咖啡因對延緩人體運動疲勞和有氧耐力的影響探究

劉怡宏 梁銳

在運動前攝入咖啡因能提高人體運動表現，從而被廣泛的應用于比賽和訓練之中。運動前攝入咖啡因提升運動能力的效果存在爭議，受多種因素的影響。本文主要分析咖啡因對人體的作用機制，以及運動前攝入時間和攝入劑量對有氧耐力產生的影響。本文在知網、萬方、Web of Science核心合集數據、EBSCO等數據庫進行檢索，根據納入和排除標準綜述了國內外近些年來咖啡因提高有氧耐力的作用機制和效果最新研究進展。咖啡因作為腺苷A1和A2A的非特異性拮抗劑通過抑制腺苷來延緩疲勞受體，能促進多巴胺的釋放以提高中樞神經興奮性和減少神經對疲勞的感知和疼痛率，且使細胞內鈣離子濃度增加，肌漿網釋放更多的Ca2+ 和Na+/K+ATP酶活性改變等作用機制提高運動中有氧耐力表現。諸多研究表明在運動前60～120分鐘攝入劑中低劑量的咖啡因，對提高有氧耐力的效果更明顯。

咖啡因是甲基黃嘌呤類化合物，自從被世界反興奮劑機構移除禁藥名單后，被公認為世界上最常用的藥物，主要用于競技體育領域，現在也越來越多的應用于醫療領域。因為咖啡因能夠刺激中樞神經興奮性，所以運動員在訓練和比賽中經常使用它作為一種營養助益，咖啡因常被用于足球、自行車、馬拉松等耐力性項目中。

1 咖啡因起源

咖啡因（caffeine）又稱茶毒、馬黛因、瓜拉納因子、甲基可可堿。甲基可可堿是甲基黃嘌呤類化合物一種植物生物堿，是一種中樞神經興奮劑，在許多植物中都能夠被發現。人類最常使用的含咖啡因的植物包括咖啡、茶及一些可可。世界上最主要的咖啡因來源是咖啡豆，同時咖啡豆也是咖啡的原料，另一個重要來源是茶，尤其是紅茶和烏龍茶。在北美地區90%的成年人在他們日常飲食模式中攝入咖啡因，2004年之前咖啡因被世界反興奮劑機構（WADA）列為禁藥，之后重新進行評估，在2004年正式將咖啡因移除禁用清單，官方移除禁用清單后，咖啡因的使用更加頻繁，攝入咖啡因的情況在運動員中非常普遍，許多國家將咖啡因應用于非處方藥、能量飲料、糖果和運動食品以及含有咖啡因或瓜拉那的補品。但國際奧林匹克委員會規定允許限值為12μg/ml咖啡因賽后尿濃度，超過15μg/ml則被認為是非法的，而比賽前1小時攝入9～13mg/kg將達到比賽允許最大尿濃度。世界反興奮劑機構并不認為咖啡因是一種有害物質而是將其納入了監督計劃，該計劃旨在確定體育比賽中濫用咖啡因的模式。

1.1 咖啡因攝入劑量

咖啡因是一種無色無氣味的粉末，有一點苦味但被認為相對無毒，可通過氣體腸道被快速吸收，由肝臟進行代謝腎臟進行排出。由于其脂溶性，咖啡因能夠輕易穿過血腦屏障和體內所有組織細胞膜，從而達到對中樞神經系統和刺激肌肉收縮的作用。在15～45分鐘血液呈現高濃度，60分鐘可到峰值濃度，峰值可維持2小時，咖啡因的濃度在攝入后3～6小時內下降50-75%最長可維持12小時。咖啡因具有成癮性，咖啡因攝入劑量對于人體而言并不是絕對安全，成年人血液濃度為15～60μg/mL能夠使人中毒，血液濃度為80μg/mL就能使人致死，成年人咖啡因口服致死量在10g。研究顯示超過劑量的咖啡因還會出現不良生理反應，安全且風險低的劑量應為：未經過訓練的成年人每日攝取的咖啡因不超過400mg或者每千克體重不超過6mg，未經過訓練的成年人在這個范圍內攝入是十分安全的。

專業運動員一次性服用超大劑量咖啡因具有致毒性，咖啡因一次性或短期內服用大劑量會出現不良反應，焦躁不安、神經質、肌肉抽搐、心律失常等現象，專業運動員使用咖啡因攝入量一般分為低劑量（3mg/kg）、中等劑量（5～6mg/kg）、和大劑量（10～13mg/kg），現有研究中當攝入咖啡因攝入低至中等劑量（3～6 mg/kg）時對提高訓練有素運動員的運動成績有效，總體上不會因攝入更高劑量（≥9mg/千克）而導致運動成績的進一步提高，大劑量咖啡因攝入會誘發焦慮，還可能誘發低血壓，增大出現副作用的幾率。

