咖啡因对耐力运动员运动表现的影响：效果及机制

秦启阳，陈 斌，郭 黎，曹银行*

咖啡因（1,3,7- 三甲基黄嘌呤）是一种中枢神经系统兴奋性物质， 通过阻断中枢和外周腺苷受体发挥作用[1]。 截至目前，将咖啡因应用于体育领域以探讨其功能增进效果的研究已有一个多世纪的历史[2]。大量研究证实，咖啡因可增加运动单位的募集程度[3]；加速运动初始阶段脂肪的代谢率，有效节省糖原[4]；促进肌浆网中Ca2+的释放与回收， 保持肌细胞的兴奋性[5]；这些机制可能与咖啡因提高运动表现有关。但是， 目前虽然有大量研究显示摄入咖啡因提高了耐力运动员的运动表现[6-8]，但也有部分研究报道摄入咖啡因对其没有影响[9-10]，结果不一致的原因可能与咖啡因的摄入剂量、 运动员等级水平和运动方案的不同有关。 评价耐力性运动表现的常用测试方案有计时赛 （Time Trial, TT）、 恒定负荷运动至力竭（Time to Exhaustion, TTE） 和递增负荷运动至力竭（Graded Incremental Exercise Test Performed to Ex-haustion, GIT）。 目前还未有针对耐力运动员探讨咖啡因对其运动表现影响效果的相关综述。因此，本文对试验性研究进行系统综述， 总结摄入咖啡因对耐力运动员的TT、TTE 和GIT 运动表现的影响规律，探讨可能的作用机制， 旨在为使用咖啡因提高运动表现的耐力运动员和教练员提供参考建议， 同时也为今后的相关研究提供理论借鉴。

1 研究方法

1.1 文献来源与检索

在PubMed、Google Scholar、Web of Science、EBSCO、 中国知网和万方数据检索有关优秀耐力项目运动员摄入咖啡因的相关文献。 检索时间范围为数据库建立至2023 年7 月。 英文检索词包含：Caffeine、1,3,7-Trimethylxanthine、caffeinatedgum、coffee、capsule、sports nutrition、ergogenic aids、runner、swimmer、triathlete、cyclist、rower、canoeists、exercise performance、sports performance、athletic performance、time trial、endurance performance、time to exhaustion、graded incremental exercise test 等。 中文检索词包含：咖啡因、1,3,7- 三甲基黄嘌呤、咖啡、口香糖、胶囊、营养补剂、耐力运动员、自行车、中长跑、马拉松、游泳、赛艇、铁人三项、运动表现、计时赛、恒定负荷力竭时间、递增负荷、最大输出功率等。

1.2 文献筛选

纳入标准：①研究对象为18 岁以上的耐力运动员； ②干预方式为服用无水咖啡因胶囊或咖啡或咀嚼含咖啡因的口香糖； ③实验条件为常温常氧的正常环境。

排除标准： ①研究对象为有疾病或残疾的运动员；②咖啡因与其他物质混合摄入（如碳水化合物，功能饮料等）；③学位论文、实验数据不全或者未发表的文献。

检索文献1 382 篇，追踪参考文献获得相关文献40 篇。利用EndnoteX9 文献管理软件进行查重，剔除重复文献700 篇； 通过阅读标题和摘要的方式剔除640 篇；阅读全文剔除43 篇，最终纳入39 篇文献。

1.3 数据提取

对最终纳入的文献逐一进行数据提取，包含：作者、发表时间、研究对象和样本量、咖啡因摄取量、咖啡因摄入形式、运动方案、运动表现、主要结果，利用Excel 制作数据表。

2 咖啡因对耐力性运动表现的影响效果及相关机制

2.1 计时赛

表1 总结归纳了以自行车（19 篇）、中长跑（4 篇）、赛艇（4 篇）、铁人三项（1 篇）和越野滑雪（1 篇）运动员为研究对象，探讨摄入低到高剂量（1～9 mg/kg）咖啡因对TT 运动表现影响效果的29 篇相关文献。 TT 运动表现的评价指标为最快完成设定距离或总功率的时间或在设定时间内完成最长运动距离或最大平均输出功率（Mean Power Output,MPO）。 从总结归纳的文献可知摄入2～9 mg/kg 咖啡因可以提高TT 的运动表现。

