運(yùn)動(dòng)飲料與口服補(bǔ)液鹽對(duì)高溫環(huán)境下大鼠新陳代謝的影響

李 明

(長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

在長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中汗液流失率較高，因此維持體液和體溫的平衡對(duì)保持運(yùn)動(dòng)人員的體能尤為重要，如體液流失明顯超過體液攝入，則會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不利影響[1-2]。為了克服環(huán)境和新陳代謝的熱量積累并防止人體的核心溫度[3]升高，必須通過出汗散失熱量以調(diào)節(jié)溫度。在運(yùn)動(dòng)員和某些特殊職業(yè)(如：野外執(zhí)勤的消防員或軍事人員)之中，出汗流失液體的數(shù)量主要受內(nèi)在因素(遺傳、體型和熱適應(yīng)狀態(tài)等)和外在因素(環(huán)境溫度/濕度、個(gè)人防護(hù)裝備以及運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度/持續(xù)時(shí)間等)的影響[4-5]。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究數(shù)據(jù)[6-8]表明，在偏離正常值約3%～4%的脫水狀態(tài)下，血漿量將減少，在人體高溫時(shí)提高中風(fēng)機(jī)率和降低心臟供血輸出量(約13%)，對(duì)心血管系統(tǒng)正常運(yùn)行造成威脅。脫水也會(huì)造成核心溫度的增加。因此，運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)專家通常建議，運(yùn)動(dòng)期間適量攝入液體以防止脫水[9]，但也警告不要過量攝入，以避免體重過度增加和增加患低鈉血癥的風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。

體液的體積和成分會(huì)影響胃及小腸的吸收速率，從而進(jìn)入細(xì)胞外空間以幫助維持血漿體積。已有研究[12]證明攝入的液體中鈉含量的增加會(huì)顯著增強(qiáng)液體的滯留性。運(yùn)動(dòng)飲料(Sports Drink Solutions，SDS)和口服補(bǔ)液鹽(Oral Rehydration Solutions，ORS)中的鈉不僅會(huì)增強(qiáng)液體滯留性，還能夠增加風(fēng)味，刺激飲用更多的液體；而如果鈉濃度過高(>50 mmol/L)則會(huì)降低口感，并可能引起飲用者胃腸不適。ORS在醫(yī)學(xué)上通常用于治療水分和電解質(zhì)流失，以防治與急性腹瀉病相關(guān)的疾病[13]。世界衛(wèi)生組織此前開發(fā)了一種ORS[14]，以幫助從急性腹瀉病中恢復(fù)(Na+75 mmol/L，Cl-65 mmol/L，K+20 mmol/L，檸檬酸鹽10 mmol/L，葡萄糖75 mmol/L)。SDS通常用在運(yùn)動(dòng)過程中因出汗而造成的水分和電解質(zhì)流失，并包含碳水化合物(CHO)，以保持長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通常包含約60 g/L碳水化合物(CHO)，20～30 mmol/L Na+和2～5 mmol/L K+[15]。因此，這些飲料被設(shè)計(jì)為在不同情況下解決水分和電解質(zhì)流失的問題。

直到最近，研究者才開始嘗試在補(bǔ)水程度方面直接比較不同配方飲料的影響。例如，在一項(xiàng)研究[16]中，盡管受試者保持了正常的水合狀態(tài)，但ORS和牛奶導(dǎo)致尿量最少，因此保留的水分最多。食品行業(yè)已經(jīng)提出了補(bǔ)充體液飲料的組成取決于液體流失的機(jī)制(汗、尿、呼吸或腹瀉/嘔吐等因素)[17]。但是，目前尚無研究直接比較運(yùn)動(dòng)期間ORS和SDS的作用，特別是缺乏用于比較在高溫運(yùn)動(dòng)中攝入ORS和SDS的有效性數(shù)據(jù)。在嚴(yán)苛的高強(qiáng)運(yùn)動(dòng)條件下(例如高環(huán)境溫度、個(gè)人防護(hù)裝備以及由于高能量需求)，人體內(nèi)水分的周轉(zhuǎn)量高達(dá)7～9 L/d[18]，因此需要適當(dāng)補(bǔ)充含鈉和CHO的液體，確保安全和持續(xù)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。研究擬比較兩種市售飲料，即口服補(bǔ)液鹽(5.45% Na+，3.4%碳水化合物)和運(yùn)動(dòng)飲料(11.4% Na+，5.9%碳水化合物)在高溫環(huán)境下對(duì)試驗(yàn)大鼠的補(bǔ)水性能和新陳代謝的影響，旨在為運(yùn)動(dòng)員、軍事人員和戶外高強(qiáng)度工作人員的安全工作和體能表現(xiàn)提供合理建議。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

