高温环境下混合预冷对男性中长跑运动员体温调节和有氧耐力运动表现的影响

许毅枭，高炳宏，赵永才，孟志军,3

（1.上海体育学院 运动科学学院，上海 200438；2.上海体育学院 体育教育训练学院，上海 200438；3.云南省体育科学研究所，云南 昆明 650041）

夏季高温环境下，黑湿球温度（wet bulb globe temperature，WBGT）平均在29.9～31.5℃。WBGT是基于环境的温度、湿度、风速和太阳辐射计算的环境热指数（Bergeron et al.，2012；Hosokawa，2018），在世界范围内被用作评估环境热负荷的经典指标（Brocherie et al.，2015）。在WBGT＞28℃的环境下运动被认为极有可能产生热相关的疾病（Brocherie et al.，2015；Periard et al.，2014）。高温高湿环境下长时间运动会加重体温调节负担，导致的核心温度和热量储存过度增加，对运动表现产生不利影响。

冷却是指对身体施加使用不同的冷却手段以排除热量（Adams et al.，2018）。根据实施冷却措施时间可将冷却分为预冷、运动中冷却、预冷结合运动中冷却和运动后冷却。20世纪90年代初以来，运动员使用各种预冷措施来降低体温以应对高温高湿环境带来的挑战，预冷已被证实能够改善高温高湿环境下的运动表现（Watkins et al.，2018）。常见的预冷措施有冰浆、冷饮、冰背心、冷水浸泡等，不同的预冷措施组合形成混合预冷。预冷期间，在单一的冷却措施中，摄入冰浆是目前提高运动表现有效的冷却措施，摄入7.5 g/kg冰浆可以降低0.40℃～0.66℃的核心温度，改善有氧耐力运动表现。与单次、热身前和较短的休息间隔比较，在热身后、等量多次摄入7.5 g/kg冰浆，10～20 min的休息间隔能够更好地提高有氧耐力运动表现。虽然预冷摄入冰浆降低核心温度的效果显著，但冰浆温度低于0℃，摄入后可能造成胃肠道的不适（Bongers et al.，2017）。另外，有胃肠道疾病的运动员更不适合直接饮用冰浆预冷。

手部负压冷却利用负压施加在无毛皮肤的手掌可以增加手掌的血流量（Adams，2015），加速外周血液循环，增加外周和核心之间的热传递，能够有效提高传热速率。Grahn等（2009）的研究结果显示，与对照组比较，对前臂和手掌施加负压，无毛皮肤和核心之间的热传递增加了6倍。手部负压冷却被大量应用于运动后恢复。Adams等（2016—2017）的2项研究表明，与对照组比较，运动后一只手或两只手使用手部负压装置进行冷却时，核心温度的冷却速率提高0.013～0.044℃/min，且运动后持续进行手部负压的冷却效果可维持10～60 min。但对预冷期间手部负压冷却设备对有氧耐力运动表现影响的研究较少，需要更多的研究证明其改善运动表现的有效性。

当运动员由于身体原因不能直接摄入冰浆时，可使用其他冷却手段进行混合预冷，混合冷却是否比摄入冰浆更能改善运动表现，哪些冷却措施的组合能够更有效地提高运动表现尚待研究。因此，本研究旨在探究高温环境下摄入冷饮结合手部负压冷却对男性中长跑运动员体温调节和有氧耐力运动表现的影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以10名无热习服男性国家二级中长跑耐力运动员为研究对象，已排除体重低于40 kg、患有可能导致消化道阻塞（包括憩室）的肠道疾病、做过胃肠道手术、有吞咽障碍的运动员，随机分为对照组（pre-cooling，PC）5人和混合预冷组（mixed-method pre cooling，MP）5人（表1）。研究期间，10名运动员在实验前48 h均未摄入运动营养品，要求运动员将生活方式维持在稳定的水平，包括他们的体育锻炼和营养习惯，记录其食物摄入量，并鼓励在研究期间重复饮食。实验前24 h内避免剧烈运动、饮酒和摄入咖啡因。运动员均签署了知情同意书，通过了上海体育学院伦理委员会的伦理认证。