表1 咖啡因对计时赛运动表现的影响（n=29）Table1 Effect of caffeine intake on time trial performance (n=29)

前期较多研究认为摄入咖啡因可提高骑行TT的运动表现。Santos Rde 等[6]发现，摄入5 mg/kg 咖啡因可以显著缩短TT4km（4 km TT 的时间，2.3%）和MPO4km（4 km TT 的平均输出功率，5.9%），并认为咖啡因可能是通过增加糖酵解参与供能比例而增加中后程的无氧输出功率，进而提高运动表现。Santos 等[7]研究证实摄入5 mg/kg 咖啡因通过相同的机制显著缩短了TT4km（1.5%）。另外，Jenkins 等[13]探讨了摄入3 种不同剂量咖啡因（1 mg/kg、2 mg/kg、3 mg/kg）对自行车运动员以80%VO2peak强度骑行15 min 后休息4 min，接着进行15 min 的TT；结果表明，摄入2 mg/kg 和3 mg/kg 咖啡因皆可提高MPO15min（15 min TT 的平均输出功率，3.9%和2.9%），而1 mg/kg 咖啡因对MPO15min无显著影响。 提示，提高TT 运动表现的咖啡因有效剂量可能≥2 mg/kg。 但Bortolotti 等[10]研究发现摄入6 mg/kg 咖啡因对TT20km（20 km TT 的时间）无影响。推测造成差异的原因可能有两点： ①该研究没有筛选受试者是否为咖啡因长期使用者， 长期摄入咖啡因会削减咖啡因的功能增进效果[36]，因此对试验结果可能造成影响； ②该研究的受试者并非高水平运动员。 有研究报道咖啡因对延缓高水平运动员的疲劳效果更明显，因其体内腺苷受体（咖啡因作用的靶点）数量更多[37]。 另外，Paton 等[22]让自行车运动员在进行30 km 的TT 中咀嚼含3～4 mg/kg 咖啡因口香糖（每10 km 的最后0.2 km 冲刺， 第1 次冲刺后咀嚼口香糖）， 发现MPO0～10km（0～10 km 的平均输出功率）与MPO10～20km（10～20 km 的平均输出功率）和最后0.2 km冲刺输出功率无显著差异， 但MPO20～30km（20～30 km的平均输出功率，3.8%） 和最后0.2 km 冲刺输出功率（4.0%）都显著提高，据此Paton 推测咀嚼含咖啡因口香糖可能在18 min 左右产生功能增进效果。 综上所述，摄入咖啡因可以提高骑行TT 的运动表现，但存在剂量效应，建议摄入咖啡因的剂量为2～6 mg/kg。另外，咀嚼含咖啡因的口香糖对提升骑行TT 的运动表现亦有潜在效果。

多数研究认为摄入咖啡因可提高长跑运动员跑步TT 的运动表现。 O'Rourke 等[28]研究显示，摄入5 mg/kg 咖啡因显著缩短TT5km（5 km TT 的时间，1%）， 推测运动表现的提高是咖啡因对中枢神经系统（Central Nervous System, CNS）和骨骼肌收缩能力的综合影响所致。 Bridge 等[27]摄入3 mg/kg 和Clarke等[29]摄入9 mg/kg 的研究也报道了类似结果。 咖啡因可阻断游离腺苷，与脑内腺苷受体结合，增加神经元细胞放电频率， 并通过皮质脊髓束和脊髓传递到肌肉，进而增加肌纤维募集程度，提高肌肉的收缩能力[38]。 另外，咖啡因可直接作用于肌肉，如减少肌细胞内的K+流失程度， 并增强细胞膜对K+的再吸收能力[39-40]；咖啡因还可作用于肌浆网中的兰尼碱受体，促进Ca2+的释放与回收[5,41-42]，使肌细胞保持持续兴奋， 进而维持肌肉收缩能力。 但仅有1 项研究发现，摄入6 mg/kg 咖啡因对TT800m（800 m TT 的时间）无明显影响[30]。 这可能与该研究专门选取有长期摄入咖啡因习惯的受试者有关。综上，摄入3～9 mg/kg 咖啡因可提高无摄入咖啡因习惯的长跑运动员跑步TT 的运动表现。

