Dietary nitrate supplementation and exercise performance
식이 질산염 보충과 운동 수행 능력
Andrew M. Jones, Anni Vanhatalo and Stephen J. Bailey · 2018
Abstract Abstract
Abstract
Dietary nitrate supplementation, primarily delivered through beetroot juice, has emerged as a well-characterized ergogenic strategy with consistent evidence of improving exercise efficiency and performance. This review by Jones, Vanhatalo, and Bailey (2018) comprehensively examined the mechanisms, evidence base, and practical applications of nitrate supplementation for exercise performance across a range of athletic populations and exercise modalities.
The nitrate-nitrite-nitric oxide pathway represents the primary mechanism: ingested nitrate is reduced by oral bacteria to nitrite, which is subsequently reduced to nitric oxide in hypoxic tissues during exercise, enhancing mitochondrial efficiency, reducing the oxygen cost of exercise, and improving blood flow to contracting muscles [1]. Meta-analytic evidence supports a meaningful improvement in exercise economy of approximately 2-3%, translating to significant performance gains in time-trial and endurance-dominated activities [2].
The review identified important population moderators: the ergogenic effect is most consistent in recreational to moderately trained athletes, while elite athletes may show attenuated responses, possibly due to habitually higher plasma nitrate levels [3]. A loading protocol of 2-3 days and an acute dose equivalent to 6-8 mmol of nitrate (approximately 500mL of beetroot juice) were identified as optimal for maximizing plasma nitrite availability at the time of exercise.
Keywords: dietary nitrate, beetroot juice, nitric oxide, exercise economy, mitochondrial efficiency, ergogenic, endurance performance
식이 질산염(dietary nitrate) 보충, 주로 비트루트 주스(beetroot juice)를 통해 제공되는 방식은 운동 효율성과 수행 능력을 향상시키는 근거가 일관되게 지지되는 에르고제닉 전략으로 자리잡았다. Jones, Vanhatalo, Bailey(2018)의 이 리뷰는 다양한 운동선수 집단과 운동 양식에 걸친 운동 수행 능력에 대한 질산염 보충의 기전, 근거 기반, 실용적 적용을 종합적으로 검토하였다.
질산염-아질산염-산화질소 경로가 주요 기전이다. 섭취된 질산염은 구강 내 세균에 의해 아질산염으로 환원되고, 이후 운동 중 저산소 조직에서 산화질소(nitric oxide)로 추가 환원되어 미토콘드리아 효율을 높이고, 운동의 산소 비용을 줄이며, 수축하는 근육으로의 혈류를 개선한다 [1]. 메타분석 근거는 운동 경제성(exercise economy)의 약 2-3% 개선을 지지하며, 이는 타임 트라이얼 및 지구력 중심 운동에서 유의한 퍼포먼스 향상으로 이어진다 [2].
리뷰는 중요한 집단 조절 요인을 확인하였다. 에르고제닉 효과는 일반~중간 수준 훈련 선수에서 가장 일관적이며, 엘리트 선수에서는 반응이 약화될 수 있는데 이는 습관적으로 높은 혈장 질산염 수준 때문일 가능성이 있다 [3]. 2-3일의 로딩 프로토콜과 운동 중 혈장 아질산염 가용성을 극대화하기 위해 질산염 6-8mmol에 해당하는 급성 용량(약 비트루트 주스 500mL)이 최적으로 확인되었다.
핵심 키워드: 식이 질산염, 비트루트 주스, 산화질소, 운동 경제성, 미토콘드리아 효율, 에르고제닉, 지구력 수행
Introduction Introduction
Introduction
Nitric oxide (NO) occupies a central position in exercise physiology as a signaling molecule that regulates vascular tone, mitochondrial respiration, muscle contractile function, and glucose uptake. For decades, researchers recognized NO's importance to exercise capacity, but the primary focus was on endogenous NO synthesis via the L-arginine-eNOS pathway [1]. The discovery that inorganic nitrate in dietary sources could serve as an alternative, oxygen-independent source of NO production fundamentally expanded the nutritional strategies available to athletes seeking to enhance NO bioavailability.
