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第3章 碳水化合物
碳水化合物是由碳、氢、氧原子组成的一种化合物。绝大多数人类碳水化合物来自植物性食物，但也有些碳水化合物存在于动物制品中。肝脏可以利用特定的氨基酸和脂肪的某些成分来合成碳水化合物。
人体会利用碳水化合物来实现很多重要功能。碳水化合物分解代谢产生的能量会为许多生物过程提供动力。碳水化合物十分重要，是人体内所有组织的燃料，例如，神经细胞依赖碳水化合物供能，红细胞依赖葡萄糖供能。在正常条件下，大脑几乎只使用血糖。为了正常工作，人体需将血糖水平维持在极低的范围内。尽管神经细胞和红细胞对心血管功能、肌肉募集和氧气运输至关重要，但是它们对碳水化合物的需求通常没有被纳入运动代谢范围之内。
在运动过程中，碳水化合物为收缩的骨骼肌提供能量燃料通常是运动科学家关注的焦点。由于碳水化合物可以快速转化为能量，骨骼肌对作为燃料的碳水化合物的依赖性随着运动强度的增大而增强。碳水化合物在运动中的作用可以通过其与运动表现的关系得到确定：当碳水化合物即将耗尽时，运动表现下降；补充碳水化合物后，运动表现提高。
碳水化合物分解的另一个作用是作为脂肪进入三羧酸循环的引物。在三羧酸循环中，脂肪酸分解产生的具有双碳结构的乙酰辅酶A与糖代谢的中间产物相结合，从而促进脂肪氧化。如果没有充足的三羧酸循环的引物，就不可能有正常的脂肪代谢。
第1节 碳水化合物的种类
不是所有的碳水化合物都具有相同的形式和功效，而且它们对运动表现的影响也不一样。单糖是最简单的碳水化合物形式，由3至6个碳原子构成，虽然它们的结构差异不大，但代谢差异不小，能够被人体吸收的只有"六碳糖"。然而，这些细微的差别会导致很大的代谢差别。通过化学键结合在一起的单糖数量是区分不同碳水化合物种类的基础，并且这些化学键能增强人体内碳水化合物的功能。"糖"这个术语通常指单糖和双糖，如蔗糖。"复合糖"和"淀粉"被广泛地用来指有更长的化学链的糖分子或单糖的聚合物，这些糖来自植物或来自由植物制成的食物，如面包、麦片、蔬菜和米饭。接下来将讨论关于食物中所含的碳水化合物的术语。运动员需要了解碳水化合物的种类及其对身体的作用--包括哪些种类能快速恢复消耗的肌糖原，哪些种类能让人体在比赛中维持血糖水平，哪些种类能促进身体健康。
小节1.1： 单糖
人体中有3种膳食单糖分子具有与己糖一致的分子式，这3种单糖是葡萄糖、半乳糖和果糖（见图3.1）。葡萄糖即血糖，也被称作右旋糖，是人体中最重要、也是人体细胞主要使用的单糖。通过饮食，我们可以很容易地获取这种单糖。人体也可以通过消化和转化其他单糖来合成葡萄糖，或者将葡萄糖从淀粉和糖原等更复杂的碳水化合物分子中释放出来。在糖异生过程中，肝脏会将诸如氨基酸、甘油、丙酮酸和乳酸等化合物转化为葡萄糖。
人体摄入的葡萄糖在被消化后会被小肠吸收，然后进入血液成为细胞新陈代谢的能量来源，或者成为存储在细胞间的糖原，或者被肝脏用来转换成脂肪。与葡萄糖相比，半乳糖和果糖的碳原子、氢原子和氧原子的化学链稍有不同。半乳糖是天然存在的，半乳糖一般与葡萄糖结合在一起，形成乳糖。乳糖只存在泌乳人群或动物的乳腺中。肝脏会将食用的半乳糖转化为葡萄糖。果糖是最甜的糖，也被称作左旋糖或水果糖。通常，果糖存在于水果和蜂蜜中。食用果糖被小肠吸收后进入血液，然后被输送到肝脏转化为葡萄糖。在这3种单糖中，葡萄糖是最重要的，对于那些锻炼的人群或正在接受训练的运动员来说尤其如此。半乳糖和果糖一旦被小肠吸收，就必须进入肝脏转化为葡萄糖，而这一过程需要花费一些时间。相反，人体直接摄入的葡萄糖可以更容易地被正在工作的肌肉使用。
小节1.2： 双糖
双糖由两个单糖组成。常见的双糖的结构如图3.1所示。常见的双糖包括葡萄糖分子与果糖分子结合形成的蔗糖，与半乳糖分子结合形成的乳糖，以及与另一个葡萄糖分子结合形成的麦芽糖。蔗糖也被称作"餐桌上的糖"，是最常见的膳食双糖。蔗糖在大多数碳水化合物中含量丰富，但在精加工食品中含量尤其丰富。乳糖是甜度最低的双糖。麦芽糖又称饴糖，常见于谷物制品，如谷物和种子食物。虽然麦芽糖包含两个葡萄糖分子，但是它只占日常饮食碳水化合物中的一小部分。单糖和双糖都被称为简单糖。在商业贸易中，这些糖被冠以不同的名称：红糖、玉米糖浆、果子露、糖蜜、大麦芽糖、转化糖、蜂蜜和天然甜味剂等，它们都属于简单糖。
