高强度间歇运动与中等强度持续运动能量代谢对比研究

2022-05-12陈钢锐戴剑松

湖北体育科技 2022年4期

陈钢锐，戴剑松

（1.南京体育学院竞技体育研究院，江苏南京 210000；2.南京体育学院运动健康学院，江苏南京 210000）

高强度间歇运动（High-intensity Interval Training, HIIT）于1959 年由德国生理学家Hans Reinde 率先提出，这种运动方式之前一直被运动员使用［1］。近 10 年来，HIIT 逐渐运用到大众健身中，成为较受欢迎的健身方式。美国运动医学会健康与体适能杂志2018 年发表的《2019 年全球健身趋势》中HIIT排在第三名［2］，2018 年、2017 年的《全球健身趋势调查》中 HIIT 分别处于第一名、第三名的位置［3-4］。已有研究表明 HIIT 不仅在运动产生较多能量消耗，而且在运动后由于运动后过量氧耗的关系，在恢复期较长时间仍然保持较高的代谢率，因此HIIT 总能耗较多，这样就有利于减脂且耗时较短，这是HIIT受到大众欢迎的重要原因［5］。而中等强度持续运动（Moderateintensity Continuous Training, MICT）一直以来都是大众最常参与的运动方式之一，快走、慢跑、骑行、游泳等常见中等强度运动具有明确而肯定的消耗热量和促进脂肪分解的作用，MICT 除了可以显著改善心肺功能以外，还可以降低人们罹患心血管疾病等慢性非传染性疾病的风险［6］，所以HIIT 和MICT都具有良好的健身价值。

目前对于HIIT 和MICT 的对比研究集中在两种运动方式对身体形态、身体成分以及减重的影响。总体而言，二者减肥效果优劣目前尚存在较大争议，这也是目前研究热点，虽然有一些研究表明HIIT 减肥效果优于MICT，但由于研究方法和训练方案方面的差异，尚不能断定HIIT 减肥效果优于MICT［5，7-8］。研究 HIIT 和 MICT 离不开对于能量代谢的机制研究与分析。目前，针对HIIT 和MICT 的能量代谢特征研究较少，对于HIIT 后是否可以长时间保持较高的能量代谢率也存在较大争议。因此，本研究通过实验研究测定两种运动方式运动前、中、后能量代谢情况并进行对比，进一步分析HIIT 和MICT 的能量代谢差异以及可能的对于减肥效果的影响，从而为科学指导大众健身提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

16 名身体健康的非体育专业男性大学生自愿参加本次测试，实验前让受试者充分了解实验目的及风险，并签署知情同意书。所有受试者在实验前熟知测试流程及训练动作要求，在实验前4d 未参加剧烈身体活动，保持正常饮食起居。表1 为受试者基本情况。

表1 受试对象基本情况

1.2 研究方法

HIIT 测试。 HIIT 的关键在于就是达到“高强度”，通常低强度定义为1～3METs，中等强度定义为3～6METs，高强度定义为大于6METs［9］，且推荐健康成年人高强度运动时间在20～60min［10］。为了达到高强度，本次运动实验强度必须大于6METs且持续运动时间至少20min。高强度间歇测试流程：1）受试者首先完成晨起空腹 20min 基础代谢测试；2）HIIT 前进行20min 安静代谢测试；2）进行 5min 热身活动+5min 休息，完成蹲跳、俯卧撑、立卧撑（Burpees）、深蹲、伏地登山、弓步跳 6 个动作进行循环，每个动作进行20s 间歇20s，每一组循环结束休息60s，循环4 组，训练主体部分总时长约19min，要求受试者尽全力完成训练；3）HIIT 结束后继续进行1h 的安静代谢；4）HIIT 后第 1d，晨起空腹进行 20min 基础代谢测试；5）HIIT后第2d，晨起空腹进行20min 基础代谢测试。

