基于文献计量分析细胞破壁技术的研究现状与发展趋势

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(1.南京财经大学食品科学与工程学院,江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心,江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室,江苏南京 210023; 2.广东食品药品职业学院,广东广州 510520)

细胞破壁技术亦称细胞破碎技术,是利用物理、化学和生物的单一或复合手段,使细胞壁或膜破裂,从而将细胞内丰富又高附加值的有益功能物质有效释放与分离的超微加工技术,是目前应用极广的一种高科技技术[1-2]。细胞破壁方法很多(如图1),目前细胞破壁的方法主要有物理法、化学法、生物酶解法和复合法四类[1],物理法最为常见,但设备要求和成本都高,存在高压匀浆的匀浆阀易被亚细胞器损坏、大容量声能装置散热困难和低温环境难以建立等问题;生物酶解法存在产物抑制、生产效率低等局限性;化学法虽然便于规模化生产,但有机溶剂(如苯、甲苯)、表面活性剂等化学品有一定毒性,易造成生产和产品的安全性问题;复合法有综合物理法、化学法和生物法优点的特征,避免了单一破壁技术弊端,为最具发展潜力的方法。

图1 细胞破壁方法Fig.1 Cell wall breaking methods

细胞破壁技术在食品、医药、生物和化工等众多领域展现了无穷的发展潜力,尤其是在我国传统中药材改进提升方面有突出的作用。在“一带一路”的新经济新常态下,细胞破壁技术将为我国的中医药、食品、生物化工、现代农业等产业更好地走向世界发挥巨大作用。为此,本文对细胞破壁技术进行文献计量与分析,以期为其更稳健的发展抛砖引玉而尽绵薄之力。

1 研究方法

选用中国知识资源总库(CNKI)检索自1979.01.01～2017.12.31以来收录的细胞破壁技术的中文文献,在高级检索下选择“基础科学”、“工程科技Ⅰ、Ⅱ”、“农业科技”、“医疗卫生科技”、“信息科技”和“经济与管理科学”共7个子库,以主题名为“细胞破壁”或含“破壁技术”匹配 “模糊”检索方式,共检索到659篇文献资料;在中国专利数据总库中以“细胞破壁”或含“破壁”为专利名称匹配 “模糊”检索方式检索自1985.01.01～2016.12.31(申请日期)以来所有专利,共检索到837项,其中发明专利484项,外观设计230项,实用新型123项。利用中国知识资源总库(CNKI)分析工具对“全部检索结果”进行“计量化可视分析”,将数据用Microsoft Excel软件处理,结合“对比分析”加以人工整合统计后,得到文章中各图表。

2 载文文献的分析

2.1 年度分布分析

从CNKI收录的中文文献资料统计结果分析见表1与图2,破壁技术文献发展大致可分为四个阶段:朦胧孕育期:1990年之前国内仅有24篇文献,数量少且发展缓慢。“破壁”一词最初出现在李洪德[3]针对提高改进探矿采矿技术的“用破壁方法增大泥浆钻孔出水量”(《探矿工程(岩土钻掘工程)》,1979(6))中,随后研究方向转变为对小球藻和花粉的破壁研究,此阶段研究集中在机械破壁方面,涉猎面狭窄、方向单一;茁壮成长期:1991～2000年文献数量较以往有了极大的发展且增长稳定,并在1994年扩充到皮状丝孢酵母破壁条件的研究,破壁技术实现了突破性进展;2000年开始探究破壁食用菌的应用价值和现实意义;快速发展期:2001～2010年关于破壁技术的文献数量激增至308篇,且质量明显提高,研究领域拓宽、成果丰硕,该技术大范围地应用到实际,并不断精进优化,在药学、医学、食品科学等方面有了突出贡献;稳健成熟期:2011～2017年有276篇文献,增长较为平缓,研究内容大多是对以往技术的改进,处于相对稳定的发展阶段。

表1 不同年代与破壁技术相关文献数量Table 1 The number of documents related to wall breaking technology in different years

