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富氢水显著提高紫花苜蓿营养成分
富氢水（H₂）对紫花苜蓿种子萌发的影响测定（基于维生素与矿物质分析）
本文原作者单位：图卢兹国立航空工程工程师学院（École Nationale Supérieure D’ingénieurs de Constructions Aéronautiques，简称 ENSICA）
自2007年《自然·医学》（Nature Medicine）这一具有里程碑意义的期刊将氢气（H₂）报道为强效抗氧化剂以来，新的研究证据表明，氢气还可影响植物生长发育、土壤肥力及果蔬货架期，进而提高作物产量与品质。尽管关于氢对植物的影响已有大量科学文献报道，但截至目前，氢对发芽种子的作用研究仍不够充分。
本研究旨在验证富氢水是否会对种子萌发过程中的矿物质、微量元素及维生素含量产生显著影响。
研究结果显示，与用自来水浇灌的种子相比，用富氢水浇灌的种子：维生素B6含量提升281.48%，磷含量提升68.78%，镁含量提升66.81%，钾含量提升63.89%；但钙含量下降11.54%。
本研究证实，使用浓度为1100-1300 ppb（十亿分之一）的富氢水浇灌紫花苜蓿种子8天，对其发芽后种子中的矿物质、微量元素及维生素含量具有积极影响。
Salières, O. L. H., & Oussedik, S. A. D. (2025). Measurement of the impact of hydrogenated water H2 on the germination of alfalfa Medicago sativa L. seeds (by analysis of vitamins and minerals). South Florida Journal of Development, 6(9), e5768.
1 引言
氢（H₂）是宇宙中最小且含量最丰富的元素。所有恒星（包括太阳）中均存在氢，太阳的能量正是来源于热核反应中氢向氦的转化过程。氢也是人体内含量最丰富的元素，在地球上则大量以与其他元素结合的形式存在。通过从这些元素中提取，可获得具有多种用途的氢气。氢气可通过气体形式直接施用于植物或植物组织，也可融入适宜的介质（通常为水）中施用，因此可直接添加到土壤（或营养液，如肥料）中，或喷洒在植物叶片上[1-12]。例如，Wu等人[13]采用该方法，探究了富氢水（HRW）降低小白菜（Brassica campestris L.）镉（Cd）毒性的具体机制。研究结果表明，氢气提高小白菜镉耐受性的作用，与减少镉吸收及增强抗氧化防御能力相关。因此，施用氢气或可成为提高小白菜镉耐受性的一种潜在有效策略。
Xu等人[14]的研究发现，富氢水（HRW）可缓解水稻种子萌发过程中的盐胁迫。Chen M.等人[15]的研究显示，富氢水（HRW）通过减少一氧化氮的生成，缓解了铝对紫花苜蓿根伸长的抑制作用。Zeng J.等人[16]则提出，氢气的这种抗胁迫作用可能与植物激素信号传导相关。
2 材料与方法
2.1 富氢水的制备
富氢水采用法国罗曼维尔市（Romainville）大卫·罗森菲尔德博士大街（Av. du Dr. David Rosenfeld）94号利奥·拉维（LEAU LAVIE）公司生产的IDROGEN IDP002型氢气水生成器制备。
该设备配备质子交换膜（固体聚合物电解质，简称SPE/MEA），该膜同时兼具固体聚合物电解质的功能，在催化剂作用下可发生电解反应。
IDROGEN便携式氢水生成器的核心特点之一，是采用了特殊的镀铂钛复合电极。
需注意的是，在此过程中，水本身不发生电解反应，仅被氢气饱和。质子以带正电粒子的形式进入膜中，并向阴极（负极）移动，而氧气无法穿透该质子交换膜。
在阴极处，质子与电子结合形成氢气。为实现对各类水质（反渗透水、矿泉水、去离子水、蒸馏水、自来水等）的适配，该设备的电解槽采用凝胶电解质膜——一种由杜邦公司（Dupont）专利研发并生产的全氟磺酸（Nafion）聚合物膜。该膜的电导率为0.083±0.004西门子/厘米（S/cm），密度为10.85-35.65±0.02毫克/平方厘米（mg/cm²），厚度为0.05-0.18毫米（mm）。
