Title 健康づくりに関する至適運動強度の決定に関する研究 : 漸増負荷運動に おけるLTとFORmaxに着目して
Author(s) 千葉, 佳苗; 神林, 勲
Citation 北海道教育大学紀要. 教育科学編, 72(1): 519‑526
Issue Date 2021‑08
URL http://s‑ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/12054
Rights
健康づくりに関する至適運動強度の決定に関する研究
―漸増負荷運動におけるLTとFORmaxに着目して―
千葉 佳苗・神林 勲＊
北海道教育大学大学院教育学研究科
＊北海道教育大学札幌校保健体育教育研究室
DeterminationofOptimalExerciseIntensityforHealthPromotion:
LTandFORmaxduringIncrementalGradedExercise
CHIBAKanaeandKAMBAYASHIIsao＊
GraduateSchoolofEducation,HokkaidoUniversityofEducation
＊DepartmentofPhysicalEducation,SapporoCampus,HokkaidoUniversityofEducation
ABSTRACT
Exerciseisbecomingmorecommonforhealthpromotion,andexerciseintensitywas extremelyimportant.Therefore,thisstudyaimedtoobtainbasicknowledgeaboutthe apparentintensityoflactatethreshold（LT）andmaximumfatoxidationrate（FORmax）
duringanincrementalcycleergometrytesttovolitionalexhaustion.Seventeenmaleadults
（meanage=19.3±1.2yr,height=172.0±4.8cm,weight=63.7±4.3kg）withexercisehabits articipatedinthisstudyafterprovidingwritteninformedconsent.Allsubjectswerecollege students who regularly participated in sportstraining program. LT was the exercise intensitycoincidentwithasustainedincreaseinbloodlactatelevelabovetheinitialbaseline.
FORcurvesweredeterminedbyindirectcalorimetryfrom0to160Wduringtheexercise.
FORmaxistheexerciseintensityatthepointofmaximalfatoxidationrate,determined usingapolynomialexpression.Thepeakoxygenconsumption（V・
O2peak）andmaximal exercise load were 56.0±1.7ml/kg/min and 263.5±8.4Watt, respectively. The average FORmaxwas0.28±0.03g/min,rangingfrom0.11g/minto0.52g/min.LTandFORmax appearedwithalmostthesameexerciseintensity（50%-55%HRpeak,30%-35%V・
O2peak and60-65W,respectively）.Thetwovariableswereingoodagreement,suggestingthat exerciseatthisintensityishighlyeffectiveintermsofsafetyandlipidmetabolism.
千葉 佳苗・神林 勲
緒 言
運動は，健康づくりや運動療法における身体機 能改善等を目的として，様々な場面で用いられて いる。その際，用いる運動の強度は，極めて重要 である。適切な強度の範囲外で運動を実施すれば，
有効性や安全性に問題が生じる。効果的な至適運 動 強 度 の 目 安 と し て， 無 酸 素 性 作 業 閾 値
