网球运动营养补剂——机制、效果和策略

信泽坤,李佳,吴迎

1(北京体育大学 竞技体育学院,北京,100084)2(国家体育总局运动应激适应重点实验室,北京,100084) 3(江苏艾兰得营养品有限公司,江苏 泰州,214500)4(北京体育大学 运动人体科学学院,北京,100084)

现代网球比赛对运动员机体疲劳的恢复提出了更高的要求。一方面,职业网球赛季漫长,运动员经常一周多赛或频繁转训[1];另一方面,网球比赛强度较高、时间较长,赛中运动员心率可达200 次/分[2],一场比赛平均持续3～4 h,且运动员常在高温环境下比赛[3](图1)。基于此,及时补充运动营养品十分必要。大量研究证实,有效地补充相关补剂可明显改善高强度网球训练或比赛诱导的机体神经系统能力下降、内环境稳态失调、代谢产物堆积、水盐离子大量丢失等现象[4-6]。随着科学化训练理念的逐渐深入,网球运动员和教练员意识到科学补液的重要性,在平时训练或比赛前、中、后会选择使用一些营养补剂提高机体运动表现或恢复水平。但是,目前针对网球运动的补剂研究较多,如何“对症下药”需要对前人的研究进行系统梳理。因此,本文综述了可提高网球运动员运动表现和促进机体疲劳恢复的常见营养补剂,以期为网球运动实践中科学合理的使用营养补剂提供参考。

图1 网球运动的比赛特征及生理概况Fig.1 Characteristics of the game and physiological profile of tennis

1 资料和方法

1.1 资料来源

由第一作者在2022年11月检索Web of Science、EBSCO、PubMed 和 Cochrane 数据库收录的文献。检索时间设置为1990年1月至2022年11月。英文检索词为“nutritional supplement, ergogenic aid, supplements, caffeine, creatine, bicarbonate, beta-alanine, nitric oxide precursors, glycerol” and “tennis, sports performance, recovery”。检索文献类型的主要类型为研究原著、综述和荟萃分析。

1.2 入组标准

纳入标准:通过关键词对文献进行检索,将检索出来的文献根据题目与摘要进行筛选,通过文献阅读后提炼出与该文内容相关的研究论文、著作和综述。排除标准:文章内容与该文研究内容不相关、实验设计不合理或者统计标准不科学。

1.3 数据提取

共检索到英文文献376篇,初期通过阅读文章标题和摘要内容进行筛选,排除与本文研究相关性较低、内容不完整篇和重复文献312篇,剩余64篇文献,之后进行仔细阅读筛选,最终纳入19篇文献,见表1,图2。其中,与补充咖啡因相关的研究有9篇,补充肌酸相关的研究有2篇,补充钠盐相关的研究有2篇,补充一氧化氮前体物质相关的研究有5篇,补充甘油相关的研究有1篇。

表1 营养补剂在网球运动中的研究Table 1 Studies of nutritional supplements in tennis

图2 文献筛选流程图Fig.2 Flow chart of literature screening

2 营养补剂对网球运动的影响

2.1 咖啡因对网球运动的影响

2.1.1 对运动表现的影响及潜在机制

咖啡因(1,3,7-三甲基黄嘌呤)作为一种能够提高中枢神经系统兴奋性的黄嘌呤类生物碱化合物广泛存在于茶、咖啡、可乐等食品中[29]。咖啡因通过拮抗腺苷受体对中枢神经系统产生影响,导致兴奋性神经递质释放增多,神经元放电率增加[30]。咖啡因具有和腺苷相似的分子结构,摄入咖啡因后主要与集中在大脑中的A1、A2a型腺苷受体结合[31],增加神经递质浓度,例如血清素、多巴胺、乙酰胆碱等[32]。摄入咖啡因对身体机能具有全方位的影响,包括中枢神经系统(影响认知和劳累感知)、激素(血浆儿茶酚胺分泌)、代谢(减少糖原消耗)、肌肉(提高耐力水平)、心血管(增加心率)等[33]。