The nitrate-nitrite-NO pathway operates through a series of reduction reactions that become increasingly favored in conditions of low oxygen availability — precisely the tissue environment during intense exercise. Dietary nitrate (NO₃⁻) consumed through food or supplements is absorbed in the small intestine and enters the circulation, where approximately 25% is taken up by salivary glands and secreted into saliva [2]. Commensal bacteria on the tongue reduce salivary nitrate to nitrite (NO₂⁻), which is then swallowed and absorbed. In hypoxic tissues with low pH — conditions that characterize intensely exercising skeletal muscle — nitrite is further reduced to nitric oxide by a variety of reductases including deoxyhemoglobin and xanthine oxidoreductase.
This pathway has several appealing pharmacological characteristics relative to L-arginine supplementation. First, because it produces NO through an oxygen-independent mechanism, it is most active precisely when conventional eNOS activity is most limited (during heavy exercise with tissue hypoxia). Second, dietary nitrate from food sources such as beetroot, spinach, arugula, and celery provides a naturally occurring, unprocessed source that avoids the pharmacokinetic problems associated with amino acid supplements [3].
Jones and colleagues at the University of Exeter were among the first to systematically characterize the exercise performance effects of beetroot juice supplementation, demonstrating in a landmark 2009 study that 500mL of beetroot juice for 6 days reduced the oxygen cost of submaximal exercise by approximately 5% and increased time to exhaustion [4]. Subsequent work from their group and others expanded the understanding of optimal dosing, timing, population responsiveness, and the specific exercise modalities that benefit most from nitrate supplementation.
산화질소(nitric oxide, NO)는 혈관 긴장도, 미토콘드리아 호흡, 근육 수축 기능, 포도당 흡수를 조절하는 신호 분자로서 운동 생리학에서 중심적인 위치를 차지한다. 수십 년간 연구자들은 NO의 운동 능력에 대한 중요성을 인식해 왔지만, 주된 초점은 L-아르기닌-eNOS 경로를 통한 내인성 NO 합성이었다 [1]. 식이 공급원의 무기 질산염이 산소 비의존적 NO 생성의 대안적 공급원이 될 수 있다는 발견은 NO 생체이용률 향상을 추구하는 운동선수에게 이용 가능한 영양 전략을 근본적으로 확장시켰다.
질산염-아질산염-NO 경로는 산소 가용성이 낮은 조건에서, 즉 격렬한 운동 중의 조직 환경에서 점점 더 선호되는 일련의 환원 반응을 통해 작동한다. 음식이나 보충제를 통해 섭취된 식이 질산염(NO₃⁻)은 소장에서 흡수되어 순환계로 진입하며, 약 25%가 침샘에 흡수되어 침으로 분비된다 [2]. 혀의 공생 세균이 침의 질산염을 아질산염(NO₂⁻)으로 환원하면, 삼켜져 흡수된다. 저산소 상태와 낮은 pH를 특징으로 하는, 격렬하게 운동하는 골격근 조직에서 아질산염은 탈산소화 헤모글로빈과 잔틴 산화환원효소를 포함한 다양한 환원효소에 의해 산화질소로 추가 환원된다.
이 경로는 L-아르기닌 보충에 비해 여러 매력적인 약리학적 특성을 갖는다. 첫째, 산소 비의존적 메커니즘을 통해 NO를 생성하므로, 기존 eNOS 활성이 가장 제한되는 바로 그 시점(조직 저산소증이 있는 격렬한 운동 중)에 가장 활성화된다. 둘째, 비트루트, 시금치, 루콜라, 셀러리 같은 식품 공급원의 식이 질산염은 아미노산 보충제와 관련된 약동학적 문제를 피하는 자연 발생, 비가공 공급원을 제공한다 [3].
