生酮飲食控體重及對競技運動表現的影響

余今紅 劉 軍

(1.西安體育學院 研究生部, 陜西 西安 710068;2. 西安體育學院 運動與健康科學學院, 陜西 西安 710068)

生酮飲食(Ketogenic Diets, KD)是指飲食中碳水化合物(Carbohydrate，CHO)攝入<50 g/d，或CHO供能百分比在總熱量的10%以內，以極低碳水化合物和高脂肪為特點的飲食策略，可作為多種疾病的輔助治療措施[1].

KD最早用于治療癲癇，通過誘導酮癥，減緩患者的發作頻率，改善認知功能[2].后來研究發現其對癌癥、多囊卵巢綜合征、痤瘡、阿爾茲海默癥以及2型糖尿病(Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM)等疾病有良好的治療效果[3].近年來，KD因其減重效果好，且以消耗脂肪為主的代謝特點被運動員所關注，在限體重或者需要通過體重取得相對優勢的運動項目中，許多運動員希望通過這種飲食方法快速降體重，從而獲得更好的運動表現.人體脂肪儲備遠大于糖貯備，且理論上沒有上限，可作為長時間耐力運動時的燃料底物.然而，KD同時也可能因降低了機體利用CHO的能力而損害運動表現[4].本文將從KD的生理生化機制和在競技體育中對體重控制及運動表現的影響等幾個方面就國內外相關研究進行梳理總結，為KD在競技體育中科學合理的使用提供理論參考.

1 KD的生理生化機制及分類

KD通過嚴格控制CHO的攝入，增加脂肪攝入利用使機體供能方式發生改變，產生酮血癥.

1.1 KD的生理生化機制

正常情況下，CHO是機體能量產生最主要的來源.然而，當每天攝入CHO<50 g時，胰島素分泌減少，身體進入分解代謝狀態.當體內CHO可用性降低時，體內甘油、乳酸、丙酮酸及生糖氨基酸等非糖物質通過糖異生途徑內源性生成葡萄糖提供能量；當機體糖的可利用性進一步下降時，內源性糖生成不能滿足機體能量所需，脂肪代謝開始生成酮體供能，此時，酮體代替葡萄糖成為體內最主要的能量來源.

酮體包括乙酰乙酸(Acetoacetata，AcAc)、β-羥丁酸(β-Hydroxybutyrate，β-HB)和丙酮，在體內是由脂肪酸在肝線粒體內不完全氧化產生.β-HB是體內含量最多的循環酮體，當被腦、心肌、骨骼肌等肝外組織利用時，β-HB就會通過一系列反應轉化為乙酰CoA，進入三羧酸循環(Tricarboxylic Acid Cycle，TAC)進行徹底氧化釋放ATP供機體利用.

1.2 KD的分類

KD主要原理是模擬機體饑餓代謝過程，讓機體進入營養性酮癥狀態.根據宏量營養素的不同配比，可將KD進行分類(見表1).

表1 KD分類[5-7]

此外，將每天熱量攝入控制在700 kcal～800 kcal以內的稱為極低熱量生酮飲食(Very Low Calorie Ketogenic Diet, VLCKD)，其特點是每天攝入碳水化合物低于50 g，脂肪低于40 g[8]，可以用于選擇KD治療的T2DM患者，治療效果較為顯著[9].

2 KD在體重控制中的應用

與低脂飲食相比，KD體重減輕效果更顯著[10]，其可能的機制是改變能量代謝底物適應、調節食欲控制相關因子、改善胰島素抵抗等，可作為治療肥胖、T2DM等代謝性疾病的輔助治療措施.

2.1 KD控體重對肥胖的影響

限制熱量飲食會加強進食欲望，降低減肥效果.研究證明，刺鼠相關蛋白(Agouti-Related Peptide, AgRP)神經元的急性激活可迅速誘導進食，其功能失調可能會誘發肥胖，機體在能量負平衡或禁食條件下，血漿瘦素濃度降低，激活位于下丘腦弓狀核(ARC)的AgRP神經元釋放AgRP促進食欲[11].但在KD期間，機體能量沒有被嚴格限制，因瘦素下降對AgRP的激活作用解除，減少了進食欲望[12].

研究表明，20名肥胖患者在4個月VLCKD后，其內臟脂肪含量及身體質量指數(BMI)顯著降低，且在最大酮癥期間，患者β-HB濃度與食欲和饑餓感呈負相關[13].另外，對93名肥胖患者進行3個月的VLCKD干預后，發現10%的肥胖患者體重減輕了5%～10%，超過24.2%的患者體重減輕了20%，肥胖患者的空腹血糖和糖化血紅蛋白(HbA1c)值顯著降低，短期KD治療肥胖是安全、可行、有效的輔助方法[14].

