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(報告書不得少於 10 頁)
104 年度激勵師生研究計畫補助 教師研究類研究計畫成果報告書
豆漿合併支鏈胺基酸增補對低氧狀態下耐力運動表現之影響
執行期限：104 年 6 月 1 日至 104 年 11 月 30 日
主持人：廖翊宏 執行單位名稱：運動保健系
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一、摘要
為瞭解低氧運動期間給予不同營養補充模式是否有助於延遲運動疲勞發生，並進而促進 運動恢復。本研究將在常壓低氧狀態下進行長時間耐力運動，並在運動時與運動後恢復期給 予安慰劑、醣類飲料、醣類合併支鏈胺基酸增補或豆漿合併支鏈胺基酸增補等四種方式，觀 察受試者在低氧下之運動表現與代謝指標變化。本研究招募9位受試者在常壓低氧環境下進 行固定強度之耐力運動，並完成三種不同營養增補介入，共有以下介入模式：代糖安慰劑 (artificial sweet placebo)、醣類補充控制組 (carbohydrate control)、醣類合併 BCAA補充組
(carbohydrate + BCAA supplement)。腳踏車耐力運動會在13.5% 的常壓低氧室內進行，運動
開始前受試者會飲用1.8 ml·kg-1 的營養增補飲料，並於運動期間每15分鐘飲用1.8 ml·kg-1 的增補飲料，當運動結束後受試者將會在低氧進行恢復1小時，同時給予10 ml·kg-1的增補 飲料，並於低氧恢復結束後1小時再飲用10 ml·kg-1的增補飲料，同時回到常氧狀態；同時，
本研究觀察運動騎乘距離、自覺疲勞程度、血糖濃度變化、血乳酸變化、腦部氧合程度與血 流狀態之變化。研究結果發現，在13.5%的常壓低氧環境下進行固定強度腳踏車運動時，若
給予7.1%碳水化合物合併0.9% BCAA 之飲料增補，可顯著提高運動期間的能量輸出表現，
證實碳水化合物合併 BCAA 增補有助於促進低氧運動期間的耐力運動表現。運動表現之促 進效果似乎與CHO/BCAA可減緩運動初期的自覺努力程度有關，但與心跳率、血氧飽和度、
大腦前額葉總血紅素濃度並無關連。
二、計畫緣由與目的
許多運動員使用低氧作為促進運動表現的增能方式，當人體暴露於低環境氧氣狀 態時 (例如：高地環境或人工低氧環境)，會導致體內血氧飽和度下降並提高代謝生理 壓力，進一步刺激肌肉組織產生適應效應；當長期在高地環境進行運動訓練時，可促 進紅血球增生與肌肉組織有氧代謝能力增加，進而提高最大運動表現 (Levine &
Stray-Gundersen, 1997; Stray-Gundersen, Chapman, & Levine, 2001; Michael Vogt &
Hoppeler, 2010; M Vogt et al., 2001)。因此，低氧訓練已被許多運動員大量應用於提高運
動表現之用，例如：我國的體育署在阿里山的香山國中即有設立高地訓練中心 (江俊亮,
2006)，同時左營國家訓練中心亦設置有常壓低氧艙 (normobaric hypoxic chamber) 提供
選手在平地進行低氧訓練適應之用。故使用低氧暴露 (hypoxic exposure) 或高地訓練
(altitude training) 作為促進運動表現之策略，目前實務應用已相當廣泛。然而，在低氧
環境進行運動會產生更劇烈的生理挑戰壓力，可能會降低運動訓練時間與品質，因此 發展有效的運動增能策略可能有助於在高地訓練之成效。
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三、文獻探討
當高強度運動進行時，大量的肌肉收縮活動 (muscular contractile activity) 會引起 肌肉肝醣含量逐漸降低，同時體內血乳酸含量會快速增加，這些變化會導致骨骼肌收 縮力量逐漸下降，並使得運動期間的疲勞感覺逐漸升高 (Noakes, 2000)。更重要的是，
在低氧或高海拔的狀態下進行運動時，由於動脈血液會出現低血氧濃度狀態 (arterial hypoxaemia)，會快速引起腦部運動中樞出現疲勞現象 (central fatigue)，同時也會提早 在作用肌群產生週邊疲勞現象 (peripheral fatigue)；同時，低氧狀態也會造成運動期間 的乳酸閾值 (lactate threshold，LT) 及換氣閾值 (ventilation threshold，VT) 快速下降，
