SEMS-journal

Caffein bars pre time trial improve performance and reduce perceived effort

Bio-Koffein-Riegel vor dem Zeitfahren ­verbessern die Leistung und senken das ­Beanspruchungsempfinden

Kuno Hottenrott1,3, Sebastian Ludyga3, Thomas Gronwald1,3, Stefanie Geissler2, Stephan Schulze3
1 Department Sportwissenschaft, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
2 Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
3 Institut für Leistungsdiagnostik und Gesundheitsförderung, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Abstract

The intake of caffeine from tablets, coffee and energy drinks has shown to benefit endurance performance, whereas the effect of caffeine bars has not been investigated yet. Therefore, the aim of the study was to examine endurance performance, metabolism and perceived exertion following the co-ingestion of caffeine and carbohydrates in the form of bars.
Using a randomized single-blind cross-over placebo-controlled design, nine male, trained cyclists completed endurance exercises on a cycling ergometer under the following conditions: ingestion of water (H2O), placebo bars (PLA) and caffeine bars (CAF; 5 mg caffeine/kg bodyweight), respectively, 45 min prior to the test. After 40 min at a constant intensity of 75% VO2max, which was assessed in a previously performed incremental test with spirometry, load was increased 10 W/min until exhaustion.
In comparison to PLA and H2O, the intake of CAF resulted in a higher maximal power and longer time to exhaustion (p=0.002). Surprisingly, concentration of free fatty acids was lower at exhaustion (p=0.004), whereas blood lactate levels (p=0.021) and heart rate (p=0.008) were significantly higher after CAF. Furhermore, subjects reported lower received perception of effort at warm-up (0.034), 30 min (p=0.026) and 40 min (p=0.041) only when they ingested CAF previously.
Caffeine bars have been proven as useful pre-exercise supplements, which induce temporary performance benefits. The underlying mechanism was a delayed perception of fatigue rather than an increased lipolysis.

Zusammenfassung

Die Effekte der Koffeinaufnahme über Kaffee, Koffeintabletten oder Energy-Drinks auf die Ausdauerleistungsfähigkeit wurden umfassend untersucht. Keine Studien liegen zur kombinierten Aufnahme von Koffein mit speziellen Energieriegeln vor. Dementsprechend war es das Ziel, die Wirkung von Koffeinriegeln auf die Leistungsfähigkeit, den Muskelstoffwechsel und das subjektive Beanspruchungsempfinden (RPE) zu überprüfen.
Dazu führten 9 trainierte Radsportler eine definierte Ausdauerbelastung unter verschiedenen Testbedingungen durch: Aufnahme von Wasser (H2O), Placeboriegel (PLA) und Koffeinriegel (KOF; 5 mg Koffein/kg Körpergewicht) 45 min vor dem Test. Nach einer 40-minütigen Dauerbelastung bei 75% der VO2max, die im Vorfeld in einem Stufentest mit Spirometrie erfasst wurde, erfolgte eine Steigerung des Widerstands um 10 W/min bis zur subjektiven Ausbelastung.
Unter der Gabe von KOF erreichten die Probanden eine signifikant höhere Maximalleistung und eine längere Fahrzeit (p=0,002) im Vergleich zu H2O oder PLA. Zum Zeitpunkt der Ausbelastung fiel die Plasmakonzentration freier Fettsäuren nach KOF im Vergleich zu den beiden anderen Konditionen niedriger aus (p=0,004), während verglichen mit PLA eine höhere Herzfrequenz (p=0,008) und Laktatkonzentration (p=0,021) belegt werden konnte. Weiterhin gaben die Probanden bei KOF-Gabe einen niedrigeren RPE-Wert nach der Erwärmung (p=0,034), nach 30 (p=0,026) und 40 min (p=0,041) Belastungszeit an.
Die Aufnahme von Koffein über kohlenhydrathaltige Riegel ist eine wirkungsvolle Alternative zu anderen Darreichungsformen, um die Leistungsfähigkeit zu steigern. Die Wirkung beruht dabei nicht auf einer erhöhten Fettstoffwechselaktivität, sondern eher auf einer verzögerten Wahrnehmung der Ermüdung und der stärkeren Mobilisierung des Kohlenhydratstoffwechsels.

