中等强度运动过程中能量代谢的时间变化特征*

王 恬， 张 勇， 王巨文

(1.浙江师范大学 杭州幼儿师范学院，浙江 杭州 310012；2．浙江师范大学 体育与健康科学学院，浙江 金华 321004)

中等强度长时间运动作为一种常用且简单易行的运动健身方式，被广泛认为能够促进和改善机体的能量代谢.已有研究表明，中等强度(55%～70%)运动可有效促进脂肪的分解、氧化和利用[1-5]，但是对一次运动持续过程中能量代谢变化特征的研究尚不完善.因此，研究中等强度长时间运动过程中机体能量代谢变化规律对肥胖及与之相关的代谢综合症的运动干预具有重要的理论和现实意义.笔者在前期的研究中发现，单位时间内机体的脂肪氧化量和供能量在55%最大摄氧量(VO2max)运动强度附近时较大.因此，本研究采用55%VO2max强度进行长时间跑步运动，对运动过程中机体的能量代谢进行实时测定，以单位时间脂肪代谢和能量消耗为基准，分析和探讨中等强度一次长时间持续运动过程中机体能量代谢的变化规律，以期为制定科学有效的运动干预方案提供理论与实践的依据.

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象为体育专业大学生16名，其中：男、女生各8名.研究对象每周参加中等强度体育运动6 h以上.每位学生健康状况良好，其一般情况见表1.实验开始前，要求实验对象与浙江师范大学运动技能与体能测试实验中心签订自愿参与实验协议，并告知研究对象有关研究的目的、方法及实验测试的程序等.

表1 研究对象情况

注：与男生比较，*表示P<0.05;**表示P<0.01;***表示P<0.001.表中的二氧化碳呼出量(VCO2max)、心率(HRmax)、呼吸交换率(RERmax)均为相对最大摄氧量时的相应值.MBI为身体质量指数.

1.2 研究方法

每一研究对象都需要完成2次运动测试.首先测出VO2max；再根据55%VO2max的运动强度进行持续1 h的跑步运动.测试均在14：30～17：30期间进行.整个研究期间研究对象保持常规的身体活动模式和常规的饮食习惯.

1.2.1 最大摄氧量测试

采用德国h/p/cosmos公司mercury 4.0跑台和CORTEX MetaMax 3B心肺功能仪完成VO2max测试.测试时室内温度控制在20～25 ℃，相对湿度为40%～50%.测试方案为:准备活动5 min;跑台的速度从7 km/h开始，之后以每2 min增加1 km/h的幅度递增速度；跑台的坡度始终保持水平坡度不变.

在测试中，为了验证被试者确已达到本人的VO2max，还应符合以下4项参考标准中的3项或3项以上.

VO2max的参考标准是：

1)每min心率大于或等于180次；

2)呼吸商大于1.10；

3)随着运动负荷的增加，耗氧量停止线性增加并达到一个平台或开始缓慢下降，最后2个值的差异小于±2 mL·kg-1·min-1.

4)受试者已尽力，但仍无法保持预定的运动负荷强度.

1.2.2 运动测试

运动测试时，采用德国h/p/cosmos公司mercury 4.0跑台进行递增负荷运动，测出VO2max.经48 h休息后，按55%VO2max运动强度持续跑步1 h，然后恢复30 min，采用德国CORTEX MetaMax 3B心肺功能仪测定运动及恢复过程中机体气体代谢指标，截取10 min段气体代谢指标数据，计算和确定机体糖、脂肪使用情况及能量消耗状况[6-11].

1.2.3 数据处理

2 结 果

从表2、表3中发现，在55%VO2max强度、60 min运动中，男、女生糖的消耗量和供能量随运动时间的延长逐渐减少，脂肪消耗量和供能量则逐渐下降，总能量输出随时间的延长则基本没有变化.在0～10 min段与11～20 min段的比较中发现，男女生糖消耗量和供能量均有上升，女生上升的幅度大于男生.并且女生糖消耗量和供能量的增加均出现了非常显著的差异性.随着运动的继续进行，男、女生糖的消耗量和供能量在20 min后均出现了下降，并且在21～30 min段与31～40 min段、31～40 min段与41～50 min段之间的比较中，均出现了显著的差异性.

表2 跑步运动过程中机体糖消耗量、糖供能量随时间的变化

注：与前10 min段比较，*表示P<0.05;**表示P<0.01;***表示P<0.001.

表3 跑步运动过程中机体脂肪消耗量、脂肪氧化量及总能量输出随时间的变化

注：与前10 min段比较，*表示P<0.05；**表示P<0.01；***表示P<0.001；与男生比较，a表示P<0.05；b表示P<0.01；c表示P<0.001.

在整个运动过程中，脂肪氧化供能逐渐增多，且在运动的0～10 min段女生脂肪的消耗量和供能量均高于男生.在11～20 min段，男生脂肪消耗量和供能量逐渐增加，而女生则均出现下降.在随后的运动中，男女生脂肪消耗量和供能量逐渐增加，并且在21～30 min段与31～40 min段及41～50 min段均出现非常显著性差异.

