增肌和供能的运动营养补剂机理研究综述

2022-10-31孙至娴潘秀清

当代体育科技 2022年18期

孙至娴潘秀清

(西安体育学院运动与健康科学学院陕西西安 710068)

随着科学技术的发展，中国在竞技运动领域想要达到，甚至超越其他体育强国的竞技体育水平，一方面要进行科学训练，另一方面要辅以营养干预。科研工作者通过科学训练和营养干预对竞技运动员运动潜能开发的研究越来越深入。科学合理的饮食补充剂，是高水平运动队大负荷强度、大负荷量锻炼的基础保障。竞技运动员需要承受着高强度大负荷量的训练，而服用营养素补充剂是为了提升身体机能水平，提高人体对锻炼与竞赛的适应性，降低因大负荷大强度运动训练对身体造成的影响。科学地补充营养补剂也是健身爱好者提高健身效果的保障，运动营养补剂的补充能满足健身爱好者运动后的代谢需要，能为其良好健康精神状态和运动能力提供保障。

运动营养食品，根据其营养物质可以分成基本营养和运动营养补剂两类。基本营养指的是糖类、蛋白质、脂类等人体所必需的营养素及其代谢中间产物。而运动营养补剂则属于功能性的营养物质，是专门为运动人群身体机能改善而研发的保健食品。运动营养补剂的品种丰富，有优质蛋白质及其中间代谢产物、诸多氨基酸类、肌酸、丙酮酸、谷氨酰胺、左旋肉碱和中草药类等，为运动员的训练和体能恢复提供了助力。其中，乳清蛋白、支链氨基酸、谷氨酰胺、肌酸和L-肉碱等补剂能够加快肌肉合成速率进而增加肌肉力量，对运动后肌肉横截面积的增加、肌力的增加和能量供给方面具有比较显著的促进作用。鉴于上述原因，该文通过对相关文献的整理分析，主要探讨乳清蛋白、支链氨基酸、谷氨酰胺、肌酸和L-肉碱等运动营养补剂的功能及其机理，对其在运动实践中存在的问题提出建议，为运动员、教练员和健身爱好者科学地补充运动营养补剂提供理论依据，为运动营养产品的开发提供参考。

1 增肌和供能的运动营养补剂的种类和机理

1.1 乳清蛋白作为运动营养补剂的机理

乳清蛋白是存在于牛奶乳清中，经超滤萃取后，提纯而成的一种营养价值较高的优质蛋白质，内含大量的人体必需氨基酸且种类全面、配比适当。因乳清蛋白在强酸条件下，不易凝固且富含有较多的支链氨基酸，有利于肌肉组织生长发育与功能恢复，其生物学效率超过了游离氨基酸。生物学效率越高，消化和吸收就越容易。因此，乳清蛋白以纯度高、生物学利用率高、氨基酸组成科学合理等诸多优势，被制成饮料、蛋白棒等商业产品。

乳清蛋白为人体提供了必需氨基酸，用于肌肉组织、肌肉力量的恢复。为了增大肌肉围度、增加运动负荷强度，以及促进运动后的超量恢复，健美选手、力量型运动员和健身爱好者往往需要口服乳清蛋白补充剂。诸多研究成果证实了它的效果。Griffen 等人通过对受试者展开急性抗阻训练研究，表明在运动后补充乳清蛋白可以更好地提高蛋白质的生物合成，并降低其分解，使蛋白质的代谢达到正平衡，从而有效提高了肌肉合成，同时还可达到减轻肌肉酸痛、抑制肌肉分解，以及抗炎的效果。于晓红等人让受试者在运动前食用了富含乳清蛋白的牛奶，实验结果表明，乳清蛋白能发挥保护红细胞的功能，防止血液中Hb 的下降，促进血乳酸（LDH）的消除，减少运动性疲劳。董亚会等人对40名大学游泳专业学生进行为期3个月的研究，发现蛋白棒具有缓解疲劳的功效。其机理推测可能是乳清蛋白分解生成谷胱甘肽（GHS），而GHS 有抗氧化及消除自由基的功效，自由基是在机体抗氧化反应过程中产生的有害物质，有很强氧化活性，能破坏机体细胞，进而损害组织，乳清蛋白可以通过清除自由基来缓解疲劳。王一民等人对26 名运动员进行为期3个月的调查研究，发现服用乳清蛋白可以显著提高人体免疫球蛋白的含量，从而加强身体的免疫力。其可能的机理为乳清蛋白含有组织生长因子、免疫球蛋白、乳铁蛋白等，这些蛋白具有相应的免疫调节功能。乳清蛋白还能够为运动员供给丰富的半胱氨酸，提高单核细胞的数量，增强机体免疫功能。我国皮划艇代表队的优秀运动员在高原锻炼期间补给乳清蛋白的研究表明，乳清蛋白可以增强运动员肌肉收缩力度，提高肌肉的合成速率，同时血清睾酮的水平也相对提升，提高了运动员的运动能力。