多数研究认为摄入咖啡因也可提高赛艇TT 运动表现。 Christensen 等[34]研究发现，摄入3 mg/kg 咖啡因后MPO6min（6 min TT 的平均输出功率，1.78%）显著提高。 Carr 等[33]研究显示摄入6 mg/kg 咖啡因显著缩短了TT2km（2 km TT 的时间，0.46%），并提高了MPO2km（2 km TT 的平均输出功率，2.9%）。 该作者同样认为咖啡因通过影响CNS，间接降低主观疲劳感觉（Rating of Perceived Exertion, RPE）从而提高运动表现。 但Skinner 等[32]研究发现，摄入2 mg/kg、4 mg/kg 和6 mg/kg 咖啡因对TT2km皆无显著影响。 从该试验结果可知，摄入6mg/kg 咖啡因的峰值血浆咖啡因浓度（28μmol/L）低于同等剂量参考值（30～35μmol/L）。推测与运动员用餐后立即摄入咖啡因， 从而阻碍了咖啡因的吸收有关。综上，摄入中高剂量咖啡因可显著提高赛艇TT 的运动表现，但需注意的是，用餐后立即摄入咖啡因可能会削弱其效果。

另外3 项研究认为摄入咖啡因也可提高铁人三项、游泳和越野滑雪TT 的运动表现。如Potgieter 等[35]研究显示， 摄入6 mg/kg 咖啡因可以显著缩短奥运会铁人三项的时间（1.6%）。 同样，Stadheim 等[3]研究显示，摄入6 mg/kg 咖啡因显著缩短越野滑雪TT8km（8 km TT 时间，3.6%），该作者认为运动表现的提高主要是由于咖啡因增加了肌肉中运动单位的募集程度，从而提高了肌肉收缩能力。

综上所述，以自行车和中长跑为代表的耐力性项目运动员可通过摄入中高剂量（5～9 mg/kg）咖啡因来提高更贴近竞赛实战的TT 运动表现， 但需避免进食后立即摄入咖啡因。 另外，咀嚼含咖啡因的口香糖在提高TT 运动表现方面亦存在潜在效果，有无摄入咖啡因习惯可能是影响咖啡因功能增进效果的因素之一，但今后仍需更多研究来验证上述假设。

2.2 恒定负荷力竭运动

表2 总结归纳了以中长跑（4 篇）和自行车（3 篇）运动员为研究对象，探讨摄入低到高剂量（3～15 mg/kg）咖啡因对TTE 影响效果的7 篇相关文献。 从总结归纳的文献可知TTE 的改善效果受咖啡因剂量和运动方案因素的影响。

表2 咖啡因对恒定负荷力竭运动表现的影响（n=7）Table2 Effect of caffeine intake on time to exhaustion (n=7)

前期研究认为摄入中等剂量咖啡因显著延长TTE。 Costill 等[47]首次以运动员为研究对象，让自行车运动员摄入330 mg （5 mg/kg） 咖啡因后进行以80%VO2max恒定负荷骑行至力竭测试，结果显示摄入咖啡因没有增加血浆游离脂肪酸 （Free Fatty Acids,FFA） 浓度， 但增加了血浆甘油三酯（Triglyceride,TG）浓度和脂肪代谢率，显著延长了TTE（19.5%）。类似结果也在跑步运动员的研究中得到了证实，Sasaki 等[44]让长跑运动员摄入384 mg（5.7 mg/kg）咖啡因后进行以80%VO2max恒定负荷跑至力竭测试，结果显示摄入咖啡因显著增加FFA 和脂肪代谢率，进而显著延长了TTE（34.4%）。上述两项力竭运动表现改善的原因可能与咖啡因可刺激肾上腺素和去甲肾上腺素的分泌增加[50]，及作为腺苷受体拮抗剂可直接作用于脂肪细胞脂酶的效果[51-52]。这些都可增强脂肪酶的活性、加快运动中脂肪的动员速率，进而减少运动早期肌糖原的过度消耗， 使节省的糖原作用于运动后半程，从而延缓运动疲劳的产生[4]，有利于提高TTE 运动表现[46,53]。