健康成年大鼠：8～10周齡，體重280～300 g，上海西普爾動(dòng)物實(shí)驗(yàn)有限公司；

運(yùn)動(dòng)飲料：百事可樂公司；

口服補(bǔ)液鹽：佳益運(yùn)動(dòng)口服液(MT-201)，得益運(yùn)動(dòng)健身有限責(zé)任公司；

毛細(xì)血管刺血針：醫(yī)用，德盧斯TM，印度GA公司；

血紅蛋白便攜式光度計(jì)：Siemems ADVIA 2120i型，雙波長(zhǎng)570 nm和880 nm，德國(guó)西門子公司；

離心機(jī)：OZY-YT-2型，奧林巴斯生物分析有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所有的試驗(yàn)對(duì)象(n=10)在試驗(yàn)氣候控制室完成了2個(gè)時(shí)長(zhǎng)為90 min的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)(39 ℃，30%)，每次運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)中，受試者攝入單次同等劑量的SDS或ORS(成分見表1)。在運(yùn)動(dòng)的第45 min，對(duì)每個(gè)受試者進(jìn)行流體推注，隨后受試者休息10 min，在此期間記錄其體重。在此過程中用消防員防護(hù)服材料包覆試驗(yàn)大鼠。在90 min的試驗(yàn)中，每15 min收集一次心率(Heart Rate，HR)和感知?jiǎng)诶鄣燃?jí)(Rating of Perceived Exertion，RPE)數(shù)據(jù)。在45 min(運(yùn)動(dòng)中)和90 min(運(yùn)動(dòng)后)之前的3 min內(nèi)，獲得穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定氣體。記錄受試者的呼吸測(cè)量通氣吸入體積、氧氣體積和二氧化碳體積，以估計(jì)底物利用率[19]。在試驗(yàn)完成后的120 min，做相同測(cè)量并取平均值。

1.3 血液分析

使用2.3 mm(18號(hào))的刺血針從試驗(yàn)對(duì)象的手指處收集血液樣品，12 000×g離心6 min，立即測(cè)量血細(xì)胞比容及血紅蛋白，并使用血紅蛋白便攜式光度計(jì)進(jìn)行分析[20]，通過評(píng)估血細(xì)胞比容和血紅蛋白計(jì)算血漿體積，并校正血藥濃度，分析血糖濃度。

1.4 液體平衡

從運(yùn)動(dòng)前，運(yùn)動(dòng)中和試驗(yàn)后裸鼠體重的變化計(jì)算脫水百分比。出汗率根據(jù)試驗(yàn)前，運(yùn)動(dòng)中和試驗(yàn)后裸鼠體重的變化計(jì)算得出，并針對(duì)尿液排泄，消耗的液體和呼吸失水進(jìn)行了校正。

脂肪和CHO的氧化是通過間接量熱法，從氣體交換確定，使用式(1)、(2)[4,13]根據(jù)VO2和VCO2確定底物利用率，蛋白質(zhì)的氧化忽略不計(jì)：

RCHO=4.21VCO2+2.962VO2，

(1)

RF= 1.695VO2+1.701VCO2，

(2)

式中：

RCHO——CHO氧化率，g/min；

RF——脂肪氧化率，g/min；

VO2——氧氣體積，mL；

VCO2——二氧化碳體積，mL。

表1 SDS和ORS的液體成分Table 1 Liquid composition of SDS and ORS

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

使用SPSS的(2×3)方差分析(ANOVA)分析因變量，包括液體平衡(出汗率和脫水率)，以及尿量，血漿體積和底物利用率，在前面描述的點(diǎn)時(shí)使用雙因子ANOVA(2×2)進(jìn)行了分析，統(tǒng)計(jì)顯著度設(shè)定為P<0.050。所有數(shù)據(jù)均報(bào)告為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)脫水率和出汗率的影響

