Effects of the Aerobic Exercise Types of the Same Amount of Exercise on the Energy Metabolism During Exercise and Recovery Phase
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Abstract
OBJECTIVES
The purpose of this study was to investigate the effects of aerobic exercise types on energy metabolism during and after exercise under the same exercise volume conditions.
METHODS
Ten healthy men were randomly assigned to interval(IV), intermittent(IM), and continuous(CO) exercise, and the experiment was conducted at intervals of one week and consumed 300 kcal. The data were verified by repeated measurement one-way ANOVA, and contrast was conducted. The statistical significance level was set at α=0.05.
RESULTS
As a result of the study, first, among the energy metabolism variables during exercise, oxygen intake(VO2) was statistically significantly higher in the IM and CO exercise than in the IV exercise(p<0.001). The respiratory exchange rate(RER, p<0.001), energy consumption per minute(ECM, p<0.001), and carbohydrate consumption amount(CCA, p=0.013) were significantly higher in the IM exercise, but there was no statistically significant difference in the fat oxidation rate(FOR), fat consumption amount(FCA), and carbohydrate consumption rate(CCR). Second, there were statistically significant differences in EPOC(p<0.001), RER(p<0.001), and ECM(p<0.001) in the post-exercise recovery phase, among them, the highest in the IM exercise. In terms of FOR(p=0.002) and FCA(p=0.007), IV and CO exercise were significantly higher than IM exercise, and on the contrary, in terms of CCR(p=0.002) and CCA(p<0.001), IM exercise was higher than IV and CC exercise.
CONCLUSIONS
In conclusion, considering not only during exercise but also the recovery period after exercise, the intermittent exercise seems to have an advantage in increasing energy consumption while having a shorter exercise time than the other two under the condition of the same exercise amount.
서론
비만과 더불어 만성질환 유병률이 증가되면서 유산소성 운동이 지속적으로 권장되고 있다. 미국스포츠의학회(American College of Sports Medicine; ACSM)에서는 전통적으로 중강도 운동을 30분 이상 지속하도록 권장하고 있으나, 최근에는 단시간 간헐적인 반복 운동에 대한 이점이 제안되면서[1] 선수들뿐만 아니라 일반인들에게도 인터벌과 간헐적 운동방법이 권장되고 있다. 이러한 운동유형에서, 운동강도는 지속적, 인터벌 및 간헐적 운동방법 순으로 높아지고 운동시간은 반대로 줄어드는 특성이 있다. 그중 운동강도는 동일한 운동량 조건에서 운동 효과에 특히 영향을 주는 핵심 요인이므로[2], 그에 대한 연구들이 수행되고 있다.
운동유형과 관련된 연구에서, 인터벌 운동방법은 중강도 지속적 운동방법에 비해 VO2max를 증가시키고 체중과 혈압을 감소시키는데 보다 효과적이었다[3]. 반면 두 운동 방법의 운동효과가 비슷하였다는 보고도 있다[4]. 한편, 운동중뿐만 아니라 운동후 회복기를 포함시킨 운동후 초과산소섭취량(Excess Post-exercise Oxygen Consumption; EPOC)의 관점에서 볼 때, 운동강도와 운동시간이 증가할수록 EPOC는 높게 나타나고, 특히 운동강도에 더 비례적이며[5], 회복기의 에너지소비량과 지방산화를 증가시킨다고 보고되었다[6]. 이들 연구에 근거한다면, 인터벌 운동방법은 중강도의 지속적인 운동에 비해 운동시간이 짧으면서도 효과적이라는 이점이 있다고 요약된다.