在美国，很多食物和饮料都含有甜味剂，它往往是便宜又好用的高果糖玉米糖浆(high-fructose com syrup，HFCS)。高果糖玉米糖浆往往被当作一种可以调节果糖浓度的玉米糖浆。HFCS 42和HFCS 55是食品和饮料中最常见的形式。"HFCS"之后的数字代表糖中果糖的百分比。由于高果糖玉米糖浆与甜菜和甘蔗蔗糖的单糖比例相似，因此它具有"甜味"，这为食品和饮料公司提供了成本和制造效益。
小节1.3： 低聚糖和多糖
低聚糖是由3至10个单糖分子结合在一起构成的。多糖是一种由10个至上千个以化学方式链接的单糖分子组成的碳水化合物。多糖来自植物和动物。淀粉和纤维是多糖的植物来源。在人体和动物组织内，葡萄糖的存储形式为糖原。
小节1.4： 淀粉
淀粉是葡萄糖在植物中的存储形式，通常以高浓度的形式存在于植物种子、玉米中，以及存在于用来制作面包、比萨和点心的各类谷物中。另外，豌豆、黄豆、土豆和其他根茎类蔬菜中也含有淀粉。淀粉有两种形式（见图3.1）：
1.直链淀粉，一条又长又直的葡萄糖链扭成一个螺旋线圈；
2.支链淀粉，一个有很多分支的单糖大分子结构。
植物食品中每种淀粉的相对比例决定了该淀粉的消化特性，包括消化率，或者说摄入的食物中可以被人体吸收的比例。支链淀粉含量比较高的淀粉更容易被消化，也更容易被小肠吸收。相比之下，直链淀粉含量较高的淀粉不太容易被消化，因此其转化为血糖的速度也就变慢了。"复合糖"通常指的就是食用淀粉。
小节1.5： 纤维
纤维是一种结构化以下的非淀粉类多糖。美国国家科学院（National Academy of Sciences，NAS）用以下3段文字描述人体对纤维的摄入。
1.膳食纤维由植物中含有的难以消化的碳水化合物和木质素组成，包括不能通过消化系统分解为可吸收物质的淀粉。
2.功能性纤维包含游离的、难以消化的碳水化合物，但是它们对人体有益（肠道细菌能够发酵一小部分水溶性膳食纤维，从而生成短链脂肪酸；这些脂肪酸可以被人体吸收，并用作肠道上皮细胞或白细胞的燃料）。功能性纤维是一种新型纤维分类。功能性纤维这个术语被用来描述一些具有促进人体健康的功效的纤维。功能性纤维不仅包括一些来源于植物的可食用但难以消化的纤维，也包括来源于工业制造的碳水化合物。
3.全纤维是膳食纤维和功能性纤维的总和。
如表3.2所示，不同纤维的物理特性、化学特性和生理功效大不相同。树叶、树干、根茎、种子和果皮的细胞壁含有不同种类的碳水化合物纤维。纤维素是地球上最丰富的有机分子。通常情况下，膳食纤维分为水溶性膳食纤维和非水溶性膳食纤维，而某些膳食纤维可以从食物中提取出来单独存在并在市场上作为功能性纤维出售。非水溶性纤维包括纤维素和半纤维素。通常情况下，麦秋就是一种富含纤维素的食物。水溶性纤维包括车前草、β-葡聚糖、果胶和瓜尔胶，主要存在于燕麦、黄豆、糙米、豌豆、胡萝卜和很多水果中。因为膳食纤维能够保存大量的水分，所以在肠道中的食物残渣大都是膳食纤维。非水溶性纤维与肠壁上的细胞发生摩擦，有助于改善肠胃功能和肠胃健康状况。而水溶性纤维缩短了食物残渣通过消化道的时间。下面列出了一些水溶性纤维和非水溶性纤维，以及它们各自的食物来源。根据文献报道，通常，美国人每天的饮食会含有18克的纤维。这一摄入量远远低于美国国家科学院食品和营养委员会的推荐量，即男性38克每天和女性25克每天。
纤维受到研究人员和市场的广泛关注。虽然摄入充足的纤维不会直接影响运动表现，但是有研究发现，高纤维特别是全谷物纤维的摄入与心脏和外周动脉疾病、高脂血症、肥胖症、糖尿病和包括肠胃癌在内的消化系统疾病的发病率降低有关。现在有证据表明，膳食纤维在维持健康的肠道菌群多样性方面十分重要，这有助于减少与低纤维饮食习惯相关的慢性疾病和炎症的发生。
小节1.6： 糖原
糖原是一种由大量葡萄糖组成的带分支的大分子多糖，是碳水化合物在人体内的存储形式。这种形状不规则的支链多糖由成百上千个葡萄糖分子组成。这些葡萄糖分子连接在一起形成致密颗粒。其中也含有一些酶，有些酶负责糖原的合成、分解，或调节与糖原合成、分解有关的过程。糖原的存在使人体在两餐之间拥有大量可以为肌肉收缩供能的碳水化合物储备。
糖原主要存储在肝脏和骨骼肌之中。肝脏中糖原的浓度高，而骨骼肌中的糖原总量大，这是因为骨骼肌分布广、质量大，而肝糖原则是作为储备使用。骨骼肌中的糖原代谢在胰岛素控制血糖稳定的过程中有重要作用。胰岛素是调节血糖水平最重要的物质，可以促进骨骼肌中的血液流动，刺激骨骼肌中的葡萄糖摄取、糖酵解和糖原合成。糖原存储最大化不仅对有氧耐力运动员很重要，对参加高强度训练的运动员也十分重要。
小节1.7： 血糖指数
