急性高强度间歇运动和中等强度持续运动的能量消耗及底物代谢特征对比研究

2021-04-26孙杨张漓

中国运动医学杂志 2021年2期

孙杨张漓

1 首都经济贸易大学体育部（北京100070）

2 国家体育总局体育科学研究所（北京100061）

中等强度持续有氧运动（moderate intensity con⁃tinuous training，MICT）对人体健康的促进效果已经得到公认[1]，但越来越多的研究也认为，高强度间歇运动（high intensity interval training，HIIT）在某些方面，如提高机体有氧能力、降脂控体重、降低动脉血压、提高餐后胰岛素敏感性等，可以起到与MICT相似甚至更好的效果[2-5]；同时，HIIT 的运动时间相对较短，更适合没有时间锻炼的人群[6]。能量消耗和底物代谢是评价运动效果的重要指标之一[1]，随着HIIT月益受到关注，关于其运动中和恢复期能量消耗特征的研究报道也逐渐增多[7-9]。早在1997年Laforgia[7]就发现，与等能耗的MICT 相比，HIIT 在提高运动后过量氧耗（excess postexercise oxygen consumption，EPOC）方面的优势明显；Schaun 和Matsuo 等[8-9]也发现，即使有氧运动组的运动中能耗显著高于高强度间歇组，但高强度间歇组的恢复期运动后过量能耗（excess post-exercise energy ex⁃penditure，EPEE）却显著高于持续性有氧运动组。上述研究提示，相对于MICT，恢复期相对较高的EPOC不仅是HIIT的显著特点之一，同时可能也是影响HIIT运动效果的重要因素[8]。除能量消耗外，底物代谢特征也是评价运动效果的重要指标。安静状态、运动中及恢复期，能量消耗或耗氧量并不能完全反映运动中底物代谢的真实情况。不同的代谢底物及其代谢水平对运动效果有着非常重要的影响[1]。然而，目前所见文献中，较少有关于HIIT运动中和恢复期底物代谢特征的研究报道。相关研究大多从HIIT运动前后代谢底物浓度的变化来推测底物代谢水平的改变，例如，有研究发现，高强度间歇训练在降低餐后甘油三酯（triglyceride，TG）、低密度脂蛋白（very low density lipoprotein，VLDL）方面的效果优于中低强度运动组和对照组[4，10，11]。Bellou 等[4]推测，HIIT 后脂肪氧化能力显著提高导致了上述指标显著变化。因此，本研究对HIIT 在运动中和恢复期的底物代谢特征进行观察，试图了解其规律及特点。

另外，如前所述，目前关于HIIT对能量消耗影响的研究多集中于EPOC的增加程度和持续时间上，尚未见到有研究对HIIT 后静息能耗（rest energy expendi⁃ture，REE）进行较长时间的跟踪监测，但曾有研究报道高强度力量训练对运动后静息能耗的影响可达38小时[12]。静息能耗的改变对人体日常总能耗有较大的影响[1]，据报道，日常总能耗与静息能耗的比值大约为1.66[13]，这意味着静息能耗大约占日常总能耗的60%，因此，静息能耗的改变将对日常总体能量消耗产生较大影响。本研究亦观察了HIIT对REE和呼吸商（respi⁃ratory quotient，RQ）的持续影响效果。

HIIT 带来代谢类方面的积极改善，可能是其长期的适应性变化所致，也有可能是急性训练所致。但有研究认为，急性HIIT 诱导的积极效果可能扮演着更为重要的角色[14]。因此，本研究采取急性HIIT和MICT运动，并观察两种运动模式对运动中、恢复期的能量消耗、底物代谢特征以及运动后连续4日REE和RQ的影响，为HIIT促进健康提供理论及实践参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象

北京某高校男生10 人，年龄18～21 岁。受试者征集条件：体重指数21～24 kg/m2，体脂百分比10%～16%。所有受试对象均未接受过任何专业训练。对吸烟者、糖尿病史或代谢类疾病受试者予以排除。对受试者进行常规医学体检，对有相关疾病及不适宜高强度运动的受试者予以排除。测试前，受试者对测试目的和测试程序有充分了解，并签署知情同意书。

