氢气在食品、健康及农业领域的影响：最新综述

本综述构建了氢气（H₂）在食品农业相关系统与健康领域的整合框架，旨在通过实现环境可持续性，推动生产力提升与乡村发展。医疗健康领域的改善，尤其是涉及氢气或富氢水（HRW）的疗法，正成为该领域的核心议题，相关研究数量持续增长。氢气在提高作物产量、修复植物与土壤中重金属污染，以及在作物采后成熟与衰老过程中的应用，正帮助农业领域的当地农户及主要利益相关者减少采后损失、提高收入。采前与采后应用氢气的两大优势在于减少微生物腐败与延缓自然衰老，这些因素有助于延长水果、蔬菜、谷物及畜产品的货架期。若能合理利用，氢气在未来有望成为传统化学肥料的环保替代品。

当前，全球面临气候变化、人口增长、健康流行病及化石燃料过度使用等多重挑战，对粮食安全的关注推动了针对食品生产、流通及能源利用的更可持续环境、社会与技术解决方案的创新研究。然而，全球能源系统在采用氢气方面仍存在障碍。尽管将绿色氢经济作为缓解气候变化问题的手段正逐渐受到关注，但在当前地缘政治格局下，非洲大陆在这一领域的发展仍相对滞后。无论是工业化国家还是发展中国家，由于缺乏完善的战略与经济规划，氢气的大规模应用尚未完全实现。

The impact of molecular hydrogen in food, health and agriculture: An updated review

1 引言

两个氢原子结合形成的氢气（H₂），是一种结构简单的无色无味气体。目前，它已成为众多科学领域的研究热点，涵盖能源研究、太空探索、气候变化、地质学、微生物学、生物医学、农业及食品技术等[1]。氢气具有抗炎、抗凋亡及抗氧化等独特生理特性，吸引了来自不同学术领域的大量研究者关注[2]。在中国、日本、美国、欧洲等国家和地区，食品行业已将氢气用作还原剂，以维持食品的原始品质[3]。然而，氢气的其他特性（如高扩散性、优异的导热性及出色的散热能力）尚未得到足够重视。此外，凭借上述独特特性，氢气能够直接干预细胞氧化还原反应，提升活细胞的抗氧化能力[4]。

易腐作物、水果及蔬菜在采后储存与流通过程中会面临严重的品质损耗[5]。有报告显示，全球每年损失的食品总量超过13亿吨，其中约40%的损失源于水果和蔬菜的腐败变质[6]。新鲜食品因生理变化迅速、易受微生物污染且易腐烂，其保鲜难度较大[7]。

目前，多种采后保鲜技术已进入研究阶段或实际应用阶段，包括化学处理、臭氧处理、可控环境保鲜，以及抗菌包装、涂层[8]、蜡质等新型包装材料[9]。此外，研究人员还在探索其他解决采后损失的方法，如高压处理、冷等离子体等非热加工技术[10]。在众多食品品质保持技术中，氢气的应用重要性日益凸显[11]。与其他技术不同，氢气提供了一种非热、非化学的保鲜方式，可作为添加剂、用于气调包装或脱水过程。该方法无需依赖其他技术中的严苛条件或化学添加剂，既能延长食品货架期，又能保持食品品质。

粮食安全是当今社会面临的重大挑战之一。未来的工作重点必须包括开发能提高食品与作物产量及储存能力的可持续技术[12]。此前已有研究提出，氢气可作为化学农业系统的可持续替代品[13]。通过评估氢气在食品领域的应用，食品科学家能够明确其在改善食品保鲜效果、延长产品寿命，以及确保食品在处理与包装全过程安全性方面的作用[14]。在食品包装领域，氢气的应用形式多样，包括气调包装（MAP）、氢辅助冷冻及含氢包装薄膜等[15]。尽管已有大量研究探讨氢气在农业与健康领域的潜在应用，但关于其在食品产品及食品技术中应用的研究仍较为有限[16]。

本文深入分析了各领域关键利益相关者必须解决的核心问题，旨在降低生产成本、缓解气候变化、促进全民健康，并保障粮食安全与可持续性，同时补充了此前关于氢气在食品、农业及健康系统中应用的研究成果。通过明确探讨氢气在医疗健康、农业等新兴领域的应用，以及强调将这一宝贵气体作为化石燃料替代品过程中面临的挑战与化石燃料本身存在的问题，本文提供了新的研究视角。本研究的创新之处在于，将氢气视为解决当前食品、农业及健康领域问题的综合性长期方案进行探讨。

氢气是化学物质中结构最简单的一种，为无色、无味、无臭且具有可燃性的气体。氢原子的原子核由一个带单位正电荷的质子和一个带单位负电荷的电子构成[17]。在正常条件下，氢气由两个原子组成，属于双原子分子。氢气最广为人知的重要化学特性是与氧气燃烧生成水（H₂O）；事实上，“氢”（hydrogen）一词源自希腊语，意为“水的生成者”[18]。

