讓我們平心而論 酮有助於運動表現嗎?

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2020 的環法是個驚奇,能在歐洲 COVID-19 疫情嚴峻下比完全程 21 站,Jumbo-Visma 車隊幾乎主導全局,沒想到最後第 20 站個人計時賽 ITT 竟讓 UAE 車隊的斯洛維尼亞 21 歲小將 Pogačar 翻盤, 同時拿下黃衫、白衫與紅點衫。原本準黃衫候選人 Roglič 在第 19 站結束後接受訪問,就明確指出 Jumbo-Visma 車隊日常補給就包含酮酯,但他不知這有何作用。因此燃起我的好奇心,想來探究酮有助於運動表現嗎?

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生酮飲食曾在之前一段時間成為熱門話題,許多運動名人,如 IRONMAN 六屆世界冠軍的 David Scott,英國單車界教父 Sir Dave Brailsfold 都親身施行。身體內生理性的酮體增加被認為可增加體內能量來源,經由高脂高蛋白低碳水化合物的生酮飲食至少要四天才能升高體內酮體。然而高強度的耐力運動,如職業單車賽,馬拉松賽與鐵人賽,選手需要大量的碳水化合物來充當肌肉動力的主要來源,生酮飲食的低碳水化合物會減少肌肉肝醣的含量,就不適合職業運動員。

2018 年牛津大學研究團隊與 HVMN 公司協同推出酮酯商品。牛津團隊研發酮酯主要是受美國軍方託付,希望能在戰場上開發新能源。之後運動界開始流行從體外補充酮(酮鹽或是酮酯),這樣運動員就不需施行生酮飲食。然而飲食中補充酮對長時間耐力運動肌肉能量使用,物質代謝等都需要更多資料來釐清。

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身體脂肪與酮體的代謝

在醣元充足的情況下,隔夜的斷食體內生成的酮體濃度很低。生酮飲食四天後肝臟開始大量產生酮體,主要的成分是乙醯乙酸酯 Acetoacetate(AcAc),AcAc 再代謝成 b-羥基丁酸 b-hydroxybutyrate (b-OHB,βHB),或分解成少量丙酮。丙酮從尿液中排除,而 AcAc 與 b-OHB 經由血液傳送至腦部、心臟、腎臟與肌肉組織利用。這兩種物質經由接受器進入細胞與粒線體內,之後被分解成乙醯輔酶 A(Acetyl-CoA),就進入檸檬酸循環系統來產生能量。

一般隔夜的斷食僅生成非常少量的酮體,約 0.25mmol/min(35g/24hr),血液中濃度在0.1-0.5mmol/L。五天的斷食酮體產生可多到 1-2mmol/min (140-280g/24hr) ,血中濃度可升到7-10mmol/L。超過五天的斷食,體內的酮體也只能達 10mmol/L 的頂點。生酮飲食也可加速酮體的產生,施行 2-4 天後體內濃度達 1-2 mmol/L。生酮飲食的酮體生成速度與進食食物中的碳水化合物量有關,含量越少的越容易升酮,最高可達 7-8 mmol/L。不過高脂肪、高蛋白、低碳水化合物的飲食會縮減使用碳水化合物的容量,影響選手的表現能力。

運動飢餓訓練也有助於生成酮體。如隔夜的二小時飢餓訓練,血中酮濃度可以增加到 0.5-1 mmol/L,恢復期還可上升到 1-4 mmol/L。飢餓訓練的強度與時間,運動員自身的營養狀況都會影響體內酮體的產生。倘若在訓練前補給碳水化合物,體內酮體生成會大量減少。有趣的是職業選手飢餓訓練產生的酮體量比一般人少,可能是他們習慣訓練,身體代謝脂肪能力較好。

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體外補充酮的研究

自從 1960 年就有研究檢視體外補充酮塩的影響。現在市場上販售的酮塩每次劑量提供 8-12 g 的 b-OHB 與 1 g 的塩,最近也有更好吸收的酮酯,不過價格昂貴。從口中補充酮塩或是酮酯可以在短時間內提升體內的酮濃度。實驗顯示:口服每公斤體重 400 mg 的酮酯可讓體內酮體濃度在一小時後達到3mmol/L。假使將劑量提升至 600 mg,受測者 10 分鐘就可以量到同樣的濃度,45 分鐘後可高達6mmol/L。口服酮酯或是酮塩的吸收端受同時服用的食物影響,如選手在賽中同時吃碳水化合物補給包與酮酯液體,兩者可能相互影響小腸吸收的能力。另外,不少人服用酮酯後腸胃不適。

