女大學生在不同運動方式中能量及底物消耗特征的實驗研究

易東平，彭 莉，何志金，陳 億

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女大學生在不同運動方式中能量及底物消耗特征的實驗研究

易東平1，彭 莉2，何志金1，陳 億1

力竭運動；遞增負荷功率；運動形式；能量代謝；實驗研究

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

以身體健康，無疾病史的11名在校女大學生為研究對象(表1)。

表 1 本研究受試者基本情況一覽表Table 1 Basic Condition of the Subjects

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料研究

通過網絡查閱Web of Science、中國知網、維普期刊、萬方數據等平臺相關力竭運動或恒定負荷的跑步或騎自行車運動中能量代謝或物質消耗的文獻資料，并對其進行分類整理。

1.2.2 實驗法

1.2.2.1 實驗器材及測試指標

實驗器材：身高體重計、溫度計、心率表、德國CORTEX運動心肺功能測試儀(MetalyzerⅡ-R2)、功率自行車(荷蘭LODE)、跑臺(意大利)、血乳酸測試儀、血乳酸試劑條，運用所有儀器之前進行校準。

1.2.2.2 運動測試因素控制

本研究是對不同運動形式機體能量代謝及底物消耗特征的研究，在實驗設計中采用了自身對照，自行車測試與跑臺測試間隔時間為24 h。所有受試者首先進行自行車運動測試，間隔24 h后進行跑臺運動測試。根據受試者自行車運動情況進而設置跑臺的負荷方案(速度及坡度設置)，從而確保2次測試的遞增負荷功率的一致性。為了確保2種運動方式過程中，受試者的機體狀態及實驗條件一致，2次測試前的生活規律及飲食結構相同，受試者測試順序及開始時間一致，每種運動測試前24 h內停止劇烈或大強度運動，使機體處于非疲勞狀態。自行車及跑臺運動測試前2 h禁食，室溫在25℃～28℃，相對濕度40%～50%。

1.2.2.3 力竭運動測試方法

功率自行車測試：負荷強度：0 W負荷熱身3 min，以25 W為起始負荷，25 W/1.5 min負荷遞增至力竭[4]；負荷速度：踏車節律保持在55～60 rpm，意志疲勞停車或轉速不能維持在55～60 rpm長達5 s以上時終止測試(測試過程不斷鼓勵受試者)。

跑臺測試：根據功率自行車的遞增負荷，利用以下公式計算坡度或速度[1]：

第1檔：P1=mg×sinα1×V1×t

………

P為功，n≥3，m為受試者的體重，α為負荷時跑臺的坡度，V為負荷時跑臺的轉速，t為每個遞增負荷的時間，t′為5 s。如果受試者在第n檔中完成負荷量的時間小于遞增負荷時間-5 s，那么在P0公式中t0=t總-(n-1)·t；如果受試者在第n檔中完成負荷的時間等于遞增負荷時間，那么在P0公式中t0=t-5 s，另外的5 s(即t′=5 s)代入Pn+1公式。總做功量：P總=P1+P2+…+Pn-1+Pn。直到力竭(意志疲勞結束或跟不上跑臺轉動速度結束，測試過程不斷鼓勵受試者)。本研究根據跑臺運動的特殊性，確定受試者起始坡度及速度，同時，在近力竭時段主要是增加坡度，恒定速度(V≤11.0 km/h)。

1.2.3 數據處理

2 測試結果

2.2 不同運動方式相同遞增負荷功率至力竭運動中各級負荷階段能量代謝特征

如表3、圖1～圖4所示，自行車和跑臺測試中，隨著運動負荷的逐步遞增，機體總能輸出量在不斷增加，糖消耗供能量及供能比例也隨負荷的逐步遞增而不斷增加，直至力竭；而脂肪消耗供能量及供能比例則隨著負荷的遞增，其先是逐漸增大，而后不斷減少，直至為零。

然而，在相同負荷等級中，跑臺運動的底物消耗及能量代謝指標測試值均高于自行車運動，具有明顯的差異。經檢驗發現，兩種運動方式的總能輸出在(除200 W外)各級負荷階段均具有顯著的統計學差異(P<0.001)；糖消耗量及供能在200 W及力竭負荷時，有顯著性差異(P<0.001)；脂肪消耗量及供能除了力竭負荷時未見統計學差異外，其他負荷階段具有顯著的統計學差異(P<0.05)；糖供能比例和脂肪供能比例除了在50 W和力竭負荷時未見統計學差異外，在其他負荷階段均具有顯著的統計學差異(P<0.05)。值得注意的，是不同運動方式的各級負荷階段糖的消耗供能量不具有顯著的差異(除200 W及力竭負荷階段外)，而在力竭運動中整體均值統計時(表2)，糖消耗量具有顯著性差異(P<0.05)。