表1 运动员基本情况Table 1 Athletes' Characteristics M±SD

1.2 研究设计

运动员在5 km跑步测试（5 km time trial，5 km TT）前6～8 h服用温度胶囊测量胃肠温度（Maroni et al.，2018），以确保温度胶囊不在胃部，避免温度胶囊受到摄入食物或饮料的影响。测试开始前2 h确保运动员摄入500～600 ml的饮用水，以控制运动员的水合状态。运动员在5 km TT前抵达实验室进行标准10 min热身和预冷干预，实验室环境条件为25℃，30%相对湿度（relative humidity，RH）。热身前，运动员佩戴Polar心率表带（Team Pro，Polar，Finland）、皮肤温度纽扣（DS1922L，Maxim Integrated，USA），随后采用标准的10 min热身（4 min慢跑，1 min走，4 min快跑，1 min走）（Stevens et al.，2017），慢跑速度为6 km/h，快跑速度为10 km/h，走路速度为4 km/h。热身结束后10 min开始预冷干预，PC和MP2组分别在2个房间持续干预20 min。预冷干预结束后使用电子体重秤称量体重，10 min后在室外标准田径场进行5 km TT，室外环境条件为30℃～31℃，57%RH，风速为4～5 km/h，记录每圈和5 km TT总完成时间，5 km TT结束后用毛巾擦干身体，称量体重（图1）。

图1 实验方案示意图Figure 1.Schematic Representation of the Experimental Protocol

1.3 混合预冷方案

PC和MP组分别在实验室（25℃，30%RH）的2个房间进行干预。运动饮料统一采用Gatorade橙味饮料（Orange Flavor，Gatorade，China）。PC 组：每 5 min摄入1.5 g/kg，共20 min，7.5 g/kg的25℃运动饮料。MP组：每5 min摄取1.5 g/kg，共20 min，7.5 g/kg的5 ℃运动饮料，并在预冷期间持续使用Core ControlTM共同冷却降温。使用Core ControlTM冷却手套冷却时，运动员将优势手掌心向下放在手套内，掌心紧贴接触垫，按照操作说明设定16℃水循环，-40 mmHg负压。为了促进静脉回流，手套被抬高至与心脏水平。

1.4 指标测试

1.4.1 体温调节

核心温度的测量采用可服用、无创的温度胶囊（e-CELSIUS®，BMedical Pty LTb，Australia），运动员在预冷干预6～8 h前服用，以确保药丸不在胃中从而避免了液体、食物消耗对核心温度测量的影响。温度胶囊用于测量人体胃肠温度（gastrointestinal temperature，Tgi），其初始处于睡眠模式，需要用激活器激活，设置温度胶囊的采样频率为 30 s，与外部传感器（e-CELSIUS®，BMedical Pty LTb，Australia）连接后，接收核心温度数据，连续监测胃肠温度。

皮肤温度采用温度记录纽扣（DS1922L，Maxim Integrated，USA）进行测量，将温度记录纽扣贴在胸骨切口、前臂、大腿和小腿，以记录胸部（chest temperature，Tchest）/前 臂（arm temperature，Tarm）/大 腿（thigh temperature，Tthigh）和小腿（calf temperature，Tcalf）的皮肤温度，用公式计算全身平均皮肤温度（mean skin temperature，mean Tsk），mean Tsk=0.3（Tchest＋Tarm）＋0.2（Tthigh＋Tcalf）（Ramanathan，1964）。

以5 min为增量计算热量储存（heat storage，HS）：HS=0.965×BM/kg×△Tb/AD（Adams et al.，1992），其中0.965是人体的比热容（/W·kg-1·℃），BM/kg是试验期间的平均体重（Kashimura，1986），Tb（body temperature，Tb）是体温，△Tb/℃是试验期间体温的变化，AD/m2是身体表面积。安静状态下，Tb=0.79Tre＋0.21Tsk（Gerrett et al.，2017）。Tre（rectal temperature，Tre）是直肠温度，用于代表核心温度。运动过程中，Tb=0.87Tre＋0.13Tsk（Nielsen et al.，1984）。AD=0.202×BM0.425/kg×身高0.725/m。

