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。