奈良教育大学学術リポジトリNEAR
炭水化物ローディングとカフェイン摂取が持久的運 動に及ぼす影響
著者 中道 里香, 中谷 昭
雑誌名 奈良教育大学紀要. 自然科学
巻 42
号 2
ページ 45‑52
発行年 1993‑11‑25
その他のタイトル Effect of Carbohydrate Loading and Caffeine Injection on Endurance Exercise
URL http://hdl.handle.net/10105/1682
炭水化物ローディングとカフェイン摂取が
持久的運動に及ぼす影響
中 道 里 香・中 谷 昭
(奈良教育大学生理学衛生学教室) (平成5年4月30日受理)
Effect of Carbohydrate Loading and Caffeine Injection on Endurance Exercise
Rika Nakamichi and Akira Nakatani
(Department of Physiology and Hygiene, Nara University of Education, Nara 630, Japan) (Received April 30, 1993)
Abstract
The purpose of this study was to investigate effects of carbohydrate loading and caffeine injection on endurance exercise in male ICR mice. To determine shifts in sub‑
strate utilization, blood glucose, plasma free fatty acid and glycogen level in muscle and liver were measured.
The animals were divided into four groups. Control (C) group was provided with control mixed diet for 7 days and was exercised everyday. Carbohydrate loading (CHO) group was provided with low‑carbohydrate diet for 3 days and high‑carbohy‑
drate diet for 4 days and was exercised everyday. Caffeine (CAF) group was provided with the same diet as CHO group and was exercised everyday. Caffeine (0.06mg/ml H20) was injected intraperitoneally on the final day. Exercise consisted of 60 minute treadmill running at 70 to 75% V02max. Plasma free fatty acid was significantly higher (Pく0.001) in CAF group compared with CHO group after exercise. Glycogen content in liver was significantly higher (Pく0.05) in CHO group than in C group after exercise.
Glycogen content in liver was significantly higher (P<0.001) in CAF group than in CHO group after exercise. Glycogen content in gastrocnemius muscle was significantly higher (P<0.05) in CHO group than in C group after exercise.
These results suggest that on endurance exercise, an elevation in plasma free fatty acid by caffeine injection is associated with a sparing of muscle and liver glycogen.
45
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中 道 里 香・中 谷 昭 緒体内のグリコーゲンは運動時の重要なェネルギー源であり1,7,19)運動前のグリコーゲン含量 が高いほど運動時間が長くなること5)や,高炭水化物食がグリコーゲン含量を高めること,また 疲労困悠運動を行った後に,高糖質食を摂取した場合,筋グリコーゲン含量が正常レベルを越え
る超代償のおこること6)が知られている.これらのことを利用し,試合前の数日間の食事で炭水 化物を十分に摂り,体内のグリコーゲンを高めておく炭水化物ローディングと呼ばれる栄養処方 が報告された2).しかし,体内のグリコーゲンの貯蔵量は,脂肪に比べるとはるかに少ない.そ
こで,持久性スポ‑ツで良い成績をおさめるためには運動前に体内のグリコーゲン含量を高めて おくだけでなく,運動中に脂肪の利用を高め,グリコーゲンの消費を節約することが望ましいと 考えられる8,10,13,21)遊離脂肪酸の利用を促進し,筋や肝臓のグリコーゲンを節約するものとし てカフェインが知られている.カフェインを摂取し,サイクリングを行った場合,走行運動時問 が延長すること9)やカフェインの作用により,血液中に遊離脂肪酸が放出され,エネルギー源と
して脂肪の利用が促進されるという報告がある15)
そこで本研究では,マウスを対象に7日間の炭水化物ローディングと同時にカフェインを投与 した場合に筋および肝臓グリコーゲン含量,血糖値および血中遊離脂肪酸濃度に及ぼす影響につ いて検討した.
実 験 方 法
実験動物として5過齢のSLC:ICR系雄マウス(日本エスエルシー) 54匹を用いた. 10週齢 にいたるまでコントロール食(日本クレア製)で飼育した後, 1)粉末コントロ‑ル食を7日間 摂取し,毎日60分の運動を行ったコントロール群(C群), 2) 3日間低炭水化物食を摂取後,
4日間高炭水化物食を摂取し,毎日60分の運動を行った炭水化物ローディング群(CHO群)お
Table 1. The composition of experimental diets Ingredient (%)
Diet CHO Protein Fat Cellulose
C
LCHO
H‑CHO
50.0 17.0 (60.5) (20.5)
30.0 17.0 (35.2) (19.9)
68.4 17.0 (76.1) (18.9)
7.0 16.4 9.6 (19.0)
17.0 23.4 12.6 (44.9)
2.0 3.0 9.6 (5.0)
( )Calory' CHO : Carbohydrate.
