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碳水化合物（carbohydrate）又称糖类，是由碳、氢、氧三种元素组成，由于它所含的氢氧的比例为2∶1，和水一样，故称为碳水化合物。它是为人体提供能量的三种主要的营养素中最经济的营养素。
碳水化合物是一切生物体维持生命活动所需能量的主要来源。它不仅是营养物质，而且有些具有特殊的生理活性。
碳水化合物是自然界存在最多、具有广谱化学结构和生物功能的有机化合物。有单糖、寡糖、淀粉、半纤维素、纤维素、复合多糖，以及糖的衍生物，主要由绿色植物经光合作用而形成，是光合作用的初期产物。从化学结构特征来说，它是含有多羟基的醛类或酮类的化合物或经水解转化成为多羟基醛类或酮类的化合物。
碳水化合物的主要功能是为机体提供生理活动及体力活动所需要的能量。是当今世界上绝大多数人群从膳食中获取的最经济、最主要的能量来源。碳水化合物在体内消化后主要以葡萄糖的形式被吸收，迅速氧化给机体提供能量，氧化的最终产物为二氧化碳和水，可以说是一种“清洁”能源。1g碳水化合物在体内可产生约16.7kJ（4kcal）的能量。维持人体健康所需要的能量中，55%~65%由碳水化合物提供。
碳水化合物对蛋白质节约或保护的作用是指食物中糖类供给充足时，可免于过多蛋白质作为机体的能量来源而消耗，从而有利于蛋白质发挥其特殊的生理作用，如构成和修补组织、调节功能等。
碳水化合物是细胞的构成成分之一，每个细胞都有碳水化合物，其含量为2%~10%，主要以糖原、糖脂和糖蛋白形式存在。肝脏、肌肉中含有肝糖原和肌糖原，体黏液中含有糖蛋白质，脑神经中含有糖脂，细胞核中含有核糖，软骨、骨骼、角膜、玻璃体中均有糖蛋白参与构成。
葡萄糖是维持大脑正常功能的必需成分。碳水化合物对神经系统的作用主要表现在它是神经系统唯一的能量来源。脑对低血糖反应十分敏感，轻者发生晕厥，重者发生低血糖性休克。当血糖浓度下降时，脑组织可因缺乏能量而发生功能性障碍，出现头晕、心悸、出冷汗、饥饿感、反应迟钝、注意力不集中等状况。若血糖继续下降，低于45mg/100mL时，可出现低血糖性休克。
肝脏为人体最大的代谢器官和解毒器官，进入机体的毒物主要通过肝脏代谢而降解失活。糖类的保护肝脏和解毒的作用表现为两个方面：一是当肝糖原贮备较为充足时，肝脏对某些化学毒物（如四氯化碳、酒精）有较强的解毒作用；二是丰富的肝糖原在一定程度上可保护肝脏免受有害因素（如化学毒物和肝炎病毒等）的损害，起到保护肝脏的作用。
脂肪在体内的氧化主要靠葡萄糖来供能，即摄入适量的碳水化合物有助于体内脂肪的充分氧化。当碳水化合物摄入不足或身患疾病（如糖尿病）不能利用碳水化合物时，机体所需能量主要由脂肪供给，但由于供给脂肪氧化的能量不充分，因此脂肪在体内会氧化不完全，造成酮体大量生成。酮体是一类酸性物质的总称，包括乙酰乙酸、β-羟丁酸和丙酮，它们在机体内过多蓄积会造成酸中毒，导致一系列代谢功能紊乱。酮体酸中毒的症状包括恶心、呕吐、食欲减退、腹痛、疲乏、嗜睡及呼吸加快等，且呼出的气体有烂苹果味。
由于只有在一定量的碳水化合物存在时，脂肪氧化才能彻底，不产生过量的酮体，所以碳水化合物具有抗生酮作用。在正常情况下，适量碳水化合物的摄入有助于脂肪在体内的充分氧化，减少脂肪在体内的生成，有利于预防肥胖。
摄入含有丰富碳水化合物的物质，容易增加胃的饱腹感，特别是吸收缓慢的碳水化合物，如纤维素、果胶等，使胃的充盈时间更长。同时具有刺激肠道蠕动，增加结肠内发酵的功能，发酵产生的短链脂肪酸和肠道有益菌群的增殖，能够促进消化功能和排便功能。
食物血糖生成指数（GI）被用来衡量食物中碳水化合物对血糖浓度的影响。高GI的食物，进入胃肠后消化快、吸收率高，葡萄糖释放快，葡萄糖进入血液后峰值高，也就是血糖升高的程度比较大；低GI食物，在胃肠中停留时间长，吸收率低，葡萄糖释放缓慢，葡萄糖进入血液后的峰值低、下降速度也慢，简单说就是血糖升高的程度比较低。因此，应用GI合理安排膳食，对于调节和控制人体血糖大有好处。一般来说只要将一半的食物从高GI替换成低GI，就能获得显著改善血糖的效果。
当GI在55以下时，该食物为低GI食物；当GI在55~70时，该食物为中等GI食物；当GI在70以上时，该食物为高GI食物。常见食物血糖生成指数见表3-1。
表3-1 常见食物血糖生成指数
