基于知識圖譜的濃香型白酒釀造微生物可視化分析

于學健,鄭佳,張哲,王洪,白飛榮,王鵬輝,李輝,劉沖,姚粟*

1(中國食品發酵工業研究院有限公司,中國工業微生物菌種保藏管理中心,北京,100015)2(宜賓五糧液股份有限公司,四川 宜賓,644007)

濃香型白酒是以糧谷為原料,采用濃香大曲為糖化發酵劑,經泥窖固態發酵,固態蒸餾、陳釀、勾調而成的,不直接或間接添加食用酒精及非自身發酵產生的呈色呈香呈味物質的白酒(GB 10781.1—2021《白酒質量要求 第1部分:濃香型白酒》)。濃香型白酒因其窖香濃郁,香味協調,余味悠長的風味特點,成為最符合大眾消費者口味的白酒香型[1-2],近兩年市場占比約為60%[3]。濃香型白酒釀造過程中微生物的多樣性決定了其獨特的風味特點。目前,在濃香型白酒中共檢測到1 000余種風味物質,其中酯類物質種類豐富且占比最高[4-8]。

濃香型白酒釀造可分為糖化、酒精發酵和風味物質形成3個基本過程[9],其中,曲發酵制備和窖池發酵工藝中的微生物是決定其獨特風味的重要因素[10-11]。白酒發酵過程中,是由多種細菌、酵母和絲狀真菌共同發揮功能,核心功能微生物在關鍵發酵工藝的協調互作中形成了白酒的獨特風味。近年來,通過宏基因組高通量測序分析和可培養組學研究,在酒曲、窖泥及酒醅中均發現大量且多樣的微生物類群,并可初步解析其中微生物的動態演替規律[9,12-14]。

文獻計量學分析是通過統計學和信息學的理論和方法,對文獻進行數量和質量分析,并對文獻的發表時間、主題、作者和單位等因素進行量化分析,系統地反映該領域的前沿熱點和發展趨勢等。近年來,隨著對濃香型白酒釀造微生物相關領域研究的不斷深入,該領域文獻數量和質量都在不斷提升,然而該領域尚未有文章通過文獻計量學的方法對研究成果及內容進行可視化分析。本研究通過文獻計量學的方法,對2009年以來,該領域的中英文文獻進行統計和分析,并通過知識圖譜的形式,解析該領域研究的發展趨勢和作者、科研機構之間的合作關系,以更加直觀的方式展現該領域的科研進展。

1 材料和方法

1.1 數據來源

通過中國知網(China National Knowledge Infrastructure,CNKI),進行中文文獻檢索。在高級檢索中,選擇“篇關摘”選項,檢索“濃香型白酒+五糧液+國窖1573+洋河+劍南春+古井貢+水井坊+瀘州老窖+今世緣+舍得+雙溝”,增加搜索選項,選擇“篇關摘”選項,檢索“微生物+菌+菌株+菌種+細菌+真菌+霉菌+酵母+放線菌+己酸菌+梭菌+芽胞桿菌+乳酸菌+乳桿菌”,將兩個主題進行“和”組配,檢索時間為2009年1月1日—2022年12 月30日。共檢索到符合要求文獻1 017篇,分別統計標題、關鍵詞、摘要、作者、單位、文獻來源和被引頻次等信息。

通過Web of Science(WOS)核心合集數據庫進行英文文獻的檢索,檢索All Fields =“strong flavor or strong aroma”形成檢索式#1;檢索All Fields=“Baijiu or Chinese liquor or Chinese spirit”形成檢索式#2;檢索All Fields=“WULIANGYE or National pits 1573 or guojiao 1573 or YANGHE or JIANNANCHUN or GUJINGGONG or SHUIJINGFANG or LUZHOULAOJIAO or jinshiyuan or SHEDE or SHUANGGOU”形成檢索式#3,檢索All Fields=“Microorganisms or strains or bacteria or fungi or yeasts or mold or actinomycetes or caproic acid bacteria or clostridium or bacillus or lactic acid bacteria or lactobacillus”形成檢索式#4,將檢索式#1和檢索式#2進行“AND”組配,再與檢索式#3進行“OR”組配,最后與檢索式#4進行“AND”組配,檢索時間為2009年1月1日—2022年12月30日,檢索到符合要求文獻130分別統計標題、關鍵詞、摘要、作者、單位、文獻來源和引用量等信息。