Einleitung

Die sportliche Leistungsfähigkeit kann über die Ernährung gezielt beeinflusst werden. Diesbezüglich konnten verschiedene Autoren insbesondere nach einer Koffeinaufnahme (3–6 mg/kg bzw. 450 mg) temporäre Steigerungen der Ausdauerleistungsfähigkeit beobachten [3,4,11,13,16]. Bisher wird davon ausgegangen, dass dieser Effekt des Koffeins auf einer gesteigerten Lipolyse und Oxidation freier Fettsäuren beruht [26]. Der dafür verantwortliche Mechanismus ist die Ausschüttung von Katecholaminen, die in einer Aktivierung der Adenylatzyklase und der Erhöhung des cAMP-Spiegels resultiert [10,34]. Im Weiteren wird die hormonsensitive Lipase aktiviert, wodurch die Plasmakonzentration an freien Fettsäuren steigt [1]. Diese werden bevorzugt zur oxidativen Energiebereitstellung herangezogen, sodass die Glykolyse gehemmt wird [15,17]. Des Weiteren inhibiert Koffein auch die Adenosinrezeptoren kompetitiv und übt einen antagonistischen Effekt gegenüber dem endogenen Adenosin aus [27], sodass die daraus resultierende Steigerung der Ausschüttung von Neurotransmittern zu einer Stimulation des Zentralnervensystems führt [19,25].
Um die Vorteile des Koffeins optimal zu nutzen, muss abgesehen von der Dosis [12,14] und dem Aufnahmezeitpunkt [23,24] die Darreichungsform berücksichtigt werden. Diesbezüglich konnten Graham et al. [13,15] zeigen, dass die Aufnahme von Koffein über Kaffee durch die darin enthaltenen Verbindungen eine mögliche Leistungssteigerung hemmt. Alternativ wurden die Effekte der Koffeinaufnahme über Tabletten [15], Energy Drinks [17,21] und Elektrolytlösungen [11,20] auf die Ausdauerleistungsfähigkeit überprüft. Im Gegensatz dazu liegen keine hinreichenden Erkenntnisse zur Wirkung der Koffeinaufnahme über kohlehydrathaltige Riegel vor. Allerdings ist aus vorherigen Studien bereits bekannt, dass eine gleichzeitige Aufnahme von Koffein und Kohlenhydraten die Verfügbarkeit von Glykogen für die Energiebereitstellung steigert [33].
Das Ziel der vorliegenden Studie war es, die Effekte der Koffeinaufnahme über kohlenhydrathaltige Riegel auf die Ausdauerleistungsfähigkeit, die Energiebereitstellung und das subjektive Beanspruchungsempfinden in einer Dauerbelastung zu untersuchen.

Methodik

Probanden
An der Studie nahmen 9 ausdauertrainierte männliche Radsportler mit einem wöchentlichen Trainingsumfang von 5–10 h teil (Alter: 26,6 ± 4,6 Jahre; Körperhöhe: 180,4 ± 6,3 cm; Körpergewicht: 77,2 ± 9,8 kg; Körperfett: 11,0 ± 3,0%). Es wurden nur gesunde Probanden mit einem geringen Koffeinkonsum (max. 3 Tassen/d bzw. 250 mg/d) in den letzten 10 Wochen vor der Studie eingeschlossen. Ausschlusskriterien waren jegliche Beeinträchtigungen, welche die Leistungs­fähigkeit beeinflusst hätten. Diese wurden anhand eines Screenings entsprechend der S1-Leitlinie [5] überprüft. Alle Probanden wurden über mögliche Risiken und den Ablauf der Studie aufgeklärt und gaben das schriftliche Einverständnis zur freiwilligen Teilnahme. Die Studie wurde durch die Ethik-Kommission genehmigt.

