氢农业和氢食品可持续战略面临的挑战

世界正面临诸多挑战，包括全球变暖、健康流行病和人口增长，每一个都对我们的星球生态系统的稳定性和可持续性构成重大威胁。这些问题共同导致了农业生产力的降低，同时伴随着基本商品需求的增加和成本上升。这一严峻形势需要更多可持续的环境、社会和技术解决方案。氢气（H₂）已被提议作为我们能源需求以及许多健康、农业和食品应用的“绿色”解决方案。在农业中补充H₂可能代表一种新颖且低碳的生物技术策略，适用于农食品链中大量生产作物、蔬菜和果实。H₂是传统化肥的潜在绿色替代品。使用富含氢气的水灌溉系统也可能提供其他与健康相关的好处，即减少作物中重金属的积累。通过采用H₂策略，农作物生产者、食品加工商和决策者可以为面对气候变化、传染病流行病和不断增长的人口等全球挑战做出可持续的解决方案贡献。H₂在农业和更广泛的食品工业中的多功能应用，使其成为解决当今重大挑战的独特适宜方法，有可能促进更好的作物生产并积极影响农食品链。本文综述及时地结合了关于H₂在农业和食品工业潜在应用的最新知识，从农场到餐桌。

Frontiers | Molecular hydrogen: a sustainable strategy for agricultural and food production challenges (frontiersin.org)

1 引言

鉴于作物、水果和蔬菜的易腐性，这些天然食品在采后储存和分配过程中会经历显著的质量损失。据报道，每年有超过13亿吨的食物被浪费，其中水果和蔬菜的腐烂几乎占了这些损失的40%。因此，储存新鲜农产品是一个重大挑战，因为其快速发生的生理变化和对微生物污染及腐烂的易感性。正在考虑或使用的多种采后保存方法包括化学处理、臭氧应用、控制气氛和创新包装材料，包括抗菌包装、涂层和蜡。其他方法，包括非热技术，例如冷等离子体和高压处理，正在探索以应对采后损失。用于保持食品质量的方法之一获得认可和重视的是H₂的应用。

H₂是一种无色、无味的简单双原子气体，由两个氢原子组成。它已成为跨学科科学研究的引人入胜的主题，包括能源研究、太空探索、气候变化、地质学、微生物学、生物医学、农业和食品技术（图1）。关于H₂在绿色能源领域的应用研究遮蔽了其在生物医学和农业用途上的研究。然而，值得注意的是，过去16年里关于H₂在生物医学和农业益处的研究呈指数级增长。

图1. 自2007年以来发表的关于H₂的科学文章（A）涵盖了各种学术领域（B）。

食品安全是当今时代的主要挑战之一。提高作物和食品生产及储存的可持续技术必须成为未来的优先事项。这并不是第一次提出H₂作为基于化学的农业系统的绿色替代品。然而，这是一个快速发展的领域，特别是在中国和日本，因此及时回顾文献并讨论相关问题是适时的。尽管许多报告已经探讨了H₂在农业中的潜在用途，但关于H₂在食品产品和技术中潜在用途的文献却相对缺乏。

本综述的新颖之处在于探索H₂作为应对食品和农业当代挑战的多方面且可持续的解决方案。本研究的具体目标和目的是：

背景/氢研究：为了提供氢（H₂）研究的全面概述，突出其在不同领域的新兴角色，我们回顾了H₂研究的历史发展、当前进展以及氢气正在变得有影响力的主要领域。

氢气在农业中的应用：在这里，我们探讨了氢气在农业实践中的应用，并评估了H₂在提高作物产量、改善土壤健康和减少农业实践环境足迹方面的潜力。

氢气在食品加工和包装中的应用：评估氢气在食品加工和包装行业的利用，使我们能够分析H₂如何改善食品保存、延长保质期，并确保在加工和包装过程中的食品安全。

氢气在食品废物增值中的作用：调查氢气在食品废物增值中的作用，探索将H₂用于将食品废物转化为有价值产品的方法，可以帮助我们确定一个有价值的资源，以确保减少浪费并提高食品工业的可持续性。

氢的生物活性：通过回顾现有的经验和理论研究，我们检查了氢在生物系统中的效果及其对增加收获产量和保存食品的潜在益处。

氢气的法规、毒性和安全性：在这里，我们提供了当前法规的概述，评估了H₂的安全性概况，并确定了其应用中的任何潜在风险，强调了与氢气相关的毒性和安全考虑。

研究现状和未来展望：为了识别现有文献中的空白，提出未来的研究机会，并预测氢气应用在不同领域的可能轨迹，我们总结了氢气研究的现状和成本，并讨论了未来的方向。

2. 氢的生物医学研究

2.1 H₂与健康

2007年，据报道氢气在大鼠脑梗死模型中表现出选择性抗氧化特性（Ohsawa等人，2007年）。在这项研究中，2%的氢气浓度有效地抑制了由缺血/再灌注损伤引起的脑损伤。研究人员还发现，将H₂气体溶解到细胞培养基中可以选择性地减少强氧化剂如羟基自由基（•OH）和过氧亚硝基（ONOO−）。然而，H₂不与生物学上重要的活性氧物种（ROS），包括过氧化氢（H₂O₂）、一氧化氮（NO•）或超氧化物（O₂•-）反应（Ohsawa等人，2007年），表明H₂具有选择性抗氧化能力，并且可能具有重要的医学应用。此外，这种气态分子的高生物利用度使其成为其治疗作用的有吸引力的候选者。氢气由于其小而无极性的特性，可以轻松穿过细胞膜并到达亚细胞器官（Alwazeer等人，2021年）。

现在已经有超过2,000篇关于H₂生物医学效应的科学出版物，包括140项人类研究，这些研究已经在其他地方进行了综述。如上所述，H₂通常以富氢水（HRW）的形式给予。当人类摄入HRW时，H₂分子通过肠道粘膜扩散，迅速进入血液并在几分钟内出现在呼出的呼吸中。关于H₂在农业系统讨论中的早期工作值得考虑。正如下面将要讨论的，H₂对植物和动物细胞活动的影响将是相似的。从动物和生物医学用途的H₂研究中可以学到很多东西，这可以转化为植物科学的领域。