表1 研究对象基本情况（n=10）

1.2 研究方法

1.2.1 实验方案

10 名受试者在急性运动前7 天进行基础值测试，以确保基础值测试不会对急性运动测试产生影响。基础值测试包括身高、体重、身体成分、最大摄氧量、最大摄氧量功率等。

每名受试者进行两次急性运动，第1 次随机选择MICT 或HIIT，第2 次选择另一种运动模式。两次急性运动间隔时间为7天。受试者于急性运动当天（d0）早晨6:20到达实验室，静坐，并于7:00进行仰卧位REE测试，测试时间30 min。当天下午4:00 或4:30 进行急性运动，两次运动（HIIT 或MICT）均统一于17:00 结束。急性运动中和运动后的3 小时，持续监测受试者气体代谢参数。受试者在3 小时恢复期内，每个小时的前3 min 都用于补充纯净水（每次200 ml）及擦汗）。在每次急性运动后的第1 天（d1；运动后14 h）、第2 天（d2；运动后38 h）、第3 天（d3；运动后62 h）、第4 天（d4；运动后86 h）分别进行REE和RQ测试（测试时间均为早晨7:00）。实验期间受试者避免任何形式的体育运动。具体见图1。

图1 实验方案

1.2.2 运动负荷方案

HIIT：受试者以骑行功率车姿势安静10 min，然后分别以25%和90%VO2max强度交替进行运动。以25%VO2max强度运动2.5 min 开始，以90%VO2max强度运动2.5 min结束，运动总时间30 min[2]。

MICT：受试者以骑行功率车姿势安静10 min，然后以50%VO2max强度持续运动60 min。

本实验中的负荷方案采用Trombold[2]研究中的负荷强度方案，Trombold 发现，40 min 左右HIIT（25%和90%VO2max强度，2.5 min，交替进行）的能量消耗，与50%VO2max强度持续运动60 min 的能量消耗相当。也有研究表明，高强度运动诱导的EPOC或EPEE高于中低强度运动大约20%～50%不等（3～9 小时内）[2，8，9，15]。因此，本实验适当减少了HIIT中能量消耗（运动时间），测试恢复期EPEE，以观察运动中较少能耗的HIIT能否在“运动+恢复期”总能耗上与MICT 相当甚至更高，同时观察其底物代谢特征。由于本实验对Trombold的运动负荷方案进行了一定的改变，未匹配两组运动在运动中的能耗，因此在运动负荷设计上存在一定限制。

1.2.3 饮食控制

实验前，记录受试者前1周的饮食结构及饮食量，实验开始后，提供给受试者与上周相同的饮食结构及饮食量，以排除饮食原因对实验的干扰。

1.2.4 测试指标及其判断标准

在进行最大摄氧量测试、静息能耗测试和运动负荷测试前，对气体代谢仪的温度、湿度、压力、流量、氧浓度、二氧化碳浓度等的传感器进行校准。受试者佩戴好测试仪器后，在确认各项参数无异常后开始测试。

1.2.4.1 最大摄氧量（VO2max）测试

自行车功率计（Corival，Lode，荷兰）逐级递增负荷法测试受试者VO2max。起始负荷70 W，每min 递增10 W，功率车转速为60 RMP，最大递增20 级负荷。受试者蹬功率车至力竭或跟不上运动强度。用气体代谢仪（Metalyzer 3B，Cortex，德国）采集受试者运动前、中、后的气体代谢参数，VO2max判断标准参照相关文献[16]。分别选取受试者25%VO2max、50%VO2max、90%VO2max强度的功率，用于急性运动中的负荷强度。

1.2.4.2 静息能耗、静息RQ

受试者晨6:30 前空腹缓慢步行（距离≤200 米）到达实验室。静坐30 min 以上，仰卧位，用气体代谢仪测量REE，测量时间为30 min。仪器判断机体进入静息状态的的依据是：VO2连续5 min内上下波动不超过5%[16]。测试环境：室内温度保持在22℃，相对湿度50%。选取受试者30 min 的耗氧量（VO2）和二氧化碳呼出量（VCO2），计算30 min 内的RQ 值，计算公式：RQ=VCO2/VO2。

1.2.4.3 能耗、脂肪供能速率、脂肪氧化量、脂肪供能比例

受试者在运动前10 min、运动中以及恢复期持续佩戴气体代谢仪，实时采集受试者呼吸气体参数。测试结束后，利用气体代谢仪配套软件，对所采集数据进行处理。以分钟为单位选取受试者1 min 的耗氧量（VO2）、二氧化碳呼出量（VCO2），并累加得到某一时间段内的VO2和VCO2总量。根据VO2和VCO2总量计算该时间段内的能量消耗（kcal）、脂肪供能速率（kcal/h）、脂肪供能（kcal）、脂肪氧化量（g）等参数，计算公式如下[2，17]：

