食物中（zhōng）糖及（jí）人體內糖 代謝（xiè）方式研究
食物中糖及人體內糖 代謝方式研究
引言
2024“科探方舟”項（xiàng）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（kè）題（tí）探究實驗。10月上（shàng）旬行進了（le）中期匯報交流，答辯前的一（yī）個（gè）月內，各課（kè）題（tí）的同學們繼續深（shēn）化課題（tí）探究（jiū），最後從每個課題組中選擇最優秀的小組參加成果答（dá）辯會。
1. 課題背景
1.1中科院微型實驗室“科探方舟”
“科探方舟”(課題研究項目)，是（shì）徐州一中與中科院合作，中科院京區科協牽（qiān）頭設計的品牌科學產品（pǐn）。“科探方舟”以探究性科學實驗裝置為支柱，在專業探究課（kè）程專家的指導下完成“小課題（tí）研究”，幫助同學們涵養科學精神、提高科學素（sù）養。
"科探（tàn）方（fāng）舟"是一個探（tàn）究性的教學集成包，相（xiàng）當於（yú）一個微型的（de）實驗室，其中包（bāo）含了生命科學、資源環境（jìng）等十個不同方（fāng）向的（de）課題,分別涉及水質差異與硬水軟化、射電天文望（wàng）遠鏡工程、橋梁承（chéng）載（zǎi）能力、住宅日照（zhào）間距、種子催芽（yá）劑、風力發電等，都是基於當下（xià）、基於生活和（hé）生產實踐、基於同學們（men）所見所聞（wén）所思所想,是真（zhēn）問題，課題具有前瞻性和鮮明的目的性和計（jì）劃性。
主要目的在於培養學生的創新思維、合作精神、溝通能力，以此提高科學素養（yǎng）。高（gāo）中是培養學（xué）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實驗活動，應該讓同學們從高中開始，就養成（chéng）像科學家一（yī）樣思維（wéi）的習慣。通過自主學習、動手實（shí）驗、成果匯報和答（dá）辯的形（xíng）式，達到開闊視野（yě）、啟迪靈感、增強（qiáng）創新意識（shí）和動手實踐能力，提（tí）高綜合科學素養，為將來成為未來社會急需的創新型人才打下基礎。
1.2 “糖與糖（táng）代謝”研究（jiū）課（kè）題背景
1. 糖是自然界分布廣泛、數量最多的（de）有機化合物，在生物體內扮演著至（zhì）關重要的角色（sè）。它是人體（tǐ）能量的最主要來源，是人（rén）類機體結構的重要組成部分
2.隨著生（shēng）活水平的提高，人們的飲食模式正向著高（gāo）脂肪高熱量、高糖膳食攝入的方向（xiàng）發展，食（shí）品中大量的添加糖帶來的效應一直（zhí）受到學（xué）界關注（zhù）
3.隨著經濟發展，生活水平提高，飲食（shí）結構發生變化，糖尿病已經成（chéng）為危害人類健康的嚴重疾病之（zhī）
4.糖尿病作為一種全（quán）球性的健康問題，其管理關鍵在於血糖水平的精確控製。
2.實驗概況
2.1提出問題
1.糖以什麽形式（shì）存在?
2.不同的食物中含有多少糖?
3.人們吃下的食物，蔗（zhè）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少?
5.如何控製糖尿病?
