不同安静代谢率男子在力竭运动中能量代谢特征的实验研究

易东平，彭 莉，吴景程，曹泽亮

安静时代谢率是机体在安静状态下没有负荷情况的身体耗能，是评价安静时机体能量代谢的一个有效指标。研究表明［1］，人体安静时的能量消耗与体重有关，但不成正比，而与人体面积大小成正比。在以往能量代谢和底物代谢的研究中，研究者主要是从不同运动方式及性别差异、不同恒定及递增负荷方案，不同环境因素影响等方面研究较多，对于同一性别、同一运动方式的能量代谢和底物代谢的研究较少，从安静时代谢率的角度分组研究更少。由于每个人的能量代谢和底物代谢具有不一致性，身体形态、机能等因素的不同，使其安静代谢率存在一定差异。尤其在运动中，机体运动能力、持续运动时间、氧化酶活性等因素的不同，使机体呈现出不同的代谢特征。本研究以安静时代谢率为依据，对16名男子安静代谢率进行聚类分成高、低两组受试者，旨在分析和探讨安静代谢率高、低两组受试者在力竭运动中能量代谢及底物代谢的特征及其差异。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象及分组

以身体健康、无疾病史，每周体育活动时间大于6h的体育教育专业16名男生为研究对象（表1）。以单位面积安静代谢率为依据，采用样本间欧式平方距离进行分层聚类，然后对聚类结果进行判别检验。结果显示，Wilks’Lambda=0.291，F=29.26，P=0.000＜0.001，说明按照这种聚类方法效果较好。同时，所有受试者安静代谢率均值为0.62kcal/m2/min与20～30岁正常男子均值相同［1］，这与本研究聚类结果一致。将研究对象分为安静代谢率高（9人在均值以上）、低（7人在均值以下）两组。人体面积计算公式为：

体表面积（m2）=0.00607×身高（cm）+0.0127×体重（kg）-0.0698［1］。

表1 本研究受试者安静时受试者基本情况一览表 （±SD）

表1 本研究受试者安静时受试者基本情况一览表 （±SD）

注：＊P＜0.05。

n 身高（cm） 体重（kg） 基础代谢（kcal） 人体面积（m2） 面积耗能（kcal/m2/min）高组 9 171.59±4.88 67.83±6.46 1 650.56±75.37 1.83±0.02 0.63±0.004低组 7 176.76±4.48 66.10±4.11 1 602.40±34.62 1.83±0.09 0.60±0.082＊

1.2 研究方法

1.2.1 实验器材及测试指标

实验器材：身高体重计、温度计、心率表、德国CORTEX运动心肺功能测试仪（MetalyzerⅡ-R2）、功率自行车（荷兰LODE）、身体成分分析仪（韩国INBODY 3.0），运用所有仪器之前进行校准。

测试指标：身高、体重、安静代谢率、脂肪消耗量（FAT消耗量）、糖消耗量（CHO消耗量）、氧脉搏（O2/HR）。

1.2.2 力竭运动测试方法

测试前24h停止运动，处于非疲劳状态。测试前2h禁食，室温控制在22℃～25℃，相对湿度40％～50％。负荷强度：0W负荷热身3min，以50W为起始负荷，50W/3min负荷递增至力竭。负荷速度：踏车节律保持在55～60rpm，意志疲劳停车或转速不能维持在55～60rpm长达5s以上时终止测试（测试过程不断鼓励受试者）。根据气体分析仪10s一次数据进行统计分析，综合已有能量消耗的计算公式及其修正的研究结果，结合现在国际上有关能量消耗研究的计算方法，采用计算公式［6，8］：糖氧化量（g/min）=4.858×O2（L/min）-3.226×O2（L/min）；脂肪氧化量（g/min）=1.695×O2（L/min）-1.701×CO2（L/min）；总能量输出（kcal/min）=［脂肪氧化量（g/min）×9+碳水化合物氧化量（g/min）×4］。

1.2.3 数据处理

所有数据采用SPSS 11.5 for Windows软件处理，结果用平均数±标准差表示，采用独立样本双尾t检验进行比较，显著性差异水平为P＜0.05。

2 研究结果

2.1 力竭运动中整体代谢特征

在力竭运动中，男子安静代谢率高、低两组受试者各指标测试结果存在明显的差异。在整个力竭运动中，高组受试者脂肪消耗量、％FAT供能明显高于低组受试者，而糖消耗、％CHO供能、氧脉搏（O2/HR）以及总能量输出值均低于低组受试者（表2）。经检验可知，在整个力竭运动中，高、低两组受试者糖消耗量及供能、脂肪消耗量及供能、糖和脂肪供能百分比以及O2/HR（评价氧的利用率指标）有显著性差异（P＜0.05或P＜0.001），而相对耗氧量和总能量输出未见统计学差异（P＞0.05）。说明在达到力竭时，两组受试者在总能量输出没有明显差异，而糖和脂肪的消耗有明显差异，高组受试者动用脂肪的能力相对较强，低组受试者对糖的依赖性较大。

2.2 不同等级负荷代谢特征

2.2.1 力竭运动过程中各级负荷代谢特征

（SWU1009107）。

Physical Education College of Southwest University，Chongqing 400715，China.