（AnaerobicThreshold：AT）レベルでの運動 が推奨されている（吉田，1993a）。ATを超えな い強度の運動では，血中カテコールアミンの著明 な増加（Tanabeetal.,1994）や不整脈の出現や 血圧・心拍数の過剰な増加（高橋，1994）が生じ ないとされる。ATを判定するには，漸増負荷運 動でのテストが不可欠になる。漸増負荷運動では，
低強度から運動を開始し，中強度から高強度へと 徐々に負荷を増加させ被検者を疲労困憊に至らし めるものである。このような運動中に，呼気ガス 分析装置による呼吸器系変数の測定（Ventilatory Threshold：VT）や採血による血中乳酸値の測 定（LactateThreshold：LT）でATの判定を行 うことができる（吉田，1993b）。また，近年，
心拍変動解析を用いることで，より簡便に，非侵 襲的にAT判定の可能性を示唆する研究もある
（木本ほか，2017）。
運動時にはエネルギー源として主に，糖質と脂 質が用いられる。しかしながら，その割合は一定 では無く，実施する運動強度や継続時間によって 変化する。運動強度との関連においては，強度が 高い場合には，糖質が主なエネルギー源となる。
一方で，運動強度が低くなれば脂質の占める割合 が大きくなる。漸増負荷運動中においても，低強 度から中強度の運動負荷では，脂質酸化量（Fat OxidationRate：FOR）が多く，運動強度が高く なるにつれてFORが減少して糖質の酸化量が増
1994）。運動時のFORに関する知見は，運動によ る肥満解消や持久的パフォーマンスの向上に関連 し，健康科学やスポーツ科学にとって有用な情報 である。
漸増負荷運動時におけるFORの変化について は， こ れ ま で に 多 く の 研 究 が な さ れ て い る
（AchtenandJeukendrup,2003,2004；Astorino, 2000；Bircheretal.,2005；Lazzseretal.,2010；
Riddelletal.,2008；Ryndersetal.,2011；高橋ほ か，2009,2015；Tolfreyetal.,2010；Venebles etal.,2005）。それらの研究によれば，漸増負荷 運動のFORの最大値（FORmax）は，その運動 で得られた酸素摂取量の最高値（V・
O2peak）の40
～65%程度で生じるとされている。この範囲の運 動強度は，AT出現の運動強度とも概ね一致す る。FORは最大値を迎えた後，低下して行くが，
運動強度は増加して行くことから，エネルギー需 要を満たすために糖質酸化量が増加することにな る。糖質酸化量の増加は，乳酸生成の増加につな がる可能性があることから，FORmaxとLTの運 動強度は一致すると考えられる。
LTとFORmaxとの関係については，いくつか の先行研究がある。それらによれば，両者は一致 すると報告するもの（AchtenandJeukendrup, 2004；Tolfreyetal.,2010），一致しないと報告す るもの（Bircheretal.,2005；Ryndersetal.,2011）
がある。先行研究の結果の不一致の原因は明らか ではないが，対象とした被検者が，持久性スポー ツ選手，思春期の男女，肥満の成人男女および成 人の非鍛錬者と異なることに起因しているかもし れない。今後，様々な対象を被検者としてLTと FORmaxの関連性を検討することは，健康科学 やスポーツ科学にとって有用な知見となると考え られる。
そこで本研究は，LTとFORmaxの関係につい Keywords；lactatethreshold,maximumfatoxidationrate,adultmaleexercisehabits,
exerciseintensity
研究対象とされてことなかった運動習慣がある成 人男性を対象に実験を行った。また，先行研究に おいてVTを研究対象としているものは少ないた め（Astorino,2000；Bircheretal.,2005），本研 究ではVTとの関連性についても検討を加えた。
方 法 1．被検者
男子大学生17名（年齢19.3±1.2歳，身長172±
4.8cm，体重63.7±4.3kg）を対象とした。被検者 は全員，大学で運動部に所属しており，日常的に 運動を実施していた。実験参加時は冬期（11-12月）