但是，摄入高剂量（＞6 mg/kg）咖啡因还未得到一致结果。Graham 等[45]让中长跑运动员摄入9 mg/kg咖啡因后进行85%VO2max强度下分别骑行和跑步至力竭，结果显示咖啡因摄入显著延长了TTE（骑行增加51.3%；跑步增加44.3%）。 同样，Spriet 等[48]研究显示摄入9 mg/kg 咖啡因显著延长了80%VO2max强度骑行的TTE（27%）。 但Graham 等[46]研究显示，相较于3 mg/kg 和6 mg/kg 咖啡因，9 mg/kg 咖啡因没有延长男子长跑运动员85%VO2max恒定负荷跑的TTE。通过该研究结果推断运动表现没有改善的原因可能与9 mg/kg 咖啡因显著增加了血乳酸（Blood Lactate, BLA）浓度有关。 有研究报道，BLA大量堆积会导致肌肉疲劳的产生[54]。 另外，McNaughton等[43]探讨了摄入10 mg/kg 和15 mg/kg 两种高剂量咖啡因对男子长跑运动员以70%～75%VO2max恒定负荷跑步至力竭运动表现的影响，结果显示两种剂量咖啡因都没有增加BLA， 但只有15 mg/kg 咖啡因显著延长了TTE（4.7%）。 相较于Graham 等[46]的结果， 该研究中BLA 没有增加的原因可能是与运动负荷强度低于前者有关（70%～75%VO2maxvs. 85%VO2max）。综上，摄入高剂量咖啡因可能增加BLA，进而削弱咖啡因的功能增进效果，但今后需进一步验证该假设。

通过对以上研究的梳理可以总结出， 中低剂量咖啡因（3～6 mg/kg）可显著提高TTE 运动表现，但对于高剂量咖啡因的影响效果还存在一定的争议，在未来的研究中有待进一步探究。

2.3 递增负荷运动

相较于上述有关TT 和TTE 的研究数量，仅有3 篇研究探讨了摄入咖啡因对GIT 影响效果（表3）。从总结归纳的文献可知摄入中低剂量咖啡因（3～5 mg/kg）有改善GIT 运动表现的倾向。

表3 咖啡因对递增负荷运动表现的影响（n=3）Table3 Effect of caffeine intake on graded incremental exercise test performed to exhaustion(n=3)

Stadheim 等[8]让23 名优秀耐力运动员（越野滑雪、中长跑和铁人三项）摄入4.5 mg/kg 咖啡因后，进行递增负荷跑台运动至力竭， 结果显示摄入咖啡因显著提高了VO2max和GIT 的时间。 该GIT 运动表现得到改善的原因可能与摄入咖啡因增加了心率（Heart Rate, HR）和BLA，进而同时促进了有氧和无氧代谢参与能量供应有关。 另外，研究显示，优秀耐力运动员在进行高强度运动时会出现运动诱发低氧血症现象 （Exercise Induced Arterial Hypoxemia,EIAH），进而限制运动表现[55]。 该研究结果显示摄入咖啡因还增加了最大通气量， 进而可增加动脉血氧饱和度，并有效缓解EIAH 症状，这也可能是GIT 得到改善的机制之一。同样，以女性铁人三项运动员为实验对象的研究显示，摄入3 mg/kg 咖啡因显著增加了递增负荷骑行至力竭的VO2max和最大输出功率[56]。该GIT 表现得到改善的原因可能与摄入咖啡因降低了RPE，进而在和对照组相同RPE 条件下可完成更高负荷强度运动有关。 但是，Powers 等[57]研究显示，摄入5 mg/kg 咖啡因没有改善自行车运动员GIT 运动表现。 与上述2 篇文献结果不一致的原因可能跟递增负荷运动方案不同引起的运动持续时间出现差异有关（每3 min 增加30 W、每1 min 增加25 W、每30 s 增加0.5 km/h）。 有研究报道GIT 测试VO2max的最佳运动时间在8～10 min[58]，而Powers 等[57]的运动时间则是21.9 min， 远超GIT 的最佳测试时间。 因此， 伴随较长时间的GIT 引起的其他生理机能反应可能抵消了咖啡因的功能增进效果， 但需今后的研究进一步验证该假设。