该系统还配备聚四氟乙烯（Teflon）隔离膜，用于在凝胶电解质与阳极之间形成真空环境，同时使隔离膜与阳极的边缘及中心区域均能建立接触。选用配备SPE/PEM（固体聚合物电解质/质子交换膜）的氢气生成器至关重要，因为此类膜可将氢气（H₂）与电解副产物及其他杂质（如臭氧、氯气）有效分离。
图1 配备SPE/PEM的氢水生成器
图2未配备SPE/PEM的氢水生成器
2.2 水的加氢处理方法
本研究使用的氢气由IDROGEN氢气生成器产生，并通入装有500毫升反渗透水的瓶中，持续通入5分钟。
国际氢气标准协会（IHSA）制定了氢气健康设备必须满足的标准，该协会将氢浓度大于0.5毫克/升（即0.5 ppm或500 ppb*）的水定义为氢水。
根据2021年国际氢气标准协会（IHSA）的数据，人体若要通过氢气产生治疗效果，每日摄入的氢浓度需至少达到1毫克/升[17-18]。IDROGEN氢气生成器（图3）在运行5分钟的模式下，产生的氢浓度为1.1-1.3 ppm（即1100-1300 ppb），相当于1.1-1.3毫克/升。本研究使用的500毫升水瓶由利奥·拉维（LEAU LAVIE）公司生产（图3、图4）。
为检测电导率测量是否存在误差，研究人员进行了多次测量并重复操作3次。
记录的3组测量值偏差均小于0.5%，被认定为有效数据。
ppb为“十亿分之一”（part per billion）的缩写，指某物质的浓度等于10⁻⁹，即十亿分之一。
通入氢气5分钟后，得到氢浓度为1320 ppb的氢水（图5）。
图3 氢气生成器与水瓶
图 4 本研究中使用的水瓶
图5 TDS计
2.3 过滤水的制备（图6）
本研究使用的过滤水通过法国罗曼维尔市（Romainville，邮编93230）大卫·罗森菲尔德博士大街（Av. du Dr. David Rosenfeld）94号利奥·拉维（LEAU LAVIE）公司生产的IDROGEN复合过滤器制备。
该过滤器的参数如下：
- 采用压实活性炭与陶瓷滤芯，实现高效过滤
- 重量：340克
- 尺寸：高度10厘米
- 流速：根据供水压力不同，瞬时流速最高可达1升/分钟
- 最高耐受温度：40摄氏度
- 过滤精度：0.45微米
- 最低工作压力：2巴
- 最高工作压力：7巴
图6 活性炭过滤器
2.4反渗透水制备（图 7）
图 7 反渗透水机
反渗透水的制备
本研究使用的反渗透水通过法国罗曼维尔市（Romainville，邮编93230）大卫·罗森菲尔德博士大街（Av. du Dr. David Rosenfeld）94号利奥·拉维（LEAU LAVIE）公司生产的设备制备。
该设备包含以下组件：
- 沉淀物预过滤器
- 复合预过滤器
- 用于过滤的0.0001微米反渗透膜
- 活性炭后置过滤器
- 紫外线（UV）灯
- 1.1升内置储水罐
2.5 植物材料
紫花苜蓿（学名：Medicago sativa）种子购自法国沃克吕兹省（Vaucluse）维勒洛勒镇（Villelaure，邮编84530）的普罗旺斯谷物公司（Grains de Provence）。种植地点：全球定位系统（GPS）坐标为43.705333，5.417017。为保证可追溯性，我们优先选择种子种植与培育地点一致的生产商。本研究使用的种子来自2021年收获批次，批次编号为GGA01-21。
所选种子无物理损伤、无病害，且大小均匀一致。
种子到货后，使用卡尔·罗思（Carl Roth）公司生产的双蒸水清洗（该双蒸水的经验 formula 为H₂O，分子量（M）为18.02克/摩尔，密度（D）为1克/立方厘米，pH值为5.0-7.0，电导率≤2.0微西门子/厘米）；随后擦干，放入英国卡博莱特-盖罗（Carbolite-gero）公司生产的AX30型烘箱中，在50℃条件下烘干。选择该烘干方法的目的是在最大限度保留生物活性化合物的同时确保烘干效率。