广泛报道饮用HRW可以提供许多健康益处，包括心血管代谢疾病。此外，营养物质的生物可接近性和生物可用性是食物在代谢过程中利用的基本属性。最近的研究表明，餐后饮用富含氢气的水，包括水果、蔬菜、肉类和其他食物，可能会增强各种营养素和维生素的生物可接近性和生物可用性。

2.2 H₂与农业

在氢气对健康影响的研究结果令人鼓舞之后，研究人员对其在农业中的潜在应用越来越感兴趣。中国早期的研究已经探索了H₂在农业中的用途及其对作物生产的影响。

2.2.1 H₂对土壤细菌的影响

氢气被土壤中的各种细菌用作生长和生存的能源来源。土壤细菌推动农业系统中的氢循环。这些细菌是大气中H₂的重要汇，占约75%的H₂吸收量。矛盾的是，由于发酵和氮固定产生的H₂，土壤细菌也是土壤中H₂排放的主要贡献者。提高H₂暴露确实能改变土壤微生物群落的结构和多样性。恰如预期，H₂促进了氧化氢细菌（HOB）的富集，其中一些细菌作为植物生长促进剂，已被证明可以增加小麦幼苗的根长和拟南芥的植物生物量。这些HOB菌株表现出1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶活性、溶解磷、增强铁载体和抗真菌活性，导致植物养分吸收和生长。

此外，Stein等人显示，通过添加H₂在土壤中实现了净CO₂固定的增加。与微生物碳固定、反硝化和氮固定相关的特定标记基因在用H₂处理的土壤中进一步观察到更为丰富。相比之下，Wang等人报告称，选定的氮循环基因丰度的变化部分归因于田间条件下的土壤湿度的显著差异，而不是H₂注入。此外，响应H₂注入，土壤酶活性和有机污染物降解（例如多氯联苯）得到了增强。因此，H₂可能会影响土壤微生物群落结构和功能，并可能间接改善土壤健康，促进植物生长和产量。

2.2.2 H₂对植物生长和产量的影响

越来越多的研究表明，H₂可能在植物生长、发育过程和应激反应中发挥重要作用。这表明H₂可能是当前农药和化肥输入的有效替代品或辅助治疗，帮助在一定程度上促进营养含量和产量。在植物中，H₂可以在正常或各种由植物激素诱导的应激条件下产生。H₂参与了植物激素（如生长素、脱落酸、赤霉素和水杨酸（SA））、ROS、NO•、一氧化碳（CO）、硫化氢（H₂S）和褪黑素的信号通路，导致植物生根和对限制作物产量的各种生物和非生物应激的耐受性得到改善。例如，水稻条纹病毒（RSV）是水稻最具破坏性的植物病毒，导致田间生产严重损失。外部供应H₂被观察到通过SA依赖途径赋予水稻对RSV的抗性。

上述H₂效应的证据通过使用转基因拟南芥植物得到了支持，这些植物过表达了来源于莱茵衣藻的氢化酶基因。这些结果表明，H₂可能是植物通过增强对生物和非生物应激的反应而成为生存策略的一部分。田间试验进一步证实，HRW灌溉可以通过调节控制数量性状的代表基因的转录谱来改善稻谷的大小和重量。这些包括异三聚体G蛋白β亚基（RGB1）、粒大小3/5（GS3/5）、小粒1（SMG1）、粒重8（GW8）以及与氮、磷和钾同化或运输相关的基因。最近的研究还发现，硝酸盐还原酶（NR）可能是H₂感应的靶标，正向调节硝酸盐的吸收和拟南芥的种子大小。Li等人（2021b）发现，H₂的施肥效果导致了促进植物生长的根际细菌的增殖，并增强了植物养分吸收和使用效率，表明H₂在一定程度上具有替代肥料的潜力，从而减少化学肥料的使用 (图2)。

图2. H₂在农食品链中的应用。ACC：1-氨基环丙烷-1-羧酸。

如表1所示，当H₂用作处理时，植物中观察到一系列生物效应。这些效果包括种子萌发的调节、种子大小、应激耐受性、花朵衰老，甚至是植物材料的采后储存。因此，将H₂添加到食品生产的不同阶段，从添加到饲料水中到对食品产品进行气体处理，可能是有益的。

表1. 氢气应用对植物生长和发育的影响。

无论具体机制如何，它们需要解释H₂如何在植物中导致多种效应，包括增加生长和应激耐受性、延迟衰老以及改变基因表达（图3）。

图3. 植物中的氢气机制。

2.2.3 H₂对植物重金属和氮化合物积累及毒性的影响

过度使用化学肥料和农药已严重威胁环境和食品安全。因此，重金属在农作物中积累，通过食物链严重威胁人类健康。研究表明，H₂可以抑制苜蓿、白菜、油菜和黄瓜幼苗中镉（Cd）的积累。H₂调节硫化合物代谢、氧化还原平衡和Cd运输是缓解Cd毒性的主要原因。此外，田间试验观察到HRW灌溉可以通过下调Cd运输相关基因来减少稻米中Cd的积累。除此之外，氮肥过量使用导致硝酸盐和亚硝酸盐积累。H₂可以调节硝酸盐转运体基因（BcNRT1.5和BcNRT1.8）的表达，同时增加硝酸盐还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶的活性，从而减少从根部到茎部的硝酸盐运输，进而减少白菜幼苗中Cd的积累。在番茄果实储存期间，H₂还能防止亚硝酸盐的积累，这归因于抑制（NR）或增加（亚硝酸盐还原酶（NiR））的活性及其相应的编码基因。除了通过过量使用肥料积累Cd外，农药残留也是食品安全的另一个主要威胁。研究发现，H₂可以增强番茄幼苗叶片中氯噻啉和多菌灵农药的降解，但重要的是这不降低它们的抗真菌效果。进一步的药理学和遗传学证据确认了H₂刺激的油菜素甾酮和谷胱甘肽在上述反应中的贡献。

