヒドロキシ基の一部が水素原子やアミノ基に置換されたデオキシ糖やアミノ糖、カルボキシ基（カルボキシル基）や硫黄(いおう)原子を含むウロン酸や硫黄糖、カルボニル基を含まないアルジトールやイノシトール、カルボニル基を二つ含むウロース、分枝(ぶんし)炭素鎖をもつ分枝糖など多様な官能基をもつ類縁体、配糖体、部分メチルエーテルや酢酸、硫酸、リン酸エステルなど膨大な数の誘導体が天然に存在していることがわかってきた。これらは前述のCm(H₂O)nの実験式と一致しないので、炭水化物という用語は適当でないという見方もあり、タンパク質や脂質などと同様に糖質という用語が用いられ始めた。

　糖質の基本単位は、グルコースやフルクトースのようにポリヒドロキシアルデヒドまたはポリヒドロキシケトン構造をもち還元性をもつ単糖（還元糖）である。単糖は分子中の炭素の数により三炭糖（トリオース）、四炭糖（テトロース）、五炭糖（ペントース）、六炭糖（ヘキソース）などに小分類される。また、基本単位の数により二糖類（ジサッカリド）、三糖類（トリサッカリド）、少糖類（オリゴサッカリド）、多糖類（ポリサッカリド）などに分類される。

　日本人の糖質摂取量は、わずかずつ減少の傾向にあるが1人1日当り約300グラムで、エネルギー摂取量の50～60％を占め、主要なエネルギー源である。世界的にみても、食習慣、食物および所得によって異なるが、摂取エネルギー中糖質の占める割合は40～80％である。一般に、所得があがると糖質の摂取が減少するが、これは植物性食品の摂取が減少することにおもな原因があり、また摂取する糖質の内容はデンプンが減少しショ糖が増加する傾向がある。糖質の1グラム当りの生体に利用されるエネルギーは約4キロカロリーで、脂質の9キロカロリーよりは小さいがタンパク質とほぼ同じであり、もっとも安価なエネルギー源である。

　われわれのエネルギー源として重要な糖質は、単糖ではグルコース（ブドウ糖）、フルクトース（果糖）とガラクトース、少糖では二糖類のショ糖（スクロース）、麦芽糖（マルトース）、乳糖（ラクトース）、多糖ではデンプンであり、これら以外のものは摂取量と利用されやすさの両面からエネルギー源としてはほとんど重要でない。もちろんエネルギー源以外にも、穀類、いも類、野菜類、果実類、キノコ類や藻類に含まれるヘミセルロース、ペクチン質やその他いくつかの難消化性多糖は食物繊維（ダイエタリーファイバー）として重要性が認められている。一方、われわれが毎日摂取する食品の加工、調理および保蔵の面からみると、還元糖は褐変の原因として重要であり、また食品のテクスチュア（舌ざわり、歯ごたえなどの物理的特性）を保つうえから多糖のデンプンやペクチン質などが重要である。さらにショ糖、ブドウ糖、果糖などの糖は甘味剤として重要で、われわれの食生活に不可欠のものである。また、糖タンパクなど複合糖質は、生体内の細胞の構成成分、粘質物や結合組織の成分として、それらの生理的機能が重要視されている。

　単糖のグルコース、フルクトース、ガラクトースは小腸で吸収される。このときグルコースは主として能動輸送により、その他のものは受動輸送により吸収される。ショ糖、麦芽糖、乳糖は小腸で膜消化される。すなわち、これらは小腸粘膜上の二糖類加水分解酵素により構成単糖に加水分解されると同時に小腸から吸収される。デンプンは口腔(こうくう)と膵液(すいえき)のα-アミラーゼで麦芽糖と分枝少糖類まで分解され、これら糖類は小腸で膜消化を受け、グルコースとなって小腸から吸収される。

［不破英次］

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例