1.课题背景

1.1中科院微型实验室“科探方舟”

"科探方舟"（课题研究项目），是徐州一中与中科院合作，中科院京区科协牵头设计的品牌科学产品。"科探方舟"以探究性科学实验装置为支柱，在专业探究课程专家的指导下完成"小课题研究"，帮助同学们涵养科学精神、提高科学素养。

"科探方舟"是一个探究性的教学集成包，相当于一个微型的实验室，其中包含了生命科学、资源环境等十个不同方向的课题，分别涉及水质差异与硬水软化、射电天文望远镜工程、桥梁承载能力、住宅日照间距、种子催芽剂、风力发电等，都是基于当下、基于生活和生产实践、基于同学们所见所闻所思所想，是真问题，课题具有前瞻性和鲜明的目的性和计划性。

主要目的在于培养学生的创新思维、合作精神、沟通能力，以此提高科学素养。高中是培养学生创新思维的黄金时期，而小课题研究又是一项缜密的科学实验活动，应该让同学们从高中开始，就养成像科学家一样思维的习惯。通过自主学习、动手实验、成果汇报和答辩的形式，达到开阔视野、启迪灵感、增强创新意识和动手实践能力，提高综合科学素养，为将来成为未来社会急需的创新型人才打下基础。

1.2课题简介

随着生活水平的提高，人们的饮食模式正向着高脂肪、高热量、高糖膳食摄入的方向发展。食品中大量的添加糖（指在食品生产和制备过程中被添加到食品中的糖和糖浆，不包括食物天然含有的糖)带来的效应一直受到学界关注。这些添加糖的食物，只提供能量，基本不含有其他必须营养素和膳食纤维。添加糖的摄入被认为与心血管疾病与肥胖有显著关系。因此世界卫生组织建议，人均日添加糖提供的能量应控制在总能量的5%以下，或糖量不超过25g。25g糖量大约相当于大半听可乐，或者半杯奶茶，或者一杯酸奶。

通过对各类食物及饮料中含有葡萄糖浓度的测量分析，让人们认识到各类食物含糖量的多少，根据自身血糖情况选择合适的食物。通过对蔗糖酶工作曲线的研究，反映蔗糖酶催化蔗糖水解的速率和底物浓度之间的关系，帮助人们理解摄入糖分后血糖变化情况。通过研究不同食物血糖生成指数（GI），了解各类食物使用后对血糖上升速度和幅度的影响，从而帮助人们特别是糖尿病患者选择合适的中低GI食物，控制血糖。

最后，搭建电路，模拟具有血糖连续监测功能的闭环胰岛素泵系统，形成人工胰腺，探索这一新兴的医疗设备能否确实帮助人们控制血糖。

2.实验过程

2.1实验伊始

怀着激动的心情参加了高中第一次的科学实验活动，当我拿到"科探方舟"实验箱时，心情是激动和振奋的，不一样的严谨实验、科学探索，无不让我跃跃欲试。打开实验箱，满满的各类实验器材，我一一摆放出来，逐个核对说明书和清单，研究各个器材的使用说明，在电脑上列出实验器材的详细清单便于后续操作。

2.2实验过程

实验之前准备

我们首先对实验所需知识进行了充分学习，建立了小组的微信工作群，共同制定了实验计划。课题主要由四个实验组成。

l 实验一：测量食物中的葡萄糖浓度

自变量：不同种类的食物。

因变量：食物中葡萄糖测量浓度。

l 实验二：蔗糖酶工作曲线探究实验

自变量：时间、蔗糖浓度。

因变量：葡萄糖浓度。

l 实验三：不同食物血糖生成指数调查

自变量：不同的食物。

因变量：血糖生成指数。

l 实验四：模拟闭环胰岛素泵系统

自变量：血液替代物（蒸馏水）

因变量：血糖水平（电压）

2.3结果分析

通过实验指导书，我们一步步完善实验过程，严格控制实验步骤，其中也遇到了很多问题，特别是在实验四中，开始时由于实验器材安装不到位，造成未能达到实验目的，蒸馏水和自来水的比例问题也会直接影响实验达成的效果，通过多次调整，我们还是最终完成了实验过程，并对实验结果进行了有效分析。

l 食物中的糖是人体能量的主要来源，人体的健康离不开各类含糖食物。但各类食物中含糖量差别巨大，人体对糖的需求是有一定的标准的，过高或过低的糖分摄入都会造成身体的疾病和损伤。因此加强对各类食物含糖量的研究，可以更好的为人们的健康饮食提供数据支撑，按照各自的身体情况选择合适的食物，做好食物的搭配更加重要。避免因过多摄入糖分导致糖尿病的发生。

l 人体内的对摄入的蔗糖是通过蔗糖酶进行转化的，通过实验研究了蔗糖酶的工作原理，通过绘制蔗糖酶工作曲线，发现了蔗糖酶转化的蔗糖的特性是先快后慢；通过更换不同浓度的蔗糖溶液，发现了蔗糖酶工作曲线不同的变化。让我们对人体是如何转化食物，如何代谢糖分有了一定的认识。

