食物中糖及人體內糖（táng） 代（dài）謝方式研究

引言

　2024“科探方舟”項目從今年暑期開始，高一的同學們線上線（xiàn）下同時進行學習。線上進行探究性學習導論等科學研究課程，線下以小組合作的方式完成了課題探究實驗。10月上（shàng）旬（xún）行進了中期匯報交流，答辯前的（de）一個月內，各課題的同（tóng）學們繼（jì）續深（shēn）化課題（tí）探究，最後從每個課題組中選擇最優秀的（de）小組參加成（chéng）果答辯會。

1. 課題背景

1.1中科院微型實驗室“科（kē）探方舟”

“科探方（fāng）舟”(課題研（yán）究項目)，是（shì）徐（xú）州一中與中科院合作，中科（kē）院京區科協（xié）牽頭設計的品牌科學產品。“科（kē）探方舟”以探（tàn）究性科學實驗裝置為支柱，在專業探究課程專家的指導下完成“小課題研究”，幫助同學們涵養科學精神、提（tí）高科學素養。

"科探方舟"是一個探究性的教學集（jí）成包，相當於一個（gè）微型的實驗室，其中包含了生命科學、資源環境等十個不同方向的課題,分別涉及水質（zhì）差異與硬（yìng）水軟化、射電天文望遠鏡工程、橋梁（liáng）承載能力、住宅日（rì）照間距、種子催芽劑、風力發電等，都是基（jī）於當下、基於生活和生（shēng）產實踐、基於同學們所見所聞所思所想,是真問題，課題具有前（qián）瞻性和鮮明的目（mù）的性（xìng）和計（jì）劃性。

主要（yào）目的在於培（péi）養學生的創新思維、合作（zuò）精神、溝通（tōng）能力，以此提（tí）高科學素養。高（gāo）中（zhōng）是培養學生創新思維的黃金時期，而小課題研究又是一項縝密的科學（xué）實驗活動，應該讓同（tóng）學（xué）們從高中開始，就養成（chéng）像科學（xué）家一樣思維的習慣。通過（guò）自主學（xué）習、動手（shǒu）實驗、成果（guǒ）匯報和答辯的形式，達到開闊視野、啟迪靈感、增強創新意識和動手實踐能力，提高綜合科學素養，為將來（lái）成為未來社會急需的創新型人才打（dǎ）下基礎。

1.2 “糖與糖代謝”研究課題背景

1. 糖是自然（rán）界分布廣泛（fàn）、數量最多的有機化合物，在生物體內扮演（yǎn）著至關重要的角色。它是人（rén）體能量的最主要來源，是人（rén）類機體結構的（de）重（chóng）要組成部分

2.隨（suí）著生活（huó）水（shuǐ）平的提高，人們的飲食模式（shì）正向著高脂肪高熱（rè）量、高糖膳食攝入的方向發展（zhǎn），食（shí）品中大量（liàng）的添加糖帶來的效應一直受到學界關注

3.隨著經濟發展，生活水（shuǐ）平提（tí）高，飲食結構發生變化，糖尿病已（yǐ）經成為危害人類健康的嚴重（chóng）疾病之

4.糖尿病作為一種全球性的健康問題，其管理（lǐ）關鍵在於（yú）血糖水平的精確控製。

2.實驗概況（kuàng）

2.1提出問題

1.糖以什麽形式存在?

2.不同的（de）食物中含有多少糖?

3.人（rén）們吃下的食物，蔗糖是怎樣轉化成葡萄糖的?

4.不同種類的食物升糖指數是多（duō）少（shǎo）?

5.如何控製（zhì）糖尿病?

