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2016年11月26日 星期六

論「生酮飲食」與耐力訓練(上)

人體是一個很神奇的混合燃料引擎。人類飲食中的三個巨量營養素:醣類、脂質與蛋白質,都可以透過各種複雜的生理機轉,提供人體維持生理機能、日常活動以及運動的能量所需;換言之,都是「燃料」。

為什麼會是這樣呢?不知道。從演化的角度來說,人類必須生活的地理環境非常廣泛,而要從事的活動又相當多,當然最理想的情況是吃什麼都能活命,不要太挑食。不過演化是一件最少以百萬年起跳的事情,而且活不好的物種依據物競天擇理論早都死光光滅亡了,當然不可能透過 controlled experiment 來做科學驗證。所以演化假說的討論就到此為止。


如果你想設計一個科學實驗,看看限制人類只能從單一巨量營養素獲得
能量、會不會存活得比較好... 那首先你要成為上帝。(資料來源:上帝)



而若從比較實際的角度來講,不同的營養素有著不一樣的優勢:醣類提供能量的速率較高(大馬力/高性能),脂肪的單位能量效率較高(節能/持久/可以雕塑身材),蛋白質則可以用作前兩個燃料系統運作不順暢時的緊急備用方案(沒錢買燃料時可以跟自己的身體借高利貸)。

因此如果我們從競技運動所需要的體能特性切入,很自然會做出耐力性運動需要使用油脂、速度與爆發力運動主要使用碳水化合物的這種結論。這在某種程度上來講是正確的,但卻絕非一刀兩斷切割得黑白分明。記住這句話,你等一下考試會再看到它的。

事實是,人體隨時都在使用比例不同的混和燃油;而它要切換到以使用哪個燃料為主,與運動的強度、肌肉收縮型態、持續時間和是否處於空腹/飢餓/類飢荒的狀態,息息相關。在這邊只隨便舉出了四個影響因子,我們若很武斷地把每一個變因都簡化成只有兩種狀態(on或off),那麼起碼也有二的四次方、總共十六種排列組合結果。這就是所謂體能交互關係的概念,先不論四個變因之間是否為彼此獨立(例如:持續 + 高強度,會不會提早耗盡能源,導致肚餓或系統當機?),最起碼,你在考慮單一變因的時候,不能假裝另外三個變因所造成的影響不存在。


閉上眼睛就以為看不見 (圖片取自:tophdimgs.com/)


首先,我們從廣為人知的「長時間耐力必須依賴脂質」這個概念談起。也就是說前面的四個變因裡面,我們來看看,控制在低強度(60%VO2Max),改變運動時間長短(30~120min),人體使用的能量比例變化。從圖中可以看見,要運動到開始燃燒很高比例的脂肪,至少必須持續一個半至兩個小時,才開始用到比較多的脂肪(灰色)。

好... 這代表低強度訓練一定都要這麼久嗎?當然不見得。但如果你是耐力運動員,這種長時間低強度(LSD)的訓練,至少在能量系統的啟動上,是非常必要的。


光在同一個運動強度之下,持續的時間不同,人體就會自動切換
使用不同比例的能量來源。(圖表取自:Hottenrott & Neumann, 2010)


不過就算我們都純粹討論競賽時間在兩個小時以上(第四根柱子)的範籌好了。
請問:

1. 你的比賽強度會只有60%VO2Max這麼低嗎?
2. 就算你都只有用這麼低的強度在比賽... 要怎樣有比別人高的「60%VO2Max」?
3. 更關鍵的是... 要怎樣在60%VO2Max有高的速度?
4. 如果你前面兩個問題的答案是要提高速度和提升VO2Max,那...要怎麼練?
5. 訓練「改善速度能力」和「提高最大攝氧量」的課表,有可能也只用脂肪嗎?

答案當然是「不行」;你需要更快速的能量來源,也就是醣酵解系統。同樣是有氧代謝,葡萄糖的燃燒比起自由脂肪酸,每單位時間可以提供的能量高很多,也就是速度更快。




接下來我們再看。在不同運動強度,持續相同的運動時間,能量消耗的比例和總量是如何變化。也就是說,前述的四個變因裡面,我們控制時間(30min),操縱運動強度(40~75%VO2Max),看看能量提供上醣類與脂肪的比例是如何變化。



在不同運動強度下,脂肪類能量的產生率。(圖片取自 www.graemestewart.com)


這個圖表是依據呼吸的氣體分析,以及血液樣本的檢測所得到的;其中不只粗略分成醣類與脂肪,還更加細分為肌肉肝醣(細點)和血糖(白色)、以及血液中的自由脂肪酸(黑色)與「其他脂質能量來源」(粗點)。

在此「其他脂肪」的這個講法看似有點籠統;不過學理上的假設是,血液中的自由脂肪酸是來自脂肪細胞(也就是游泳圈/大象腿/雙下巴/蝴蝶袖這些肥肉)的動用,而不從這裡來的脂質,應該就是由慢縮肌纖維旁邊的肌肉脂肪儲原直接提供。

結論呢?在 55%VO2Max,會有最多的總能量來自脂肪類能量來源;強度再往上提高時,脂肪就反而用得少了。由於在一般的概念裡很自然認為「低強度」=「耐力」,「高強度」=[爆發力],也因此這就成了支持耐力運動倚賴脂肪能量的強力證據,也是大家想破頭要藉著脂肪動員把身體練得更有效率、更「省油」的主要原因。