這些生理變化進而造成運動疲勞感快速提高，最終促使運動提早結束 (Amann et al., 2006; Amann, Pegelow, Jacques, & Dempsey, 2007; Amann, Romer, Subudhi, Pegelow, &
Dempsey, 2007; Romer et al., 2007)。
最近研究證據發現，相較於等熱量的含糖飲料，運動前若給予運動員含有支鏈胺 基酸的補充飲料 (Val: 0.5 g; Leu: 1.0 g; Ile: 0.5 g; Arg: 0.5g; Carbohydrate: 20 g in 500 mL)，可明顯提高運動員的乳酸閾值，進而提高期運動表現與延長運動時間 (Matsumoto, Koba, Hamada, Tsujimoto, & Mitsuzono, 2009)。上述這些生理反應主要透過改變血液內 的營養物質 (例如：胺基酸)、合成性內分泌激素濃度 (例如：胰島素) 以及細胞蛋白質 合成系統所共同調節 (Rasmussen & Richter, 2009)。更重要的是，這些營養素必須在正 確的時間給予才可產生最大的正面效益，而且這些透過補充蛋白質或胺基酸所促進的 生理效應將有助於進一步提高運動刺激對肌肉適應的效果。然而，低氧狀態下進行運 動時，若給予含有支鏈胺基酸及醣類的增補品，是否有助於提高運動表現與延遲運動 疲勞發生? 目前尚未有研究進行探討。
因此，為瞭解低氧運動期間給予不同營養補充模式：(1) 安慰劑 (artificial sweet placebo)、(2) 醣類補充控制組 (carbohydrate control)、(3) 醣類合併 BCAA 補充組
(carbohydrate + BCAA supplement) 是否有助於提高運動表現與延遲運動疲勞發生。本
研究將在常壓低氧狀態下進行長時間腳踏車耐力運動，並在運動期間給予安慰劑、醣 類補充控制組、醣類合併BCAA補充等三種方式，觀察受試者在低氧下之運動能量輸 出能力、自覺疲勞程度、血乳酸變化狀態、血液免疫細胞變化、血糖變化。透過本研 究，預期結果將可提供1) 低氧狀態下運動時給予不同營養增補模式對急性運動疲勞效 益之科學證據、2) 發展提供運動員緩解運動疲勞之可能運動營養介入策略。
研究目的
本研究之目的將探討在常壓低氧狀態下進行長時間強度漸增耐力運動，並在運動期 間給予代糖安慰劑 (artificial sweet placebo)、醣類補充控制組 (carbohydrate control)、
醣類合併BCAA補充組 (carbohydrate + BCAA supplement)等三種方式，觀察受試者在 低氧下之運動表現、自覺疲勞程度、血乳酸變化狀態、血液免疫細胞變化、血糖濃度 變化。
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四、研究方法
受試者
為瞭解常壓低氧狀態進行運動期間給予代糖安慰劑、醣類飲料、醣類飲料合併支鏈
胺基酸增補對自行車運動騎乘里程、心跳率、血氧飽和度、血乳酸變化狀態等生理血液 生化指標之影響。本研究招募 10 位健康男性參與者 (年齡介於20-30 歲之間)，研究採 雙盲與交叉 (double-blinded & crossover) 實驗設計，每位受試者均在常壓低氧環境下進 行固定強度之耐力運動，並依隨機次序 (counter balance) 進行三種不同的補充介入。當 研究參與者同意參加本次實驗之後，參與者接著進行基本資料表之填寫，包含等代糖安 慰劑 (artificial sweet placebo)、醣類補充控制組 (carbohydrate control)、醣類合併BCAA 補充組 (carbohydrate + BCAA supplement)。受試者在試驗前 2 天，不可進行劇烈運動，
同時在研究中進行手肘靜脈採血、低氧狀態下之固定強度耐力運動、不同營養增補劑介 入，並將同時進行其他非侵入性的檢測，詳細內容與流程如圖一。同時，本研究流程中，
所有的靜脈血液採集由領有執照之護理人員執行靜脈抽血之工作。
實驗設計