影響身體利用酮體的因素

骨骼肌擷取酮體的能力遠小於心臟、腎臟與大腦,而且血中濃度達 0.8-1.7mmol/L 就飽和無法取用更多。當酮體濃度低只有 0.1-0.5mmol/L,骨骼肌可以利用五成左右的酮體,可是當濃度上升到 6-7mmol/L,骨骼肌只能利用到血中 5% 的酮體。運動可以幫助骨骼肌利用酮體,研究顯示:經過隔夜斷食,受測者服用酮塩補給,血中濃度達 5.5-6mmol/L,50%VO2max 跑步機 2 小時後可增加全身使用酮體。

另一個研究報告短期斷食的受測者以 60% VO2max 騎單車半小時,身體酮體利用率增加有 5 倍之多。在訓練期休息時間使用率約 0.44mmol/L (13g/hr),運動初期急速上升至 2.1mmol/L,之後又下降至 1.4mmol/L (9g/hr)。然而,當斷食超過 72 小時,血中同體濃度達 2.5mmol/L 以上,運動反而無法增加酮體的代謝。主要原因是飢餓過久,體內能源不足 7% 身體必須調節優先提供酮體讓大腦使用,不然生命危險。除此之外,長期耐力運動訓練可提升骨骼肌對酮體的利用率,主要是第一型骨骼肌(慢肌),肌肉細胞內分解酮體的酵素增加。

補充酮真的有助於運動表現嗎?

齧齒類的實驗顯示同時補充碳水化合物與酮(血中濃度 5mmol/L)比起單純碳水化合物補給可提高心臟 28% 效能。酮體比起碳水化合物分解成的丙酮酸可產生更高的熱能。

當身體使用酮體部分取代醣分當能量來源時,身體內的肝醣存量比較不會耗損。然而酮體本身也會影響葡萄糖的代謝,導致體內葡萄糖使用率變少,有可能影響激烈運動的強度與持續性。鐵人三項運動與長距離單車賽被歸類於超長耐力運動,體內碳水化合物的可利用性就成為運動表現的關鍵,因此補給酮被認為有助於成績表現。可是 2017 年一項澳洲研究,針對 10 名菁英選手,在不同時間做二次 ITT 室內訓練,分別在測試前一次給予安慰劑,另一次給予自製的酮酯補給,體種每公斤 250 mg,間隔 20 分鐘共二次補給。實驗結果是補充酮酯並不會增強選手能力,反而平均功率還少了幾瓦。此篇論文引起牛津團隊的評論,認為其自製酮酯吸收有問題,鑑於不少選手有腸胃不適症狀,另外劑量也不符合。

牛津 Cox 團隊在 2016 也發表一篇酮酯對運動表現的影響,針對 39 人次實驗。第一個實驗是補給酮酯後做不同強度的運動:給予每公斤 573 mg 的酮酯,並測量血中酮 b-OHB 濃度。休息狀態時,口服 10 分鐘後可達 3mmol/L,30 分鐘約 6mmol/L。運動時酮可加入原先的肝醣與脂肪代謝,結果發現在 45 分鐘不同強度運動(40%, 75% Wmax)都可讓血中酮濃度從 6mmol/L 降低到 2-3mmol/L,強度越高降越多。另一個實驗是讓 6 名選手間隔一週訓練,一次服用酮酯與碳水化合物,另一次只吃同能量的碳水化合物,先 75% Wmax 暖身 60 分鐘後,30 分鐘計時賽,補給酮酯的那次選手平均有 2% 進步。

另外,此次報告另一個實驗還提及運動時補充酮酯可減少肝醣使用,因此乳酸堆積少,肌肉切片也顯示細胞內的脂肪減少,顯然有助於肌肉脂肪代謝。2020 年比利時魯汶大學團隊最新的研究指出,單補充酮酯常造成運動員血液酸化,進而影響代謝與抑制運動表現。實驗讓受測者不同時間交叉測試,分別分成四項:單獨服用 65 g 酮酯,單口服 300mg/kg 碳酸氫鈉,同時補給酮酯與碳酸氫鈉,對照組只喝一般飲料。受測者在訓練過程中每小時同時也補給 60 g 的碳水化合物,全部人都須完成三小時間歇訓練,接著是 15 分鐘的計時功率測試,最後是 175 % 乳酸閾職衝刺。結果是單單補充酮酯、碳酸氫鈉與對照組的計時功率無差別,但是同時補充酮酯加碳酸氫鈉的功率多了 5 %。所有組別衝刺到力竭的時間都沒有明顯差別,所有受測者的腸胃都沒特別不適。因此他們建議給予單車選手酮酯補給要同時加上碳酸氫鈉來中和血酸化,這樣才能有效增進表現能力。

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關於酮塩的研究,2017 年加拿大 UBC 團隊實驗結果是弊多於利,竟然 ITT 高達 7% 功率退步。2018 年愛爾蘭團隊的研究報告是補充每公斤 380 mg 酮塩二次(共 760 mg),讓 12 男 7 女受測者血中濃度 b-OHB 達 0.33mmol/L 左右,並無助於運動表現。不過竟然有 13 位受測者出現腸胃不適現象。

補充酮可迅速補回肌肉肝醣存量與避免過度訓練症候群嗎?