能耗速率（kcal/min）=3.716×（VO2L/min）+1.332×（VCO2L/min）

能量消耗（kcal）=[3.716×（VO2L/min）+1.332（VCO2L/min）]×time（min）

糖供能速率（kcal/min）=（（（NPRQ － 0.707）/0.293）×100）×能耗速率

糖氧化速率（g/min）=4.585×（VCO2L/min）－3.2255×（VO2L/min）

糖氧化量（g）=糖氧化速率（g/min）×time（min）

脂肪供能速率（kcal/min）=能耗速率－糖氧化速率

脂肪氧化速率（g/min）=1.6946×（VO2L/min）－（VCO2L/min）

脂肪氧化量（g）=脂肪氧化速率（g/min）×time（min）

1.2.4.4 形态指标

对受试者身高、体重进行测量，精度0.1 cm 和0.1 kg。采用人体成分分析仪（Inbody 720，Biospace，韩国）测试受试者Fat%，要求受试者测试前8 小时内无剧烈运动，测试前2小时不可进食和饮水。

1.3 统计学方法

所有测试数据用SPSS17.0 软件处理，结果用平均值±标准差（x±s）表示。对每组数据进行Shapiro-Wilk 样本分布检验，检验其是否符合正态分布。如符合正态分布，则对HIIT和MICT急性运动中以及3小时恢复期的能耗、脂肪氧化量（g）、脂肪供能（kcal）、脂肪供能百分比（%）、糖氧化量（g）、糖供能（kcal）、糖供能百分比（%）进行单因素重复方差分析，主要用于比较相同阶段的HIIT和MICT是否具有差异；对急性运动前以及后续4天的REE和RQ进行两因素重复方差分析，对组间以及“组×时间”是否具有交互作用进行检验，如交互作用显著，采用事后成对（POST-HOC）的Tukey's test，检验相同阶段两组之间的差异以及运动后4 天与运动前是否具有显著性差异。如不符合正态分布，则采用非参数检验（Friedman检验）来对重复测量数据进行分析。对所有参数的检验，以P<0.05 为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 HIIT和MICT在运动中及恢复期的能量消耗及底物代谢特征

如表2 所示，HIIT 运动中做功显著低于MICT（P<0.01），HIIT 运动中功率分别为181.8 ± 16.5 W（90%VO2max）和50.5 ± 4.6 W（25%VO2max）；MICT 运动中实际功率为101.0 ± 9.2 W。HIIT 在运动中能耗显著低于MICT（P<0.01），但HIIT 在3 小时恢复期能耗则显著高于MICT（P<0.01）。HIIT 运动中的VO2和VCO2显著低于MICT（P<0.01），HIIT 恢复期VO2显著高于MICT（P<0.05），两组的VCO2无显著性差异（P>0.05）。

表2 HIIT、MICT在运动中和恢复期能耗及VO2、VCO2

如图2所示，HIIT恢复期第1 h、2 h的能耗速率显著高于MICT（P<0.01）；运动前后的对比结果显示，HI⁃IT 恢复期能耗速率显著高于运动前（P<0.01；P<0.05）；而MICT 只在恢复期第1 h 能耗速率显著高于运动前（P<0.05），第2 h、3 h能耗速率与运动前无显著性差异（P>0.05）。

运动中和恢复期的底物代谢结果显示（图3），脂代谢方面：HIIT 运动中的氧化脂肪量、脂肪氧化供能、脂肪供能比例均显著低于MICT（P<0.01）。但恢复期，HI⁃IT 的上述指标均显著高于MICT（P<0.05，P<0.01）。糖代谢方面：HIIT 运动中的糖氧化量、糖氧化供能量与MICT 没有显著差异（P>0.05），但糖氧化供能比例显著高于MICT（P<0.01）。恢复期第1 h，HIIT 的糖氧化量显著低于MICT 组（P<0.05），糖氧化供能量、糖供能比例显著低于MICT（P<0.01）；恢复期第2 h、3 h 上述指标均显著低于MICT（P<0.01）。“运动+恢复期”总的氧化脂肪量、脂肪氧化供能、脂肪供能比例，糖氧化量、糖氧化供能量、糖供能比例，MICT 与HIIT 均无显著性差异（P>0.05）。

图2 运动前、恢复期能耗速率比较图

2.2 HIIT、MICT 急性运动前及后续4 天晨的REE 及RQ比较

HIIT运动后第1、第2天的REE显著高于运动前基础值（P<0.05）；HIIT 运动后第1 天REE 显著高于MICT运动后第1 天REE（P<0.05）；HIIT 运动后第1 天RQ 显著低于MICT 和运动前（P<0.01）；HIIT 运动后第2 天的RQ显著低于MICT和运动前（P<0.05）（图4）。