圖 1 本研究不同運動形式相同遞增負荷至力竭運動中CHO消耗趨勢圖Figure 1. Schematic Diagram of CHO Consumption Trend in Different Forms of Exercise with the Same Incremental Load to Exhaustionb

圖 2 本研究不同運動形式相同遞增負荷至力竭運動中FAT消耗趨勢圖Figure 2. Schematic Diagram of FAT Consumption Trend in Different Forms of Exercise with the Same Incremental Load to Exhaustionb

圖 3 本研究不同運動形式相同遞增負荷至力竭運動中CHO供能百分比趨勢圖Figure 3. Schematic Diagram of CHO Energy Supply Percentage Trend in Different forms of Exercise with the Same Incremental Load to Exhaustion

圖 4 本研究不同運動形式相同遞增負荷至力竭運動中FAT供能百分比趨勢圖Figure 4. Schematic Diagram of FAT Energy Supply Percentage Trend in Different forms of Exercise with the Same Incremental Load to Exhaustion

2.3 不同運動方式至力竭運動中運動時間、脂肪峰值及供能比例特征

結合表5可知，利用跑臺和自行車進行相同遞增負荷的力竭運動中，其力竭負荷強度、運動的總時間、脂肪供能持續時間及參與供能的時間比例、脂肪消耗量峰值(每名受試者在運動過程中出現的脂肪消耗最大值)以及運動結束后3 min的血乳酸值有明顯不同。跑臺的力竭負荷值大于自行車運動，相差約為58 W；運動總時間及脂肪供能時間長于自行車運動時間，差值分別約為199 s和149 s，而脂肪消耗峰值的時間比自行車運動晚41 s，脂肪消耗量峰值明顯高于自行車，相差約3.24 mg/min/kg；運動后3 min血乳酸差值高于自行車，相差約為1.98 mmol/L。配對樣本t檢驗結果顯示，力竭負荷、運動總時間、脂肪消耗峰值、血乳酸差值具有顯著的統計學差異(P<0.05)。

VO2max(L/min)相 VO2(ml/min/kg)呼吸商糖消耗mg/min/kg脂肪消耗mg/min/kg總能輸出量cal/min/kg心率(HR)(次/min)VO2max負荷(W)自行車2．77±0．44??23．4±11．1???0．92±0．1218．7±14．7???2．09±2．04???93．9±45．7???130±32???169．44±27．32??跑 臺3．09±0．3534．15±11．30．91±0．1226．8±17．33．22±3．27136．43±47．07158±11219．44±37．03

注：自行車和跑臺進行配對樣本t檢驗，* 表示P<0.05，** 表示P<0.01，*** 表示P<0.001。

表 3 本研究不同運動形式相同遞增負荷至力竭中不同負荷等級的能量代謝及底物消耗一覽表
Table 3 List of Different Levels Energy Metabolism and Substrate Consumption in Different Forms of Exercise with the Same Incremental Load to Exhaustion (n=11)

負荷(W)糖供能(cal/min/kg)脂肪供能(cal/min/kg)脂肪供能比例總能(cal/min/kg)呼吸 VO2(ml/min/kg)心率(次/min)自行車2518．09±10．26?26．27±10．5???###0．59±0．21???44．36±7．53???0．82±0．05???11．36±1．91???96±107???5018．37±11．6142．93±11．3???0．71±0．1661．30±10．46???0．79±0．0415．83±2．67???107±10???7549．17±20．5734．4±16．05???###0．42±0．21??83．63±11．34???0．86±0．05???21．1±2．72???123±12???10090．86±23．3814．5±15．8???###0．15±0．17???105．3±14．72???0．94±0．05??26．21±3．51???141±13???125124．18±20．833．06±7．49???###0．03±0．07???127．24±17．04???1．01±0．05???31．41±4．15???144±37???150145．72±14．841．07±5．43???###0．01±0．05???146．80±11．06???1．07±0．07??36．26±2．72???170±8???

續表 3

注：“*、**、***”表示自行車和跑臺在相同負荷時的t檢驗結果為P<0.05、0.01、0.001；“#、##、###”表示自行車和跑臺在脂肪消耗最大值時的單因素方差檢驗結果為P<0.05、0.01、0.001；“△△△”表示自行車運動和跑臺運動的脂肪消耗最大值的t檢驗結果P<0.001。

表 4 本研究自行車運動和跑臺運動脂肪消耗及供能比例環比下降趨勢一覽表
Table 4 List of the Decline Trend of Fat Consumption and Energy Supply in Cycling and Treadmill Exercise (n=11)

各負荷階段50W75W100W125W150W175W200W225W250W均值自行車消耗量4．773．81．610．340．1200——環比下降率(%)-20．34-57．63-78．88-64．71-100．0-64．31?供能比例0．710．420．150．030．0100——環比下降率(%)-40．85-64．29-80．00-66．67-100．0-70．36?跑 臺消耗量—6．514．362．471．550．850．870．410．18環比下降率(%)-33．03-43．35-37．25-45．162．35-52．87-56．10-37．51供能比例0．750．60．320．150．080．040．040．020．01環比下降率(%)-20．00-46．67-53．13-46．67-50．00-0．00-50．00-50．00-39．56