3 咖啡因的安慰剂效应与副作用

近年来，除上述生理机制外，咖啡因对心理方面的影响效果作为提高运动表现的机制之一开始受到关注。 安慰剂效应是指利用药物、手术或者其他在理论上并无治疗效果的手段进行干预，但使受试者相信其接受了有益的治疗，并最终表现出积极干预的效果[59]。 安慰剂效应首先在临床实验中证实可有效减轻患者治疗时的疼痛感[60]，进而得到广泛应用。 体育领域中，大量研究表明如碳水化合物、咖啡因和一水肌酸等营养补剂亦存在安慰剂效应[61]。Pollo 等[62]的研究表明，当受试者摄入安慰剂，但被“欺骗”其摄入的是高剂量咖啡因后，股四头肌的收缩能力显著提高11.8%。 另外，与安慰剂效应相反，亦存在反安慰剂效应， 即受试者相信其未接受有益的治疗，从而出现消极的结果[63]。 Saunders 等[24]的研究表明， 当受试者正确识别自己摄入的是安慰剂时，MPO30min（30 min 骑行TT 的平均输出功率）出现了一定程度的下降（约0.8%），提示咖啡因亦存在反安慰剂效应。 综上所述，咖啡因的安慰剂与反安慰剂效应亦是影响运动表现的机制之一， 不容忽视。 因此在未来研究中，需询问受试者认为摄入的是咖啡因还是安慰剂，来更深入探讨咖啡因的安慰剂与反安慰剂效应。

研究显示，摄入高剂量咖啡因（＞9 mg/kg）可能会提高出现诸如头痛、胃肠道不适、心悸、失眠和焦虑等副作用的风险[64]。并且，机体对咖啡因的耐受性存在较大个体差异[65]。因此，未来咖啡因应用于实践时教练员在考虑摄入剂量的同时也应时刻关注运动员的身体状态，若出现严重的生理应激，则应立即停止摄入咖啡因。

4 总结与展望

咖啡因作为一种具有功能增进效果的营养补剂，广泛应用于耐力运动员的训练及比赛中。摄入中高剂量咖啡因可降低RPE， 进而提高以自行车及中长跑为代表的耐力性项目运动员的TT；中低剂量咖啡因通过增加脂肪的动员速率， 使节省的糖原作用于运动后程，从而延长恒定负荷的力竭时间；中低剂量咖啡因通过增加HR 和BLA 及降低RPE，进而有提高VO2max和最大输出功率的倾向。综上，耐力运动员多以胶囊形式摄入低中高剂量咖啡因来提高其耐力运动表现， 但需根据不同类型的运动表现测试方案选择合适的剂量。

针对前期研究现状，提出以下展望：①市面上的营养补剂及能量饮料中常含多种物质， 今后需探讨咖啡因同其他物质混合摄入时的效果， 以便给运动员及教练员提供更多营养补剂方案； ②目前针对顶级水平运动员的研究较少， 咖啡因的功能增进效果是否同样适用于顶级水平运动员尚不明确； ③前期相关研究受试对象多为健康男性运动员，女性极少，而女性的咖啡因代谢速率低于男性， 咖啡因是否也能提高女性的运动表现及对应的咖啡因有效摄入剂量和最佳摄入时间还有待进一步探究； ④咖啡因的耐受性及代谢速率与个体基因有关， 今后可从基因层面甄别更易获得咖啡因功效的运动员特征； ⑤运动员在高温环境下竞赛成为趋势，但特殊环境（高温及低氧）下的研究较少，尤其是国内相关研究成果鲜见报道， 尚存在大量研究空白； ⑥日中不同时间段（上午、下午）摄入咖啡因及咀嚼含咖啡因口香糖或凝胶、安慰剂效应的效果还有待进一步探讨与研究。