C :Controldiet.
L‑CHO : Low‑carbohydrate diet.
H‑CHO : High‑carbohydrate diet.
* : mineral and vitamme.
Control C
Control(7day
=hl EX th
;hl EX
1h
EX 1h
FhX 1h
Carbohydrate loading ( CHO )
L二1H0 [3day
EX 1h
EX 1h
骨 E
1h
1 EX 1h
FhX 1h
Carbohydrate loading + Caffeine ( CAF !
L‑CHO 3day} H‑CHO(4day
EX
1h EX
Ih
Fご 1q 笥 F: 1h ∝ 4,
EX 1h
†▲▲
▲ ・ sa叩Iing EX : Exercise Caffeine
Fig. 1. Protocol for experiments.
よび3) CHO群と同一の食餌と運動に加え,最終日のみ運動60分前にカフェインを注入したカ フェイン群(CAF群)の3つの群に分けた. C群は1日目の運動前(n‑6)と7日目の運動直 後(n‑6), CHO群は3日目の運動直後(n‑6)と7日目の運動直後(n‑6), CAF群は3
日目の運動直後(n‑6)と7日目の運動前後(n‑12)に採血および筋・肝臓の摘出を行った.
Fig. 1には実験手順を示した.カフェインは, 0.5ml (0.06mg/mlH20):を腹腔内に注入し た.食餌,飲水は自由摂取とした.コントロール食,低炭水化物食および高炭水化物食の成分は Table lに示した.運動は小動物用トレッドミルを用い,最初の5分間は15m/min,残りの 55分間は20m/minの速度で60分間の走行運動を1日1回行わせた.採血は, Pentobarbital sodium麻酔下,頚動脈を切断することにより行った.採血後,俳腹筋,ヒラメ筋および肝臓を 摘出し,グリコーゲン含量の測定に用いた.血液は遠心分離後,血費を得て血糖値,血中遊離脂 肪酸濃度の測定を行った.なお,血糖値はmg/ 100ml,血中遊離脂肪酸濃度は〟Eq/1およびグ
リコーゲン含量は〟moles/g wet wt.で示した.
結 果
Fig. 2はカフェインを投与しなかったC群, CHO群および運動60分前にカフェインを投与 したCAF群の運動直後の血中遊離脂肪酸濃度を示したものである.カフェインを授与した CAF群の血中遊離脂肪酸濃度は1127±40/JEq/1と, CHO群の586±61/JEq/1に対し,有意 (P< 0.001)に高い値を示した.
Fig. 3はカフェインを投与しなかったC群, CHO群および運動60分前にカフェインを投与
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中 道 里 香・中 谷 昭Table 2. Effects of diet and exercise on glycogen content in red and white gastrocnemius muscle.
Gastrocnemius muscle glycogen content (〟 moles/g wet wt) (red) (w hite)
( 6 ) 1.0±0.4 CHO (6) 1.5±0.4 CAF (6) 1.7±0.5
1.2±0.3 2.4±0.5 2.6±0.3
﹁ *﹂
﹁
*
﹂
Values are mean ± SD. ( ) : number of mice.
'significant difference P< 0. 05
Exercise consisted of 60 minute treadmill running at 70 ‑ 75%
Vo? max.
C group was provided with control mixed diet for 7 days.
CHO group was provided with low‑carbohydrate diet for 3 days and high‑carbohydrate diet for 4 days. CAF group was provided the same diet as CHO and caffeine was injected intrapentoneally on the final day.
したCAF群における運動直後の肝臓グリ コーゲン含量を示したものである CHO 群の肝臓グリコーゲン含量は31.1±8.6 umoles/g wet wt.と, C群の16.4±4.5
〝moles/g wet wt.に対し,有意(P<
0.防)に高い値を示した.また,カフェイ ンを注入したCAF群の肝臓グリコーゲン 含量は92.2 ± 14.0/lmoles/g wet wt.と, C群およびCHO群に対し,有意(P<
0.001)に高い値であった.