MICT 采用快走方式。在 HIIT 结束 1 周后，进行快走实验，以避免HIIT 对于MICT 测试造成影响。根据Ainsworth 身体活动纲要，5METs 的快走速度为 6.4km/h［9］。根据推荐成年人每次中等强度运动时间为30～60min［10］，因此中等强度持续运动实验方案选择以6.4km/h 的速度快走40min，MICT 后只进行1d 的基础代谢测试。具体实验流程如下：1）快走运动前进行20min 安静代谢测试；2）进行5min 热身活动+5min 休息，之后以6.4km/h 速度进行40min；3）快走运动结束后继续进行1h 的安静代谢；4）快走运动后第1d，晨起空腹进行20min 基础代谢测试。

1.3 实验仪器

采用意大利产便携式心肺功能仪（COSMED K4b2）对受试者进行气体代谢测试，包括基础代谢测试、运动前安静代谢测试、HIIT 和MICT 连续测试、运动后1h 恢复期测试、运动后第1、2d 基础代谢测试等。测试前按照仪器使用要求进行校准。 MICT 测试在美国产Woodway Desmo HP 跑台上进行。

1.4 统计方法

本实验数据采用JMP14.2.0 统计软件进行处理，采用平均数±标准差表示，对数据结果进行可重复测量资料多因素方差分析，对比HIIT 与MICT 后恢复期相关数据，显著性水平α设为 0.05，p＜0.05 表示具有显著性差异，p＜0.01 表示具有高度显著性差异。

2 研究结果

2.1 HIIT 和MICT 运动中能量代谢对比

HIIT 和 MICT 心率（HR）和代谢当量（METs）、摄氧量（VO2）结果见表2。经配对t 检验分析两种运动方式的摄氧量、心率、代谢当量存在显著差异（p=0.000 1）。说明实验方案造模成功，HIIT 运动强度显著高于MICT，HIIT 平均心率超过最大心率80%，MICT 平均心率为最大心率的60%左右。值得注意的是MICT 平均METs 值略微超过6，但受试者主观感觉为中等强度，其原因可能与国际身体活动纲要标准并不完全适合中国人。

表2 两种运动方式能量代谢相关指标对比

2.2 HIIT 和MICT 运动后1h 能量代谢分析

取运动结束后50～60min 各指标的平均值代表运动后恢复期代谢水平，结果显示，HIIT 后1h 后的摄氧量6.10±0.04ml/kg/min，心率为 93.40±0.62bpm，HIIT 前安静代谢时摄氧量5.13±0.12 ml/kg/min，心率为 93.40±0.62 bpm（见表 3）。经可重复测量资料多因素方差分析，HIIT 后1h 的摄氧量、代谢当量、心率明显高于 HIIT 前安静状态（p=0.004）；MICT 运动后 1h 摄氧量、心率与运动前安静状态均无统计性差异（p=0.555，p=0.644）（表 4）。进一步分析发现 MICT 后 10min 之后的时间段与安静状态下的摄氧量就已经无统计学差异（p=0.381）。

表3 HIIT 后1h 各时段能量代谢各指标变化趋势

表4 MICT 后1h 各时段能量代谢各指标变化趋势

2.3 HIIT 和MICT 运动后基础代谢对比分析

HIIT 后第 1d（p=0.080）、第 2d（p=0.062）基础代谢 METs与运动前基础代谢METs 相比无统计学差异（见表5），但相比运动前，有上升趋势；HIIT 后第 1d（p=0.513）、第 2d（p=0.710）心率与运动前基础代谢心率无统计学差异；同时HIIT 后1d与第 2d 摄氧量（p=0.484）、心率（p=0.513）间无统计学差异。

表5 HIIT 与MICT 后1d、2d 与运动前基础代谢比较

经配对t 检验比较分析，MICT 后1d 基础代谢与运动前基础代谢相比，摄氧量、心率、代谢当量均没有统计学差异。

HIIT 后第 1d 与MICT 后第1d 的摄氧量无统计学差异（p=0.585），心率无统计学意义（p=0.392），HIIT 后第 2d 与MICT 后1d 摄氧量无统计学意义（p=0.365），心率无统计学差异（p=0.164）。