将种子分为4组，每组30克，分别放入多层发芽器中。种子萌发选用无双酚A（Bisphenol A，简称BPA）多层发芽器（图8）。
我们选择无双酚A多层发芽器，是为了排除双酚A可能产生的干扰。已知双酚A是一种内分泌干扰物，且会与维生素、微量元素及矿物质发生相互作用（参见伊莲娜·德拉·罗卡（Ylena Della Rocca）2023年的研究）。
图8 多层发芽器
手动多层发芽器
手动多层发芽器由三部分组成：
- 两个发芽托盘
- 一个接水托盘
- 一个盖子
技术参数
- 整体尺寸：16.5×16.5×15.5厘米
- 托盘尺寸：长16.5×宽16.5×高6.5厘米
- 材质：无双酚A（BPA-free）塑料
为准备发芽，将种子分别置于四个独立容器中，每个容器装有160毫升以下类型的水：
1. 自来水（图9）
2. 经活性炭过滤器过滤的水（图10）
3. 经活性炭过滤器过滤后，再加氢处理5分钟的水（图11）
4. 反渗透水经加氢处理5分钟的水（图12）
将种子放入装有160毫升水的容器中，在20±0.5℃、避光条件下浸泡过夜以促进发芽。
图9 种子置于装有160毫升自来水的容器中准备处理
图10：在容器中制备种子，其中含有160ml水，用水经过活性炭过滤器从供水系统过滤。
图 11 160毫升过滤水。
图12 160毫升反渗透水
种子萌发过程
萌发始于吸胀（浸泡）阶段，根据研究内容及种子类型的不同，吸胀持续时间存在差异
（https://www.mdpi.com/2304-8158/11/10/1460#sec2dot2dot2-foods-11-01460）。因此，在本实验中，我们已根据上述链接所涉研究的2.2.2节内容，针对每种种子的吸胀时间进行了预先优化。
对于紫花苜蓿种子，我们采用10小时的吸胀处理，此条件下种子萌发率最高，可达88%。
水温是萌发阶段的重要影响因素。我们参考了另一项研究（详见链接：https://doi.org/10.3390/plants11212819）的成果，将最适萌发温度设定为20±0.5℃。在随后的8天里，每天上午9点和晚上6点，用160毫升对应类型的水对各组种子进行浇水处理（见图13至图15）。
图13 用过滤水浇灌8天的种子
图 14. 用自来水浇灌 8 天的种子
图15. 用氢反渗透水浇灌 8 天的种子 / 用氢过滤水浇灌 8 天的种子
# 2.6 维生素C和维生素K1的检测方法
➢ 采用高效液相色谱法（HPLC）测定维生素C和维生素K1的含量
根据溶解性差异，维生素可分为脂溶性维生素和水溶性维生素两类。其中脂溶性维生素C的测定方法如下：
• 维生素C（抗坏血酸）：依据1986年5月21日颁布的法令，采用带紫外检测的高效液相色谱法（HPLC-UV）测定。
高效液相色谱-紫外检测（HPLC-UV）分析技术，基于高效液相色谱（HPLC）分离与紫外-可见波长范围吸光度检测器相结合的原理。
这两种技术的结合，既利用了高效液相色谱法分离分子的高效性，又借助紫外检测器实现了化合物的定性识别，从而能够测定样品中化合物的纯度。
除初始的高效液相色谱定性分析外，紫外检测法还可进一步优化分析结果。
脂溶性维生素K1的测定方法如下：
• 维生素K1（叶绿醌）：依据NF EN 14148标准，采用带荧光检测的高效液相色谱法测定。
带紫外检测的高效液相色谱分析流程为：先进行液-液萃取，再通过制备型高效液相色谱分离，随后将维生素K1还原，最后采用第二台带荧光检测的高效液相色谱仪完成定量测定。
2.7 维生素B6的微生物学检测方法
➢ 依据NF EN 14166标准，采用微生物学方法测定水溶性维生素B6的含量：
• 维生素B6（吡哆醇）：微生物学检测法
微生物学方法仍是测定B族维生素含量的常用手段。该方法的原理是：每种B族维生素都对应一种特定微生物，这种微生物的生长依赖该维生素，且其生长量与培养基中添加的维生素量呈正相关。
2.8 采用帝肯（TECAN）INFINITE F50滤光片酶标仪测定维生素B9的含量
水溶性维生素B9的测定方法如下：
• 维生素B9（叶酸）：酶联免疫吸附法（ELISA）测定