KD減輕體重主要是減少體內脂肪含量，此外，KD誘導肝臟成纖維細胞生長因子21(FGF21)表達增高，提高FGF21循環水平，這有利于脂肪氧化和減少脂肪生成及脂蛋白組裝[15].

2.2 KD控體重對2型糖尿病的影響

肥胖是誘發T2DM的主要危險因素.據報道，肥胖患者體重減輕5%可改善脂肪組織、肝臟和肌肉胰島素敏感性和胰腺β細胞功能[16].良好的體重控制不僅可以改善血糖水平和胰島素敏感性，還可以減少超重或肥胖T2DM患者對抗糖藥物的依賴[17].研究表明，超重或肥胖T2DM患者可以通過KD策略改善代謝相關指標以及減少降糖藥物的使用[18]，KD策略在肥胖T2DM患者體重減輕方面的效果優于其他飲食策略.

SUMEI等[19]進行了一項隨機對照試驗，對新診斷的超重或肥胖T2DM患者進行了3個月的KD或糖尿病飲食，3個月后兩組患者體重、BMI、膽固醇、空腹血糖、空腹胰島素以及HbA1c均下降，與糖尿病飲食組相比，KD組體重、血脂和血糖下降更顯著，該研究另外一個亮點是有一些新診斷的超重或肥胖T2DM患者并沒有采用抗糖藥物控制血糖，而是僅通過KD控制血糖即取得較好控制效果.另一項研究表明[20]，對超重T2DM患者至少進行3個月低碳高脂飲食(CHO≤20 g/d)或糖尿病飲食干預后，發現低碳高脂組伴隨著體重的顯著下降HbA1c水平下降，但糖尿病飲食組HbA1c水平以及體重并沒有明顯下降，低碳高脂組中需要胰島素治療的患者，有36.8%的患者停用了胰島素注射，63.2%的患者減少了胰島素注射劑量.KD降低了HbA1c水平可能是通過嚴格限制CHO的攝入，減少了腸道對單糖的吸收，從而降低血糖水平以及減少血糖波動[21].

3 KD在競技體育中的應用

KD策略因其控體重效果顯著，越來越多的研究探索KD在競技體育中的潛在應用.KD對控體重項目的運動員體重控制效果較好，可以提高肌肉的脂肪利用率和耐力運動員的有氧能力，有利于提升耐力運動表現，但在提升爆發力運動表現方面仍有爭議.

3.1 KD對控體重項目的影響

對于需要通過減重獲得參賽資格或優異運動表現的項目，大多運動員都會采用脫水或限制飲食等方法進行賽前快速降體重，過度脫水和不科學的限制飲食會影響運動員的競技能力[22].在一項對9名柔道運動員賽前7天脫水后觀察其體重變化及對機體影響的研究中，測定干預后脫水組的體重及尿比重等指標，發現脫水組的體重明顯下降，尿比重從1.014±0.003升高至1.029±0.002，在進行最大握力測試及柔道專項測試時，其力量表現均有所下降[23]，原因可能是隨著脫水程度增加會導致每搏輸出量和骨骼肌血流量減少，從而導致運動能力下降[24].此外，采用限制飲食減輕體重可能降低運動員認知能力，不利于比賽期間運動表現[25].8名高水平柔道男性運動員進行賽前7天降體重，采用前6天每天減少35%熱量攝入和稱重日禁食的減重策略，發現運動員體重下降，血清肌酐值顯著升高，表明嚴格限制食物和液體的攝入會損害腎功能[26].KD以其限制或不限制熱量的特點，保證機體攝入充足的蛋白質及微量元素，以防引起礦物質、維生素等必需營養素的缺乏，造成運動能力下降[27].

3.1.1 控制效果

研究表明，短期限制碳水化合物飲食(CRD, CHO<50 g/d)可以降低抗阻訓練人群的體重，同時提高其力量表現.JASON等[28]選取至少有2年自由力量訓練(每周≥2次)的受試者進行7天CRD(CHO<50 g/d)或習慣性飲食實驗，結果發現：與習慣性飲食組相比，CRD組體脂和體重顯著降低(P<0.05)，每天能量攝入自發減少了314.4 kcal，同時，相比于習慣飲食組的握力(46.93±1.23 kg)、縱跳(52.65±1.36 cm)、深蹲(117.84±5.45 kg)成績，CRD組分別平均提高了2.6 kg、1.2 cm、0.94 kg.另有研究證實[27]，3個月KD可以減輕舉重運動員體重，且不損害比賽成績.在KD開始階段，機體每天需要消耗60 g～65 g糖，其中，甘油通過糖異生途徑提供機體16%的糖，而主要的糖是由食物或組織蛋白質經糖異生轉化提供[29]，同時因為蛋白質比CHO或脂肪更有飽腹效應[28]，使機體饑餓感減弱從而減少總能量的攝入，達到減重效果.

