氢农业：从农场到餐桌

氢分子是一种低分子量、非极性且电化学中性的化合物，具有有效的抗氧化和细胞保护作用。将氢气纳入食物链的不同阶段的效果研究正在迅速增加。氢气可以通过多种方式在食物生长、生产、运输和储存系统中传递，包括作为气体、富含氢的水（HRW）或与钙（Ca）或镁（Mg）等氢捐赠食品补充剂一起使用。在植物中，氢气可以在种子发芽和种植期间、植物发育后期以及繁殖期、收获后处理和作为食品添加剂时被利用。在植物生长和发育阶段添加氢气被认为可以通过调节抗氧化途径和刺激对环境压力因素（如干旱压力）的耐受性来提高植物产量和品质，增强对除草剂（如百草枯）的耐受性，以及增加盐度和金属毒性的抵抗力。氢气在收获前和收获后的应用好处包括减少自然衰老和微生物腐败，这有助于延长动物产品、水果、谷物和蔬菜的保质期。本综述收集了有关氢气在农业食品工业中使用的实证发现，并评估了这项新兴技术的潜在影响。

| How Hydrogen (H2) Can Support Food Security: From Farm to Fork (mdpi.com)

1. 前言

随着全球人口的增长，为老龄化人群提供营养食物的义务也在增加。要实现这一点，新鲜农产品的保鲜至关重要。由于气候变化、化学污染、生物多样性丧失和土壤侵蚀等当代问题，优质食品的生产、保存和分配变得越来越具有挑战性[1]。目前，烹饪、干燥、巴氏杀菌、冷藏和灭菌等保存过程可以使食品产品更耐微生物腐败，并减缓脂质氧化，从而随时间减慢食物的自然分解和酸败[2]。尽管这些技术有效，但实施和维护成本可能很高；因此，需要开发替代的、生态负责任的、低成本且可持续的自然产品保存方法。

氢分子（H2）被美国食品药品监督管理局分类为“一般认为安全”（GRAS）产品[3]，并在欧盟[4]和英国[5]根据法规1129/2011的第C组I部分被视为食品添加剂（E949）。氢气技术处于现代研究的前沿，部分原因是它被试验为一种高效且可持续的能源来源[6]，部分原因是它被认为是健康和农业科学中有效的抗氧化剂和细胞保护化合物[7,8]。在这方面，氢气可以提供可持续食品生产、储存和分配所需的增加能量，同时通过保持营养价值和延长产品保质期来增强食品安全。

氧化应激及随后的细胞和组织损伤可以由多种因素引起，包括环境挑战（例如干旱、污染、土壤盐分增加）、人为干预（例如肥料、杀虫剂、百草枯）和自然衰老（例如细胞恶化、微生物腐败）。这些因素可以影响食物的生长、产量和营养成分[8]。此外，氧化损伤可能导致食物质量迅速恶化，导致脂质氧化、变色以及食物的营养成分和风味变化[8]。特别是脂质氧化，是肉类、鱼类和乳制品行业的主要考虑因素，因为它影响产品的感官属性和保质期[9]。

Approved additives and E numbers | Food Standards Agency

补图 欧洲食品标准局关于氢气作为食品添加剂的资料

抗氧化剂可以中和活性氧和活性氮物种（ROS/RNS），这些物质会导致氧化应激和对细胞及组织的损害，并扰乱必要的功能性生理过程，包括能量代谢和蛋白质及肽的生物合成[10]。作为一种抗氧化剂，氢气被证明能够清除细胞毒性自由基，增强内源性抗氧化能力，并调节动物的炎症反应[11,12]和压力反应[11,13]（动物和植物）。用氢气气体处理或用富氢水（HRW）处理植物产品后，也可以抑制生物分子的氧化。此外，在加工过程中将黄油等乳制品暴露于氢气下，被证明可以防止由于微生物腐败而产生的生物胺形成，这一现象归因于氢气的还原效果[14]。氢气穿越生物界限的能力可能会产生巨大影响，影响基础细胞器生物化学以及细胞质反应，这可能解释了为什么氢气的应用在植物和动物的多种疾病模型中被证明有积极效果。