不同种类的碳水化合物的血糖指数(glycemic index，GI)是反映人体吸收50克碳水化合物与摄入50克葡萄糖相比血液中血糖水平上升速率的指标（见公式3.1）。
其中，AUCcho表示摄入含50克碳水化合物的食物后血糖曲线下的面积，AUCglu表示摄入含50克葡萄糖的食物后血糖曲线下的面积。一种食物的血糖指数在很大程度上取决于摄入的碳水化合物从胃中排空并通过肠黏膜或肠道被吸收到血液中的速度。
糙米、全麦面食、多谷物面包等类型的食物吸收速率低，血糖指数也低。高血糖指数的食物包括很多软饮料和名义上的运动饮料，以及精制糖、精制大米、比萨和土豆泥等食物，尽管持续的时间短暂，但这些食物会显著促进血糖增加和胰岛素分泌。多糖食物的血糖反应并不总是低于简单糖食物的血糖反应，因为烹饪会改变淀粉颗粒的完整性，从而提高血糖指数。在预测液体碳水化合物和固体碳水化合物的血糖指数时应该考虑这一点。
鉴于膳食碳水化合物是运动准备、运动表现和运动后恢复的重要组成部分，进行训练的运动员对碳水化合物的需求会增加。在进行高强度身体训练时，运动员的每日碳水化合物摄入需求可能会超过10克每千克体重。运动员可以综合利用低血糖指数碳水化合物和高血糖指数碳水化合物来提升运动表现。例如，在长时间有氧耐力训练中，食用高血糖指数的碳水化合物有助于保持血糖水平和促进训练后肌糖原的快速恢复。但是，人们也可以食用一些吸收较慢、不精细的多糖来优化运动间隙的肌肉碳水化合物的存储。食用低血糖指数的碳水化合物有助于维持血糖水平，并在超长时间的运动和恢复期预防血糖大幅度下降。
小节1.8： 血糖负荷
除了用血糖指数描述血糖反应外，评估碳水化合物食物对身体的影响的更具体的指标是血糖负荷。血糖负荷（glycemic load，GL）将血糖指数（GI）与一份特定食物所含碳水化合物的量相结合（见公式3.2）。
其中，CHO食物，表示一份食物中碳水化合物的含量，以克为单位。相同血糖指数的食物中，血糖负荷较高的食物比血糖负荷较低的食物对血糖的影响更大，因为前者的碳水化合物含量较高。在表3.1中，比较大米和西瓜时，我们可以看到，大米和西瓜的血糖指数均为72，属于高血糖指数食物。一份大米150克可提供42克碳水化合物，而一份西瓜120克仅提供6克碳水化合物。
血糖负荷是一种实用的指标，了解它有助于糖尿病患者选择可改善血糖控制的食物。虽然像大米这样的高血糖指数食物会导致血糖升高，但吃一份西瓜不会让血糖升高太多。
第2节 体内碳水化合物的调节
碳水化合物是人体内的一种重要的燃料来源，但数量有限。在休息状态下，肝脏、胰腺和其他器官一起将血糖水平控制在一个较低的范围内，以满足不同身体组织对碳水化合物的需求。因为骨骼肌中存储的有限的糖原是肌肉收缩的重要能量来源，所以休息状态下的人体很少用到这种碳水化合物。进食后，人体会尽可能多地以糖原的形式存储碳水化合物，同时提高碳水化合物燃料的使用率，使血糖水平回归正常。在禁食状态下，人体会动员肝脏将非糖物质转化为糖原，同时促进脂肪氧化，以便获取能量来节省碳水化合物燃料。
在运动和比赛期间，随着燃料需求的增加，人体会增加对脂肪和碳水化合物的使用。除了血液循环中的葡萄糖外，人体将开始利用存储在肌肉中的糖原。为了维持血糖水平，肝脏会加快肝糖原分解和糖异生的速率。人在运动过程中碳水化合物和脂肪的用量以及二者的比例取决于多个因素。通常情况下，在休息和低强度运动期间，脂肪是主要的燃料来源。随着运动强度增加，脂肪用量会增加，直到达到最高水平，即最大摄氧量的50%随着运动强度持续增加，碳水化合物供能占比也持续上升。超长时间持续运动会出现糖原储备不足的情况，人体需要重新转换为以脂肪供能为主的代谢模式。
小节2.1： 血糖稳定
一般情况下，一个成年人体内的总血量大约为5升。在这5升总血量中，大约有5克葡萄糖。从食物中摄取碳水化合物、肝糖原分解和糖异生都有助于保持血糖水平。在禁食阶段，糖异生对血糖水平的保持作用更大。在休息状态下，肌肉内的葡萄糖和糖原使用率很低。血液中胰高血糖素和胰岛素的平衡对血糖和身体组织对糖原的使用率的调节功效最强。当血糖低于正常水平时，胰腺的a细胞就会分泌胰高血糖素。胰高血糖素是一种碳水化合物调动激素，其可以促进肝脏的糖异生和肝糖原分解，从而使血糖水平回归正常（见图3.2）。当血糖水平在进食后超过正常值时，胰腺的P细胞就会分泌胰岛素。胰岛素降低血液中葡萄糖的方式有两种，包括增加流向胰岛素敏感的组织，主要是骨骼肌和脂肪组织的血流量和刺激糖分子扩散到对胰岛素敏感的细胞中去。胰岛素也可以刺激细胞的能量代谢，氧化碳水化合物，促进以糖原的方式存储葡萄糖，并抑制肝脏、骨骼肌的糖原分解和肝脏的糖异生。从训练实践的角度来看，这些系统的正常工作对于保持血糖水平非常重要，因为有氧耐力会随血糖水平的下降而减弱。
