磁控β-葡萄糖苷酶固定于橡木碎片上，以增强葡萄酒香气的释放

《Food Research International》：Magnetically actuated β-glucosidase immobilized on oak chips for enhanced wine aroma release

β-葡萄糖苷酶通过磁性橡木片固定并受磁场调控，显著提升葡萄酒中关键芳香物质释放效率，同时保持酶稳定性与安全性。

　　

赵玉珠|顾华为|罗德里戈·莱德斯马-阿马罗|何玲|刘书文|石侃

中国陕西省杨凌市西北农林科技大学：葡萄酒学院、生命科学学院、园艺学院；陕西省葡萄与葡萄酒工程研究中心；国家林业和草原管理局葡萄酒工程技术中心；贺阳葡萄试验与示范站；宁夏贺兰山东麓葡萄酒试验与示范站；生命科学研究核心服务部门

摘要

β-葡萄糖苷酶（BGL）通过水解糖苷前体在提升葡萄酒香气方面发挥着关键作用；然而，其在恶劣酿酒条件下的稳定性较差，限制了其应用。为了解决这一问题，我们通过镍离子（Ni²⁺）-组氨酸配位作用，将耐酸的BGL固定在功能化的磁性橡木颗粒（NFOak）上，开发了一种集成生物催化系统。综合表征证实了多孔磁性纤维素支架的成功制备。与游离酶相比，固定化的BGL在面对低pH值和高乙醇等酿酒压力时表现出显著更高的稳定性。此外，该生物复合材料的磁驱动功能提升了其水解性能，这可能归因于传质效率的提高。当应用于霞多丽（Chardonnay）和马塞兰（Marselan）葡萄酒时，该磁驱动系统有效水解了糖苷前体，显著增加了如芳樟醇（linalool）和苯甲酸乙酯（ethyl benzoate）等关键挥发性化合物的含量，从而增强了果香和花香特征。该处理还对葡萄酒的颜色和酚类成分产生了微妙的影响。安全性评估显示没有镍离子渗出，铁含量也符合酿酒标准。这项工作提供了一种可持续且高效的控制香气调节策略，结合了天然橡木载体的优势与磁驱动技术的操作可控性。

引言

β-葡萄糖苷酶（BGL）通过水解糖苷结合的香气前体并释放挥发性香气化合物（如单萜类物质芳樟醇和诺里索普伦oids（β-damascenone）在酿酒过程中起着重要作用，从而增强了葡萄酒的品种特性（de Ovalle等人，2021；Han等人，2021）。此外，BGL还能水解多聚丹宁等酚类糖苷，释放出具有更高生物活性的苷元，有助于提升葡萄酒的抗氧化能力（Zhang等人，2021）。然而，酵母和细菌体内的内源性BGL由于表达水平低及产物抑制作用，活性通常较低（Romero-Segura等人，2012）。因此，补充外源性微生物BGL对于增强葡萄酒中的香气和生物活性化合物的释放至关重要。

在酿酒过程中，由于低pH值和高乙醇浓度，外源性BGL的活性和稳定性往往较差。通过固定化酶可以提供一个保护性微环境，从而提升其催化性能（Bai等人，2025）。例如，将BGL共价固定在环氧树脂ES-103B上显著提高了其对高葡萄糖和高乙醇的耐受性（Wang等人，2023）。近年来，石墨烯、金属纳米颗粒和聚合物载体等纳米材料因其高表面积和可修饰性而受到关注（Singh等人，2025）。值得注意的是，固定在仿生二氧化硅纳米载体上的BGL在酿酒条件下增强了糖苷的水解作用，促进了香气的释放并改善了葡萄酒的感官品质（de Ovalle等人，2023）。此外，基于纳米材料的生物传感器利用固定化酶为葡萄酒成分分析和质量监测提供了新的可能性（Hosnedlova等人，2019）。除了传统方法外，金属配位策略（如镍离子-NH²⁺-组氨酸相互作用）可以实现酶的定向排列，不仅提高了结构稳定性，还支持了高效的多酶级联反应（Lau等人，2023）。尽管取得了这些进展，但在实现大规模工业应用之前，仍需解决可扩展生产和生物安全方面的关键问题。