Tests der individuellen Leistungsfähigkeit
Vor der Studiendurchführung wurde auf einem Fahrradergometer (FES, E2000s, Deutschland) ein Stufentest (Inkrement: 30 W/3 min) mit Spirometrie (Cortex, Metamaxx 3b, Deutschland) bis zur subjektiven Erschöpfung durchgeführt. Respiratorische Messparameter und Herzfrequenz wurden kontinuierlich registriert. Nach jeder Stufe wurde zudem die Blutlaktatkonzentration aus arterialisiertem Ohrläppchenblut (10 µL) mit der enzymatisch-amperometrischen Messmethode analysiert (Dr. Mueller, Super GL ambulance, Deutschland). Die Daten wurden mit WinLactat 3.1 (Mesics GmbH, Germany) ausgewertet und die anaerobe Schwelle nach Dickhuth et al. [6] ermittelt. Die maximale Sauerstoffaufnahme wurde als Referenz für die Belastungsvorgabe der nachfolgenden Tests verwendet.

Studiendesign
Die experimentelle Interventionsstudie im einfach-blinden Cross-Over-Design beinhaltete einen Ausdauertest auf einem Fahrradergometer unter drei verschiedenen Bedingungen: Aufnahme von Wasser (H2O), Placebo-Riegel (PLA; Kohlenhydrate: 18,5 g; Eiweiss: 5,4 g; Fett: 13,5 g; Fasern: 2,8 g) oder Bio-Koffein-Riegel (KOF; Kohlenhydrate: 22 g; Eiweiss: 3,2 g; Fett: 8 g; Fasern: 1,1 g; Koffein: 0,1 g) 45 min vor dem Test. Die Untersuchungen wurden an 3 Testtagen im Abstand von je einer Woche durchgeführt. Nach der Erfassung des Körpergewichts (Tanita, Modell TBF-521, USA) nahmen die Probanden relativ zum eigenen Körpergewicht entweder Koffein- (5 mg/kg Körpergewicht) oder Placebo-Riegel (gleiche Menge an Riegeln) mit 200 ml Wasser/Riegel oder die gleiche Menge an Wasser zu sich. Der darauf folgende Ausdauertest (Abb. 1) bestand aus einer 10-minütigen Erwärmung (50% VO2max), gefolgt von einer 40-minütigen Dauerbelastung (75% VO2­max), bei der anschliessend eine Steigerung der Intensität um 10 W/min bis zur subjektiven Ausbelastung erfolgte. Dabei wurden respiratorische Parameter sowie die Herzfrequenz kontinuierlich aufgezeichnet. Die Blutlaktat- und Glukosekonzentration wurden im Ruhezustand (unmittelbar vor und 3 min nach der Belastung) sowie zu definierten Messzeitpunkten (10, 20, 30, 40 min) erfasst. Dabei wurde auch das subjektive Beanspruchungsempfinden (RPE) nach Borg [2] abgefragt. Zusätzlich erfolgte eine Erhebung der Plasmakonzentration freier Fettsäuren aus 150 µl Blut vom hyperämisierten Ohrläppchen (unmittelbar vor, nach 40 min Dauerbelastung und 3 min nach der Belastung). Alle Belastungstests wurden bei einer Raumtemperatur von 20 °C zur gleichen Tageszeit in derselben Sitzposition durchgeführt. Während der gesamten Studienlaufzeit sollten die Probanden auf eine unplanmässige Koffeinaufnahme verzichten. Ein 12-Stunden-Ernährungsprotokoll wurde vor dem ersten Test ausgefüllt. In Vorbereitung auf alle weiteren Tests sollten sich die Probanden an den protokollierten Ernährungsplan halten. Während der Studie sollten die Probanden von intensiven Belastungen und Wettkämpfen absehen.

Abbildung 1: Design für die Testbelastung auf dem Rad­ergometer

Statistik
Die statistische Analyse erfolgte mit SPSS Statistics 19.0 (IBM, USA). Die Daten wurden mittels Kolmogorov-Smirnov-Anpassungstest auf Normalverteilung überprüft. Zum deskriptiven Vergleich erfolgte eine Berechnung der Mittelwerte (MW) und Standardabweichungen (SD). Waren die Variablen normalverteilt und metrisch, wurden studentische t-Tests für abhängige Stichproben angewandt. Beim Vorliegen von nicht normalverteilten oder ordinalskalierten Variablen erfolgte die statistische Prüfung mit nichtparametrischen Tests. Um die Signifikanz der Veränderungen innerhalb einer Gruppe zu untersuchen, wurde als t-Test für gepaarte Stichproben der Wilcoxon-Test angewendet. Als Signifikanzniveau wurde p≤0,05 (*) festgelegt.