在种植植物或饲养动物时，氢气可以以富氢水（HRW）或富氢纳米气泡水（HNW）的形式作为水的添加剂，或者以形成氢的镁（Mg）或钙（Ca）粉末的形式作为食物或土壤补充剂。此外，HRW、HNW和氢气气体也可以用作水果和叶类植物的局部制剂（图1）。

图1 在农业食品行业中利用氢气的潜在方法。图片由作者使用人工智能平台（wonderai.app）创建。HRW/HNW 收获前灌溉‘稻田灌溉’。土壤补充剂‘向土壤中添加钙粉’。收获后‘农场洗苹果’。氢气气体。干燥‘水果行业干燥’。包装‘食品零售干燥包装’。

作为一种气体，氢气可以在水果和豆类的脱水过程中使用，例如，在改良的包装气氛中使用富氢包装膜（见图1）。这样的过程可能会减少农产品的氧化并延长食品的保质期[10]。此外，食源性病原体也对食品安全构成重大风险；在这里，氢气被证实可以抑制大肠杆菌、李斯特菌沙门氏菌和霉菌等细菌的生长[15]，从而可能降低腐败和食源性疾病的风险。

2. 在农场使用氢气

由于日益增加的负担（例如，气候变化、污染和土壤侵蚀），全球粮食生产力的损失估计每年约为1700亿美元[16]。因此，迫切需要额外的、有效的方法来保存营养含量，防止新鲜农产品的腐败并延长其保质期。在这方面，有大量的研究证实了将氢气添加到种子、幼苗和成熟植物的灌溉水中的好处，其中氢气以富氢水（HRW）的形式提供，被证明可以提高作物的生存能力和产量[17,18]。氢气的抗氧化活性被认为是主要的作用机制，涉及谷胱甘肽和硫代谢的上调[19]，抗氧化基因表达的增强[18]以及促进激素合成[20]。这种细胞保护作用提供了对生物和非生物压力因子的抵抗力，包括干旱[21]、重金属毒性[17,22]、盐分增加[23]、温度变化[18,24]和病毒感染[25]。

大量的学术研究表明，在发芽、种植和生长阶段将植物暴露于氢气环境中，可以增强根系建立，提高抗病能力，并促进叶子、果实和种子的生长和发育。将氢气纳入植物作物的灌溉水是一个相对简单的过程，可以通过多种方式实施。例如，HRW和氢气气体也可以作为局部应用使用。然而，由于蒸发造成的大气损失使得难以设想这种方法在大规模上的实际应用性。HRW和HNW也可以通过将氢气气体（通过水电解形成）扩散到营养溶液和灌溉系统中，以及通过将Mg或氢气供体（例如，氨硼烷中空介孔二氧化硅纳米颗粒（AB@hMSN））溶解在水溶液中获得。这些方法已经在学术界实施[18,20,26]并且开始在商业上推广。

将氢气添加到土壤环境中也被认为可以通过增加氢气氧化微生物活动和促进碳固定[27,28,29]来提高土壤质量，这一术语被称为氢气肥料化，尽管该过程有些复杂，这可能排除了其在农业环境中的应用。这种类型的应用是否能为大规模、长期补充营养不足的土壤提供解决方案还需要进一步探索。

3. 农产品存储和分销链中氢气的应用

新鲜农产品的分配和储存对于确保食品安全至关重要，许多方面（例如，运输、仓库和供应商）依赖于控制食品存储的温度。制冷过程不仅能耗大、成本高且对环境造成压力[30]，但使用这种保存方法并不能阻止，只能减轻易腐食品的损失。因此，为了确保未来的食品安全，考虑能够进一步降低宝贵农产品恶化率的新方法是恰当的。

在动物[11,31,32]和植物[33,34,35]的广泛研究中发现，氢气具有显著的还原特性，这与食品产品的保存相关，因为这种氧化还原平衡有利于创造一个还原环境，从而减缓脂质成分的累积性氧化。脂质氧化在生物物质的恶化中起着重要作用，因为它会减少细胞膜的完整性，导致离子泄漏、细胞器功能障碍和异常的细胞凝聚[36,37]。防止脂质氧化是提高食品产品寿命和营养价值的首要考虑因素[9,10]。

