運動營養食品中營養成分和功能因子研究進展

艾 華， 常翠青

(北京大學第三醫院 運動醫學研究所營養研究室， 北京 100191)

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運動營養食品中營養成分和功能因子研究進展

艾 華， 常翠青

(北京大學第三醫院 運動醫學研究所營養研究室， 北京 100191)

運動營養食品是指滿足運動人群的生理代謝狀態、運動能力及對某些營養成分的特殊需要而專門加工的食品。隨著我國民眾對健康理念認知的提高和廣泛參與各種運動鍛煉，運動營養食品市場的規模也越來越大。對當前運動營養食品中一些重要的熱點營養成分和功能因子的研究狀況和進展進行了綜述，并對有潛力的研發方向進行展望，以期為我國運動營養食品的研發提供線索和思路。

運動營養食品；營養成分；功能因子

隨著民眾對健康理念的不斷加深，運動鍛煉越來越成為流行趨勢，相關的運動營養食品市場規模也越來越大。2015年11月國家衛生和計劃生育委員會發布的GB 24154—2015《運動營養食品通則》將運動營養食品定義為：滿足運動人群的生理代謝狀態、運動能力及對某些營養成分的特殊需要而專門加工的食品。運動營養食品往往通過提取、濃縮、純化、混合以及其他方法進行制備或加工。

運動營養食品的主要目標對象是運動人群，既包括專業運動員，也包括經常參加體育鍛煉的普通健身者。當然，一般體力勞動者也可以食用。

運動人群食用運動營養食品，一是為了補充營養以滿足機體運動所需，二是為了提高運動能力和運動成績。專業運動員對這兩個目的同樣看中，而普通健身者往往更加看重前者，以提高身體健康水平為主要目的。因此，產品設計上，專業型運動營養食品與普通型應該各有側重。

運動營養食品中的有效成分很多，可大致分為兩類：營養物質補充類，活性或功能因子類。前者包括機體所需的營養素或其代謝產物，補充這些營養物質可滿足運動和健康需求；后者指那些不屬于營養物質但在人體內具有潛在改善運動能力作用的動植物活性或功能成分，以提高運動能力為主要目的。

本文對當前運動營養食品中一些熱點營養成分或功能因子的研究狀況和進展做簡要介紹和綜述，以期為運動營養食品的研發提供線索和思路，同時對未來有潛力的研發方向提出建議。

1 營養物質補充類別

運動增加營養素和營養成分的代謝和消耗，運動還使機體組織器官產生應激、適應性改變或者損傷，這些使得運動機體對某些營養素和營養成分的需求增加，而普通常規膳食可能無法及時、適量地滿足這些需求。因此，營養物質補充類別運動營養食品就是為了額外補充這些不足而設計的。

1.1 蛋白質

蛋白質不僅參與運動引起的骨骼肌損傷性修復和組織適應性增生，還在運動中參與供能，故運動人群的蛋白質需要量增加。在營養物質補充類中，蛋白質屬于一大類。蛋白質是增肌的主力產品，市場上多見乳清蛋白和大豆蛋白。研究顯示，乳清蛋白富含亮氨酸等支鏈氨基酸以及其他必需氨基酸、功能肽、抗氧化成分和免疫球蛋白，可減少肌肉酸痛，加快運動性損傷的修復[1]，可以提高合成速率，增加肌肉的質量和力量[2]。乳清蛋白比酪蛋白更有利于萎縮性骨骼肌的功能恢復[3]，比大豆蛋白更有利于瘦體重增加[4]。乳清蛋白的這些作用可能與其較快、較高的消化吸收利用率以及豐富的亮氨酸有關。由于乳清蛋白消化吸收快，亮氨酸含量高，可引起血液氨基酸和亮氨酸含量快速升高[5]。有人觀察到，乳清蛋白比酪蛋白能更好地刺激骨骼肌蛋白質合成[6]。