作为宇宙中含量第二丰富的元素（氦）的三倍，氢气在地球地壳中的含量仅为0.14%。尽管如此，它仍以成分形式大量存在于湖泊、河流、冰原、海洋的水体及大气中[19]。氢气是几乎所有有机化合物的重要组成部分，广泛存在于动植物组织中，同时也是石油的基础构成成分。尽管普遍观点认为碳是已知化合物种类最多的元素，但由于氢作为一种元素几乎存在于所有碳化合物中，且能与除部分稀有气体外的所有其他元素形成多种化合物，因此氢化合物的种类可能多于碳化合物[20]。

氢气的熔点与沸点极低，这一特性源于分子间较弱的吸引力。在室温下，当氢气从高压膨胀至低压时，其温度会升高，而大多数其他气体的温度会降低，这一现象进一步证明了氢气分子间弱相互作用力的存在。根据热力学原理，这表明在常温下，氢分子间的排斥作用强于吸引力；否则，膨胀过程会导致氢气温度降低。实际上，在-68.6°C时，氢气分子间的吸引力更强，因此当温度低于该值时，氢气膨胀会伴随降温[21]。

在温度低于液氮温度（-196°C）的环境下，氢气的冷却效应极强，可用于提高其液化温度[22]。氢气对可见光、红外线及波长小于1800埃（Å）的紫外线均具有透明性。由于分子质量较小，在相同温度下，氢分子的运动速度高于其他任何气体分子，扩散速度也更快。因此，氢气的导热性在所有气体中最高，其动能传递速度也更快[23]。

氢气主要分为两种类型：正氢（ortho-hydrogen）与仲氢（para-hydrogen）。由于质子自旋运动的差异，二者具有不同的磁相互作用。正氢中两个质子的自旋方向平行（即指向相同），而仲氢中两个质子的自旋方向相反（即反平行）。原子的磁特性由其自旋方向的关系决定[24]。正氢与仲氢是氢气的两种不同存在形式，通常情况下不会发生相互转化（即正氢分子与仲氢分子之间不会转换），但在某些特定条件下，二者可能出现相互转化[25]。目前已有多种方法可实现两种形式间的平衡[8]，例如添加催化剂（如活性炭或其他顺磁性材料），或通过电击气体、将气体加热至高温等方式[26]。

已有研究探讨了顺磁性与氢气效应之间的关系，重点关注仲氢转化及顺磁性材料对化学反应与氢储存的影响，试图以此解释氢气处理后观察到的细胞功能变化[27,28]。氢气是一种无味无臭的气体，已被证实具有选择性抗氧化、抗炎及抗凋亡特性（图1）。其分子体积小且呈非极性结构，使其能够快速扩散穿过细胞膜并进入细胞器[29]。近期研究表明，氢气产生生物效应的化学机制是中和特定自由基，这一过程可通过氢气易运输、易渗透、抗炎、抗凋亡及选择性抗氧化的特性来解释[30]。有研究指出，氢气对细胞具有保护作用，其机制为选择性清除所有活性氧（ROS）中毒性最强的羟自由基，同时避免与其他具有生理功能的活性氧发生反应[31]。

此外，研究表明，氢气（H₂）可调节信号传递，并优先清除羟基自由基（OH⁻）和过氧亚硝基阴离子（ONOO⁻），从而防止DNA损伤[32]。不仅如此，氢气还具有疏水性、电中性、体积小、质量轻、脂溶性强等独特理化特性，这些特性使其能快速穿透细胞膜、血脑屏障、胎盘等生物膜，进入线粒体、细胞核等亚细胞结构[33]。氢气作为一种还原剂，已被证实可通过将重金属还原为毒性较低的形态（如将六价铬（Cr⁶⁺）还原为三价铬（Cr³⁺）），或通过抵御重金属引发的氧化应激，助力重金属解毒[34]。

氢气可用于石油精炼、甲醇及氨的制备等工艺。储氢技术是推动燃料电池动力系统在交通运输领域应用的关键。无论是移动便携设备，还是整个氢运输网络，都需要经济高效、节能的车载储氢方案。发电厂、制氢设施及加氢站均需具备储氢能力，而氢的储存形态包括固态、液态与气态[35]。其中，气态氢可储存于大型储罐、洞穴及枯竭的天然气层中；液态氢（LH₂）则需在-253°C的超绝热真空储罐中储存[10]；固态储氢则需借助金属氢化物实现[36]（图2）。由于氢具有气态属性且质量轻，其储存面临诸多挑战。氢的实际储存问题，或许是氢经济大规模发展的最大障碍。

目前氢的储存方式分为物理储存与化学储存两大类，每种方式均有其优缺点。乌斯曼（Usman）[37]提出了七种氢储存方式，具体包括压缩储氢、液化储氢、低温压缩储氢、物理吸附储氢、金属氢化物储氢、复合氢化物储氢及液态有机氢化物储氢[38]。气态氢液化过程需消耗氢总能量的约30%，除这一能量损耗外，储氢罐还需使用成本极高的特殊材料[39]。因此，优化液化工艺与储罐安全性，是发展可再生氢经济必须考虑的问题[40]。