小节2.2： 糖原合成
糖原存储在骨骼肌和肝脏中。肌糖原是高强度有氧或无氧运动中的一种重要的能量来源。肝糖原被分解成葡萄糖，然后被输送到血液中，以便在有氧耐力运动中和两餐之间维持血糖水平。本小节将解释糖原是如何合成的。
在糖原合成过程中，细胞内的葡萄糖要几经转变才能生成尿昔二磷酸(uridine diphosphate，UDP)葡萄糖。这一反应需要经历3个步骤。
1.葡萄糖在进入细胞的过程中被己糖激酶催化成葡萄糖-6-磷酸。
2.葡萄糖-6-磷酸在磷酸葡糖变位酶的作用下转化为葡萄糖-1-磷酸。
3.在由尿昔二磷酸-葡萄糖焦磷酸化酶催化的反应过程中，葡萄糖-1-磷酸和尿昔三磷酸合成尿昔二磷酸-葡萄糖。
合成的尿昔二磷酸-葡萄糖可以促进糖原分子形成。这一过程受到糖原合成酶的催化作用。这时，只要多糖链含有4个以上的葡萄糖残基，多糖链就会再增加一个葡萄糖单位。糖原是一种支链丰富的多糖，不单单是一串重复的葡萄糖合成物。这些支链很重要，其在提高糖原的溶解度的同时，还能够促进糖原的决速合成与分解，在高强度运动中，这有助于提供更多的葡萄糖，并使其进入糖酵解代谢过程来产生能量。
小节2.3： 糖原分解
一旦运动过程中糖原发生分解，这就说明人体需要ATP来为骨骼肌收缩提供燃料。ATP是一种由细胞合成和使用的高能磷酸化合物，用于释放供细胞工作所用的能量。糖原分解的目的是释放葡萄糖化合物，并使葡萄糖进入糖酵解代谢过程，加快ATP的生成。
在糖原分解的复杂过程中，糖原分解产生的单个葡萄糖化合物形成葡萄糖7-磷酸。磷酸化酶将糖基残留物从糖原分子的非还原端逐一移除。糖原分解过程中形成的葡萄糖-1-磷酸被磷酸葡糖变位酶转化为葡萄糖-6-磷酸。在骨骼肌中，由糖原分解产生的葡萄糖-6-磷酸，与由从血液进入细胞的葡萄糖转化而成的葡萄糖-6-磷酸一起，进入糖酵解代谢过程。肝脏和肾脏的一部分，要么通过糖酵解处理糖原分解产生的葡萄糖-6-磷酸，要么将糖原分解产生的葡萄糖-6-磷酸去磷酸化，然后将这些葡萄糖释放到血液中。在细胞内的葡萄糖代谢过程中，葡萄糖-6-磷酸这种媒介在葡萄糖存储和葡萄糖氧化的各种转化过程中发挥核心作用（见图3.3）。
小节2.4： 糖酵解
在运动、高强度训练和比赛中，人体需要快速获得ATP以便产生能量。产生ATP最快的方式之一就是糖酵解。简而言之，糖酵解就是分解碳水化合物来产生ATP的过程。糖酵解发生在肌肉组织的细胞质中。糖酵解的一个重要生理成果就是能相对较快地生成用于肌肉收缩的ATP。从图3.4中可以看出，糖酵解是一组10步酶催化的化学反应链。它的起点是一个含有6个碳原子的葡萄糖，终点是两个含有3个碳原子的丙酮酸分子。
糖酵解最后产生的丙酮酸可能有两种命运：转变为乳酸或进入线粒体。线粒体是细胞中负责利用氧产生ATP的结构，三羧酸循环、电子传递链和脂肪酸循环均在线粒体内完成。进入线粒体的丙酮酸先转化为乙酰辅酶A，再进入三羧酸循环。三羧酸循环在一系列酶催化的化学反应过程中，进一步使丙酮酸-乙酰辅酶A进行代谢。最终，三羧酸循环中的这些化学反应会生成还原型烟酰胺腺嘌呤二核昔酸（NADH）和还原型黄素腺嘌呤二核昔酸（FADH2），它们会将电子传递给线粒体中的电子传递链。这些电子传递链会促进ATP的生成，从而为骨骼肌收缩提供更多燃料。但是与糖酵解生成的ATP相比，这种ATP生成的速率较慢。了解糖酵解生成ATP的速率更快这一点是非常重要的，特别是在高强度训练或运动中。糖酵解产生大量的丙酮酸，丙酮酸可进一步氧化生成ATP。这种ATP生成方式主要是由葡萄糖分解来促成的，因此确保膳食中含有充足的碳水化合物的重要性也就很容易理解了，这样才能在训练和比赛中为高强度运动提供燃料。
小节2.5： 乳酸的产生和清除
前文已经提到，糖酵解的最终产物是丙酮酸。丙酮酸可以转化为乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环。丙酮酸也可以转化为乳酸。一旦在细胞内生成，乳酸就通过释放氢离子进行快速解离，并降低细胞质的pH值。解离出氢离子后，乳酸变为乳酸根。细胞内的pH值随着乳酸的增多而下降，这会对众多代谢环节和肌肉收缩过程产生不利的影响。因此，必须立即减少细胞中的乳酸或者将其排除到细胞外并清除。人体在休息和低强度运动时会产生少量的乳酸。大部分乳酸在细胞内就可以很容易被清除，但有些乳酸需要被运输到细胞外进行快速无害的处理。血浆蛋白是最重要的细胞外缓冲物。此外，血浆中的碳酸氢根也具有细胞外化学缓冲的作用。在持续高强度的肌肉收缩过程中，肌肉会有疼痛或灼烧的感觉。这主要是因为pH值下降刺激了肌纤维外游离神经末梢。剩下的含有3个碳原子的乳酸根可以被用作非运动肌、心肌，甚至是参与运动的肌肉本身的一种潜在燃料。在乳酸阈所对应的中高强度运动中，多余的乳酸会被转移到细胞外。随着运动强度的增加，血液中的乳酸会快速增加。在高强度运动中，过多的乳酸所产生的游离氢离子对肌肉工作有不利影响。但是这种代谢副产品的生成有助于促进短时间内碳水化合物经无氧代谢生成ATP。
