低溫環(huán)境不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)能量消耗特征的研究

于璦旗 王啟榮 封文平

1云南省體育科學(xué)研究所（昆明 650000）

2北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院

3國(guó)家體育總局運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所 4國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所

冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目一般是在外界溫度較低的條件下進(jìn)行，而低溫環(huán)境下人體會(huì)產(chǎn)生一系列的生理反應(yīng)，特別是在運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體的代謝過(guò)程和能源物質(zhì)利用情況會(huì)有很大的變化。有研究表明低溫環(huán)境（約0℃）會(huì)削弱耐力運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)[1]。此后，越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注并研究低溫環(huán)境下靜息和不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體的生理應(yīng)答和代謝特征。有研究表明寒冷條件下，糖的供能占主導(dǎo)地位，大于總供能的60%以上[2-4]，但也有研究指出脂肪是主要的供能物質(zhì)，占總能量供應(yīng)的60%以上[5-7]。值得注意的是，這些研究所選擇的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度并不一致，而運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度也是影響人體能量代謝的一項(xiàng)重要因素，且環(huán)境溫度與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度二者結(jié)合的影響可能比單獨(dú)一項(xiàng)的影響更加顯著。例如在低溫條件下從事高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體能量消耗急劇增加，很容易產(chǎn)生疲勞，若營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充不當(dāng)，則會(huì)增加患病的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本研究探究低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量消耗特點(diǎn)，為冬季室內(nèi)項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充提供參考依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選取北京體育大學(xué)競(jìng)技體育學(xué)院本科男生10名，均為田徑專項(xiàng)，年齡最小20歲，最大24歲。訓(xùn)練年限3～7年，平日每周有6 h以上的中等強(qiáng)度訓(xùn)練。身體健康，均無(wú)呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等疾病?；厩闆r見表1。

表1 研究對(duì)象基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 測(cè)試要求

測(cè)試前 24 h內(nèi)避免大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，避免攝入酒精、咖啡和藥物。每次測(cè)試在早餐2 h后進(jìn)行，測(cè)試期間不允許補(bǔ)液。每次測(cè)試都將室溫控制在12±1℃，濕度為40% ±3%。受試者統(tǒng)一著T恤和運(yùn)動(dòng)單褲。

1.2.2測(cè)試流程

本研究采用交叉自身對(duì)照的實(shí)驗(yàn)方法，讓10名受試者分別在12℃左右的環(huán)境下進(jìn)行靜息、65%VO2max強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)、80%VO2max強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)三次測(cè)試，每?jī)纱螠y(cè)試間隔時(shí)間不少于1周。

（1）運(yùn)動(dòng)能力測(cè)試

正式測(cè)試前1周，對(duì)受試者進(jìn)行跑臺(tái)的最大耗氧量（VO2max）測(cè)試。

（2）低溫環(huán)境安靜狀態(tài)的能量消耗特點(diǎn)

采用氣體分析儀收集受試者靜息狀態(tài)下的呼出氣，采集時(shí)間20 min。采集前有5 min的低溫暴露時(shí)間。采集前后取末端血測(cè)血乳酸。

（3）低溫環(huán)境不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)能量消耗特點(diǎn)

受試者進(jìn)行低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)能量消耗與底物代謝特征實(shí)驗(yàn)。根據(jù)受試者進(jìn)行跑臺(tái)的最大耗氧量（VO2max）測(cè)試結(jié)果，低溫環(huán)境下以65%VO2max和80%VO2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為20 min，采用氣體分析儀收集受試者呼出氣。測(cè)試前有5 min的低溫暴露時(shí)間。測(cè)試前后取末端血測(cè)血乳酸。

1.2.3 VOVO22maxmax測(cè)試方案

VO2max測(cè)試中，受試者先以中低強(qiáng)度的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行5 min熱身活動(dòng)，隨后佩戴呼吸面罩等相關(guān)設(shè)備，按照設(shè)定方案在跑臺(tái)上進(jìn)行遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)測(cè)試。確定起始負(fù)荷為8 km/h，無(wú)坡度。每1 min遞增1 km/h，跑臺(tái)速度增加到17 km/h時(shí)不再增加速度，開始以1%/min遞增坡度，直至受試者不能繼續(xù)堅(jiān)持該速度下的運(yùn)動(dòng)而終止測(cè)試。

