화학적으로 탄수화물은 물과 같은 비율의 수소와 산소를 가지고 있으며 탄소를 포함하는 화합물이다. 탄수화물은 당으로 알려져 있는 단순 탄수화물과 전분과 섬유소를 포함하는 복합 탄수화물로 나뉜다. 모두 다 체내에서 에너지원으로 제공될 수 있다.
1. 단순 탄수화물
탄수화물의 기본적인 단위는 1개의 당 분자인 단당류이다. 2개의 당이 결합되어 있을 때 이당류를 형성한다.
단당류와 이당류는 단순당 혹은 단순 탄수화물이며 과일, 채소, 우유는 단순 탄수화물의 급원이다. 백설탕, 황설탕, 당밀, 시럽과 같이 음식에 넣는 당 또한 단순 탄수화물인데, 이것들은 사탕수수나 사탕무와 같은 식물에서 당을 정제하여 만든다.
1-1. 단당류
식이 중 가장 일반적인 단당류는 포도당, 갈락토스, 과당이다. 각각 6개의 탄소, 12개의 수소, 6개의 산소를 가지나
구조는 다르다.
일반적으로 혈당으로 표현하는 포도당은 체내에서 가장 중요한 탄수화물 연료이다. 이것은 식물에서 이산화탄소와 물의 결합 그리고 태양에너지를 이용하는 광합성 과장에 의해 만들어진다. 포도당은 단당류로서 식품에는 드물며 이당류나 다당류의 구성인자로서 존재한다. 갈락토스 또한 단당류로는 드물지만 우유 속 이당류인 유당의 구성인자로서는 가장 흔하게 존재한다.
과당은 포도당보다 더 달지만 혈당을 급격히 끌어올리지 않으므로 때때로 당뇨병 환자를 위한 제품에 사용되었다. 그러나 혈중 지질의 농도를 증가시키기 때문에 제한적으로 사용되어야 한다. 과일이나 주스에 있는 과당은 어린이에게 설사를 유발한다. 대부분의 과당은 고과당콘시럽으로부터 얻는데 이 감미료는 옥수수에서 추출한 전분을 변성시켜 포도당과 과당이 반반인 상태의 시럽이다. 고과당콘시럽은 설탕보다 더 달고 덜 비싸기 때문에 이제 가장 평범한 열량 감미료로서 청량음료에 주로 사용되고 있다. 지난 몇십 년간 고과당콘시럽 사용의 급격한 증가가 당뇨병과 비만의 이환율 증가에 많은 영향을 끼쳤음은 주지의 사실이다.
1-2. 이당류
이당류는 단당류 2개가 결합된 것이다. 설탕인 서당(수크로오스)은 포도당과 과당이 결합된 이당류이며 사탕수수, 사탕무, 꿀, 메이플시럽에서 발견된다. 서당은 식품의 성분 표시표에 '설탕'이라고 표시될 수 있는 유일한 감미료이다. 유당은 포도당에 갈락토스가 결합된 것이다. 유당(락토오스)은 동물성 식품에서 발견되는 유일한 당이며 우유의 열량 대비 30% 정도, 모유의 40% 정도를 차지한다. 맥아당은 2분자의 포도당으로 구성된 이당류이다. 이것은 전분이 분해된 분해산물이다.
예를 들어, 빵을 몇 분간 입에 물고 있으면 약하게 단맛을 느낄 수 있는데 침의 아밀라제가 전분을 분해하기 시작하면 다소 단맛의 맥아당(말토오스)이 생성되기 때문이다.
1-3. 당 결합 만들기와 끊기
당 분자 사이의 결합을 끊는 화학 반응을 수화반응이라 한다. 수화반응은 한쪽 당에 OH기를, 다른 당에 H를 붙이기 위해 물 1분자를 사용한다. 2개의 당을 연결하는 반응을 축합반응이라 한다. 축합반응은 당에서 OH기를 취하고 다른 당에서 H를 취하여 물 1분자를 방출한다.
2. 복합 탄수화물
복합 탄수화물은 다수의 단당류가 사슬 형태로 결합되어 만들어진다. 이것은 단당류처럼 달지 않다. 3개에서 10개의 짧은 사슬을 올리고당이라 하며, 더 긴 것을 다당류라고 한다. 다당류는 동물에서 글리코겐, 식물에서 전분과 섬유소를 포함한다.
2-1. 올리고당
일부 올리고당은 소화관에서 다당류가 분해되는 과정 중 만들어지며, 단순당으로 분해된다. 올리고당은 콩, 양파, 바나나, 생강, 아티초크와 같은 식품에 자연적으로 함유되어 있다. 이들 올리고당은 소화관 매에서 효소로는 분해되지 않고 대장에서 장 미생물에 의해 분해된다. 그러한 과정은 대장의 균총에 영향을 미치고 소화관 건강에 유익한 효과를 가진다.