Exeter 대학의 Jones와 동료들은 비트루트 주스 보충의 운동 수행 효과를 체계적으로 특성화한 선구자 중 하나로, 2009년 랜드마크 연구에서 6일간 비트루트 주스 500mL가 최대하 운동의 산소 비용을 약 5% 줄이고 탈진까지의 시간을 증가시킴을 보여주었다 [4]. 이후 그들의 연구와 다른 그룹들의 연구가 최적 용량, 타이밍, 집단 반응성, 질산염 보충의 이점이 가장 큰 특정 운동 양식에 대한 이해를 확장하였다.
Evidence Review Evidence Review
기전: 질산염에서 산화질소까지
식이 질산염의 에르고제닉 효과는 일련의 생화학적 사건들에 기인한다.
- 질산염 흡수: 섭취된 NO₃⁻는 30-60분 이내에 근위 소장에서 흡수되어 순환계로 진입한다
- 침샘 농축 및 세균 환원: 혈장 질산염의 약 25%가 침샘에서 능동적으로 농축되며, 주로 Veillonella와 Actinomyces 종인 구강 세균이 섭취 후 1-2시간 이내에 질산염을 아질산염으로 환원한다
- 조직 저산소 의존적 전환: 운동 중 아질산염이 저산소 근육 조직에 축적되어 탈산소화 헤모글로빈과 다른 환원효소에 의해 NO로 전환된다
- 생리적 효과: 이 경로로 생성된 NO는 사이토크롬 c 산화효소를 억제하여(미토콘드리아 산소 요구량 감소) 구아닐산 고리화효소를 활성화하고(혈관 확장 유발) 수축 단백질의 칼슘 민감도를 조절한다 [1]
산소 비용 감소, 즉 주어진 운동 강도에서 감소된 VO₂가 가장 일관되게 측정되는 생리적 결과이며, 질산염이 지구력 수행 능력을 향상시키는 주요 기전이다 [2].
지구력 운동 수행 능력
무작위 교차 시험의 메타분석은 질산염 보충이 타임 트라이얼 퍼포먼스를 약 3% 향상시키고 최대하 운동의 산소 비용을 2-5% 줄인다는 것을 발견하였다 [3]. 이 효과는 사이클링, 달리기, 조정, 수영에 걸쳐 복제되었으며, 측정 정밀도 이점으로 인해 사이클링 연구가 가장 많은 근거를 제공한다.
퍼포먼스 향상은 중간 운동 강도(VO₂max의 60-80%)에서 가장 두드러지며, 이 강도에서 미토콘드리아 효율 향상이 타임 트라이얼 퍼포먼스로 가장 직접적으로 변환된다. 최대에 가까운 강도에서는 미토콘드리아 효율에서 심혈관 산소 전달로 제한 단계가 이동하여, 미토콘드리아 효율 향상의 한계 이점이 감소한다.
저항 운동 적용
저항 운동에서의 질산염 보충 근거는 지구력 스포츠를 넘어 확장되었다. 고반복 저항 운동을 조사한 연구들은 다음을 발견하였다. - 근육 지구력 향상 (주어진 1RM % 강도에서 더 많은 반복) - 운동 근육으로의 혈류 증가 - 생성된 힘의 단위당 산소 비용 감소
Coggan 등은 급성 질산염 보충 후 노인에서 최대 슬관절 신전 파워 향상을 보여주었으며, 이를 향상된 제2형 근섬유 수축 효율 덕분으로 보고하였다 [4].
용량-반응 및 타이밍
| 프로토콜 | 혈장 아질산염 최고점 | 퍼포먼스 효과 |
|---|---|---|
| 단일 용량, 운동 2시간 전 | 보통 | 급성 이점 |
| 3일 로딩 | 높고 지속적 | 향상된 이점 |
| 7-14일 만성 | 최고 | 최대 이점 |
운동 전 2-3시간 창은 구강 세균이 질산염을 아질산염으로 전환하기에 충분한 시간을 허용하며, 혈장 아질산염(따라서 NO 가용성)이 이 시점에 최고점에 도달한다 [5]. 2-3일의 로딩 기간은 조직 질산염 저장량을 추가로 높여 격렬한 운동 시작 시 더 큰 NO 가용성을 제공한다.