疲劳被定义为不能维持预定的输出功率或运动强度。在短时高强度无氧运动中，疲劳产生的一部分原因是参与运动的肌肉中的乳酸解离出氢离子导致pH值下降。持续的高强度运动会快速耗尽参与运动的肌肉中的糖原。细胞间糖原的减少和血糖获取速率的受限使得肌肉迅速疲劳，同时无氧系统维持快速ATP再合成的能力也在减弱。随着有氧供能对生成整体运动所需ATP的贡献越来越大，肌肉收缩能以较低强度继续进行。
尽管乳酸的堆积与疲劳有关，但没有任何饮食方法能减少高强度运动中乳酸的产生。然而，适当的训练能使运动员在更高强度的运动中更依赖有氧代谢途径，包括将乳酸用作燃料，从而降低血液中的乳酸含量。一般来说，运动员的饮食中必须包含最佳剂量的碳水化合物，因为这样有助于使运动员完成高强度训练。这种训练将导致机体产生代谢适应，促使从氧化能量来源产生能量，以满足运动时的能量需求。
身体的糖供能机制会受碳水化合物储备量的影响。血糖浓度变化是肝糖原释放的反馈调节机制，血糖浓度上升会抑制运动中肝糖原的释放。碳水化合物的储备情况还会通过减少细胞中脂肪酸的动员和氧化来限制脂肪代谢。简而言之，当对ATP的需求较大时，脂肪酸氧化因供能速率太慢而无法满足能量需求，这样会导致线粒体还原型烟酰胺腺嘌呤二核昔酸和乙酰辅酶A负荷的加大，必要时会迫使糖通过产生乳酸的方式来维持无氧糖酵解。
第3节 碳水化合物和运动表现
近100年来，碳水化合物在运动中的作用一直是人们感兴趣的话题。1925年，戈登及其同事证明，在马拉松比赛期间摄入含有葡萄糖的糖果可以使跑步者以"更好的状态"完成任务。在20世纪60年代，肌肉活检的重新引入，加快了我们探索碳水化合物对运动表现的作用的步伐，这使我们在随后的20年里增进了对肌糖原和碳水化合物负荷的了解。在20世纪80年代，大量的研究证实了在长时间运动中摄入碳水化合物的强效促进作用。至21世纪初，我们对碳水化合物在无氧代谢中潜在的强效促进作用的认识有所增加。2004年，人们发现了以多种形式摄入碳水化合物的好处。以多种形式摄入碳水化合物提高了外源性碳水化合物的氧化率。与此同时，研究还证明了人体对口腔中碳水化合物的识别及其随后提升运动表现的潜力。以下各小节提供了更多详细信息，并讨论了这些开创性研究以及其他一些研究，这些研究构成了我们目前对碳水化合物对运动员的作用的理解。
小节3.1： 运动对碳水化合物存储的影响
在休息状态下和运动过程中，肝脏产生葡萄糖来确保血糖浓度达到5.5毫摩尔每升。血糖大约只能提供参与运动的肌肉所需总能量的30%，其余所需的碳水化合物燃料来自存储的肌糖原。在长时间高强度运动中，血糖浓度最终会降到正常水平之下，这是因为收缩的骨骼肌在持续消耗血糖，而肝糖原储备也会被不断消耗。
肝糖原会突然减少，以维持可接受的血糖水平。另外，有氧运动会迅速消耗相对较少的肝糖原。两小时的高强度运动几乎可以耗尽肝脏和参与运动的肌肉中的糖原。如果运动员在运动前已经长时间没有进食，那么糖原消耗将是一个值得特别关注的问题。例如，清晨或者运动热身后，运动员的糖原水平就处于非最佳状态。
骨骼肌中的糖原是参与运动的肌肉便利的能量来源。碳水化合物的存储量会受饮食和训练状态的影响。糖原的使用速率在很大程度上取决于运动强度（见图3.5）。当运动强度增加时，即使加快碳水化合物和脂肪在线粒体中的有氧代谢也满足不了肌肉的能量需求。当肌肉组织的ATP需求进一步增加，必须通过无氧代谢产生ATP时，肌糖原就成为最重要的能量底物。当肌糖原水平随运动的进行下降至低于30毫摩尔每千克肌肉的存储量时，人体就会增加对血糖的依赖性，而人体利用血糖作为碳水化合物燃料来源的速率相对较慢。
在运动后期，参与运动的肌糖原水平会下降，这会导致这些肌肉越来越依赖血糖作为其碳水化合物的来源。如果不摄入碳水化合物，那么在肝糖原和肌糖原消耗完后，运动员就很容易出现低血糖症。这最终会影响运动员的运动表现，并造成长时间运动后中枢神经系统的疲劳。