1.4.2 心率和出汗率

运动员在实验开始前佩戴Polar Team pro心率表连续监控心率。使用电子体重秤（AH100，Huawei，China）在5 km TT前和测试结束擦干身体后称量运动员体重（精确度为0.1 kg），0.01 kg的体重损失被认为等于10 mL的汗液损失。出汗率（sweat rate，SW）（/L·h-1）=（试验前体重-试验后体重＋液体摄入-排出尿液）/时间（Naito et al.，2018）。

1.4.3 生理应激指数

生理应激指数（physiological strain index，PSI），PSI=［5×（Tcore1-Tcore0）×（39.5-Tcore0）-1］＋［5×（HR1-HR0）×（180-HR0）-1］（Moran et al.，1998），其中 Tcore0和 HR0表示基线值，Tcore1和HR1表示在对应时间点测得的值（James et al.，2015）。核心温度和心率的基线值在试验前安静状态下测得。

1.5 统计分析

采用SPSS 25.0统计软件进行数据统计处理分析，数据以平均数±标准差（M±SD）表示。采用独立样本T检验分析5 km跑步测试成绩和出汗率，通过双因素重复测量方差分析不同时间点测得的核心温度、皮肤温度等数据，用Bonferroni进行两两比较，P＜0.05为具有显著性差异。

2 结果

2.1 体温调节

2.1.1 胃肠温度

图2（a）表示试验期间运动员Tgi变化。预冷期间，预冷和时间的交互作用对Tgi具有显著性差异（F=35.036，P＜0.001，ES=2.96，表2）。15 min、20 min时 MP与PC的Tgi具有显著性差异（P=0.041，P=0.003）。0 min、5 min、10 min时MP与PC的Tgi无显著性差异（P＞0.05）。PC中，时间对Tgi的单独效应具有显著性差异（P=0.046），与0 min比较，5 min、10 min、15 min、20 min的 Tgi均无显著性差异（P＞0.05）。MP中，时间对Tgi的单独效应具有显著性差异（P＜0.001），与0 min时比较，10 min、15 min、20 min时的 Tgi具有显著性差异（P=0.042，P=0.026，P=0.001）。5 km TT期间，预冷和时间的交互作用对Tgi无显著性差异（P=0.232，表3），预冷的主效应具有显著性差异（P=0.028，ES=1.68）。时间的主效应具有显著性差异（P＜0.001），与20 min比较，35 min、40 min、45 min时具有显著性差异（P=0.008，P=0.003，P＜0.001）。

图2 试验期间运动员Tgi、Tsk、Tb、HS变化Figure 2.The Changes of Gastrointestinal Temperature，Mean Skin Temperature，Body Temperature and Heat Storage During Trials

2.1.2 平均皮肤温度

图2（b）表示试验期间运动员Tsk的变化。预冷期间，预冷和时间的交互作用对Tsk无显著性差异（F=0.116，P=0.975，ES=0.17）。预冷对Tsk的主效应无显著性差异（P=0.058）。时间对Tsk的主效应无显著性差异（P=0.871）。5 km TT期间，预冷干预和时间的交互作用对Tgi无显著性差异（P=0.322）。预冷对Tsk的主效应无显著性差异（P=0.113）。时间对Tsk的主效应具有显著性差异（P＜0.001），与20 min比较，30～45 min每5 min测得的Tsk均具有显著性差异（P＜0.05）。