大量研究表明，當膳食蛋白質攝入不足或優質蛋白質攝入較少時，補充蛋白質類運動營養食品，可以明顯改善機體狀況，有利改善運動能力。因此，對于蛋白質補充，強調的是在膳食蛋白質不充足或不平衡的情況下進行補充。此時補充蛋白質，改善運動能力的效果就很明顯；如果膳食蛋白質已經很充分、很平衡，補充蛋白質的效果則不一定明顯。有的學者懷疑或有的實驗不能顯示補充蛋白質對運動后肌肉蛋白質合成的促進作用和效果[7]，其實是忽略了或沒有滿足補充蛋白質的基本條件。由于不能排除某些個體在某種情況下可能存在的膳食蛋白質不合理、不充足的情況，運動個體補充蛋白質還是有必要的。

一般認為，運動后補充蛋白質，可以增加肌肉蛋白質的合成速度，有利于骨骼肌對運動的適應性增大、增強反應和骨骼肌功能的恢復[8]。而運動前和運動中補充蛋白質，則不一定能夠起到改善運動能力的作用[7,9]。

蛋白質的分解產物多肽(包括小肽或微肽)是當前研究熱點。多肽比完整的蛋白質更容易消化吸收。運動后不久在消化系統還沒有完全恢復正常工作的情況下補充多肽，可加快肽的酶解和氨基酸的吸收利用，有利于運動相關組織器官的快速修復以及增肌性合成代謝。乳清蛋白水解物的運動實驗結果支持以上結論[10-11]。此外還發現富含L -異亮氨酸和L -亮氨酰 -L -異亮氨酸二肽的乳清蛋白水解產物，有助于促進骨骼肌葡萄糖轉運蛋白(GLUT 4)從細胞核周圍轉位到細胞膜，從而提高GLUT4將肌細胞外葡萄糖轉運進入肌細胞的能力，促進葡萄糖的氧化供能或肌糖原合成[12]。

支鏈氨基酸特別是亮氨酸的研究涉及多方面。補充亮氨酸可以提高運動后骨骼肌肌原纖維蛋白合成的速率。由于亮氨酸約占乳清蛋白氨基酸的10%，可能對乳清蛋白的增肌作用起到非常重要的作用[13]。另外β -丙氨酸對改善肌細胞內運動酸化性疲勞的作用也備受矚目。補充β -丙氨酸可以提高肌肽(carnosine)含量，減輕疲勞和疲勞感，促進恢復，還能增加瘦體重，增加肌肉力量和運動能力[14]。肌肽是由β -丙氨酸和L -組氨酸組成的二肽，具有抗氧化、調節鈣離子、緩沖酸堿的作用[15]。但是β -丙氨酸提高運動能力的效果有限。有分析指出，補充β -丙氨酸似乎只在感官指標和生化指標的層面上顯示運動肌肉疲勞的改善，但在運動成績指標上，效果不太明顯[16-17]。其實對于一種營養素，不要指望能有藥物般的作用。如果有的話，那就不是營養素，而是興奮劑了。引起較多關注的還有β -羥基 -β -甲基丁酸(β -HMB)，它是亮氨酸在體內的代謝產物，補充后可增強骨骼肌蛋白質的合成[18]，改善運動后肌肉的酸痛[19]，有助于增加瘦體重，減少運動引起的肌肉損傷[20]。不過研究顯示，β -HMB的增肌作用，似乎與年齡和運動強度有關，對于運動強度不太大的老年人，效果不明顯[21]。

肌酸是體內天然存在的物質，內源性肌酸在肝臟和腎臟由精氨酸、蛋氨酸和甘氨酸合成。外源性肌酸可從食物的肉和內臟中獲得。肌酸以磷酸肌酸的形式存儲在肌肉中。磷酸肌酸向ADP提供高能磷酸鍵，形成ATP，為骨骼肌收縮提供能量。研究顯示，補充肌酸，對短時間(小于30s)、間歇性、高強度、抗阻性運動有增力作用[22]。肌酸的增力機制包括：增加骨骼肌磷酸肌酸儲存和磷酸肌酸再合成，減少肌肉損傷，減小對無氧糖酵解的依賴，降低乳酸產生[23-24]。薈萃分析(Meta 分析)顯示，口服肌酸與抗阻力訓練同時進行，可使老年增肌和增力的提高更為明顯[25]。研究建議在正常膳食情況下，每天可以補充5 g肌酸，同時配合抗阻力訓練[25-26]。因為補充肌酸可以增肌增力，對于耐力性運動也有益處[22]。肌酸不是興奮劑，服用幾乎沒有副作用。肌酸除了在增肌增力方面的作用外，對認知和心理活動、骨健康、神經肌肉功能和肌肉骨骼損傷修復方面也有積極的作用[27]。因此，肌酸一直是經典的增肌增力方面的運動營養食品成分。