由圖1可以看出，在無液體攝入的情況下，運(yùn)動(dòng)前到運(yùn)動(dòng)中，試驗(yàn)中的脫水率沒有顯著差異(P=0.790)；然而，在攝入相當(dāng)于出汗量150%(P<0.001)的體液后，試驗(yàn)中至試驗(yàn)后測(cè)量的脫水率顯著降低。SDS和ORS的出汗率數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，從運(yùn)動(dòng)前到試驗(yàn)后(運(yùn)動(dòng)前：1.018+0.006和1.023+0.006，P=0.140)，SDS和ORS的尿比重?zé)o顯著差異；運(yùn)動(dòng)前和試驗(yàn)后SDS和ORS的尿量也沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[分別為(111±176)，(71±57) mL；P=0.500]。這些數(shù)據(jù)表明，在補(bǔ)充足夠多的水分(超過150%的汗液流失)條件下，ORS和SDS在運(yùn)動(dòng)中保持補(bǔ)水的能力相似。測(cè)試結(jié)果顯示紅細(xì)胞壓積、血紅蛋白、尿比重或在2 h試驗(yàn)中的尿液中沒有差異。試驗(yàn)對(duì)象在攝入液體后，從運(yùn)動(dòng)中期(45 min)到試驗(yàn)后(90 min)的脫水率和出汗率均無明顯差異。

2.2 對(duì)血糖數(shù)據(jù)的影響比較

由圖2可以看出，從運(yùn)動(dòng)后到試驗(yàn)后的血紅蛋白水平顯著升高，表明在運(yùn)動(dòng)中至運(yùn)動(dòng)后攝入SDS和ORS，血紅蛋白水平均顯著升高(P=0.002)，紅細(xì)胞水平?jīng)]有受到時(shí)間(P=0.550)、液體注入(P=0.430)及其相互作用(P=0.740)的影響。血漿容量的變化表明，時(shí)間(P=0.010)和液體注入(P=0.010)對(duì)其產(chǎn)生顯著影響。隨著時(shí)間的推移，HR顯著增加(P<0.001)，但SDS和ORS沒有差異(P=0.850)。運(yùn)動(dòng)前后的RPE顯著增加(P=0.002)，但SDS和ORS之間無差異(P=0.210)。然而，從圖3可知，與運(yùn)動(dòng)后15 min和30 min的ORS相比，SDS組靜息時(shí)的RPE顯著降低(P=0.015)見圖2(b)，說明時(shí)間(P=0.001)和其液體的作用(P=0.013)對(duì)血糖都有顯著影響。

圖1 脫水率及出汗率的測(cè)試結(jié)果Figure 1 Test results of dehydration rate and sweating rate

圖2 90 min的運(yùn)動(dòng)和30 min休息期的心率和感知?jiǎng)诶鄣燃?jí)Figure 2 Heart rate and rating of perceived exertion through 90 min of exercise and 30 min of rest

圖3 運(yùn)動(dòng)前(0 min)、運(yùn)動(dòng)后(90 min)和試驗(yàn)后(120 min)采集的血糖數(shù)據(jù)

Figure 3 Blood glucose data collected before exercise (0 min), after exercise (90 min) and after test (120 min)

對(duì)圖3試驗(yàn)后的結(jié)果進(jìn)一步分析表明，SDS患者的血糖升高幅度大于對(duì)照組，與試驗(yàn)后口服補(bǔ)液鹽相比，SDS的血糖升高幅度更大(P=0.019)。在運(yùn)動(dòng)后和試驗(yàn)后休息30 min會(huì)改變血漿容量，可能是由于受試者在這段時(shí)間內(nèi)沒有攝入液體，肌肉收縮和體位變化(直立到坐姿)影響了血漿容量[21-22]，試驗(yàn)后的分析表明，ORS和SDS只在運(yùn)動(dòng)后時(shí)間點(diǎn)有顯著差異(P=0.003)，而不是試驗(yàn)結(jié)束后(P=0.070)，其原因可能是運(yùn)動(dòng)后SDS試驗(yàn)期間血漿體積膨脹。