中枢性疲劳是在长时间网球比赛中运动员表现下降的主要原因[4]。疲劳会导致网球运动员击球质量下降[34]、发球速度降低和失误增加[35]。咖啡因可以通过增强脑力(包括注意力、警觉性和兴奋性),减弱中枢性疲劳从而提升运动表现[30]。咖啡因还可以通过激活肌浆网的Ca2+释放通道,减弱由Ca2+释放减少所引起的疲劳[36]。研究人员观察发现在长时间网球比赛后,血浆支链氨基酸(branched chain amino acid, BCAA)水平下降和非酯化脂肪酸水平升高[37],并在游离脂肪酸介导下增加大脑中的色氨酸(tryptophan,Trp)供应[12],从而增加5-羟色胺的合成。而神经递质5-羟色胺的活性增强可能会导致中枢性疲劳[38]。同样的,DAVIS等[38]描述在长时间运动期间血浆中游离Trp/BCAA比值增加时,最终会导致大脑血清素水平升高。显而易见的是,如果Trp/BCAA比值增加是中枢神经系统和运动感知能力下降的前兆,那么就可以通过摄入营养补剂来减少长期比赛时的不利反应。例如,FERRAUTI等[11]研究发现摄入咖啡因对网球运动成绩有着积极影响,摄入咖啡因导致运动后肾上腺素在尿液中的浓度显著升高,从休息到运动的代谢转变得到改善,诱导运动员加快代谢以适应局间休后的运动负荷;当补充咖啡因(5 mg/kg)和CHO的混合溶液时,发球速度、反手击球和折返跑成绩均得到提高。但也有研究发现补充咖啡因并无益处,STRÜDER等[12]研究验证在4 h网球单打比赛前单独补充咖啡因并不会改变神经内分泌反应和提高网球运动成绩。

咖啡因的能量生成效应在达到致能阈值(≥3 mg/kg)时得到了证实。例如,补充相同剂量含咖啡因的功能饮料提高了优秀青少年网球运动员的专项素质表现(握力、冲刺速度等)[17];进而言之,摄入6 mg/kg咖啡因胶囊提高了疲劳后网球击球测试期间的表现[13];REYNER等[16]研究发现摄入少量咖啡因(80 mg)不能降低睡眠不足(5 h)比正常睡眠(8 h)对发球造成的不利影响。此外,咖啡因对不经常摄入的受试者影响更大,而经常摄入咖啡因则会出现一定的耐受性,从而降低性能优势[39]。故在今后的研究中,要对受试者日常摄入咖啡因的量进行调查,防止因“耐受性”或“戒断反应”[40]对实验造成干扰。

上述实验结果并不一致的主要原因可能与实验方案存在差异和测试指标不同有关。HORNERY等[14]研究发现补充咖啡因(3 mg/kg)改善了发球的动作阶段,并且提高了模拟比赛最后阶段的发球速度。建议研究人员重新考虑HORNERY等[14]的倡议,从生理指标(血乳酸、血糖和催乳素等)、主观反应(热感觉与努力感知)、运动表现(击球速度和准确度)、网球生物力以及特定感知技能的多个方面量化补充咖啡因的代谢效应和潜在的能量益处,而不仅仅是简单地评估测试结果(击球的速度和准确性)。值得注意的是,研究中摄入咖啡因具有利尿作用,导致身体缺水[41]。但STRECKER等[15]发现,摄入3 mg/kg咖啡因溶液对水合状态没有负面影响,与对照组相比,咖啡因组折返跑成绩更好,而且模拟比赛后期的击球表现也得到了提高。故根据现有研究,在运动前60～90 min内摄入一定剂量(3～6 mg/kg体重)的咖啡因对网球运动表现有着积极的影响,例如,提高发球速度与冲刺能力。

2.1.2 补充方案

通过饮用含咖啡因的功能饮料是摄入咖啡因最常见和最简单的方法之一[42]。摄入咖啡因10 min左右会被人体吸收并出现在血液之中[43],通过胶囊或饮料摄入时,并没有明显差异[44],嚼咖啡因口香糖时吸收速度更快[45]。与网球相关的大部分研究都在实验前30～60 min摄入中等剂量(3～6 mg/kg体重)的咖啡因。目前尚不清楚改善运动表现的最低剂量范围(可能<2 mg/kg),在摄入较高剂量范围时(>9 mg/kg)会引起比较大的不良反应,例如心跳加速、紧张或焦虑等[46]。

2.2 肌酸对网球运动的影响

2.2.1 对运动表现的影响及潜在机制

肌酸(N-甲基胍乙酸)在体内与磷酸组成高能磷酸化合物磷酸肌酸(phosphocreatine, PCr)[47]。PCr是维持最大运动以及运动和休息过渡期间缓冲肌肉内ATP变化的主要“燃料”[48]。剧烈运动时随着PCr耗尽,ATP再合成速率受限,能量可利用性降低。外源性补充一水肌酸可以增加肌内PCr浓度,从而加快ATP的再合成速率[49]。因此,补充肌酸可以增强高强度运动期间的表现,例如增加力量输出、加快恢复和提高训练适应等[50]。