酶联免疫吸附法（ELISA）是一种基于抗体特异性结合的检测技术，应用广泛且具有灵敏、快速、可靠的特点。L.D.M实验室采用的该方法，通过将维生素与酶偶联，并利用抗维生素特异性抗体结合目标维生素，最终通过测定酶催化底物转化的量，计算出样品中维生素的浓度。
2.9 采用瓦里安（Varian）Vista MPX原子光谱仪测定矿物质和微量元素的含量
L.D.M实验室依据1977年9月8日颁布的法令，对食品中的以下矿物质和微量元素进行检测分析：钙、钾、镁、钠、磷、硫、氯化物、铁、铜、锌、锰、硼、铬、镍、钴、碘、氟化物、硒及钼。
所选用的样品前处理、检测及定量方法，可确保在低检测限下获得可靠结果，且符合现行法规要求，具体方法如下：
• 样品前处理：525℃灰化法或Digiprep全自动样品消解系统处理
• 定量分析：火焰原子吸收分光光度法
• 电感耦合等离子体（ICP）定量：采用符合欧洲标准（EN）的设备，即瓦里安（Varian）Vista MPX原子光谱仪
• 磷、硫、硼的测定：比色法# 2.10 总溶解固体（TDS）检测仪
在种子萌发前，从实验开始就采用TDS检测法对每种水样进行了检测。
TDS是“Total Dissolved Solids”（总溶解固体）的缩写，即测量水中除水分子（H₂O）外其他所有颗粒物质的总量，单位通常为ppm（百万分之一）。这些颗粒物质种类多样，包括矿物质、细菌、病毒、重金属、氯以及其他有机和无机颗粒。
水中总溶解固体（TDS）的浓度是决定水质口感的重要因素之一，同时也能为水体提供钙、镁、钾、钠等重要离子。然而，TDS值过高的水通常意味着存在人类活动造成的污染，例如灌溉导致的土壤和农业径流、未经规范的牲畜放牧及其对野生动物的影响、刀耕火种等破坏环境的耕作方式，以及硝酸盐类肥料的过度使用。
美国环境保护署（EPA）建议，水中总溶解固体的最大污染限值（MCL）为500毫克/升（mg/L），即500ppm。
TDS值过高是潜在水质问题的信号，需进一步调查原因。通常情况下，TDS值偏高由钾、氯、钠等离子的存在所致，这些离子对人体短期影响极小或无影响，但水中也可能溶解有砷、铅、镉、硝酸盐等有毒离子。
本实验使用的TDS检测仪为Mano牌TDS-3型，其性能参数如下：
- 先进处理器：可自动进行温度校准；TDS检测范围为0-9990ppm，精度为1ppm。
- 数据保持键：将检测仪从水中取出后，可锁定测量值，便于读数和记录。
- 温度单位键：支持摄氏度和华氏度两种温度单位检测；温度检测范围为31-200华氏度（°F），精度为1°F。
- 自动关机功能：闲置10分钟后自动关机，以节省电池电量。
2.11 氢气水检测仪
采用BLE 9002型便携式溶解氢检测仪测量水中溶解氢（H₂）的浓度，其技术参数如下：
- 检测范围：溶解氢（H₂）为0~2990ppb（十亿分之一）；温度为0.1-60.0℃（摄氏度）/32.0-140.0°F（华氏度）。
- 分辨率：溶解氢（H₂）为1ppt（万亿分之一）、0.01ppt；温度为0.1℃/0.1°F。
- 精度：温度检测精度为±0.5℃。
- 防水等级：IP67（防护等级，可短时间浸泡在水中）。
- 工作环境：温度0.1-80.0℃，最大相对湿度（RH）90%。
- 溶解氢校准：自动校准（校准点为750ppb）。
- 仪器尺寸：187×37×37毫米（mm）。
为检测是否存在测量误差，对每种水样均进行了3次重复检测。记录的3组数据差异小于0.3%，被认定为有效数据。
3 结果
种子萌发8天后，收集萌发后的幼苗并进行分析。将编号为1-4的4个样本组送至LDM实验室，该实验室对所有样本组进行了盲法分析（即不知晓各样本组的具体处理方式），各样本组具体信息如下：
- 样本组1：自来水处理组
- 样本组2：活性炭过滤水处理组
- 样本组3：反渗透水+加氢处理组
- 样本组4：活性炭过滤水+加氢处理组
3.1 基于TDS的水导率检测
首先，对用于种子萌发的每种水样的电导率和温度进行了检测。需再次说明的是，TDS值是评估水质的重要指标，其单位可用微克/升（μg/L）或ppm（百万分之一）表示，反映液体中溶解的有机和无机物质的总量。
检测结果