2.1.3 体温

图2（c）表示试验期间运动员Tb的变化。预冷期间，预冷和时间的交互作用对Tb具有显著性差异（F=23.315，P＜0.001，ES=2.41）。0～20 min每5 min测得的Tb无显著性差异（P=0.188，P=0.25，P=0.94，P=0.607，P=0.059）。PC中，时间对预冷期间Tb的单独效应具有显著性差异（P=0.023），与0 min时比较，5～20 min每5 min测得的Tb均无显著性差异（P＞0.05）。MP中，时间对预冷期间Tb的单独效应具有显著性差异（P＜0.001），与0 min时比较，20 min时的Tb显著下降（P=0.002）。5 km TT期间，预冷和时间的交互作用对Tb无显著性差异（P=0.081）。预冷对Tb的主效应无显著性差异（P=0.056）。时间对Tb的主效应具有显著性差异（P＜0.001），与20 min比较，30～45 min每5 min测得的Tb均具有显著性差异（P＜0.05）。

表2 预冷期间Tgi、Tsk、Tb、HS、PSI和HR结果Table 2 The Results of Tgi，Tsk，Tb，HS，PSI and HR During Pre-cooling M±SD

2.1.4 热量储存

图2（d）表示试验期间运动员HS变化。预冷期间，预冷和时间的交互作用对HS无显著性差异（F=1.633，P=0.263，ES=0.63）。预冷对HS的主效应具有显著性差异（P=0.003，ES=3.18）。时间对HS的主效应有具有显著性差异（P=0.03），与5 min时比较，10 min时的HS具有显著性差异（P=0.011）。5 km TT期间，预冷和时间的交互作用对HS无显著性差异（P=0.08）。预冷对Tb的主效应无显著性差异（P=0.237）。时间对Tb的主效应具有显著性差异（P＜0.001），与20 min比较，30～45 min测得的HS均具有显著差异（P＜0.05）。

2.2 生理应激指数和HR

图3（a）表示试验期间运动员PSI变化。预冷期间，预冷和时间的交互作用对PSI具有显著性差异（F=11.789，P=0.001，ES=1.6），10 min、15 min、20 min时 MP 与 PC 的PSI具有显著性差异（P=0.007，P=0.02，P=0.001）。PC中，时间对PSI的单独效应具有显著性差异（P＜0.001），与5 min比较，15 min和20 min时的PSI具有显著性差异（P=0.048，P=0.017）。MP中，时间对PSI的单独效应具有显著性差异（P＜0.001），与5 min比较，10～20 min每5 min测得的PSI均具有显著性差异（P=0.006，P=0.023，P=0.001）。5 km TT期间，预冷和时间的交互作用对PSI无显著性差异（P=0.117）。预冷对PSI的主效应具有显著性差异（P=0.013，ES=2.11）。时间对PSI的主效应具有显著性差异（P＜0.001），与20 min比较，30～45 min测得的PSI均具有显著性差异（P＜0.001）

表3 预冷干预后和5 km TT期间Tgi、Tsk、Tb、HS、PSI和HR结果Table 3 The Results of Tgi，Tsk，Tb，HS，PSI and HR after Pre-cooling and during 5 km TT M±SD

图3（b）表示试验期间运动员HR变化。预冷期间，预冷和时间的交互作用对HR无显著性差异（F=3.944，P=0.071，ES=0.99）。预冷干预对HR的主效应无显著性差异（F=0.642，P=0.468）。时间对HR的主效应具有显著性差异（F=48.218，P＜0.001），与0 min时的HR比较，10 min、15 min、20 min时的HR具有显著性差异（P=0.003，P=0.005，P=0.001）。5 km TT期间，预冷和时间的交互作用对HR无显著性差异（P=0.876）。预冷对HR的主效应无显著性差异（P=0.255）。时间对HR的主效应具有显著性差异（P＜0.001），与20 min比较，30～45 min测得的HR均具有显著性差异（P＜0.001）。

2.3 出汗率和5 km TT

根据出汗率和5 km TT完成时间的数据（表4）可知，MP与PC的SW无显著性差异［P=0.63，图4（a）］，2组运动员出汗率方面类似。MP与PC的5 km TT完成时间具有显著性差异［P=0.035，图4（b）］，表明预冷干预能有效提高5 km运动表现。

