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A systematic review and meta-analysis of carbohydrate intake on endurance exercise performance

탄수화물 섭취가 지구력 운동 수행능력에 미치는 영향: 체계적 문헌고찰 및 메타분석

Naomi M. Cermak and Luc J.C. van Loon · 2013

한국어 English

Abstract 초록

English
<h2>Abstract</h2> <p>This <a href="/terms/systematic-review/" class="term-link" data-slug="systematic-review" title="systematic review">systematic review</a> and <a href="/terms/meta-analysis/" class="term-link" data-slug="meta-analysis" title="meta-analysis">meta-analysis</a> quantified the effect of carbohydrate intake during exercise on endurance performance outcomes. A comprehensive literature search identified eligible randomized controlled trials examining the effects of carbohydrate ingestion during exercise lasting 45 minutes or more on standardized time trial or time-to-exhaustion performance measures. Pooled analysis of 61 studies involving 679 participants demonstrated that carbohydrate ingestion during exercise significantly improved endurance performance by an average of 2-3% compared to placebo controls, with effect magnitudes varying according to exercise duration, carbohydrate dose, and delivery strategy. Performance benefits were most consistently observed in exercise bouts exceeding 60 minutes in duration, with equivocal evidence for shorter-duration high-intensity efforts. <a href="/terms/dose-response-relationship/" class="term-link" data-slug="dose-response-relationship" title="Dose-response">Dose-response</a> analyses indicated that carbohydrate ingestion rates of 30-60 g/hour produced optimal performance effects for single-source carbohydrate formulations, while multiple-transporter carbohydrate combinations (e.g., glucose + fructose) permitted higher absorption rates of up to 90 g/hour without gastrointestinal distress in trained athletes. The mechanistic basis for performance improvement encompasses both peripheral effects (glycogen sparing, maintenance of blood glucose) and central effects (central nervous system fatigue attenuation). These findings provide a robust evidence base for carbohydrate intake recommendations in endurance and high-volume resistance training contexts [1].</p>
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본 체계적 리뷰 및 메타분석은 운동 중 탄수화물(carbohydrate) 섭취가 지구력 수행 결과에 미치는 영향을 정량화하였다. 포괄적인 문헌 검색을 통해, 45분 이상의 운동 중 탄수화물 섭취 효과를 표준화된 타임 트라이얼 또는 탈진 시간 수행 지표로 검토한 적격 무작위 대조 시험을 확인하였다. 679명의 참가자를 포함한 61개 연구의 통합 분석은, 운동 중 탄수화물 섭취가 위약 대조군 대비 지구력 수행을 평균 2–3% 유의하게 향상시켰음을 보여주었으며, 효과 크기는 운동 지속 시간, 탄수화물 용량, 공급 전략에 따라 달라졌다. 수행 이점은 60분을 초과하는 운동에서 가장 일관되게 관찰되었고, 더 짧은 고강도 노력에 대해서는 근거가 불명확하였다. 용량-반응 분석은 단일 공급원 탄수화물 제제의 경우 시간당 30–60 g의 탄수화물 섭취 속도가 최적의 수행 효과를 나타냄을 보여주었으며, 복수 수송체 탄수화물 조합(예: 포도당 + 과당)은 훈련된 운동선수에서 위장 장애 없이 시간당 최대 90 g의 더 높은 흡수 속도를 허용하였다. 수행 향상의 기전적 기반은 말초 효과(글리코겐 절약, 혈당 유지)와 중추 효과(중추신경계 피로 감소) 모두를 포함한다. 이 결과들은 지구력 및 고용량 저항 훈련 맥락에서 탄수화물 섭취 권고를 위한 강력한 근거 기반을 제공한다 [1].