肉堿在體內可通過1分子賴氨酸和3分子蛋氨酸合成，腎臟和肝臟是合成的主要器官，骨骼肌是主要的儲存和使用組織。機體也可從動物性食物獲得肉堿，植物性食物中肉堿含量很低甚至沒有。食物來源的肉堿約占每天需要的1/2～2/3。肉堿最重要的功能是以?；鈮A的載體形式，將長鏈脂肪酸從線粒體外運送到線粒體內，進行β -氧化，提供能量。另外，肉堿使用安全性很高，沒有什么副作用[28]。

一些綜述認為大量運動可以消耗和減少骨骼肌中肉堿含量，補充肉堿可以通過刺激脂肪酸代謝提高運動能力[29-30]。補充肉堿還可以減輕缺氧訓練的有害影響，加速運動應激的恢復[31]，還可減輕急性運動導致的脂質過氧化和肌肉損傷[32]。但也有綜述認為，補充肉堿提高運動能力特別是耐力性運動能力的作用不明顯[28,33]。不過新近對55～70歲的健康老年人聯合補充肉堿、肌酸和亮氨酸的研究顯示出肌量和肌力增加的結果[34]。

1996年我國允許肉堿使用于飲料、乳飲料、固體飲料、餅干和膠囊中，2005年允許用于嬰幼兒配方奶粉，2010年允許用于運動飲料。使用標準應滿足GB 14880—2012《食品安全國家標準 食品營養強化劑使用標準》。除此之外，肉堿還常見用于減肥食品中。

其他氨基酸衍生物或代謝產物作為運動營養食品成分的作用也多有研究，包括谷氨酰胺、酪氨酸、?；撬岬?。

1.2 碳水化合物

碳水化合物是大多數運動的主要供能營養素，補充碳水化合物對保持或提高運動能力的作用已經得到肯定[35]，目前的研究主要集中在補充的時間、劑量、類型、組合等細節上面。運動前通過補充碳水化合物，使肝糖原和肌糖原儲備充分，運動中以糖電解質溶液即運動飲料的形式及時補充碳水化合物，維持血糖的正常并提供一定量的能量物質，均可保持穩定的機能狀態，保證運動能力的正常發揮，延緩或減輕中樞和外周疲勞的發生和程度。運動后立即攝入碳水化合物，有利于肌糖原和肝糖原儲備的快速恢復[36]。

不同組分的小分子糖混合補充，可充分利用腸道不同的消化酶和腸黏膜吸收通道，增加糖分子的整體吸收速度，同時又不使血糖增加過高，引起降糖性內分泌反應，抑制交感—腎上腺系統，影響運動能力。研發運動前和運動中不同類型和分子大小的糖組合配方，有很大的應用價值。

將淀粉等水解為2～10個葡萄糖分子構成的麥芽低聚糖，攝入后可保持腸道較低滲透壓，避免腸道內保留或吸收較多水分。還因分子大小不同致使消化吸收速度不同，可穩定維持血糖濃度，避免血糖瞬間升高，引起降糖性內分泌反應。此類低聚糖營養品運動前和運動中使用較好，單糖可逐步入血，延長供能時間。葡萄糖鏈接的低聚糖一般以淀粉為原料，通過酶解技術制成，具有甜度低、滲透壓低、口感好、保濕性好、不易結晶等特點，可應用于液體和固體運動營養食品。