对于氢基发电厂等固定应用场景，钢瓶压缩储氢是最实用的储存方案[39]，该技术已发展成熟。随着先进气瓶技术的研发，钢瓶压缩储氢在车载储氢领域也展现出应用潜力。在未来的氢经济中，混合压缩储氢系统有望发挥重要作用[41]。MgH₂等金属氢化物与LiBH₄等复合金属氢化物已显现出储氢潜力，但仍需进一步研究以改善其动力学与热力学性能[42]。

在液态有机氢化物载体（LOHCs）中，甲基环己烷/甲苯体系（MTH体系）的研究较为深入。由于甲基环己烷与甲苯具有类似汽油的特性，只需对现有汽油运输基础设施进行必要改造即可适配，因此该体系暂被推荐用于车载储氢[43]。此外，全氢化苄基甲苯与全氢化二苄基甲苯混合氢化物体系，也被建议用于固定场景的储氢[44]。与传统化石燃料发电相比，氢经济的主要技术短板便在于氢的储存。

乳杆菌属、双歧杆菌属、梭菌属、拟杆菌属等细菌，可利用小肠无法消化的部分药物与食物生成氢气，并将其输送至结肠[45]。有研究表明，口服阿卡波糖、变性淀粉、牛奶、姜黄素及乳果糖，可辅助人体生成氢气[46]。研究人员还发现，可溶性膳食纤维、乳糖、山梨糖醇、甘露醇、棉子糖及壳聚糖等食品成分，也可在结肠内通过细菌作用产生氢气[47]。肠道细菌大量生成的氢气，大部分会通过肠黏膜被吸收进入血液，进而输送至其他器官，另有部分会被甲烷菌等其他细菌利用[48]。

一项针对氢气对食品、饮品及水抗氧化活性影响的研究显示，食品工业将氢气用作保护气体，可清除高活性、高毒性的羟基自由基（OH⁻）与过氧亚硝基阴离子（ONOO⁻），且不影响具有生理功能的活性氧（ROS），从而实现防氧化、延长产品货架期的效果[49]。

因此，水的氢气饱和处理可通过降低其氧化还原电位（ORP）改变水的特性。这一过程能中和有害自由基，使溶液具有更强的“还原性”（呈现负ORP值），可用于防止果汁等其他水溶液的氧化，在保持产品品质的同时，或许还能带来健康益处[50]。日本一项针对功能性水（尤其是还原水）的研究发现，天然还原水与电化学还原水均可清除培养细胞中的活性氧[51]。研究指出，饮用还原水有助于改善健康状况，预防糖尿病、癌症、动脉硬化、神经系统疾病及血液透析副作用等与氧化应激相关的病症[51]。

氢气可构建新型氧化还原调节机制，诱导抗氧化酶基因表达[52]。金属纳米颗粒的催化作用可将氢气转化为活性氢，使其还原性更强[53]。还原液还能改善食品的风味、质地并延长保鲜期，从而为食品工业带来益处[3]。

研究人员已通过体外实验与动物模型评估了富氢水（HRW）的抗氧化效果，多项人体试验数据也表明，富氢水可提升人体抗氧化能力[54]。研究发现，连续四周饮用富氢水，可显著提高人体抗氧化能力，并减少DNA的氧化应激损伤[38]。此外，已有研究证实，富氢水的功效可能因受试者年龄不同而存在差异，30岁以上成年人的生物抗氧化能力高于年轻人[55]。

富氢水的制备方法多样，主要包括高压下将氢气溶解于水、电解法将氢气溶解于水，以及镁等碱金属与水反应制氢[56]。其中，使用碱性棒或镁棒制备富氢水，是操作最简单、成本最低且安全性最高的方法[57]。有趣的是，镁在人体内与水发生反应时，具有生成氢气的独特能力，其反应式如下：Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂。人体可通过食物、补充剂或硬水间接摄入镁[58]。因此，镁能在体内持续生成高浓度氢气，相当于“体内氢气发生器”[59]。

在一项研究中[60]，研究人员将装有镁珠的镁棒放入500毫升瓶中，两小时后检测发现水中生成了0.8单位的氢气。与溶解氢浓度为1.5ppm的氢化水系统相比，该方法制备的富氢水展现出相近的抗氧化性能。此外，研究还发现，用镁棒或碱性棒制备的氢化水，其稳定性优于氢气起泡器制备的氢化水。巴沙（Bacha）等人[61]研究了水解溶液对镁基材料水解制备高纯氢的影响，发现镁基水解法是一种清洁的制氢方式，且降低水解溶液的pH值可提升水解性能。

电解法是制备富氢水的另一重要方法，该方法通过让氢气在水中起泡，最终形成富氢水[62]。电解过程通常需借助碳板或平板金属辅助，系统中包含电解质溶液与两个电极。与电极相连的直流电源，会在导电液体的作用下，实现从正极（阳极）到负极（阴极）的电流传递。这一过程会使电解质中的水分解，阴极产生氢气，阳极产生氧气[56]。

产物分离可通过双室电解池或带膜电解器实现。这类装置利用电极与电解质传导离子，将产生氢气的阴极与产生氧气的阳极物理分隔，使两种气体能在混合前分别收集到不同容器中[63]。