但目前与网球的相关研究中并未报道补充肌酸的益处。同时,缺乏标准化的实验方案来准确评估网球运动员的击球表现。基于此,VERGAUWEN等[54]设计出新的测试程序LTPT(the Leuven tennis performance test,LTPT),用于评估精英网球运动员在近似比赛条件下的击球质量。例如,EIJNDE等[19]让8名训练有素的网球运动员在5 d内每天分4次摄入20 g肌酸或者安慰剂,之后进行LTPT测试,2种方案间隔5周的洗脱期。结果显示,与安慰剂相比,摄入肌酸并不会提高网球的击球质量和冲刺表现。PLUIM等[20]研究证实补充肌酸对网球运动并无增益效果,长期(5周)补充肌酸组的体重增加。

值得注意的是,上述实验由于并未测量肌肉内磷酸肌酸含量,故并不排除部分受试者对肌酸补充无反应[52]。此外,补充肌酸(或联合甘油)可能会因细胞的体积增加来提高液体潴留水平[48],进而增强在高温下运动的耐受性[55]。因此,对于网球这项经常在炎热环境下训练或比赛的运动来讲,补充肌酸或可作为降低热相关不利影响的有效手段。综上,补充肌酸没有提高网球运动员的技术与冲刺表现,未来应该进一步研究确定补充肌酸是否有利于网球运动员结合力量训练计划来提高运动成绩。

2.3 钠盐缓冲剂对网球运动的影响

2.3.1 对运动表现的影响及潜在机制

碳酸氢钠(sodium bicarbonate, SB)和柠檬酸钠(sodium citrate, SC)是增强体内细胞外缓冲能力的运动营养补充剂[58]。细胞外缓冲液在维持内、外环境稳态和电解质平衡方面发挥着重要作用。大量研究表明,补充SB后提高了峰值功率[59]和总输出功率[60],从而改善短期高强度间歇运动的表现。具体而言,在网球比赛期间,高强度运动产生H+的累积可能会抑制肌肉的代谢和收缩过程,导致肌肉力量和爆发力下降,并产生运动性疲劳[61],最终影响运动表现。而补充SB则可以加速H+的中和,减少肌内H+的累积,改善酸碱平衡,积极促进肌肉受“酸中毒”限制的运动恢复[58]。

鉴于现有2项研究中摄入钠盐缓冲剂的益处,补充钠盐诱导pH增加可以提高网球测试成绩。有研究称,碳酸氢钠因受试者训练水平的高低而产生不同的效果[65],因此,未来的研究应考虑针对不同训练水平的受试者(业余爱好者、职业运动员和精英运动员)开展实验,以确定碳酸氢钠的效果是否因训练状态而异。同时,还需要确定补充不同剂量钠盐对神经肌肉和反应能力的影响以及在延缓疲劳时间上的优势。

2.3.2 补充方案

在网球与钠盐相关的两项研究中,WU等[21]使用模拟比赛前90 min摄入0.3 g/kg体重的250 mL的SB溶液,之后测试期间再摄入0.1 g/kg体重的补充方案;而CUNHA等[22]使用测试前2 h摄入500 mL水和0.5 g/kg的SC胶囊的补充方案。碳酸氢钠产生效果的最佳时间和剂量通常是在运动前60～180 min补充0.3 g/kg体重的碳酸氢钠。血浆中碳酸氢钠浓度大约在摄入120～150 min后达到峰值水平[66],但是个体之间的血浆碳酸氢钠浓度峰值时间差异很大。因此,应该评估个体在补充碳酸氢钠后血浆碳酸氢盐浓度达到峰值的时间,并根据个人特点来调整运动前的碳酸氢钠摄入量和摄入时间点,以达到更好的效果。

2.4 一氧化氮前体物质对网球运动的影响

2.4.1 对运动表现的影响及潜在机制

精氨酸在人体内的生物利用度是影响网球运动表现的因素之一。当口服补充L-精氨酸时,大部分被用于肝脏中的尿素循环,只有小部分用于生成NO[71]。例如,BESCS等[23]研究发现连续3 d口服不同剂量的L-精氨酸(5.5、9、20 g/d),都不会改善高水平网球运动员的跑步经济性。口服精氨酸的限制在于高活性的精氨酸酶阻止肠道补充的L-精氨酸进入全身循环之中。当精氨酸联合苹果酸或者支链氨基酸补充可以提高L-精氨酸在体内的生物利用度。此外,补充瓜氨酸同样可以增加NO的生成[68]。例如,GLENN等[25]研究发现口服瓜氨酸后女子大师网球运动员的握力、爆发力以及峰值功率均有所提高。YANG等[24]研究在“开放环境”下联合补充支链氨基酸、精氨酸和瓜氨酸对运动知觉能力的影响。结果显示,与安慰剂组相比,实验组模拟比赛后的击球准确性和一致性更高,比赛期间的心率和自感劳累评级更低,同时Trp/BCAA比值显著降低。正如前文所述,血浆中的BCAA浓度升高导致Trp/BCAA值降低,大脑中5-羟色胺合成减少,从而缓解中枢性疲劳,提高运动知觉能力[25]。