2.2作出假設

1. 食物越甜含糖越（yuè），苦味、酸味的食（shí）物不含糖。

2. 蔗糖酶（méi）轉（zhuǎn）化蔗糖速度逐漸減慢。

3.越粗糙的食（shí）物升糖指數越低，越潔淡的食（shí）物升糖指數越低

2.3設置變量

1. 不（bú）同的食物的葡萄糖濃度。

2.不同時（shí）間蔗糖（táng）酶轉化葡（pú）萄糖（táng）的濃度。

3.相同時間，不同濃度（dù）的蔗糖溶液，蔗糖酶轉化葡（pú）萄糖的濃度

4.不同食物的升糖指數。

5.相同（tóng）食物不同做法的升糖指數。相同做法不同食物（wù）的升糖指數。

2.4材料與設備（bèi）

手冊、無水葡萄糖、電子秤0.01、稱量紙、攪拌棒、塑料量筒、尿（niào）糖（táng）試（shì）紙、滴管（guǎn）3m1、色素、藥勺實驗勺、血糖儀、蔗糖、蔗糖燒杯、標簽紙、UNO R3開發板、方口USB酶M019、滴管0.2m1、數據線、鱷魚夾導線、麵包板、N溝道場效應（yīng）管MOS場效應管、杜邦線、金屬膜電阻、電機6V雙孔、EPE泡沫條、塑膠導管軟管PVC、錫箔紙。

2.5實驗步驟

1.測量不同食（shí）物葡萄糖（táng）：濃度選擇了冰紅（hóng）茶、咖啡、蜂蜜、蘋果（guǒ）不同濃度（dù）溶液進行（háng）重複測量並（bìng）記錄。

2.蔗糖酶（méi）工作曲線研究（jiū）：配製兩種不同濃度的蔗（zhè）糖溶液，加入蔗糖（táng）酶，分別記錄不同時間溶液中葡萄糖濃度。

3.不同食物血糖生成指數調查：查詢（xún）不同食（shí）物的升糖指數（shù）並歸納整理，進行分類比對

4.模擬閉環胰（yí）島素泵係統：搭建電路（lù），設計（jì）兩個回路，通過單片（piàn）機程序控製，模擬自動注射

2.6數（shù）據分析

1.冰紅茶含糖量10%，蘋果含糖量2%，咖啡含糖量

2.17%，蜂蜜含糖量40%。

2.0.5%蔗糖溶液，3分鍾（zhōng）葡萄糖濃度達到27.9%，10分鍾葡萄糖濃度達到55.62%。0.25%蔗糖溶液，3分（fèn）鍾（zhōng）葡萄糖濃度（dù）達（dá）到31.68%，10分鍾葡萄糖濃（nóng）度達（dá）到37.62%。

3.大米飯升（shēng）糖指數83，大米粥升糖指數78，黑米粥升糖指數42，麵頭(富強粉)升糖指數88，蕎麥麵饅頭升糖指數67。

2.7結論

1.不同食（shí）物含有的葡萄糖濃（nóng）度差異巨大（dà），苦、酸的食物也（yě）含有葡（pú）萄糖。

2.一（yī）定濃度的蔗糖溶液，在蔗糖酶的作用（yòng）下，不同時間產生不同的葡萄（táo）糖（táng）濃度。不同濃度的蔗糖（táng）溶液，在蔗（zhè）糖酶的作（zuò）用下，產生葡（pú）萄糖的速率曲（qǔ）線不相同。

3.不同食物間升糖指數差別（bié）巨大。粗糙的食物升糖指數更低（dī），精細的食物升糖指數更（gèng）高。相同食物直接煮比煮成粥（zhōu）升糖指數更高。

2.8思考與討論

1.不同種類的食物對（duì）人體補充（chōng）糖分有區別

2.吃完食（shí）物後，隨著時（shí）間的變化，體內的葡萄糖濃（nóng）會逐漸升高。吃食物的量不同，變化速度也不同。

3.不同食物，不同做法食用後，會對血糖的提（tí）升速度有不同影響。

2.9參考文獻

[1]林秀（xiù）紅，糖，也有好壞之分?[J].大眾健康（kāng）。2020(12):2.

[2]王（wáng）懷檳，彭（péng）星（xīng）光，劉宏生，餘穩穩。碳水化合物（wù）食品GI值體外、內（nèi）預測方法的研究進展[J/OL].