2.2作出假設
1. 食物越甜含糖越，苦味、酸（suān）味的食物不含糖。
2. 蔗糖酶轉（zhuǎn）化蔗糖速度逐漸減慢。
3.越粗糙的食物升糖指數越低，越潔（jié）淡的食物（wù）升糖（táng）指數（shù）越（yuè）低
2.3設置變量
1. 不同的食物的葡萄糖濃度。
2.不同時間蔗糖酶轉化（huà）葡萄糖（táng）的濃度。
3.相同時間，不同濃度的蔗糖溶液，蔗糖酶轉化葡萄糖的濃度
4.不同食（shí）物的升糖指（zhǐ）數。
5.相同食物不同做法的升糖指數。相同做法不同食物的（de）升糖指數。
2.4材料與（yǔ）設備
手冊、無水葡萄糖、電子秤0.01、稱量紙、攪拌棒、塑料量筒、尿糖試紙（zhǐ）、滴管3m1、色素、藥勺實（shí）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（bāo）板、N溝道場效應管MOS場效應管、杜邦線、金屬膜電阻、電機6V雙孔、EPE泡沫條、塑（sù）膠導管軟管PVC、錫箔紙。
2.5實驗步驟
1.測量不同食物葡萄糖：濃度選擇了冰紅茶、咖啡、蜂蜜、蘋果不同濃度溶液進行重複測量並記錄。
2.蔗（zhè）糖（táng）酶工作曲線研究：配製兩種不同濃度的蔗糖溶液，加入蔗糖酶，分別記錄（lù）不同時間溶液中（zhōng）葡萄糖濃度。
3.不同食物血糖生成指數調查：查詢（xún）不同食物的升糖指數並歸納整理，進行分類比對
4.模擬閉環胰島素泵（bèng）係統：搭建電（diàn）路，設計兩個回路，通過（guò）單片機程序控製，模擬自動（dòng）注射
2.6數據分析
1.冰紅（hóng）茶（chá）含糖量10%，蘋果含糖量2%，咖啡含糖量
2.17%，蜂蜜（mì）含糖（táng）量40%。
2.0.5%蔗糖溶液（yè），3分鍾葡（pú）萄糖濃度達到27.9%，10分鍾（zhōng）葡萄糖濃（nóng）度達到55.62%。0.25%蔗糖溶液，3分鍾葡萄糖濃度達到31.68%，10分鍾葡萄糖濃度達到37.62%。
3.大米飯升糖指數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（mán）頭升糖指數67。
2.7結論
1.不（bú）同食物含有的葡萄糖濃度差異巨大，苦、酸的食（shí）物（wù）也含有（yǒu）葡萄糖。
2.一定濃度的蔗糖溶液，在蔗糖酶的作用下，不同時間產生不同的葡萄（táo）糖濃度。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（lǜ）曲線不相（xiàng）同。
3.不同食物間升糖指數差別巨大。粗糙的食物升糖指數更低，精細的食物升糖指數更高。相同食物直接煮比煮成粥升糖指數更（gèng）高。
2.8思考與（yǔ）討論
1.不同種類的食物對人體補（bǔ）充糖分有區別
2.吃完食（shí）物後，隨著時間的變化，體內的葡（pú）萄糖濃會逐漸（jiàn）升（shēng）高。吃食（shí）物的（de）量（liàng）不同，變化速度也不同（tóng）。
3.不同食物，不同做法食用後，會對（duì）血糖（táng）的提升速度有不同影響。
2.9參考文獻
[1]林秀紅，糖，也有好壞之分?[J].大眾健康。2020(12):2.
[2]王懷檳，彭星光，劉宏生，餘穩穩。碳水化合物食品GI值體外、內（nèi）預測方法的研究進（jìn）展[J/OL].
[3]餘（yú）麗玲,金浩宇,賴勝聖、閉環式人工胰腺血糖控製算（suàn）法的研究進展（zhǎn）[J].中國醫療器械信息,2018,24(3):3.
3.實驗（yàn）過程詳細記錄
3.1通訊稿（gǎo）：課題一全過程記錄
《糖與糖代謝（xiè）》課題研究小組活動正式開展，“科探（tàn）方舟”順利啟航！
參與人員：桂子舒
時（shí）間：2024年8月26日
一、明確目標
測量食物中的葡萄糖濃度，第一小組同（tóng）學選擇了冰紅茶、咖啡、蜂蜜、蘋果以及其它水果進行測試。
實驗結果（數據）如下：
二、思考探究，解決問題
整個過程還算順利。組員們（men）按照（zhào）正確的實驗步驟進行實驗。但是在實驗進行中，出現了問題（tí）：有些樣本含糖量太高，超出了尿糖試紙的測試範圍（wéi）。而且尿糖試紙在測量樣（yàng）本後（hòu）出現的顏色，和標準比（bǐ）色卡上的顏色不好比較。但對（duì）於含糖量太高的樣本，需要先把這（zhè）個樣本稀釋，按（àn）1:10或（huò）1:40的比例稀釋後再測量。試紙顏（yán）色采用先調配2%，1%，0.5%的葡萄糖溶液，將試紙放入等試紙變色之後，將它作為標準，和測冰紅茶蜂蜜的試紙比較顏（yán）色。
三、合（hé）作交流，克服挫折
