运动饮料与口服补液盐对高温环境下大鼠新陈代谢的影响

李 明

(长沙民政职业技术学院，湖南 长沙 410004)

在长时间的高强度运动中汗液流失率较高，因此维持体液和体温的平衡对保持运动人员的体能尤为重要，如体液流失明显超过体液摄入，则会对人体产生不利影响[1-2]。为了克服环境和新陈代谢的热量积累并防止人体的核心温度[3]升高，必须通过出汗散失热量以调节温度。在运动员和某些特殊职业(如：野外执勤的消防员或军事人员)之中，出汗流失液体的数量主要受内在因素(遗传、体型和热适应状态等)和外在因素(环境温度/湿度、个人防护装备以及运动强度/持续时间等)的影响[4-5]。现代医学研究数据[6-8]表明，在偏离正常值约3%～4%的脱水状态下，血浆量将减少，在人体高温时提高中风机率和降低心脏供血输出量(约13%)，对心血管系统正常运行造成威胁。脱水也会造成核心温度的增加。因此，运动医学专家通常建议，运动期间适量摄入液体以防止脱水[9]，但也警告不要过量摄入，以避免体重过度增加和增加患低钠血症的风险[10-11]。

体液的体积和成分会影响胃及小肠的吸收速率，从而进入细胞外空间以帮助维持血浆体积。已有研究[12]证明摄入的液体中钠含量的增加会显著增强液体的滞留性。运动饮料(Sports Drink Solutions，SDS)和口服补液盐(Oral Rehydration Solutions，ORS)中的钠不仅会增强液体滞留性，还能够增加风味，刺激饮用更多的液体；而如果钠浓度过高(>50 mmol/L)则会降低口感，并可能引起饮用者胃肠不适。ORS在医学上通常用于治疗水分和电解质流失，以防治与急性腹泻病相关的疾病[13]。世界卫生组织此前开发了一种ORS[14]，以帮助从急性腹泻病中恢复(Na+75 mmol/L，Cl-65 mmol/L，K+20 mmol/L，柠檬酸盐10 mmol/L，葡萄糖75 mmol/L)。SDS通常用在运动过程中因出汗而造成的水分和电解质流失，并包含碳水化合物(CHO)，以保持长时间的运动状态，通常包含约60 g/L碳水化合物(CHO)，20～30 mmol/L Na+和2～5 mmol/L K+[15]。因此，这些饮料被设计为在不同情况下解决水分和电解质流失的问题。

直到最近，研究者才开始尝试在补水程度方面直接比较不同配方饮料的影响。例如，在一项研究[16]中，尽管受试者保持了正常的水合状态，但ORS和牛奶导致尿量最少，因此保留的水分最多。食品行业已经提出了补充体液饮料的组成取决于液体流失的机制(汗、尿、呼吸或腹泻/呕吐等因素)[17]。但是，目前尚无研究直接比较运动期间ORS和SDS的作用，特别是缺乏用于比较在高温运动中摄入ORS和SDS的有效性数据。在严苛的高强运动条件下(例如高环境温度、个人防护装备以及由于高能量需求)，人体内水分的周转量高达7～9 L/d[18]，因此需要适当补充含钠和CHO的液体，确保安全和持续的运动表现。研究拟比较两种市售饮料，即口服补液盐(5.45% Na+，3.4%碳水化合物)和运动饮料(11.4% Na+，5.9%碳水化合物)在高温环境下对试验大鼠的补水性能和新陈代谢的影响，旨在为运动员、军事人员和户外高强度工作人员的安全工作和体能表现提供合理建议。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