由圖3可知，隨著時(shí)間的推移，SDS和ORS運(yùn)動(dòng)后CHO氧化顯著增加(P=0.013)。脂肪氧化有顯著相互作用(P=0.040)。分析試驗(yàn)后的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與SDS相比，ORS運(yùn)動(dòng)后脂肪氧化顯著增加(P=0.049)。隨著時(shí)間的推移，CHO氧化升高，從鍛煉前到運(yùn)動(dòng)后ORS和SDS的血糖濃度增加。在運(yùn)動(dòng)后的30 min休息期，接受SDS注射的受試者試驗(yàn)后的血糖較高；同時(shí)，RPE也顯示出差異，攝入CHO，如SDS極有可能提高職業(yè)運(yùn)動(dòng)員或高強(qiáng)度戶外工作者的體能表現(xiàn)。

2.3 對(duì)新陳代謝的影響比較

由圖4可以看出，在新陳代謝方面，兩種飲料改變了底物利用率。SDS和ORS增加了CHO氧化，與ORS(3.4%，約46 g)相比，SDS具有更大的CHO含量(5.9%，約80 g)；脂肪氧化在攝入SDS后顯著降低。在連續(xù)運(yùn)動(dòng)中，CHO的攝入可減輕脂肪氧化的增加。

圖4 液體攝入前(45 min)和攝入后(90 min)從呼吸道氣體交換收集的碳水合物氧化和脂肪氧化

Figure 4 Carbohydrate oxidation and fat oxidation collected from gas exchange before liquid intake (45 min) and after liquid intake (90 min)

在高溫下運(yùn)動(dòng)時(shí)，另一個(gè)需要考慮的因素是汗液流失引起的鈉的變化。由于遺傳因素、飲食、體重和適應(yīng)環(huán)境能力等因素的影響，汗液中鈉的濃度變化很大。在試驗(yàn)中，預(yù)測(cè)120 min試驗(yàn)的鈉損失為2.14 g。ORS和SDS分別能夠提供的鈉含量為1.94，0.67 g。另外，液體中的鈉含量也會(huì)影響適口性，適合的鈉含量能夠增加風(fēng)味，刺激飲用更多的液體；而如果鈉的濃度過高(>50 mmol/L)則會(huì)降低口感，并可能引起飲用者的胃腸不適。

3 結(jié)論

比較了兩種市售飲料：口服補(bǔ)液鹽(ORS)和運(yùn)動(dòng)飲料(SDS)在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的補(bǔ)水和新陳代謝的影響。結(jié)果表明，出汗率和脫水率無明顯差異，血紅蛋白水平顯著升高，血液的葡萄糖含量顯著高于對(duì)照組。說明在運(yùn)動(dòng)過程中補(bǔ)充水分時(shí)，ORS和SDS的體液保留能力無明顯差異，在運(yùn)動(dòng)時(shí)攝入的液體量可能比飲料的內(nèi)容物更為重要。此外，兩種飲料都能提高血糖含量，但運(yùn)動(dòng)飲料在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)能更好地維持血糖水平。說明在有限的CHO攝入量和較長(zhǎng)的高強(qiáng)度工作時(shí)間的情況下，如在持續(xù)運(yùn)動(dòng)或戶外作業(yè)中，SDS攝入為更優(yōu)的選擇。試驗(yàn)在前人[5,11]對(duì)配方飲料的補(bǔ)水作用研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提供了在高溫運(yùn)動(dòng)中攝入口服補(bǔ)液鹽和運(yùn)動(dòng)飲料的有效數(shù)據(jù)，這有助于相關(guān)行業(yè)從業(yè)人員根據(jù)具體情況(如環(huán)境、適應(yīng)、對(duì)象的能量消耗和體型)，合理調(diào)整液體攝入量和補(bǔ)充液的內(nèi)容物含量，未來研究的重點(diǎn)將繼續(xù)探究并優(yōu)化保持人體的體液平衡的關(guān)鍵參數(shù)，保障運(yùn)動(dòng)員，軍事人員和戶外高強(qiáng)度工作人員的安全，進(jìn)一步提高體能。