Introduction 서론

English
<h2>Introduction</h2> <p>Carbohydrate occupies a central position in exercise nutrition, functioning as the primary fuel for moderate-to-high-intensity exercise and the exclusive substrate for anaerobic glycolytic <a href="/terms/adenosine-triphosphate/" class="term-link" data-slug="adenosine-triphosphate" title="ATP">ATP</a> production. Skeletal muscle and hepatic glycogen stores represent the body's principal carbohydrate reserves, collectively providing approximately 400-600 g (1600-2400 kcal) of available energy in a well-fed, trained athlete. These stores, while finite, are critically important for sustaining prolonged high-intensity effort — their depletion is closely associated with the onset of fatigue and the deterioration of exercise performance [1].</p> <p>The relationship between pre-exercise glycogen availability and endurance capacity was established in foundational work from the 1960s using needle biopsy techniques to directly measure muscle glycogen at rest and following exercise. Subsequent decades of investigation have progressively refined our understanding of how carbohydrate availability — provided through pre-exercise feeding, intra-exercise supplementation, or both — modulates exercise capacity and performance in ecologically valid testing conditions [2].</p> <p>Intra-exercise carbohydrate supplementation has become a cornerstone of competitive endurance sport nutrition. Carbohydrate ingestion during exercise provides a continuously replenished exogenous fuel source, partially attenuating the reliance on finite endogenous glycogen stores, maintaining blood glucose concentrations necessary for both working muscle and central nervous system function, and — through mechanisms that may involve oral carbohydrate sensing — modulating central nervous system outputs that regulate perceived effort and pacing [3].</p> <p>While the ergogenic effects of intra-exercise carbohydrate are well established for endurance events, the translation of these findings to resistance training — a discipline with qualitatively different energetic demands — is less comprehensively mapped. High-volume resistance training sessions do impose significant glycolytic demands, and there is emerging evidence that carbohydrate availability during prolonged resistance exercise may influence performance, particularly in the later sets of high-volume programs. This review synthesizes the primary evidence base regarding carbohydrate's role in exercise performance with attention to dose, timing, source, and training context.</p>
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탄수화물은 운동 영양에서 중심적 위치를 차지하며, 중등도에서 고강도 운동의 주요 연료이자 무산소 해당과정(anaerobic glycolytic) ATP 생성의 독점적 기질로 기능한다. 골격근과 간의 글리코겐(glycogen) 저장소는 신체의 주요 탄수화물 예비량으로, 잘 먹고 훈련된 운동선수에서 총 약 400–600 g(1,600–2,400 kcal)의 이용 가능한 에너지를 제공한다. 이 저장소는 유한하지만 지속적인 고강도 노력을 유지하는 데 결정적으로 중요하며, 그 고갈은 피로 발생 및 운동 수행 저하와 밀접하게 연관되어 있다 [1].

운동 전 글리코겐 가용성과 지구력 용량 사이의 관계는 근 생검 기법을 사용하여 안정 시와 운동 후 근 글리코겐을 직접 측정한 1960년대의 기초 연구에 의해 확립되었다. 이후 수십 년간의 연구는 탄수화물 가용성(운동 전 섭취, 운동 중 보충, 또는 두 가지 모두를 통해 제공되는)이 생태학적으로 타당한 검사 조건에서 운동 용량과 수행을 어떻게 조절하는지에 대한 이해를 점진적으로 정교화하였다 [2].

운동 중 탄수화물 보충은 경쟁 지구력 스포츠 영양의 초석이 되었다. 운동 중 탄수화물 섭취는 지속적으로 보충되는 외인성 연료원을 제공하여, 유한한 내인성 글리코겐 저장소에 대한 의존을 부분적으로 약화시키고, 운동 근육과 중추신경계 기능 모두에 필요한 혈당 농도를 유지하며(구강 탄수화물 감지를 포함할 수 있는 기제를 통해)인지된 노력과 페이싱을 조절하는 중추신경계 출력을 조절한다 [3].

지구력 종목에서 운동 중 탄수화물의 인체 수행 능력 향상 효과가 잘 확립되어 있지만, 이 결과를 질적으로 다른 에너지 요건을 가진 종목인 저항 훈련에 적용하는 것은 덜 포괄적으로 연구되어 있다. 고용량 저항 훈련 세션은 상당한 해당과정 수요를 부과하며, 장시간의 저항 운동 중 탄수화물 가용성이 특히 고용량 프로그램의 후반 세트에서 수행에 영향을 미칠 수 있다는 새로운 근거가 있다. 본 리뷰는 용량, 시기, 공급원, 훈련 맥락에 주목하여 운동 수행에서 탄수화물의 역할에 관한 1차 근거를 종합한다.