橡木颗粒被国际葡萄与葡萄酒组织（OIV）认定为理想的酿酒辅助材料，因其具有多孔结构、稳定性、安全性和低成本而成为酶固定的理想载体（Berbegal等人，2019）。橡木主要由纤维素（40%）组成，通过氢键和疏水相互作用促进酶的吸附（Yu等人，2025；Zhang等人，2015）；其丰富的表面羟基基团允许进行化学修饰和稳定固定，减少了泄漏（Zhou等人，2025）。此外，BGL的纤维素结合域（CBD）实现了定向固定（Lu等人，2012），从而提高了酶的操作稳定性和重复使用性。除了作为载体外，橡木还通过释放单宁类物质（如鞣花单宁）改善了葡萄酒的陈酿过程，增强了结构和颜色稳定性（López-Solís等人，2024），同时释放出的香草醛和丁香酚等香气化合物丰富了葡萄酒的香气复杂度（Zheng等人，2025）。为了进一步提升这些天然载体的实用性，研究人员开发了改性复合材料，包括便于分离的磁性纤维素（Srasri等人，2018）和用于连续流生物催化的纳米颗粒功能化木材（Goldhahn等人，2020）。最近，受生物医学领域磁纳米机器人技术的启发（Ji等人，2022），出现了非接触式、定向推进和回收酶载体的新方法（Li等人，2017），为连续流生物反应器和食品工业中的精准应用提供了新途径（Gao等人，2024；Khan等人，2025）。

受医学领域磁纳米机器人技术的启发，我们通过赋予食品级橡木磁性（称为NFOak）并在此载体上固定重组的耐酸His标签BGL b1，设计了一种集成生物催化系统。优化了固定化过程，并对其结构和性能进行了表征。在静态条件下以及在外部磁场控制下的运动条件下，评估了其在葡萄酒中的香气释放效果。本研究旨在通过结合天然载体的优势、定向固定和磁驱动技术，开发一种协同增效的香气调节策略。

材料与葡萄酒样品

橡木颗粒（平均尺寸为14毫米×10毫米×4毫米）购自中国烟台德博仕酿酒设备有限公司。来自Oenococcus oeni的BGL（EC 3.2.1.21，BGL b1）在我们的实验室中进行了表达和纯化（Zhao等人，2024）。六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O）和六水合氯化镍（NiCl₂·6H₂O）由上海源叶生物科技有限公司提供。冰醋酸（HAc）和过氧化氢（H₂O₂）也用于实验。

NFOak的制备与表征

NFOak的制备过程如图1所示。首先对橡木颗粒进行温和的脱木质化处理，有效去除了木质素，同时尽量减少了对纤维的损伤，暴露出纤维素骨架（图1A）。随后对表面纤维素进行羧基化处理，利用丰富的羧基将预先合成的NiFe₂O₄磁性纳米颗粒固定在橡木表面（图1B）。木质素作为细胞壁中的填充物，在此过程中起到重要作用。

结论

本研究通过将耐酸的BGL固定在功能化的磁性橡木颗粒（NFOak）上，开发了一种集成生物催化平台。结构表征证实了该多孔支架的成功制备，实现了高效的酶装载。与游离BGL相比，固定化的BGL在低pH值、高乙醇、葡萄糖压力和低温等恶劣酿酒条件下表现出显著更高的稳定性。

CRediT作者贡献声明

赵玉珠：撰写初稿、数据分析。 顾华为：实验研究。 罗德里戈·莱德斯马-阿马罗：实验研究、概念设计。 何玲：数据分析、审稿与编辑、方法学研究、资金申请、概念设计。 石侃：撰写与编辑、实验研究、资金申请、概念设计。

未引用参考文献

Yang等人，2025

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了陕西省重点研发项目（2024NC2-GJHX-10）、国家自然科学基金（32572625）、渭南市科技计划项目（2025WNXNZX-2）以及中央高校基本科研业务费（Z1090325001）的支持。