2.2.4 H₂对次生代谢物的影响

随着生活水平的提高，消费者越来越关注农产品的质量。虽然使用肥料和农药可以提高作物产量，但这些方法同时也可能降低作物质量。苯丙烷代谢是植物中最重要的次生代谢途径之一。这些过程的产物包括花青素、类黄酮和酚类物质，它们已知对植物发育和环境相互作用，以及食品质量和促进健康有贡献。研究表明，H₂可以在UV-A和UV-B下分别增加萝卜芽下胚轴和苜蓿幼叶中的花青素和类黄酮积累，通过调节与苯丙烷代谢途径相关的基因表达。代谢组学和转录组学分析揭示，与苯丙烷生物合成和代谢相关的转录因子基因（包括MYBs、bHLHs和WRKYs）也参与了H₂增加五味子（一种常见的中草药）中香豆素和类黄酮积累的过程。

进一步的田间试验证实，HRW灌溉增强了草莓特定挥发性化合物水平、糖酸比和感官属性，无论是否施肥。值得注意的是，施肥对草莓果实香气的不良影响在HRW灌溉后得到缓解。

2.2.5 H₂对植物营养水平的影响

HRW灌溉还增加了白米中一些营养元素的含量，包括磷、钾、镁和铁。经过1年的储存，HRW灌溉的大米具有更高的必需氨基酸水平，特别是赖氨酸，并且异味较少。因此，补充H₂可能代表一种新颖且低碳的策略，适用于增强农食品链中作物、蔬菜和果实的生产和保存。

2.2.6 关于H₂对植物影响的进一步思考

值得注意的是，H₂的效果可能会根据植物的种类、遗传背景和原始栖息地而有所不同。尽管关于额外H₂输入对植物和土壤的影响，以及农业实践如何影响它们仍有许多未知之处，但目前没有证据表明过量H₂会对植物生理和土壤微生物群落组成造成不利影响。在未来的农业应用中，考虑最佳的H₂剂量将是至关重要的，以减轻任何潜在的对H₂氧化植物病原体增殖的增加或对植物生长和发育的抑制。此外，考虑最佳剂量的H₂还将有助于最小化其使用的成本/效益，从而鼓励其在农业产业中的应用。

2.3 H₂与食品

H₂能够产生生物学效应的观点与进化视角相吻合。例如，氢气在微生物学中的作用在数十亿年前的生命的诞生以及原核生物和真核生物的进化中发挥了关键作用。一些微生物（如藻类、古菌、细菌、原生动物）和大多数植物含有氢化酶，这些酶可以生成或消耗氢气。这一机制被认为在维持氧化还原平衡方面发挥作用。这种进化洞察为现代应用开辟了迷人的可能，从增强农业中的植物生长到改进食品包装技术。了解氢的生物学效应的历史和进化背景丰富了我们对其潜力的认识，并指导未来的研究和策略应用。

尽管将H₂用于生物学、食品和农业是近期的事情，但早在18世纪晚期就报道了氢的生物学效应。最早在1931年的农业文献中记录了电解水形式的富氢水。这一历史背景凸显了长期以来对利用氢进行各种生物学应用的兴趣。

在食品技术中，H₂首次被引入植物油的氢化过程中，以生产蔬菜起酥油和人造奶油。除了这种用途外，在食品工业领域找不到其他应用。这可能是因为H₂在标准条件下化学惰性，并且与空气形成爆炸性混合物存在安全担忧。

在20世纪下半叶，关于氢的研究在微生物学中开始。1980年代首次出现在科学文献中关于H₂对微生物生长和耐热性的影响。

1983年，在美国，明尼苏达大学食品科学与营养系的两位研究人员研究了包括H₂在内的不同气体对肉毒杆菌孢子萌发的影响，发现H₂降低了实验系统中的氧化还原电势。1990年，另一个来自威斯康星大学的美国团队揭示，H₂可以加速肉毒杆菌II3B孢子的热灭活。进一步地，1998年，英国食品研究所的一个研究团队使用H₂研究了氧化还原电势（redox）对不同病原体亚致死性热损伤细胞恢复的影响，包括大肠杆菌O157:H7、沙门氏菌和单增李斯特菌，发现所有研究的细菌在包含H₂的气氛中的耐热性高于包含O₂的气氛。

关于H₂在食品工业中潜在使用的早期研究出现在1990年代的法国，当时布尔戈涅大学ENSBANA微生物实验室的研究人员在法国微生物学家Charles Diviès的监督下，正在检查氧化还原电势对乳酸菌（LAB）代谢过程的影响。由于LAB用于生产不同的乳制品，Diviès的团队计划评估氧化还原电势对这些产品的微生物质量、香气和保质期的影响。由于Diviès实验室所在的地区，即布尔戈涅地区以其葡萄酒而闻名，该团队研究了氧化还原对酿酒酵母的生长和代谢的影响。不久之后，研究主题扩展到包括即食沙拉、果汁、泡菜、葡萄酒、乳饮料、牛奶凝胶、酸奶和发酵奶等新的食品产品组。在这些不同的研究主题中，氢气被用作介质/产品的氧化还原修饰剂（还原剂）。

Diviès团队的目标不是研究氢的影响，而是通过有时使用气体（如H₂和N₂），有时使用化学物质（如二硫苏糖醇、硼氢化钠和铁氰化物）来改变介质的氧化还原电势。氢气被用作还原剂以降低介质的氧化还原值，而氧化剂如O₂和铁氰化物则被用来提高它。

自2017年以来，Diviès团队的成员Alwazeer在土耳其创建了一个新的氢研究小组，并一直在探索新的食品产品/过程。新团队的驱动力是在健康和农业领域中推广氢效应的结果。2017年，Alwazeer的氢研究团队开始探索H₂在不同食品技术中的潜在应用，包括干燥、包装、安全性和植物化学提取（图4）。

图4. 氢气对食品产品的影响。

3 氢气作为农业的可持续战略

毫无疑问，植物可以对H₂做出反应；实际上，它已被建议适用于农业的广泛应用（Li等人，2021a）。

3.1 在农业中应用H₂的方法

可以通过多种方法对植物进行H₂暴露和处理，从使用产H₂的细菌、将其用作气体、使用富含H₂的水或含水饲料（富氢水（HRW）），或者创建纳米气泡（氢纳米气泡水（HNW）），如表2所述。这些方法各有优点，但也存在问题。例如，H₂气体非常轻，会迅速上升至大气层，限制了地面层的暴露时间。这给熏蒸带来了挑战，特别是在大面积区域，因为H₂会在露天环境中过快地消散。在封闭环境，如温室中，H₂在空气中的易燃性存在重大安全隐患。然而，随着H₂作为燃料的普及，未来的协议有望缓解这些易燃性问题。Table 2