图2 破壁技术相关文献分析Fig.2 Analysis of related literatures on wall breaking technology

2.2 基金来源分析

1979年～2017年期间,资助破壁技术研究的基金项目共39种,130项。国家级资助项目有7种,受资助项目达66项,占50.80%,以国家自然科学基金(43项)居首,其主要资助领域为农业科技与医疗卫生科技;省级资助项目22种,受资助的项目达46项,占35.58%,以湖南省科委基金(10项)居首,其主要资助文献大多是对植物微粉细胞破壁率的测定;其他基金资助项目10种,受资助的项目18项,占13.85%;国家及各省市基金项目的资助必将帮助破壁技术研究的发展与难点的攻破(见表2)。

表2 破壁技术研究的基金来源(前10位)Table 2 The funding source of research on wall breaking technology(Top 10)

国家和地方高度重视破壁技术的研究,特别是基础科学研究的资助标杆——自然科学基金项目,占全部项目的33.07%,这证明破壁技术是我国一个极为重要的基础性研究课题。这一研究的突破将给其相关下游产业及产品带来质的飞跃和巨大经济、环境和社会价值。

2.3 关键词分析

经统计破壁技术文献中的高频关键词,结合“关键词共现网络”,除去“破壁”“细胞破壁”“破壁技术”等非实质性的关键词,合并“灵芝孢子粉”“灵芝孢子”“破壁灵芝孢子粉”等相似关键词后,整理出词频大于20次的关键词(见表3)。结果反映出破壁技术主要集中在灵芝孢子粉、花粉以及破壁率的研究,在多糖、破壁饮片等方面的研究也较深入,破壁技术多以超微粉碎、超声波等物理方法辅助。破壁饮片属当下研究的热点,且潜力巨大,有利地促进了我国中药及功能性食品生产从传统的作坊式向现代的标准化智能化规模化生产发展,并加速其国际化进程。

表3 破壁文献中的高频关键词Table 3 The high-frequency keywords in wall breaking technology documents

2.4 内容层次分析

目前破壁技术研究热点在于对食用菌破壁优化方法的探讨[4],对中药饮片的创新思路的探讨[5],不同破壁方法对破壁质量(破壁率、破壁速率和破壁产品品质等)影响的探讨[6]等方面(见图3)。由图3可知,目前破壁技术研究主要集中在轻工业手工业、中药学、工业经济、生物化工、蚕蜂与野生动物保护等领域。在中医药上,破壁技术的应用提高了中药材的利用率,使中药品质明显提升,药效更好[7-8];在食品领域,破壁技术为充分发掘食品原料的潜在功能性成分、提升食品营养和保健价值[9],推动产生了超能破壁机的创造发明,并加速健康食品的升级换代[10]。

图3 破壁技术相关文献的内容层次分析Fig.3 Content hierarchy analysis of relevant literatures on wall breaking technology

2.5 期刊和专利的分析

2.5.1 载文期刊 分析经统计,CNKI收录期刊中刊载破壁技术文献期刊达46种,如表4所示的载文量前10的期刊,刊文共104篇,占比42.64%,其中《食品工业科技》最多,达24篇占比9.84%;涵盖的内容主要有:中药学、生物学、预防医学与卫生学、肿瘤学、中医学、临床医学、药学、林学和农学等领域,说明破壁技术的文献载体具有聚散性特征,符合文献信息离散分布规律——布拉德福(Samuel Clement Bradford)定律[11]。

表4 载文量排序前10的期刊Table 4 The journals whose amount of downloads rank 10

2.5.2 载文专利分析 经统计破壁技术的专利有837项(见表5),其中发明专利484项,实用新型123项,外观设计230项;其行业分布主要为轻工业手工业427项占49.77%,中医药125项占14.57%,工业通用技术及设备80项占9.32%。从1979年以来我国破壁技术的专利轻工业手工业始终占有最大的比重,并在2016年发生突跃,其专利数量从2015年61项猛增到230项,增长率达377.0%;而中医药、工业通用技术及设备和生物和化工等行业的相关专利数量增长相对较平稳,始终保持在50%～80%增长幅度内。

表5 载文专利分析Table 5 The patent analysis of downloading documents

从专利的属性来看,在1985～2000、2001～2010和2011～2017年这三个时期,我国破壁技术的专利数始终是发明专利多于实用新型和外观设计专利。这从一个侧面反映了我国在破壁技术研究方面始终坚持了自主创新的发展道路,进入21世纪后我国破壁技术的专利文献进入了快速发展阶段,其环比增长速度都超过了3倍,除发明专利继续稳健外(占比稳定在50%以上),实用新型专利和外观设计专利有了快速而迅猛地发展,占比都从2000年前的9.68%和6.45%,发展到目前的17.52%和30.54%的较好状态,这也充分证实破壁技术研究是项基础的研究工作,其研究成果惠及相关行业或产业,带动和引领相关行业或产业的转型升级,形成新的经济增长引擎且拉动了经济快速增长。但是我国破壁技术的研究并未达到卓越的理想境地,创新能力、创新水平和创新面都有待进一步提高。