健康成年大鼠：8～10周龄，体重280～300 g，上海西普尔动物实验有限公司；

运动饮料：百事可乐公司；

口服补液盐：佳益运动口服液(MT-201)，得益运动健身有限责任公司；

毛细血管刺血针：医用，德卢斯TM，印度GA公司；

血红蛋白便携式光度计：Siemems ADVIA 2120i型，双波长570 nm和880 nm，德国西门子公司；

离心机：OZY-YT-2型，奥林巴斯生物分析有限公司。

1.2 试验设计

所有的试验对象(n=10)在试验气候控制室完成了2个时长为90 min的运动试验(39 ℃，30%)，每次运动试验中，受试者摄入单次同等剂量的SDS或ORS(成分见表1)。在运动的第45 min，对每个受试者进行流体推注，随后受试者休息10 min，在此期间记录其体重。在此过程中用消防员防护服材料包覆试验大鼠。在90 min的试验中，每15 min收集一次心率(Heart Rate，HR)和感知劳累等级(Rating of Perceived Exertion，RPE)数据。在45 min(运动中)和90 min(运动后)之前的3 min内，获得稳态的稳定气体。记录受试者的呼吸测量通气吸入体积、氧气体积和二氧化碳体积，以估计底物利用率[19]。在试验完成后的120 min，做相同测量并取平均值。

1.3 血液分析

使用2.3 mm(18号)的刺血针从试验对象的手指处收集血液样品，12 000×g离心6 min，立即测量血细胞比容及血红蛋白，并使用血红蛋白便携式光度计进行分析[20]，通过评估血细胞比容和血红蛋白计算血浆体积，并校正血药浓度，分析血糖浓度。

1.4 液体平衡

从运动前，运动中和试验后裸鼠体重的变化计算脱水百分比。出汗率根据试验前，运动中和试验后裸鼠体重的变化计算得出，并针对尿液排泄，消耗的液体和呼吸失水进行了校正。

脂肪和CHO的氧化是通过间接量热法，从气体交换确定，使用式(1)、(2)[4,13]根据VO2和VCO2确定底物利用率，蛋白质的氧化忽略不计：

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——氧气体积，mL；

VCO2——二氧化碳体积，mL。

表1 SDS和ORS的液体成分Table 1 Liquid composition of SDS and ORS

1.5 统计方法

使用SPSS的(2×3)方差分析(ANOVA)分析因变量，包括液体平衡(出汗率和脱水率)，以及尿量，血浆体积和底物利用率，在前面描述的点时使用双因子ANOVA(2×2)进行了分析，统计显著度设定为P<0.050。所有数据均报告为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 对脱水率和出汗率的影响

由图1可以看出，在无液体摄入的情况下，运动前到运动中，试验中的脱水率没有显著差异(P=0.790)；然而，在摄入相当于出汗量150%(P<0.001)的体液后，试验中至试验后测量的脱水率显著降低。SDS和ORS的出汗率数据的结果表明，从运动前到试验后(运动前：1.018+0.006和1.023+0.006，P=0.140)，SDS和ORS的尿比重无显著差异；运动前和试验后SDS和ORS的尿量也没有统计学差异[分别为(111±176)，(71±57) mL；P=0.500]。这些数据表明，在补充足够多的水分(超过150%的汗液流失)条件下，ORS和SDS在运动中保持补水的能力相似。测试结果显示红细胞压积、血红蛋白、尿比重或在2 h试验中的尿液中没有差异。试验对象在摄入液体后，从运动中期(45 min)到试验后(90 min)的脱水率和出汗率均无明显差异。

2.2 对血糖数据的影响比较

由图2可以看出，从运动后到试验后的血红蛋白水平显著升高，表明在运动中至运动后摄入SDS和ORS，血红蛋白水平均显著升高(P=0.002)，红细胞水平没有受到时间(P=0.550)、液体注入(P=0.430)及其相互作用(P=0.740)的影响。血浆容量的变化表明，时间(P=0.010)和液体注入(P=0.010)对其产生显著影响。随着时间的推移，HR显著增加(P<0.001)，但SDS和ORS没有差异(P=0.850)。运动前后的RPE显著增加(P=0.002)，但SDS和ORS之间无差异(P=0.210)。然而，从图3可知，与运动后15 min和30 min的ORS相比，SDS组静息时的RPE显著降低(P=0.015)见图2(b)，说明时间(P=0.001)和其液体的作用(P=0.013)对血糖都有显著影响。