Methods 방법

English
<h2>Methods</h2> <h3>Search Strategy</h3> <p>A systematic search of MEDLINE, EMBASE, SPORTDiscus, and the Cochrane Library was performed for publications up to 2013. Search terms included combinations of "carbohydrate," "glucose," "sucrose," "fructose," "maltodextrin," "endurance performance," "time trial," "time to exhaustion," "exercise," and "supplement." No language restrictions were applied, though only studies with available English-language data were included in quantitative analyses [1].</p> <h3>Inclusion Criteria</h3> <p>Studies were eligible <a href="/terms/intermittent-fasting/" class="term-link" data-slug="intermittent-fasting" title="if">if</a> they: employed a randomized crossover or <a href="/terms/squat-depth/" class="term-link" data-slug="squat-depth" title="parallel">parallel</a> group design; administered carbohydrate or carbohydrate-containing solutions to participants during exercise; included a placebo-controlled comparison condition (non-caloric control); used standardized performance measures as primary outcomes (time trial or time-to-exhaustion); involved participants performing continuous or intermittent exercise lasting 45 minutes or more; and included healthy adult participants with at least moderate training status [2].</p> <p>Studies exclusively examining pre-exercise or post-exercise carbohydrate provision without an intra-exercise carbohydrate component were excluded. Studies in clinical populations with metabolic disorders were similarly excluded.</p> <h3>Data Extraction and Outcome Measures</h3> <p>Primary performance outcomes extracted were: time trial completion time (in which lower values indicate better performance), time-to-exhaustion (in which higher values indicate better performance), and work output measures. These were standardized to effect sizes (<a href="/terms/effect-size/" class="term-link" data-slug="effect-size" title="Cohen&#x27;s d">Cohen&#x27;s d</a>) using established formulas to permit pooled analysis across heterogeneous performance metrics [1].</p> <p>Secondary outcomes included respiratory exchange ratio as an indicator of substrate utilization, blood glucose concentrations, and ratings of perceived exertion where reported.</p> <h3>Statistical Analysis</h3> <p>Random-effects <a href="/terms/meta-analysis/" class="term-link" data-slug="meta-analysis" title="meta-analysis">meta-analysis</a> using the DerSimonian-Laird method was performed. Heterogeneity was assessed using the I² statistic and Cochran's Q test. Publication bias was evaluated using funnel plot asymmetry and Egger's test. <a href="/terms/dose-response-relationship/" class="term-link" data-slug="dose-response-relationship" title="Dose-response">Dose-response</a> meta-regression was performed to evaluate the relationship between carbohydrate ingestion rate and performance effect magnitude [3].</p>
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검색 전략

2013년까지의 출판물을 대상으로 MEDLINE, EMBASE, SPORTDiscus, Cochrane Library에 대한 체계적 검색을 수행하였다. 검색어는 "carbohydrate(탄수화물)", "glucose(포도당)", "sucrose(자당)", "fructose(과당)", "maltodextrin(말토덱스트린)", "endurance performance(지구력 수행)", "time trial(타임 트라이얼)", "time to exhaustion(탈진 시간)", "exercise(운동)", "supplement(보충제)"의 조합을 포함하였다. 언어 제한은 적용되지 않았으나, 영문 데이터가 이용 가능한 연구만 정량적 분석에 포함하였다 [1].

포함 기준

다음 조건을 만족하는 연구를 대상으로 하였다: 무작위 교차 또는 병렬 집단 설계 채택; 운동 중 참가자에게 탄수화물 또는 탄수화물 함유 용액 투여; 위약 대조 비교 조건(비칼로리 대조) 포함; 표준화된 수행 측정을 1차 결과로 사용(타임 트라이얼 또는 탈진 시간); 45분 이상 지속적 또는 간헐적 운동을 수행하는 참가자 포함; 최소 중등도 훈련 수준의 건강한 성인 참가자 포함 [2].

운동 중 탄수화물 성분 없이 운동 전 또는 운동 후 탄수화물 공급만을 조사한 연구는 제외하였다. 대사 장애를 가진 임상 집단의 연구도 마찬가지로 제외하였다.