Ergebnisse

Im Radergometerstufentest erreichten die Probanden eine maximale Sauerstoffaufnahmefähigkeit von 58,0 ± 5,6 ml/min/kg und eine maximale Leistung von 400,3 ± 20,0 W. Die dabei erfasste maximale Herzfrequenz betrug 182,4 ± 6,5 1/min, der RQ 1,14 ± 0,05 und zum Zeitpunkt der Ausbelastung wurde eine Laktatkonzentration von 10,02 ± 0,79 mmol/l erfasst. Die für den Ausdauertest ermittelte Leistungsvorgabe bei 75% VO2max lag im Mittel bei 246,7 ± 27,4 W.

Leistung und Fahrzeit im Dauertest
Beim Ausdauertest führte KOF zu einer signifikant höheren maximalen Leistung (H2O vs. KOF: p=0,002; PLA vs. KOF: p=0,002) und längeren Zeit bis zum Abbruch der Belastung (H2O vs. KOF: p=0,001; PLA vs. KOF: p=0,002) im Vergleich zu den anderen Testbedingungen (Abb. 2).

Abbildung 2: Zeit bis zum Abbruch der Ausdauertestbelastung und maximale Ergometerleistung nach Einnahme von Wasser (H2O), Placebo- (PLA) oder Koffein-Riegeln (KOF). *p≤0,05 im Vergleich zu H2O und KOF

Atmungsparameter
Der Verlauf der respiratorischen Parameter während der Belastung ist in Tabelle 1 dargestellt. Statistisch signifikante Unterschiede bei der VO2max wurden im Vergleich der Bedingungen H2O und PLA während der Erwärmungsphase (p=0,035) sowie nach 10 Minuten Belastung (p=0,037) ­beobachtet. Die Aufnahme von KOF resultierte in einer Zunahme des Ruhe-RQ (H2O vs. KOF: p=0,007; PLA vs. KOF: p=0,015). Während der Belastung zeigten sich keine Unterschiede im RQ zwischen den unterschiedlichen Testbedingungen. Lediglich während der Ausbelastungsmessung war der RQ nach KOF im Vergleich zu H2O erhöht (p=0,002).

Tabelle 1: Atmungsparameter (MW ± SD) unter den verschiedenen Bedingungen unmittelbar vor (Ruhe), während und in der 3. Erholungsminute nach Testabbruch (E3)

Herzfrequenz
Die Herzfrequenz war nach KOF im Vergleich zu H2O nach 10 (p=0,05) und 20 min (p=0,037) Belastung höher (Tab. 2). Im Vergleich der Bedingungen H2O, PLA und KOF zeigte sich eine erhöhte Herzfrequenz bei der Ausbelastung (p=0,008). Dieser Unterschied konnte ebenso 3 min nach der Belastung im Vergleich von H2O und KOF (p=0,017) festgestellt werden.

Tabelle 2: Herzfrequenz und RPE-Werte (MW ± SD) unter den verschiedenen Bedingungen unmittelbar vor (Ruhe), während und in der 3. Erholungsminute nach Testabbruch (E3)

Subjektives Beanspruchungsempfinden
Während der Erwärmung waren die RPE-Werte mit KOF geringer als mit PLA (p=0,034). Nach 30 min (H2O vs. KOF: p=0,037; PLA vs. KOF: p=0,026) und 40 min (H2O vs. KOF: p=0,01; PLA vs. KOF: p=0,041) Belastung wurden niedrigere RPE-Werte nach KOF angegeben (Tab. 2).

