食物中糖及人体内糖 代谢方式研究

引言

　2024“科探方舟”项目从今年暑期开始，高一的同学们线上线下同时进行学习。线上进行探究性学习导论等科学研究课程，线下以小组合作的方式完成了课题探究实验。10月上旬行进了中期汇报交流，答辩前的一个月内，各课题的同学们继续深化课题探究，最后从每个课题组中选择最优秀的小组参加成果答辩会。

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 “糖与糖代谢”研究课题背景

1. 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

2.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带来的效应一直受到学界关注

3.随着经济发展，生活水平提高，饮食结构发生变化，糖尿病已经成为危害人类健康的严重疾病之

4.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。

2.实验概况

2.1提出问题

1.糖以什么形式存在?

2.不同的食物中含有多少糖?

3.人们吃下的食物，蔗糖是怎样转化成葡萄糖的?

4.不同种类的食物升糖指数是多少?

5.如何控制糖尿病?

2.2作出假设

1. 食物越甜含糖越，苦味、酸味的食物不含糖。

2. 蔗糖酶转化蔗糖速度逐渐减慢。

3.越粗糙的食物升糖指数越低，越洁淡的食物升糖指数越低

2.3设置变量

1. 不同的食物的葡萄糖浓度。

2.不同时间蔗糖酶转化葡萄糖的浓度。

3.相同时间，不同浓度的蔗糖溶液，蔗糖酶转化葡萄糖的浓度

4.不同食物的升糖指数。

5.相同食物不同做法的升糖指数。相同做法不同食物的升糖指数。

2.4材料与设备

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3m1、色素、药勺实验勺、血糖仪、蔗糖、蔗糖烧杯、标签纸、UNO R3开发板、方口USB酶M019、滴管0.2m1、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。

2.5实验步骤

1.测量不同食物葡萄糖：浓度选择了冰红茶、咖啡、蜂蜜、苹果不同浓度溶液进行重复测量并记录。

2.蔗糖酶工作曲线研究：配制两种不同浓度的蔗糖溶液，加入蔗糖酶，分别记录不同时间溶液中葡萄糖浓度。

3.不同食物血糖生成指数调查：查询不同食物的升糖指数并归纳整理，进行分类比对

4.模拟闭环胰岛素泵系统：搭建电路，设计两个回路，通过单片机程序控制，模拟自动注射

2.6数据分析

1.冰红茶含糖量10%，苹果含糖量2%，咖啡含糖量

2.17%，蜂蜜含糖量40%。

2.0.5%蔗糖溶液，3分钟葡萄糖浓度达到27.9%，10分钟葡萄糖浓度达到55.62%。0.25%蔗糖溶液，3分钟葡萄糖浓度达到31.68%，10分钟葡萄糖浓度达到37.62%。

3.大米饭升糖指数83，大米粥升糖指数78，黑米粥升糖指数42，面头(富强粉)升糖指数88，荞麦面馒头升糖指数67。

2.7结论

1.不同食物含有的葡萄糖浓度差异巨大，苦、酸的食物也含有葡萄糖。

2.一定浓度的蔗糖溶液，在蔗糖酶的作用下，不同时间产生不同的葡萄糖浓度。不同浓度的蔗糖溶液，在蔗糖酶的作用下，产生葡萄糖的速率曲线不相同。

3.不同食物间升糖指数差别巨大。粗糙的食物升糖指数更低，精细的食物升糖指数更高。相同食物直接煮比煮成粥升糖指数更高。

2.8思考与讨论

1.不同种类的食物对人体补充糖分有区别

2.吃完食物后，随着时间的变化，体内的葡萄糖浓会逐渐升高。吃食物的量不同，变化速度也不同。

3.不同食物，不同做法食用后，会对血糖的提升速度有不同影响。

2.9参考文献

[1]林秀红，糖，也有好坏之分?[J].大众健康。2020(12):2.

[2]王怀槟，彭星光，刘宏生，余稳稳。碳水化合物食品GI值体外、内预测方法的研究进展[J/OL].

[3]余丽玲,金浩宇,赖胜圣、闭环式人工胰腺血糖控制算法的研究进展[J].中国医疗器械信息,2018,24(3):3.