3 分析与讨论

3.1 两种运动方式运动中能量代谢的对比分析

HIIT 可以根据心率、摄氧量、代谢当量来划分强度，高强度运动可以定义为心率大于77%HRmax，摄氧量为大于60%VO2max，代谢当量为大于6METs。本实验中HIIT 的代谢当量的范围在9～10 METs；平均心率为 164bpm，超过 80%HRmax，可以认为达到HIIT 所要求的强度标准。受试者主观感觉较为疲劳，心跳呼吸明显加快，运动时无法自如说话也验证了本实验HIIT 达到强度要求。研究发现，连续进行12 周的HIIT 可以明显降低青年女性腹部内脏脂肪含量以及腹部皮下脂肪，同时也可刺激最大摄氧量，有效提高身体有氧能力［11］。HIIT 作为一种短时间、高强度、间歇性运动，对于减少体重、降低体脂、提高有氧能力有一定的促进作用［12］，同时Nybo 等人研究发现HIIT 对于降低血糖、提高胰岛素敏感性等具有良好作用［13］。HIIT 因为时间短、效率高、效果较好，满足人们快捷生活方式需要，因而近年来受到健身人群欢迎。

MICT 方式作为传统健身方式具有强度中等、体验较好、运动时间较长、多数是全身性运动的特点，快走、慢跑、骑行、游泳等都是常见的MICT。本实验MICT 采用速度为6.4km/h 快走方式进行，根据身体活动纲要快走速度为6.4km/h 是5METs 的强度［8］，但是本实验结果显示实验对象在6.4km/h 的速度下的平均强度为6.83METs，这样可能与测试人群以及测试条件不同有一定关联。国内也有学者研究发现2mph 步行、3mph 步行、跳绳、洗衣服、拖地等20 多项活动的METs 均高于身体活动纲要［14］，但这不影响本研究中采用6.4km/h 快走作为MICT，并且受试者主观感觉运动时可以自如说话，除METs 以外，通常对于中等强度运动的定义是运动时的心率在50%～76%HRmax 的范围，在本实验受试者平均心率为118bpm，达到60%HRmax，同样符合中等强度心率区间。大，研究发现，持续中等强度运动能改善心血管系统，降低患多种慢病概率［15-16］。MICT 强度适中、操作简单，也是大众最易于接受的运动方式之一。

对比HIIT 和MICT，HIIT 的平均心率、代谢当量、摄氧量均显著高于MICT。以蹲跳、俯卧撑、立卧撑、深蹲、伏地登山、弓步跳等动作为组合的HIIT 平均心率、代谢当量两个指标均已达到高强度运动区间。以6.4km/h 速度快走方式进行的MICT，其METs 虽然略高于6，从代谢当量角度略高于标准范围，但平均心率118bpm 完全达到了中等强度范围区间，且受试者主观感觉为中等强度，因此本实验造模成功，分别实现了。

3.2 两种运动方式运动后1h 能量代谢对比分析

运动所消耗的能量包括运动中消耗的能量和运动后所过量氧耗（Excess Post-exercise Oxygen Consumption， EPOC）所消耗的能量。运动中所消耗的能量是由运动强度以及运动时间所决定的，运动后的能量消耗是由运动后过量氧耗的持续时间长短决定，EPOC 的持续时间更多受到之前所从事的运动强度的影响［17］。本研究显示，HIIT 后 1h 摄氧量、心率仍未恢复至运动前水平，且显著高于运动前水平，说明HIIT 存在较为明显的运动后过量氧耗现象，而MICT 后1h 摄氧量、心率已经恢复至运动前水平，进一步研究发现MICT 在运动后10min 左右就已经基本恢复至运动前水平，说明MICT 的运动后过量氧耗现象持续时间很有限。本研究进一步证实了前人研究所述HIIT 存在的较为明显的过量氧耗这一现象，这可能也是HIIT 在运动后能量消耗大于MICT 的主要机制之一。有研究发现进行高强度抗阻运动后2h 的摄氧量明显高于低强度抗阻运动［18］，Tremblay［19］和 Melby［20］研究结果同样认为高强度运动后的摄氧量显著高于低强度运动，因此本研究结果与前人研究结论基本一致。