데이터 추출 및 결과 측정

추출된 1차 수행 결과는 타임 트라이얼 완료 시간(낮을수록 우수), 탈진 시간(높을수록 우수), 운동량 측정치였다. 이질적인 수행 지표에 걸친 통합 분석을 허용하기 위해 확립된 공식을 사용하여 효과 크기(Cohen's d)로 표준화하였다 [1].

2차 결과로는 기질 이용의 지표로서 호흡 교환율, 혈당 농도, 보고된 경우의 운동 자각도를 포함하였다.

통계 분석

DerSimonian-Laird 방법을 사용한 무작위 효과 메타분석을 수행하였다. 이질성은 I² 통계량과 Cochran의 Q 검정으로 평가하였다. 출판 편향은 깔때기 도표 비대칭성과 Egger 검정으로 평가하였다. 탄수화물 섭취 속도와 수행 효과 크기 사이의 관계를 평가하기 위해 용량-반응 메타회귀를 수행하였다 [3].

Results 결과

English
<h2>Results</h2> <h3>Overall Performance Effect</h3> <p><a href="/terms/meta-analysis/" class="term-link" data-slug="meta-analysis" title="Meta-analysis">Meta-analysis</a> of 61 eligible studies involving 679 participants and 82 individual study arms demonstrated a statistically significant overall ergogenic effect of intra-exercise carbohydrate ingestion (<a href="/terms/effect-size/" class="term-link" data-slug="effect-size" title="standardized mean difference">standardized mean difference</a>: 0.35; 95% CI: 0.24-0.46; p 0.001) [1]. Translating this effect size to practical performance terms, carbohydrate ingestion improved endurance performance by approximately 2-3% on average. While this may appear modest in absolute terms, it is of substantial magnitude in competitive sport contexts where winning margins often fall within fractions of a percent.</p> <h3>Influence of Exercise Duration</h3> <p>Subgroup analysis by exercise duration revealed that performance benefits were most pronounced and consistent for exercise lasting more than 60 minutes. For exercise of 45-60 minutes, results were more variable, with some studies demonstrating significant benefit and others showing no significant effect. For very short high-intensity efforts (45 minutes), evidence for intra-exercise carbohydrate benefit was equivocal, potentially because glycogen stores are not a limiting factor at these durations and intensities [2].</p> <h3><a href="/terms/dose-response-relationship/" class="term-link" data-slug="dose-response-relationship" title="Dose-Response">Dose-Response</a> Analysis</h3> <p>Meta-regression evaluating carbohydrate ingestion rate as a predictor of performance effect magnitude revealed a <a href="/terms/concentric-contraction/" class="term-link" data-slug="concentric-contraction" title="positive">positive</a> dose-response relationship up to approximately 60 g/hour for single-source carbohydrate formulations. Above this rate, gastrointestinal absorption capacity becomes saturating, and increasing dose does not proportionally improve performance [1].</p> <p>Multiple-transporter carbohydrate combinations — specifically formulations combining glucose (or maltodextrin) with fructose in a 2:1 ratio — circumvent this limitation by engaging independent intestinal transporters (SGLT1 for glucose; GLUT5 for fructose), enabling total oxidation rates of up to 1.5 g/minute (90 g/hour). Studies using these blended formulations in exercise exceeding 2.5 hours demonstrated superior performance outcomes compared to single-source glucose formulations at matched total doses [3].</p> <h3>Mechanism of Action</h3> <p>Analysis of substrate utilization data confirmed that intra-exercise carbohydrate ingestion significantly increased total carbohydrate oxidation rates and reduced fat oxidation, indicating meaningful exogenous carbohydrate utilization. Blood glucose was maintained more consistently in the carbohydrate conditions, supporting the role of glycemia maintenance in CNS performance regulation [2].</p>
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전체 수행 효과

679명 참가자와 82개 개별 연구 군을 포함한 61개 적격 연구의 메타분석은 운동 중 탄수화물 섭취의 통계적으로 유의한 전반적 인체 수행 능력 향상 효과를 보여주었다(표준화 평균차: 0.35; 95% CI: 0.24–0.46; p < 0.001) [1]. 이 효과 크기를 실용적 수행 측면으로 환산하면, 탄수화물 섭취는 지구력 수행을 평균 약 2–3% 향상시켰다. 이것이 절대적 측면에서 미미해 보일 수 있지만, 우승 마진이 흔히 수백분의 일 퍼센트 이내에 드는 경쟁 스포츠 맥락에서는 상당한 크기이다.

