运动营养科学大揭秘，如何科学地开发运动营养食品？

运动营养食品是当前市场的一个热门领域。根据Zion市场研究报告，2016年全球运动营养市场市值达到283.7亿美元，5年之内将保持8.1%的年均增长率，预计到2022年将达到450亿美元。如此广阔的市场前景吸引着很多传统食品商和初创企业涌入这个领域。针对专业运动员和普通运动健康爱好者的食品大量涌现，在它们的包装上也开始出现一些非常专业的名称和概念。

那么，如何从营养学角度去判断一款产品是否科学？运动营养科学到底有哪些秘密？本文为您详细揭示运动生理学基础和营养科学的常识，这些认知对于运动食品开发具有很强的指导意义。

全文要点：

• 有氧运动与无氧运动的区别

• 人体如何进行能量代谢

• 无氧运动的能量供给

• 有氧运动的能量供给

• 有助于提高运动能力的成分

▎有氧运动与无氧运动有何区别？

体育锻炼是打击肥胖的最好武器之一，无论是举重或慢跑，游泳还是100米短跑，消耗卡路里和脂肪，都是体重管理的一部分。但体育运动和饮食也并不是相互排斥的，完整的健康需要这两者的相互平衡。一般来说，体育运动分为两种，无氧和有氧，每种运动方式都有自己特定的营养需求。

无氧运动是指短时间内（通常是几秒钟到几分钟）剧烈的运动。在这期间，人体内的葡萄糖被分解并产生乳酸，从而达到消耗葡萄糖和脂肪的目的。有氧运动，包括跑步，划船，骑自行车等活动，可能是低强度或高强度的，但通常持续时间较长，对肌肉的作用效果也不同，其目标是消耗储存在卡路里中的能量。

虽然有氧运动和无氧运动之间经常会有所区分，但实际上两者也有许多共同点：人们通常会同时进行两种运动，与此同时，人体内的三种能量系统——蛋白质、碳水化合物和脂肪都是主要消耗的能量物质。运动的强度和持续时间决定了是碳水化合物还是脂肪作为你能量的主要来源，哪种能量系统占主导地位，还有哪些辅助成分可以帮助支持训练和训练效果。

▲ 乳制品中的乳清蛋白已经被证明有助于改善跑步者中的有氧运动表现，对阻力运动也是如此

▎人体能量代谢机制

通过一系列步骤，人体将食物转化为可以被直接利用的能量—三磷酸腺苷（ATP），以维持人体内所有细胞的正常工作。ATP几乎不会储存在人体体内，因此，人体必须通过不断的ATP合成，以适应体内的能量需求。加州理工大学体育与运动生理学教授兼人力资源研究实验室主任Eddie Jo博士说：“人体内ATP的合成速度非常活跃，并且与人体内对ATP的需求成正比。”

三种不同的能量系统以不同的速度产生ATP，以适应不同的运动强度。

磷酸盐系统使用磷酸肌酸来重新合成ATP，产出速率最快，虽然随时可以获取，但肌肉中磷酸肌酸的存量很小，从而限制了该系统产生足够多的ATP以保证持续运动1分钟以上的能力。磷酸盐系统在运动开始时非常重要，同样对持续30秒至1分钟的短时间运动也很重要。

厌氧糖酵解不需要氧气来促进葡萄糖产生ATP。这使其成为高强度活动中的重要能量来源途径，能够持续30秒至2分钟，特别是人在锻炼时需要吸收空气之时。厌氧糖酵解被认为是一种中间途径，它比有氧糖酵解产生的ATP快，但比磷酸盐系统慢得多。

有氧糖酵解利用氧气从碳水化合物和脂肪中产生ATP。通过有氧糖酵解的ATP生产速率比磷酸盐系统和有氧糖酵解都要慢，但持续时间长。华盛顿大学（CWU）营养专业研究生课程主任，营养和运动科学助理教授Kelly Pritchett博士解释说：“这是因为人体内有无限的脂肪供应，但体内的糖原往往被快速耗尽。”

高强度的运动，实际上都是高度有氧的，因为有氧环境下ATP生成量是最大的。但没有任何类型的运动可以将无氧代谢系统彻底分离，实际上这三个系统在任何类型的运动中都在发挥作用。北卡罗来纳大学运动科学系副教授Abbie Smith-Ryan博士认为，“在开发运动食品或饮料时，开发者需要考虑到不同运动类型的主要能量来源，因为这会对运动表现和后期恢复产生巨大影响。了解产品是针对耐力运动员还是短跑运动员非常有必要，这会深刻影响该产品最终的配料选择。”

Smith指出，补水，电解质和一些独特的原料都可以支持主要的厌氧（短跑运动员，举重）或有氧（耐力运动）运动。

▎无氧运动的能量供给：素食运动员是富肌酸食品的最佳消费对象？

肌酸被广泛用作运动员食物和饮料的重要成分。对于短时间内的高强度运动如举重，ATP-PCr [磷酸肌酸]系统是主要的能量系统，要优化肌酸的储存能力，可以多吃富含来源于肉类，鱼类和家禽中蛋白质的食物。