作為組內開展的第一次實驗，操作難免出現失（shī）誤和困難，比如會不小心（xīn）計時超過六（liù）十秒，稀釋時需要量取、計算（suàn），比對比色卡時對（duì）於顏色的（de）判斷組員產生分歧。但這些困難組員都慢慢適（shì）應，一（yī）一克服，有時需要重做，大家都表現出耐心。
其中，組員們（men）思維活躍，想出了測量咖啡和檸檬。平常味苦的咖啡，葡萄糖含量會如何呢？味道很酸（suān）的檸檬，吃起（qǐ）來並無甜味，也會含葡萄糖嗎？對於這些問題，組員（yuán）們帶著好（hǎo）奇心展開探究，咖啡含2.17%，檸檬有6%，日常生活中，有的食物不甜但含“糖”。
同時，組員們遇到問題與不同意見（jiàn），需要及時溝通交（jiāo）流（liú），學會合作，必要時，查閱資料來（lái）印證想法
四、結語：感悟科學，收（shōu）獲經驗（yàn）
在重複實驗的過程中，在比對顏色的過程中，在合作中，組員們（men）初步體驗了科研精神，學會團隊合作與耐心，走近（jìn）科研探（tàn）究，也（yě）在每次得出結（jié）果時體驗到喜悅（yuè）與成就（jiù）感。91成人版組員也會再接再厲，走好科探每一步！
3.2 通訊稿：課題（tí）二全過程記錄
克服新挑戰（zhàn），終於等來結果！——蔗糖酶工作曲線探究（jiū）實驗完成
時（shí）間（jiān）：2024年8月27日 參與同學：桂子舒（shū）
一、明確目標
通過實驗了解蔗糖酶的工作特點，繪製酶反應曲線，重點任務（wù）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（wéi）0.5%的蔗糖溶液:首先用天平稱量5g蔗糖，用量簡（jiǎn）稱量95mL純（chún）淨水，將蔗（zhè）糖與水混合在試劑瓶(或燒杯)中，混合均勻至全部溶解（jiě）可得到5%蔗糖溶液。從5%糖溶液中取10mL溶波與90mL純淨水混合（hé），可得濃度為（wéi）0.5%的蔗溶（róng）液;
(2)配製（zhì）蔗（zhè）糖酶（méi）溶液:首先用天平（píng）稱量1g粉狀蔗糖酶，用量簡稱取10mL純淨水，將酶與水（shuǐ）混合在試劑瓶中，據晃試劑瓶使其（qí）完全溶解:
(3)蔗糖溶（róng）液中加（jiā）入蔗糖酶:取15mL的0.5%藍糖溶液，在糖溶波中入約1mL酶液(20滴)，並用玻（bō）璃（lí）棒混合溶液，同時啟動計時器;
(4)測量溶液葡萄糖濃度:為了精確讀數，本實驗使（shǐ）用家用血（xuè）糖儀對溶（róng）液的葡萄（táo）糖濃度進行檢測,在啟動計時器（qì）後的約第1、3、5、7、10、15、30、60、120、240、360、480分鍾進（jìn）行測試，將測量結果（guǒ）與對（duì）應（yīng）時間(建議詳細到秒)記錄在本上。
三、共同戰勝挫折
在實驗過程中，常常因為各種原因數據異常（cháng）。
我（03）在第一次使用0.5%溶液時直到120分鍾（zhōng）時都出現HI。為了排除（chú）一（yī）些根源上的失誤（wù），我去重新配置了蔗糖溶液，並且確保每（měi）次測量實驗用品不影響結果。我開始了第二次對0.5%溶液的測（cè）試，但是結果不盡（jìn）人意（yì），依然持續出現（xiàn）HI，此時試紙已經剩的不（bú）多（duō）了，一次次的（de）失敗使我心情沮（jǔ）喪，並且十分擔心。到底是哪個環節出了問（wèn）題（tí）？
我向他人尋求幫助，好在及時（shí）溝通了，與（yǔ）同學交流後，我改用0.25%的溶液，及時止損（sǔn），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（máng）腳亂，這也許就是我數據異常的原因（yīn）。其次，每次我揣著（zhe）好（hǎo）奇與期待，看著血糖儀“5，4，3，2，1”直到出現結果，但大多（duō）數時候都是失敗告終，失敗（bài）的次數多了（如下圖）真的很苦惱，當最後（hòu）幾次數據漸漸正常的時候，有一種苦盡甘來的喜悅。
組員02也有這樣的經曆，剛開始使用（yòng）0.5%濃度時，HI出現了三次，但他善於探索，很快想到了解決辦法（fǎ），直接把溶液（yè）整體稀釋，這樣也能得到“規律”呀，他很懂得變通。
四、結語：總結經驗，堅（jiān）持到底
在八個小時（shí）的實驗（yàn）中，同學們學會了耐心等待，學會了堅持（chí）不懈（xiè），不氣餒。91成人版意識到科研之路的艱辛，如果稍微遇到一些困難便退卻不前，那就是沒有科研的精神。不能吃（chī）苦耐勞，經不起考驗與失（shī）敗，就（jiù）難（nán）以跨過路上的阻礙（ài），到（dào）達成功。科研的路上沒有絕（jué）對的（de）平坦，隻有具備科研精神，有（yǒu）意誌力，堅定信念，才（cái）能走得更遠，離真理更近一（yī）步!