图1 脱水率及出汗率的测试结果Figure 1 Test results of dehydration rate and sweating rate

图2 90 min的运动和30 min休息期的心率和感知劳累等级Figure 2 Heart rate and rating of perceived exertion through 90 min of exercise and 30 min of rest

图3 运动前(0 min)、运动后(90 min)和试验后(120 min)采集的血糖数据

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

对图3试验后的结果进一步分析表明，SDS患者的血糖升高幅度大于对照组，与试验后口服补液盐相比，SDS的血糖升高幅度更大(P=0.019)。在运动后和试验后休息30 min会改变血浆容量，可能是由于受试者在这段时间内没有摄入液体，肌肉收缩和体位变化(直立到坐姿)影响了血浆容量[21-22]，试验后的分析表明，ORS和SDS只在运动后时间点有显著差异(P=0.003)，而不是试验结束后(P=0.070)，其原因可能是运动后SDS试验期间血浆体积膨胀。

由图3可知，随着时间的推移，SDS和ORS运动后CHO氧化显著增加(P=0.013)。脂肪氧化有显著相互作用(P=0.040)。分析试验后的结果发现，与SDS相比，ORS运动后脂肪氧化显著增加(P=0.049)。随着时间的推移，CHO氧化升高，从锻炼前到运动后ORS和SDS的血糖浓度增加。在运动后的30 min休息期，接受SDS注射的受试者试验后的血糖较高；同时，RPE也显示出差异，摄入CHO，如SDS极有可能提高职业运动员或高强度户外工作者的体能表现。

2.3 对新陈代谢的影响比较

由图4可以看出，在新陈代谢方面，两种饮料改变了底物利用率。SDS和ORS增加了CHO氧化，与ORS(3.4%，约46 g)相比，SDS具有更大的CHO含量(5.9%，约80 g)；脂肪氧化在摄入SDS后显著降低。在连续运动中，CHO的摄入可减轻脂肪氧化的增加。

图4 液体摄入前(45 min)和摄入后(90 min)从呼吸道气体交换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)

在高温下运动时，另一个需要考虑的因素是汗液流失引起的钠的变化。由于遗传因素、饮食、体重和适应环境能力等因素的影响，汗液中钠的浓度变化很大。在试验中，预测120 min试验的钠损失为2.14 g。ORS和SDS分别能够提供的钠含量为1.94，0.67 g。另外，液体中的钠含量也会影响适口性，适合的钠含量能够增加风味，刺激饮用更多的液体；而如果钠的浓度过高(>50 mmol/L)则会降低口感，并可能引起饮用者的胃肠不适。

3 结论

比较了两种市售饮料：口服补液盐(ORS)和运动饮料(SDS)在运动过程中对试验对象的补水和新陈代谢的影响。结果表明，出汗率和脱水率无明显差异，血红蛋白水平显著升高，血液的葡萄糖含量显著高于对照组。说明在运动过程中补充水分时，ORS和SDS的体液保留能力无明显差异，在运动时摄入的液体量可能比饮料的内容物更为重要。此外，两种饮料都能提高血糖含量，但运动饮料在试验结束时能更好地维持血糖水平。说明在有限的CHO摄入量和较长的高强度工作时间的情况下，如在持续运动或户外作业中，SDS摄入为更优的选择。试验在前人[5,11]对配方饮料的补水作用研究的基础上，进一步提供了在高温运动中摄入口服补液盐和运动饮料的有效数据，这有助于相关行业从业人员根据具体情况(如环境、适应、对象的能量消耗和体型)，合理调整液体摄入量和补充液的内容物含量，未来研究的重点将继续探究并优化保持人体的体液平衡的关键参数，保障运动员，军事人员和户外高强度工作人员的安全，进一步提高体能。