表2. 用H₂处理植物的常见方法示例。

3.1.1 富氢水（HRW）处理

细胞需要暴露于H₂才能发挥作用，这对农业中H₂的使用提出了挑战。将H₂以HRW（或HNW）的形式提供给植物相对容易，因为它可以喷洒在叶子上或直接用于土壤作为灌溉水。然而，H₂可能不会长时间停留在溶液中，因此使用HRW（或HNW）可能只有较短的时间框架来促进H₂暴露。

HRW相对不稳定，H₂会迅速进入气相，限制了HRW溶液的保质期，因此如上所述，其有效性也受到限制。一种变体是使用富氢盐水（HRS），它已经在动物研究中使用，但可能对植物的盐胁迫实验有帮助（例如，Wu等人，2020b）。然而，HRS的稳定性仍然是一个难题。纳米气泡技术部分缓解了富氢溶液的稳定性问题，但从长期来看，它仍然不稳定。

3.1.2 产氢纳米颗粒

可以使用供体分子（如装载氨硼烷的空心介孔二氧化硅纳米颗粒（AB@hMSN））来供应H₂，就像在西红柿上使用的一样。或者，可以使用氢化镁（MgH₂）进行治疗，如切割花的报道所述。然而，使用这些材料也带来了挑战。如果使用供体分子，会在植物或环境中留下副产品，这些副产品可能是固有毒性的。因此，在大田作物上喷洒大量此类供体分子可能不可取。这里还值得注意的一点是，使用供体分子的成本很可能更高，因此总体成本效益分析可能在财务上不太有利，如果有的话。

因此，至少在不久的将来，农业中H₂应用的最可能方法是HRW或HNW。HNW可以非常简单地生产。据报道，通过竹竿将H₂输送到溶液中可以产生纳米气泡，这增加了H₂在溶液中的持久时间，使其成为更理想的输送系统。然而，未来可能会开发出安全且易于使用的H₂供体，这将增加H₂治疗的有效性，简化其交付方式，并可能提供更好的成本效益结果，尽管供体分子的可持续性问题也需要考虑。对于农业采用的任何方法，成本效益分析必须使其使用具有吸引力。然而，随着H₂的制造、使用和储存变得更加普遍且成本更低，其在生物系统（如农业和医学）中的使用可能会增加。例如，除了其潜在的收获前后用途外，H₂还在探索作为车辆燃料来源，这可能会减少运输易腐货物时的排放和与燃料消耗相关的成本。很明显，H₂对植物和食品产品有许多积极影响，只要考虑到H₂的安全性，其使用对人类健康来说是安全的。

3.2 H₂与采后作物的保存

如上所述，H₂可以作为富氢水（HRW）使用，已被广泛应用（表3）。H₂最令人兴奋的潜在用途之一是在采后植物材料的储存中，如水果和蔬菜。

表3. 采后作物和食品产品中氢气应用的效果示例。

Hu等人（2014）研究了HRW对延长猕猴桃保质期及其潜在机制的影响。他们的研究表明，用80% HRW（0.6 mM）预处理可以有效减少腐烂发生率并抑制采后猕猴桃的呼吸强度。具体来说，80% HRW处理通过缓解果胶溶解和抑制纤维素酶、多聚半乳糖醛酸酶和果胶甲酯酶活性，延迟了猕猴桃硬度的下降。此外，HRW处理通过增加SOD活性和自由基清除活性，减少了脂质过氧化。因此，结果表明HRW处理可以通过调节抗氧化防御来延迟果实在储存过程中的成熟和衰老。Dong等人（2022）进行的一项综合研究发现，HRW的应用（20%，60%，100%；分别为0.12 mM、0.36 mM和0.6 mM）影响了R. sterilis果实品质的保持。HRW处理显著延迟了总酸度（TA）、总可溶性固体（TSS）和果实硬度的下降。此外，H₂应用有效推迟了腐烂的开始、重量损失、呼吸率增加和丙二醛（MDA）积累的增加。还有，抗氧化系统相关酶的活性和表达也同时增加。进一步分析还表明，处理过的果实中腺苷二磷酸（ADP）和三磷酸腺苷（ATP）水平升高。这些发现表明，HRW处理调节了室温储存期间的抗氧化能力和能量状态，并为R. sterilis果实的保存策略带来了巨大希望。Dong B.等人（2023）进行了进一步研究，探索了不同浓度HRW（0, 0.2, 0.4和0.8 mM）在低温（4°C）下对鲜切Gastrodia elata质量保持的影响。结果显示，HRW应用有效抑制了重量损失和呼吸率增加的下降。HRW还减缓了总酸度和可溶性固体在储存期间的减少。此外，HRW处理最小化了O2•-和H2O2的产生，增加了各种抗氧化相关酶的活性和表达。HRW还提高了非酶类抗氧化物质如抗坏血酸和谷胱甘肽（GSH）的水平。同时观察到过氧化物酶和多酚氧化酶的活性和表达减少。此外，HRW处理阻碍了ADP和ATP含量及能量状态的下降，并减缓了H+-ATPase、琥珀酸脱氢酶、Ca2+-ATPase和细胞色素氧化酶活性的减少，证明了HRW处理可以保持鲜切G. elata的采后质量。

4. 氢气在食品加工和包装中的应用

随着消费者对合成食品添加剂健康风险的认识不断提高，食品加工商被激励去寻找有效的“绿色”或“天然”创新替代品。氢气具有许多特定的物理、化学和生物特性。除了生物学活性外，其小尺寸、高扩散性和化学中性为许多潜在的食品工业应用打开了大门。近年来，已进行多项研究以探索氢气对食品产品的质量和安全性以及保质期的影响。