运动营养品通常复合了谷氨酰胺和乳清蛋白。机体对水解乳清蛋白的快速吸收，有助于形成较好的骨骼肌生物合成环境，这能够提升谷氨酰胺的水平，促进骨骼肌细胞的生长。水解乳清蛋白不含嘌呤，这一点要好于大豆蛋白。嘌呤易诱发机体高尿酸，不含嘌呤就不会因高尿酸而导致关节疼痛。水解乳清蛋白富含高品质的支链氨基酸，能够促进骨骼肌合成。

1.2 支链氨基酸作为运动营养补剂的机理

支链氨基酸（BCAAs）是由亮氨酸（Leucine，Leu）、异亮氨酸（Isoleucine，Ile）和缬氨酸（Valine，Val）所构成的，人体不能合成，必须从食品中获得。这3种氨基酸也有着相似的代谢路径，最后都进入三羧酸循环，发生分解并提供能量。低强度训练时，支链氨基酸不参与能量供应，但在长时间耐力类项目中则需要分解供能。王一民等人的研究表明，支链氨基酸的补充可经三羧酸循环糖异生以维持血糖稳定。支链氨基酸通过氧化分解提供能量的效率，超过了其余氨基酸，占氨基酸供能总量约60%。支链氨基酸的补充为马拉松、越野滑雪、铁人三项等耐力运动项目运动员的有氧代谢提供了营养保障，能够使选手维持充沛的体力和较好的竞技状态。

支链氨基酸能够调控蛋白质的代谢过程，提高合成代谢速率，抑制蛋白质降解。通过合理补充支链氨基酸，调控和降低机体自身蛋白质分解，从而避免了能量消耗过多。在长时间耐力训练过程中，骨骼肌蛋白质的合成能力逐渐减弱，而支链氨基酸对蛋白质的合成有促进作用。亮氨酸是蛋白质合成的重要调控信息物质，是谷氨酰胺合成过程中的重要底物。谷氨酰胺能够促进蛋白质的合成，使肌细胞体积变大，维持氮平衡。Cerezo的研究表明，支链氨基酸对因运动所致的肌肉损伤有显著的防护效果。高鑫等人在健美运动中使用了支链氨基酸，发现健美爱好者的体重指数、瘦体重、体脂率等指标和体育锻炼效果均有了较显著的改善，其中肌肉增加而体脂率下降，体重指数和瘦体重都增加，充分体现出支链氨基酸对肌肉蛋白合成有促进作用。

支链氨基酸具有抗运动性疲劳的作用，一般认为，支链氨基酸能够减少大脑内5-羟色胺（5-hydroxy tryptamine，5-HT）的产生量，由于5-HT 会让人产生疲劳感，因此降低5-HT的含量也可减轻大脑疲劳。吴宏江等利用富含支链氨基酸的氨基酸复合制剂对12名篮球选手实施营养干预表明，氨基酸复合制剂可以减轻因大强度或高负荷运动而导致的注意力下降、反应迟钝等中枢性疲劳问题。脑内5-HT 含量受血浆游离色氨酸数量、色氨酸与支链氨基酸比例控制，当血液中支链氨基酸的数量降低，游离色氨酸的数量提高，血浆色氨酸和支链氨基酸比率提高时，大脑内的游离色氨酸数量也提高，在羟化酶的催化下合成5-HT。5-HT作为一种具有抑制作用的神经介质，控制多突触神经反射，使大脑产生疲劳。支链氨基酸可抑制血中色氨酸入脑，进而降低5-HT的生成，缓解中枢性倦怠，提高神经兴奋度。支链氨基酸可以抵抗外周疲劳，通过保护心脏细胞膜和线粒体的正常构成与功能、降低乳酸积累、减少自由基的形成等途径，起到减少外周疲劳的作用。此外，支链氨基酸对运动的免疫机能有一定的调节功能。有研究显示，适量补充支链氨基酸，机体氨基酸代谢水平提高，会使谷氨酰胺的生成量增多，谷氨酰胺是淋巴细胞和白细胞的能量来源，在一定程度上维持机体免疫功能。也有研究指出，大量补充支链氨基酸可能会产生不好的结果，有可能导致血氨增高，进而降低运动水平，因此支链氨基酸的补给剂量需要控制在合理范围。