来自肉类和海鲜的蛋白质也富含胆碱。胆碱是神经递质的前体，而饮食中的乙酰胆碱通常足以在正常条件下满足身体需求，但初步证据表明胆碱的消耗可能会限制运动性能。

▲ 鸡蛋是胆碱最丰富的来源食物之一。胆碱是多种生理学代谢途径中的关键物质，可以增强营养物质消耗的人的耐力表现。

蛋白质组分也是有益的，例如，在无氧阻力训练中补充胶原蛋白肽能够改善身体组成并增加年长者的肌肉力量。

在国际体育营养和能量代谢杂志上发表一篇的学术评论中，俄勒冈州立大学营养与运动科学系的Jay Penry博士和Melinda Manore博士描述了除了合成神经递质乙酰胆碱外，胆碱在多种生理途径中发挥的关键作用。胆碱是细胞膜信号的磷脂成分脂蛋白（脂质运输所需），并在减少同型半胱氨酸中发挥作用。耐力运动可能会对其中的一些途径加压，从而增加人体对胆碱作为代谢底物的需求。

两位博士的研究重点是耐力运动和人体胆碱需求之间的联系，运动对于血胆碱水平的影响机制以及甲基代谢与可利用胆碱之间的联系。他们还评估了口服胆碱补充剂对于增强耐力表现的能力，并提出了相关证据表明，目前成年男性的胆碱推荐摄入量可能不足。

Penry和Manore强调，“只有剧烈和长时间的体力活动才能显著减少可利用胆碱的储备。口服胆碱补充剂可能只会增加那些将胆碱消耗至正常水平之下的运动的耐力表现。”

素食者与食肉人群相比，体内存储的肌酸少，但利用效率更高。这使素食运动员成为富含肌酸产品的最佳消费对象。补充肌酸可以改善肌酸储存能力，从而促进更快地合成ATP。随着时间的推移，肌酸储量可以通过精心设计的训练计划来增加，有助于提高速度，力量和实力。

Pritchett说：“通过无氧糖酵解，高强度无氧运动的主要能量系统可以持续30秒至2分钟，但这条路径只能氧化碳水化合物，这意味着碳水化合物是主要的能量来源。”尽管糖原是机体能量的主要形式，但葡萄糖（来自运动前或运动期间食用的食物）和糖原都能支持高强度运动。

在长时间高强度运动的间歇期内，肌肉疲劳将会消耗大量的糖原。少量糖原储存在肝脏中，大部分储存在肌肉中。一般来说，人体内每公斤体重约含15g糖原。然而，只有当一个人每天吃足够的碳水化合物和卡路里才能使糖原储存最大化。

减少来源于碳水化合物的卡路里摄入，意味着在运动开始时，糖原储存不会满。此外，虽然在低强度运动和高强度运动期间会使用肌糖原，但肝糖原主要用于低强度运动。

参加马拉松比赛的运动员通常会将一些高强度训练纳入整体训练方案中。在比赛中的加速阶段和冲刺终点线之前，他们的身体都会需要无氧糖酵解产生的能量。这些运动员仍然需要持续的碳水化合物摄入。“这并不是像激烈的训练那样需要大量碳水化合物。”休斯顿贝勒医学院矫形外科系运动营养师Roberta Anding说，“通常，他们会低估所需的碳水化合物量。”

▲ 植物性食物富含矿物质，维生素和抗氧化剂，可促进体内能量产出，细胞组织重建能力和耐力提升，同时保持细胞的运转顺利。

▎有氧运动的能量供给：是吃高脂食物还是吃马铃薯？

脂肪和碳水化合物均可为有氧运动提供能量。脂肪是一种缓慢释能的燃料，相比碳水化合物，脂肪生成ATP所需的时间更长。因此，当运动强度较低时，所需能量的大部分可能来自脂肪。当强度上升时，会使用更多的碳水化合物，主要来自糖原。

耐力运动员，特别是那些极低强度训练的运动员，如超耐力运动员，骑自行车的人或游泳运动员，通常选择高脂肪或生酮饮食（主要热量来源于脂肪，少于15％的热量来自蛋白质，少于5％的热量来自碳水化合物）而非传统的高碳水化合物饮食。然而，没有证据表明这种膳食方法比标准的高碳水化合物饮食更好。此外，低碳水化合物/高脂肪饮食可能会削弱运动能力。

由于一些误导，太多的运动员忽视了一种高能量，低热量，营养丰富的食物：马铃薯。马萨诸塞州圣爱德华兹大学科学和营养学兼职教授Mark Anthony博士认为，“马铃薯在许多持久型运动饮食中的地位低下，主要原因是它被视为高血糖指数食品。”

除了教学之外，Anthony也训练冠军手球运动员，他自己也是一项高能量运动中的冠军。他补充说，血糖指数被认为是针对糖尿病患者的一个生理指标，它可以受多种变量影响而被改变，因此无法作为测量碳水化合物质量的指标。

“事实上，血液中很容易获得来自易消化淀粉的低唾液葡萄糖，从而使马铃薯成为对运动员非常有价值的肌肉-糖原加载工具。葡萄糖通过在细胞内的糖酵解环节被分解，再通过无氧代谢产生ATP。然后，产生的丙酮酸转化成乙酰辅酶A，并进入TCA循环。”