从表3、图1～图5可知，两组受试者随着运动负荷的递增，总能量输出始终在不断增加，直到力竭。而且，随着运动持续进行，糖消耗量在不断增加，脂肪消耗量在逐渐减少。然而，两组受试者糖消耗的递增和脂肪消耗的递减，在不同负荷阶段呈不同的特征，且有明显差异。在200W及以前负荷中，同级负荷时糖消耗量及供能百分比、总能输出，低组比高组相对要高，而脂肪消耗量及供能百分比要低于高组；250W及以后负荷则恰恰相反。经t检验可得，100W、150W负荷阶段，除总能输出以外，其他各项测试指标两组间均具有显著性差异（P＜0.05）；200W负荷阶段时，两组受试者的％CHO供能、％FAT供能、总能输出有显著性差异。可见，两组受试者呈现出不同的代谢趋势及特征。

表2 本研究高、低各组受试者在力竭运动中各指标均值测试结果一览表 （±SD）

表2 本研究高、低各组受试者在力竭运动中各指标均值测试结果一览表 （±SD）

注：＊表示P＜0.05，＊＊表示P＜0.01，＊＊＊表示P＜0.001；高组n=9，低组=7。

相对O2 O2/HR FAT消耗量 CHO消耗量 ％FAT ％CHO CHO供能 FAT供能 总能输出（ml/min/kg） （ml/次） （mg/min/kg） （mg/min/kg） 消耗供能 消耗供能 （cal/min/kg） （cal/min/kg） （cal/min/kg）低组 31.1±13.9 14.3±3.8＊＊＊4.3±3.0＊＊＊ 21.4±18.7＊ 44.4±35.5＊＊＊ 55.6±35.5＊＊＊ 85.5±74.8＊38.8±27.2＊＊＊ 124.3±57.1高组 31.0±14.1 15.4±4.4 5.5±3.4 18.5±18.9 53.7±34.9 46.3±34.9 74.1±75.6 49.3±30.3 123.4±58.3

表3 本研究高、低各组受试者在力竭运动中不同负荷能量输出及底物代谢测试结果一览表 （±SD）

表3 本研究高、低各组受试者在力竭运动中不同负荷能量输出及底物代谢测试结果一览表 （±SD）

注：＊表示P＜0.05，＊＊表示P＜0.01，＊＊＊表示P＜0.001；50～200W以及力竭负荷时，高组n=9，低组n=7；250W时，高组n=9，低组n=4；300W时高组n=1，低组n=2；所有值是每个负荷阶段的均值。

负荷 组别 FAT氧化量 CHO消耗量 ％FAT氧化 ％CHO消耗 CHO供能 FAT供能 总能输出（mg/min/kg） （mg/min/kg） 供能 供能 （cal/min/kg） （cal/min/kg） （cal/min/kg）50 W 低组 5.4±1.7 1.9±2.0 85.0±18.8 15.0±18.8 7.6±8.1 48.7±15.6 56.3±12.2高组 5.3±1.8 1.8±2.0 85.8±17.1 14.2±17.1 7.0±8.2 48.0±15.9 55.0±12.4 100 W 低组 6.4±2.0＊＊＊ 8.5±6.2＊＊＊ 65.0±23.6＊＊＊ 35.0±23.6＊＊＊ 34.2±24.8＊＊＊ 57.3±18.2＊＊＊ 91.4±15.3高组 7.6±2.4 4.9±5.4 78.9±22.0 21.1±22.0 19.6±21.6 68.1±21.9 87.7±17.4 150 W 低组 4.15±2.9＊＊＊ 23.0±8.4＊＊＊ 29.9±21.4＊＊＊ 70.1±21.4＊＊＊ 92.0±33.7＊＊＊ 37.4±26.3＊＊＊ 129.4±16.0高组 7.5±2.4 14.6±7.3 55.3±18.3 44.7±18.3 58.4±29.2 67.9±21.5 126.3±22.5 200 W 低组 3.1±3.3 35.4±8.2 16.6±18.0＊ 83.4±18.0＊ 141.5±33.1 28.2±30.0 169.7±17.3＊高组 4.0±3.5 34.9±12.1 22.1±19.3 77.9±19.3 139.5±48.5 36.1±31.6 175.6±27.0 250 W 低组 1.0±2.0 52.9±8.1 4.6±9.1 95.4±9.1 211.8±32.4 9.4±18.3 221.2±19.1高组 0.9±2.1 51.8±9.0 4.0±8.7 96.0±8.7 207.3±36.1 8.3±19.1 215.4±30.4 300 W 低组 0 56.9±6.0 0 1.0 227.5±24.1 0 227.4±24.1高组 0 50.8±0.8 0 1.0 203.5±3.2 0 203.5±3.2力竭负荷 低组 0.1±0.4＊ 47.2±9.3＊＊＊ 0.53±2.1＊＊＊ 82.8±2.0＊＊ 188.8±37.2＊＊＊ 0.9±3.6＊＊ 189.7±35.8＊＊＊高组 0.69±2.3 53.5±8.3 3.14±7.5 80.2±7.2 214.1±33.3 8.4±20.3 223.5±26.9