在60 min运动中，男生总能量输出略有增加，而女生则基本维持稳态.男女生总能量输出在0～10 min段、41～50 min段及51～60 min段的比较中均出现显著性差异.

综合以上各项能量消耗和底物代谢指标，然后分别对体育专业男女大学生运动过程中各时间段的脂肪供能百分比进行了统计：脂肪供能百分比=脂肪供能量/总能量输出.从表3中发现，在0～10 min运动中，女生脂肪供能高达52%，明显高于男生的42.9%，可是从总体供能趋势来看，男生脂肪供能比例逐渐增多，而女生则在11～20 min段出现了下降，这也导致在0～10 min段与10～20 min段供能百分比之间的比较出现了显著性差异.随着运动时间的延长，在31～40 min段运动中，男生脂肪供能百分比达50.3%，可见在30 min后脂肪氧化供能大于糖氧化供能.而女生在该段脂肪供能百分比约为48.7%，脂肪氧化供能大于糖氧化供能的发生点也应该是在30 min以后，或许比男生更晚一点，但男女生的脂肪供能比例在30 min各段之间的比较均出现了非常显著的差异.

3 分析与讨论

在长时间持续运动过程中，当机体代谢进入稳定状态后，总能量消耗水平基本稳定，但随着运动持续时间的增加，机体的底物代谢会发生变化，表现糖氧化供能量逐渐减少，而脂肪氧化供能量和脂肪氧化供能比例则逐渐增加[12]，这种变化规律在本研究中也得到证实.但是，运动持续时间究竟要达到多长才会导致机体的底物动员发生变化?底物动员的变化与运动强度大小、底物储备情况、年龄、性别及代谢能力都有怎样的关系等等都值得研究.从本研究的情况来看，男生以55%VO2max强度持续跑步20 min后，糖的氧化量显著下降，脂肪的氧化量显著增加；而女生以55%VO2max强度持续跑步30 min后，才出现糖的氧化量显著下降及脂肪的氧化量显著增加，表明这种代谢底物动员氧化的变化与机体糖储备的减少和脂肪动员的增加有密切关系.因此,可以认为机体糖储备、脂肪动员能力、糖和脂肪动员速度及氧化利用能力都会对这种变化的时间点产生影响.男生脂肪大量动员利用的时间点早于女生(20 min VS 30 min)，一方面可能与男性运动过程糖依赖性较强、糖过早被利用有关；另一方面，也可能与男女对运动的应激反应差异有关，男性可能应激反应较大，肾上腺素效应较早出现，导致脂肪动员显著增加.

机体能量代谢存在动员阶段、稳定阶段和疲劳阶段.在55%VO2max强度持续1 h跑步过程中，女生在进入稳定阶段后其能量消耗水平一直处于相对稳定状态，直至运动结束；而男生在运动至50 min以后，能量消耗开始明显增加，分析认为与机体疲劳、代谢效率和机械效率下降有关，认为在中等强度长时间运动过程中，男生比女生更易出现疲劳状态.以上代谢方面表现出的性别差异可能与男女在身体结构和生理功能上存在的差异有关.Horton等[13]研究了男性和女性在40%VO2max强度持续2 h自行车运动时机体的能量代谢变化情况，研究发现，运动中女性脂肪氧化供能比例高于男性，而男性糖氧化供能比例高于女性.Knechtle等[14]和张勇[15]的研究还发现，在运动强度相同的情况下，女性每kg体重脂肪酸氧化均大于男性，而男性每kg体重糖氧化大于女性.但本研究并未发现这种差异性变化，分析可能的原因，认为尽管相对运动强度相同，但绝对运动强度女生低于男生，因而总能量消耗女生也低于男生.然而，女生动员脂肪供能的能力较强，脂肪参与供能的比例高于男生，从而使得每kg体重脂肪氧化量和供能量无显著的性别差异，所以,依然可以认可女性脂肪氧化能力强于男性的观点.

不同性别引致糖、脂肪氧化供能比例差异的机制是什么呢？首先，不同性别的个体对交感-肾上腺系统反应不尽相同，女性对儿茶酚胺更加敏感，加之女性骨骼肌细胞内甘油三酯和皮下脂肪含量较高，因此，在运动过程中，脂肪分解动员的速度更快，血浆游离脂肪酸可以较长时间保持在高水平上，这样可以使骨骼肌细胞摄取更多的游离脂肪酸，保证肌细胞内脂肪酸的含量，脂肪酸氧化能力增强，脂肪氧化供能比例提高.另外，有研究证明在青春发育期之前男女运动员能量消耗和底物代谢并不存在性别差异[16]，而相关研究提示，运动时不同性别糖和脂肪代谢的差异与性激素有一定的关系[17-20]，因为，雌激素和黄体酮可促进皮下脂肪动员供能能力，雌激素还通过提高脂蛋白酶的活性促进脂肪代谢，这种作用在黄体期尤为明显.此外，不同性别糖和脂肪代谢的差异也可能与不同类型骨骼肌纤维的比例有一定关系.I型肌纤维与IIA型肌纤维相比，有氧代谢能力较强而无氧代谢能力较弱.通常男性肌纤维类型分布的比例为IIA>I>IIB，IIA型肌纤维所占的比例最高，女性肌纤维类型分布比例为I>IIA>IIB，I型肌纤维所占的比例最高.