本研究採雙盲與交叉 (double-blinded & crossover) 實驗設計，故每位受試者均會在 常壓低氧環境下進行固定強度之耐力運動，並根據實驗設計依據隨機次序給予三種不同 營養增補劑。根據交叉實驗設計，9 位受試者均須完成三種不同營養增補劑之低氧運動 測試，營養增補劑之種類次序將隨機分配，共有以下三種介入模式：(1) 代糖安慰劑 (artificial sweet placebo)、(2) 醣類補充控制組 (carbohydrate control)、(3) 醣類合併BCAA 補充組 (carbohydrate + BCAA supplement)。每位受試者進行完一次測試後，會進行一週 的休息期以消除前測運動測試的實驗效應 (washout period)；同時，一週休息期間受試者 將不能進行運動訓練或使用其他營養增補品。測試進行前，受試者須進行至少 10 小時 的隔夜空腹，同時運動前 24 小時內亦不可使用任何增補劑、含有咖啡因或酒精之食物 或飲料。第一次實驗前，每位受試者將進行 48 小時的飲食內容記錄，並要求每位受試 者在第 2 次、第 3 次測試前，均需攝取相同內容之飲食，以消除同一位受試者飲食狀 態差異對本研究測試結果的影響。
實驗流程
研究開始前二天，參與者僅可進行輕度運動，並須有充足的睡眠。實驗當日上午
0700，受試者抵達實驗地點後以安靜坐姿10分鐘休息後，先進行體重與安靜心跳量測，
接續進行手肘靜脈採血 5 ml。然後，進入設定於 13.5% 的常壓低氧室 (約相當於
3400-3500公尺海拔高度之氧氣濃度，溫度為25度C；常壓低氧艙使用 CAT 低氧製造系
統，Colorado Altitude Training, Boulder, CO, USA，同時實驗全程均開啟空調系統確保每 次測試時溫溼度一致) 並以坐姿30分鐘的靜態休息，然後受試者即開始固定強度的腳踏 車耐力運動 (incremental intensity exercise)。本研究採用固定強度阻力之運動方式作為低 氧環境之運動模式，主要利用可自動調整踩踏功率之腳踏車測功儀作為運動工具，經過 5 分鐘的 50 W 的熱身運動後，將以固定強度負荷進行持續踩踏，直到肌肉疲勞無法再進 行踩踏為止。運動開始前，根據受試者當日的實驗安排，受試者會先飲用1.8 ml/kg 的營 養增補劑，並於運動期間每15分鐘飲用1.8 ml/kg 的營養增補劑，直到運動結束；所有營
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養補充品均在靜脈血液樣本採集結束後才進行增補。為避免受試者出現重覆針刺採血，
本研究於運動前安置軟針留置針 (venous catheter)，用於低氧運動前 (第1次採血)、運動 第15分鐘 (第2次採血)、運動第30分鐘 (第3次採血)、運動第45分鐘 (第4次採血)、運動 後立即 (第6次採血)、運動後30分鐘 (第7次採血)、運動後60分鐘 (第7次採血) 等血液樣 本採集，每次採血量為 5 ml。同時，進入常壓低氧室期間，每10分鐘將會進行一次血氧 飽和度之評估，直到離開低氧模擬室為止。實驗流程如圖一。
圖一、實驗介入流程表
最大運動測試
本研究將以腳踏車運動評估受試者的最大攝氧量，主要利用可自動調整踩踏功率之
腳踏車測功儀 (Lode Corival 906900; Lode medical technology; Groningn, Netherlands)，於 正式實驗前一週進行，測試時受試者須維持腳踏車轉速每分鐘 60 轉，運動 0-4分鐘，
腳踏車功率為30瓦特(Watt)，每 2 分鐘腳踏車功率增加 30 Watt，直至受試者攝氧量達 到穩定，且在腳踏車功率增加的情況下，當受試者達到最大心跳率、運動自覺量表達18 以上均可；結果再依據 Storer et al. (1990) 發表的最大攝氧量預估公式計算每位受試者的 最大運動能力，並藉此估算受試者的低氧運動強度 (Storer, Davis, & Caiozzo, 1990)。當 受試者運動到達衰竭點時則減至50W在進行一次5分鐘的踩踏作為主動恢復。
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固定強度腳踏車耐力運動
本研究採用固定強度之耐力運動作為低氧環境之運動模式，主要利用電腦控制踩踏
功 率 之 腳 踏 車 測 功 儀 (Lode Corival 906900; Lode medical technology; Groningn,
Netherlands)，流程中 皆採用電腦控制下參與者主觀認為最合適之踩踏頻率 (pedal
frequency: RPM) 進行。運動開始時，受試者經過 5 分鐘的 0 Watt 的熱身運動後，腳