3.实验过程详细记录

3.1通讯稿：课题一全过程记录

《糖与糖代谢》课题研究小组活动正式开展，“科探方舟”顺利启航！

参与人员：桂子舒

时间：2024年8月26日

一、明确目标

测量食物中的葡萄糖浓度，第一小组同学选择了冰红茶、咖啡、蜂蜜、苹果以及其它水果进行测试。

实验结果（数据）如下：

 

二、思考探究，解决问题

整个过程还算顺利。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。

三、合作交流，克服挫折

作为组内开展的第一次实验，操作难免出现失误和困难，比如会不小心计时超过六十秒，稀释时需要量取、计算，比对比色卡时对于颜色的判断组员产生分歧。但这些困难组员都慢慢适应，一一克服，有时需要重做，大家都表现出耐心。

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”。

同时，组员们遇到问题与不同意见，需要及时沟通交流，学会合作，必要时，查阅资料来印证想法

四、结语：感悟科学，收获经验

在重复实验的过程中，在比对颜色的过程中，在合作中，组员们初步体验了科研精神，学会团队合作与耐心，走近科研探究，也在每次得出结果时体验到喜悦与成就感。我们组员也会再接再厉，走好科探每一步！

3.2 通讯稿：课题二全过程记录

克服新挑战，终于等来结果！——蔗糖酶工作曲线探究实验完成

时间：2024年8月27日 参与同学：桂子舒

一、明确目标

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

实验结果：

二、开始实验，精准操作

(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。

         

三、共同战胜挫折

在实验过程中，常常因为各种原因数据异常。

我（03）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，我去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。我开始了第二次对0.5%溶液的测试，但是结果不尽人意，依然持续出现HI，此时试纸已经剩的不多了，一次次的失败使我心情沮丧，并且十分担心。到底是哪个环节出了问题？

我向他人寻求帮助，好在及时沟通了，与同学交流后，我改用0.25%的溶液，及时止损，测出了自己的数据。

这次的实验，我感受颇深。首先，我有些笨手笨脚的，每次计时和测量时都有些紧张和手忙脚乱，这也许就是我数据异常的原因。其次，每次我揣着好奇与期待，看着血糖仪“5，4，3，2，1”直到出现结果，但大多数时候都是失败告终，失败的次数多了（如下图）真的很苦恼，当最后几次数据渐渐正常的时候，有一种苦尽甘来的喜悦。

组员02也有这样的经历，刚开始使用0.5%浓度时，HI出现了三次，但他善于探索，很快想到了解决办法，直接把溶液整体稀释，这样也能得到“规律”呀，他很懂得变通。

四、结语：总结经验，坚持到底

在八个小时的实验中，同学们学会了耐心等待，学会了坚持不懈，不气馁。我们意识到科研之路的艰辛，如果稍微遇到一些困难便退却不前，那就是没有科研的精神。不能吃苦耐劳，经不起考验与失败，就难以跨过路上的阻碍，到达成功。科研的路上没有绝对的平坦，只有具备科研精神，有意志力，坚定信念，才能走得更远，离真理更近一步!

4.成果展示

4.1海报成果

4.2结论

1.不同食物含有的葡萄糖浓度差异巨大，苦、酸的食物也含有葡萄糖。

2.一定浓度的蔗糖溶液，在蔗糖酶的作用下，不同时间产生不同的葡萄糖浓度。不同浓度的蔗糖溶液，在蔗糖酶的作用下，产生葡萄糖的速率曲线不相同。

3.不同食物间升糖指数差别巨大。粗糙的食物升糖指数更低，精细的食物升糖指数更高。相同食物直接煮比煮成粥升糖指数更高。

4.3拓展研究所得

（1）消化吸收：食物

食物是体内糖的最直接来源，包括淀粉和糖。

糖可以直接吸收，不需要消化，这个过程很快，几分钟即可。

如果是淀粉，就稍微复杂些。淀粉就是大家一般说的主食，各类米面粗粮薯类杂豆。淀粉也是最廉价的能量来源。淀粉分为直链淀粉和支链淀粉，相对而言，直链淀粉难以消化些，比如糯米。因为淀粉是复杂的碳水化合物，由几千几万个单糖手拉手抱成团，必须先像拆积木一样，把它拆开,变成一个个最简单的糖才能吸收，这个负责“拆家”的就是大名鼎鼎的淀粉酶。淀粉被拆散架以后变成糖，而小肠粘膜细胞上有专门的受体，也就是对应的小推车，把糖带入血液循环，这就叫吸收。