注：環比下降率=(本次負荷階段的脂肪消耗值-上一個負荷階段的脂肪消耗值)/上一個負荷階段的脂肪消耗值×100%，“*”表示跑臺運動和自行車運動脂肪消耗量環比下降率及脂肪供能比例環比下降率的獨立樣本t檢驗結果P<0.05。

表 5 本研究跑臺和自行車運動至力竭過程中力竭負荷、底物消耗最大值及時間情況一覽表Table 5 List of Exhaustive Load,Substrate Consumption Maximum Value and Time in Cycling and Treadmill Exercise to Exhaustion

注：“*、**、***”表示檢驗結果P<0.05、0.01 、0.001；脂肪消耗量峰值指每名受試者在運動過程中出現的脂肪消耗最大值。

3 分析與討論

無論采用跑臺還是自行車進行各種遞增負荷的力竭運動測試中，隨著運動強度或需要完成功率的逐漸增加，機體攝氧量及總能量消耗也逐漸增加；供能物質參與供能的比例也發生變化，糖參與供能比例逐漸增加，脂肪參與供能比例逐漸減少。

值得注意的，是跑臺運動時的血乳酸差值及呼吸商明顯高于自行車運動(P<0.05)，這與以往的研究結論不一致[7,11]。這可能與糖消耗供能形式及供能比例，與脂肪供能的比例有很大的關系，從力竭運動整個過程看，自行車運動的總時間以及完成負荷的大小明顯的短于(小于)跑臺運動，根據負荷方案(遞增負荷)的設定，時間越長，運動負荷功率及運動強度越大；在高強度(極限強度或亞極限強度)運動時，機體主要是依靠糖酵解供能。因此，跑臺運動的血乳酸值及呼吸商可能會比自行車運動要高，這也可能是糖消耗及供能量在力竭運動過程中整體均值具有顯著差異的重要影響因素。

4 結論

無論是跑臺運動還是自行車運動，在相同的遞增負荷至力竭運動中，機體能量代謝及底物消耗都會隨著運動負荷的遞增而不斷增加(總能輸出、糖消耗)或減少(脂肪消耗)，這種能量代謝特征與運動負荷的遞增及身體對能量輸出需求是相符的。但在不同運動方式相同遞增負荷功率至力竭運動中，跑臺和自行車運動對機體的能量代謝及底物消耗存在一定的差異：1)跑臺運動時總能量輸出、運動總時間及完成最終負荷功率明顯高于自行車運動，在整個力竭運動過程中糖消耗及供能均值明顯高于自行車運動；而在各級負荷階段的糖消耗量及供能水平幾乎一致。2)自行車運動的最大脂肪消耗出現在較低負荷時，出現時間也早于跑臺運動，脂肪消耗總量和脂肪供能時間均低于跑臺運動；隨著運動負荷的遞增，跑臺運動中脂肪消耗供能下降水平及下降幅度比自行車運動更加緩和，具有持續、較強的脂肪消耗能力。提示，相比而言，中、低強度的跑臺運動能消耗更多的脂肪，更有利于運動健身及減脂。3)相同受試者采用不同運動方式健身時，其健身負荷強度具有一定的差異。

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Experimental Research on Energy and Substrate Expenditure Characteristics of Female College Students in Different Forms of Sports

YI Dong-ping1,PENG Li2,HE Zhi-jin1,CHEN Yi1

exhaustiveexercise;incrementalloadpower;formsofexercise;energymetabolism;experimentalresearch

2014-10-24；

2015-06-08

易東平(1981-)，男，重慶萬州人，助教，碩士，主要研究方向為運動監測與評價及體質測評，Tel：(023)58102313(辦公室)，E-mail：wzyidongping@163.com；彭莉(1971-)，女，重慶合川人，教授，博士，碩士研究生導師，主要研究方向為運動疲勞與康復、運動監測與評價，E-mail：plmzs@swu.edu.cn；何志金(1981-)，男，四川德陽人，講師，碩士，主要研究方向為體育統計及體育教育訓練學，E-mail：271648204@qq.com；陳億(1979-)，男，土家族，重慶酉陽人，講師，主要研究方向為運動訓練學，E-mail：4488799@qq.com。

1.重慶三峽學院 體育與健康學院，重慶 萬州 404100；2.西南大學 體育學院，重慶 400715 1.Chongqing Three Gorges College,Chongqing 404100 China；2.Southwest University,Chongqing 400715，China.

1002-9826(2015)04-0063-06

10.16470/j.csst.201504009

G804.49

A