1.2 咖啡因的應用人群

咖啡因是一種能夠提高人體運動能力的運動補劑，但并不是對所有人都有明顯的影響效益，咖啡因對運動的功效受使用人群的影響，業余運動的愛好者或者受過非專業訓練的一般運動員使用咖啡因后對運動成績雖有提高但不明顯，研究證明咖啡因對未經訓練的運動員沒有明顯的效果。受運動員自身水平高低的影響，對訓練水平高的運動員效果更明顯。

2 資料來源與方法

2.1 文獻檢索策略

以“咖啡因”“有氧耐力”“疲勞”“caffeine”“Aerobic endurance”“fatigue”等為檢索詞在中國知網、萬方等中文數據庫采用單獨或互相組合的方式進行檢索;Web of Science核心合集數據、EBSCO等外文數據庫采用單獨或組合的方式進行檢索。檢索時間為1990年1月～2021年1月。

2.2 納入標準

（1）文獻的研究設計為雙盲隨機對照實驗或自身對照實驗。實驗組和對照組在人群類型、年齡、項目上未見顯著差異;

（2）實驗對象為運動愛好者、專業運動員、業余運動員、青少年、健康成年人等;

（3）延緩人體疲勞相關的機制;

（4）文獻能提供實驗方法、步驟、具體數據。

2.3 排除標準

（1）綜述文獻、會議論文、普刊文獻、數據重復文獻;

（2）無詳細數據及實驗結果的文獻。

3 結果

3.1 咖啡因延緩運動性疲勞的成因

運動性疲勞是機體不能將它的機能保持在某一特定的水平或不能維持某一特定的運動強度。軀體性疲勞是人體運動性疲勞的表現形式之一，根據其發生部位可將其分為中樞性疲勞和外周性疲勞，中樞性疲勞主要發生在大腦皮質至脊髓運動神經元的疲勞，外周性疲勞主要發生在神經—肌肉接點、肌細胞膜、細胞器和肌肉收縮蛋白等部位。

3.1.1 咖啡因延緩疲勞的中樞機制

研究表明咖啡因可通過抑制腺苷來延緩疲勞受體，腺苷是一種內源性神經調節物質，可發出一系列效應，促進睡意、增加感知疲勞及抑制多巴胺的分泌，它優先抑制興奮性神經遞質的釋放，并降低中樞神經元的放電率，對中樞興奮性有抑制作用。攝入咖啡因后，在調節中樞神經系統突觸傳遞及神經元興奮性方面發揮重要作用，咖啡因能提升腺苷A1和A2A的非特異性拮抗劑導致多巴胺的釋放增加，從而促進清醒和敏捷的感覺，降低運動期間的感覺勞累（RPE）和疼痛率。咖啡因對神經肌肉系統的積極作用可以部分抵消神經肌肉疲勞的負面影響，因為它可以減少大腦皮層運動前區和運動區的活動，從而產生一定程度的次最大力量，導致對努力的感知降低，對RPE有抑制作用減少勞累和肌肉疼痛的感覺。

3.1.2 咖啡因延緩疲勞的外周機制

咖啡因可促使細胞內鈣濃度增加，增強興奮—收縮耦聯效應是提高力量和肌肉耐力最可能的機制，通過從肌漿網釋放更多的Ca2+和改善Na+/K+ATP酶的活性，在肌肉收縮期間，肌肉細胞的去極化導致K+流入細胞外液，然后擴散到血漿中，增加肌肉的收縮咖啡因有助于促進腎上腺釋放強大的刺激性腎上腺素。腺體可加快肌肉收縮的速度，增加心率，并增加游離脂肪酸的能量釋放，它通過調動血液中的游離脂肪酸濃度作為耐力項目中肌肉收縮的主要燃料來源，在活動肌肉中產生更大的脂肪代謝，抑制碳水化合物代謝，從而保護肌糖原。咖啡因能增加血漿兒茶酚胺，兒茶酚胺能刺激脂肪溶解并抑制脂肪生成，這增強了甘油和非酯化脂肪酸（NEFA）從脂肪組織釋放到血漿中，并增強它們肌肉的利用率，使碳水化合物減少和疲勞時間的延長而發生強烈的肌肉收縮。