한편, 간헐적 운동방법과 지속적 운동방법을 비교한 몇몇 연구에서, 고성식 등[7]은 동일한 운동량과 운동강도 조건에서 운동중의 에너지소비량은 차이가 없지만, 회복기에는 간헐적 운동방법에서 EPOC와 에너지소비량이 더 높게 나타났다 하였고, Ciolac 등[8]도 간헐적 운동방법에서 EPOC가 높았음을 보고하였다. 반면에 Simmons[9]는 동일한 운동량 조건의 간헐적과 지속적 운동방법에서 전체 에너지소비량과 EPOC가 비슷하다 하였으며, Cabral-Stetos 등[10]은 간헐적 운동방법에서 산소섭취량과 심박수가 높았지만, EPOC는 중강도 지속적 운동방법과 차이를 보이지 않는다고 하였다. 이처럼 간헐적 운동방법의 경우 운동강도가 가장 높기 때문에 EPOC와 총에너지소비량도 크게 나타날 것으로 예측되지만, 몇몇 선행연구에서는 상이한 결과를 보고하고 있다.
이상과 같이 인터벌과 지속적 운동방법에 대한 연구는 비교적 다양하게 규명되고 있으나, 간헐적 운동방법과 지속적 운동방법을 비교한 연구는 아직 이견이 있다. 그중에서도 특히, 인터벌, 간헐적 및 지속적 운동방법을 모두 포함하여 비교한 연구는 거의 찾아볼 수 없었다. 이러한 이유는 현재 많은 연구에서, 인터벌과 간헐적의 운동방법의 개념을 동일하게 놓고 혼돈하여 사용하는 예가 많았기 때문일 수도 있다. 비록 운동방법이 달라도 총운동량이 같으면 운동의 효과가 같다는 용량-반응 관계(Dose-response Relationship) 의 주장도 있지만[11], 인터벌과 간헐적 운동방법은 휴식기에 운동실시 유무에 대한 차이점이 존재하므로[12], 운동강도에 비례적으로 증가하는 EPOC 개념에서 본다면, 동일한 운동량 조건에서 서로 다른 운동방법에 따라 나타나는 운동중과 회복기의 에너지대사 변인을 규명 및 확인하는 것은 나름대로 연구로서 가치가 있다고 보인다.
따라서 이 연구에서는 성인 남성을 대상으로 운동량을 300kcal로 동일하게 설정한 조건에서 운동강도와 운동시간을 달리했을 때, 3가지 유산소성 운동방법이 운동중과 회복기 에너지대사 변인에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고, 에너지소비 측면에서 가장 효율적인 운동방법을 확인하고자 하였다.
연구방법
1. 연구대상
이 연구에서는 G-power 3.1.3 프로그램을 이용하여 effect size=0.25, α=0.05, power=0.80, 반복측정 간의 상관관계(r=0.80) 조건에서 12명이 요구되었다. 따라서 K 대학교 남학생 중 근골격계 및 심폐기능에 이상이 없는 12명을 선정하였다. 이들은 이 연구의 내용에 대해 설명을 듣고, 자발적으로 참여를 희망하였으며 연구동의서에 서명하였다. 실험 도중 2명은 포기를 희망하여 10명의 자료를 분석하였다. 연구대상자의 신체적인 특성은 <Table 1>과 같다.
Physical characteristics of subjects (n=10).
2. 실험설계 및 절차
이 연구는 크게 사전검사와 본실험으로 진행되었다. 연구대상자들은 3가지 운동형태에 맞는 운동강도와 운동시간을 설정하기 위하여 사전검사로서 최대운동부하검사를 실시하였다. 이후 본실험에서는 인터벌, 간헐적 및 지속적 운동방법에 무작위로 배정하여 각각의 운동에 따른 운동중과 운동후 회복기의 에너지대사 변인을 측정하였다. 이들은 모든 검사와 실험 전 3시간 이상 금식하였으며, 24시간 전부터 알코올, 카페인 섭취 및 흡연을 금지하도록 하였다. 또한 결과에 영향을 미칠 수 있는 일상적인 신체활동 이외의 운동을 피한 조건에서 측정을 수행하기 위해 각 실험 48-72시간 전에 심한 운동을 하지 않도록 사전교육을 실시하였다.