Table 2はカフェインを投与しなかった C群, CHO群および運動60分前にカフェ
インを投与したCAF群における運動直後 の排腹筋グリコーゲン含量を示したもので ある. CHO群の俳腹筋赤筋部のグリコ‑
ゲン含量は1.5 ± 0.4JJmoles/g wet wt.と, C群の1.0 ± 0.8〟moles/g wet wt.に対し, 有意(P<0.05)に高い値を示した.また CHO群の俳腹筋白筋部のグリコーゲン含 量はC群に対し,有意(P<0.05)に高い 値であった.
CHO CAF
Fig. 2. Effects of diet and exercise on plasma free fatty acid (FFA) concentration. Exercise consisted of 60 minute treadmill running at 70‑75% Vo2max. C group was provided with control mixed diet for 7 days. CHO group was provided low‑carbohydrate diet for 3 days and high‑carbohydrate diet for 4 days. CAF group was provided with the same diet as CHO and caffeine was injected intraperitoneally on the final day. Values are means ± SD. #** significant difference P< 0.001
考 察
6 /
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CHO CAF
Fig.3. Effects of diet and exercise on glycogen content in liver. Exercise consisted of 60 minute treadmill running at 70‑
Vo?max. C group was provided with control mixed diet for 7 days. CHO group was provided low‑carbohydrate diet for 3 days and high‑carbohydrate diet for 4 days. CAFgroup was provid‑
ed with the same diet as CHO and car‑
feme was injected intraperitoneally on the final day. Values are means ± SD.
***significant difference P< 0.001
生体が生命現象(体温の保持,消化吸収, 発育,運動など)を休みなく続けるためには, 絶えずエネルギーを必要とする.体内のエネ ルギー代謝は,主に炭水化物,脂肪が利用さ れ,持久的運動時には炭水化物としてグル コース(血液)とグリコーゲン(筋及び肝臓), また脂質として遊離脂肪酸が重要なェネル ギー源となる1,7,16,19)Bergstrometal.=は 疲労困億になるまで自転車エルゴメーター運 動を行った場合,筋グリコーゲン含量が高い ほど走行運動時問が延長すると報告している.
また持久的運動を行った場合の疲労困億の原 因は,肝臓や骨格筋グリコーゲンの枯渇とそ れに伴う血糖値の低下によると考えら れ3,10,12,25)ct‑,,l,k‑or,HAlir,rrV,23) StrubbeandAlingh'は中枢
神経系のエネルギ‑源として,血糖値を維持 するために,運動前にできるだけ多くの肝臓 グリコーゲンを蓄えておくことが重要である と報告している.ところで,高炭水化物食を 摂取した時の筋グリコーゲン含量は,高脂 肪・高たんぱく質食や混合食を摂取した時と 比較し,もっとも高い値を示すこと5)から, Astrand et al.は体内のグリコーゲンを高めておく炭水化物ローディング法を兄いだした.本 実験においても,炭水化物ローディングを行ったCHO群の肝臓や排腹筋グリコーゲン含量がコ ントロール食を摂取したC群に対し,有意に高い値を示した(Fig.3,Table2)ことから,戻 水化物ローディングが肝臓や筋グリコーゲン含量を蓄積し,持久的運動能力を高めるものと考え
られる.
ところで,遊離脂肪酸の利用を促進し,筋や肝臓のグリコーゲンを節約するものとしてカフェ インが知られている.カフェインは日本茶,コーヒー,紅茶に含まれ,その薬理効果として,心 拍数,消化液の分泌量,呼吸数,代謝率,排尿量の増加などがあげられる22)また,中枢神経 を刺激することにより,長時間の運動中の疲労を減少させるともいわれている22)特にカフェ インは血液中の遊離脂肪酸濃度を高める4・9淵17渦20,24,26)ことから,持久的運動とのかかわりが注 目されているIvyetal.やSuzukietal.はカフェインを摂取して運動を行うと,脂肪酸の エネルギ‑代謝が高まり,肝臓や筋肉中のグリコーゲンが節約されて持久性が高まることを報告 している.従って,炭水化物ローディングとカフェインを組み合わせた場合,運動前のグリコ‑
ゲン含量が高いうえに脂肪をェネルギー源にすることでグリコーゲンが節約され,炭水化物ロー ディングやカフェイン投与を個々に行うより,さらにパフォーマンスが高まるのではないかと予 想される.