엘리트 선수 반응
연구 전반에서 일관된 발견은 고훈련 선수에서 약화된 에르고제닉 반응이다. 제안된 설명들은 다음과 같다.
- 엘리트 선수들은 이미 우수한 미세혈관 밀도와 산소 전달 시스템을 갖고 있어, NO 매개 혈관 확장의 한계 이점이 감소한다
- 엘리트 선수들의 더 높은 습관적 채소 섭취가 만성적으로 높은 기준 질산염/아질산염 농도를 만들어, 보충이 추가적인 상승을 만들 여지를 줄인다 [6]
- 고훈련 선수의 향상된 골격근 미토콘드리아 효율이 덜 훈련된 집단에서 질산염의 이점을 이끄는 미토콘드리아 효율 향상의 여지를 줄인다
Discussion Discussion
Discussion
Contextualizing the 2-3% Performance Improvement
A 2-3% improvement in time-trial performance may appear modest in absolute terms, but within the context of competitive athletics, this magnitude of improvement can represent the difference between medal and non-medal outcomes. In Olympic-distance triathlon events lasting 1-2 hours, a 2% improvement in run-bike-swim performance represents minutes of time advantage [1]. Even for recreational athletes, improved exercise economy translates to either faster performance at the same subjective effort, or equivalent performance at lower physiological cost — a meaningful quality-of-life improvement for regular exercisers.
The mechanism of economy improvement — reduced oxygen cost at given exercise intensities — represents a qualitatively different performance enhancement than most ergogenic compounds. Rather than stimulating greater energy production, nitrate makes the same amount of energy production more metabolically efficient. This fundamental mechanism has parallels with altitude acclimatization and heat adaptation, both of which improve exercise economy through related NO-dependent vascular and mitochondrial adaptations [2].
Antifungal Mouthwash: An Unexpected Confounder
An important and somewhat unexpected practical finding in the nitrate literature is that antibacterial mouthwash can completely abolish the ergogenic effects of nitrate supplementation. By eliminating the oral bacteria responsible for nitrate-to-nitrite reduction, chlorhexidine-containing mouthwash prevents the conversion of dietary nitrate to the active nitrite precursor [3].
This finding has two practical implications. First, athletes supplementing with beetroot juice should avoid using antibacterial mouthwash in the hours preceding and following supplementation. Second, the mouthwash interference provides compelling mechanistic evidence that the oral bacteria-dependent reduction step is essential for nitrate's ergogenic effect, ruling out alternative mechanisms that don't require this conversion.
Nitrate Source: Beetroot Juice vs. Sodium Nitrate vs. Vegetables
Most research has used beetroot juice as the nitrate vehicle due to its high nitrate concentration (3-5 mmol per 100mL of concentrated juice), commercial availability, and the ability to create nitrate-depleted beetroot juice as a visually identical placebo. However, equivalent nitrate from sodium nitrate supplements or high-nitrate vegetables (spinach, arugula, lettuce) provides similar performance benefits, confirming that nitrate is the active component rather than beetroot-specific phytochemicals [4].
Practical considerations favor commercially concentrated beetroot shots (typically 70mL providing 5-8 mmol nitrate) for athletic use due to portion control precision and convenience, though athletes who can reliably consume adequate quantities of high-nitrate vegetables achieve similar benefits through dietary means.
Interaction with Training Status and Oxygen Availability
The gradient of nitrate responsiveness across training levels reflects a fundamental characteristic of the nitrate-nitrite-NO pathway: its benefits are greatest when conventional oxygen-dependent NO synthesis is most limited. In conditions of tissue hypoxia and acidosis — the state of intensely working muscles — nitrite reduction to NO is strongly favored, while less trained individuals who experience more pronounced exercise-induced hypoxia show greater pathway activation [5].
This interaction also explains why the benefits are most pronounced at moderate rather than near-maximal exercise intensities: at near-maximal intensities, oxygen delivery (cardiovascular capacity) rather than mitochondrial efficiency becomes the primary limiting factor, shifting performance determinants away from the specific mechanisms nitrate addresses.