1) 사전검사
먼저 연구대상자의 신체적 특성을 파악하기 위해 신장과 체성분검사(Bioelectrical Impedance Analysis; BIA)를 실시하였으며, 사전검사는 본실험 일주일 전에 실시하였다. 검사 당일 피험자는 30분 전에 도착하여 5분간의 준비운동을 실시한 후 앉은 자세에서 안정을 취하게 하였다. 이 때 피험자에게 검사의 주의사항과 응급사항 및 종료시점에 대해 설명하였다. 검사종료 후에는 2분 동안 정리운동을 실시하였다.
최대운동부하검사는 Bruce Protocol로 트레드밀에서 실시하였으며, 자동가스분석기(Quark2 series, Italy)로 에너지대사 변인들을 측정하였다. 피험자들은 안정시 호흡교환율이 0.85 이하로 떨어졌을 때 검사를 시작하였으며, 운동강도가 증가함에도 고원이 나타나는 시점에서 종료하였다. 그러나 이러한 현상이 나타나지 않았을 경우 ACSM[13]에서 제시한 운동검사 종료시점인, 예측된 최대심박수가 90%를 초과하였을 때, 운동자각도가 17 초과할 때, 호흡교환율이 1.1 이상일 때를 기준으로 VO2max를 결정하였다.
2) 본실험
본실험은 인터벌, 간헐적 및 지속적 운동방법에 무작위로 배정된 순서에 따라 각각 1주일의 간격을 두고 실시하였다. 운동중의 운동량은 300kcal로 동일하게 설정하였고, 운동후 회복기 역시 60분으로 동일하게 설계하였다. 운동후 회복기는 운동이 끝난 직후 의자에 앉힌 자세에서 측정하였다. 운동중과 운동후 회복기의 에너지대사 변인은 매 30초 단위로 필터링하였다.
인터벌 운동방법은 Ciolac 등의 연구에 근거하여[8] 운동기와 휴식기 시간은 1:1의 비율로 설정하였으며, 운동기의 운동강도는 VO2max의 75~80%에서 5분(×3회) 그리고 휴식기에는 35~45%에서 5분(×2회)의 총 25분을 실시하였다. 운동후 회복기는 운동기가 끝난 직후로부터 60분간 측정하였다. 간헐적 운동방법은 고성식 등의 연구[7]를 참고하여 운동기는 VO2max의 90~95%의 운동강도에서 5분 30초간 3회, 총 16분 30초 동안 실시하였고 운동중 휴식기는 20분간 의자에 앉아 휴식을 취하였다. 이때 운동후 회복기는 인터벌 운동방법과는 달리 운동중 휴식기가 완전한 휴식을 취하는 상태이므로 이를 60분의 전체 회복시간에 포함시켰으며, 마지막 세션까지 종료된 뒤 운동후 회복기는 20분간 측정하였다. 즉, 운동중 휴식기와 운동후 회복기를 합하여 60분이 되도록 하였다. 지속적 운동방법은 ACSM[13]에서 권고하는 VO2max의 60% 중강도에서 26분간 실시하였으며, 이후 운동후 회복기를 60분간 측정하였다.
3) 운동강도 및 운동시간 산출
이 실험에서 운동강도와 운동시간은 ACSM의 공식[13]에 근거하여 산출하였으며, 공식에 의해 산출된 피험자들의 평균적인 목표산소섭취량은 인터벌 운동기 2.86±0.25L-1·min, 휴식기 1.45±0.16L-1·min, 간헐적 3.42±0.29L-1·min, 지속적 2.22±0.19L-1·min이었다. 각 운동방법에 대한 운동강도는 인터벌 운동기 10.44±1.07kmh, 휴식기 5.19±0.58kmh, 간헐적 12.50±1.32kmh, 지속적 8.11±0.79kmh로 나타났다. 평균적인 운동시간은 총 운동량을 300kcal로 설정하였을 때, 인터벌 25.25±2.20분, 간헐은 16.50±2.00분, 중강도 26.00±2.20분이 산출되었다.