3 讨论

3.1 混合预冷对有氧耐力运动表现的影响

研究主要目的是评估摄入冷饮结合手部负压冷却的混合预冷策略对有氧耐力运动表现的影响。研究结果表明，与PC组比较，MP的5 km TT完成时间显著下降，降幅为4.2%。有氧耐力运动表现改善的情况与Burdon等（2010）的研究结果相似。Stevens等（2016）研究了摄入冰浆对5 km测试的影响，结果发现在33℃，46%RH的实验室环境条件下，预冷期间摄入7.5 g/kg的冰浆显著提高5 km测试成绩。同样，本次研究发现摄入冷饮结合手部负压冷却能有效提高5 km跑步的有氧耐力运动表现，证明在预冷摄入冷饮结合手部负压冷却能够有效提高有氧耐力运动表现，验证了预期结果。在更长时间的有氧耐力运动中，摄入冰浆能有效改善长时间有氧耐力运动表现。Yeo等（2012）的研究表明，WBGT为28.2℃的环境下，分6次等量摄入8 g/kg的冰浆显著提升了10 km跑步测试完成时间。Siegel等（2012）的研究表明，在34℃，52%RH的环境条件下，预冷期间摄入7.5 g/kg的冰浆，第一通气阈值跑至力竭的测试成绩提高了12.8%。同样，Takeshima等（2017）的研究表明，在30℃，80%RH的环境条件下，热身后摄入7.5 g/kg的冰浆，以55%的最大输出功率骑自行车至力竭的运动测试成绩提高15.8%，而摄入冷饮结合手部负压冷却对长时间有氧耐力运动表现的影响需要研究进一步验证。

表4 出汗率和5 km TTTable 4 The Sweat Rate and 5 km TT M±SD

图3 运动员试验期间PSI、HR变化Figure 3.The Changes of Physiological Strain Index and Heart Rate During Trials

图4 运动员的SW和5 km TTFigure 4.The Sweat Rate and 5 km TT

3.2 混合预冷对体温调节的影响

本研究结果表明，与PC比较，摄入冷饮结合手部负压冷却使预冷期间的Tgi显著下降了0.38℃，降幅为1%。本研究未纳入冷饮组和CoreControlTM组，难以直接从研究结果讨论冷饮还是手部负压冷却的主要作用。Naito等（2016）的研究发现，摄入4℃的冷饮降低0.1℃的核心温度，一次性摄入7.5 g/kg的冰浆降低0.4℃核心温度，等量5次摄入7.5 g/kg的冰浆降低0.56℃的核心温度。Naito等（2017）的另一项研究表明，运动前等量6次摄入7.5 g/kg，4℃的冷饮降低0.22℃的核心温度。Siegel等（2010）研究发现，摄入冰浆降低0.66℃核心温度，冷饮降低0.25℃核心温度。冰浆的比热容远大于冷饮，等量冰浆的吸热能力更强，更能降低核心温度（Snipe et al.，2018；Zimmermann et al.，2017）。预冷摄入7.5 g/kg的冰浆降低0.4℃～0.66℃的核心温度，摄入等量冷饮能够降低0.1℃～0.25℃的核心温度。本研究摄入冷饮结合手部负压冷却降低Tgi的效果介于冷饮和冰浆之间，暗示手部负压冷却在预冷期间能够降低一定程度的核心温度。