1.3 脂類

盡管脂肪在運動營養食品中沒有受到過多的關注，但有實驗報告，補充ω -3 多不飽和脂肪酸(ω -3 PUFA)后，青、中年受試者骨骼肌蛋白質合成代謝增強[37-38]。ω -3 PUFA在其中可能起了增敏作用。ω -3 PUFA是細胞膜的重要組分，與脂質信號傳導和細胞膜生物特性調節有關。ω -3 PUFA，特別是EPA和DHA，因其抗炎特性，與心血管健康息息相關[39]。研究報道肌肉減少癥與慢性低度炎癥相關[40]，補充ω -3 PUFA可抵抗慢性炎癥，緩解肌肉減少，對維護心血管和大腦細胞有益處，可改善老年性肌少癥。有研究顯示補充ω -3 PUFA后老年人骨骼肌蛋白質合成代謝增強[41]。每天補充含有2g EPA和DHA的魚油，結合抗阻力練習，老年婦女在90 d后肌肉力量得到增強[42]。不過，有人通過綜述分析得出結論：目前還無法確證補充ω -3 PUFA可以提高運動能力，有關補充ω -3 PUFA可以有效減弱運動性炎癥和免疫調節反應的資料也不夠充足[43]?？梢?，ω -3 PUFA用于運動營養食品的可行性還需進一步探討證實。

另外，脂類中磷脂酸的作用值得關注。已發現磷脂酸可以激活骨骼肌哺乳動物雷帕霉素靶標(mammalian target of rapamycin, mTOR)，刺激骨骼肌蛋白質的代謝，促進肌肉增大和力量增強[44]?？棺枇\動可使骨骼肌細胞內源性磷脂酸直接結合并激活mTOR。細胞實驗顯示外源性磷脂酸也可間接提高mTOR活性。因此，可以通過抗阻力訓練聯合口服補充磷脂酸，同時從內源性和外源性兩個方面，發揮磷脂酸介導mTOR的增肌作用。此外，磷脂酸在老年性肌肉萎縮和疾病性肌萎縮方面，似乎也有改善作用[44]。

1.4 水和運動飲料

盡管許多人不把水納入營養素的范圍，但在運動營養概念中，水的作用卻十分重要，機體良好的水合狀態與運動能力息息相關。我國的運動飲料國家標準規定運動飲料必須含有的基本要素是水和一定含量的碳水化合物、鈉離子、鉀離子[45]。在此基礎上，可根據運動飲料的目標人群，添加其他營養物質或活性成分。運動飲料或可屬于能量飲料或功能飲料的范疇。功能飲料大部分都含有咖啡因和碳水化合物，有的還含有某些氨基酸、維生素、礦物質以及某些植物化學類物質[46]。不管是運動飲料或者功能飲料，主要目的還是補水，同時補充運動中損耗的電解質和能量，以保持運動機體的體溫平衡、水電平衡、酸堿平衡以及能量平衡。運動飲料對維持運動能力以及促進運動后恢復的作用得到一致肯定。目前通用型或大眾性運動飲料早已占據市場，值得開發的是那些特殊型或小眾性的運動飲料，例如針對增肌群體添加以亮氨酸為主的支鏈氨基酸的運動飲料。

1.5 其他

研究發現碳酸氫鈉、檸檬酸鈉、乳酸鈉、乳酸鈣補充劑可增加細胞外液的酸緩沖能力，其中碳酸氫鈉(按0.3 g/(bw·kg))可能是改善高強度運動能力效果最好的。如果碳酸氫鈉聯合β -丙氨酸一起補充，可從細胞外液和細胞內液兩方面同時改善運動性酸積累的問題，從而延緩或減輕疲勞，提高運動能力[47]。

2 活性或功能因子類別

2.1 天然脂解物質

增加運動中或運動后體脂分解能力，是提高耐力運動能力和運動減肥效果的重要一環。研究顯示，動植物中一些天然物質具有刺激脂解的作用，如果與運動聯合，脂解的效應可以累加。此類產品對于減控體重項目的運動員和減肥控體重的普通健身者均具有吸引力。但是，一些脂解物質的真實效果仍然存在爭議。已經發現咖啡因、綠茶提取物(茶堿)、藤黃果提取物(羥基檸檬酸)、辣椒素、人參(皂甙)、絲肽、二十八醇、肉堿、?；撬岬瓤赏ㄟ^增強脂肪分解代謝作用，提高耐力運動能力。其中，以咖啡因和綠茶提取物的作用最為可靠[48]。其他那些宣稱具有脂解作用和提高運動耐力的物質，還需獲得更多的實驗數據和現場數據的支持。