迄今为止，关于氢气的研究表明这种分子是细胞稳态的有效介质，尽管其确切的作用模式尚未明确界定。许多报告强调了它对活性氧/氮物质（ROS/RNS）如羟基自由基(•OH)和过氧亚硝酸根离子(ONOO−)的直接清除作用[38,39,40]，这两者都是脂质氧化的重要促成因素。然而，考虑到这些高反应性分子的空间和时间分布以及动力学，是否在体内发生此类反应仍有疑问[41,42]。已经提出了涉及部分还原Fe3+部分[43]和蛋白质稳定的替代机制[44]，尽管氢气的模式目前还是学术界争论的问题，但显而易见的是，实施HRW和氢气气体到收获后的产品一致地显示出在水果、草本植物和蔬菜中增强了对成熟、衰老和腐败的抵抗力（表1）。

表1.确定氢气应用于动植物产品的好处，注意其作用机制和对新鲜农产品的总体影响。

APx—ascorbate peroxidase; β-Gal—β-galactosidase; CAT—catalase; Cx—connexin; GR—glutathione reductase; GSH—glutathione; PG—peptidoglycan hydrolase; PL—pectate lyase; PME—pectin methylesterase; POD—peroxidase; SOD—superoxide dismutase.

除了收获后处理外，使用HRW的收获前灌溉也被证明可以保护天然农产品免受与储存相关的冷害[52]。这表明氢气的应用对植物生物化学有着持久的积极影响。正如表1所示，氢气在植物中具有多效性作用，从调节内源性抗氧化剂的活性，包括抗坏血酸过氧化物酶（APx）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）[34]，到减少衰老生物标志物β-半乳糖苷酶（β-Gal）、肽聚糖水解酶（PG）和果胶甲酯酶（PME）[47]，以及增加诸如纤维素和果胶等多糖的生物合成[49]。可以想象，这些细胞保护特性加在一起可以进一步防止新鲜农产品在储存和运输过程中的恶化。

将氢气产生技术纳入既定的储存和分销链中将需要仔细考虑，部分原因是由于氢气的可燃性[53]，氢气是一种高度爆炸性气体，还涉及到洗涤和随后干燥农产品所需的时间。此外，尽管准备HRW浴是一个相对简单的过程[45,50]，但对于大量农产品来说，这个过程可能会变得劳动密集型。因此，可能更明智的做法是专注于氢气的收获前和加工/包装应用。

4 在食品加工过程中氢气的应用

氢气在食品加工中的应用 在包装和加工阶段可以设想出一种更实际可行的处理植物和动物产品的方法，其中氢气可以在不需要对当前保存方法进行太多调整的情况下应用。氢气气体可以轻松地结合到许多保存技术中，包括干燥、发酵、提取和食品制备（表2）。

表2.氢气在食品加工中的益处。 Ca—calcium; K—potassium; Mg—magnesium; Na—sodium. Ile—isoleucine; Leu—leucine; Met—methionine.

乳制品特别容易受到与氧化相关的腐败，这可能会缩短保质期。例如，黄油中的氧化反应会导致必需脂肪酸和维生素的破坏。在动物源性产品如黄油中形成的最主要氧化分解产物是不稳定的氢过氧化物（R-OOH），这些分子进一步分解成诱导酸败的化合物（例如，醛（R-CH=O）、酮（R-C=O）、醇（R-C-OH））[61]。在清洗原料黄油时引入氢气形式的HRW [58,60]被证明可以改善质量属性（例如，酸度、颜色），减少重金属的积累，通过抑制微生物脱羧酶活性防止腐败，并延缓酵母和霉菌的生长，从而延长保质期。

