含咖啡因口香糖对训练有素男性运动员在感知调节骑行中外部做功的增强作用

《Nutrients》：Caffeinated Gum Enhances External Work During Perceptually Regulated Cycling in Well-Trained Male Athletes

　　

摘要

背景：咖啡因可能降低主观用力程度（RPE）评分或在给定RPE下提高功率输出，但含咖啡因口香糖在感知调节运动期间是否产生这些效应仍不明确。目的：本研究检验含咖啡因口香糖是否在训练有素男性运动员中以调节RPE方式骑行时增加自选输出。方法：12名训练有素男性运动员（年龄：21 ± 2岁；体重：77.3 ± 6.0 kg；VO_2peak：47 ± 4 mL/kg/min）完成随机、双盲、安慰剂对照交叉试验，试验间隔7天。运动员在RPE 4和RPE 7（0–10 OMNI量表）两个10分钟骑行阶段前咀嚼含咖啡因口香糖（6 mg/kg）或安慰剂15分钟。测量踏频、功率输出、氧摄取量、心率和血乳酸浓度。结果：含咖啡因口香糖显著增加踏频（RPE 4：72 ± 7 vs. 66 ± 10 rpm，p = 0.02；RPE 7：77 ± 9 vs. 71 ± 11 rpm，p = 0.04）、总功（53 ± 10 vs. 48 ± 10 kJ，p < 0.01；87 ± 12 vs. 77 ± 14 kJ，p < 0.01）、平均功率输出（88 ± 16 vs. 79 ± 16 W，p < 0.01；146 ± 20 vs. 129 ± 24 W，p < 0.01）和峰值功率输出（97 ± 18 vs. 88 ± 17 W，p < 0.01；166 ± 27 vs. 147 ± 29 W，p = 0.01）。咖啡因条件下两个RPE阶段的氧摄取量也更高，RPE 4（1.58 ± 0.12 vs. 1.42 ± 0.16 L/min，p = 0.005）和RPE 7（2.17 ± 0.25 vs. 2.01 ± 0.22 L/min，p = 0.045），而心率和血乳酸浓度在两种条件间无显著差异（p > 0.05）。结论：含咖啡因口香糖（6 mg/kg）在规定RPE下增强自选骑行做功，表明其改变训练有素男性的感知调节运动强度。

研究背景与问题

咖啡因作为运动增强剂在运动员中日益普及，其便利性、快速吸收及明确的运动表现益处已被广泛认可，其作用主要归因于对中枢腺苷A1和A2A受体的拮抗。通过阻断腺苷介导的信号传导，咖啡因可能调节神经元活动、觉醒状态及疲劳相关过程，进而影响运动相关感知，包括减弱运动中的疼痛感知及降低给定负荷下的主观用力程度（RPE）。RPE是运动员和教练用于制定和监控运动强度的常用指标，常用Borg 6–20量表和OMNI 0–10量表评估。感知调节运动要求个体根据预设感知目标调整负荷，与固定负荷运动不同。鉴于咖啡因可能在固定强度运动时降低感知用力，个体在摄入咖啡因后可能将给定负荷感知为更轻松，从而在达到规定RPE前增加自选负荷，可能在等效感知强度下产生更大机械功率。然而既往研究结果并不一致：Langford等报道6 mg/kg咖啡因使OMNI RPE 4和7下20分钟骑行自选负荷分别增加约17%和16%；Cole等在Borg 6–20量表RPE 9、12、15下30分钟感知调节骑行中未发现负荷显著变化；Mask等在有低习惯性咖啡因摄入的休闲活动女性中未观察到含咖啡因口香糖（4.8 ± 0.7 mg/kg）对RPE 4和7自选踏频的显著益处。这些差异可能源于咖啡因给药方式、受试者特征、运动方案、RPE量表和结局指标的差异，且Borg与OMNI评分因感知锚点不同不可直接互换，自选踏频也不必然反映机械功率输出。因此，含咖啡因口香糖对训练有素男性运动员感知调节骑行中客观机械输出及相关生理反应的影响证据有限，明确咖啡因引起的自选负荷变化及相关生理反应对解释和应用基于RPE的运动处方具有重要意义。本研究检验含咖啡因口香糖摄入是否改变训练有素男性在RPE 4和7骑行时的自选功率输出及相关生理反应，假设与安慰剂相比，含咖啡因口香糖将在两个RPE阶段增加自选骑行功率（包括峰值功率输出PPO和平均功率输出MPO），并伴随与更高外部负荷一致的心肺反应增强；未就效应幅度在RPE 4与RPE 7间是否存在差异提出方向性假设。