1.3 谷氨酰胺作为运动营养补剂的机理

谷氨酰胺（Glutamine，Gln）不是必需氨基酸，在酶的作用下由谷氨酸和氨在骨骼肌和肝脏中合成。机体对Gln的需求随运动负荷强度和负荷量的不同而不同。在短时间大强度的力量训练后，血液中Gln 的含量上升，可能是乳酸浓度上升，血浆中氨增加，使肌肉谷氨酸合成Gln，促进Gln 含量上升。长时间耐力性运动后，Gln 水平显著下降，可能是由于长时间运动时，Gln生成量下降、Gln合成酶活性降低和糖皮质激素含量升高，糖异生作用增强，使得谷氨酰胺浓度下降，导致肌肉中蛋白质分解代谢增加。补充Gln 能够在一定程度上替代游离氨基酸，减少对骨骼肌组织中游离氨基酸的利用，也可以提高蛋白质的生成数量，并控制蛋白质的降解，从而保护骨骼肌不被过多分解。

Gln具有维持机体免疫功能的作用，主要表现为促进免疫细胞的生成。江涛等人给大鼠补充Gln发现，Gln能够增强机体免疫功能、延缓疲劳的产生并提高运动能力，补充Gln 为预防运动引起的免疫抑制提供可能。Gln具有降低大鼠运动性疲劳的功能，其机理可能与Gln减少骨骼肌氧化应激反应、延缓肝细胞凋亡速率相关。

Gln是脑中谷氨酸代谢的前体，能自由地透过血脑屏障进出脑组织，以谷氨酸作为神经传递物质调控大脑的功能。景洪江等人以大鼠为研究对象，给大鼠喝含Gln 的液体补剂，结果证明，外源性补充Gln 溶液能够增加大鼠脑内高海马体N-甲基-D-天冬氨酸受体数量和一氧化氮合酶（NOS）的活力，从而增强学习记忆功能。所以，外源性补充Gln能够间接为大脑补充充足的谷氨酸，从而增强中枢神经系统的兴奋性和学习记忆的功能，进而增强运动技能形成的能力。

谷胱甘肽（glutathione，GSH）是体内重要的抗氧化剂，Gln 作为GSH 的前体物质，可以促进GSH 合成，降低自由基对机体的损伤。高强度运动时，补充Gln能够大幅降低运动后身体的脂质过氧化反应程度。杨野仝发现，补充Gln 可以提高血清超氧化物歧化酶的活性，提高机体抗氧化能力。Gln不但可以提高细胞膜的稳定性，更关键的是可以提高机体GSH的浓度，维持血浆和免疫组织细胞中GSH 的水平，提高机体的抗氧化能力。此外，Gln 能够刺激机体分泌胰岛素，它是体内合成肌糖原与氨基酸糖异生的关键物质，补充Gln，能够提高肌糖原的合成数量，使机体运动能力得到改善。

总之，Gln 作为一种调节氨基酸，在运动中对调节蛋白质和糖原合成，提高人体的免疫机能和肠道能力，以及提高抗氧化功能等有着重要意义。在体育训练中，补充Gln对提高运动能力很有必要。

1.4 肌酸作为运动营养补剂的机理

肌酸存在于天然食物中，是合成磷酸肌酸的原料，通过外源性补充肌酸，能够增加人体肌酸的储存。在脑、心脏和骨骼肌等器官和组织中，肌酸在酶的作用下磷酸化生成磷酸肌酸。肌酸主要存在于动物的骨骼肌中，在人体中，它主要是在人体肝、肾和胰脏中以精氨酸（Argine，Arg）、甘氨酸（Glycin，Gly）和蛋氨酸（Methionine，Met）为前体生成。95%的肌酸都存在于肌肉组织中，另有约5%存在于身体其他部位，如心脏、大脑和睾丸。