在黄油和酸奶等乳制品的准备阶段加入氢气被显示为能够抑制微生物腐败，同时也促进微生物发酵。同样地，将氢气气体溶解到蔬菜制品的腌制介质中，被注意到可以增强发酵过程并减少乳酸菌相关的生物胺形成。作者们证明，在发酵阶段使用HRW并在巴氏杀菌前用新鲜注入的富含氢气的盐水替换介质，是在减少2-苯乙胺、腐胺和色胺等生物胺水平方面最有效的方法[55]。将氢气溶解到用于提取植物化学物质的溶剂流体中，可以增加花青素、黄酮和多酚类物质的产量，而在准备米奶（一种乳制品的替代品）时，用HRW代替纯净水增加了必需矿物质和氨基酸的含量[59]。

在水果干燥过程中使用4%的氢气气体也显示出增加维持干果营养和感官特性的潜力[54]。在这里，不是按需将液体与氢气融合，而是通过仪器调节将气体混合物（通常是CO2、N2和氢气）输入干燥设备。由于这种设备使用气罐，并且由于氢气在超过75%（v/v）浓度时是易爆的[62]，如果要在食品保鲜行业中开发这种应用机制，可能需要增加储存和安全协议。

5. 食品包装环境中加入氢气

历史上，食品包装的唯一目的是在环境和内容物之间提供物理屏障，以防止外部污染。食品包装行业的创新主要集中在将活性成分（如乙烯清除剂（例如，高锰酸钾））结合到包装中，这可以维持或延长产品的质量、感官属性和保质期[63]。

目前，为了提高产品的质量和寿命，许多新鲜产品在由二氧化碳(CO2)和氮气(N2)组成的改良气氛的塑料包装中分发和展示[9]。这种缺氧环境抑制了细胞氧化机制和微生物活动，限制了衰老过程并保护了内容物。然而，随着食品安全和分销网络的压力不断增加，任何能够延长新鲜产品寿命的改进都将受到高度重视。

正如之前讨论的在热干燥过程中利用氢气气体一样，将氢气结合到包装气氛中应该相对简单。尽管如此，除非气体是在产生时即用的，例如通过水电解，否则存储压缩气体和易燃性的同样安全问题仍然适用。因此，在食品加工和制造环境中将需要严格的安全程序。另一方面，引入非爆炸性（<4% v/v）量的氢气到包装气氛中的好处可能会超过任何所需的安全措施投资。

尽管氢气在细胞中的确切作用机制尚未阐明，但氢气在植物和农产品中作为有效抗氧化剂的能力现在已经有充分的文献记录[8,64,65,66,67]。氢气在农业和临床环境中的一个主要功能是作为抗氧化剂，最初由Ohsawa等人（2007年）在缺血/再灌注损伤的啮齿动物模型中证明[38]。这项具有深远影响的研究描述了对高度反应性的•OH自由基和ONOO−分子的选择性减少，但对重要的信号分子过氧化氢(H2O2)和一氧化氮(NO•)没有减少。要么是作为结果，要么是除了选择性中和最有害的反应氧/氮物种之外，经常报道CAT、核因子红细胞2相关因子（Nrf-2）和SOD等抗氧化蛋白和肽的上调和增加表达[34]。内源性抗氧化剂的上调已知可以增强对疾病、盐度、干旱和温度应激等环境压力的耐受性，并赋予一定程度的微生物抵抗力[23,24,25]。当氢气被结合到包装气氛中时，也证明了这样的抗氧化活性。最近，几项研究发现，在包装环境中加入高达4%的氢气气体可以显著改善新鲜产品的感官品质和保质期（表3）。

表3氢气在新鲜农产品加工和包装中的好处。

从表3可以看出，在动物和动物源性产品的包装气氛中添加氢气，包括奶酪、鸡蛋和鱼类，能够抑制脂质氧化和氨基酸被脱羧酶分解的过程，同时减少微生物生长和腐败。与收获前和加工过程中的氢气应用（分别见表1和表2）一样，内源性抗氧化活性的保持可能解释了表3中记录的许多效果。此外，除了被用作防腐气体外，氢气气体还可以用来检测食品包装中的缺陷，如密封不良、撕裂和小孔[72]。在这里，气体在封口过程中使用，然后包装通过传感器；如果传感器检测到氢气，就会激活警报，允许将损坏的包装从生产链中移除并在发生浪费之前重新包装。

