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碳水化合物是人体主要的能量营养素，人体摄入的碳水化合物在体内经消化变成葡萄糖或其他单糖参加机体代谢，是机体获得能量最快捷的途径。1g碳水化合物产热16.75kJ（≈4kcal），最终产物为二氧化碳和水。每个人膳食中碳水化合物的比例没有规定具体数量，我国营养专家认为碳水化合物产热量占总热量的比例以60%～65%为宜。国人平时摄入的碳水化合物主要是多糖，在米、面等主食中含量较高，摄入碳水化合物的同时，也能获得蛋白质、脂类、维生素、矿物质、膳食纤维等其他营养物质。而摄入的单糖或双糖如蔗糖，除能补充热量外，并不能补充其他营养素。同时应多食用复合淀粉、不消化的抗性淀粉、非淀粉多糖和低聚糖等碳水化合物；限制纯能量食物如糖的摄入量，提倡摄入营养素、能量密度高的食物，以保障人体能量和营养素的需要及改善胃肠道环境和预防龋齿的需要。
碳水化合物是构成机体的重要物质，并参与细胞的许多生命活动。每个细胞都有碳水化合物，其含量为2%～10%，主要以糖脂、糖蛋白和蛋白多糖的形式存在，分布在细胞膜、细胞器膜、细胞浆以及细胞间质中。例如，糖与脂类形成的糖脂是细胞膜与神经组织的组成成分；糖蛋白是一些具有重要生理功能的物质如某些抗体、酶和激素的组成部分；核糖和脱氧核糖是核酸的重要组成成分等。
食物中碳水化合物不足时，机体不得不动用蛋白质来满足机体活动所需的能量，这将影响机体用蛋白质合成新的蛋白质和组织更新。肉类中碳水化合物含量很少，若完全不吃主食，机体组织将利用蛋白质产热；食物中碳水化合物的供给充足，可减少蛋白质作为抗体等的能量消耗，使蛋白质用于最合适的地方。所以减肥人群或糖尿病患者适当摄入碳水化合物更有利于健康，推荐主食的摄入最少不要低于每天150g。当共同摄食碳水化合物与蛋白质时，体内贮留的氮比单独摄入蛋白质时多，这主要是因为摄入碳水化合物后可增加机体ATP的合成，有利于氨基酸的活化与合成蛋白质，即碳水化合物对蛋白质的保护作用，或称为碳水化合物节约蛋白质的作用。
碳水化合物对维持神经系统的功能具有很重要的作用。尽管大多数体细胞可由脂肪和蛋白质代替糖作为能源，但是，葡萄糖是维持大脑、神经系统正常功能的必需营养素，当血糖浓度下降时，脑细胞可因缺乏能源而功能受损，造成脑功能障碍，出现头晕、心悸、出冷汗，甚至昏迷。
碳水化合物有解毒作用。机体肝糖原丰富则对某些细菌毒素的抵抗能力增强。动物试验表明，肝糖原不足时机体对四氯化碳、酒精、砷等有害物质的解毒作用显著下降。又如葡萄糖醛酸是葡萄糖代谢的氧化产物，是一种重要的体内结合解毒剂，在肝脏中能与许多有害物质如细菌毒素、酒精、砷等结合，以消除有些物质的毒性或生物活性，起到解毒作用；葡萄糖醛酸对某些药物的解毒作用非常重要，如吗啡、水杨酸和磺胺类药物等都是通过与其结合，生成葡萄糖醛酸衍生物排泄到体外而解毒。
摄食富含碳水化合物的食物，尤其是吸收缓慢和不易消化吸收的碳水化合物，如膳食纤维易产生饱腹感。此外，乳糖可促进肠中有益菌的生长，也可加强钙的吸收；非淀粉多糖类如纤维素、果胶、抗性淀粉、功能性低聚糖等抗消化的碳水化合物，虽不能在小肠消化吸收，但能刺激肠道蠕动，增加结肠发酵率，发酵产生短链脂肪酸，促进肠道菌群增殖，有助于正常消化和增加排便量。肠道功能改善，对防治便秘、预防结肠和直肠癌、防治痔疮等具有重要意义。
碳水化合物还具有抗酮体生成功效，当人体缺乏糖类时，可分解脂类供能，同时产生酮体，酮体导致高酮酸血症。碳水化合物中的糖蛋白和蛋白多糖有润滑作用，还可控制细胞膜的通透性，并且是合成一些生物大分子物质的前体，如嘌呤、嘧啶、胆固醇等。此外，碳水化合物也是食品工业的重要原辅料，很多工业食品都含有糖，其对食品的感官性状具有很重要的作用。