[3]餘麗玲,金浩宇（yǔ）,賴勝聖、閉環式人工胰腺血糖控製算法的研究進展[J].中國醫療器械信（xìn）息,2018,24(3):3.

3.實驗過程詳細記錄

3.1通訊稿：課題一全（quán）過程記錄（lù）

《糖與糖代謝》課題研究小組活（huó）動正式開展，“科探方舟”順利啟航！

參與人員：桂（guì）子舒

時間：2024年8月26日

一（yī）、明確目標

測量食物中的葡萄糖濃度，第一小組同學選擇了冰紅茶、咖啡、蜂（fēng）蜜、蘋果（guǒ）以及其它水果進行（háng）測試（shì）。

實驗結果（數據）如下：

 

二、思（sī）考探究，解決問題

整個過程還算順利。組員們按照正（zhèng）確的實驗步驟（zhòu）進行（háng）實驗。但（dàn）是在實驗進行中，出現了問題：有些樣本含糖量太高，超出了尿糖試紙（zhǐ）的測試（shì）範圍。而且尿糖試紙在測量樣本後出現的顏色，和標準比色卡上的顏色不好比較。但對於含糖量（liàng）太高的樣本，需要先把這個樣本稀釋，按1:10或1:40的（de）比例稀（xī）釋後再測量。試紙顏色采用先調配（pèi）2%，1%，0.5%的葡萄糖溶液，將試紙放入等試紙變色之後（hòu），將它作為標準，和測冰紅茶蜂蜜的試紙比較顏色。

三、合作交（jiāo）流，克服挫（cuò）折

作為組內（nèi）開展的第一次實驗，操作難免出現失誤和困難，比如會不（bú）小心計（jì）時超過六十秒，稀釋時需要量取、計算，比對比色卡時對（duì）於顏色的判斷組員產生分歧。但這些困難組員都慢慢適應，一一克服，有時需要重做，大家都表現出（chū）耐心。

其中，組員（yuán）們思維活躍，想出了測量咖啡和檸檬。平常（cháng）味苦的咖啡，葡萄糖含量會如何呢？味道很酸的檸檬，吃起來並無甜（tián）味，也會含葡萄糖嗎（ma）？對於這些問題，組員們帶著好奇心展開探究，咖啡含2.17%，檸檬有6%，日常生活中，有的（de）食物不甜（tián）但含“糖”。

同時，組員們遇到問題與不同意見，需要及時溝通交流，學會合作，必要時，查閱資料來印證想法

四、結（jié）語：感悟科（kē）學，收獲（huò）經驗

在重複實驗的過程中，在比對顏色的過程中，在合（hé）作中，組員們初步體驗了科研精神，學會團（tuán）隊（duì）合作與耐心，走近（jìn）科研探究，也在每次（cì）得出結果時體驗到（dào）喜悅與成就（jiù）感。我們組員也會再接再厲（lì），走好科探每一步！

3.2 通訊稿：課題二全過程記錄

克服新（xīn）挑戰，終於等來結（jié）果（guǒ）！——蔗糖（táng）酶工作曲線探究實驗完成（chéng）

時間：2024年8月（yuè）27日（rì） 參（cān）與同學：桂子舒

一、明確目標

通過實驗了解（jiě）蔗糖酶（méi）的工作特點，繪製酶反應曲線，重點任務是對測量結果與其反應是時間進行記錄，探尋規律

實驗結果：

二、開始實驗，精準操作

(1)配製濃度約為0.5%的蔗糖（táng）溶液:首先用天平稱量5g蔗糖，用量簡稱量95mL純淨水，將蔗糖與水（shuǐ）混合（hé）在試劑瓶(或燒杯)中（zhōng），混合均勻至全部溶解可得到（dào）5%蔗糖溶液。從（cóng）5%糖溶（róng）液中取10mL溶（róng）波（bō）與（yǔ）90mL純淨水混合，可得濃（nóng）度為0.5%的蔗溶液;