此外,除了改變運動時的代謝型態,充分的血中酮體也可幫助肌肉迅速回補肝醣存量。2017 牛津Holdsworth 團隊的研究報告讓英軍運動員服用酮酯,當血中 b-OHB 濃度達到 5.3mmol/L,在 115 分鐘激烈訓練消耗肝醣後,利用靜脈注射輸入葡萄糖讓血糖濃度達 180mg/dL 二小時。實驗發現酮酯實驗組比對照組的血液胰島素高二倍,葡萄糖利用量高 32%,而肌肉的肝糖回補量高達 50%。這個現象對長日型的單車比賽,如環法、環義大賽選手很重要,他們必須比賽期有飽滿的肌肉肝醣存量才能有好表現。

照片來源:Tour de France/ Paulline Ballet
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許多研究顯示補充酮可避免運動後肌肉蛋白損失。激烈運動後沒補充足夠能量或是忽略蛋白質的補充經常形成肌肉萎縮。2019 年比利時 Poffé 團隊研究發現運動員在長期訓練(三週,每週六天)後能量,補給酮酯的實驗組能量平衡較正常,對照組通常呈現能量負平衡,會影響運動後肌肉復原。此外,激烈運動會引發夜間腎上腺素與正腎上腺素上升,實驗組的幅度比對照組平緩很多能量。激烈運動引致白天心跳的變異,實驗組也穩定許多。因此作者認為體外補充酮酯應該可以避免長期訓練所導致的過度訓練症候群。

最新研究也認為酮不只可當成能量原料,它還是一種類似荷爾蒙的訊號傳遞分子。酮體可以進入腦部提供腦細胞當作能源,它也可活絡腦神經活動。2018 年愛爾蘭多柏林 Evans 團隊研究發現:補充酮酯與碳水化合物比單純補給碳水化合物有利於團體運動員在力竭時的認知表現。美國紐約 Stony Brook 大學團隊發現現代人腦部在 47 歲開始出現退化,60 歲後急速退化,血糖濃度上升加速惡化,而血酮卻有保護作用。因此 Majica-Parodi 醫師認為補充酮有助於避免腦部老化。

總結

牛津團隊在 2018 年將酮酯商品化後,補充酮對身體的影響,尤其是運動表現方面研究成為顯學。在長期耐力運動比賽中,酮酯的補充時機、次數、配合多少碳水化合物一起補給都尚未釐清。現在不少職業車隊都提供選手酮酯的補給,或許未來可以提供一個很好的研究報告。然而酮酯很昂貴,1 g 幾乎是 1 美金,選手每公斤要補給 573 mg,一個 70 公斤幾乎要補充 40 g 酮酯,假使必須長期使用來適應,這價格應該不是一般人所負擔得起的。研究發現酮酯可以改善糖尿病症狀與延緩腦部退化,這方面應該是醫藥的先研究方向。因此現階段一般業餘選手先靜觀其變,再過二、三年應該有更多的酮酯研究提供我們更明確的參考方向。

參考文獻:

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  9. Poffé C, Ramaekers M, Van Thienen R, Hespel P: Ketone ester supplementation blunts overreaching symptoms during endurance training overload. J Physiol. 2019 Jun
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肉腳超級鐵人訓練團
肉腳超級鐵人邱宗聖 從國三到大學都是田徑隊,屬於三流選手,幸運矇到一枚全國大專運動會1600m接力銅牌。2008年因中年身體危機開始從事自行車運動,2013年初馬,到2015才完成人生第一場鐵人賽 Ironman Taiwan當自己五十歲的禮物。因為職業關係只考慮選擇參加226,至今完成國內外十一場賽事。2015年參與 Ironman University 課程,成為第一批拿到 Ironman Certified Coach 的人,也是研究運動醫學與科學化訓練的開端。與友人共同成立知名鐵人社團DVTT並設立 AED Runners。2019年有幸親臨美國波士頓參加馬拉松成為波馬跑者。另外跑過三次鎮西堡100K,也騎過三次北高380K。 經歷與專業認證: Ironman Certified Coach / Ironman認證教練。 DVTT 醫聲論壇常務理事(二任),監事。 中華民國眼科專科醫師,診所負責人。 倫敦大學科學碩士。 參加過的重點賽事: 五屆 Ironman Taiwan超級鐵人賽 (2015-2019)。 三屆 Challenge Taiwan 226(2016-2018) 二次分二,一次分三。 三場歐洲 Ironman 賽事。 2017-2018 二次台北馬拉松波馬資格達標。 2019波士頓馬拉松。 2019 Ironman AWA 世界分齡銀牌選手。 Facebook:肉腳超級鐵人訓練團