2-3% 퍼포먼스 향상의 맥락화
타임 트라이얼 퍼포먼스의 2-3% 향상은 절대적 수치로 보면 미미해 보일 수 있지만, 경쟁 스포츠의 맥락에서 이 크기의 향상은 메달과 비메달 결과를 가를 수 있다. 1-2시간이 걸리는 올림픽 거리 트라이애슬론 경기에서 달리기-자전거-수영 퍼포먼스의 2% 향상은 수 분의 시간 이점을 나타낸다 [1]. 일반 운동선수에게도 향상된 운동 경제성은 동일한 주관적 노력에서 더 빠른 퍼포먼스, 또는 더 낮은 생리적 비용에서 동등한 퍼포먼스를 의미한다.
경제성 향상 기전, 즉 주어진 운동 강도에서 감소된 산소 비용은 대부분의 에르고제닉 화합물과 질적으로 다른 퍼포먼스 향상을 나타낸다. 더 많은 에너지 생산을 자극하기보다, 질산염은 동일한 에너지 생산을 대사적으로 더 효율적으로 만든다. 이 근본 기전은 고도 순응과 열 적응과 유사점을 갖는다. 두 가지 모두 관련 NO 의존적 혈관 및 미토콘드리아 적응을 통해 운동 경제성을 향상시킨다 [2].
항세균 구강청결제: 예상치 못한 혼란 요인
질산염 문헌에서 중요하고 다소 예상치 못한 실용적 발견은 항세균 구강청결제가 질산염 보충의 에르고제닉 효과를 완전히 없앨 수 있다는 것이다. 질산염-아질산염 환원을 담당하는 구강 세균을 제거함으로써, 클로르헥시딘 함유 구강청결제는 식이 질산염을 활성 아질산염 전구체로 전환하는 것을 방지한다 [3].
이 발견은 두 가지 실용적 함의를 갖는다. 첫째, 비트루트 주스를 보충하는 운동선수는 보충 전후 수 시간 동안 항세균 구강청결제 사용을 피해야 한다. 둘째, 구강청결제 간섭은 구강 세균 의존적 환원 단계가 질산염의 에르고제닉 효과에 필수적이라는 설득력 있는 기전적 근거를 제공하며, 이 전환이 필요하지 않은 대안적 기전을 배제한다.
질산염 공급원: 비트루트 주스 vs. 나트륨 질산염 vs. 채소
대부분의 연구는 높은 질산염 농도(농축 주스 100mL당 3-5mmol), 상업적 가용성, 시각적으로 동일한 위약으로 질산염이 제거된 비트루트 주스를 만들 수 있다는 이유로 비트루트 주스를 질산염 운반체로 사용하였다. 그러나 나트륨 질산염 보충제나 고질산염 채소(시금치, 루콜라, 양상추)의 동등한 질산염이 유사한 퍼포먼스 이점을 제공하며, 이는 비트루트 특이 식물화학물질보다 질산염이 활성 성분임을 확인한다 [4].
실용적 고려사항에서는 부분 조절 정밀도와 편의성 때문에 상업적으로 농축된 비트루트 샷(70mL, 5-8mmol 질산염 제공)이 선수 사용에 선호된다. 고질산염 채소를 충분히 섭취할 수 있는 선수들은 식이 수단을 통해 유사한 이점을 달성한다.
훈련 상태와 산소 가용성과의 상호작용
훈련 수준에 걸친 질산염 반응성의 기울기는 질산염-아질산염-NO 경로의 근본적인 특성을 반영한다. 그 이점은 기존 산소 의존적 NO 합성이 가장 제한될 때 가장 크다. 조직 저산소증과 산증 조건에서, 즉 격렬하게 운동하는 근육 상태에서 아질산염의 NO로의 환원이 강하게 선호되며, 더 두드러진 운동 유발 저산소증을 경험하는 덜 훈련된 개인들이 더 큰 경로 활성화를 보인다 [5].