表4 本研究高、低各组受试者糖及脂肪消耗最大值、参与供能时间以及运动总时间情况一览表 （±SD）

表4 本研究高、低各组受试者糖及脂肪消耗最大值、参与供能时间以及运动总时间情况一览表 （±SD）

注：＊表示P＜0.05，＊＊P＜0.01；高组n=9，低组=7。

FAT氧化量 FAT供能总 CHO消耗量 CHO供能总 总时间 FAT供能 CHO供能（mg/min/kg） 时间（s） （mg/min/kg） 时间（s） （s） 时间比 时间比低组 8.7±1.4 608±129 52.5±14.0 714±203 802±165 0.759±0.07＊ 0.88±0.14高组 10.0±2.4 700±69 57.1±8.2 684±128 823±72 0.85±0.07 0.83±0.14

根据测试结果（表3、图1、图2）可知，高、低两组受试者均在100W（33％～50％力竭负荷）阶段出现脂肪消耗最大值，分别为7.6mg/min/kg和6.4mg/min/kg，两组的脂肪消耗最大值具有显著性差异（P＜0.01）；同时，两组受试者脂肪消耗量下降幅度及下降最大值时间有明显差异，分别表现为：低组在150W下降2.25mg/min/kg，下降值最大，高组受试者只下降0.1mg/min/kg；在200W时，高组受试者下降值最大为3.5mg/min/kg，低组受试者下降1.05mg/min/kg。可见，安静代谢率高、低两组受试者脂肪消耗量最大值及下降趋势差异较大，出现最大下降值及负荷阶段也不相同，持续较高脂肪消耗供能水平不同。

2.2.2 力竭负荷阶段代谢特征

在力竭负荷阶段时，要求机体快速提供能量，根据底物（糖和脂肪）的供能特征，糖成为主要的供能物质，主要以酵解的方式提供能量。因此，糖消耗量急剧上升。从表3可知，力竭负荷时高、低两组糖和脂肪消耗的均值分别为53.5mg/min/kg、0.94mg/min/kg和46.2mg/min/kg、0.1mg/min/kg，总能量输出均值分别为222.5cal/min/kg和185.5cal/min/kg。安静代谢率高组的糖和脂肪消耗供能均要高于低组，通过t检验发现，男子高、低两组在糖和脂肪的消耗量以及供能百分比、总能量输出上具有显著性差异（P＜0.05，P＜0.01，P＜0.001）。

2.3 糖和脂肪氧化量最大值及运动时间的特征

从表4可知，在力竭运动中，高、低两组的糖和脂肪消耗量最大值以及糖和脂肪参与供能时间有一定不同。高组的脂肪和糖消耗量最大值分别为10mg/min/kg、57.1mg/min/kg，低组分别为8.7mg/min/kg、52.5mg/min/kg。在运动总时间上高、低组均值分别为823s和802s；高组受试者脂肪和糖消耗供能时间占总时间的比例分别为85％和83％，低组分别为75.9％和88％，脂肪和糖消耗量上要高于低组，运动总时间、脂肪参与功能时间上要略长于低组。经t检验发现，脂肪参与供能时间的比例存在显著性差异（P＜0.05）。

图1 不同安静代谢率男子在力竭运动中CHO消耗量变化趋势示意图

图2 不同安静代谢率男子在力竭运动中FAT消耗量变化趋势示意图

图3 不同安静代谢率男子在力竭运动中CHO供能比例变化示意图

图4 不同安静代谢率男子在力竭运动中FAT供能比例变化示意图

3 讨论与分析

无论安静代谢率高或低的受试者，随着运动强度的逐渐增加，机体总能量消耗逐渐增加，供能物质参与供能的比例也发生变化，糖参与供能比例逐渐增加，脂肪参与供能比例逐渐减少。这些变化与机体输出功率增加有关。随着输出功率增加，要求机体总能量消耗增加。同时，随着输出功率的增加，要求机体供能速度也要增加，而糖作为快速供能的代谢底物的动员和使用就不断增加，以满足机体能量消耗的需求。