1.2 研究方法

通過Excel軟件對文獻數據進行統計分析,并繪制相關圖表。通過CiteSpace 6.1軟件對中文及英文文獻數據集分別按關鍵詞、作者和研究機構進行聚類及關聯性分析。

2 濃香型白酒釀造微生物文獻分析

2.1 發文年份分布

通過統計各年份中英文文獻發表數量,分析濃香型白酒釀造微生物領域年度科研發展趨勢。

結果表明(圖1),濃香型白酒釀造微生物研究穩步發展,相關研究文獻不斷增多,研究的廣度和深度不斷提升。2007年中國酒業協會、江南大學、中國食品發酵工業研究院等單位啟動了“中國白酒169計劃”[15],該計劃提出對白酒特征風味物質及關鍵微生物進行深入研究,同時加強白酒微生物研究新技術的發展,隨著GC-MS、氣相色譜-嗅聞-質譜(gas chromatography-olfactometry-mass spectrometry,GC-O/MS)、PCR-DGGE等技術的發展和普及以及“169計劃”的推進,在2009—2012年,濃香型白酒釀造微生物領域發文量直線上升,2009年該領域中文年度發文量為26篇,于2012年達到72篇,主要以白酒風味物質組成、功能微生物和微生物群落結構分析為主。在2013年中國酒業協會提出了“中國白酒3C計劃”[16],該計劃主要科研方向包括白酒有益微生物的應用研究、白酒中影響口味的風味物質及功能化合物的研究、白酒群體微生物優化改良,在該計劃的推動及高通量測序等現代生物技術的快速發展下,2013年后濃香型白酒釀造微生物領域發文量穩步提升,在2013—2018年,該領域中文年度發文量保持在60篇左右。同時,在中文文章的基礎上,開始發表英文文章。2019年開始,該領域中英文文章年度發文量再次持續快速上升,中文文章年度發文量于2021年突破100篇;英文文章年度發文量也達到10篇以上,特別是在2021年和2022年,英文年度發文量均達到29篇。

圖1 2009—2022年濃香型白酒釀造微生物領域年度發文量Fig.1 The numbers of annual publications on strong-flavor Baijiu fermentation microorganisms from 2009 to 2022

2.2 研究熱點分布

關鍵詞是文章主題和中心觀點的高度凝練,通過對文章關鍵詞的總結和分析,可以快速歸納文章研究熱點,了解領域的研究現狀。通過CiteSpace,分別對1 017篇中文文獻及130篇英文文獻的關鍵詞進行可視化分析”選擇“Node Type”為“Keyword”,“Pruning”為“Pruning slied networks”,時間切片為1年。

中文文獻中,依據關鍵詞進行共線性分析,共有節點371個,連線766條,節點越大表明該關鍵詞出現頻次越高,不同顏色代表不同發表年份。如圖2及表1所示,中文文獻中出現頻次前10的關鍵詞分別為窖泥、白酒、微生物、大曲、己酸菌、酒醅、細菌、鑒定、風味物質和酵母菌。

表1 中英文文獻高頻關鍵詞Table 1 High frequency keywords in Chinese and English theses

圖2 中文文獻關鍵詞共線性分析Fig.2 Collinearity analysis of Chinese keywords

英文文獻中,依據關鍵詞進行共線性分析,共有節點225個,連線1 095條。如圖3及表1所示,出現頻次前10得關鍵詞分別為microbial community,pit mud,diversity,fermentation,prokaryotic community,identification,bacterial community,Chinese liquor,daqu和caproic acid。由關鍵詞可以得出,濃香型白酒釀造微生物領域英文文獻以微生物群落結構多樣性解析為主。