甜菜堿(betaine)是從甜菜分離的甘氨酸的甲基衍生物，在肝臟中代謝為二甲基甘氨酸(dimethylglycine)和肌氨酸(sarcosine)。動物和人體研究表明，甜菜堿對耐力和抗阻力運動有積極作用。此外補充甜菜堿還可以促進減脂或增加瘦體重。不過，也有一些研究報告甜菜堿沒有明顯的作用。研究顯示，甜菜堿的作用可能與促進脂肪分解和抑制脂肪合成有關，機理涉及脂代謝相關蛋白的表達調節、胰島素樣生長因子 -1(IGF -1)和生長激素分泌增加、胰島素受體信號通路激活、肌酸和蛋白質合成增加等過程。甜菜堿的補充劑量為500～9 000 mg/d[49]。

2.2 硝酸鹽

2.3 咖啡因

研究證明，咖啡因在提高運動耐力方面有作用，但在力量型或沖刺型運動方面的結果卻不相一致[59]。研究結果一般認可中、高劑量的咖啡因(5～13 mg/(bw·kg))對運動能力的促進作用，但可能有一些不良副作用。而低劑量的咖啡因(<3 mg/(bw·kg)，約200 mg)也可提高某些運動項目的成績?？Х纫蛱岣哌\動能力的作用與中樞神經系統的興奮刺激有關。使用低劑量咖啡因的副作用極少，還可提高或保持運動期間的警醒、機敏、情緒和思維。但應注意，低劑量咖啡因的效果會因人而異[60]。

綠茶通過作用交感神經系統，引起大腦神經興奮，并使能量物質氧化代謝增強，從而影響運動表現。綠茶有2個主要成分與此作用有關，一個是咖啡因，另一個是兒茶素[61]。

由于咖啡在日常生活中長期食用，人們對咖啡因的安全性一般沒有疑問，導致含有咖啡因的產品越來越多，有飲料、片劑、膠囊、其他固體形式，使用的目的包括減肥、運動助力、提神等。但是作為提取物單體以及與其他提取物混合使用，使得咖啡因可能與咖啡的情況有所不同。有人建議應對長期使用咖啡因的副作用進行深入研究[46]。研究觀察到，兒童少年高咖啡因攝入(> 5 mg/(bw·kg·d))可能增加焦慮等的風險，而低攝入量沒有這樣的副作用，并且可以提高運動能力。證據表明，兒童少年每天的咖啡因消耗量應限制在2.5 mg/(bw·kg·d)，相當于一大杯茶或一小杯咖啡[62]。

國內外研究人員對存在于動植物中潛在的可改善運動能力的活性或功能因子的研發一直在進行。除上述活性因子外，多酚、皂苷、黃酮等活性成分的研究也開展較多。

3 研究方向展望

3.1 發酵食品活性物質

已經發現一些發酵類食品具有運動營養食品的功能作用[63]。有人觀察到牛奶[64-65]、土豆[66]、豆漿[67]、木瓜[68]、豬胎盤[69-71]、大米糠[72]、紅景天[73]、鹿茸[74]等發酵食品或提取物有改善運動能力的作用。發酵食品的原料來源廣泛多樣，幾乎可以囊括所有食物和某些非食物，可供發酵的微生物也種類繁多。食物發酵后，可產生一些原料食物中沒有的新物質?？梢赃x擇、嘗試不同的有益發酵微生物對不同食品進行發酵，從中發現有潛力的活性成分，成為運動營養食品的新資源。