(1) 운동강도
VO2 target = 3.5 + (0.2×S) + (0.9×S×G)
VO2 target : 목표산소섭취량(ml-1·kg-1·min), S : 속도 (m-1·min), G : 경사도(%grade)
(2) 운동시간
Total kcal = [VO2×Wt] / 1000×T×5
Total Kcal : 운동량(300kcal), Wt : 체중(kg), T : 시간 (min)
3. 자료처리
이 연구의 자료처리는 SPSS/PC 26.0 프로그램을 이용하여 분석하였다. 먼저 Run 검증을 통해 표집의 무작위성과 Kolmogorov-Smirnov와 Shapiro-Wilk의 검증을 통해 정규성을 확인하였다. 세 운동방법에 따른 운동중과 운동후 회복기의 에너지대사 변인은 반복측정 일원분산분석으로 분석하여 Mauchly의 구형성을 확인하였고, 유의차가 있을 경우 사후비교로서 simple (first)과 repeated 방법을 적용하여 분석하였다. 연구의 통계학적 유의수준은 α=0.05로 설정하였다.
결과
1. 운동중의 에너지대사 변인
<Table 2>는 운동중의 에너지대사 변인에 대한 분석결과이다. 산소섭취량은 통계적으로 유의한 차이를 보였으며(p<0.001), 사후비교 결과, 간헐적 및 지속적 운동방법이 인터벌 운동방법에 비해 유의하게 높았다. 호흡교환율은 통계적으로 유의한 차이가 나타났으며(p=0.022), 사후비교 결과 간헐적 및 인터벌 운동방법이 지속적 운동방법보다 유의하게 높았다. 분당 에너지소비량도 통계적으로 유의한 차이를 보였으며(p<0.001), 사후비교 결과 간헐적, 지속적, 인터벌 운동방법 순으로 낮아졌다. 지방연소율, 지방연소량 및 탄수화물연소율에서는 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 탄수화물연소량은 유의 차를 보였으며(p=0.013), 사후비교 결과 간헐적 운동방법이 인터벌 및 지속적 운동방법보다 유의하게 높았다.
One-way analysis of variance and Post-Hoc comparison results for energy metabolism variables during exercise.
2. 운동후 회복기의 에너지대사 변인
<Table 3>은 운동후 회복기의 에너지대사 변인에 대한 분석결과이다. 산소섭취량은 통계적으로 유의한 차이를 보였으며(p<0.001), 사후비교 결과 간헐적 운동방법이 인터벌과 지속적 운동방법보다 높게 나타났다. 호흡교환율과 분당에너지소비량에서도 통계적으로 유의차를 보였으며(p<0.001, p<0.001), 간헐적 운동방법이 두 운동방법보다 높은 결과를 보였다. 지방연소율과 지방연소량은 통계적으로 유의한 차이를 각각 보였고(p=0.002, p=0.007), 사후비교 결과 모두 지속적 및 인터벌 운동방법이 간헐적 운동방법보다 높게 나타났다. 탄수화물연소율과 탄수화물연소량도 각각 유의한 차이를 보였으며(p=0.002, p<0.001), 사후 비교 결과 간헐적 운동방법이 두 운동방법보다 높았다.
One-way analysis of variance and Post-Hoc comparison results for energy metabolism variables during recovery.
논의
1. 운동중 에너지대사
이 연구에서 운동중의 산소섭취량(L-1·min)은 간헐적과 지속적 운동방법이 인터벌 운동방법에 비해 높은 결과를 보였다. 이러한 결과는 고성식 등[7]의 간헐적 및 지속적 운동방법을 비교한 연구와 일치한다. 그러나 인터벌과 지속적 운동방법을 비교한 옥정석 등[14]의 연구와는 상반된 결과인데, 본 연구와는 달리 인터벌과 지속적 운동방법 간 운동중 산소섭취량이 유의한 차이가 없다고 하였다. 이러한 이유는 인터벌 운동방법의 운동강도 차이 때문으로 보인다. 일반적으로 권장되는 인터벌 운동방법은 VO2max의 80~95%가 고강도 운동기의 운동강도이며[15], 여러 선행연구[14, 16]에서는 저강도 운동기(휴식기)를 VO2max의 50%로 설정하였다. 그러나 이 연구에서는 간헐적 운동 방법(VO2max의 90~95%)과의 차이를 두기 위해, 인터벌 운동방법의 운동기는 VO2max의 75~80%로, 휴식기는 35~45%로 낮게 설정되었기 때문에, 인터벌 운동방법의 평균 운동강도가 두 운동방법의 운동강도에 비해 낮아져 이러한 결과를 나타낸 것이라 생각된다.