4 结 论

1)体育专业大学生以55%VO2max强度跑步1 h过程中，男生脂肪的氧化量和脂肪参与的供能量快速增多的时间点在运动20 min后，糖的氧化量和供能量在运动20 min后快速减少；女生脂肪的氧化量和脂肪参与的供能量快速增多的时间点在运动30 min后，糖的氧化量和供能量在运动30 min后快速减少.提示男生脂肪大量动用的时间与女生不同.

2)在以55%VO2max强度跑步1 h过程中，男生总能量消耗大于女生，同时，男生疲劳出现早于女生，在运动50 min后，机体能量消耗增加、代谢效率下降.

参考文献：

[1] 张勇，王恬.不同强度骑车和跑步的能量消耗与底物代谢特征研究[J].中国体育科技，2009，45(1)：111-114.

[2]Achten J，Gleeson M，Jeukendrup A E.Determination of the exercise intensity that elicits maximal fat oxidation[J].Med Sci Sports Exerc，2002，34(1)：92-97.

[3]Astorino T A.Is the ventilatory threshold coincident with maximal fat oxidation during submaximal exercise in women[J].J Sports Med Phys Fitness，2000，40(3)：209-216.

[4]Romijin J A，Coyle E F，Sidossis L S，et al.Substrate metabolism during different exercise intensities in endurance-trained women[J].J Appl Physiol，2000，88(5)：1707-1714.

[5]Vanloonl J C，Greenhaff P L，Constantin-Teodosiu D，et al.The effects of increasing exercise intensity on muscle fuel utilization in human[J].J Physiol，2001，536(1)：295-304.

[6]Aalettaza A，Portier H，Lecoq A M，et al.Effects of acute prednisolone intake on substrate utilization during submaximal exercise[J].Int J Sports Med，2008，29(1)：21-26.

[7]Burke L M，Angus D J，Cox G R，et al.Effect of fat adaptation and carbohydrate restoration on metabolism and performance during prolonged cycling[J].J Appl Physiol，2000，89(6)：2413-2421.

[8]Goto K，Ishi N，Mizuno A，et al.Enhancement of fat metabolism by repeated bouts of moderate endurance exercise[J].J Appl Physiol，2007，102(6)：2158-2164.

[9]Hawley J A，Burke L M，Angus D J，et al.Effect of altering substrate availability on metabolism and performance during intense exercise[J].Br J Nutr，2000，84(6)：829-838.

[10]Jeukendrup A E，Saris W H，Brouns F，et al.Effects of carbohydrate (CHO) and fat supplementation on CHO metabolism during prolonged exercise[J].Metabolism，1996，45(7)：915-921.

[11]Palmer G S，Borghouts I B，Noakes T D,et al.Metabolic and performance responses to constant-load vs variable-intensity exercise in trained cyclists[J].J Appl Physiol，1999，87(3)：1186-1196.

[12]Spriet L L.Metabolic regulation of fat use during exercise and in recovery[J].Nestle Nutr Inst Workshop Ser,2011，69:39-58.

[13]Horton T J，Pagliassotti M J，Hobbs K，et al.Fuel metabolism in men and women during and after long-duration exercise[J].J Appl Physiol，1998，85(5)：1823-1832.

[14]Knechtle B，Muller G，Willmann F，et al.Fat oxidation in men and women endurance athletes in running and cycling[J].Int J Sports Med，2004，25(1)：38-44.

[15]张勇.普通大学生骑车运动中机体能量消耗和底物代谢的性别差异研究[J].中国运动医学杂志，2009，28(5)：491-493.

[16]Aucouturier J，Baker J S,Duche P.Fat and carbohydrate metabolism during submaximal exercise in children[J].Sports Med，2008，38(3)：213-238.

[17]D′eon T M，Sharoff C，Chipkin S R，et al.Regulation of exercise carbohydrate metabolism by estrogen and progesterone in women[J].Am J Physiol Endocrinol Metab，2002,283(5)：E1046-E1055.

[18]Horton T J，Miller E K，Glueck D，et al.No effect of menstrual cycle phase on glucose kinetics and fuel oxidation during moderate-intensity exercise[J].Am J Physiol Endocrinol Metab，2002，282(4)：E752-E762.

[19]Suh S H，Casazza G A，Horning M A，et al.Effects of oral contraceptives on glucose flux and substrate oxidation rates during rest and exercise[J].J Appl Physiol，2003，94(1)：285-294.

[20]Tarnopolsky M A.Sex differences in exercise metabolism and the role of 17-beta estradiol[J].Med Sci Sports Exerc，2008，40(4)：648-654.