尽管需要进一步研究氢气气体在易腐货物的包装环境中的应用，但初步发现强烈表明，这种还原气氛的包装环境可以阻碍新鲜农产品的自然恶化。然而，在这种保鲜方法被农食行业采纳之前，将需要进行详细的成本效益分析、评估实际融入工作空间的情况（例如，安全性、储存、运输）以及氢气对其他食品产品的影响。

6 氢气使用的安全性问题 

由于氢气的易燃性和爆炸反应潜力，安全使用氢气将需要适当的操作预防措施和程序。例如，在储存期间，氢气需要装在适当的气瓶中，存放在通风良好的区域，远离热源、点火和直射阳光[73]，这可能会对全面使用造成问题，特别是在英国和美国等有严格安全政策的国家。气瓶也应定期检查损坏情况以减少泄漏的可能性。此外，由于氢气比空气轻，适当的气流和通风也是必要的，以防止氢气积聚。任何使用氢气的设备、配件和连接也需要探测器/监测器，这些可以提供故障和氢气泄漏的早期警告。压力调节器和流量计可以检测突然的压力变化，可能在防止与氢气相关设备故障造成伤害方面发挥重要作用。确保与氢气工作的个人接受充分的安全操作、储存和紧急程序培训将是明智的，培训内容包括识别潜在危险以及如何应对可能涉及氢气的事件（例如，疏散、火灾、泄漏等）。

7未来展望与结论

减少食物浪费和削减成本是粮食安全和农食行业的主要关注点[74,75]。为了更好地评估氢气支持食品生长、配送和生产行业的潜力，进行大规模的实地研究，以及进一步的实证调查氢气应用的初级、次级甚至可能的三级效应将是有益的。分析长期使用氢气是否会影响遗传特征也可能是明智的。这可能涉及理解表观遗传背景、激素调节以及对生物和非生物压力的抵抗力。

最近的研究，例如Cheng等人（2021年）进行的研究表明，氢富含水（HNW）适合灌溉作物[17]；因此，在考虑收获前管理时，关注氢气生产的这一方面可能是有利的。对于收获后应用，比较分析是在分销链的哪个阶段使用氢富含水/氢普通水（HRW/HNW）或氢气气体处理最有效，将是有益的。

不仅要仔细审查氢气处理的效果，还必须评估处理的成本效益、可持续性和长期益处。已建立的“绿色”氢气生产技术的成本估计为碱性水电解0.7-1.4英镑/瓦特，质子交换膜（PEM）电解0.8-2.2英镑/瓦特[76]。然而，由于此类生产成本受商业创新和投资的影响，而且国际上对氢气生产技术的兴趣日益增长，随着氢气技术随时间变得更高效，这些成本可能会降低。除了购买和维护成本外，还需要评估商业单位与常规处理和流程相比的耐用性和寿命。

为了总结商业氢气在农食行业中使用的风险和收益，表4提供了将氢气纳入农食链的优势、劣势、机会和威胁（SWOT）分析。

表4.关于将氢气纳入农业食品链的优势、劣势、机会优势和威胁的SWOT分析。

总之，通过调节抗氧化剂、激素和微生物活性，越来越多的证据强烈表明，氢气可能是一种有效的肥料、微生物抑制剂和食品保鲜剂（表1、表2和表3）。将氢气作为大气气体或溶液应用到农食产业中，可能有助于支持植物产品的健康生长，增加生物量、抗逆性和产量（表1）。在食品生产链的各个阶段采用氢策略可以减少重金属含量，限制食品产品的生物胺形成，保持营养和感官属性，并延长产品的保质期[4,6,17,22]。此外，通过氢气诱导的内源性衰老过程抑制，可以减少动物源性和植物源性食物的浪费（表2和表3）。而且，作为一种可持续的、无毒的、无污染的试剂，氢气在农食产业中的应用未来有助于减少这样一个高需求供应链从田间到餐桌的碳足迹。