在学习了血糖生成指数的知识后，许多人会提出一个问题，是不是所有GI高的食物都不能吃呢？例如，西瓜的GI值为72，属于高GI值一类，可众所周知西瓜是一种健康食品，并且有研究表明，适量的进食西瓜并不会引起血糖明显升高。这就说明了高GI值不一定会引起血糖升高，还要看食物的含糖量。因此，提出了食物血糖负荷（GL）的概念。GL将碳水化合物的数量和质量结合起来，表示一定质量（重量）的食物对人体血糖影响程度的大小，其计算公式如下：摄入食品中的实际可利用碳水化合物的质量（重量）乘以食品的GI值，再除以100。GL可以对实际提供的食物或总体膳食模式的血糖效应进行定量测定，因此GL比GI更能全面评价食物引起血糖升高的能力。GL与GI值结合使用，可反映特定食品的一般食用量中所含可利用碳水化合物的数量，因此更接近实际饮食情况。当GL大于或等于20时为高GL，提示食用的相应重量的食物对血糖的影响明显；当GL在10~20时为中GL，提示食用的相应重量的食物对血糖的影响一般；当GL小于或等于10时为低GL，提示食用的相应重量的食物对血糖的影响不大。
碳水化合物在食品的加工过程中会产生一系列复杂的反应，对其营养价值也有一定的影响，主要有以下几个方面：
食品工业中常用大麦芽为酶原水解淀粉，得到糊精和麦芽糖的混合物，称为饴糖，进食饴糖后，饴糖在体内水解为葡萄糖后被吸收利用。淀粉在与无机酸共热或者有淀粉酶作用的情况下，可以彻底水解为葡萄糖，在工业上用来生产淀粉糖浆，如再用异构化酶将部分葡萄糖转化为果糖，则可生成高甜度的果葡糖浆。
淀粉在常温下不溶于水，但当水温升至适宜温度时，淀粉的物理性能发生明显变化。淀粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的特性，称为淀粉的糊化。由于淀粉种类不同，淀粉的糊化温度也有一定差异，一般在60~80℃。
“老化”是“糊化”的逆过程，“老化”过程的实质是：在糊化过程中，已经溶解膨胀的淀粉分子重新排列组合，形成一种类似天然淀粉结构的物质。老化后的淀粉，不仅口感变差，消化吸收率也随之降低。如何来延缓淀粉的老化是焙烤行业一直在研究的问题。
碳水化合物在没有氨基化合物存在下，加热到熔点以上（150~220℃）会变成黑褐色的色素物质，失去其营养价值，这种反应就是焦糖化作用。但是焦糖化作用在食品加工过程中如果控制得当，可使食品具有诱人的色泽和风味。
美拉德反应也称羰氨反应，是在食品中有氨基化合物存在时，还原糖与之发生的褐变反应。它的发生与酶无关，因此也称非酶褐变。生成的褐色聚合物在消化道中不能水解，且无营养价值，但如果控制得当，在食品加工中可使某些焙烤食品得到良好的色、香、味。
碳水化合物是供给人类能量的三大营养素之一，在合理的膳食分配中，碳水化合物在膳食总能量中所占比例为50%~65%。
当我们每天摄入过多碳水化合物时，碳水化合物会在体内聚集，胰岛素会把多余的糖类转化为脂肪，脂肪在体内积累过多就形成肥胖。血中的葡萄糖简称为血糖，少部分血糖直接被组织细胞利用与氧气反应生成二氧化碳和水，放出能量供身体需要。大部分血糖则存在人体细胞中，如果细胞中储存的葡萄糖已饱和，多余的葡萄糖就会以高能的脂肪形式储存起来，多吃碳水化合物发胖就是这个道理。而膳食中碳水化合物过少，会造成膳食蛋白质浪费，组织蛋白质和脂肪分解增强以及阳离子的丢失等。
膳食中碳水化合物的主要来源是植物性食物，如谷类、薯类、根茎类蔬菜和豆类，另外是食用糖类。粮谷类一般含碳水化合物60%~80%，薯类中含量为15%~29%，豆类中为40%~60%。常见食物中碳水化合物的含量见表3-2。
表3-2 常见食物中碳水化合物的含量
单位：g/100g
膳食纤维包括非淀粉类多糖和木质素。作为一个营养学概念，膳食纤维指一类抗消化的碳水化合物，食物中的膳食纤维主要包括纤维素、半纤维素、果胶、植物胶、木质素、角质等。其中木质素不是真正的碳水化合物，它们存在于植物的木质化和角质化部分，也能起到膳食纤维的作用。另一个膳食纤维的来源是抗性淀粉，也称抗消化淀粉。
可溶性的膳食纤维和抗性淀粉质地柔软，在大肠中部分或全部被发酵，可以帮助人体控制血糖和血胆固醇水平，从而有利于预防心脏病和糖尿病等慢性疾病。不溶性的膳食纤维质地较硬，不能形成胶冻，主要存在于粗粮和蔬菜当中。它们的主要作用是促进肠道蠕动和预防便秘。膳食纤维能量低而且有填充作用，可以延缓胃的排空速度，有控制食量和增加饱腹感的作用。