であったため，屋内において週3回，2時間程度 の運動頻度であった。全ての被検者に対し，実験 の目的や内容について説明を行い，書面にて実験 参加の同意を得た。なお，本研究は，北海道教育 大学研究倫理委員会の承認を得て実施された（北 教大研倫2019091001）。
2．実験プロトコル
被検者は実験室（室温20.0±0.2℃，湿度32.2±
1.0%）に来室後，体重の測定を行い，各自でスト レッチ等の準備運動を実施した。その後，自転車 エルゴメーターにより漸増負荷運動を行った。運 動前の安静時から運動終了後まで呼気ガス分析と 心拍数（HR）の計測を行った。運動前の安静時，
運動開始から3分毎と運動終了時に主観的運動強 度（RPE）と血中乳酸濃度（bLa）を測定した。
3．漸増負荷運動（図1）
被検者は，自転車エルゴメ－ター（ロード社製 75XL）で多段階漸増負荷試験を実施した。運動 負荷の漸増は，0Wattで3分間のウォーミング アップ後，連続的に20Wattで3分間，その後は 3分間ずつ20Watt増加させ，160Wattまで実施し た。自転車のペダリング頻度はメトロノームに合 わせて60rpmを維持させた。安静時と各負荷の2 分30秒時点において，Borgスケール（6-20段階，
Borg，1973）を用いて，被検者の指差しにより
確認した。
160Watt以降は，1分間に20Wattの漸増率に変 化させ，疲労困憊まで運動を行わせた。ペダリン グ頻度は60rpmを下回らないことを条件に被検者 の任意とした。疲労困憊の判定基準は自転車エル ゴメーターの回転数が50rpmを下回った時点，も しくは検者が運動継続困難と判断とした時点とし た。
4．呼気ガスの採取と分析
運動開始から運動終了まで，呼気ガス分析装置
（ミナト医科学社製AE-300S）により呼気ガス をbreath-by-breath法で連続的に測定した。得 られた呼気ガスデータは8呼吸毎に平滑化した 後，20秒間毎に単純平均したものを分析に供し た。HRについても20秒毎に平均したものを用い た。呼気ガス変数として，換気量（V・
E），酸素摂 取量（V・
O2），二酸化炭素排泄量（V・
CO2）および ガス交換比率（RER）を分析対象とした。得ら れ たV・
O2の 内， 最 高 値 を 最 高 酸 素 摂 取 量
（V・
O2peak）とした。
5．採血とbLaの測定
採血は採血用穿刺器具（SKK社製ジェントレッ トⅡ）を用いて，指先から安静時，運動開始後 20Watt，40Watt，60Watt，80Watt, 100Watt, 120Watt,140Wattおよび160Wattの各3分間の内 の2分30秒，加えて漸増負荷試験の終了3分後の 計10回行った。採取後すぐに，簡易血中乳酸測定
図１ 漸増負荷運動の測定プロトコル
千葉 佳苗・神林 勲
器（アークレイ社製ラクテート・プロ2）を用い てbLaの測定に供した。
6．FORとFORmaxの算出
FOR（g/min）は，0-160Wattの負荷のV・ O2と
・V
CO2からタンパク質の酸化はないものとして仮 定 し てJanyacharoenetal.（2009） の 式〔1.695
×V・
O2（ml/min）－1.701×V・
CO（ml/min）〕を用2 いて算出した。
FORmaxは，20秒毎に算出されたFORから，
各運動負荷の後半1分間の平均値を算出し，その 平均値をY軸に，運動時間の経過をX軸としたグ ラフを作成し，多項式による近似回帰曲線を求め，
その式の最大値とした。最大値の算出は，表計算 ソフトであるExcel2013のソルバーの機能を使用 した。算出の典型例を図2に示した。FORmax が現れた運動強度については，運動時間とV・
O2， 運動時間とHRの一次回帰式をそれぞれ求め，そ れらの式に最大脂質酸化量が出現した運動時間を 代入することで求めた。なお，V・
O2については
・V
O2peakで，HRについては運動中に得られたHR の最高値（HRpeak）で除した相対値（%V・
O2peak と%HRpeak）も合わせて算出した。なお，LTと VTと の 関 連 性 の 検 討 で は， 各 被 検 者 の
を用いた。
7．VTとLTの判定
これらの判定には，0-160Wattにおける各被検 者の平均値を用いて行った。VTは，Wasserman
（1964）の判定基準を参考に，被検者全員のV・ E，
・V
CO2お よ びRERの 平 均 値 を 運 動 負 荷（0- 160Watt）に対してプロットし，それらが非直線 的に増加するポイントを視覚的に判定した。