4.1 氢气与食品干燥

在食品干燥中，除了CO2和N2气体之外，将氢气加入干燥气氛中，即所谓的还原气氛干燥（RAD），对许多水果包括苹果和杏子的营养和感官特性表现出保护作用。上述报道显示，使用含氢气的气氛干燥水果可以获得颜色值（暗亮度(L*)、绿红色(a*)、蓝黄色(b*)和总颜色变化(∆E)）最接近新鲜样品的干燥产品，与冷冻、热空气和真空干燥方法相比。此外，RAD干燥的水果在抗氧化活性（DPPH和ABTS）以及总酚和黄酮含量方面最高。

4.2 氢气与食品包装

有限的研究集中在直接通过熏蒸方法利用纯氢气（H₂）作为采后处理。然而，Jiang等人（2021）研究了用氢气进行熏蒸处理的中国韭菜的采后处理，并证明了其在冷藏储存期间有效调节新鲜产品质量的潜力。他们的发现显示，腐烂发生率、失重比率、可溶性蛋白质含量、ROS产生量显著减少，总酚、黄酮和维生素C含量下降减缓。这些积极结果归因于超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性上调。

在食品包装中，除了CO₂和N₂之外，将H₂加入包装气氛中（RAP）保护了草莓、奶酪和鱼类等不同食品的质量属性。

Alwazeer和Özkan（2022）进行的研究中，由于草莓易腐且保质期短，成为了研究对象。草莓在两种还原气氛[RAP1 (5% CO₂, 4% H₂, 91% N₂)和RAP2 (10% CO₂, 4% H₂, 86% N₂)]，两种改良气氛[MAP1 (5% CO₂, 95% N₂)和MAP2 (10% CO₂, 90% N₂)]以及对照组（空气）下包装，之后在4°C下储存12周。储存期结束时，RAPs在总可溶性固体（TSS）、硬度、亮度值（L*）和红绿色度（a*），以及酚类和花青素含量和抗氧化活性方面表现出优越的属性，超过了MAP和对照组的表现。RAP2在保持新鲜度指数方面比RAP1更为有效，而MAP2则优于MAP1，RAP2是最有效的保存特性。

Bulut等人（2023）的研究还探讨了使用氢气增强动物衍生产品保存的方法。测试了不同含氢气体组合以延长冷藏彩虹鳟鱼的保质期。对照组和四种不同的处理样本被采用：对照组（空气）、MAP1 (50% CO₂/50% N₂)、MAP2 (60% CO₂/40% N₂)、RAP1 (50% CO₂/46% N₂/4% H₂)和RAP2 (60% CO₂/36% N₂/4% H₂)。在对照组中，脂质氧化水平在第5天超出了可接受范围，与在整个储存期间始终处于可接受范围内的处理样本形成对比。同样，对照组在第7天突破了TVB-N的可接受极限，而含H₂的处理组保持水平低于可接受极限。对照组的微生物计数显示出逐渐增加的趋势，表明质量恶化，而在改良气氛下的样本变化有限。处理样本中的微生物水平在第10天之前保持在可接受极限以下，而对照组样本在第3天的储存期内就超出了极限。

Alwazeer等人（2020）进行了一项研究，调查了含有H₂的气态混合物用于包装新鲜奶酪样品的利用。奶酪样品在不同条件下包装[RAP 1 (90% CO₂/6% N₂/4% H₂)，RAP 2 (50% CO₂/46% N₂/4% H₂)]，改良气氛包装（MAP）[MAP 1 (90% CO₂/10% N₂)，MAP 2 (50% CO₂/50% N₂)，以及未包装的对照组，所有样品均未使用任何防腐剂。随后，样品在+4°C下储存7周。RAP一组的颜色和滴定酸度值最接近新鲜样品。总嗜温好氧细菌水平各异，对照组样品最高，RAP一组样品最低。随着时间的推移，所有样本组的酵母霉菌计数增加，但RAP组始终表现出最低水平。这些发现表明，无论是在熏蒸过程中引入H₂还是在改良气氛中引入H₂，都对农食品工业具有潜力，如观察到的积极结果所示。

4.3 氢气与食品安全

在食品安全方面，含氢气氛为产品提供了额外的好处，其中H₂对产品中生物胺（BAs）的形成表现出限制作用，包括鱼类、黄油、绞碎的肉和红色甜菜根泡菜。另一个被检查的安全问题是重金属的存在。在制备黄油时，使用HRW在培养的生黄油的洗涤步骤中导致产品中重金属含量减少。另一方面，H₂对减少产品中重金属含量的积极影响也在动物研究中得到了展示。

5 氢气在农业食品废弃物增值中的应用

由于消费者对合成食品添加剂的负面看法，食品加工商开始寻求“绿色”或“天然”替代品。尽管这些天然选择在技术和经济效率方面往往不如合成添加剂，但它们仍然受到优先考虑健康和可持续性的消费者的欢迎。此外，全球变暖和气候变化的影响进一步推动了对可持续实践的需求。这种环境变化促进了对被低估的农业食品废物的增值，减少了作物生产，最终提高了作物价格。因此，食品行业越来越有动力寻找符合消费者偏好和环境可持续性的创新解决方案。为了满足消费者，食品加工商正在尝试找到一种经济的“天然”成分来源，用于食品工业中的添加剂。重要的是，农业食品废物因其低廉的价格和高可用性而成为“天然”添加剂最有吸引力的来源。

需要提取过程来从植物材料中分离植物化学物质。尽管开发了许多提取方法，但由于其低成本和基础设施需求低，传统的浸渍法仍然被广泛使用。Alwazeer的团队最近通过修改传统的浸渍法，开发了一种氢气提取方法。氢气提取方法依赖于在将植物材料浸泡之前（或期间）将氢气注入溶剂中。这种方法在不同的农业食品废物上进行了检验，显示出令人鼓舞的结果。当使用富含氢气的溶剂而不是纯溶剂时，一些植物化学物质如酚类化合物、黄酮类、花青素和其他抗氧化剂的提取得到了增强。对于不同的溶剂，包括水、乙醇、甲醇和正己烷，植物化学物质的提取产量得到了改善。氢气提取方法的安全安装可以在实验室或工厂规模进行。