然而和前段所敘述的一樣,大家很容易忽略在競賽情境時,其實所需要的都是「高強度」+「耐力」... 而且就算是在 55% 的情況下,脂肪依然只占全部能量來源的一半。很明顯人體必須要使用醣類,而且就算在低強度也是隨時都是在使用「含糖」的混和燃料,而非一刀兩斷,和前面說等下要考的講法完全一致。




然後再看,以同樣強度運動,晨間空腹的狀況和有進食的狀況,差別為何?下面引述的這篇研究非常有意思,它不但和上一篇研究一樣看了強度的分布,還特別探討訓練狀態不同的研究對象。普通人的組別(UT)是每週進行少於兩小時體能活動的健康大學生,運動員組別(T)則是來自於U.C. Berkley 學校單車社以及自行車校隊的成員,參加美國業餘二至三級賽事。這些選手的VO2Max 平均數值接近 60ml/kg.min,雖然不算頂尖,但已經相當不錯;相對之下UT組的受試者平均則不到40。



普通人和運動員在有吃過早餐的情況下,於不同訓練強度持續運動三十分鐘,
由呼吸換氣比例(RER)所推定的葡萄糖(黑色)與自由脂肪酸(斜線)使用比例。



同樣的受試族群,改以空腹狀況進行試驗,可看到燃燒脂肪的比例明顯提升。


從上面兩張圖可以看見,在較低的強度,特別是 22%VO2man (相當於走路的運動量) 和44%VO2max (非常非常輕鬆的熱身強度) 這兩階,運動員在空腹時以自由脂肪酸提供能量的比例都顯著提高;但到了 60%VO2max,也就是一般普遍用來做基礎耐力/低強度耐力/動態恢復的強度區間,則換成是一般人採用脂肪的比例明顯與有吃東西的情況相比來得高,從低於 15% 增加到將近 30%;也就是因為如此,晨間空腹低強度訓練,在可訓練時間不足的前提之下,非常適合用於改善有氧耐力。

但我們也知道,晨間空腹訓練在國內是一個富有爭議性的訓練模式;其爭議不是來自於這方法錯誤或不好用,而是由於實行上的細節經常被忽略(例如持續時間過頭,或強度未精確界定、拉太高),以及來自坊間的許多市井謠言和迷思。因此雖然我們還算經常開給客戶執行,這卻是部落格開播將近一年以來、首次提到此種訓練法,就是想避免淌入不必要的渾水。

只是俗話說怕熱就不要進廚房,既然我們後面要討論生酮飲食,就不能不先提到空腹訓練的好處。




以總能量生成率,來看空腹時脂肪與醣類的燃燒。(Bergman & Brooks, 1999)


與能量的百分比相較,也許更重要的是看總能量的提供。從上圖可以更明確地看到,在普通人的組別,59%VO2max 可以帶來最多的自由脂肪酸燃燒量,幾乎與運動員達到相同水準;雖然以絕對強度來看,這些一般人在他們 59% 所能騎出的瓦特數比運動員還要低得多了。這也告訴我們,想要抄捷徑加速改善脂肪的代謝,「晨間空腹低強度」這個招數對普通人比較有效。

而如果你沒測過攝氧量怎麼辦?還好的是,攝氧量百分比與你個人的主觀強度感受或者心跳率幾乎是線性關係;因此,如果你覺得自己只花到差不多六成力,或者是心跳率位在 zone 2 ,大概就是適當的強度了。而運動員應該則大概要在 zone 1 才夠適當,差不多是會讓你覺得跑步速度只比走路快一點,或是騎腳踏車慢到快要摔下來、連踩著三輪車的小鬼都可以超你車那種感覺。

BUT!我們不要忽略了一個明顯的重點:就算是在最佳的組合條件(運動員、空腹、走路強度)之下,仍有超過 40% 的總能量是由醣類提供!

還記得前面有說過等一下考試會再看到這句話嗎?就算是超級低強度的有氧運動,仍有大量的能量必須是由碳水化合物來提供。因此耐力運動員應該由脂肪類食物來提供能量來源、甚至可以完全不吃醣類、除了澱粉和精緻糖以外連水果都不碰,是不太說得通的。

(提個相關的:有看到這篇研究的第二作者是誰嗎?加州大學柏克萊分校的 George Brooks 教授,也就是我們將近一年前所譯介的研究之作者。Brooks 教授的研究成果,修正了以往所認定乳酸就只是個有害物的看法,也強調了無氧醣酵解系統對於有氧耐力的重要性。)



生酮飲食與耐力訓練的專文分為上下兩篇,本輯先以介紹基本的背景知識為主。下輯的內文,則會以本篇的知識作為基底,透邏邏輯辯証,為各位分析時下廣為流傳的「生酮飲食」熱潮。



[參考文獻]

Bergman, B. C., and Brooks, G. A. (1999). Respiratory gas-exchange ratios during graded exercise in fed and fasted trained and untrained men. Journal of Applied Physiology, 86(2): 479-487.
圖片採用經由本論文第一作者 Bergman 博士授權,並遵照其意見以原稿截圖方式呈現,不做任何編輯或重製。

Hottenrot, K., and Neumann, G. (2016). Trainingswissenschaft: Ein Lehrbuch in 14 Lektionen. Aachen, Germany: Meyer & Meyer Fachverlag und Buchhandel GmbH.
德國科隆運動大學所採用的「訓練學」教科書,2016年第三版最新修訂。但很可惜地,這本書目前尚沒有任何他國語言翻譯。


van Loon et al. (2001). The effects of increasing exercise intensity on muscle fuel utilization in humans. Journal of Physiology, 536(1): 295-304.

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