(2)配製蔗糖酶溶液:首先用天平稱量1g粉狀蔗糖酶，用量簡稱（chēng）取10mL純淨水，將酶（méi）與水混合在試劑瓶中，據晃試劑瓶使其完全溶解:

(3)蔗糖溶液中加入蔗糖酶:取（qǔ）15mL的（de）0.5%藍糖溶液，在糖溶波中（zhōng）入約1mL酶液(20滴)，並用玻璃棒混（hún）合溶（róng）液，同時啟動計時器;

(4)測量溶（róng）液葡萄糖濃（nóng）度:為了精確（què）讀數（shù），本實驗使用家用血糖儀對溶液的葡萄糖濃度進行檢測,在啟動計時（shí）器（qì）後的（de）約第1、3、5、7、10、15、30、60、120、240、360、480分鍾進行測試，將測量結果與（yǔ）對應（yīng）時間(建議詳細到秒（miǎo）)記錄在本（běn）上。

         

三、共（gòng）同戰勝挫折

在實驗過程中，常常因為各種原因數據異常。

我（03）在第一次使（shǐ）用0.5%溶液時直到120分鍾時都出（chū）現HI。為了排（pái）除一些根源上（shàng）的失誤，我去重新配置了蔗糖溶液，並且確保每次（cì）測量實驗用品不影響（xiǎng）結（jié）果。我開（kāi）始了第二次對0.5%溶液的測（cè）試，但是結果不盡人意（yì），依然持續出現HI，此時試紙已經（jīng）剩的不多了，一次次的失敗（bài）使我心情沮喪，並（bìng）且十分擔心。到底是哪個環（huán）節出了問題？

我向他人尋求幫助，好在及時溝通了，與同學（xué）交流後，我改用0.25%的溶液，及（jí）時（shí）止損，測出了自己的數據。

這次的實驗，我感受頗深。首先，我（wǒ）有些笨手笨腳的，每次計時和測量時都有（yǒu）些緊張和手忙腳亂，這也許就（jiù）是我數（shù）據異常的原因（yīn）。其（qí）次，每次我（wǒ）揣著好奇與（yǔ）期待，看著血糖儀“5，4，3，2，1”直到出現結果，但大多數時（shí）候都是失敗告終，失（shī）敗的次數多了（如下圖）真的很苦惱，當最（zuì）後幾次數據（jù）漸漸正常的時候，有一種（zhǒng）苦盡甘來的喜悅。

組員02也有這樣的經曆，剛開始使用0.5%濃度時，HI出現了（le）三次，但他善於探索，很快想到了解決辦法，直接（jiē）把溶液整體稀（xī）釋，這樣也能得到“規律”呀（ya），他很懂得變（biàn）通。

四（sì）、結語：總結經驗，堅持到底

在八個小時的實驗中，同學們學會了耐心等待，學會了堅持不懈（xiè），不氣餒。我（wǒ）們意（yì）識到科研之路的艱辛，如果稍微（wēi）遇到一些困難便退（tuì）卻不前，那就是沒有科研的精神。不能吃（chī）苦耐勞，經不起考（kǎo）驗與失敗，就（jiù）難以跨過路上的（de）阻礙，到達成功。科研的（de）路上沒有絕對的平坦，隻有具備科研精神，有意誌力，堅定信念（niàn），才能走得更遠，離（lí）真理更近一步!

4.成（chéng）果展示

4.1海報成果（guǒ）

4.2結論

1.不同食物含有的葡萄糖濃度差異巨大，苦、酸的食物也含有葡（pú）萄糖。

2.一定濃度的蔗糖溶（róng）液，在蔗糖酶的（de）作用下，不同時間產生不同的葡萄糖濃度（dù）。不同濃度的蔗糖溶液，在蔗糖酶的作用下，產生葡萄糖的速率曲線不（bú）相同。