운동 지속 시간의 영향

운동 지속 시간별 하위 그룹 분석에서 수행 이점은 60분을 초과하는 운동에서 가장 두드러지고 일관되었다. 45–60분 운동의 경우, 결과가 더 가변적이어서 일부 연구는 유의한 이점을 보였고 다른 연구는 유의한 효과를 보이지 않았다. 매우 짧은 고강도 노력(<45분)의 경우, 운동 중 탄수화물 이점에 대한 근거는 불명확하였으며, 이 지속 시간과 강도에서는 글리코겐 저장소가 제한 요인이 아닐 수 있기 때문이다 [2].

용량-반응 분석

수행 효과 크기의 예측 변수로서 탄수화물 섭취 속도를 평가한 메타회귀는 단일 공급원 탄수화물 제제의 경우 시간당 약 60 g까지 양의 용량-반응 관계를 나타냈다. 이 속도를 초과하면 위장 흡수 용량이 포화되어 용량 증가가 수행을 비례적으로 향상시키지 않는다 [1].

복수 수송체 탄수화물 조합(구체적으로 포도당(또는 말토덱스트린)과 과당을 2:1 비율로 결합한 제제)은 독립적인 장내 수송체(포도당의 경우 SGLT1; 과당의 경우 GLUT5)를 이용함으로써 이 한계를 우회하여, 분당 최대 1.5 g(시간당 90 g)의 총 산화 속도를 가능하게 한다. 2.5시간을 초과하는 운동에서 이러한 혼합 제제를 사용한 연구는 동일한 총 용량의 단일 공급원 포도당 제제 대비 우수한 수행 결과를 보여주었다 [3].

작용 기제

기질 이용 데이터 분석은 운동 중 탄수화물 섭취가 총 탄수화물 산화 속도를 유의하게 증가시키고 지방 산화를 감소시켜, 의미 있는 외인성 탄수화물 이용을 나타냈다. 혈당은 탄수화물 조건에서 더 일관되게 유지되었으며, 중추신경계 수행 조절에서 혈당 유지의 역할을 지지하였다 [2].