关键技术方法

本研究采用随机、双盲、安慰剂对照交叉设计，12名训练有素男性运动员（Tier 3国家级，篮球8名、足球2名、橄榄球2名，均为低习惯性咖啡因消费者）完成5次实验室访问，包括VO_2peak评估、两次熟悉化和两次主要试验，试验间隔7天、同一时间进行。运动员咀嚼含咖啡因口香糖（6 mg/kg，Military Energy Gum）或外观匹配安慰剂15分钟后，在固定阻力下通过自选踏频完成RPE 4和RPE 7（OMNI 0–10量表）各10分钟骑行，阻力在熟悉化期间个体化确定后跨试验固定。采用代谢车（Metalyzer 3B）逐次呼吸测量气体交换变量，心率监测仪记录心率，Biosen C-Line分析仪测定血乳酸浓度，数据以双因素重复测量方差分析处理。

研究结果

机械输出变量：踏频显示显著的 condition 主效应（F = 8.598，p = 0.014，partial η² = 0.439），咖啡因条件在RPE 4（72 ± 7 vs. 66 ± 10 rpm；p = 0.020）和RPE 7（77 ± 9 vs. 71 ± 11 rpm；p = 0.035）均显著高于安慰剂。PPO在咖啡因条件下RPE 4（97 ± 18 vs. 88 ± 17 W，p = 0.003）和RPE 7（166 ± 27 vs. 147 ± 29 W，p = 0.009）均显著更高。总功在RPE 4（53 ± 10 vs. 48 ± 10 kJ，p = 0.008）和RPE 7（87 ± 12 vs. 77 ± 14 kJ，p = 0.006）均更大。与总功一致，MPO在RPE 4（88 ± 16 vs. 79 ± 16 W；p = 0.008）和RPE 7（146 ± 20 vs. 129 ± 24 W；p = 0.006）均显著更高。

生理反应：VO₂在咖啡因条件下RPE 4（1.58 ± 0.12 vs. 1.42 ± 0.16 L/min，p = 0.005）和RPE 7（2.17 ± 0.25 vs. 2.01 ± 0.22 L/min，p = 0.045）均显著高于安慰剂，预测正常VO₂百分比亦在RPE 4（F = 12.283，p = 0.005，partial η² = 0.528）和RPE 7（F = 4.934，p = 0.048，partial η² = 0.310）显著更高。血乳酸浓度在RPE 4或RPE 7均无显著条件间差异（均p > 0.05），心率亦无显著差异（均p > 0.05）。在RPE 4，重复测量方差分析显示相对VO₂（F = 11.395，p = 0.006，partial η² = 0.509）、VE（F = 5.406，p = 0.040，partial η² = 0.330）、VCO₂（F = 8.123，p = 0.016，partial η² = 0.425）和BF（F = 5.021，p = 0.047，partial η² = 0.313）存在显著处理效应，TV呈临界显著趋势（F = 4.841，p = 0.050，partial η² = 0.306）。在RPE 7，通气当量CO₂存在显著处理效应（F = 6.113，p = 0.031，partial η² = 0.357），相对VO₂呈临界趋势（F = 4.823，p = 0.050，partial η² = 0.305）。总体VO₂在咖啡因条件显著更高（F = 9.053，p = 0.012，ηp² = 0.451），相对VO₂、TV、VCO₂和通气当量CO₂呈类似升高（均p < 0.05）。两个RPE阶段生理变量均未观察到显著条件×时间交互作用（均p > 0.05）。

达成的主观用力程度：两个运动阶段中达成RPE值始终维持在规定目标，咖啡因和安慰剂条件下RPE 4阶段均为4.0 ± 0.0，RPE 7阶段均为7.0 ± 0.0。