2-2. 글리코겐
글리코겐은 동물의 탄수화물 저장체로서 포도당의 사슬이 고도로 분지화된 다당류이다. 이러한 구조는 포도당이 필요할 때 빨리 분해될 수 있다. 글리코겐은 간과 근육에 저장되는데, 근육의 글리코겐은 활동 중 에너지의 급원으로서 근육에 포도당을 제공하고, 간 글리코겐은 혈관으로 포도당을 방출하여 체내 구석구석 세포에 포도당을 공급한다. 동물 근육에 있는 글리코겐은 도살 직후 곧 분해되므로 고기를 먹을 때는 존재하지 않기 때문에 식사에서는 아주 미량의 글리코겐을 먹게 된다. 체내 글리코겐의 양은 약 200~500g으로 상대적으로 적은 양이다. 근육에 저장된 글리코겐의 양은 탄수화물 로딩 혹은 글리코겐 보충이라는 식사요법과 운동처방으로 일시적으로 증가될 수 있다. 이 처방은 지구력을 요하는 운동선수의 경기 전 글리코겐의 저장을 증강시키기 위해 사용된다. 저장된 글리코겐의 양은 오직 32km를 뛰느냐 혹은 42km 마라톤을 끝내느냐의 차이를 의미할 수 있다.
2-3. 전분
전분은 식물의 탄수화물 저장 형태이다. 전분은 포도당 분자가 직쇄상 구조인 아밀로오스, 분자상 사슬구조인 아밀로펙틴의 2가지 형태의 분자로 구성된다. 전분은 식물의 성장과 생식을 위한 에너지를 제공하는데 뿌리와 괴경에 저장된다. 우리는 감자, 고구마, 비트, 순무, 카사바같이 뿌리와 괴경에 있는 전분을 먹는다.
전분은 종자에 축적되는데 이것은 배아의 발달을 위한 에너지의 급원으로 사용된다. 우리는 밀, 보리, 호밀과 같은 곡류 종자에 있는 전분을 먹는다. 또한 두류에 있는 전분도 먹는데, 렌틸콩, 대두, 핀토(얼룩무늬가 있는 콩), 강낭콩과 같은 것들이다. 식품에 천연적으로 존재하는 전분에 더하여 소스, 푸딩, 그래이비와 같은 음식을 걸쭉하게 만드는 용도로 사용하는 전분이 있다. 전분을 물속에서 가열하면, 호화 과정으로 인해 걸쭉해지므로 용도에 맞게 요리에 사용할 수 있다. 걸쭉해진 전분 혼합물을 냉각하면 고아밀로오스 전분은 분자 사이에 결합을 형성하여 겔을 형성한다. 어떤 전분은 겔을 형성하는 능력을 향상시키기 위해 변성 처리된다. 이러한 변성 식품 전분은 농후제로 식품에 첨가된다.
2-4. 섬유소
섬유소는 사람의 효소로 분해될 수 없는 복합 탄수화물과 리그닌(탄수화물은 아니나 섬유소로 분류되는 식물 성분)을 포함한다. 이것은 소화될 수 없기 때문에 체내로 흡수될 수 없다. 그러나 식사 중 먹은 섬유소는 변비 완화에서 혈중 콜레스테롤 저하까지 건강에 유익한 효과를 가져온다. 식이섬유소라는 용어는 식물에서는 활동하지 않는 섬유소를 지칭한다. 식물의 급원에서 분리되고 유익한 생리적 효과를 보이는 섬유소를 기능성 섬유소라고 하는데, 기능성 섬유소는 식품이나 보충제에 첨가될 수 있다. 총 섬유소는 식이섬유와 기능성 섬유소의 합이다. 어떤 섬유소는 대장에서 박테리아에 의해 분해되면서 가스와 짥은 사슬의 지방산을 생산하기도 하며 소량은 흡수되기도 한다. 이들 섬유소는 물속에 두면 끈적한 용액을 형성하므로 수용성 섬유소라고 하는데, 주로 식물 세포의 주변과 내부에서 발견되며 펙틴, 검류, 헤미셀룰로오스 일부를 포함한다. 수용성 섬유소의 식품 급원은 귀리, 사과, 콩류 그리고 해조류가 있다. 대장에서 분해되지 않고 물에 녹지 않는 섬유소를 불용성 섬유소라고 한다. 그들은 세포벽과 같은 식물의 구조적 부분에서 얻어지며 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 일부 드리고 리그닌을 포함한다. 불용성 식이섬유소의 식품 급원은 대부분이 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스인 밀겨와 호밀겨, 리그닌이 부분적으로 구성된 나무 재질의 섬유소를 포함하는 브로콜리 같은 채소를 포함한다. 식물 기원 식품 대부분은 수용성 그리고 불용성 식이섬유소를 함께 함유한다. 우리 식사 중 통곡류, 과일류, 채소류에서 발견되는 수용성, 불용성 식이섬유소인데 설탕과 산이 가해지면 겔을 형성하므로 요구르트를 걸쭉하게 만들거나 잼이나 젤리를 만들기 위해 사용된다. 잔탄검이나 로커스트빈검과 같은 탄수화물 검 또한 수용성 식이섬유소이다.
이러한 검 종류는 물과 결합하여 용액이 분리되지 않게 하는 데 사용된다. 그래이비, 푸딩, 지방을 감소시킨 샐러드 드레싱, 냉동 디저트 종류는 탄수화물 검류를 함유하는 식품의 예이다. 펙틴과 검류는 지방의 질감을 모방하기 위한 저지방 식품에 또한 사용된다. 밀겨와 같은 불용성 식이섬유소는 칼로리를 저하시키고 고식이섬유소 식품에 대한 소비자의 요구를 충족시키기 위해 빵과 머핀과 같은 식품에 첨가된다.
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