在长时间有氧运动中，疲劳主要是参与运动的肌糖原耗竭造成的。即使供氧充足，且脂肪也能提供几乎没有限制的能量，这种现象也会出现。有氧耐力运动员通常把这种类型的疲劳称为"撞墙"现象。血糖明显下降的症状包括虚弱、头晕和运动意愿减弱等。肌糖原减少会导致疲劳感，如果肌糖原进一步减少，人体的运动强度会明显下降，甚至人体会无法进行运动。因此毫无疑问，最佳的有氧耐力表现和运动前的肌糖原存储量之间有直接关系。
注意，无论肌糖原存储量如何，高强度训练中产生的疲劳感都有可能是参与运动的肌纤维及其周边组织内的pH值下降造成的。因此，在长时间运动和高强度间歇性运动中，肌肉中碳水化合物的存储量对于运动表现尤为重要。
高强度间歇性运动包括各种训练课和团队比赛中的多种活动。在高强度间歇性运动的短暂休息期间，肌肉有时间通过清除或缓冲与代谢相关的氢离子来缓解这种副产品的潜在的副作用。此外，极高强度、短时间的运动主要依靠磷酸原能量系统提供的ATP。值得注意的是，肌糖原在短时间内进行多次高强度间歇性运动的过程中对维持肌肉中ATP的含量具有重要作用。
小节3.2： 肌糖原优化
运动疲劳与初始糖原含量有关。因此，运动或训练课前确保肌糖原处于最佳水平，以及运动后快速补充糖原以便为随后的运动做准备非常重要。精心设计的营养计划对于保证充足的肌糖原存储量很重要。无论是有氧运动还是无氧运动，碳水化合物都是重要的燃料来源，因为碳水化合物的消耗率及糖原的消耗与运动强度直接相关（见图3.5）。在低强度的有氧运动中，由糖原消耗导致的疲劳感一般在运动后期才会出现；但是在高强度的无氧运动中，运动员可能很早就会因为消耗糖原而感到疲劳。
由于在运动或比赛中肌肉会累积使用糖原，因此有人认为在饮食中加入较高水平的碳水化合物可以提高肌肉在这些活动中的表现。碳水化合物摄取率应该反映运动员每周进行的运动的持续时间和强度。大多数运动员每天每千克体重摄入5至10克碳水化合物就可以满足其碳水化合物需求，参加低强度运动的运动员每天每千克体重摄入3至5克碳水化合物就足够了，而每天参加4至5小时中高强度运动的运动员可能需要每天每千克体重摄入12克碳水化合物。
此外，在长时间运动后，为了最大限度地进行机体恢复，将肌糖原存储量补充到正常范围内至关重要。这种运动后的恢复期可以被看作陵后运动的准备期。运动后，运动员应摄入碳水化合物，以利用血糖调节机制将碳水化合物运输至肌纤维中。
小节3.3： 有氧耐力运动效果
优化运动前的肌糖原存储量会使肌糖原耗竭的时间延长20%，同时还能通过缩短既定训练负荷完成时间的方式提高有氧耐力表现。总体而言，有氧耐力运动员的碳水化合物摄入量应该占总能量摄入量的55%至65%。这类运动员的碳水化合物推荐摄入量与普通人群的碳水化合物推荐摄入量没有太大区别。但是，必须记住的是，虽然比例相似，但是由于饮食总能量摄入量不一样，推荐的碳水化合物的绝对摄入量有很大不同。
小节3.4： 无氧运动和抗阻训练效果
尽管碳水化合物对于无氧类项目十分重要，但是这些项目的运动员的碳水化合物推荐摄入量要略低于进行更多有氧耐力运动的运动员。因此，运动前优化肌糖原水平和运动中快速促进肌糖原的恢复在无氧运动和比赛中同等重要。由于无氧类项目的运动员和有氧类项目的运动员运动前的肌糖原水平差不多，因此无氧类项目的运动员日常碳水化合物的摄入量也应该占总能量摄入量的55%至65%。定期参加训练或比赛的无氧类项目的运动员更应该每天每千克体重摄入5至6克的碳水化合物。
力量训练，与以增强肌肉力量、肌肉耐力和肌肉爆发力为目的训练一样，都由休息间隔较短，具备重复性、高强度的活动组成。因此，碳水化合物是运动员在进行这类抗阻训练时最重要的能量来源。在无氧运动中，重复性训练的强度决定了快缩肌纤维募集的水平，并在很大程度上决定了在抗阻训练中该肌肉或肌群的表现。在高强度抗阻训练中，快缩肌纤维被大量募集，但是它们会随着肌糖原的消耗而很快疲劳。可以理解的是在离心和高速收缩期间，快速收缩的2型肌纤维更多地被募集。但是，也有些研究表明，在中等强度甚至是低强度的肌肉收缩中快缩肌纤维也被募集。
小节3.5： 为下节课或第二天做准备
很多运动员在一周内要进行多次训练，因此很有必要摄入充足的碳水化合物来防止肌糖原在训练过程中耗尽。此外，力量训练过程中消耗的糖原量似乎也与总训练量和力量训练的持续时间有一定关系。运动中，葡萄糖转运蛋白易位至纤维的肌细胞膜表面有助于肌肉摄入葡萄糖。运动后，这些转运蛋白会在细胞膜上停留一小段时间，当运动停止后不久摄入碳水化合物时，这些转运蛋白有助于补充肌糖原。
小节3.6： 低碳水化合物膳食对运动表现的影响