与自来水和过滤水相比，氢反渗透水的TDS值更低。可通过进一步研究，检测自来水中可能存在的污染物，以解释其TDS值偏高的原因。各样本组具体检测数据如下：
- 样本组1（自来水）：电导率218ppm，温度20.5℃
- 样本组2（活性炭过滤水）：电导率123ppm，温度20.1℃
- 样本组3（反渗透水+加氢处理）：电导率41ppm，温度20.4℃
- 样本组4（活性炭过滤水+加氢处理）：电导率123ppm，温度20.1℃
3.2 不同水样中的微量元素与矿物质：表1
在用于种子萌发前，已对每种水样的矿物质和微量元素含量进行了检测，该检测由L.D.M实验室完成。
氢过滤水处理组通常取得最佳效果：与自来水处理组的种子相比，氢过滤水处理的萌发种子中维生素B6含量高出181.48%。
维生素B9的情况类似，其含量增加了9.52%。得益于氢过滤水对种子萌发的作用，磷、钾、镁的含量也显著提升，仅钙含量有所下降。这一现象可通过植酸的已知作用来解释——植酸会导致种子萌发过程中某些微量元素的含量出现增减（Reddy & Balakrishnan, 2006）。
与自来水处理组相比，氢过滤水处理组的萌发种子中矿物质含量显著增加，增幅在8%至42%之间。在此需重申，维生素、微量元素和矿物质对生物体的生长发育及品质形成具有至关重要的作用。
4 结论与讨论
本研究分析表明，萌发种子中的矿物质、维生素及微量元素含量与所用水质存在关联性。收集的数据显示，与非氢水处理组相比，经蒸馏水或反渗透水加氢处理的种子，其矿物质、微量元素及维生素含量显著提高。氢气（H₂）在此过程中扮演了有益的“增效剂”角色，能够促进这些营养元素的积累。
结合本研究及过去数十年全球研究者在相关文献中提及的成果，氢气受到研究中心及食品行业的关注度日益提升便不足为奇。这一点从“氢气可在大规模农业环境中发挥重要作用”的观点中可见一斑。本研究首次将氢蒸馏水（H₂处理水）与其他不同来源的水用于紫花苜蓿种子萌发的对比实验，这一探索或可成为提升可持续农业生产水平的重要策略。
同时我们也认识到，氢能农业仍处于起步阶段，未来还需开展更多实验以深入探索和阐明相关机制。展望未来，氢气有望被广泛应用于调控植物生长发育，助力培育高产、优质的农作物。
5 经济前景与机遇
本研究为解答以下问题提供了方向：
如何在为消费者提供更优质食品的同时，为地球改善环境质量贡献力量？
利用良性技术提升种子及植物品质，是科学界面临的一项长期挑战。受全球人口增长及粮食安全问题影响，食品质量已成为关乎全人类的重要议题。经进一步研究，本研究提出的方法有望为多个科学领域开辟新视野。在环境污染、自然灾害、气候变化、粮食安全及人口增长等多重因素的影响下，跨学科融合的“新型农业”正成为现代农业发展及人类未来生存的必然需求。
要提升农作物的产量与品质，需研发简单、综合、经济且环境友好的解决方案。氢气（H₂）因其丰富的有益生物活性及无残留特性，正受到多个领域研究者的关注。
氢气的应用可惠及广泛的农业活动，在增强作物耐旱性、耐盐性、抗病性、减少需水量、改善土壤生物活性，以及培育更强健、更健康的牲畜等方面均展现出显著成效。
消除病虫害、减少化学干预，是实现农产品优质化及年年丰收的关键。平衡型农业系统不仅能实现更高且更稳定的产量，还能使农产品获得更高的销售价格。更优质的农产品保质期更长、运输适应性更强，对终端消费者也更具吸引力。
提升产量、减少损耗的能力是所有农业经营活动的核心，如今这一能力的重要性愈发凸显。氢气补充剂清洁、天然且完全符合有机标准，能让农作物、牲畜及农产品在原本贫瘠的土壤中茁壮成长——这使得数百万公顷农田有望重新投入生产，为解决全球日益严峻的粮食安全问题提供助力。
2016年，欧盟拥有1030万个农场，农业用地面积达1.567亿公顷，约占欧盟领土总面积的38%。欧盟是全球主要的农业经济体，根据欧盟委员会的报告，2019年该地区的农业产值约为4180亿欧元。
旨在提升农业、葡萄种植及园艺生产水平的市场，是氢水技术的开发目标领域。迄今为止的研究表明，氢气具有充分的商业应用潜力。
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