3.2 海洋來源的活性物質

從海洋生物中尋找、提取活性物質是另一個方向。已經研發的海洋活性物質包括環氧合酶抑制劑、海洋類固醇、大環內酯類、抗氧化劑、產熱物質、改善免疫力和軟骨保護的物質、幾丁質、殼聚糖、ω -3 UPFA等[75]。對肌肉酸痛有作用的海洋性活性物質有雨生紅球藻(Haematococcuspluvialis)中的蝦青素，螺旋藻(Spirulina)中的藻藍蛋白[75-76]?？寡趸?、抗炎作用的海洋性活性物質有雨生紅球藻中的蝦青素，螺旋藻中的藻藍蛋白，蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)中的葉黃素和玉米黃質，鹽生杜氏藻(Dunaliellasalina)中的β -胡蘿卜素, 魚腥藻中的超氧化物歧化酶，節旋藻(Arthrospira)中的γ -亞麻酸，Stylocheiluslongicauda中的大環內酯類化合物，紫球藻(Porphyridium)中的γ -氨基丁酸等[75-78]。促進脂肪動員的海洋性活性物質有裙帶菜(Undariapinnatifida)中的墨角藻黃素(fucoxanthin)[75,79]?？沟鞍追纸?，提高肌肉功能的海洋性蛋白質有杜氏藻(Dunaliella)和節旋藻(Arthrospiraplatensis)中的蛋白質, 鞭金藻(I.galbana)中的碳酸酐酶蛋白質[75-76]等。

3.3 功效成分的組合配方

利用已知的營養功效成分，設計具有特定作用的運動營養食品組合配方，是當前研發的重點。運動往往涉及機體的諸多代謝通路，也涉及多種營養物質或功效成分的消耗。補充運動營養食品必須考慮相關營養物質和功能因子的同時應用。設計合理的組合配方運動營養食品可以起到事半功倍的效果。例如運動飲料就是一種配方運動營養食品。再例如，運動時氧消耗增加，氧代謝增強，活性氧等自由基大量生成。同時，機體的抗氧化防御機制適應性上調，以抑制氧化應激。通過長期鍛煉適應，隨著機體的抗氧化應激機制逐漸增強，氧化應激反應會有所下降。在此過程中，適時適量補充抗氧化營養素如維生素E、維生素C、β -胡蘿卜素、鋅、銅、硒以及其他抗氧化活性物質如番茄紅素等，則對機體抗氧化和抗氧化適應產生有利作用。這些抗氧化物質往往在不同的途徑和層面對抗自由基，相互不可替代，最好補充齊整。這就要求針對性設計具有適當劑量功能成分的抗氧化運動營養配方食品。還有含有優質蛋白質、亮氨酸和肌酸的老年增肌配方食品，碳酸氫鹽(細胞外液抗酸)和β -丙氨酸(細胞內液抗酸)聯合組方的抗酸運動營養食品[80]等。另外，運動性損傷康復的組方營養食品市面上也比較少見，值得研發。

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(責任編輯：李 寧)

Research Progress on Nutritional Components and Functional Factors in Sports Nutrition Food

AI Hua, CHANG Cuiqing

(NutritionSection,InstituteofSportsMedicine,PekingUniversityThirdHospital,Beijing100191,China)

Sports nutrition food is defined as food that meet the physiological metabolism, exercise ability and special needs for certain nutrients of exercisers. With the improvement of people’s awareness of health concept and extensive participation in various exercise training, sports nutrition food market is also growing. In this paper, the research status and progress of some important hotspot nutrients and functional factors in the current sports nutrition food are reviewed, and the potential research and development direction is forecasted in order to provide clues and ideas for the development of sports nutrition food in China.

sports nutrition food; nutritional components; functional factors

2017 -04 -21

國家重點研發計劃項目課題(2016YFD0400603)。

艾 華，男，研究員，博士，博士生導師，主要從事運動營養的研究和臨床工作。

10.3969/j.issn.2095 -6002.2017.03.002

2095 -6002(2017)03 -0016 -09

艾華，常翠青. 運動營養食品中營養成分和功能因子研究進展[J]. 食品科學技術學報，2017,35(3):16-24.

AI Hua, CHANG Cuiqing. Research progress on nutritional components and functional factors in sports nutrition food[J]. Journal of Food Science and Technology, 2017,35(3):16-24.

TS201.4

A

專家論壇專欄

編者按：運動可以改善體質、增進健康，隨著居民健康意識的增強，運動健身已經成為人們日常生活的一部分。配合運動，食用針對不同運動性質、不同人群狀況的運動營養食品，可以起到減輕運動損傷、促進運動恢復、提高運動成績的效果。為此，本期欄目特邀專家對運動營養食品中營養成分和功能因子、骨膳食營養補充劑的發展現狀和研究進展進行系統闡述，希望為運動營養食品的開發提供理論指導，為公眾了解運動營養食品知識提供有益幫助。

(欄目策劃：李 寧)