LTの判定については，被検者全員のbLaの平 均値を安静時から運動終了時の運動負荷に対して プロットし，安静時からのベースラインからbLa が増加するポイント（AchtenandJeukendrup, 2004）を視覚的に判定した。
8．統計処理
全ての項目は平均値±標準誤差で示した。平均 値の差の検定には対応のあるt検定を用いた。有 意水準は5%未満とした。
結 果
表1に，漸増負荷運動における運動継続時間と 呼吸循環器系変数の最高値を平均値で示した。
HRとRERから被検者は疲労困憊に達したと思わ れる。運動継続時間はおよそ30分間であった。
表2は，0Wattから160Wattまでの各負荷にお ける2－3分間の1分間の呼吸循環器系変数，FOR，
RPEおよびbLaの平均値を示したものである。
FORは40-80Wattで0.26-0.27g/minと高く，その 前後の運動強度では低値であった。RPEは6-15，
bLaは3-5mmol/Lの範囲で推移した。
表3は，被検者毎に算出したFORmaxとその 出現強度に関する変数を平均値で示したものであ る。FORmaxの 出 現 強 度 は，HRpeakの55%程 度，V・
O2peakの35%程度と比較的低い運動強度で 出現した。
図3は表2のデータを基に，VT，LTおよび FORmaxの判定を行ったグラフである。V・
・ E，
図2 最大脂質酸化量の算出のための典型例 X軸は時間経過（sec）を，Y軸は各負荷で平均化さ れた脂質酸化量（g/min）を示す。多項式の近似回 帰曲線を作成後，Excelのソルバー機能を使用し最大 値（最大脂質酸化量）を算出した。
で出現したと判断された。LTについては，安静 時からのベースラインからbLaが増加する60Watt を出現強度とした。0-60Wattと80-160Wattにお け るbLaとRERの 平 均 値 を 算 出 す る と，bLaは 3.01±0.32mmol/Lと4.56±0.49mmol/L，RERは 0.83±0.01と0.93±0.01となり，両者の差はいずれ も統計的に有意（p<0.01）であった。FORmax は多項式による近似回帰曲線から，61Wattと計 算された。このことから，LTとFORmaxは同一 の強度で出現し，その強度は，VTの強度よりも 低値であった。
考 察
本研究では運動習慣がある男子大学生を対象に 漸増負荷運動を行ったところ，LTとFORmaxは ほぼ同一の強度で出現することが明らかとなっ
た。この結果は，持久性スポーツ選手を対象とし たAchtenandJeukendrup（2003），思春期の男 女を対象としたTolfreyetal.（2010）の報告を支 持するものとなった。出現強度は，被検者全員の 平均値（表3）や各負荷の平均値（表2）からの 算 出 か ら，50-55%HRpeak，30-35%V・
O2peakお よび60-65Wattの範囲であった。よって，この強 度での運動は，安全性の面から，また，脂質代謝 の面から有効性が高いといえる。表2より，RPE も7-8程度であったことから，主観的にも非常に 楽に実施できる運動強度であった。
表2や図2で示したように，FORmax後が出 現した強度以降，FORは低下している。しかし ながら，運動強度の増加に伴うエネルギー需要は 満たさなければならない。そのために糖質酸化量 が増加し，それが乳酸生成の増加につながりLT 出現がもたらされたと考えられる。LTとFORmax 表１ 漸増負荷運動における呼吸循環器系変数と血中乳酸値の最高値（被検者全員の平均値）
・
表3 最大脂質酸化量とその出現時の呼吸循環器系変数と運動負荷（被検者全員の平均値）
・
・
表2 各負荷における呼吸循環器系，FOR，RPEおよびbLaの平均値（被検者全員の平均値から算出）
・
・
・
・
千葉 佳苗・神林 勲
は一致しないとする研究（Bircheretal.,2005；
Ryndersetal.,2011）との相違は明らかではない が，それらの研究が肥満者や非鍛錬者を対象とし ていることから，運動習慣や身体活動量がLTと FORmaxの関連性に影響を与える可能性がある。
また，運動によるbLa動態からどのようにLTを 判定するかも結果に影響を与えるかもしれない。
VTとFORmaxの出現強度には大きな違いが認 め ら れ た。 こ の 結 果 は， 先 行 研 究（Astorino, 2000；Bircheretal.,2005）と一致している。VT の生じる生理学的メカニズムは今だ明らかではな い。しかしながら，エネルギー基質の代謝に影響 を与えるホルモン濃度の影響を指摘する研究