4.成（chéng）果展示
4.1海報成果
4.2結論
1.不同食物含有的（de）葡萄糖濃度差異（yì）巨大，苦、酸的食（shí）物也含有（yǒu）葡萄糖。
2.一定濃度的蔗糖溶液，在蔗糖酶的作用下，不同時間產（chǎn）生不同的（de）葡萄糖濃度。不同濃度的蔗（zhè）糖溶液，在蔗糖酶的（de）作用下，產生葡萄糖的（de）速率曲線不相同。
3.不同食物間升糖指（zhǐ）數差別巨大。粗（cū）糙的食物升糖指數更低，精細（xì）的食（shí）物升糖指數更高。相同食物直接煮比煮成粥升糖指（zhǐ）數更高。
4.3拓展研（yán）究所得
（1）消化吸收：食物
食物是體內糖的最直（zhí）接來源，包括澱粉和糖。
糖可以直接吸收（shōu），不需要消化（huà），這個過（guò）程（chéng）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，各類米麵粗糧薯類雜豆。澱粉也是最廉價的能量來源。澱粉分為直鏈澱粉和支鏈澱粉，相對而言，直鏈澱粉（fěn）難以消化些，比如糯米。因為澱粉是複雜的碳水化合物，由幾千（qiān）幾萬個單糖手（shǒu）拉手抱成團，必須先像拆積木一（yī）樣，把它拆開,變成一個個最簡單的糖才能（néng）吸收，這個負（fù）責（zé）“拆家”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）粘膜細胞（bāo）上有專門的受體，也就是對應的小推車，把（bǎ）糖帶入血液循環（huán），這就叫吸收。
許多人不知道的是，澱粉的消化其實（shí）從口腔就開始了，唾液含有少量澱粉酶，可以把澱粉水解為麥芽糖，所以饅頭麵（miàn）包在（zài）嘴裏反複咀（jǔ）嚼就有些甜味。但澱粉主要在小腸（cháng）被消化吸收。
還（hái）有一些碳水化合物（wù）不能被消化吸收,91成人版稱為膳食纖維,主要有抗性澱粉和纖維素、半纖維素果膠等。它不直（zhí）接提供能量，具有另（lìng）外（wài）獨特的作用。
總體而言，碳水化合物的消化吸收率很高，可達98%以上。
（2）血糖
血糖主要指葡萄（táo）糖，在全身血管中循環。由於（yú）血糖濃（nóng）度（dù）受到胰高血糖素和胰島素等多種激素的共（gòng）同調節，基本保特在一定的範圍內，既不會太多，也不會太少，非常（cháng）的穩定。正（zhèng）常空腹血糖濃度3.9-6.1mmon，正常健康人（rén）具有良（liáng）好的（de）血（xuè）糖調節能力，一般（bān）不容易出現（xiàn）低血糖或者高血糖，否則是（shì）很危險的事情。但是對（duì）於糖尿（niào）病（bìng）患者或（huò）者是長時間運動饑餓等特殊博況下，血糖可能（néng）不穩定。比如（rú）低血糖會引起大腦“宕機”，頭（tóu）暈乏（fá）力發冷汗（hàn）等等。血（xuè）糖相當於糖在人體代謝的中間媒人，兩邊（biān）吃香，有來有往。血（xuè）糖主要有3個來源和4個去路:
3 個來源:食物的消化吸收，肝（gān）糖原分解，糖異生。其中肝糖原和（hé）血（xuè）糖可以快速相互轉換，以（yǐ）維持血糖濃度的穩定你可（kě）以把肝糖原當做血糖的（de）臨時大倉庫，外（wài）麵賣斷貨了，可以不斷出（chū）貨，當然，倉庫也需要不斷補（bǔ）貨。
4個去路（lù）:進（jìn）入（rù）組織細胞（bāo）被（bèi）氧化分解，進（jìn）入組織細（xì）胞轉化為脂肪或者氨基酸，被肝髒細胞吸收轉化為（wéi）肝糖原儲存，被骨骼肌和心（xīn）肌吸收轉化（huà）為肌糖原儲（chǔ）存。