HIIT 运动后维持较高摄氧量、心率的时间明显长于传统MICT，其原因包括： Johnson［21］和 Kenney［22］研究发现运动时身体温度与运动强度大小相关，运动过程中身体温度随着运动强度的变化而变化，运动强度越大，身体产生热量越多，为了散热，体表处血管舒张增加热量散发，为了将更多热量带到皮肤表层，从而心脏增加心输出量，并导致摄氧量和心率增加，这与夏季运动时人体生理反应类似。

Tucker 等的研究对HIIT 后3h 的连续测试，发现运动后0～1h 的摄氧量明显高于安静状态下，同时运动后 1～2、2～3h的摄氧量与安静状态下没有明显差别［23］。引起 HIIT 后 1h 摄氧量高于安静状态的因素有很多，包括运动后磷酸原供能系统的再补充、肌肉组织和血液中乳酸的清除、糖原的合成、激素、交感神经等因素［24］。

MICT 后1h 的摄氧量、心率与安静状态下没有明显差异。数据显示在运动后10min 后摄氧量已恢复到安静状态下（p=0.381）。Thornton 认为运动强度必须达到运动强度或持续时间的临界值，身体内激素才会有明显反应。因此MICT 对交感神经刺激的兴奋程度没有HIIT 高，使得运动后1h 的摄氧量能够快速的恢复到安静状态下［25］。

3.3 运动后基础代谢的对比分析

基础代谢率（Basal Metabolic Rate， BMR）是指在晨起、安静、空腹状态下，为维持正常身体生理活动单位时间内的能量消耗。基础代谢率的测试要求较为严格，必须是在晨起、空腹、安静状态下，避免了食物热效应、环境等因素的影响。相关研究表明基础代谢占一日能耗的60%～70%［26］。基础代谢占一日能耗的比例较大，这就意味着基础代谢相对越高，每日的总能耗越高，所以基础代谢率的高低对于抑制体重增长和减肥具有潜在的重要意义［27-28］。

MICT 是作为一种传统并且有效的减肥方法，主要通过保持中等强度进而实现运动中脂肪氧化供能比例最大化，从而达到减肥效果。但MICT 实现减肥并不依赖基础代谢的变化，本研究证MICT 后1d 的基础代谢与日常基础代谢无统计学差异（p＜0.05）。

本研究显示，HIIT 后第1d、第2d 的基础代谢虽然有上升趋势，但与日常基础代谢水平并不存在统计学差异（p＞0.05）。说明HIIT 后过量氧耗不能持续24h，这与Gaesser 的研究一致。在Gaesser 的实验中，HIIT 采用功率自行车以95%HRmax的强度运动 4min，间歇 3 分 60%HRmax，循环 4 组；MICT 以80%HRmax 的强度运动30min，运动后24h 的摄氧量已经与安静状态下没有统计学差异［29］。虽然HIIT 存在明显的运动后过量氧耗现象并由此带来运动后能量消耗增加，但这种效应只能保持约1～2h，并不能达到HIIT 宣传中声称的HIIT 可维持EPOC2-3d，更不可能实现HIIT 后基础代谢升高。 Schaun等人的研究表明，HIIT 虽然运动时单位能耗显著高于MICT，但由于MICT 运动时间更长，其总能耗仍然高于HIIT，HIIT 虽然运动后过量氧耗水平较高且持续时间较长，但其并不能显著增加能量消耗［30］。因此，从能耗角度而言，MICT 能耗仍然明显高于 HIIT。从本研究的数据来看，HIIT 恢复期 1h 以内METs 水平大约比运动前高1 左右，对于一个体重60kg 的人来说，由EPOC 带来的能耗经过计算大约为60kcal，也即HIIT之后的EPOC 能带来一定能耗，但较为有限。

相关研究表明，HIIT 有助于减肥的机制不仅仅在于热量消耗，其机制还包括：HIIT 会使瘦体重增加［31］；其次，HIIT 由于强度较高会影响运动后食欲，而运动中所消耗的能量与脂肪不会在短时间内随着食物的摄入而抵消［32-33］；其三，HIIT 会影响身体的内分泌系统，此外，相对于低强度运动来说，高强度运动使相关酶活性增加，促进脂肪氧化，达到减肥效果。由此可以，HIIT 虽然能耗有限，也并不能带来基础代谢的显著增强，但其促进减肥的机制多样化且更为复杂。