图5 不同安静代谢率男子在力竭运动中总能量输出变化趋势示意图

结合本实验的结果，在整个力竭运动过程中，安静代谢率高组受试者脂肪消耗量、脂肪供能以及供能的比例、脂肪参与供能的时间占整个运动时间的比例明显高于低组，而糖消耗明显低于低组。说明安静代谢率高的个体在运动中动用脂肪供能的能力更强，能够节约糖的消耗，以维持更长时间的运动。其原因可能与机体的肌肉含量，肌纤维的数量、类型，以及运动负荷等有很大关系。Melinda等（2000）［7］人研究指出，身体素质水平，运动负荷强度与持续时间，贮备碳水化合物的利用程度，从脂肪组织中动员和转运脂肪酸到肌肉的能力，肌肉中可利用脂肪的储备量等，均可以影响脂肪的氧化利用。安静代谢率高组受试者O2/HR值明显高于低组（P＜0.001）。张伯强等（2006）研究指出［2］，O2/HR效率越高，耗氧经济性越高，机械效率亦越高，有氧代谢的供能比例较大。因此，安静代谢率高者的有氧氧化能力较强，动用脂肪供能的比例较大。

相关研究结果表明［3，4］，机体运动能量代谢的特点与耐力水平也有密切关系。耐力水平较高运动员的线粒体数目多、体积大、氧化酶活性高、肌肉动员脂肪的能力较强，在中等强度有氧运动过程中脂肪供能比例较高，能够诱导最大脂肪消耗及供能的运动强度较高。糖的消耗量及供能动员相对较少，从而节约糖储备。同时，运动强度对总能量消耗和供能底物选择和利用具有重要作用。也有相关资料显示［3］，在一定负荷的时候，脂肪的氧化程度是可以抑制糖消耗量的多少，这样可能会影响糖的利用和消耗。因此，同级中等负荷时，两组受试者机体能量代谢差异可能与机体的氧化酶活性、线粒体数量、脂肪的动用能力等因素有关。这也使安静代谢率低组的3名受试者在250W以前就达到了力竭状态。在250W到力竭（300W），由于此负荷阶段的强度较大或近力竭负荷，此时，脂肪氧化供能及糖有氧氧化供能不能满足机体能量需求，需要有更快速的能量供应。因此，机体的能量需求以糖的无氧酵解为主要的供能形式，糖的消耗量明显增加，使糖消耗供能没有显著性差异。

另外，研究结果显示，安静代谢率高、低两组受试者均在100W（33％～50％力竭负荷）阶段（整体均值）出现脂肪氧化最大值分别为7.6mg/min/kg、6.4mg/min/kg。相关研究结果表明［5］，男子在90～140W（55％O2max）负荷间脂肪氧化量达到最大，这与本研究结果基本一致。但是，随着运动负荷递增的脂肪供能的下降水平及下降时机有很大不同，进一步说明安静代谢率高组的动用且持续较高水平氧化脂肪的能力较强，可能因为两组受试者有氧运动能力存在一定的差异。

从能量输出的角度，在力竭运动中，无论是整个过程均值能量输出，还是在同级负荷阶段，安静代谢率高组受试者在总能量输出上要低于低组受试者，在达到个人耗氧量最大值时也依然如此，说明了安静代谢率高的受试者在递增负荷力竭运动中动用能源物质可能更加经济、有效。

4 小结

在递增负荷至力竭运动中，随着运动负荷增加，总能量输出始终在不断增加，且糖消耗量在不断增加，脂肪消耗量在逐渐减少。在运动负荷100W（33％～50％力竭负荷）阶段出现脂肪消耗最大值，而糖消耗最大值出现在力竭负荷阶段。这样的能量代谢特征及变化是与运动负荷的递增、身体对能量输出需求相一致的。

但安静代谢率不同的受试者，能量消耗和底物代谢特征存在一定差异，具体表现为：

1.在中小强度负荷阶段（250W以下），安静代谢率高组的受试者动用脂肪供能百分比更高，糖消耗量相对较少，总能量输出相对要低，有氧运动能力相对较强；而安静代谢率低组利用糖较多，对糖供能的依赖性较大。

2.在力竭运动中，完成相同负荷时高组总能量输出要低于低组。随着运动负荷递增的脂肪供能的下降水平及下降时机有明显差异。提示，安静代谢率高组氧化脂肪能力更强，能量利用更为经济、有效。

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