l 通过研究文献，整理数据，了解了不同食物升糖指数的差别和分类。特别是糖尿病人必须严格控制对食物的选择，选择中低升糖指数的食物，避免食用高GI的食物，快速升糖导致疾病的发生。

l 可以设计一套自动胰岛素泵系统，监测人体血糖浓度的变化，并通过系统自动注射胰岛素降低血糖浓度。

3.课题报告

食物中的糖及人体内糖代谢方式研究

程海宁

摘要：糖是自然界分布广泛、数量最多的有机化合物，在生物体内扮演着至关重要的角色。它是人体能量的最主要来源，是人类机体结构的重要组成部分。本文主要探讨食物中的葡萄糖的浓度及蔗糖的分解、不同食物血糖生成指数、模拟闭环胰岛素泵系统。通过综合实验与仿真分析，本文旨在探讨糖在食物中糖的浓度和人体内的代谢方式，为糖尿病患者的饮食管理和胰岛素治疗提供科学依据和技术支持。

关键词：食物葡萄糖浓度；蔗糖酶工作曲线；血糖生成指数（GI）；闭环胰岛素泵系统；糖尿病管理

0引言

糖尿病作为一种全球性的健康问题，其管理关键在于血糖水平的精确控制。食物中的葡萄糖浓度、蔗糖酶对葡萄糖的分解效率以及食物的血糖生成指数均对血糖水平有显著影响。同时，随着医疗技术的进步，闭环胰岛素泵系统作为先进的血糖管理工具，正逐步应用于临床。本文将从上述四个方面展开详细研究。

1.材料与工具

学校科探方舟活动组提供：手册、无水葡萄糖、电子秤0.01、称量纸、搅拌棒、塑料量筒、尿糖试纸、滴管3ml、色素、药勺实验勺、血糖仪、蔗糖、蔗糖酶M019、滴管0.2ml、烧杯、标签纸、UNO R3开发板、方口USB数据线、鳄鱼夹导线、面包板、N沟道场效应管MOS场效应管、杜邦线、金属膜电阻、电机6V双孔、EPE泡沫条、塑胶导管软管PVC、锡箔纸。

2.实验过程

2.1实验一：测量食物中的葡萄糖浓度

2.1.1实验目的

通过测量不同食物中葡萄糖的浓度，培养实验设备操作、实验样品制备的动手能力，培养对遭遇实验失败后发现问题、改进措施、重复实验、验证最终结果的实验精神，激发学习的兴趣，培养科学态度和合作意识。

2.1.2实验步骤

测量食物中的葡萄糖浓度，选择了冰红茶、咖啡、蜂蜜、苹果以及其它水果进行测试。对新鲜水果样品，將试纸条压在刚切好的切片上，直至试纸条完全湿润，在比色卡上进行比色。对冰红茶采用原溶液、1:10、1:20稀释溶液做三次重复试验，对咖啡（实验采用15g咖啡粉加150ml水混合）采用原溶液、1:4、1：10稀释溶液做三次重复实验，对蜂蜜采用1:20、1:80稀释溶液做两次重复实验，与比色卡进行比色。

2.2实验二：蔗糖酶工作曲线探究实验

2.2.1实验目的

通过实验了解蔗糖酶的工作特点，绘制酶反应曲线，重点任务是对测量结果与其反应是时间进行记录，探寻规律。

2.2.2实验步骤

(1)配制浓度约为0.5%的蔗糖溶液:首先用天平称量5g蔗糖，用量简称量95mL纯净水，将蔗糖与水混合在试剂瓶(或烧杯)中，混合均匀至全部溶解可得到5%蔗糖溶液。从5%糖溶液中取10mL溶波与90mL纯净水混合，可得浓度为0.5%的蔗溶液；

(2)配制蔗糖酶溶液:首先用天平称量1g粉状蔗糖酶，用量简称取10mL纯净水，将酶与水混合在试剂瓶中，据晃试剂瓶使其完全溶解；

(3)蔗糖溶液中加入蔗糖酶:取15mL的0.5%蓝糖溶液，在糖溶波中入约1mL酶液(20滴)，并用玻璃棒混合溶液，同时启动计时器；

(4)测量溶液葡萄糖浓度:为了精确读数，本实验使用家用血糖仪对溶液的葡萄糖浓度进行检测,在启动计时器后的约第1、3、5、7、10、15、30、60、120、240、360、480分钟进行测试，将测量结果与对应时间(建议详细到秒)记录在本上。