호흡교환율은 에너지원의 연소비율을 알려주는 지표로써, 운동강도가 높을수록 호흡교환율은 높게 나타난다[17]. 이 연구에서 운동중 호흡교환율은 간헐적 운동방법이 두 운동방법에 비해 높았으며, 이는 이 연구에 사용된 간헐적 운동방법에서의 운동강도가 두 운동방법에 적용된 평균 운동강도에 비해 높게 설정된 것으로 설명될 수 있다고 사료된다.
운동중 분당에너지소비량은 간헐적, 지속적, 인터벌 운동방법 순으로 나타났다. 이 연구에서는 운동중의 총에너지 소비량을 동일하게 설정함에 따라 운동강도와 운동시간이 달라질 수밖에 없었기 때문에, 분당에너지소비량은 상대적으로 고강도로 단시간 진행된 간헐적 운동방법에서 높았고, 산소섭취량과 비슷한 경향으로 지속적 운동방법이 인터벌 운동방법보다 높게 나타났다고 생각된다.
이 연구에서 운동중 지방연소율과 지방연소량은 운동방법 간에 차이를 보이지 않았다. 지방은 운동강도가 높아질수록 대사연료로의 동원이 줄어들게 되므로 변화가 있을 것으로 예상하였으나, 인터벌과 지속적 운동방법[18], 간헐적과 지속적 운동방법[7]을 비교했던 연구결과와 비슷하였다. 기본적으로 지방산화는 성별과 체력수준에 따라 개인 차이를 보인다고 하였는데[19], 이 연구에서도 다른 변인들에 비해 표준편차가 높게 나타나 개인차가 크다는 점을 확인할 수 있었다. 따라서 동질적인 조건에서 후속연구의 필요성을 시사하였다.
탄수화물연소율은 운동방법 간에 차이를 보이지 않았는데, 이 연구에서도 지방산화와 비슷한 양상으로 개인차가 크다는 점을 확인할 수 있었다. 반면에 탄수화물연소량은 간헐적 운동방법이 두 운동방법보다 높게 나타나 탄수화물 산화가 운동강도에 비례적으로 증가하는 양상을 보인다는 주장[18]을 확인할 수 있었다. 이 부분도 개인차가 많고 동원율과 연소량이 일치되지 않음으로써 후속연구가 필요할 것으로 보인다.
2. 운동후 회복기 에너지대사
EPOC는 간헐적, 인터벌 및 지속적 운동방법 순으로 나타났으며, 그 양상이 이 연구에서 설정한 운동강도의 크기 순서와 동일하였다. 이는 EPOC의 크기가 운동강도에 비례적이라는 주장과 부합된다[20]. 또한 EPOC의 변화를 분석한 연구에서, 운동후 회복기의 산소섭취량(VO2)은 회복 10분까지는 안정시보다 높게 유지되다가 이후부터 점차 감소하지만, 회복 60분까지 안정시보다 높게 유지된다고 하였다[21]. 이 연구에서는 간헐적 운동방법의 경우 운동기 사이의 2번의 높은 초기 회복국면이 포함되었으므로 VO2가 두 운동방법에 비해 높았던 것으로 해석된다.