3.不同食物間升糖指數（shù）差別巨大。粗糙的食物升（shēng）糖指數更低，精細的食物升糖指數更高。相同食物直（zhí）接煮比煮成粥升糖指數更高。

4.3拓展研究所得

（1）消化吸收：食物

食物是（shì）體內糖的最直接來源，包括澱粉和糖。

糖（táng）可以直接吸收，不需要消化（huà），這個過（guò）程很快，幾分鍾即可。

如果是澱粉，就稍微複雜些。澱粉就是大家一般說的主食（shí），各類米麵粗糧薯類雜豆。澱粉（fěn）也是最廉價（jià）的（de）能（néng）量來源。澱粉分（fèn）為直鏈澱粉和支鏈澱粉，相對而言，直（zhí）鏈澱粉難以（yǐ）消化些，比如糯米。因為澱粉是（shì）複雜的碳水化合物，由幾千幾萬（wàn）個單糖手拉手抱成團（tuán），必須先像拆（chāi）積木一樣，把它拆開,變成一個個最（zuì）簡單的糖才能吸收，這個負責“拆家（jiā）”的就是大名鼎鼎的澱粉酶。澱粉被拆散架以（yǐ）後變（biàn）成糖，而小腸（cháng）粘（zhān）膜細胞上有（yǒu）專門的受體，也就是對應的小推車，把糖帶入血液循環，這就叫（jiào）吸收。

許多人不知（zhī）道的是，澱粉的消化其實從口腔就開始了，唾液含有少量澱粉酶，可以把澱（diàn）粉水（shuǐ）解為麥芽糖，所以饅（mán）頭麵包在（zài）嘴裏反複咀嚼就有些甜味。但澱粉主要在小腸被消化吸收。

還有一（yī）些碳水化合物不能被消化吸收（shōu）,我們稱為膳食纖維,主要有抗性澱粉和纖（xiān）維素、半纖維素（sù）果膠等。它不直接提供能量（liàng），具有另外獨特的作用（yòng）。

總體而言，碳水（shuǐ）化合物（wù）的消化吸收率很高（gāo），可達98%以上。

（2）血糖

血糖（táng）主要（yào）指葡萄糖，在全身血管中循環。由於血糖濃度受（shòu）到胰高血糖素和胰島素等多種激素（sù）的共同調節，基本（běn）保特在一（yī）定的範圍（wéi）內，既不會太（tài）多，也不會太少，非（fēi）常的穩定。正常空腹血糖濃度3.9-6.1mmon，正常健康人具有良好的血糖調節能力，一般不容易出（chū）現低血糖或者高（gāo）血糖，否則（zé）是很危險的事情。但是對於糖尿病患者或者是長時間運動（dòng）饑餓等特（tè）殊博況下，血糖可能不穩定。比如低血（xuè）糖會引起大腦“宕機”，頭暈（yūn）乏力發冷汗等等。血糖相當於糖在人（rén）體（tǐ）代謝的中間媒人，兩邊吃香，有（yǒu）來有往。血糖主要有3個來源和4個（gè）去路:

3 個來源:食物（wù）的消化吸收，肝糖原分解，糖異生。其中肝糖原和血糖（táng）可以（yǐ）快速相互轉換，以維持血糖濃度的穩定你（nǐ）可以把肝糖原當做血糖的臨時大倉庫，外麵賣斷貨了，可以不斷出貨，當然，倉（cāng）庫也需要不斷補貨。

4個去路:進入組（zǔ）織細胞被氧化分解，進入組織細胞轉（zhuǎn）化為（wéi）脂肪或者（zhě）氨基酸，被肝髒細胞吸收轉化（huà）為肝糖原儲存，被骨（gǔ）骼肌和心（xīn）肌吸收轉化為肌糖原儲存。