3 讨论

3.1 HIIT和MICT在运动中及恢复期能量消耗及底物代谢特征

中等强度持续运动由于运动强度较低，受试者更容易坚持，故能产生更多能量消耗，脂肪氧化速率更高，对预防心脑血管疾病、肥胖、糖尿病等相关代谢类疾病以及降低全因死亡率产生积极作用[1，18-20]。

然而，由运动引起的能量消耗，除了运动中能耗，还包括运动后过量能耗（EPEE）。本研究结果显示，HIIT 运动中能耗虽然显著低于MICT，但3 h 恢复期能耗却显著高于MICT，这与前人研究结果相似[7-9]。本研究还发现，虽然HIIT 的运动时间少于MICT，但由运动引起的“运动+恢复期”总能耗，HIIT 和MICT 无显著差异。而产生这种现象的直接原因，可能是HIIT对EPEE影响程度更深（恢复期第1、2 h 的能耗速率显著高于MICT），持续时间更长（HIIT 第3 h 能耗速率仍然显著高于运动前，而MICT 仅在第1 h 显著高于运动前）。HIIT 用较少运动时间就达到MICT 较长运动时间的总能量消耗，表现出一定的“时间-效率”优势。这一结果对于制定个性化、多样性的运动方案具有积极的参考价值，可能更适合那些没有“时间”进行较低强度、较长时间有氧运动的人群。

底物代谢结果显示，MICT运动中的脂代谢效率优于HIIT，无论是脂肪的氧化量、供能还是供能比例，MICT 均显著高于HIIT。而在3 h 恢复期，HIIT 的上述指标则显著高于MICT，提示HIIT恢复期脂代谢效率更高。相对来说，HIIT 在增强脂代谢效率方面的优势主要体现在运动后的恢复期，而MICT增强脂代谢效率发生在运动中。糖代谢方面，运动中两组糖氧化量和糖氧化供能无显著差异（P>0.05），但HIIT 糖供能比例显著高于MICT，提示HIIT运动中对糖氧化供能的依赖度高于MICT；恢复期，HIIT糖氧化量、糖氧化供能以及供能比例（%）低于MICT。

图3 运动中及恢复期的脂肪氧化、糖氧化比较

目前尚未见到关于HIIT 后恢复期底物代谢的报道，但有研究从底物水平的变化推测脂代谢效率的改变。有研究发现，在餐前进行HIIT运动，可显著降低餐后血液中TG、VLDL水平，且效果优于中等强度有氧运动组和对照组[2，11，21，22]，这表明HIIT 后脂代谢水平显著增强。更有力的证据来自Kiens 的研究[23]，该研究中，受试者HIIT后进行大量高糖填充，发现运动后18小时内仍有大量脂肪氧化发生。一般来说，运动后高糖膳食会导致高比例糖氧化供能，而非大量脂肪氧化供能。Kiens认为在HIIT恢复期内，肌糖原的再合成具有非常高的优先性，而能量供应则主要依赖于脂肪的分解供能，进而导致较高的脂肪氧化供能速率，以供恢复期所需能量。上述研究从代谢底物水平变化方面证实了运动强度对脂代谢效率的影响作用，而本研究从代谢底物氧化的角度证实了在恢复期HIIT的脂代谢水平显著增强，且效果优于MICT。

图4 运动前及运动后连续4天的REE和RQ比较图

运动强度影响运动中糖氧化效率，随着运动强度的增加，糖氧化代谢效率也随之提高[24]。本实验中，虽然HIIT总运动时间少于MICT，但二者在提高糖代谢效率方面的效果相当，HIIT 表现出运动中较高的糖代谢效率和对糖氧化供能更高的依赖性。有研究表明，4个30 秒冲刺运动中糖氧化率显著高于运动强度为46%VO2max和77%VO2max的有氧运动，最高可达46%VO2max强度有氧运动的近3 倍[25]。高强度运动可以导致肌糖原的快速消耗，以150%最大有氧功率强度运动1分钟，肌糖原水平会下降20%[26]；而一组高强度间歇运动会使糖原水平下降到运动前的28%～37%[26，27]。HIIT的高强度运动会造成ATP、磷酸肌酸、肌糖原等大量消耗，而在间歇期，机体会优先恢复或再合成ATP、磷酸肌酸，并进行乳酸再循环。同时，高强度运动促使胰岛素水平和血糖水平升高，进而加快肌肉糖原合成，并继续分解氧化供能，以保证上述生化活动的能量需要[28]，当肌糖原合成效率跟不上其分解供能的需要时，肌肉中糖原逐渐耗竭。根据本研究结果，笔者推测，HIIT这种从无氧到有氧的不断重复循环的能量供应方式的转换，可能导致HIIT运动中对糖氧化供能的高度依赖性和糖原的高比例氧化供能。因此，在HIIT恢复期，会倾向于大量动员脂肪分解并氧化供能，而糖原倾向于再合成以补充运动中的消耗而非分解供能。