회복기 호흡교환율은 간헐적 운동방법이 두 운동방법보다 높게 나타나 Goto 등[1]과 Warren 등[22]의 연구와 상반된 결과를 보였다. 그러나 이러한 결과는 운동후 회복기를 포함시키는 방법에 대한 차이에서 기인되었음을 알 수 있었다. 즉, 이 연구에서는 간헐적 운동방법 사이 2번의 휴식기 20분을 운동후 회복기의 총 시간인 60분에 포함시켰으나, Goto 등[1]의 연구에서는 간헐적 운동기 사이의 휴식기 2회를 포함시키지 않고 마지막 운동 직후부터 60분으로 결정하였기 때문이다. 고성식[22]은 운동후 회복기의 호흡교환율이 운동 직후 회복기 5분까지는 운동중보다 높으며, 10분 이후부터 운동중 수준으로 회복되다가, 이후 20분부터는 안정시 수준 혹은 그 이하로 낮아진다고 하였다. 이러한 선행연구는 본 연구에서 간헐적 운동방법이 다른 두 운동방법보다 호흡교환율이 높게 나타난 것을 설명해 줄 수 있다고 생각된다.
운동후 분당에너지소비량은 간헐적 운동방법이 두 운동방법보다 높게 나타나, 운동후 회복기 60분간의 분당에너지소비량은 모든 시간대에서 고강도 운동이 저강도 운동보다 높았다는 연구[22]와 일치하였다. 또한 간헐적 운동방법이 인터벌 및 지속적 운동방법에 비해 높았던 것은 상기에 언급한 EPOC의 변화 양상과 맥을 같이 하고 있다. 따라서 본 연구의 결과에 근거할 때, 동일한 운동량의 조건에서 간헐적 운동방법은 인터벌 및 지속적 운동방법보다 총에너지소비량을 높이는 이점이 있다고 보여진다.
운동후 회복기의 지방연소율과 지방연소량은 간헐적 운동방법이 두 운동방법에 비해 낮게 나타났다. 이러한 결과는 고성식[7]의 연구결과와 일치하나, Goto 등[1]은 운동후 회복기 지방대사율이 간헐적 운동방법에서 높았다고 하여, 본 연구와는 대조적인 결과를 보였다.
이러한 차이는 호흡교환율에서 언급한 바와 같이 주로 운동후 회복기 60분을 결정하는 방법의 차이에서 기인된 것으로 볼 수 있다. 고성식[7]과 Gayda 등[23]은 운동후 회복기 20분 이후부터 지방산화율이 높아진다고 하였는데, 에너지의 공헌도 측면에서 본다면, 운동후 회복기의 결정방법에 따른 후속연구가 필요할 것으로 사료된다.
운동후 회복기 탄수화물연소율과 탄수화물연소량은 지방동원과는 정반대로 간헐적 운동방법이 두 운동방법에 비해 높게 나타났다. 이러한 결과 역시 호흡교환율과 마찬가지로 운동후 회복기를 포함시키는 방법에 따른 당연한 결과라고 보여진다.
이상 살펴본 바와 같이 동일한 운동량의 조건에서 운동중과 운동후 회복기의 대사 특성을 고려한다면, 간헐적 운동방법은 다른 두 운동방법보다 전체적인 에너지소비를 높이는데 효과적이라고 요약된다.
결론
요약하면, 첫째, 운동중의 산소섭취량, 호흡교환율 및 탄수화물연소량은 대부분 간헐적 운동방법에서 가장 높게 타났고, 지방연소율과 지방연소량 및 탄수화물연소율 운동 방법 간에 차이를 보이지 않았다. 둘째, 운동후 회복기에는 EPOC, 호흡교환율, 분당에너지소비량, 탄수화물연소율 및 탄수화물연소량이 두 운동방법에 비해 간헐적 운동방법에서 가장 높았고, 지방연소율과 지방연소량에서는 간헐적 운동방법에서 가장 낮게 나타났다. 결론적으로, 운동중에 동일한 에너지를 소비하는 조건에서 간헐적 운동방법은 다른 운동방법에 비해 운동시간을 40% 정도 단축시키는 장점이 있으며, 회복기의 에너지 대사 특성을 고려할 때, 인터벌과 지속적 운동방법보다 EPOC와 운동중과 운동후 회복기를 합한 총에너지소비량을 높이는 이점이 있음을 확인할 수 있었다.
Acknowledgements
이 논문은 김민지의 석사 학위 논문을 수정 보완한 것임.
Notes
The authors declare no conflict of interest.