当前研究表明补充L-精氨酸对未经过训练或者中等训练水平的受试者确实有效果,但当实验对象是训练有素的运动员时,L-精氨酸对其运动成绩的提升并不明显[68]。当L-精氨酸联合BCAA补充时对训练有素的网球运动员产生了积极影响。未来需要进一步的研究来证实单独补充L-精氨酸是否因受试者水平高低而产生不同效果,还需要更多的研究来说明不同补充策略(即单独补充精氨酸、瓜氨酸和联合氨基酸补充)对网球运动表现的实际影响,以期在训练或比赛中更好的制定补充策略。

对于更能适应训练的高水平运动员来说,摄入小剂量的硝酸盐可能不会产生有益影响。例如,FERNNDEZ-ELAS等[27]研究发现,职业运动员急性补充70 mL浓缩甜菜根汁并没有产生任何益处。由于精英运动员血浆中的亚硝酸盐水平要明显高于业余爱好者,加之过度的训练增加了运动肌肉的血流量,导致NO内源性生成量较高[74]。因此,需要摄入更高剂量的硝酸盐来产生额外的致能作用,从而提高运动表现[75-76]。同样的,LPEZ-SAMANES等[26]研究发现急性补充小剂量甜菜根汁对高水平网球运动员的身体素质并未产生有益影响。

2.4.2 精氨酸补充方案

L-精氨酸可以在肾脏中内源性合成,每天膳食补充量为4～5 g。L-精氨酸的补充剂量和时间在不同的实验中不尽相同,BESCS等[23]采用了短期补充L-精氨酸的方案,而GLENN等[25]采用急性摄入瓜氨酸的补充策略。无论是在运动前60～90 min急性补充0.15～0.2 g/kg 体重的L-精氨酸或是持续4～7周每天补充1.5～2 g的长期补充方案都被证明可以提高运动时无氧和有氧能力[78]。此外,大量研究表明,血管舒张和血流量增加都与L-精氨酸和NO的生成有关。因此,精氨酸对训练适应有着积极的影响。

2.4.3 硝酸盐补充方案

2.5 β-丙氨酸对网球运动的影响

2.5.1 对运动表现的影响及潜在机制

β-丙氨酸(beta-alanine, BA)通过提高肌肽浓度发挥作用[82]。肌肽的基线水平存在个体差异,补充BA后,不论是训练有素的运动员或是未经训练的人群,骨骼肌中肌肽的含量都会有所增加[83]。此外,由BA作为限速前体合成的二肽肌肽在生理机能中发挥着重要作用[84]。例如,肌肽是最重要的细胞内缓冲液之一[85],相比碳酸氢盐而言,肌肽以更快的速度减弱由运动诱导的“酸中毒”从而缓解运动疲劳[86];肌肽也可以通过调节钙离子敏感性改善肌肉的收缩过程[87];肌肽还可以通过清除单线态氧和自由基来发挥抗氧化剂的作用[88],从而减少氧化应激反应,改善高强度运动的表现。

补充BA不仅可以延缓疲劳还可以改善高强度运动的表现。例如,SAUNDERS等[89]描述疲劳时间的延长与肌肽浓度的增量之间具有很强的相关性(r=0.8),在110%最大功率下的自行车试验中,补充BA后疲劳时间延缓了11.8%[90]和12.1%[91];补充BA后间歇运动表现提升0.2%～3%[92]。网球是一项复杂的高强度间歇运动,同时需要无氧和有氧工作能力,还需要长时间保持力量和爆发力。补充BA不仅可以缓解由pH下降导致“酸中毒”所引起的性能下降,同时,肌肽还可以发挥抗氧化剂的作用,延缓神经肌肉疲劳时间,改善高强度运动期间的表现[83]。此外,当BA和肌酸、碳酸氢钠等其他运动补给联合使用时,能发挥更大的缓冲作用,但是需要补充足够的剂量(4～6 g/d)和时间(大于4周)[83]。未来需要更多的研究,来阐明补充β-丙氨酸在网球运动中的作用。