Energiestoffwechselparameter
Die Einnahme der Riegel führte im Vergleich zu H2O zu höheren Laktatwerten (H2O vs. PLA: p=0,011; H2O vs. KOF: p=0,012) in Ruhe (Tab. 3). Unterschiede konnten ebenfalls zwischen H2O und PLA bei 30 und 40 min Belastung festgestellt werden (p=0,008). Nach KOF ergaben sich zu allen Messzeitpunkten höhere Laktatwerte im Vergleich zur Aufnahme von H2O (20 min: p=0,028; 30 min: p=0,051; Abbruch: p=0,011; Post: p=0,008), mit Ausnahme während der Erwärmung und nach 10 min sowie 40 min Belastung. Unterschiede der Laktatkonzentration in PLA und KOF waren signifikant während der Erwärmung (p=0,012), bei Abbruch der Belastung (p=0,021) und 3 min nach der Belastung (p=0,021). Im Vergleich dazu hatten die unterschiedlichen Testbedingungen keinen Einfluss auf die Glukosekonzentration. Bei Abbruch der Belastung war die Konzentration an freien Fettsäuren geringer nach KOF im Vergleich zu den anderen Bedingungen (H2O vs. KOF: p=0,012; PLA vs. KOF: p=0,004). Zusätzlich konnte ein Unterschied zwischen H2O und KOF nach 40 min Belastung festgestellt werden (p=0,04).

Tabelle 3: Blutlaktatkonzentration, Glukose und freie Fettsäuren (MW ± SD) unter den verschiedenen Bedingungen unmittelbar vor (Ruhe), während und in der 3. Erholungsminute nach Testabbruch (E3)

Diskussion

Physiologische Parameter
Obwohl in der vorliegenden Studie eine Steigerung der maximalen Leistung sowie der Zeit bis zur Erschöpfung infolge der Aufnahme von Koffeinriegeln nachweisbar war, scheint dies nicht wie erwartet auf einem verbesserten Fettstoffwechsel zu beruhen. Im Vergleich zu den anderen Konditionen zeigte sich dies zum Zeitpunkt der Ausbelastung anhand einer niedrigeren Plasmakonzentration freier Fettsäuren infolge der Koffeinriegelaufnahme. Allerdings wiesen einige Autoren nach, dass Koffein einen direkten Effekt auf die Lipolyse intramuskulärer Triglyceride hat [8,29]. Demzufolge könnte eine Verschiebung der Energiebereitstellung stattgefunden haben, die unabhängig von der niedrigen Plasmakonzentration freier Fettsäuren ist. Im Gegensatz zu Spriet et al. [29] konnten Graham et al. [12] durch Muskelbiopsien vor und nach einer intensiven Belastung kaum Hinweise auf einen verbesserten Fettstoffwechsel nach der Gabe von Koffein finden. In der vorliegenden Untersuchung resultierte die Aufnahme der Koffeinriegel in höheren Laktatkonzentrationen während der Belastung, was dafür spricht, dass die Mobilisierung freier Fettsäuren durch eine kombinierte Aufnahme von Koffein und schnell verfügbaren Kohlenhydraten beeinträchtigt wurde. Trotzdem zeigte sich eine Leistungssteigerung, die auch in Untersuchungen anderer Autoren infolge einer kombinierten Aufnahme von Koffein und Kohlenhydraten berichtet wurde [33,35]. Yeo et al. [35] führten die positive Wirkung dabei auf eine gesteigerte Glukoseresorption im Darm zurück. Auch der bereits in Ruhe erhöhte RQ weist auf einen gesteigerten Abbau von Glucose und einen erhöhten Sauerstoffverbrauch infolge der Aufnahme der Koffeinriegel hin. Im Gegensatz dazu zeigen die Ergebnisse verschiedener Autoren [31,32], dass die antagonistische Wirkung des Koffeins auf Adenosin eine Insulinresistenz induziert und die Kohlenhydrataufnahme in den Muskelzellen hemmt. Dieser Mechanismus könnte zumindest die vergleichbare Glukosekonzentration zwischen den verschiedenen Testbedingungen erklären [32].
Aktuelle Reviews weisen darauf hin, dass das Blockieren der Adenosinrezeptoren und der damit verbundene neuronale Effekt des Koffeins der Hauptauslöser für Steigerungen der Ausdauerleistungsfähigkeit ist [9,28]. Demzufolge kann ­angenommen werden, dass auch eine Verbesserung der neuromuskulären Funktionen, die infolge der Koffeinsupplementation bereits nachgewiesen wurden [18], zur Leistungs­steigerung beigetragen haben.