当HRW用作溶剂提取不同农业食品废物和副产品的植物化学物质时，某些黄酮类和非黄酮类的含量增加了数倍，包括番茄皮、苹果皮、柠檬皮、卷心菜和胡萝卜。当测试两种类型的HRW时，即氢气冒泡（H₂水）和镁水反应（Mg水），橄榄叶等副产品也获得了类似的结果。还评估了富氢溶剂（水、乙醇、甲醇）用于提取红甜菜根中的植物化学物质。此外，还将氢气掺入极性和非极性溶剂中，用于从脂肪副产品（即橄榄油渣油）中提取植物化学物质。结果显示，将氢气掺入甲醇和正己烷中可提高许多植物化学物质的提取效果，包括酚类化合物、黄酮类和抗氧化剂。同样，富氢溶剂提取方法也被评估用于从另一种副产品（即蜂胶）中提取生物活性化合物。将氢气掺入水、甲醇和乙醇中可以获得更高的酚类化合物、黄酮类、花青素和抗氧化剂。富氢溶剂提取方法还被研究用于比较其从农业食品废物（即柠檬皮）中提取植物化学物质的效率与温度效应。作者报告说，将氢气掺入溶剂（水、乙醇和甲醇）显示出在25°C和35°C下，富氢甲醇中的酚类和黄酮类含量最高，且在35°C下富氢甲醇中的植物化学物质提取量最高。研究得出结论，将氢气掺入溶剂比将温度从25°C提高到35°C更有效地提取植物化学物质。

这种新颖的氢富集溶剂提取方法与广泛使用的新兴方法（即超临界流体提取）进行了比较。在这里，氢提取方法对于从所有研究的农业食品废物中提取所有植物化学物质更有效，例如番茄皮、绿苹果皮、柠檬皮、橙色胡萝卜和红甘蓝。氢提取方法也能比超临界流体提取更好地提取酚酸和黄酮类化合物。最近发表的一篇综述讨论了氢富集溶剂这种强效提取能力背后可能的机制。Ryu等人（2019年）检查了氢提取方法在从绿茶叶中提取酚类物质方面的优越性，与其他气体相比，包括N2、CO2和空气。他们发现，通过扫描电子显微镜检查，经过H₂处理的绿茶叶片表面在柔软性和灵活性方面发生了物理和形态上的改变。氢提取方法被描述为简单、低成本、需要较少的额外设备和低能耗、无毒且可持续。

6 氢气作用的可能机制

氢气对各种生物系统（包括动物和植物）的影响促使研究人员调查其潜在效果和内在机制。尽管氢气处理在植物中有许多效果，但氢气作用于植物细胞的确切分子机制尚未有令人信服的报告（表4）。尽管没有实验数据支持，但已经提出了几种氢气在细胞中的作用机制，包括作为氧化还原对或直接与蛋白质中的疏水口袋相互作用，这在最近进行了综述。

表4. 氢气在植物细胞中作用的拟议机制。

6.1 Fe-卟啉介导的羟基自由基清除

氢气在细胞中有几种潜在的作用模式。Ohsawa等人在2007年的论文中显示，氢气可以从溶液中去除•OH，但对一些其他反应性信号分子如H₂O₂或NO•没有影响。由于•OH可以作为细胞信号，这可能解释了氢气的一些效果。实际上，许多报告已经发表，显示在氢气处理期间细胞的抗氧化能力增加，例如在盐胁迫和氮缺乏期间。

正如所述，Ohsawa等人在2007年发表的一篇开创性论文之一，尽管是在动物细胞中。随后的论文强调了血红素在这一过程中去除羟基自由基的作用。例如，Kim等人（2022）提出了一种机制，其中氢气与血红素反应，其结果产物介导•OH的清除。最近，一篇论文提出了类似的机制。在这里，作者确定Fe-卟啉是氢气的一个靶点，并且自由或蛋白质结合状态的Fe-卟啉可以使用氢气来清除羟基自由基。这是一个非常重要的结果，因为它可以解释氢气的许多下游效应。例如，这样的机制可以导致转录因子核因子红细胞2相关因子2（Nrf2）的激活，如Ohta（2023）所建议的，Nrf2已知参与氧化应激反应，并涉及一个基本的亮氨酸拉链（bZIP）转录因子。同样重要的是Jin等人（2023）的论文，它显示氢气与卟啉的相互作用可以导致CO₂转化为CO，因此，他们建议氢气在CO信号传导中处于上游。这也是有趣的，因为已知与CO代谢相关的酶，即血红素氧合酶，是氢气效应的目标。

尽管发现了氢气与Fe-卟啉分子之间的相互作用，但为了解释所有生物体中报告的所有氢气反应，很可能还有其他机制也在起作用。例如，当考虑到•OH的产生位置和氢气从细胞外部扩散时——通常外源性应用——Fe-卟啉介导的清除作用不太可能解释所有观察到的效果。因此，氢气的其他作用机制，如Fe-卟啉介导的CO产生或其他非Fe-卟啉机制，很可能是同时发生的。

6.2 H₂调节血红素加氧酶的作用

一种被提出的机制是，氢气调节血红素加氧酶的作用，特别是HO-1（例如Shen等人，2017）。这将涉及通过CO介导效应，另一种已知具有细胞效应的气体。然而，氢气如何直接影响HO-1的活性尚不清楚。与ROS和RNS不同，氢气不太可能像氧化（通过ROS）和S-亚硝化（通过RNS）那样通过共价修饰蛋白质来控制任何蛋白质，而不仅仅是HO-1。由于氢气直接修饰蛋白质的可能性不大，这进一步凸显了Fe-卟啉分子作为氢气目标的吸引力，因为这种相互作用确实会导致CO的产生。

6.3 H₂通过其氧化还原作用

某些蛋白质的功能依赖于其辅基，这些机制通常依赖于这些非蛋白基团的氧化还原状态的变化。典型的例子是血红蛋白、细胞色素等的血红素辅基。氢气本身可以进行氧化还原反应，据报道，这种作用可以改变细菌细胞色素中铁的血红素基团的氧化还原状态，例如细胞色素c3。尽管其他人排除了这种氧化还原活动作为氢气作用的解释，但没有研究所有可能的氧化还原相互作用，特别是在植物中。因此，现在完全排除这种可能性还为时过早。