VO2max的判斷標(biāo)準(zhǔn)為攝氧量不再繼續(xù)增加而出現(xiàn)平臺(tái)，或者呼吸商達(dá)到或接近1.10，或者心率＞180次/分，同時(shí)不能保持原有的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)速度，在此負(fù)荷時(shí)的攝氧量即為VO2max。

1.2.4 主要測(cè)試指標(biāo)及設(shè)備

（1）體溫：電子體溫計(jì)（歐姆龍MC-246，日本）；（2）身高：身高測(cè)試儀（鑫東華騰 GJ-II，北京）；（3）體重：電子體重計(jì)（OMRONHBF-356，日本）；（4）血乳酸：便攜式血乳酸分析儀（Lactate scout，德國(guó)）；（5）血糖：便攜式血糖儀（ACCU—CHEK?，日本）；（6）攝氧量、CO2呼出量、每分通氣量、呼吸頻率和呼吸商：固定式氣體代謝儀（Cortex Metalyzer 3B，德國(guó)，硬件版本為2.7.0，軟件版本為 Meta Soft3.9），配套的跑臺(tái)（VIASYS LE500CE，德國(guó)）；（7）心率：Polar表（RS800CX，芬蘭）；（8）體成分：雙能X射線全身骨密度儀（GE公司Lunar，美國(guó)）。（9）糖和脂肪的氧化量、供能量和總能量消耗：忽略蛋白質(zhì)的氧化，使用Péronnet和Massicotte 方程[8-11]計(jì)算。

糖氧化量（g/min）=4.585×VCO2（L/min）-3.226×VO2（L/min）

脂肪氧化量（g/min）=1.695×VCO2（L/min） -1.701×VO2（L/min）

糖供能量（kcal/min）=糖氧化量×4（kcal/g）

脂肪供能量（kcal/min）=脂肪氧化量×9（kcal/g）

總能量消耗（kcal/min）=糖供能量＋脂肪供能量

1.2 .5統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

測(cè)試中的組間對(duì)比，取狀態(tài)穩(wěn)定后間隔2 min的連續(xù)7個(gè)點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析；測(cè)試前后的組內(nèi)對(duì)比采用配對(duì)t檢驗(yàn)。若P＜0.05則表示具有顯著性差異水平。所有數(shù)值以Mean±SE的形式表示。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

2 結(jié)果

2.1 低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)前后體重

靜息20 min前后、65%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)前后以及80%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)前后體重均無(wú)顯著變化（表2）。

表2 低溫環(huán)境不同強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)前后的體重情況

2.2 低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)心肺功能指標(biāo)

與安靜時(shí)相比，以65%VO2max強(qiáng)度和80%VO2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，攝氧量、二氧化碳呼出量、每分通氣量、心率、呼吸頻率和呼吸商均顯著上升（均P＜0.05）；與65%VO2max相比，以80%VO2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，攝氧量、二氧化碳呼出量、心率、呼吸頻率和呼吸商也均有顯著提高（均P＜0.05）（表3）。

2.3 低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的能量消耗情況

2.3.1 糖、脂供能量

與安靜時(shí)相比，以65%VO2max強(qiáng)度和以80%VO2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)總能量消耗、糖和脂肪的氧化量和供能量均有顯著增加（均P＜0.05）；與65%VO2max相比，以80%VO2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)總能量消耗、糖的氧化量和供能量均有顯著升高（均P＜0.05），而脂肪的氧化量和供能量均顯著下降（均P＜0.05）（表4）。在兩種強(qiáng)度的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)中，糖在80%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)供能較多，而脂肪則在65%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)供能較多。

表3 低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)心肺功能指標(biāo)