无论是健身爱好者还是竞技运动员，减少碳水化合物的摄入量都是一种常见的体重管理技巧。研究表明，运动员在低碳水化合物状态下训练可能会增加脂肪的消耗。大多数研究表明，低碳水化合物膳食会使大多数运动员的成绩下降。一项对竞走运动员进行的大型研究发现，在相同的步行速度下，采用低碳水化合物膳食的运动员运动经济性降低，导致氧气需求增加。尽管低碳水化合物膳食可能是控制体重的一种选择，但是对于需要最佳运动表现的人来说，充足的碳水化合物摄入量至关重要。
小节3.7： 运动时的碳水化合物摄入
除了通过饮食优化肌肉糖原水平的好处外，1924年和1925年波士顿马拉松比赛后记录的跑步者的血液样本和身体状况，也证明了在运动期间摄入碳水化合物的增益作用。研究人员发现，在1925年的比赛中，摄入含有葡萄糖的糖果改善了许多跑步者的身体状况和表现。在运动中摄入碳水化合物的额外好处是显而易见的，因为大多数跑步者在1924年和1925年比赛前都报告摄入了高碳水化合物膳食。
一项研究报告称，运动前摄入碳水化合物可能会导致体内胰岛素浓度升高，从而导致血糖浓度下降，最终导致运动能力减弱。这一观点引发了运动员对碳水化合物摄入的担忧。他们担忧的是，在运动期间应避免摄入碳水化合物，强调在运动前几小时尽量提高肌糖原水平。但是，后续研究表明，尽管胰岛素浓度可能会升高，但在运动过程中，任何影响都不会持续很长时间，热身可能会进一步减少任何可能的负面影响。
小节3.8： 有氧耐力运动
在有氧耐力运动过程中摄入碳水化合物已被证明有助于稳定血糖和持续运动。一项有影响力的研究发现，如果不摄入碳水化合物，运动员在骑行3小时后会感到疲劳；而摄入碳水化合物后，运动员在骑行4小时后才会感到疲劳。这项初步研究将工作重点放在了优化碳水化合物分类及与运动相关的碳水化合物摄入量和摄入时间上。大量的关于碳水化合物摄入的研究都显示相关的运动表现得到了改善。一系列关于使用外源性碳水化合物的研究表明，包含多种形式的碳水化合物会导致外源性碳水化合物氧化增加。摄入碳水化合物时，它必须被胃排空，然后被肠道吸收。
在一系列研究中，研究人员调查了碳水化合物在持续约1小时的运动过程中的作用，葡萄糖直接注入血液并不能提高运动表现，而摄入碳水化合物则可以提高运动表现。进一步研究表明，在有氧耐力运动中用碳水化合物漱口的做法具有运动表现增益作用，而人们通常认为这对肌糖原储备没有明显的危害。功能性磁共振扫描结果显示，用碳水化合物而不是人工甜味剂漱口时，大脑中的奖励区域会被激活。这一发现引发了一种假设，即口腔中的受体可以识别碳水化合物，而不是严格地识别甜味。
综合这些发现，建议在持续1至2.5小时的运动过程中，以30至60克每时的速度摄入6%至8%的碳水化合物溶液。对于少于60分钟的运动，除了漱口，运动员不太可能从碳水化合物中获得显著好处。当运动时间超过2.5小时的时候，运动员可能会从摄入速度为90克每时的碳水化合物中获益。与所有与运动相关的变量一样，在比赛中使用碳水化合物之前，应先在训练中模拟使用，以确定适合每个运动员的方法和摄入量。
小节3.9： 无氧运动和抗阻训练
尽管人们对于举重前是否有必要采用高碳水化合物膳食或摄入碳水化合物缺乏共识，但作为力量训练的主要能量来源，碳水化合物有助于提升力量训练的整体表现。对于会导致单块肌肉或肌群疲劳的力量训练来说，拥有足够的肌糖原储备非常有必要，这种疲劳感会延长这些肌糖原耗竭的肌肉的运动后恢复时间。因此，碳水化合物摄入不足会对整体训练效果产生不利影响。研究表明，摄入碳水化合物对抗阻训练表现有增益作用。但与有氧耐力训练相比，在抗阻训练中并不能始终如一地观察到这些增益作用。
小节3.10： 碳水化合物对运动应激的影响
尽管碳水化合物在运动中的大部分作用是在中、高强度运动中充当燃料来源，但人体内的碳水化合物水平也会影响对该运动过程的长期反应。碳水化合物的摄入通过代谢和激素的变化影响运动适应。已有研究发现，在运动中摄入碳水化合物会影响两种激素，即皮质醇和胰岛素。在有氧运动中减少碳水化合物的摄入也被证明会正向调节线粒体发育中的关键信号通路。
皮质醇是一种应激标志，其水平会在运动后上升。尽管这种上升在意料之中，但皮质醇已被证实对蛋白质合成有负面影响。皮质醇水平在应激刺激下的急性升高有助于稳定血糖。皮质醇水平的慢性升高与几种不良反应有关，这些不良反应会对健康产生负面影响。在运动中摄入碳水化合物可以降低有氧耐力和抗阻运动中的皮质醇水平。有研究建议，运动员通过降低皮质醇水平来控制运动所致的分解代谢。除了通过降低皮质醇水平来调整分解代谢环境外，摄入碳水化合物还可以通过提高胰岛素水平来增强合成代谢环境。摄入碳水化合物会极大地促进内源性胰岛素的分泌。胰岛素水平的升高对运动员有益，因为胰岛素在肌肉发育和糖原合成中都起着重要作用。