圖3 英文文獻關鍵詞共線性分析Fig.3 Collinearity analysis of English keywords

濃香型白酒具有窖香濃郁、香味協調的特點。窖池是濃香型白酒生產的基礎,其中窖泥作為濃香型白酒不可復制的核心優勢資源,蘊含了豐富的功能微生物,是決定濃香型白酒獨特風味的重要因素[7, 17]。而原位解析窖泥中的微生物群落組成,分離篩選窖池發酵過程中的核心功能菌種,利用純種發酵技術強化應用于窖泥的培養,可深入了解窖泥微生物主體功能菌,科學解碼濃香白酒傳統釀造工藝。近年來,高通量測序技術被廣泛應用于微生態菌群多樣性研究[18-19]。越來越多的研究者將這一技術應用于白酒釀造過程中微生物多樣性的研究。通過宏基因組高通量測序分析和可培養組學研究,濃香型白酒的酒曲、窖泥及酒醅中均發現大量且多樣的微生物類群。濃香型白酒的香味成分[20],以酯類成分占絕對優勢,它是這類香型成分的主體,大約占總香味成分含量的60%。其中已酸乙酯的含量是各微量成分之冠,是除乙醇和水之外含量最高的成分。己酸乙酯的高含量、低閾值,決定了濃香型白酒的主要風味特征。通過對微生物和酒體風味的關聯研究發現,己酸菌等菌種可生成己酸等有機酸、己酸乙酯等酯類風味物質[9,12,21]。因此,窖泥、微生物多樣性、大曲、己酸菌、酒醅、風味物質、己酸乙酯等成為研究濃香型白酒的核心主題。

2.3 研究團隊分析

通過對作者和研究機構進行共線性分析和聚類分析,可以反應該領域研究人員和機構之間的合作關系,同時了解該領域不同人員和機構的主要研究方向。此外,對發文量和被引量進行統計,直觀反應了不同作者和研究機構的科研產出率和學術影響力。

通過CiteSpace軟件對濃香型白酒釀造微生物領域中英文作者和研究機構進行可視化分析,選擇“Node Type”為“Author”或“Institution”,“Pruning”為“Pruning slied networks”和“Pathfinder”,時間切片為一年。聚類分析中,聚類標簽選擇關鍵詞,使用LLR算法。

2.3.1 作者分析

中文文獻中,依據作者的共線性分析中,共有節點462個,連線988條。如圖4所示,該領域作者之間關聯性強,交流合作密切。作者張宿義、王濤、游玲、趙東、黃治國、羅蕙波和徐占成研究時間跨度較大,持續產出。作者張文學、唐玉明研究成果主要集中于2016年之前,作者李安軍研究產出集中于2015年后。

圖4 中文文獻作者共線性分析Fig.4 Collinearity analysis of authors in Chinese literatures

對中文文獻中作者通過關鍵詞聚類,聚類號數字越小說明聚類中包含的作者越多。一般認為Q>0.3意味著聚類結構顯著,S>0.7意味著聚類結果足夠可信[22]。如圖5所示,中文作者的主要研究方向可分為理化指標、古井貢酒、16S rRNA、窖泥、篩選、空間異質性、功能菌、氨基甲酸乙酯和古菌。該聚類Q=0.794,S=0.950,說明聚類效果顯著,結果可信度高。

圖5 中文文獻作者聚類分析Fig.5 Cluster analysis of authors in Chinese literature

如表2所示,根據CNKI數據庫對中文作者進行統計,該領域中文發文量前三的作者分別為游玲、黃治國和王濤。作者游玲發文篇數最多,為42篇,其研究內容涉獵廣泛,包含酒糟綜合利用、微生物群落結構分析、菌株功能評價、白酒風味物質分析等。該作者與王濤等[23]合作密切,在2011年于《微生物學報》發表《宜賓濃香型白酒釀造過程中可培養細菌的系統發育多樣性》,該文章通過可培養的方法結合16S rRNA鑒定技術對濃香型白酒釀造過程微生物的變化和多樣性進行了詳盡的解析;作者黃治國共發文31篇,主要研究內容為濃香型白酒相關菌株的分離鑒定及微生物群落結構解析。該作者與衛春輝、羅惠波屬于同一科研團隊,該團隊在2015年于《現代食品科技》發表了《基于高通量測序的濃香型白酒窖池細菌群落結構分析》[18],這一研究建立了一套完整的窖泥微生物群落結構研究方法和相關數據分析方法,同時得到了川北地區不同窖齡的窖泥微生物群落結構;作者王濤共發文31篇,主要研究內容為濃香型白酒微生物多樣性研究及相關菌株功能特性的評價。在發文量前10的作者中,作者張文學文章的平均被引用次數最多,為23.12 次/篇,該作者的高引文章主要集中在2015年之前,內容多為濃香型白酒相關微生物系統發育分析及群落結構解析,如2011年發表于《釀酒科技》的《濃香型白酒不同窖泥的微生物群落特征分析》[24]、2011年發表于《應用與環境生物學報》的《貴州濃香型白酒大曲中霉菌的18S rDNA系統發育分析》[25]和2015年發表于《釀酒科技》的《16S rDNA克隆文庫法與高通量測序法在濃香型大曲微生物群落結構分析中的對比研究》[26]。