Subjektives Beanspruchungsempfinden
Die Ergebnisse bestätigen einen ergogenen Effekt des Koffeins [7,22], da die Beanspruchung bei der Ausbelastung von den Probanden unter Koffein niedriger eingeschätzt wurde. Laurent et al. [22] führen die positive Beeinflussung der Schmerzwahrnehmung bei verschiedenen Belastungsintensitäten auf eine höhere Ausschüttung von Endorphinen infolge der Koffeinaufnahme zurück. Ein niedrigerer RPE infolge der Aufnahme von Koffeinriegeln könnte demnach auf der Kombination einer erhöhten Endorphinausschüttung sowie der antagonistischen Wirkung auf Adenosin beruhen. Der Effekt des Koffeins auf den RPE-Wert erhöht sich dabei in Abhängigkeit des Sauerstoffverbrauchs [7]. Während in der vorliegenden Studie ein niedrigerer RPE und eine erhöhte Laktatkonzentration im Zusammenhang mit der ergogenen Wirkung des Koffeins standen, konnten die erwarteten Effekte auf die Plasmakonzentration der Glukose und der freien Fettsäuren nicht belegt werden. Demzufolge ist Koffein als Stimulans des Zentralnervensystems zu sehen, was eine höhere Belastungstoleranz durch eine verzögerte Wahrnehmung der Ermüdung ermöglicht [30].

Limitationen
In der vorliegenden Studie wurde ein Einfachblind-Design verwendet, da der Untersucher die Supplemente entsprechend der Testbedingung vorbereitete. Eine Beeinflussung der Ergebnisse durch den Untersucher ist ausgeschlossen, da während der Ausbelastungsphase keine motivierenden Instruktionen erfolgten. Bezogen auf die Vergleichbarkeit der Riegel bestanden zwischen dem Placebo- und dem Koffeinriegel minimale Unterschiede. Dies war jedoch unumgänglich, um den bitteren Geschmack des Koffeinriegels zu neutralisieren, sodass die Probanden nicht in der Lage waren, ihn als solchen zu identifizieren.

Schlussfolgerung und Hinweise für die Sportpraxis
Die gleichzeitige Gabe von Koffein in Verbindung mit einem Kohlenhydratriegel kann die Ausdauerleistungsfähigkeit positiv beeinflussen. Bei einer Aufnahme von Koffein in der Dosis 5 mg/kg Körpergewicht über kohlenhydrathaltige Riegel konnte eine signifikante Steigerung der Ausdauerleistungsfähigkeit beim Radfahren nachgewiesen werden. In Hinblick auf den Transfer der Ergebnisse in die Praxis hat sich das Dosierungsverhältnis der Koffeinriegel für Radsportler bewährt. Zu beachten ist, dass die gewichtsbezogene Dosis der Koffeinriegel vor einer intensiven Belastung nicht auf Athleten mit hohem Körpergewicht übertragen werden sollte, da z.B. ein Sportler mit 100 kg dann 5 Koffeinriegel konsumieren müsste. Diese Menge könnte die Verdauung und Leistungsfähigkeit insbesondere bei High-Impact-Sportarten (z.B. Laufen) beeinträchtigen.

Danksagung

Wir danken der VISPOaktiv GmbH (Loiching, Deutschland) für die Bereitstellung der Koffein- und Placeboriegel.

Angaben zu finanziellen Interessen und Beziehungen, wie Patente, Honorare oder Unterstützung durch Firmen: keine.

Korrespondenzadresse

Prof. Dr. phil. habil. Kuno Hottenrott
Department Sport­wissenschaft
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Von-Seckendorff-Platz 2
06120 Halle (Saale)
Tel. 0345 55 244 21, Fax 0345 55 274 13
E-Mail: kuno.hottenrott@sport.uni-halle.de

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