2.5.2 补充方案

BA最常见的补充策略是长时间补充4～6 g/d的剂量。摄入BA 3 h后恢复基线值,故每次补充间隔 3 h或更长时间的效果更佳[83]。持续补充4周BA可以增加40%～60%的肌肉内肌肽浓度。不建议急性补充BA,因为单次大剂量补充BA可能会引起强烈的副作用,例如感觉异常等[83],全天小剂量多次服用可以缓解症状或避免副作用的发生。个体对补充BA的反应存在差异,实验的洗脱期一般为6～15周[93]。

2.6 甘油对网球运动的影响

2.6.1 对运动表现的影响及潜在机制

甘油(C3H8O3)是甘油三酯在代谢过程中的产物[94],在运动营养领域已经被证明是一种安全有效的高水合剂[51]。身体的水合状态会影响日常训练和比赛中的运动表现,当机体过度脱水时会造成诸多不利影响。甘油由于具有脂溶性和渗透活性的特点可以通过产生渗透梯度,增加液体潴留,诱导机体过度水合以抵消脱水的不利影响。当口服摄入甘油后,首先通过被动扩散的方式迅速被肠胃所吸收[95],之后均匀地分布在除脑脊髓液和房水的液室中,并逐渐形成渗透梯度,平衡细胞内外的液体浓度[96]。当甘油经过肾脏时, 主要以被动扩散的方式被近曲小管所吸收[97],导致肾髓质浓度梯度升高,增加了对水的再利用[98],降低了自由水清除率,尿量减少,导致更多地液体潴留[99]。

补充甘油在液体潴留方面有着良好益处,但其关于运动性能的研究结果并不一致。例如,补充甘油对无氧运动表现的影响微不足道[100];有氧运动方面,多数研究支持补充甘油诱导高水合状态可以改善长时间耐力运动表现。例如,加快完成实验、延缓力竭时间和提高峰值功率等[100-104]。在唯一一项关于网球的研究中,MAGAL等[28]让11名训练有素的网球运动完成2项试验,实验包括3个阶段:比赛前150 min诱导高水合状态,75 min模拟比赛诱导运动脱水以及比赛后90 min再水合作用,并在每个阶段进行冲刺、灵敏以及网球技能测试。结果发现,与仅摄入水相比,补充甘油组的受试者拥有更高的水合状态,液体潴留量显著增加,但不会提高与网球相关的技能和素质测试表现。

职业网球比赛经常在炎热的环境下进行,运动持续时间长,运动员出汗量可达到2.5 L/h[102],随着脱水程度的增加,身体核心温度也随之升高[103],对运动表现造成不利影响。因此,在训练和比赛前诱导高水合状态对网球运动员来说至关重要,未来需要进一步的研究来确定补充甘油对网球运动表现的实际影响。

2.6.2 补充方案

在网球比赛中,运动员每小时的液体流失量会导致体重下降0.5%～2.7%[8],当运动量足以使身体脱水超过2%体重时,应考虑补充甘油来保持身体水分[104]。一般常见的补充方案是在运动前摄入1～1.5 g/kg体重的甘油,这个剂量范围的血浆甘油浓度将达到15 mmol/L,能够保证最大限度的液体潴留[94]。无论是在运动前、运动中还是运动后阶段,补充甘油都会增加体内的液体潴留。推荐在运动前60～150 min补充1～1.2 g/kg和20～26 mL/kg体重的液体来达到高水合状态,详情请参考国外指南[104]。再者,当甘油和含其他成分的液体一同摄入时[104-106],不仅可以提高液体潴留还可以提供额外的益处,比如和碳水化合物溶液(含钠、钾等成分)一同摄入时,有利于改善口感以及降低低钠血症的发生风险[104]。

3 小结

近年来网球运动员和教练员越来越重视营养补充,合理使用各类营养补剂可以为机体提供诸多益处(图3,表2)。目前,咖啡因、钠盐缓冲剂以及一氧化氮前提物在提高网球表现和促进恢复方面表现出积极效果,但是对于各类补剂作用机制的研究还不够深入。未来需要进一步深入研究来确定这些营养补剂的作用机制、剂量和效应关系,以及联合使用补剂是否对网球运动员表现和恢复过程有协同或拮抗效应,以期指导网球运动实践。

表2 营养补剂在目前网球研究中的作用Table 2 The role of nutritional supplements in current tennis research

图3 不同营养补剂的相关物质促进网球技能和专项素质理论模型Fig.3 Theoretical model of different nutritional supplements related to substances promoting tennis skills and specific qualities注:CNS:central nervous(中枢神经系统);Cr:creatine(肌酸);Car:carnosine(肌肽);图中数字代表对应的相关参考文献序号。