手部负压冷却利用了手掌无毛皮肤包含的传热单元，这些传热单元由致密的皮下血管网络构成，称为动静脉吻合支（arteriovenous anastomoses，AVAs）。AVAs是一种独特的浅表血管结构，连接小动脉和静脉，绕过毛细血管床，将血液分流至静脉（Johnson et al.，2011）。研究表明，AVAs血管舒缩活性与核心温度有关，热应激期间AVAs的扩张会增加流向无毛皮肤区域的血流，其幅度大于非无毛区域，从而促进人体核心与周围环境之间的热交换（Heller et al.，2012）。此外，在低于大气压的情况下可以促进AVAs的扩张，从而增加了流向手掌的血流量（Adams，2015）。理论上血流量的增加和冷循环水的应用共同促进了人体核心与周围环境之间的热交换，从而降低核心温度。Kwon等（2015）的研究表明，在42.2℃，35.5%RH的环境下，运动后使用10℃的冷水循环，-45 mmHg负压的冷却速率为0.015℃/min。研究将手浸泡在10℃～20℃的冷水中可以显著降低核心温度的升高（Goosey-Tolfrey et al.，2008；Maroni et al.，2018），血管收缩发生在冷却温度低于10℃以下，当冷却温度低于10℃时会对手掌的冷却速率产生负面影响（Khomenok et al.，2008）。Core ControlTM是便携手部负压冷却设备，该设备用16℃循环冷水以及-40 mmHg的负压对手掌无毛皮肤进行冷却，通过-40 mmHg的负压促进AVAs的扩张以增加手掌的血流量，16℃的冷水循环冷却血液，然后冷却血液通过静脉回流至中央脉管系统降低核心温度（Adams et al.，2016；Grahn et al.，2008）。Grahn等（2009）的研究表明，在41.5℃，20%～35%RH的环境下，运动后单手使用Core-ControlTM持续冷却60 min，核心温度降低1.3℃，核心温度的冷却速率为0.02℃/min。同样，Amorim等（2010）的研究表明，在42℃，30%RH的环境下，运动后单手使用Core ControlTM持续冷却41 min，直肠温度下降0.82℃，冷却速率为0.02℃/min。比较单手和双手使用Core ControlTM的冷却差异的结果显示，运动后使用Core ControlTM冷却30 min，单手和双手之间的核心温度降低无显著性差异（Adams et al.，2017）。运动后持续使用Core ControlTM的冷却效果明显，平均冷却速率为0.013～0.044℃/min，然而鲜有研究利用手部负压冷却的原理将Core ControlTM应用于预冷。Maroni等（2019）在35℃，37%RH的环境下，运动前使用CoreControlTM对优势手持续冷却20 min，结果表明，核心温度与对照组比较无显著性差异，与本研究的发现不同。Maroni等（2019）单独使用CoreControlTM进行预冷，预冷期间进行了热身活动，Core ControlTM是否放置与心脏水平并未在研究中提及。

此外，研究发现在5 km测试期间，摄入冷饮结合手部负压冷却能够延缓核心温度和生理应激程度的增加，验证了 Watkins等（2018）、Lee等（2018）和Mejuto等（2018）的研究。有氧耐力项目比赛中，生理应激程度不断增加，通过降低运动前的核心温度，可增加身体蓄热能力（Bongers et al.，2015；Wegmann et al.，2012），运动员能够在达到临界核心温度前完成更多工作，延缓疲劳，提高有氧耐力运动表现（Ross et al.，2013）。

3.3 研究的局限

本研究也存在一定的局限性。首先，5人一组的研究样本量偏少。但Endo等（2003）以5人一组研究了面部冷却对运动表现的影响，Castle等（2013）同样也以5人一组开展类似的研究。本研究具有显著性差异的数据具备一定的效应量，5人一组的研究对象能够一定程度上支撑该研究。其次，研究对象的匮乏未纳入冷饮组和Core ControlTM组，未能直接比较摄入冷饮结合手部负压冷却、摄入冷饮和使用Core ControlTM对有氧耐力运动表现的影响，难以从本研究中直接判断摄入冷饮结合手部负压冷却效果是否达到甚至超过冰浆的冷却效果，从而可以代替冰浆预冷。

4 结论与建议

高温环境下，预冷摄入冷饮结合手部负压冷却降低运动前的核心温度和生理应激程度，能够在5 km测试期间延缓核心温度的增加和生理应激程度，提高有氧耐力运动表现。在运动员不能直接摄入冰浆的情况下，可以尝试使用摄入冷饮结合手部负压冷却的方法进行预冷。未来，研究可以进一步扩大研究规模，将2种冷却方法的单独与复合及对照4组同时研究，以寻求代替摄入冰浆预冷的最佳模式。另外，预冷降低运动中核心温度，延缓疲劳的机制性研究还十分缺乏，开展此类研究将有助于建构更佳预冷模式。