表2 中文發文量前10作者Table 2 Top 10 authors on Chinese publication

對英文文獻作者進行共線性分析,結果如電子版增強出版附圖1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.035775)所示,共有節點235個,連線560條。英文作者各聚集團之間區分顯著,分散度高,內部聯系緊密,外部合作較少。發文量10篇以上作者的主要研究成果多集中于2015年后。

對英文作者進行關鍵詞聚類分析,聚類Q=0.915,S=0.956,結果顯著可信。如電子版增強出版附圖2所示,英文作者形成的聚類較少,主要研究內容為白酒,難以對具體研究方向進行進一步區分,這與該領域英文文獻數量較少有關。

根據WOS數據庫檢索結果,對該領域英文發文作者進行統計,如表3所示,英文發文量前3的作者分別為沈才洪、徐巖和周榮清。作者沈才洪共發文17篇,主要研究方向為濃香型白酒相關菌株的分離鑒定和微生物群落結構解析,該作者在2019年于InternationalJournalofFoodMicrobiology發表文章Profiling theClostridiawith butyrate-producing potential in the mud of Chinese liquor fermentation cellar[27],該研究基于基因組測序結果,對白酒窖泥中產丁酸菌株進行靶向分離,為后續白酒中特定功能微生物的定向分離提供了參考;作者徐巖共發文14篇,英文文章平均被引用次數最多,為39.71 次/篇,其主要研究內容為濃香型白酒相關微生物群落結構解析及微生物對濃香型白酒風味的影響,其2016年在InternationalJournalofFoodMicrobiology雜志發表的文章Source tracking of prokaryotic communities in fermented grain of Chinese strong-flavor liquor[28],被引量達到122次,該研究通過16S rRNA測序,對不同時期大曲和窖泥中微生物群落對酒醅微生物結構的影響進行了詳細的分析;作者周榮清共發文13篇,主要研究內容為濃香型白酒大曲及窖泥中微生物群落結構解析及對風味物質的影響,該作者于2013年在WorldJournalofMicrobiologyandBiotechnology雜志發表文章Characterization of eubacterial and archaeal community diversity in the pit mud of Chinese Luzhou-flavor liquor by nested PCR-DGGE[29],該研究通過PCR-DGGE技術對濃香型白酒窖泥中細菌和古菌微生物群落結構的變化進行了分析,這一結果有助于進一步了解窖泥中微生物群落結構的空間差異,對濃香型白酒的生產和品質改進具有重要意義。

表3 英文發文量前10作者Table 3 Top 10 authors on English publication

2.3.2 研究機構分析

對濃香型白酒釀造微生物領域中文文獻中研究機構進行共線性分析,共有節點343個,連線331條。結果如圖6所示,各研究機構之間合作交流密切,濃香型白酒知名企業與高校、科研機構之間在學術上緊密聯系,說明該領域做到產學研結合,發揮各自優勢,能將科研成果用于實際生產中。

圖6 中文文獻研究機構共線性分析Fig.6 Collinearity analysis of institutions in Chinese literatures

對中文文獻中研究機構進行聚類分析,Q=0.809,S=0.962,結果顯著可信。結果如圖7所示,主要研究方向有:1)生香發酵,代表機構為瀘州老窖股份有限公司、國家固態釀造工程技術研究中心;2)系統發育分析,代表機構為宜賓五糧液股份有限公司、宜賓學院生命科學與食品工程學院;3)高通量測序,代表機構為安徽古井貢酒股份有限公司、安徽省固態發酵工程技術研究中心;4)dgge(變形梯度凝膠電泳),代表機構為四川水井坊股份有限公司、四川大學輕紡與食品學院;5)氨基甲酸乙酯,代表機構為江蘇洋河酒廠股份有限公司、江南大學生物工程學院工業生物技術教育部重點實驗室;6)黃水,代表機構為四川省綿陽市豐谷酒業有限責任公司、四川輕化工大學生物工程學院。聚類結果表明各濃香型白酒酒企在重點研究領域上區分明確。