3.1.2 適用范圍

KD在運動員控體重方面具有良好效果，同時可能具有保持瘦體重或運動表現的作用.然而，對于追求增長瘦體重的運動員而言，KD可能并不適合.正常情況下，肌肉在受到機械應激時，會誘導由胰島素樣生長因子1 (IGF-1)介導的合成代謝反應.在肌肉進行抗阻運動時，局部肌肉和脂肪會釋放機械生長因子MGF(IGF-1的剪接變異體)，與肌肉衛星細胞上的IGF-1受體(IGF-1R)結合，可以激活下游通路促進蛋白質合成[29].然而，血清β-HB的升高會抑制IGF-1，從而下調 IGF-1下游通路，不利于能量充足時肌肉生成[30].對19名自然健美運動員進行KD(CHO占每日總攝入量的5%以內)或西方飲食(WD，CHO占每日總攝入量的55%)干預，且兩組運動員的蛋白質攝入量均維持在2.5 g/kg/d，同時結合力量訓練，2個月后，發現KD組體重下降1%，瘦體重無改變，WD組體重增加2%，瘦體重顯著增加(P<0.05)，與WD組相比，KD組體脂降低更顯著(P<0.05)，KD可以降低健美運動員的體脂，但同時也會減弱高蛋白質飲食與抗阻訓練結合帶來的肌肉肥大效應[31].因此，KD可能不適合想要增加肌肉的運動員，同時建議使用KD控體重的運動員，在保證酮癥的情況下，提高飲食中蛋白質的攝入，緩沖KD降低肌肉肥大的效應.此外，至少應該在賽前5～6天使用KD[32]，以減輕KD使用初始階段可能會出現的頭暈、疲勞、運動能力下降等暫時性“酮流感”癥狀[33].

3.2 KD對運動表現的影響

傳統的運動營養指南推薦運動員使用高碳水化合物飲食策略，然而，有越來越多的耐力運動員使用KD策略[34].長時間持續性的耐力運動會受到內源性CHO的限制，需要在運動時補充外源性CHO，KD可以增加內源性脂肪的氧化，從而降低機體對內源性CHO的依賴[35].由長時間力竭運動導致外周糖原利用及腦能量消耗增加，使腦內葡萄糖和糖原儲存下降，會引發機體運動能力下降[36]，酮體可通過單羧酸轉運蛋白穿過血腦屏障，為大腦提供供能底物[37].

3.2.1 耐力項目

目前，KD對提高耐力運動員運動表現仍有爭議，現從酮適應時間、運動強度及生酮期間對CHO的補充三個方面進行分析.

3.2.1.1 KD酮適應時間對耐力運動表現的影響

研究發現，中/長期(>3周)的KD有益于提高耐力運動員的運動表現.如精英耐力運動員(包括鐵人三項、自行車、馬拉松、超級馬拉松)進行12周酮適應(CHO∶蛋白質∶脂肪=6%∶17%∶77%)和運動訓練后，發現有6名運動員100 km計時賽(TT)比干預前用時更少，在臨界功率測試(CPT)中，KD組的峰值功率增加了1.4 W/kg，同時觀察到運動員的氣體交換率(RER)顯著下降[34]；但也有研究表明，休閑競技跑步運動員經過4天酮適應后降低了5 km計時賽成績[38].說明中/長期酮適應可以改善耐力運動員的身體成分，提高運動中脂肪氧化速率，可能有利于提高耐力運動員的運動表現，但短期使用可能會影響其運動表現.

3.2.1.2 KD對不同運動強度耐力運動表現的影響

研究證明，在中等強度運動中，長期酮適應可提高脂肪氧化率，同時也保持了在極低CHO攝入的情況下正常的糖原濃度，但酮適應后運動氧耗的增加可能會損害長時間高強度耐力運動的運動效率.對10名超耐力運動員進行平均20個月的低CHO飲食(LC，CHO占總熱量的10%)，發現LC組脂肪氧化峰值是高CHO飲食(HC)組的2.3倍，在LC組中的脂肪氧化峰值的VO2max%也更高，且在安靜狀態下和以64%VO2max強度下運動3 h后，肌糖原濃度與HC組相似，運動后2 h恢復期間糖原的合成率無變化[39].據報道，在優秀競走運動員3周的強化訓練期間，采用低CHO高脂肪(<50 g/d)飲食后，發現運動員在分級經濟試驗的第2階段(80%VO2max)和第4階段(85%～90%VO2max)以及在25 km持續強度訓練的測試期間，運動員全身脂肪氧化率明顯增加的同時CHO利用率顯著降低，這損害了運動員在高強度運動下運動經濟性[40].但有研究表明，長時間KD在高強度運動中不會降低運動表現，休閑跑步運動員在14天或更長的酮適應后，發現低碳高脂組(CHO<50 g/d)以80%VO2max強度進行5 km計時賽的運動表現與HC組的運動表現相似，低碳高脂組在相同強度的運動中保持了脂肪和碳水化合物高速率氧化的能力，運動能力得以保持[38].