Discussion 고찰

English
<h2>Discussion</h2> <p>This <a href="/terms/meta-analysis/" class="term-link" data-slug="meta-analysis" title="meta-analysis">meta-analysis</a> confirms that intra-exercise carbohydrate ingestion is an evidence-based ergogenic strategy for endurance exercise exceeding 60 minutes in duration, producing consistent performance benefits across a diverse range of exercise modalities and athlete populations. The magnitude of improvement (2-3% on average) is both statistically significant and practically meaningful in competitive contexts.</p> <h3>Mechanistic Framework</h3> <p>The performance benefits of intra-exercise carbohydrate operate through complementary peripheral and central mechanisms. Peripherally, exogenous carbohydrate provides an additional fuel source that reduces the rate of endogenous glycogen depletion in working muscles, extending the duration over which high-intensity work rates can be sustained. Hepatic glycogen is also spared, maintaining blood glucose delivery to working muscle and the brain [1].</p> <p>Centrally, the attenuation of hypoglycemia maintains the brain's primary fuel supply, preventing the deterioration in cognitive function and perceived effort regulation that accompanies hypoglycemia during prolonged exercise. Additionally, carbohydrate sensing in the oral cavity activates brain regions associated with reward and motor output — a mechanism demonstrated by the performance benefits of carbohydrate mouth rinsing without swallowing, which persists even in the absence of exogenous carbohydrate availability to peripheral tissues [2].</p> <h3>Implications for Resistance Training</h3> <p>While the evidence base is strongest for endurance exercise, high-volume resistance training sessions (60 minutes, multiple muscle groups, moderate to high repetition schemes) impose substantial glycolytic demands. In this context, pre-session carbohydrate loading and intra-session carbohydrate supplementation may support training quality during the later stages of high-volume sessions when intramuscular glycogen becomes limiting [3].</p> <p>Practically, resistance-trained athletes should ensure adequate carbohydrate intake in the 2-4 hours preceding high-volume sessions and may benefit from 30-60 g/hour during sessions exceeding 60 minutes. During caloric restriction phases, strategic placement of carbohydrate intake around training — so-called carbohydrate <a href="/terms/periodization/" class="term-link" data-slug="periodization" title="periodization">periodization</a> — can partially preserve training quality while maintaining an overall <a href="/terms/caloric-deficit/" class="term-link" data-slug="caloric-deficit" title="energy deficit">energy deficit</a> [1].</p> <h3>Gastrointestinal Tolerance</h3> <p>A practical limitation of carbohydrate supplementation strategies, particularly at higher doses, is gastrointestinal distress during exercise. Athletes new to intra-exercise carbohydrate supplementation should begin with lower doses (20-30 g/hour) and progressively increase intake to improve tolerance through gut training adaptations.</p>
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본 메타분석은 운동 중 탄수화물 섭취가 60분을 초과하는 지구력 운동에 대한 근거 기반의 인체 수행 능력 향상 전략임을 확인하며, 다양한 운동 방식과 운동선수 집단에 걸쳐 일관된 수행 이점을 나타낸다. 향상 크기(평균 2–3%)는 통계적으로 유의하며 경쟁적 맥락에서 실질적으로 의미가 있다.

기전적 틀

운동 중 탄수화물의 수행 이점은 보완적인 말초 및 중추 기제를 통해 작용한다. 말초적으로, 외인성 탄수화물은 운동 근육에서 내인성 글리코겐 고갈 속도를 줄이는 추가적 연료원을 제공하여, 고강도 운동 속도를 유지할 수 있는 지속 시간을 연장한다. 간 글리코겐도 절약되어, 운동 근육과 뇌에 대한 혈당 전달을 유지한다 [1].

중추적으로, 저혈당증의 완화는 뇌의 주요 연료 공급을 유지하여, 장시간 운동 중 저혈당증에 수반되는 인지 기능 저하와 인지된 노력 조절 악화를 예방한다. 또한 구강 내 탄수화물 감지는 보상 및 운동 출력과 연관된 뇌 영역을 활성화하는데, 이 기제는 삼키지 않고 탄수화물을 입에 헹구기만 해도 수행 이점이 나타나는 것으로 입증되었으며, 말초 조직에 외인성 탄수화물 가용성이 없는 상태에서도 지속된다 [2].

저항 훈련에 대한 함의

근거 기반이 지구력 운동에서 가장 강력하지만, 고용량 저항 훈련 세션(>60분, 여러 근육군, 중등도에서 고반복 체계)은 상당한 해당과정 수요를 부과한다. 이러한 맥락에서, 세션 전 탄수화물 부하와 세션 중 탄수화물 보충은 근내 글리코겐이 제한 요인이 되는 고용량 세션 후반 단계에서 훈련 질을 지원할 수 있다 [3].

실용적으로, 저항 훈련된 운동선수는 고용량 세션 전 2–4시간 이내에 충분한 탄수화물 섭취를 확보해야 하며, 60분을 초과하는 세션 중에는 시간당 30–60 g의 섭취로 이점을 얻을 수 있다. 칼로리 제한 단계에서, 소위 '탄수화물 주기화(carbohydrate periodization)'라 불리는 훈련 주변 탄수화물 섭취의 전략적 배치는 전반적인 에너지 결핍을 유지하면서 훈련 질을 부분적으로 보존할 수 있다 [1].

위장 내성

특히 고용량에서 탄수화물 보충 전략의 실용적 한계는 운동 중 위장 장애이다. 운동 중 탄수화물 보충에 익숙하지 않은 운동선수는 낮은 용량(시간당 20–30 g)으로 시작하여 장 훈련 적응을 통해 내성을 향상시키기 위해 섭취량을 점진적으로 늘려야 한다.

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