2.6 被引分析

经统计,被引次数>100次的文献有张代佳等[12]的“微波技术在植物胞内有效成分提取中的应用”《中草药》2000(9)被引420次,杨翠竹等[13]的“酵母细胞破壁技术研究与应用进展”《食品科技》,2006,31(7)被引122次,仅此两篇;被引次数在50～100次的有唐维等[14]的“花粉破壁方法的研究进展”《食品与发酵工业》,2003(2)被引85次,关天增等[15]的”浅谈超微粉碎”《中国中药杂志》,2002(7)被引67次,林志彬等[16]的”灵芝孢子及其活性成分的药理研究”《北京大学学报(医学版)》,2006(5)被引64次等,共计11篇。被引<10次的有532篇,其中大多数是被引为0或1的,甚至有一稿多发现象。由于被引次数的时效性,发表早的文献被引次数在理论上多于发表晚的文献,但仍无法掩盖文献之间质量相差悬殊的事实。因此,科研人员应兼顾文献的数量及质量,并加强业内的沟通与合作,全面提升我国破壁技术研究水平,杜绝学术不良行为。

2.7 研究机构分析

经统计目前参与破壁文献的研究机构有30多家,几乎遍布全国各省市自治区,其中高等院校最多。排名前10的机构中有9个高等院校(见图4),这表明我国高校在破壁技术上有雄厚的科研能力和强大的科研队伍,这是推动了破壁技术发展的主力军。各大机构的研究特色和风格不尽相同,发文最多的江南大学(19篇)主要是研究破壁食物营养成分及其测定分析;发文亚军的广东中山市中智药业集团有限公司(17篇)主要是中药破壁饮片的研发;发文季军的福建农林大学(13篇)主要是花粉破壁方法的研究与优化。这也标志着一个百花齐放的中国破壁技术研究正在形成和壮大。

图4 文献研究机构的发文量Fig.4 The number of literatures published by domestic research institutions

3 展望

通过对CNKI收录的中文细胞破壁技术文献的计量分析得知:当前该技术的研究热点主要集中在灵芝孢子、花粉和冬虫夏草等名贵中药饮片的创新[17-18]和对食用菌、天然香料等功能性食材破壁技术的优化与新设备的创制[19]等方面,且成绩斐然;但该技术目前还面临着一些问题,例如:操作过程中难以均匀恒定地维持低温或超低温状态[20],缺少精准而通用的细胞破壁动力学模型;有关细胞破壁热力学及其机理的研究有待深入,家庭小型果蔬破壁料理机、破壁美肤仪和集高效溶出与分离于一体的破壁设备等专用仪器的研发还有巨大的发展空间[10];细胞破壁技术目前也仅应用于某些中药和食品加工等领域。这些都需要广大研究人员充分利用现代人工智能、信息化和大数据等新科技手段与细胞破壁技术深度融合,打造出新一代细胞破壁新技术,解决上述难题和提升对难吸收利用的食品及其原料加工技术,加速促进环境污染物的降解以改善环境[21]、建立科学合理的中药标准化质量保证体系[22],以推进中药国际化进程[23]和升级化妆品效能与品质[24]等诸多生产与社会的需要。

细胞破壁的方法将趋向于复合法,该方法在一定程度上能减少有害化学物质的使用,提高生产效率,降低能耗;在加速细胞破壁技术科研进程、提高破壁产品质量的同时,要实施科学有效的策略进行市场推广,提高市场占有率,加速产业化进程,使破壁技术能够从实验阶段真正地转化为生产力,从而获得经济效益;在推动传统中药和中国美食更好地走向世界的进程中,细胞破壁技术也将成为不可或缺的辅助研发手段。相信在全体科研工作者的共同努力下,细胞破壁技术将日益完善,在医药、生物、农业、食品和化工等诸多领域起到中流砥柱的作用。