3.2 咖啡因對不同的基因類型的效果

現有研究的另一個觀點攝入咖啡因后個體之間在運動和運動表現上的差異以及對睡眠或焦慮感的不良影響可能歸因于與咖啡因代謝以及身體和心理反應有關的遺傳異。CYP1A2編碼細胞色素P450 1A2，該酶約占所有咖啡因代謝的95%，分別有AA基因型（咖啡因快速代謝者）和AC、CC基因型（咖啡因慢速代謝者）。AA、CC基因型在咖啡因使用劑量2～4mg/kg能增加效應，AA效應，CC基因型咖啡因使用劑量4mg/kg時表現不佳。AC基因型在任何劑量都不能增加效應。咖啡因的下游代謝產物（對黃嘌呤，可可堿和茶堿）具有附加的產生作用，這就是為什么速代謝的AA基因型具有更多優勢的原因由于咖啡因是血管收縮劑，CC基因型可能會經歷長時間的血管收縮，從而損害耐力表現。如果這些機制是正確的，并且應該進一步闡明這一點，那么在運動前更長時間地攝入咖啡因可能會改善咖啡因對AC基因攜帶者的致敏作用。

3.3 咖啡因對有氧耐力的影響

不同項目的運動員在攝入咖啡因后對比賽成績的影響，許多研究證明運動員在賽前或訓練前攝入3mg·kg-1～6mg·kg-1的咖啡因，運動員的運動成績有所提高。咖啡因能夠延緩運動疲勞對有氧耐力產生有利的影響。

之前的研究表明咖啡因能提高人體有氧耐力，咖啡因提高有氧耐力對普通成年人和運動員都有效果，前者較后者相比效果并不顯著。Andreas對為20名半職業足球運動員測試前60分鐘攝入中等劑量（6mg·kg-1）咖啡因在跑步機上進行最大攝氧量測試（跑臺），研究結果表明咖啡因能夠有效的改善有氧耐力的表現。Ben對16名男性自行車運動員完成三次實驗測試，在測試前90分鐘分別攝入安慰劑和攝入低劑量（3mg·kg-1）咖啡因和中等劑量（6mg·kg-1）咖啡因在功率自行車上進行長時間的有氧耐力測試，研究結果表明攝入咖啡因能夠提高運動員的有氧耐力而劑量組的效果好于中等劑量組好于安慰劑組。Brandon對12名經常鍛煉的普通男性在測試前攝入低劑量咖啡因（300mg）反應時以及疲勞、心率血壓在開始測試前和測試后進行測量，采用雙盲、隨機、安慰劑對照的交叉研究設計。測試時首先在跑步機上以較低的速度進行預熱坡度保持在0%，其次以每兩分鐘對速度進行遞增，最終階段達時速達到24km/h，結果表明咖啡因組比安慰劑組能降低疲勞的感覺，對測試成績并沒有顯著變化。Philip在對13名男性和5名女性的休閑跑步愛好者進行最大攝氧量測試，采取雙盲、交叉、隨機的研究方式在運動前60分鐘攝入咖啡因劑量160mg，實驗一為跑步機熱身三分鐘后以坡度0%速度5～8km/h為初使測試速度，之后以每2分鐘增加2.5%的坡度。實驗二為在受試者被要求在0%坡度的機動跑步機上以盡可能快的速度完成5公里的跑步，兩個實驗的攝入劑量和時間一致。研究表明咖啡因組和安慰劑組相比都能提高男女受試者的運動成績。

攝入咖啡因均能提高人員有氧耐力的能力受運動水平影響顯著，有過專業訓練的運動員在運動前攝入咖啡因能對運動成績提高更多，攝入劑量、性別、項目均不會運動成績產生大的影響。

4 結論

咖啡因作為提高運動能力的營養補給已被普遍用于比賽和訓練，通過咖啡因對腺苷A1和A2A的非特異性拮抗劑來抑制腺苷延緩疲勞受體，促進多巴胺的釋放提高中樞神經興奮性減少神經對疲勞的感知和疼痛率，使細胞內鈣濃度增加肌漿網釋放更多的Ca2+和Na+/K+ATP酶的活性是延緩運動性疲勞的作用機制。咖啡因提高人體有氧耐力不受性別影響，中低劑量的使用相對于高劑量而言，達到效果的同時降低不良反應的出現，咖啡因的使用時間在運動前60～120分鐘，60分鐘達到峰值濃度120分鐘后呈現下降趨勢，咖啡因提高人體有氧耐力受運動水平影響較小。

（作者單位：北京體育大學體能訓練學院）