圖7 中文文獻研究機構聚類分析Fig.7 Cluster analysis of institutions in Chinese literatures

根據CNKI數據庫對中文發文機構進行統計分析,如表4所示,為中文發文量前10的機構,可以看出該領域主要研究機構多處于四川省,這與該省盛產濃香型白酒有關。其中,文章平均被引量前三的機構分別為四川大學(15.74 次/篇)、江南大學(13.83 次/篇)和宜賓學院(11.21 次/篇),說明在該領域高校的科研影響力更大。

表4 中文發文量前10研究機構Table 4 Top 10 institution on Chinese publication

對該領域英文文獻中研究機構進行共線性分析,共有節點110個,連線156條。結果如電子版增強出版附圖3所示,與中文文獻不同,在英文發文量前10的機構中,主要以大學和科研機構為主,僅有宜賓五糧液股份有限公司和依托瀘州老窖股份有限公司組建的國家固態釀造工程技術研究中心兩家濃香型白酒企業。

對英文文獻中研究機構進行聚類分析,Q=0.915,S=0.956,結果顯著可信。如電子版增強出版附圖4所示,英文研究機構聚類情況與作者聚類情況相似,形成聚類較少,主要研究方向為中國濃香型白酒、瀘州風味白酒和強化大曲。

根據WOS數據庫檢索結果統計,該領域英文文章發文量前10的研究機構如表5所示。其中發文量最多的機構為國家固態釀造工程技術研究中心,在2009—2022年共發表英文文獻28篇,該研究中心于2009年12月獲國家科技部行文批準,依托瀘州老窖股份有限公司組建,是國家級科研與創新服務平臺,且與江南大學、四川大學等眾多高校合作緊密,科研產出迅速。江南大學在該領域英文文章發文量為26篇,位列第二,篇均被引量為26.25 次/篇,位列第五。四川大學英文文章發文量為24篇,位列第三,篇均被引量為32.25 次/篇,位列第二。這兩所高校長期從事濃香型白酒釀造微生物相關研究,在科研產出及科研影響力上都位居前列。此外,中國科學院和四川大學英文章篇均被引量分別位居一、二(37.32次/篇、32.25次/篇),學術影響力大。與中文文獻統計結果相似,該領域高校及科研機構的科研影響力更大。

表5 英文發文量前10研究機構Table 5 Top 10 institution on Chinese publication

3 結論與討論

本文通過文獻計量學結合知識圖譜可視化分析的方法,對近十余年濃香型白酒釀造微生物領域中文及英文文獻進行了系統的梳理和總結。分析發現,該領域研究歷史悠久,早期研究成果多集中于中文文獻,后隨著研究的不斷深入,具有國際影響力的文章不斷增多。目前,該領域的研究仍處于蓬勃發展的階段,研究的深度和廣度不斷提升,科研人員之間交流密切,各濃香型白酒企業與高校及科研機構廣泛合作,發揮各自優勢力量,推動行業不斷進步。

通過摘要對該領域中英文文獻的主要研究內容進行歸納總結,得到濃香型白酒微生物研究主要集中于微生物群落結構及物種多樣性解析,微生物酶系結構、組成及功能解析,生產環境與微生物群落之間的相互作用,微生物及白酒風味組學分析,菌種功能評價及發酵強化應用等。白酒微生物組具有微生物物種豐富、酶系功能復雜多樣等特點,長期實踐形成的獨特發酵工藝中蘊含的科學內涵還有待深入剖析,但從系統生物學角度揭示酒曲微生物組的特征及其對白酒發酵代謝的調控機制研究還較為匱乏,基于微生物學、功能基因組學、代謝組學、生物信息學和系統生物學等微生物組學技術的整合分析,在白酒微生物組特征解析、調控理論、重構技術研發等領域具有廣闊的應用前景。