2.3实验三：不同食物血糖生成指数调查

2.3.1实验目的

通过阅读专业文献，了解不同食物的血糖生成指数差异。

2.3.2实验步骤

血糖生成指数(Glycemic Index,GI)是反映食物餐后血糖应答的生理学特征性指标。由加拿大多伦多大学的Jenkins 博士于1981年首次提出。GI值表示当食用含50g有价值的碳水化合物的食物后，在一定时间内（一般为2h)体内血糖水平应答与食用相当量的葡萄糖或白面包引起的血糖应答水平的比值。根据GI值的不同，食物被分为高GI食物(GI>70),中GI食物(55<GI≤70)，低GI食物(GI≤55)。对于糖尿病患者（或者期望减肥的人）来说，食物的血糖生成指数是十分重要的参数。长期食用高GI食物会让糖尿病患者难以控制血糖，也会让普通人更容易发胖。谷物类食品是我们生活中必须的食物，也是一大碳水化合物来源，因此GI值也是除了营养成分外还需要考虑的指标，通过调研文献，整理对比，了解各类食品的升糖指数。

2.4实验四：模拟闭环胰岛素泵系统

2.4.1实验目的

搭建电路，模拟构建一个简化的人工胰岛腺模型，通过实验了解人工胰岛腺如何根据血糖水平自动输送胰岛素。

2.4.2实验步骤

（1）在面包板上构筑两个回路，一个回路由5V电源、100K欧电阻、导电线、UNO板输入接口构成；一个回路由N沟道场效应管作为开关控制，连接水泵、UNO板输入接口、5V电源。

（2）电脑连接UNO单片机，下载运行程序，编写输入输出代码，并上传UNO板。

（3）准备三个器皿，一个装50ml自来水作为胰岛素替代品，一个装100ml蒸馏水作为血液替代品；一个装500ml蒸馏水作为碳水化合物或血液替代品

（4）回路一电线两极放入100ml蒸馏水中，电压较大不产生电流；逐步加入自来水，回路一产生电流，并将信息输入UNO板，UNO板程序判定后信息接入输出接口，回路二产生电流，带动水泵，水泵将500ml蒸馏水泵入器皿一。

3.结果与分析

3.1实验一：测量食物中的葡萄糖浓度

组员们按照正确的实验步骤进行实验。但是在实验进行中，出现了问题：有些样本含糖量太高，超出了尿糖试纸的测试范围。而且尿糖试纸在测量样本后出现的颜色，和标准比色卡上的颜色不好比较。但对于含糖量太高的样本，需要先把这个样本稀释，按1:10或1:40的比例稀释后再测量。试纸颜色采用先调配2%，1%，0.5%的葡萄糖溶液，将试纸放入等试纸变色之后，将它作为标准，和测冰红茶蜂蜜的试纸比较颜色。

其中，组员们思维活跃，想出了测量咖啡和柠檬。平常味苦的咖啡，葡萄糖含量会如何呢？味道很酸的柠檬，吃起来并无甜味，也会含葡萄糖吗？对于这些问题，组员们带着好奇心展开探究，咖啡含2.17%，柠檬有6%，日常生活中，有的食物不甜但含“糖”。

如糖尿病人可能偶尔出现低血糖情况。发生这种情况时，通常快速摄入15g葡萄糖就可缓解症状，通过实验结果，饮用150ml冰红茶就可补充15g葡萄糖，缓解症状。

3.2实验二：蔗糖酶工作曲线探究实验

在实验过程中，常常因为各种原因造成数据异常。

在第一次使用0.5%溶液时直到120分钟时都出现HI。为了排除一些根源上的失误，重新配置了蔗糖溶液，并且确保每次测量实验用品不影响结果。第二次对0.5%溶液的测试，但是结果不尽人意，依然持续出现HI。后改用0.25%的溶液，及时止损，测出了数据。

实验表明：蔗糖在蔗糖酶的作用下分解为葡萄糖，蔗糖酶转化葡萄糖的速度是先快后慢，在3分钟时反应速度开展减慢。不同浓度蔗糖溶液反应速率不同，低浓度（0.25%）蔗糖溶液表现出转化速度先慢后快的结果，高浓度（0.5%）蔗糖溶液表现出先快后慢的结果。

3.3实验三：不同食物血糖生成指数调查

从调查中发现，我们常见的谷物升糖指数往往较高，而含有膳食纤维的粗粮升糖指数相对较低，而相同的谷物直接煮比煮粥升糖指数相对较高，从主食方面考虑，糖尿病患者最好食用升糖指数中低的食物。

3.4实验四：模拟闭环胰岛素泵系统

实验结果表明，这个系统可以通过控制胰岛素的注入，使血液中的葡萄糖水平降低。如电压过高（血糖水平升高），则自动注入胰岛素，可使电压降低（血糖水平降低）。

4.结论与讨论

通过科探方舟-食物中的糖及人体内糖代谢方式的实验与学习，使我想进一步深入探讨糖对人体的作用和影响，以及糖尿病对食物的选择和防治，寻求更加有效的防治措施，需要我们科学与实际相结合，充分发挥科技进步的作用。提升我们对于健康饮食、科学防治疾病的认知。

参考文献：

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[5]徐俊丽、无创血糖仪研究进展[J].中国医疗器械信息，2020,26(9)：2.

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