然而，这并不意味着运动员应该吃炸薯条和薯片，蒸煮的马铃薯才是他们更理想的食物。“锻炼后肌肉特别贪婪，根茎和块茎类食物淀粉在低温下经过慢煮，可以更有效地补充这个关键的能源库。”

马铃薯，包括根茎类蔬菜，是一种完整的食物。它们含有对运动员有价值的维生素和矿物质，虽然马铃薯的蛋白质含量很低，但它仍然保持着所有必需氨基酸的平衡。它们还富含吡哆素[维生素B6]，这对蛋白质代谢至关重要。”

马铃薯含有大量的维生素C，即使在煮熟的情况下。努力训练的运动员需要保持电解质的平衡，而且这里需要再次强调，马铃薯是体内主要电解质钾的丰富来源。当葡萄糖被运送到肌肉细胞中时，它会携带钠(细胞外的主要电解质)。被称为钠/钾泵的细胞膜蛋白质使用能量将钠推出细胞外，同时使钾留在细胞内。在运动后的休息时段与康复期间，重建这个关键的平衡将会使用运动员的很大一部分精力。

推荐马铃薯作为运动员高价值食物的另一个理由是：马铃薯在正确处理的情况下，它们的饱腹感指数排名第一。测定单一食物饱腹感指数的方法是在受试者吃了大量测试食物后，对其饥饿的倾向进行评估。而水煮马铃薯以绝对优势胜出。作为饱腹指数最高的食物，水煮马铃薯可以成为强大的食欲抑制剂。

马铃薯在煮沸冷却后，其中的抗性淀粉含量很高。抗性淀粉主要来自马铃薯、高直链淀粉玉米、未成熟的香蕉和其他食物，通常也具有高饱腹感指数，有助于降低血液中的胆固醇含量。

相比那些依靠大量碳水化合物支持训练和运动的饮食方式，饮料、豆类、胶质和其他具有多种形式碳水化合物的运动营养产品，比食用单一碳水化合物来说更为有利。葡萄糖与果糖按照2︰1的配比已被证明可以增加运动中可利用碳水化合物的量。

▎有助于提高运动能力的成分：氨基酸、硝酸盐和电解质

氨基酸β-丙氨酸是促进持续长达四分钟高强度运动的另一重要物质。β-丙氨酸是生产谷氨酸的速率限制底物，谷氨酸由β-丙氨酸和另一种氨基酸组成的二肽组成。

这些氨基酸的酸性缓冲能力来源于氢离子的积聚。研究表明成人每日氨基酸的摄入量为1.6g到6.4g。随着时间的推移，当肌肽储存量达到完全饱和时，经常运动的成年人或运动员可以感受到疲劳程度和肌肉负重的减少。

有许多研究评估了有助于生成一氧化氮的食物价值，特别是通过硝酸盐-亚硝酸盐-一氧化氮转化途径。当氧气不容易获得时，这种代谢过程能够增强血液流动能力。血流量的增加有助于支持运动和恢复。

甜菜根，甜菜根汁，石榴汁和其他富含硝酸盐的蔬菜（包括绿叶蔬菜，菠菜，芹菜和胡萝卜汁）是这种化合物的良好来源。然而，生长和储存条件的不同会影响任何特定来源物质的硝酸盐含量。有趣的是，研究表明，甜菜根汁对未经训练和参与休闲活动的个体影响可能比经过常年训练的运动员更大。

另外，蔬菜和其他植物食品中含有丰富的矿物质，维生素和抗氧化剂。所有这些不仅有助于能源生产和维持耐力，而且对于重建组织和保持细胞平稳运行十分必要。

所有运动饮料中应该含有钠，以支持肌肉和神经功能。钠和氯是汗水中丢失的两种主要电解质，身体中钠和氯的及时补充需要依靠运动营养产品。

咖啡因是全世界消费最广泛的合法的促进神经兴奋的成分。少量的咖啡因可以增强兴奋度，特别是在睡眠不足后摄入。在每公斤体重3至6mg的剂量下，咖啡因还可以在间歇性高强度运动（例如团队运动）和消耗性运动期间提高运动表现。

氨基酸化合物1-丙氨酰-1-谷氨酰胺是运动饮料开发者感兴趣的成分。研究表明它有助于身体补水并延长消耗时间。许多运动饮料含有低剂量（300mg）和高剂量（500mg）l-丙氨酰-1-谷氨酰胺。与一般的运动饮料相比，它们显示对于进行耐力训练男性的疲劳时间有所改善。

为运动员设计营养饮食需要了解运动生理学，而不是通过有氧或无氧来严格地划分运动，应该将锻炼的强度视为线性进展，以帮助确定所用能量物质的主要类型和数量。

运动食品的配方设计师不需要对两种类型的运动进行严格的划分和市场化，而是可以根据特定功能成分定位产品以及产生的具体生理功效。这些功效包括补水，改善血液流动，提高警觉性和减轻疲劳感。

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整理编辑：Foodaily每日食品网