6.4 氢电子的分子自旋效应

一种提议的但未经证实的机制是氢气在生物系统中的不同自旋状态的影响（图5）。

图5. 电子分子自旋的示意图（H₂）。

氢气有可能改变其他分子特别是自由基的电子配置。热极化有利于三重态（正交）状态，在室温下约75%的H₂分子处于这种状态。正交自旋产生微弱的逆磁性力，使其不太可能通过过渡金属还原直接影响ROS的形成。

氢气的单重态可能不会直接形成自由基对，但可能通过与金属蛋白的相互作用具有活性氧化还原潜力。当正向电子转移被抑制时（例如线粒体的复合体1），就会发生自由基对形成，这有助于ROS的形成。例如，一个带有单重自旋的黄素-超氧化物对形成F + H₂O₂，而三重态则解离成自由基FH•和O₂•-。如果H₂与蛋白质中的过渡金属成分相互作用，如Hancock和Hancock（2018）、Kim等人（2022）、Jin等人（2023）以及Ohta（2023）所建议的那样，且电子处于反平行配置，那么金属基团可能会更容易通过降低自由H₂的解离能量（∼4.64 eV–∼2.35 eV）来催化自由基的还原。从逻辑上讲，H₂自由基可以与自由基氧化剂如O₂•-和•OH反应，降低细胞的促氧化状态，但也可能影响包括NO•在内的生物学上重要的自由基。因此，尽管较少见，但H₂的顺（单重）状态可能在较冷的土壤温度中发挥重要作用。然而，如前所述，这将受到感知自由基和H₂的空间和时间可用性的调节。

由于弱逆磁性力的存在，H₂的三重态可能会通过稳定蛋白质结构（蛋白质口袋理论）来影响细胞活动，如细胞信号传导、基因调控和代谢。H₂可能通过影响蛋白质磷酸化来介导信号传导，这取决于蛋白质的时间配置。假设虽然单重态分子可以影响氧化还原平衡，三重态可能支持蛋白质功能，但目前没有证据支持这一点，唯一基于证据的H₂靶标仍然是Fe-卟啉靶标。

6.5 H₂与蛋白质口袋的相互作用

无论H₂采用哪种机制带来生物效应，它们都必须解释几个现象。H₂需要能够从其给药位置（治疗）移动到作用部位。它需要启动的反应可能远远大于细胞感知到的H₂浓度，并且反应必须持续长于溶液中H₂气体的可能稳定性。因此，有一个清除机制，其中去除•OH似乎不太可能是H₂作用的唯一方式。尽管羟基自由基在植物中有信号传导作用，但它可能远不如其他ROS或RNS那样重要，许多ROS或RNS在信号传导方面似乎有更大的意义，例如NO•和H₂O₂，而这两者都没有报道受到H₂的影响。

一种可能的机制可以解释向生物系统添加H₂后看到的许多现象，即如果H₂直接与蛋白质相互作用。例如，在球蛋白家族的蛋白质中，已知惰性气体可以与蛋白质结构内的空腔相互作用。甚至已经显示这些气态原子能够通过空腔结构迁移进入蛋白质。其他惰性气体，如氩，也已知具有生物学效应。因此，认为一个小的相对惰性分子如H₂也能参与与蛋白质的这种相互作用并不奇怪。最近，还提出这样的机制可能解释在ROS和RNS存在下看到的一些效应。因此，这可能是控制蛋白质功能的比之前认为更广泛的机制。H₂在这里的参与将非常有意义，并解释了H₂如何具有如此广泛的作用，可以在生物体内四处移动，并在任何治疗后长时间产生影响。

氢气作用的机制还需要解释植物在许多发育阶段（从种子到花再到果实）以及一系列应激反应（从盐胁迫、重金属耐受性到干旱耐受性）中看到的众多效应。因此，几乎可以肯定H₂参与的路径不止一条。这使得其阐明更具挑战性，但可以解释看到的一系列效应，从对植物有利到能够在人类中具有治疗效果。

7 氢气利用在作物和食品生产中的监管、毒性和安全性

7.1 H₂使用的监管

欧洲委员会已批准氢气作为食品添加剂用于食品和饮料中，对于婴儿和幼儿的最大使用量为量子满足级别E949代码。尽管H₂的效果是安全的，但当使用产氢成分时可能会有不利（或有益）影响，而一些副产品可能是有害的。例如，金属矿物可能会使水的pH值升高过多或对植物造成渗透压胁迫。某些成分，如铝和其他金属氢化物，可能会造成损害。此外，将纯H₂气体注入水中会驱散水中的溶解氧气。去除O₂气体在某些食品保存和包装中有助于减少氧化；然而，其在农业用水中的减少可能对植物有害，这可能解释了较高浓度下H₂的某些效益降低的原因。

7.2 H₂的毒性

作为气体（因此，延伸为HRW）应用的H₂似乎对生物材料本质上无毒且安全，正如其作为潜水员高压气体使用约80年所证明的那样。没有报告过H₂处理对人类的不良影响，只要氧气存在，即使超高压高浓度人体也是可耐受的，例如使用氧氢混合气。然而，高浓度的H₂可能对植物生长有负面影响。地质学家记录了巴西、纳米比亚和澳大利亚泄漏氢气的土地奇怪地缺乏植被。此外，几项研究发现高浓度的H₂在某些植物中显示出较少的益处，这可能归因于不同植物对H₂的不同敏感性。因此，在农业应用中应考虑H₂的剂量。

7.3 H₂使用的安全性

由于氢气的易燃性和潜在的爆炸反应（即空气中4%–75%和18.3%–59%体积），适当的处理预防措施和程序是必不可少的。例如，氢气必须储存在适当的气瓶中，这些气瓶应放置在通风良好的区域，远离热源、点火源和直射阳光。