踏車將會以每 1 分鐘提升 15 Watt 的負荷的速度升高至每位研究參與者的個別目標強 度並持續踩踏，直到肌肉疲勞無法再進行踩踏為止，直到疲勞無法再進行踩踏後，當達 此狀態則定義為運動疲勞，並記錄踩踏時間作為運動表現能力；當受試者運動到達衰竭 點時，其動力則減至50 Watt 再進行一次5分鐘少量的踩踏作為主動恢復。受試者運動時 的自覺疲勞程度，將以柏格運動自覺量表 (rating of perceived exertion, RPE) 來進行檢 測。
運動營養增補劑製備
本 研 究 所 採 用 之運 動 營 養 增 補 劑 包 含以 下 三 種 ： 代 糖 安 慰劑 (artificial sweet placebo)、醣類補充控制組 (carbohydrate control)、醣類合併BCAA補充組 (carbohydrate + BCAA supplement)。支鏈胺基酸BCAA的比例為Val : Leu : Ile = 1 : 3 : 5 (添加量為Val: 0.1 g; Leu: 0.3 g; Ile: 0.5 g per 100 ml；BCAA 總量比例為0.9%)。醣類補充，將100 ml的飲水 內將加入 7.1 g 的砂糖 (熱量28.4 kcal/100 ml，7.1%)。
血糖與血乳酸濃度測量
本研究以指尖採血方式測量血糖與血乳酸濃度。運動期間之血糖濃度以 GE100 攜
帶式血糖機 (GE licensed Bionime Corporation, Taichung City, Taiwan) 進行測試，每次測 試採血液量約5 μL，測試頻率為運動期間每10分鐘測量一次，並於運動後立即、運動後
30分鐘測量血糖。運動期間的血乳酸濃度變化以 Lactate ProTM（KDK Corporation,
Japan）攜帶式血乳酸機進行測量，每次測試所採血液量約 5 μL。
統計方法及結果評估
所有研究數據將使用SPSS 16.0統計分析軟體進行分析，本研究將使用完全相依二 因子重複量數分析方式 (two-way analysis of variance with repeated measures; 營養介入模 式3 × 測試時間點 6) 比較三種不同營養介入在運動前、運動期間各時間點、運動後立 即各變項與生理指標之差異。所有資料以平均數±標準誤表示 (mean ± SE)，本研究之顯 著水準定於α≦.05。
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五、研究結果
圖一為常壓低氧下進行固定強度腳踏車運動之總騎程能量輸出，結果發現攝取安慰 劑 (PLA) 在低氧下運動的總能量輸出為410.2 ± 40.4 kJ，攝取碳水化合物 (CHO) 在 低氧下運動的總能量輸出為 467.7 ± 50.5 kJ，攝取碳水化合物合併支鏈胺基酸
(CHO/BCAA) 在低氧下運動的總能量輸出為509.3 ± 44.9 kJ。相較於PLA安慰劑組，
CHO/BCAA介入可顯著提高常壓低氧下進行固定強度腳踏車運動之總騎程能量輸出(p
＜0.05)，但碳水化合物增補無明顯統計差異。本研究結果顯示，在 13.5%的常壓低氧 環境下進行固定強度腳踏車運動時，若給予7.1%碳水化合物合併0.9% BCAA 之飲料 增補，可顯著提高運動期間的能量輸出表現。有趣的是，單純給予含7.1%碳水化合物 飲料，並無法提高低氧運動下的運動表現，顯示胺基酸增補有助於提高肌肉組織的能 量輸出能力，進一步對運動能力產生正面影響。
圖一、常壓低氧下進行固定強度腳踏車運動之總騎程能量輸出。*代表與PLA組有顯著差異 (p<0.05)。
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圖二為常壓低氧下進行固定強度腳踏車運動與運動後恢復期之 (A)血糖濃度與(B) 血乳酸濃度變化，結果顯示在低氧運動期間不論是否進行增補，在低氧下運動的血糖 濃度變化並無差異；但在運動結束後，相較於PLA安慰劑組，立即給予10 ml/kg的碳 水化合物(CHO)或碳水化合物/支鏈胺基酸(CHO/BCAA)飲料，可以顯著提高運動後 30 分鐘與 60分鐘的血糖濃度。運動期間，我們觀察到在第 15分鐘開始，血乳酸濃度即 持續上升，且達統計顯著水準(p<0.05)，至運動耗竭時，血乳酸濃度均上升至超過 8
mmol/L的水準，顯示低氧環境下之運動挑戰對人體代謝系統產生明顯壓力，但三種不