50
中 道 里 香・中 谷 昭今回,炭水化物ローディングを行ったマウスにカフェインを投与しトレッドミルでのランニン グを行わせたが,運動中の血中遊離脂肪酸濃度はカフェインを投与した時の方が有意に高い値で あった(Fig.2).また,肝臓グリコーゲン含量についてみると,カフェインを投与しなかった C群およびCHO群と比較し運動時の減少量はわずかであった(Fig. 3).これは,カフェイン が脂肪組織における脂肪分解を盛んにし,血液中に遊離脂肪酸が放出され,これが運動時のエネ ルギー源として優先的に利用されたため,肝臓のグリコーゲンが節約されたものと考えられる.
Graham and Spriet はヒトを対象に,本研究と同様に炭水化物ローディングを行った披検者 にカフェインを授与し疲労困燈まで運動させた場合,運動時間が有意に増大することを報告して いる.しかし,運動時の血中遊離脂肪酸はカフェインを与えなかったC群と差がみられなかっ たことから,カフェインが脂肪分解以外に生理的影響を及ぼし,パフォーマンスの増大につな がったと述べている.また Weir et al26)も炭水化物ローディングを行った被検者にカフェイ
ンを投与し持久的運動を負荷した場合,血中遊離脂肪酸(FFA)の増加がみられなかったこと や,呼気から求めた運動時のエネルギー代謝に対する糖質と脂質の寄与率には全く差がなかった ことを報告している.このように,カフェインの効果に必ずしも一致がみられないのは,実験の 対象の違い(ヒト,マウス),運動前の食事の違い(普通食,高糖質食),カフェインを与えてか
ら運動するまでの時間の違い,投与したカフェインの量の違いなどが考えられ,今後さらに検討 する必要がある.
本研究の結果において,炭水化物ローディング群はコントロール群と比較し,筋・肝臓グリ コーゲン含量が高められた.また炭水化物ローディングを行い,運動前にカフェインを投与した 場合,遊離脂肪酸の利用をより促進することによって,炭水化物ローディングで高められた筋や 肝臓グリコーゲン含量は節約されたことから炭水化物ロ‑ディングとカフェイン摂取を組み合わ せることにより,持久的運動能力をさらに高めるものと思われる.
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SLC:ICR系雄マウスを用いて10週齢にいたるまでコントロール食(日本クレア製)で飼育 した後,粉末コントロール食を7日間摂取し,毎日60分の運動を行わせたコントロール群(C 群), 3日間の低炭水化物食とそれに続く, 4日間の高炭水化物食を摂取し,毎日60分の運動を 行った炭水化物ローディング群(CHO群)およびCHO群と同一の食餌と運動に加え,運動60 分前にカフェインを注入したカフェイン群(CAF群)の3つのグループに分け,持久的運動に 及ぼす影響について血糖値,遊離脂肪酸濃度,排腹筋,ヒラメ筋および肝臓グリコーゲン含量を 測定し,検討した.
結果は以下の通りである.
1)カフェインを投与したCAF群における運動直後の遊離脂肪酸濃度は1127±40ォEq/l とカフェインを投与しなかったC群, CHO群と比較し,それぞれ有意(P<0.001)に高い値で
<3BS
2)カフェインを投与したCAF群における運動直後の肝臓グリコーゲン含量は92.2±14.0
〟moles/gwetwt.と,カフェインを投与しなかったC群, CHO群と比較し,それぞれ有意(P く0.001)に高い値であった.
3) C群とCHO群における運動直後の俳腹筋赤筋部におけるグリコーゲン含量は白筋部と
比較し,低い値であった.
参 考 文 献
1 ) Armstrong, R.B., C.W. Saubert, W.L. Sembrowich, R.E. Shepherd and P.D. GoIInick. Give‑
ogen depletion in rat skeletal muscle fibers at different intensities and duration of exercise.
Pflugers Arch. 352 : 243 ‑ 256, 1974.
2 ) Åstrand, P. O. Diet and athletic performance. Federation Proceedings 26(26) : 1772‑ 1777, 1967.
3 ) Baldwin, K. M., J. S. Reitman, R. L. Terjung, W. W. Winder and J. O. Holloszy. Substrate deple‑
tion in different types of muscle and in liver during prolonged running. Am. J. Physiol. 225 (5) : 1045‑ 1050, 1973.
4) Bellet S., A. Kershbaum and J. Aspe. The effect of caffeine on free fatty acids. Arch. Inter.
Med. 116: 750‑752, 1965.
5) Bergstrom, J., L. Hermansen, E. Hultman and B. Saltin. Diet, muscle glycogen and physical performance. Acta Physiol. Scand. 71 : 140‑ 150, 1967.
6) Bergstrom, J. and E. Hultman. Muscle glycogen synthesis after exercise : an enhancing factor localized to the muscle cell in man. Nature 210: 309‑310, 1966.
