2007年8月10日

運動時的能量消耗

王順正(August.27.1999)

二十多年前,國立台灣師範大學體育研究所的運動生理學實驗室,即已利用Douglas袋與Scholander氣體分析儀,進行人體運動前、運動中與運動後的攝氧量與二氧化碳產生量測量。

  最近十年來,自動化的氣體分析系統,不僅常見於各體育學院、體育系所、或國立大學體育室(例如成功大學),無線電的能量代謝分析系統,也已被用來進行運動場上(非實驗室內)的能量消耗評估(例如台北體育學院)。國內有關運動的呼吸狀況研究論文,早已達數百篇;由國立台灣師範大學運動生理學實驗室進行的此類研究論文,更已超過百篇以上。攝氧量的相關研究,不僅是運動生理學研究的傳統主題,更是國內目前與未來運動生理學研究的主流之一。

  幾年前,筆者應邀到某師院以「心肺功能」為主題演講時,發現大部份參與的中小學體育教師,並沒有基本能量代謝的科學概念;筆者介紹能量代謝研究的過程與內容時,更有人質疑國內體育界,是否具備執行與實際操作能力?儘管國內有關能量代謝研究結果相當豐富,但是,基層體育工作人員卻沒有同步成長的跡象;在電腦科技的發展與協助下,國內體育界已能相當精確計算與即時取得,運動時每次呼吸的氧氣消耗量與二氧化碳產生量;然而,大部份的中小學體育教師們,卻仍然憑體育教科書中的知識與幾十年的體育教學經驗,進行傳統的體育教學。

  其實,透過運動過程中的氧氣消耗量與二氧化碳產生量推算,不僅可以評估運動過程的實際能量消耗,更可以用來評量運動時的脂肪與葡萄糖消耗比例。

  首先,運動參與者必須先瞭解到,如果人體以葡萄糖做為能量來源時,每消耗 1公升的氧氣會產生 1公升的二氧化碳,也就是說,以葡萄糖為能量來源時的呼吸商(respiratory of quotient,簡稱RQ,體內局部組織的二氧化碳產生量除以氧氣攝取量)等於1;以脂肪為能量來源時的RQ約等於0.7;以蛋白質為能量來源時的RQ約等於0.8。不過,人體內的組織呼吸狀況評量,有其執行上的困難存在,因此,透過人體參與運動時的肺部氣體交換狀況(呼吸交換率,respiratory exchange ratio,簡稱RER,肺部氣體交換時的二氧化碳增加量除以氧氣消耗量)的測量,再加上蛋白質僅在激烈運動時,才有少量參與提供能量的現象;運動生理學研究者可以依據肺部的氣體交換,評量出運動過程的能量消耗特徵。

  一般來說,人體安靜休息時的RER約0.82、在極低強度(散步、慢跑、輕鬆騎車)運動時的RER反而下降(約0.75至0.80之間)、接近最大運動時的RER約等於1。也就是說,人體在低強度運動狀態下,脂肪參與提供能量的比例較高,隨著運動強度的增加,RER 也隨著上昇,葡萄糖參與提供能量的比例也增加;在最大運動狀態下,則幾乎皆以葡萄糖提供能量。當 RER等於0.85時,葡萄糖與脂肪各提供一半的身體能量需求。

  除此之外,隨著RER的上昇,人體每消耗1公升氧氣所能產生的能量也隨著增加;例如當RER等於0.8時,人體消耗每公升氧氣能夠產生 4.801kcal的能量;當RER等於0.9時,人體消耗每公升氧氣能夠產生4.924kcal的能量;當RER等於1時,人體消耗每公升氧氣則能夠產生 5.047kcal的能量。儘管最低與最高能量產生的差異不及 1﹪,但是,隨著運動強度增加,逐漸提高每公斤氧氣的能量消耗趨向,卻也是不爭的事實。

  以下的實例,可以讓您更清楚運動時的能量消耗評量。「如果您昨天花了三十分鐘騎腳踏車逛街,運動時的強度是5METs(即5×3.5ml/kg/min的攝氧量強度),運動過程中的呼吸交換率平均為 0.9,請問在騎車的三十分鐘內,您共消耗多少克的葡萄糖與脂肪?」。首先,必須先確定您的體重是多少公斤。如果您的體重正好是70公斤,那麼三十分鐘內的總氧氣消耗量為 5 ×3.5ml/kg/min ×70kg×30min=36750ml的氧氣,共消耗 4.924kcal/每公升氧氣 ×36.75 公升氧氣=180.96kcal的能量(運動後的過耗氧量並不在此計算的範圍內)。

  在不考慮運動後的心跳率與耗氧量,會有緩慢下降的事實下,三十分鐘的中等強度騎腳踏車運動期間,能量消耗約 180kcal左右。如果運動的過程中,蛋白質沒有提供身體能量來源(只有葡萄糖與脂肪提供能量),那麼0.9的RER代表著,脂肪佔身體能量來源的三分之一、葡萄糖佔三分之二 ( 0.7 ×1/3 + 1 ×2/3=0.9)。也就是說, 180kcal的能量消耗中,有三分之一(60kcal)由脂肪提供能量、三分之二(120kcal)由葡萄糖提供能量。由於人體內每克脂肪約可提供9kcal的能量,每克葡萄糖可以提供約 4kcal的能量。因此,三十分鐘的騎車運動過程中,大約可以消耗6.7克(60/9)的脂肪,以及30克(120/4)的葡萄糖。

  如果,運動參與者以較低的強度進行運動時(例如以4METs的強度),使得運動時間可以輕鬆的增加(例如運動時間增加到37.5分鐘);再加上運動強度降低,使得運動時的平均 RER下降(假設下降到0.85);此時,37.5分鐘的運動時間內,能量消耗量仍然為180kcal左右(4 ×3.5ml/kg/min ×70kg ×37.5min=36750ml)。 由於0.85的 RER代表著,脂肪與葡萄糖提供的能量各佔身體能量來源的一半(0.7 ×1/2 + 1 ×1/2 = 0.85)。因此,37.5分鐘的運動過程中,大約可以消耗10克(90/9)的脂肪,以及22.5克(90/4)的葡萄糖 (雖然RER=0.85時,每公升氧氣產生的能量約4.862kcal,然而36.75公升的耗氧量,仍可以消耗約 180kcal的能量)。

  儘管,運動時的能量消耗可以透過簡單的計算來評估,但是一般人在實際進行運動時的能量消耗評量時,仍然需要瞭解到,氧氣的消耗與二氧化碳的產生,皆需要特殊的儀器進行測量,才能夠建構正確的能量消耗計算基礎。如果以增加運動時能量消耗與燃燒脂肪的觀點來看,似乎以強度稍低、時間延長的運動參與方式較佳。