同的介入對於血乳酸濃度並無明顯的影響。
圖二、常壓低氧下進行固定強度腳踏車運動之(A)血糖濃度與(B)血乳酸濃度變化。*代表與 PLA組有顯著差異 (p<0.05)。# 代表與運動前基準值-60 min有顯著差異 (p<0.05)
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圖三為常壓低氧下進行固定強度腳踏車運動與運動後恢復期之 (A)血氧飽和度變
化、(B)心跳率變化、(C)自覺努力程度變化、(D)前額葉總血紅素濃度變化。結果顯示，
(A)進入低氧環境後 30 分鐘內，血氧飽合度快速由基準值 98%下降至 92-93%之間
(p<0.05)，當運動開始後血氧飽和度顯著下降至約~85% (p<0.05)，但三種增補劑介入之
間並無顯著差異。(B)當運動開始後，心跳率立即顯著上升 (p<0.05)，但三種增補劑介 入對心跳率並無顯著的影響。(C) 當運動開始後，相較於PLA安慰劑組，CHO/BCAA 介入可顯著減少常壓低氧下進行固定強度腳踏車運動之自覺努力程度 (p＜0.05)，但碳 水化合物增補病無明顯統計差異。(D) 當運動開始後，前額葉總血紅素濃度立即顯著 上升 (p<0.05)，但三種增補劑介入對心跳率並無顯著的影響。
圖三、常壓低氧下進行固定強度腳踏車運動與運動後恢復期之 (A)血氧飽和度變化、(B)心 跳率變化、(C)自覺努力程度變化、(D)前額葉總血紅素濃度變化。*代表與PLA組有 顯著差異 (p<0.05)。# 代表與運動前基準值-30 min或 -10 min有顯著差異 (p<0.05)。
& 代表與運動開始前0 min有顯著差異 (p<0.05)
圖四為常壓低氧下進行固定強度腳踏車運動與運動後恢復期之 (A)總白血球數量
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變化、(B)噬中性球數量百分比變化、(C)淋巴球數量百分比變化、(D)單核球數量百分 比變化。結果顯示：(A)當運動開始後，白血球數量立即顯著上升 (p<0.05)，但三種增 補劑介入對心跳率並無顯著的影響。(B)當運動開始後，噬中性球數量百分比略為下降 但無顯著差異，但在運動耗竭後立即快速顯著上升 (p<0.05)，但三種增補劑介入對噬 中性球數量百分比並無顯著的影響。(C)當運動開始後，淋巴球數量百分比略為上升但 無顯著差異，但在運動耗竭後立即快速顯著下降 (p<0.05)，但三種增補劑介入對噬中 性球數量百分比並無顯著的影響。(D)當運動開始後，單核球數量百分比病無明顯變 化，但在運動耗竭後30分鐘恢復期時，相較於運動基準值CHO/BCAA組的單核球數 量百分比出現顯著下降 (p<0.05)，同時也顯著低於PLA組(p<0.05)，但CHO組與PLA 組並無差異。
圖三、常壓低氧下進行固定強度腳踏車運動與運動後恢復期之(A)總白血球數量變化、(B)噬 中性球數量百分比變化、(C)淋巴球數量百分比變化、(D)單核球數量百分比變化。*
代表與PLA組有顯著差異 (p<0.05)。# 代表與運動前基準值-30 min或 -10 min有顯 著差異 (p<0.05)。
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六、研究限制
由於本研究在 13.5% 的長壓低氧模擬環境中進行運動測試，因此結果可能無法完全應 用於其他海拔高度真實的低壓低氧環境，但本研究結果仍呈現出碳水化合物合併 BCAA 對 於低氧環境下耐力運動表現的前在效益。本研究原預計測試豆漿合併胺基酸之效益，但多未 受試者反應運動期間飲用豆漿之口感不佳，可能影響運動表現，因此經過數次預實驗測試 後，取消測試豆漿測試組。
七、結論
在 13.5%的常壓低氧環境下進行固定強度腳踏車運動時，若給予 7.1%碳水化合物合併
0.9% BCAA 之飲料增補，可顯著提高運動期間的能量輸出表現，證實碳水化合物合併BCAA
增補有助於促進低氧運動期間的耐力運動表現。運動表現之促進效果似乎與CHO/BCAA可 減緩運動初期的自覺努力程度有關，但與心跳率、血氧飽和度、大腦前額葉總血紅素濃度並 無關連。
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八、參考文獻
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