讨论与结论

本研究首次评估含咖啡因口香糖对训练有素男性运动员感知调节运动（RPE 4和RPE 7）中运动表现和生理反应的影响。主要发现表明含咖啡因口香糖显著增加踏频、PPO、MPO和总功，VO₂、TV、预测正常VO₂百分比和VCO₂亦显著升高，结果部分支持假设。在机械输出方面，本研究发现与Mask等不同，后者在有不同习惯性咖啡因摄入的休闲活动女性中未观察到含咖啡因口香糖对RPE 4或7踏频的效应；差异可能反映受试者特征、训练状态、习惯性咖啡因暴露和性别相关咖啡因药代动力学差异，但这些因素未经直接检验，应视为潜在而非确定性解释。含咖啡因口香糖在两个RPE阶段使PPO和MPO提高约10–13%，提示咖啡因使受试者在相同规定RPE下自选更大机械输出，与Langford等报道的约16–17%增加一致但幅度略小；然而缺乏方案特异性信度数据限制了判断这些变化是否超出正常测量变异的能力。感知调节骑行允许受试者调整机械输出以维持规定感知目标，若咖啡因降低给定负荷的感知用力，受试者可能选择更高功率以达到相同目标RPE，从而增加生理需求。观察到的改善可能部分由咖啡因中枢效应解释：通过拮抗腺苷受体，咖啡因可能调节神经元兴奋性并减弱运动相关不适，使运动员在相同RPE下选择更大机械输出；尽管运动相关不适与感知用力是不同构念，中枢运动指令相关信号可能参与意识用力感知。咖啡因也可能影响神经肌肉功能，但单纯骑行功率增加并不能确立中枢运动驱动或运动单位募集增加；Duncan等报道咖啡因摄入后主观投入心理和身体努力的准备度更高，提示动机状态变化也可能参与自选负荷增加，但这些机制仍属推测，因本研究未直接评估神经激活、运动驱动和运动相关不适。在生理反应方面，咖啡因条件下心率在两个RPE阶段略高但差异无统计学意义，与Langford等观察一致；Green等报道感知调节跑台运动中心率差异接近统计显著；Robertson等提出呼吸相关信号可能参与感知用力，但其相对重要性尚不确定。咖啡因条件下更高的VO₂和TV应在更大自选机械输出背景下解释：更高骑行功率通常需要更大代谢能量周转和氧需求，表明相同规定RPE目标不必然对应等效生理应激；由于条件间负荷未匹配，这些反应可能主要反映更大机械输出相关的代谢需求增加而非咖啡因直接生理效应。尽管咖啡因摄入后机械输出更大，血乳酸在条件间保持相似，这可能反映乳酸产生、转运、氧化和清除之间的复杂平衡，且采血时机可能影响观察结果，因此血乳酸无显著差异不应解释为代谢效率改善或底物利用改变的证据。RPE 4与RPE 7间差异应谨慎解释，因固定阶段顺序可能引入累积疲劳效应。局限性包括：实验设计限于急性、短时（10分钟）次最大骑行，结果不能外推至力竭性运动表现或长期训练适应；运动模式限制自调节强度，阻力固定于约50%和70% VO_2peak而踏频可自由调整，无法调整阻力可能限制结果对真实配速策略的适用性；RPE 4总在RPE 7之前，运动强度与阶段顺序及潜在累积疲劳混杂，两个RPE阶段不应视为完全独立；未建立OMNI RPE 4和7机械输出的方案特异性重测信度和最小可检测变化，尽管完成两次熟悉化，缺乏信度数据限制判断观察到的改善是否超出典型测量变异；样本量计算基于与最终分析不同的重复测量方差分析结构，可能影响统计效力；缺乏直接血浆游离脂肪酸测量限制代谢反应机制理解；逐次呼吸数据未进行伪迹去除可能增加时间过程分析中偶发测量伪迹影响；回顾性注册（ISRCTN13801569）而非前瞻性注册仍属方法学局限；受试者仅为活跃男性，结果不能广泛外推至女性人群。实践意义方面，含咖啡因口香糖可能改变感知用力与外部负荷间关系，本研究中咖啡因使相同规定RPE下机械输出增加约10–13%，提示运动员可在感知用力未相应增加情况下完成更多外部做功；教练和从业者在制定、监控或比较基于RPE的训练课时应考虑咖啡因摄入，因相同RPE在咖啡因和非咖啡因条件下可能不反映等效外部负荷；但鉴于缺乏方案特异性信度数据，这些发现应谨慎解释，适用性主要限于摄入提供6 mg/kg咖啡因的含咖啡因口香糖后进行短时骑行的年轻、训练有素、低习惯性咖啡因摄入男性。结论：本研究证明6 mg/kg含咖啡因口香糖增加训练有素男性感知调节骑行中的自选机械输出，表现为踏频、PPO、MPO和总功更大；这些变化伴随更高VO₂和TV，尽管这些生理差异可能部分反映更大外部负荷而非咖啡因直接效应。总体而言，含咖啡因口香糖可能改变感知用力与外部负荷间关系，使短时次最大骑行中在相同规定RPE下实现更大机械输出。