其中，人（rén）體的腦細胞、紅細胞、視覺細胞比較特別些，必須依賴葡萄糖提供能量。腦細胞雖然也可以部分利用酮體（tǐ）供能，但如果血糖過低，就會“宕機”，如頭暈反應遲鈍等，說明你需要“充電”了。紅細胞由於高（gāo）度特異（yì）化，沒有線粒體可以進行有氧氧（yǎng）化，隻能通過糖酵解供能，糖就（jiù）是它（tā）唯一的救（jiù）命口糧。如果（guǒ）長期低血糖，比如采用生酮（tóng）飲食，可能導（dǎo）致（zhì）紅細胞加速老化死亡，因為紅細胞沒有口糧（liáng）了。所以保持穩定的血糖濃度對於人（rén）體健康至關重要,也（yě）不要一味地采用生酮飲（yǐn）食。

糖雖然寶貴,但隻能少量儲存,其中血糖3.5~6g,肝糖原70~100g，肌糖原300-400g，一共約500g,大概可以提供1個半小時（shí）中等強度的運動消耗。再多，就需要及時補充（chōng）了。

（3）轉化與代謝（xiè）

那麽，糖在人（rén）體（tǐ）內是怎（zěn）樣代謝的（de）?也就是怎麽樣變來變去的?

首先（xiān），有氧條件下的有氧氧化，就是細胞內氧氣充足情況下，在鍋爐內燃燒，這個鍋爐就是線粒體，一種重（chóng）要的細胞器首先，一分子葡萄糖分解為2分子丙酮酸，再轉化為乙（yǐ）酰輔酶A，再進入三羧酸循環，經過一係列非常複雜的過程以後,

最終氧化為二氧化碳和水，釋放大量能量，即 ATP。

其次,無氧條件的糖酵解。就是細胞缺氧了,沒法旺火（huǒ）燒,就隻能燜燒。類似於酵母菌發（fā）酵一樣,不（bú）需要氧（yǎng）氣,故得此名但和酵母產生酒精不同，動物是產生乳（rǔ）酸，同時釋放少量能量。乳酸是個兩麵（miàn）派，非常靈活。既可以在骨骼肌、心肌等組織中繼續有氧氧化生成二氧化碳和水，也可以在肝髒腎髒（zāng）中（zhōng）重新合成葡萄糖和糖原。這個過程是很快的，可以為人體提供劇烈運動下急（jí）需的（de）能量。

第三，轉化為脂肪儲存。由於糖隻（zhī）能在人體少量儲存，如果一次（cì）性攝入過多糖，當肝糖原（yuán）和肌糖原填滿以後，沒地方放多餘的糖就會轉化為（wéi）脂肪而儲（chǔ）存起來。由於糖轉（zhuǎn）化為脂肪的一係類酶（méi）活性很高，糖可以很快很順利變成脂肪，這也（yě）是為什麽要適當控製主食和糖（táng）的原因。多吃主食（shí）會變胖，是非常有道理的。第四，轉化為氨基（jī）酸，進一步合成蛋白質。葡萄糖可以轉化為丙酮酸，進一步轉變各類氨基酸。第五，糖異生。這是人體很奇妙（miào）的一個能力，就是脂肪和蛋白（bái）質等非（fēi）糖物質可以轉化為葡萄糖，主要是甘油。

4.3校內答辯與評獎

5.收獲與感悟

科學的本質在於追尋真（zhēn）理，為未來的方向提（tí）供指（zhǐ）引。

在參與糖與糖代（dài）謝研究的學術實踐中，我（wǒ）深刻體會到這一領域對人類健康的重要意義。通過實驗與文獻研（yán）究，我認識到糖（táng）代謝調（diào）控網絡的複雜性遠超想象，而糖尿（niào）病等代謝性疾病的治療本質上（shàng）是機體代謝穩態的再平（píng）衡過（guò）程。傳統胰島素注射雖能暫時（shí）緩解高血糖，但無法精準模擬生理性脈衝分（fèn）泌，這促使我開始關注前沿藥劑控糖技術與人工胰腺的革新方向。

“科（kē）探方舟”承載著（zhe）大草莓直一中學子的科學夢想，激勵我們在科研實踐中（zhōng）突破自我、追（zhuī）逐卓越，為中國科（kē）技（jì）事業的發展注入（rù）源源不（bú）斷的新生力量（liàng）。