あるものの，骨格筋からのカリウムイオンの漏出
（Paterson,1992）や骨格筋を支配する神経性活 動の増大（MateikaandDuffin,1994a,1994b）と の報告もあり，代謝以外の影響がVT出現の要因 で あ る 可 能 性 が あ る。 こ の こ と が，VTと FORmaxの出現強度の不一致につながったと思 われる。
本研究では，FORmaxは0.27-0.28g/minと推定 され，出現強度は30-35%V・
O2peak，50-55%HRpeak であった。これらの値は，運動習慣のある女子大 学生を対象に約20-90%V・
O2peakの範囲において 自転車エルゴメーターで検討した研究結果（佐藤 ほ か，2019），FORの 最 高 値0.26-0.27g/min， 出
・ 図3 漸増負荷運動における各負荷のFOR，bLa（上段）とV・
E，V・
CO2（下段）の変化
各図のX軸は運動負荷（Watt）を示している。各図中内の点線矢印はLT，破線矢印はVTと判断された強度を示し ている。
・ ・
しながら，トレッドミルによる走運動において，
運動クラブに所属している女子中学生を対象とし た研究（高橋ほか，2015）では，FORmaxは0.27±
0.11g/minであるものの，出現強度は56.5±3.7%
・V
O2peakと本研究とは大きく異なる。本研究も含 めこれらの研究のFORmaxは絶対値であり，体 格の影響を排除することができておらず，値を単 純に比較することはできない。しかしながら，運 動強度についてはV・
O2やHRのpeak値で相対化さ れ て お り， 比 較 が 可 能 で あ る。 先 行 研 究 の FORmaxの出現強度を見てみると，最大酸素摂 取量（V・
O2max）の63%（AchtenandJeukendrup, 2003），61%（AchtenandJeukendrup,2004），48%
（Venablesetal.,2005），53-56%（Stisen et al., 2006），55-59%（高橋ほか，2009），42.6%（Lazzer etal.,2010）V・
O2peakの35%（Tolfreyetal.,2010），
31-56%（Riddelletal.,2008），44.7%
（Rynderset al.,2011）であったことが報告されている。本研 究や佐藤ほか（2009）の結果と比較すると全体的 に高値ものが多い。研究に用いられた運動の種類，
運動負荷様式および対象者が異なるため，詳細は 不明だが，日本人の運動習慣がある成人男女の FORmaxの出現強度は，欧米人，思春期の男女 および持久性トレーニング者よりも低い可能性が ある。Riddelletal.（2008）の報告によると，思 春 期 か ら 成 人 へ と 年 齢 が 上 が る に つ れ て，
FORmaxの出現強度（%V・
O2peak）が減少するこ とはこの推察を支持するものと思われる。
本研究の課題として，LTとFORmaxの関連性 が被検者の平均値での検討に留まったことがあげ られる。これはbLaの測定値にばらつきが大き く，LTの判定を明確に行うことができなかった 被検者が多くいたことに起因する。LTの評価に 合わせるため，FORmaxとVTも被検者全員の平 均 値 で 評 価 し た。 今 後 は， 被 検 者 毎 のATと FORmaxを算出し，両者の関連性を相関分析等 でより詳細に検討する必要があるであろう。ま た，FORmaxに影響を与える運動前の食事を統 一することができなかったことも今後の課題であ る。
結 論
本研究では，運動習慣がある男子大学生17名を 対象とし，LTとFORmaxの出現強度について検 討した。その結果，両者の出現強度はほぼ一致し た。一方，VTはより高い強度での出現であった。
よ っ て，LTとFORmaxが 出 現 し た 運 動 強 度
（30-35%V・
O2peak，50-55%HRpeak） は 安 全 性 や脂質代謝の面から有効性が高いといえる。一 方，FORmaxの出現強度については先行研究よ りも低値であったことから，今後，より詳細な検 討も必要である。
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（千葉 佳苗 本学大学院生）
（神林 勲 札幌校教授）