其（qí）中，人體的腦細胞、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（dī），就會“宕機”，如頭暈反應遲鈍（dùn）等，說明你需要（yào）“充電”了。紅細胞由於高度（dù）特異化（huà），沒有線粒體可以進行有氧氧化，隻能通過糖酵解（jiě）供能，糖就是它唯（wéi）一的（de）救命口糧。如果長期低血糖（táng），比如采用生酮飲食，可能導致紅細胞加速老化死亡，因為紅細（xì）胞（bāo）沒有口（kǒu）糧（liáng）了。所以保持穩定的血（xuè）糖濃度對於人體健康至關重要,也不要一味地采用生酮飲食。
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（jī）糖原300-400g，一共約500g,大概可以提供1個半小時中等（děng）強度的（de）運動消耗。再多，就需要及時補充了。
（3）轉化與代謝
那（nà）麽（me），糖在人體內是怎樣（yàng）代謝的?也就是怎麽樣變（biàn）來變（biàn）去的（de）?
首（shǒu）先（xiān），有氧條（tiáo）件下的有氧氧化，就是細胞內氧（yǎng）氣充（chōng）足情況下，在鍋爐內燃燒（shāo），這個鍋爐就是線粒體，一（yī）種重要的細胞器首先，一分子葡萄糖分解為2分子丙（bǐng）酮酸，再轉（zhuǎn）化為乙（yǐ）酰輔酶A，再進入三羧酸循環（huán），經過一係列非常複雜的過程（chéng）以（yǐ）後,
最終氧化為二氧化碳和水，釋放大（dà）量能量，即 ATP。
其次,無氧條件的糖（táng）酵解。就是細胞缺氧了,沒法旺火燒,就（jiù）隻（zhī）能燜燒。類似於（yú）酵母菌發酵一樣,不需要氧氣,故得此名但（dàn）和酵母產生酒精不同，動物是產生乳酸，同（tóng）時釋放少（shǎo）量能量。乳酸是個兩麵派，非常靈活。既（jì）可以（yǐ）在骨骼肌、心肌等（děng）組織中繼續有氧氧化生成二氧化碳（tàn）和水，也可以在（zài）肝髒腎髒中重新合（hé）成葡萄糖（táng）和糖原。這個過程是很快的，可以為人體提供劇烈運動下急需的能量。
第三，轉化為脂肪儲存。由於糖隻（zhī）能在人體少量儲存（cún），如果一次性攝（shè）入過多糖，當肝糖原和肌糖原填滿以後，沒地方放多餘的糖就會轉化為脂肪而儲存起來。由於糖轉化為脂肪的一係類酶活性很高，糖可以（yǐ）很快很（hěn）順利變成脂肪，這（zhè）也是為什麽要適當控（kòng）製（zhì）主食和糖的原（yuán）因。多（duō）吃主食會變胖，是非常有道理的。第四（sì），轉化為氨（ān）基酸，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（lèi）氨基酸。第五，糖異生。這（zhè）是人體很奇妙的一個能力，就是脂肪和蛋白質等（děng）非糖物質可以轉化為葡萄糖（táng），主要是甘油。
4.3校內答（dá）辯與評獎（jiǎng）
5.收獲與感悟
科學的本質在於追尋真理，為未來的方向提供（gòng）指引。
在參與糖與糖代謝研究的學術實踐中，我深刻體會到這（zhè）一領域對人類健康的重要意義。通過實驗與文獻研究，我認識到糖代謝調控網絡（luò）的複雜性遠超想象，而糖尿病等代謝性疾病的治療本質上是機體代謝穩態的（de）再平衡過程（chéng）。傳統胰島素（sù）注射雖能暫時緩解高血糖，但無法（fǎ）精準模擬生（shēng）理性脈衝分泌，這促使（shǐ）我開始關注前沿藥（yào）劑控糖技術與人工胰腺的革新（xīn）方向。
“科探方舟”承載著徐州一中學子的科學夢想，激勵91成人版在科研實踐中突破自我、追逐卓越（yuè），為中國科（kē）技（jì）事業的發展注入源源不斷的新生力量。