胰岛素分泌的两个功效可以改善抗阻训练的慢性代谢综合征的适应性，尤其是在每次抗阻训练前后摄入碳水化合物导致胰岛素水平升高的时候。鉴于此，建议在运动前、运动中和运动后摄入液体碳水化合物来促进运动员更快的恢复和肌肉量的增加。
第4节 专业应用
运动员应该根据多方面的知识对碳水化合物的摄入做出明智的决策，这些知识包括可以摄入的碳水化合物的类型、如何摄入碳水化合物，以及碳水化合物摄入将如何影响有氧训练、无氧训练和抗阻训练。在选择食物的时候，应该选择那些最有利于恢复肌糖原的食物，因为肌糖原在高强度或长时间运动中会耗竭。
例如，一名足球运动员需要在一天内参加好几场比赛，那么糖原在几小时之内恢复是一件很重要的事，这样运动员就不会在接下来的比赛中因为糖原耗竭而感到疲劳。在这种情况下，这名足球运动员应该选择高血糖指数的碳水化合物，因为这些碳水化合物能快速恢复肌糖原。对于那些主要参加抗阻训练的运动员而言，建议其在每天的饮食中摄入低血糖指数的碳水化合物；但是在运动后，为了获得更好的肌糖原补充和胰岛素反应，建议其摄入一些高血糖指数的碳水化合物。
糖原合成、糖原分解和糖酵解的生理过程是机体处理摄入的碳水化合物的全过程。这些代谢过程可以为人体进行高强度运动快速提供ATP，也可以使骨骼肌和肝脏存储糖原，为将来的训练做准备。有氧耐力项目运动员，例如长跑运动员，为了防止碳水化合物的存储量达不到最佳标准，他们的碳水化合物的摄入量应该占据总能量摄入量的55%至65%。与蛋白质和脂肪相比，这一碳水化合物的推荐摄入量只是一个大致的范围，但推荐的碳水化合物绝对值在很大程度上取决于总的饮食能量摄入量和身体活动程度。一般来说，定期参加训练或比赛的运动员每天摄入的碳水化合物应该为5至7克每千克体重；如果训练要求更高，那么其每天摄入的碳水化合物应该为8至10克每千克体重；参加高水平训练的运动员每天摄入的碳水化合物应该为12克每千克体重。
相比之下，无氧项目运动员每天的碳水化合物摄入量可能不超过7克每千克体重。即使无氧项目运动员需要进行高强度训练，他们的这种高强度训练的净持续时间也还是要短于有氧项目运动员。
参加抗阻训练计划的运动员每天要比不爱活动的健康的同龄人需要更多的总能量。如果每天都从碳水化合物中获取总能量摄入量的55%至65%，那么力量或耐力训练的运动员就能够确保获得几乎最佳的能量。如果这类运动员每天摄入的总能量为3500千卡，而且总能量的65%来自碳水化合物，那么这些运动员每天要摄入570克碳水化合物。相比之下，如果一个不爱运动的人每天摄入的能量为2500千卡，而且总能量的55%来自碳水化合物，那么这个人每天消耗的碳水化合物就非常少。
这些根据运动员类型和能量消耗程度制订的基本的碳水化合物摄入策略，只是一些粗略的指导方针。它们只是说明了我们需要注意碳水化合物在运动员的营养计划中每天摄入的能量中的比例。
第5节 本章小结
1.在有氧和无氧运动过程中，碳水化合物是一种重要的能量来源。
2.在运动中，如果身体中的碳水化合物减少，运动员的表现就会变差而且身体也容易疲劳。
3.在大多数运动中，每天摄入充足的碳水化合物，例如总能量摄入量的55%至65%对最佳的运动表现至关重要。
4.饮食中的碳水化合物是运动准备、运动表现和运动恢复的一个重要组成部分。因为运动员每天重复训练，所以他们对碳水化合物的需求比普通人更大。
5.在体能训练期间，大多数运动员每天的碳水化合物摄入量为5至10克每千克体重，这样就能满足其对碳水化合物的需求。
6.在持续60分钟以上的中等到高强度运动中，摄入碳水化合物很可能会改善运动表现。
7.运动员可以食用高血糖指数和低血糖指数的食物来获得最佳运动表现。鼓励运动员在长时间运动后或者在运动结束后立即摄入高血糖指数的食物，从而获得最佳运动表现并快速恢复。
8.当运动员摄入低血糖指数的碳水化合物时，他们能避免体内血糖的剧烈波动，同时还能使此前运动过的肌肉长时间、缓慢地利用血糖。因此，运动员在训练间隙将低血糖指数的食物作为正常饮食的一部分是有益的。
9.通过规划碳水化合物的摄入，运动员能够确保在运动或训练课之前优化肌糖原存储量，在运动过程中及时补充碳水化合物，以及在运动后和再次比赛前快速恢复肌糖原。
第3章 结束
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截图时间：28/8/2024