7) Costill, D.L. Carbohydrate for exercise: Dietary demands for optimal performance. Int. J.
SportsMed. 二1‑18,1988.
8 ) Costill, D. L., E. Coyle, G. Dalsky, W. Evans, W. Fink and D. Hoopes. Effect of elevated plasma FFA and insulin on muscle glycogen usage during exercise. J. Appl. Physiol. 43(4) : 690‑695, 1977.
9 ) Costill, D.J., G. P. Dalsky and W. J. Fink. Effects of caffeine ingestion on metabolism and exer‑
cise performance. Med. Sci. Sports Exerc. 10(3) : 155‑ 158, 1978.
10) Dohm, G. L., E. B. Tapscott, H. A. Barakat, and G. J. Kasperek. Influence of fasting on glycogen depletion in rats during exercise. J. Appl. Physiol. 55(3) : 830‑833, 1983.
ll) Graham, T. E. and L. L. Spriet. Performance and metabolic responses to a high caffeine dose during prolonged exercise. J. Appl. Physiol. 71(6) : 2292‑2298, 1991.
12) Hassid, W. Z. and S. Abraham. Chemical procedures for analysis of polysaccharisdes. Meth‑
ods Enzymol. 3 : 35‑36, 1957.
13) Hickson, R.C, M.J. Rinnie, R.K. Conlee, W.W. Winder and J.0. Holloszy. Effect of increased plasma fatty acid on glycogen utilization and endurance. J. Appl. Physiol. 43(5) : 829‑833, 1977.
14) Hultman, E and J. Bergstrom. Muscle glycogen synthesis in relation to diet studied in normal subjects. Acta Medica Scand. 182(1) : 109‑ 117, 1967.
15) Ivy, J.L., D.L. Costill, W.J. Fink and R.W. Lower. Influence of caffeine and carbohydrate feedings on endurance performance. Med. Sci. Sports Exerc. ll(1) : 6‑ ll, 1979.
16) Person, S.R. and M.H. Nadeau. Physiological effects of caffeine in the rat: Extracellular cyclic AMP status, growth pattern and glucose metabolism in adipose tissue. J. Nutr. Ill : 658
‑664,1981.
17) Powers, S. K., R.J. Byrd, R. Tulley and T. Callender. Effects of caffeine ingestion metabolism and performance during graded exercise. Eur. J. Appl. Physiol. 50 : 301 ‑ 307, 1983.
18) Rennie. Michael J., William W. Winder and J.O. Holloszy. A sparing effect of increased plasma fatty acids on muscle and liver glycogen content in the exercising rat. Biochem. J.
156 : 647‑655, 1976.
52
中 道 甲 番・中 谷 昭19) Saltin, B. and J. Karlsson. Muscle glycogen utilization during work of different intensities.
Advance in experimental medicine and biology, volume ll. Muscle Metabolism During Exer‑
cise. Plenum Press: 289‑299, 1971.
20) Sasaki H., I. Takaoka and T. Ishiko. Effects of sucrose or caffeine ingestion on running per‑
formance and biochemical responses to endurance running. Int. J. Sports Med. 8 : 203‑207,
1987.
21) Sherman, W.M. and D.L. Costill. The marathon: Dietary manipulation to optimize per‑
formance. Am. J Sport Med. 12(1) : 44‑51, 1984.
22) Stamford, B. Caffeine and athletes. Phys. Sport Med. 17(1) : 193‑ 194, 1989.
23) Strubbe J. H. and A. J. Alingh Prins. Reduced insulin secretion after shorLterm food depriva‑
tion in rats plays a key role in the adaptive interaction of glucose and free fatty acid utiliza‑
tion. Physiol. Behav. 37 : 441 ‑445, 1986.
24) Suzuki M., Y. Shimomura and Y. Satoh. Diurnal changes in lipolytic activity of isolated fat cells and their increased responsiveness to epinephrine and theophylline with meal feeding in rats. J. Nutr. Sci. Vitaminol. 29 : 399‑411, 1983.
25) Vissing, V., B. Sonne and H. Galbo. Effect of liver glycogen content on glucose production in running rats. J. Appl. Physiol. 65(6) : 2552‑2557, 1988.
26) Weir, ]., T.D. Noakes, K. Myburgh and l〕. Adams. A high carbohydrat diet negates the metabolic effects of caffeine during exercise. Med. Sci. Sports Exerc. 19(2) : 100‑ 105, 1987.