이 상호작용은 최대에 가까운 강도보다 중간 운동 강도에서 이점이 가장 두드러지는 이유도 설명한다. 최대에 가까운 강도에서는 미토콘드리아 효율보다 산소 전달(심혈관 용량)이 주요 제한 요인이 되어, 퍼포먼스 결정 요인이 질산염이 다루는 특정 기전에서 멀어진다.
Practical Recommendations Practical Recommendations
용량 및 타이밍 프로토콜
급성 (단일 이벤트): - 운동 2-3시간 전에 비트루트 주스 500mL(약 6-8mmol 질산염 제공) 또는 상업적으로 농축된 비트루트 샷(70mL, 약 5-8mmol 질산염) 섭취 - 2-3시간 창은 구강 세균이 질산염을 아질산염으로 전환하기에 충분한 시간을 허용하며, 운동 시작 시 혈장 아질산염이 최고점에 도달한다
로딩 (2-3일 프로토콜, 경기 시 권장): - 경기 2-3일 전부터 매일 비트루트 주스 500mL 또는 동등한 질산염 섭취 - 경기 당일 2-3시간 전에도 동일 용량 섭취 - 로딩은 조직 질산염 저장량을 높이고 경기 중 더 지속적인 NO 가용성을 제공한다
| 프로토콜 | 사용 시기 | 질산염 용량 |
|---|---|---|
| 단일 용량 | 훈련 세션, 일반 경기 | 6-8mmol (주스 500mL 또는 샷 70mL) |
| 3일 로딩 | 중요한 경기 | 3일간 매일 동일 용량 |
| 만성 일일 섭취 | 지속적인 훈련 퍼포먼스 | 식이 공급원 + 보충으로 하루 3-6mmol |
농도별 질산염 공급원
| 공급원 | 질산염 함량 | 참고 사항 |
|---|---|---|
| 비트루트 농축 샷 | 70mL당 약 5-8mmol | 운동선수에게 가장 실용적 |
| 신선한 비트루트 주스 | 100mL당 약 3-5mmol | 낮은 농도, 더 많은 양 필요 |
| 시금치 (생) | 100g당 약 3-5mmol | 실용적인 식이 공급원 |
| 루콜라 (생) | 100g당 약 4-6mmol | 매우 높은 농도, 유용한 식이 공급원 |
| 로메인 상추 | 100g당 약 1-2mmol | 보통 농도 |
| 셀러리 | 100g당 약 1-3mmol | 보통 농도 |
핵심 실용적 고려사항
- 항세균 구강청결제 사용 금지: 질산염 보충 6-12시간 이내에 클로르헥시딘 기반 구강청결제를 사용하지 않는다. 질산염 전환에 필요한 구강 세균을 파괴하여 에르고제닉 이점을 없앤다
- 제산제/양성자 펌프 억제제 주의: 위산을 줄이는 약물이 아질산염 전환을 저해할 수 있다. 제산제 사용과 시간 간격을 두고 보충하는 것이 바람직하다
- 분홍색/빨간색 소변과 대변 예상: 비트루트 섭취는 많은 사람에서 일상적으로 비트뇨증(빨간색/분홍색 소변)과 붉은빛 대변을 유발한다. 이는 무해하지만 예상치 못하면 놀랄 수 있다
가장 큰 효과를 보는 운동인
- 일반~중간 수준 훈련 지구력 선수: 가장 큰 예상 퍼포먼스 향상
- 중간 강도의 지속적 노력 운동선수 (60-90분): 경제성 이점의 최적 범위
- 고반복 프로토콜을 사용하는 저항 훈련 운동선수: 의미 있는 근육 지구력 이점
- 고온 환경에서 경기하는 운동선수: 혈관 확장 효과가 체온 조절 능력 향상
효과가 적은 경우
- 엘리트 지구력 선수 (VO₂max 65mL/kg/min 초과): 약화된 반응, 그래도 개인 테스트 가치 있음
- 순수 단거리/파워 종목 (30초 미만): 매우 짧은 지속 시간에는 경제성 향상이 무관함
- 이미 식이 질산염 섭취가 높은 운동선수: 습관적 수준을 넘어 보충이 추가할 여지가 적음