鉴于H₂比空气轻，确保适当的气流通风以防止其积聚是必要的，这可能导致潜在的爆炸条件。使用H₂的设备、配件和连接应配备能够提供故障和潜在泄漏早期警告的探测器和监视器。压力调节器和流量计也是必需的，因为它们可以检测突然的压力变化并帮助防止与H₂相关设备故障相关的事故。确保与氢气一起工作的个人接受安全处理、储存和紧急程序的全面培训也很重要。例如，工人应熟悉疏散协议以及如何安全处理火灾。定期演练和持续教育最新的安全标准和技术可以进一步提高工作场所的安全。正确的维护和遵守安全指南将确保氢气可以在食品生产和加工环境中有效且安全地使用。

8 基于氢气的农业和经济前景的现状、成本、挑战及未来展望

8.1 H₂的当前状况

到目前为止讨论的观察和研究表明，H₂是解决农业可持续性挑战的一个有希望的解决方案。随着全球农业部门面临土壤退化、水资源短缺和化学投入导致的环境恶化等问题，采用基于H₂的策略提供了积极变革的有希望的途径。例如，通过利用H₂施肥技术，促进植物促生根际细菌的增殖并提高养分吸收效率，农民可以减少对化学肥料的依赖，同时保持或提高作物产量和质量。此外，整合HRW灌溉系统有望通过增加作物、蔬菜和果实中有益植物化学物质的含量来提高营养食品质量，同时减少重金属积累等其他好处。

8.2 氢气在农业中大规模应用的实例

氢气在农业中的应用最近已开始以经济规模进行。例如，在中国，基于氢气的灌溉田间试验正在逐步进行。空气液公司和南京农业大学建立了草莓和番茄的氢气农业基地。据报道，通过基于氢气的灌溉，番茄产量分别在无肥料和有肥料的情况下增加了约39%和28%。草莓的风味和番茄的营养质量也得到了改善。经过氢气灌溉的草莓售价高达每公斤42美元，而常规草莓的价格为每公斤8-11美元。同样地，氢气灌溉后的中国白菜产量增加了32.7%。此外，在上海青浦区（9.67公顷，2022年产量增加18.8%）和松江区（5.33公顷，2023年产量增加6.9%）的示范田中，氢气灌溉的水稻取得了良好的收成，这被媒体广泛报道。根据这些结果，松江区采用氢气灌溉的水稻种植面积将在2024年扩大到26.67公顷。至于大规模推广基于氢气的水稻、水果和蔬菜灌溉，成本是主要瓶颈。目前，由于设备和运输的原因，向0.067公顷注入足够的氢气的成本至少为5.5美元。由于基于氢气灌溉在提高农产品附加值方面的前景令人鼓舞，政府、企业和科研机构可能会联合起来克服困难，推动可持续农业发展。

8.3 氢气使用的成本

随着氢气能源产业的迅速发展，氢气生产的成本正在显著下降。目前，超过95%的商业生产的氢气依赖于化石燃料，在美国、欧洲和中国的价格为每公斤氢气1-2美元，而通过水电解产生的绿色氢气的成本为每公斤氢气5-10美元。预计随着风能和光伏技术的规模扩大，到2050年电解氢气生产的成本将减少30%-80%，使其接近于从化石燃料生产氢气的成本。考虑到氢气的有限消耗量，氢气基食品/作物生产的主要成本取决于设备和劳动力费用。因此，氢气补充在农业和食品工业中的技术既经济可行又实际可行。

8.4 氢气使用的挑战

尽管基于氢气的农业解决方案具有令人鼓舞的好处，但需要解决几个挑战以确保其广泛应用和有效性。这些挑战包括技术准备就绪性、可扩展性和监管框架，这些框架管理着新型农业投入品的使用。如前所述，H₂是一种气态分子，不会无限期地保持在溶液中；因此，需要开发现场使用的氢气灌溉设备以确保氢气输送。这样的装置在市场上并不常见，因此需要特别针对大规模应用进行工程设计。虽然我们不知道任何关于农业用氢气的政府限制，但不同国家可能有不同的批准要求。

8.5 氢气在农业和食品工业中的未来前景

大规模农民实施基于氢气技术的准备程度尚不清楚，因为仍有许多问题需要解决。目前还不清楚最有效的方法是什么，是否应该在每个过程中都应用H₂，以及每种可能的应用和步骤单独及组合的确切成本效益分析是什么。然而，这并没有阻止一些团体在方便时实施氢气技术。作者了解到亚洲、欧盟和美国的一些较小农业销售点以及全球各地的个人花园/农场已经在农业中采用了H₂。在这一点上，从已发表的研究中可以清楚地看出，使用氢气不会损害或减少作物产量，也不会产生其他负面影响。因此，这些早期采用者很可能只会体验到潜在的益处，随着时间的推移，这应该解决成本效益分析的问题，最终为更大的公司确定基于氢气的农业的可行性铺平道路。这将使利益相关者和工程师能够识别实施的关键障碍并制定克服挑战的策略，以释放氢气在促进农业可持续性方面的全部潜力。

9 结论

总之，氢气作为一种“绿色”解决方案的多方面潜力远远超出了满足能源需求的范围。面对气候变化、传染病流行病和人口增长等全球挑战，迫切需要可持续的解决方案。H₂在健康、农业和食品工业中的多样化应用使其成为应对当今重大挑战的独特适合的方法，促进了丰富的作物生产和对农食品链的积极影响。氢气作为绿色替代肥料的作用通过其促进植物生长、增强养分吸收和减少对化学肥料依赖的能力得到了强调。尽管已经讨论了在农业中使用H₂，但在文献中没有关于其在更广泛的食品工业中潜在应用的报告。

在灌溉中应用富含氢气的水可以通过减轻作物中重金属积累来提供与健康相关的好处。在食品工业中，采用基于氢气的策略可能在保持营养和感官特性、减少重金属含量、限制生物胺形成、提高微生物安全性和延长产品保质期方面发挥关键作用。在一个可持续发展框架内拥抱氢气可以确保生产安全、高质量的产品，促进从田间到餐叉的整体方法。虽然考虑实施基于氢气的解决方案的挑战和成本很重要，但潜在的好处是显著的。进一步的研究和开发也是必要的，以根据每种作物/产品的规格优化氢气应用方法，并确保它们对农民和食品生产商来说经济可行且广泛可及。