表4 低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)糖、脂供能情況

2.3 .2糖、脂供能比例

靜息時(shí)，糖和脂肪供能比例分別為51.2%和48.8%；以65%VO2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，糖和脂肪的供能比例分別為74.2%和25.8%；以80%VO2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，糖和脂肪的供能比例分別為88.5%和11.5%。與靜息狀態(tài)相比，以65%VO2max、80%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)糖的供能比例均顯著升高（均P＜0.05），脂肪的供能比例顯著下降（均P＜0.05）。與65%VO2max強(qiáng)度相比，以80%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)糖的供能比例顯著升高，脂肪的供能比例顯著下降（均P＜0.05）（表5）。

表5 低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)糖、脂供能比例

2.4 血乳酸變化情況

靜息20 min前后、65%VO2max強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)前后血乳酸值均無(wú)顯著變化，80%VO2max強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后血乳酸值顯著升高（P＜0.05）（表6）。

表6 低溫環(huán)境不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后血乳酸的變化情況

3 討論

3.1 低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)后體重變化情況

低溫環(huán)境下運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練容易發(fā)生失水，主要原因有：（1）低溫引起交感神經(jīng)興奮，腎上腺激素分泌增多，外周血管收縮，血容積減少，導(dǎo)致尿量增加。（2）由于服裝的保溫作用，在訓(xùn)練中有相當(dāng)?shù)暮挂号懦觥＃?）寒冷環(huán)境中，呼吸道丟失的水分增加。（4）口渴受到抑制。雖然機(jī)體已經(jīng)失水較多，但口渴感不明顯，容易造成補(bǔ)水不足[12]。當(dāng)脫水量達(dá)到體重的2%時(shí)即屬于輕度脫水，可能會(huì)影響到運(yùn)動(dòng)能力[13]。本研究結(jié)果顯示，三次測(cè)試前后，體重變化差別不大，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這可能因?yàn)楸狙芯繒r(shí)間較短，且受試者沒有穿著較厚的衣服所致。

3.2 低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸商變化情況

一定時(shí)間內(nèi)機(jī)體的CO2產(chǎn)量與耗O2量的比值被稱為呼吸交換率或呼吸商。通常情況下所測(cè)定的呼吸商，實(shí)際上是非蛋白呼吸商，即以糖類和脂質(zhì)為氧化分解的底物時(shí)所測(cè)定的呼吸商。當(dāng)糖完全氧化分解時(shí)呼吸商等于1，當(dāng)脂質(zhì)完全氧化分解時(shí)，由于其分子中氫對(duì)氧的比例較糖分子中高，氧既需用于碳氧化，也要用于與氫氧化，需消耗較多的氧，故呼吸商小于1（0.69～0.73）；但是在低氧條件下，由于無(wú)氧呼吸的存在，特別是以糖類作為呼吸底物時(shí)，呼吸商會(huì)大于1。所以呼吸商的測(cè)試結(jié)果也能從一定程度上反映底物代謝情況。張勇等[14]讓受試者在常溫條件下（20～25℃）以65%VO2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，測(cè)得呼吸商為0.87±0.01。本研究讓受試者在低溫環(huán)境下以65%VO2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，所測(cè)得呼吸商為0.91±0.05。對(duì)比可得出初步結(jié)論：與常溫環(huán)境相比，低溫環(huán)境下進(jìn)行中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸商較高。Layden[15]的研究也證明在一定范圍內(nèi)（.10～20℃），溫度越低，糖的氧化速率就越快，而脂肪的氧化速率逐漸減慢，這可能是呼吸商在低溫環(huán)境下高于常溫環(huán)境的重要原因。但本研究關(guān)于脂肪氧化速率的結(jié)論與Layden的看法不一致，本研究結(jié)果表明低溫環(huán)境下糖和脂肪的氧化速率均顯著上升，但糖的供能比例顯著大于常溫同等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，脂肪的供能比顯著降低，導(dǎo)致呼吸商升高。此外，還有一部分學(xué)者認(rèn)為低溫環(huán)境下外周血管收縮，骨骼肌血供減少，乳酸消除能力下降，導(dǎo)致一定程度的乳酸堆積，因此呼吸商的升高與乳酸堆積有關(guān)。但本研究只在80%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后觀察到血乳酸值有顯著升高，這并不能解釋低溫環(huán)境下靜息和中低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸商升高的原因。