补充肌酸能够提升极限负荷下的运动员的爆发力。短时间补充大量肌酸能够使机体总肌酸储备提高，磷酸肌酸储备也会增加。肌酸和磷酸肌酸储备的增加，有助于剧烈运动时及时生成ATP，维持ATP含量在较高水平，有助于高强度运动间歇期间磷酸肌酸的恢复。短期肌酸补充有助于增强极限负荷下最大力量和最大速度等爆发力类项目的磷酸原代谢供能。Marinho的无氧供能能力试验表明，试验组队员服用肌酸前后所做的无氧功无明显改变，但乳酸量却明显减少，说明磷酸原供能占比增加，糖酵解供能比例减少，磷酸原供能系统能力得到增强。磷酸原供能系统能力的增加，是由于补充了肌酸，肌肉内磷酸肌酸浓度上升所致。同时，减少了乳酸堆积，推迟了疲劳的发生。实验组的无氧功峰值明显提高，说明补充肌酸可以在一定程度上增强无氧爆发力，并缓解身体疲劳，主要是通过增强磷酸原供能系统代谢能力实现的。由此可见，对于短跑、投掷和举重等最大用力、最大速度的爆发力类项目来说，肌酸的补充是助力性因素，而对于长时间中低强度的耐力类项目意义不大。因为肌酸不是耐力性项目的主要供能物质。

长期补充肌酸，能够更有效地提高力量、短跑速度和瘦体重。肌酸在某种程度上就像生长素那样，使机体瘦体重增加，脂肪含量下降。王月兵等人对肌肉衰减综合征小鼠进行抗阻运动的实验，结合肌酸补充，发现抗阻运动结合肌酸补充，可增加小鼠的肌肉质量，增强肌肉力量。补充的肌酸也并非越多越好，肌酸的过度补给会产生诸如代谢负担加重和肌肉痉挛等不良影响。通常认为，骨骼肌肌酸总量和补给效率呈负相关。肌酸总量越少，补给肌酸效果越明显。当人体肌酸总量充足时，再补给则不会增加肌酸总量。

1.5 L-肉碱作为运动营养补剂的机理

L-肉碱（L-carnitine），又叫左旋肉碱，是一类在人体组织中广泛分布的特殊氨基酸。L-肉碱在新鲜的牛羊猪肉、牛乳制品中含量丰富，水果和蔬菜中含量较少。L-肉碱是脂肪分解过程中的运输载体，把脂肪酸从线粒体外穿过线粒体膜转运至线粒体内并被氧化分解，从而加快了脂肪的氧化分解。通常均衡饮食的人不需要补充L-肉碱，但运动员对L-肉碱的需求量却较多，因为L-肉碱能增加耐力性项目训练时脂肪酸氧化速度，降低肌肉糖原的损耗，缓解疲劳。

周星等人为受试者补充L-肉碱，结果显示，在400m跑中有氧代谢供能的比例增加，糖酵解供能比例减少，运动后的血乳酸生成量明显减少。周儆劼等人发现补充L-肉碱可以促进脂肪酸代谢的主要中间物质——酮体的产生与利用，从而降低肌肉中糖原的分解量，并增加肌糖原储备，L-肉碱配合有氧运动训练，能够促进酮体产生，提高肌糖原浓度。彭丽娜等人为大鼠补充L-肉碱后，其骨骼肌线粒体ATP酶活力明显提高，运动水平明显增强。李洁等人发现，补充L-肉碱能改善大鼠骨骼肌线粒体呼吸链功能，抗氧化和对脂质过氧化的耐受力，运动训练和L-肉碱有协同效应。付乐等人证实，L-肉碱配合有氧耐力训练对超重小鼠心肌脂代谢具有良性的影响，可降低心肌脂肪酸浓度。

近年来，L-肉酸作为运动营养补充剂广泛用于健身减重和缓解疲劳。研究表明，适量服用L-肉碱不会引起机体不适，但氨基酸影响L-肉碱的吸收，二者不可同时服用。L-肉碱促进脂肪代谢，具有降低体脂率的功效，有些健身人群同时摄入蛋白粉和L-肉碱，目的是提高肌肉含量，减少脂肪。在健美运动中，一部分运动方式为无氧运动，在剧烈运动中，缺血、缺氧之后，组织中脂酰辅酶A 大量积累。补充L-肉酸，可使积累的脂酰辅酶A 进入线粒体，脂肪酸的氧化更加彻底。另外，L-肉碱和丙酮酸都有加速脂肪分解的作用，具有良好的减肥效果，被用作大众的减肥补剂。