许多人不知道的是，淀粉的消化其实从口腔就开始了，唾液含有少量淀粉酶，可以把淀粉水解为麦芽糖，所以馒头面包在嘴里反复咀嚼就有些甜味。但淀粉主要在小肠被消化吸收。

还有一些碳水化合物不能被消化吸收,我们称为膳食纤维,主要有抗性淀粉和纤维素、半纤维素果胶等。它不直接提供能量，具有另外独特的作用。

总体而言，碳水化合物的消化吸收率很高，可达98%以上。

（2）血糖

血糖主要指葡萄糖，在全身血管中循环。由于血糖浓度受到胰高血糖素和胰岛素等多种激素的共同调节，基本保特在一定的范围内，既不会太多，也不会太少，非常的稳定。正常空腹血糖浓度3.9-6.1mmon，正常健康人具有良好的血糖调节能力，一般不容易出现低血糖或者高血糖，否则是很危险的事情。但是对于糖尿病患者或者是长时间运动饥饿等特殊博况下，血糖可能不稳定。比如低血糖会引起大脑“宕机”，头晕乏力发冷汗等等。血糖相当于糖在人体代谢的中间媒人，两边吃香，有来有往。血糖主要有3个来源和4个去路:

3 个来源:食物的消化吸收，肝糖原分解，糖异生。其中肝糖原和血糖可以快速相互转换，以维持血糖浓度的稳定你可以把肝糖原当做血糖的临时大仓库，外面卖断货了，可以不断出货，当然，仓库也需要不断补货。

4个去路:进入组织细胞被氧化分解，进入组织细胞转化为脂肪或者氨基酸，被肝脏细胞吸收转化为肝糖原储存，被骨骼肌和心肌吸收转化为肌糖原储存。

其中，人体的脑细胞、红细胞、视觉细胞比较特别些，必须依赖葡萄糖提供能量。脑细胞虽然也可以部分利用酮体供能，但如果血糖过低，就会“宕机”，如头晕反应迟钝等，说明你需要“充电”了。红细胞由于高度特异化，没有线粒体可以进行有氧氧化，只能通过糖酵解供能，糖就是它唯一的救命口粮。如果长期低血糖，比如采用生酮饮食，可能导致红细胞加速老化死亡，因为红细胞没有口粮了。所以保持稳定的血糖浓度对于人体健康至关重要,也不要一味地采用生酮饮食。

糖虽然宝贵,但只能少量储存,其中血糖3.5~6g,肝糖原70~100g，肌糖原300-400g，一共约500g,大概可以提供1个半小时中等强度的运动消耗。再多，就需要及时补充了。

（3）转化与代谢

那么，糖在人体内是怎样代谢的?也就是怎么样变来变去的?

首先，有氧条件下的有氧氧化，就是细胞内氧气充足情况下，在锅炉内燃烧，这个锅炉就是线粒体，一种重要的细胞器首先，一分子葡萄糖分解为2分子丙酮酸，再转化为乙酰辅酶A，再进入三羧酸循环，经过一系列非常复杂的过程以后,

最终氧化为二氧化碳和水，释放大量能量，即 ATP。

其次,无氧条件的糖酵解。就是细胞缺氧了,没法旺火烧,就只能焖烧。类似于酵母菌发酵一样,不需要氧气,故得此名但和酵母产生酒精不同，动物是产生乳酸，同时释放少量能量。乳酸是个两面派，非常灵活。既可以在骨骼肌、心肌等组织中继续有氧氧化生成二氧化碳和水，也可以在肝脏肾脏中重新合成葡萄糖和糖原。这个过程是很快的，可以为人体提供剧烈运动下急需的能量。

第三，转化为脂肪储存。由于糖只能在人体少量储存，如果一次性摄入过多糖，当肝糖原和肌糖原填满以后，没地方放多余的糖就会转化为脂肪而储存起来。由于糖转化为脂肪的一系类酶活性很高，糖可以很快很顺利变成脂肪，这也是为什么要适当控制主食和糖的原因。多吃主食会变胖，是非常有道理的。第四，转化为氨基酸，进一步合成蛋白质。葡萄糖可以转化为丙酮酸，进一步转变各类氨基酸。第五，糖异生。这是人体很奇妙的一个能力，就是脂肪和蛋白质等非糖物质可以转化为葡萄糖，主要是甘油。

4.3校内答辩与评奖

5.收获与感悟

科学的本质在于追寻真理，为未来的方向提供指引。

在参与糖与糖代谢研究的学术实践中，我深刻体会到这一领域对人类健康的重要意义。通过实验与文献研究，我认识到糖代谢调控网络的复杂性远超想象，而糖尿病等代谢性疾病的治疗本质上是机体代谢稳态的再平衡过程。传统胰岛素注射虽能暂时缓解高血糖，但无法精准模拟生理性脉冲分泌，这促使我开始关注前沿药剂控糖技术与人工胰腺的革新方向。

“科探方舟”承载着徐州一中学子的科学梦想，激励我们在科研实践中突破自我、追逐卓越，为中国科技事业的发展注入源源不断的新生力量。