本研究对比了HIIT 和MICT 后恢复期底物代谢特征。尽管HIIT“运动中+恢复期”总脂肪氧化量比MICT低6.9%，但并无显著性差异。考虑到HIIT运动时间比MICT 少30 min，这30 min 内也有相应静息脂肪氧化，且HIIT的EPEE至少持续3个小时以上，因此，实际HI⁃IT 与MICT 总脂肪氧化量的差距应该比6.9%更少。笔者认为，在由运动引起的“运动中+恢复期”总脂肪代谢效率方面，HIIT和MICT的效果相似，“运动中+恢复期”总体糖代谢情况，MICT和HIIT无显著性差异。但在运动中，HIIT 对糖供能的依赖度更高；恢复期，HIIT 比MICT更多动用脂肪而非糖进行氧化供能。

急性HIIT 运动中和恢复期的底物代谢的变化特征，可能与HIIT 诱导骨骼肌脂代谢相关酶的数量及活性改变[4，29]，并诱导脂代谢效率增强有关。另外，HIIT可在短时间内导致糖原大量消耗，运动后糖原补偿机制也可能诱导了HIIT 后糖原倾向于再合成，而脂代谢倾向于分解氧化并提供能量的特征。

3.2 急性运动后连续4天静息能耗及呼吸商

运动是影响REE的诸多因素之一。高强度运动对机体的刺激程度被认为比中等强度运动更深，包括对相关激素及自主神经系统的刺激等[6，30，31]，因此高强度运动也被认为在提高REE 上更具优势[32，33]。有研究发现运动后REE 显著提高，而有些则未见明显变化[34]。这可能与受试对象、运动强度、运动时间以及运动中能耗等方面的差异有关。研究表明，只有70%VCO2max以上的运动强度，且产生较大EPOC的运动才能诱导REE提高[32]。目前虽未见HIIT 对REE 影响的跟踪监测报道，但有研究比较了运动强度对REE 的影响。Paoli 等[35]发现，大强度间歇抗阻运动后22 h 的REE 非常显著高于中等强度抗阻运动。Hazell等[36]发现，高强度间歇运动虽然“运动前、中、后”总计8 h的耗氧量显著低于MICT组，但24 h的总耗氧量并无差异，作者推测，高强度间歇运动使REE水平提高，可能是导致24 h总耗氧量无差异的原因之一。

本研究结果显示，HIIT 的REE 只在运动后第1 天显著高于运动前，而MICT的REE在运动后连续4天与运动前均无显著性差异。HIIT运动后第1天REE显著高于MICT。上述结果提示，与MICT相比，HIIT对REE的影响程度更大、持续时间更长。本研究中HIIT 升高REE 的时效可能在14～38 小时之间，少于先前研究认为的高强度运动对REE提升24～48小时的研究结果[32-35]，其原因可能在于受试者的不同。值得注意的是，在运动后第2天，HIIT的REE与运动前相比，有达到显著性差异的趋势（P=0.062）。以往研究表明，许多代谢类疾病，如肥胖，其发生的基础机制在于长期能量摄入和能量消耗不平衡[30]，而这种不平衡具体到一天是非常微小的。因此，虽然HIIT 后的第2 天与运动前的REE没有显著性差异，但这种小的差异对长期（数月甚至数年）的能量平衡来说，可能仍然具有一定积极意义。

RQ 值变化可以反映糖和脂肪供能比例。本研究结果显示，急性HIIT可显著降低安静呼吸商，其效果可持续38 小时；而MICT 对运动后连续4 天RQ 无显著影响。运动后第1 天和第2 天，HIIT 的RQ 均显著低于MICT。RQ 值的显著性降低意味着静息状态下脂肪作为供能底物的比例显著增加，这提示急性HIIT 可能在诱导机体静息状态下脂代谢效率增强方面的效果优于MICT，并可维持38小时。

急性HIIT后静息状态下的脂代谢效率改善的机制目前尚不明确，但参考已有的研究成果，可能与HIIT诱导骨骼肌线粒体功能的增强有关，通过增加基因表达、提高线粒体生物合成以及激活细胞内外的信号通路等机制提高脂代谢效率[6，30，37]。另外，HIIT 能够引起包括肾上腺素、去甲肾上腺素、生长激素等激素水平显著提高，这些激素能够显著降低脂肪合成、增加脂肪氧化分解，这也可能是运动后静息状态下脂代谢升高的机制之一。