3.2.1.3 KD結合高CHO飲食對耐力運動表現的影響

周期性生酮飲食是在生酮飲食周期和高CHO攝入周期之間交替進行，期間高CHO攝入被認為是為補充肌糖原以保持運動表現[7]，但有研究者[32]表明高水平競走運動員5～6天酮適應后在賽前補充CHO(賽前24 h攝入CHO占熱量65%的高碳水飲食及賽前2 h補充2 g/kg的CHO)之后，運動員10 km成績下降了2.2%；另有一項研究表明[41]，3.5周的低碳高脂飲食(CHO<50 g/d)結合2.5周的高碳水化合物飲食后，高水平競走運動員在20 km比賽中的運動表現并無提高.實際上，在山地自行車、鐵人三項等耐力及超耐力比賽中，需要高脂肪氧化能力延長運動時間，同時也需要高CHO利用率維持較高的肌肉輸出功率進行沖刺、爬坡等短暫的高強度運動[42].KD有益于耐力運動項目脂肪氧化能力，但會損害高強度耐力運動下機體利用CHO的能力，即便與高CHO飲食相結合，也不利于運動表現的提升.

3.2.2 爆發力項目

KD可作為舉重、跆拳道等運動員賽前控體重的一種膳食選擇，但KD對力量訓練個體的身體成分及運動表現的實際影響仍有爭議.

有研究表明，KD有利于改善爆發力運動表現.如對10名跆拳道運動員進行3周KD(CHO∶蛋白質∶脂肪=4.3%∶40.7%∶55%)干預后，其體重、體脂率均有顯著下降(P<0.05)，2 000 m跑測試表現及抗疲勞表現提升，KD組背部肌肉力量和仰臥起坐數量增加，說明KD有利于提高跆拳道運動員有氧能力及抗疲勞能力[43]；在女性運動員8周訓練期間進行KD(CHO約30 g/d～40g/d，蛋白質>1.7g/kg/d)后，其深蹲(1RM)表現提升，改善了反向跳躍CMJ測試成績[44].有研究表明，KD對爆發力運動表現沒有影響，對高水平舉重運動員進行12周低碳水化合物生酮飲食后，保持了與正常飲食組相似的比賽成績[27]，8名高水平藝術體操運動員進行30天的KD(CHO<20 g/d)，并補充維生素-礦物質補劑及蛋白質(2.8 g/kg/d)，保持了與正常飲食相似的身體運動表現[45].但也有研究表明，KD不利于提升爆發力運動表現，有訓練習慣的運動員經歷4天LC(CHO<50 g/d)飲食后，清晨空腹尿液pH值降低，在Wingate測試中，與高CHO飲食相比，LC組峰值功率下降7%，YO-YO測試的跑步總距離下降15%，推測出現這樣的結果一方面是由于酮適應時間太短，不足以完成完整的生酮代謝調整；另一方面，極低碳水化合物導致的生酮增加造成了輕度亞臨床酸中毒，在高強度運動中無氧供能能力受到限制，因此LC(CHO<50g/d)飲食加速了疲勞的發生，并損害了高強度無氧運動中的表現[46].

4 總結

與傳統的高CHO飲食相比，KD以脂肪氧化代謝供能為主，在治療T2DM及肥胖等疾病領域具有一定治療效果.在競技體育領域，KD在運動員體重管理、提高耐力運動員運動表現等方面被嘗試使用.中/長期酮適應可以提高耐力運動員在中等強度運動時的脂肪氧化能力，延長運動員運動時間，但酮適應改變了糖氧化時所需的酶活性，降低了CHO氧化速率，損害了一定階段內的沖刺、爬坡等能力，可能不利于長時間高強度耐力運動.對于需要賽前控體重項目的運動員，嘗試使用KD應在賽前5～6天使用，避免“酮流感”期間產生的不良反應影響運動表現.目前，KD在競技體育運動中的研究仍然有限，在未來，需要對KD如何在控體重的同時不影響運動員運動表現，KD如何平衡高強度運動下CHO利用率、延長中等強度運動時脂肪供能仍需進一步研究.應特別注意在嘗試使用KD時有必要讓教練、營養師等管理人員了解KD的優點及缺點，以采用正確方法促進機體進入酮癥狀態，發揮其最大作用的同時，避免負面影響.