3.3 低溫環(huán)境下不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)糖、脂代謝特征

張勇等[14]讓受試者在外界溫度為20～25℃條件下以65%VO2max強(qiáng)度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，所得糖供能量、脂肪供能量和總供能量分別為 81.71±11.57（cal/min/kg）、54.96 ±8.59（cal/min/kg）和136.67 ±14.90（cal/min/kg）。屈金濤等[16]讓受試者在常溫環(huán)境下（23±2℃）以80%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，所測(cè)得的糖供能量、脂肪供能量和總供能量分別為204.8±48.0（cal/min/kg）、35.0 ±37.2（cal/min/kg）和239.8 ±12.9（cal/min/kg）。本研究受試者在環(huán)境溫度為12℃條件下，以65%VO2max和80%VO2max兩種強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)所測(cè)得的糖氧供能量和總供能量均高于上述在常溫下同等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但以80%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)的脂肪供能量小于前人研究結(jié)果。這進(jìn)一步證實(shí)了低溫環(huán)境下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的總能耗較常溫環(huán)境下明顯增多，這可能是由于人體暴露于冷環(huán)境時(shí)，機(jī)體散熱加快，需要增加自身的產(chǎn)熱量以維持體溫，所以總的能量消耗增加。此外，在低溫環(huán)境下呼吸時(shí)，吸入的氣體溫度較低，呼吸道會(huì)對(duì)其進(jìn)行加熱，也造成一部分熱量流失，從而消耗更多的能量。但在低溫環(huán)境下進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，脂肪供能量較常溫環(huán)境有所降低，這有待進(jìn)一步證實(shí)和研究。

健康男性在低溫環(huán)境靜息狀態(tài)下，平均動(dòng)脈壓和心輸出量有所升高[17]，伴隨著糖的氧化量顯著增加，以及脂肪的氧化量略有增加[18，19]。而在低溫環(huán)境下運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)機(jī)體代謝的刺激進(jìn)一步加強(qiáng)，從而使脂肪氧化量顯著增加[20]。這提示我們冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目也許是減脂人群的更好選擇，但關(guān)于進(jìn)行何種強(qiáng)度的冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)減脂效果更好卻鮮有報(bào)道。Romijn等[21]在常溫下選取靜息、25%VO2max、65%VO2max、80%VO2max三種強(qiáng)度蹬功率自行車，結(jié)果顯示，隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加，糖的氧化速率逐漸升高，脂肪的氧化速率在65%VO2max強(qiáng)度時(shí)最大。本研究結(jié)果顯示，糖的氧化量和供能量隨運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的加大而升高，而脂肪的氧化量和供能量呈先升高后降低的趨勢(shì)，即低溫環(huán)境中等強(qiáng)度（12℃；65%VO2max）運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗脂肪的速率較快，減脂效果更好。這也與Romijn等在常溫環(huán)境下所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

本研究結(jié)果顯示，隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增加，糖的供能比例逐漸增加，脂肪的供能比例逐漸降低。靜息狀態(tài)時(shí)糖的供能略高于脂肪，而65%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，糖的供能占主導(dǎo)地位，80%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)幾乎全部為糖供能。這也與許多研究中寒冷條件下糖供能占主導(dǎo)地位[2-4]的結(jié)論相一致。

綜上，當(dāng)環(huán)境溫度為12℃時(shí)，與65%VO2max強(qiáng)度的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)相比，以80%VO2max強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，心率、攝氧量、呼吸商、總能耗、糖供能量和供能比例均顯著升高，脂肪供能量和供能比例顯著下降。

4 結(jié)論

（1）在12℃的低溫環(huán)境下，靜息時(shí)糖脂供能比例相當(dāng)，以中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)糖的供能比例較高，以高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)幾乎全由糖供能；（2）在12℃的低溫環(huán)境下，以高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)總供能和糖供能最高，以中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)脂肪供能最高。