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基于CiteSpace可视化分析的茶叶香气研究进展

2020-04-20银霞黄建安黄静包小村周凌云李维刘红艳张曙光刘仲华

茶叶科学 2020年2期

银霞,黄建安,黄静,包小村,周凌云,李维,刘红艳,张曙光*,刘仲华*

基于CiteSpace可视化分析的茶叶香气研究进展

银霞1,2,3,4,黄建安1,3,黄静2,4,包小村2,4,周凌云2,4,李维2,4,刘红艳2,4,张曙光2,4*,刘仲华1,3*

1. 湖南农业大学茶学教育部重点实验室,湖南 长沙 410128;2. 湖南省茶叶研究所,湖南 长沙 410125;3. 国家植物功能成分利用工程技术研究中心,湖南 长沙 410128;4. 农业部湖南茶树及茶叶加工科学观测实验站,湖南 长沙 410125

以1979—2019年WOS(Web of science)和CNKI(China national knowledge infrastructure)收录的茶叶香气品质相关文献为研究对象,采用CiteSpace文献计量方法分别从年代、作者、机构、国家、研究热点、演进趋势等方面进行归纳统计分析。结果表明,2006年以后相关研究文献呈显著增长趋势,目前已形成稳定的核心作者群,但各群体间的合作研究相对较少;在该研究领域,我国影响力最大,其次是日本和美国;热点研究内容主要集中在香气形成机理、香气物质提取方法、检测手段及关键香气物质等方面。综上结果,结合时区图谱,进一步指出茶叶香气的研究历程及目前所处的发展阶段。

茶叶;香气;CiteSpace;可视化;知识图谱;进展;热点

香气是决定茶叶品质的重要因子之一,对茶叶风味、等级评定以及大众消费导向等都具有十分重要的作用[1-2]。上世纪五十年代开始,国内外科研工作者开展了关于茶叶香气的研究工作[3-4],随着研究手段的不断进步,科研学者们对香气品质的研究不断丰富,从不同视角和方法对不同茶类进行了相关研究[5-9]。然而,有关茶叶香气研究的综述文献仍然较少,且大多为文献资料的归纳和总结,缺乏基于知识图谱对文献的系统性分析总结。CiteSpace知识图谱由陈超美开发,基于共被引分析、寻径网络算法等方法,通过数据挖掘、信息分析、图谱绘制,展现特定学科领域的知识结构,可直观地表现知识群的演化过程,在计算机科学、信息科学以及医学等领域得到广泛应用[10],但在茶叶研究方面鲜有报道。

因此,本文尝试基于WOS(Web of science)和CNKI(China national knowledge infrastructure)数据库,运用文献计量学软件CiteSpace绘制茶叶香气研究的科学知识图谱,对国内外茶叶香气研究领域的年代分布、作者分布、机构分布、国家分布、研究热点、演进趋势等进行量化对比分析,以期掌握目前茶叶香气研究现状,并为未来茶叶香气品质相关研究提供参考。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本文的文献数据来源于Web of science(WOS)数据库和中国期刊全文(CNKI)数据库,数据采集于2019年8月26日。检索策略及获得的文献数见表1。其中,外文和中文文献数据分别选自WOS数据库和CNKI数据库,检索年度跨度均为1979—2019年。除重后最终得到中文文献521篇、外文文献778篇。

1.2 研究方法及工具

本研究采用的知识图谱工具是由美国Drexel大学陈超美博士基于Java平台开发的CiteSpace(版本号:5.5.R2)。通过绘制合作、共被引、关键词共现、热点演进等网络图谱,对国内外茶叶香气研究领域的年代分布、作者分布、机构分布、国家分布、研究热点、演进趋势等进行对比分析,从而了解该领域的研究力量、发展动态和热点演进趋势。

2 国内外茶叶香气研究的时空分布特征

2.1 时间分布特征

国内外茶叶香气研究文献的年代分布如图1所示。从图中可以看出该领域研究发文数整体呈上升趋势,研究过程可分为4个阶段:(1)1979—1992年,该阶段文献数量较少,主要是由于学者们早期相关研究处于起步阶段,研究并发表的文章较少。1981年,茶叶专业定名为茶学专业,并被纳入国家本科目录,同年全国名优茶座谈会在南京召开,极大的促进了国内茶叶生产与科学研究,茶叶香气研究对象从煎茶和红茶逐渐扩增至乌龙茶、红茶、龙井茶、茉莉花茶等。(2)1993—2005年,中文文献数量增长速度不明显,而外文文献数量处于缓慢上升阶段。这段时间是国内茶叶从计划经济向市场经济转轨、新旧制度交替的阶段。期间1993—1995年由于政策和体制未适时调整,全国出现“卖茶难”的现象,茶园荒芜,部分地方毁茶改植,茶叶产销下降,科研水平也有所停滞,发文量史上最低;1996年经过调整税收,扩大了企业出口经营自主权,产销逐步恢复,科学研究也得以恢复缓慢发展[11]。(3)2006—2011年,波动上升阶段。该阶段研究文献开始有明显增加,虽然部分年份有所下降,但总体呈上升趋势。中文发文量增至每年10篇以上,外文发文量保持在20篇左右。(4)2012年至今,快速发展阶段。该阶段的文献呈迅猛增长趋势,到2018年底,中文和外文文献发文量分别为45篇和79篇。

表1 数据来源及检索策略

2.2 空间分布特征

2.2.1 作者分布

本文通过分析核心作者和作者之间的合作两方面来讨论茶叶香气研究作者的分布情况。核心作者是指在该研究领域具有重要影响力的科研工作者,其研究方向代表着该领域的重点和未来趋势,且很大程度上体现了该领域的研究水平[12]。而不同作者之间的合作可促进学科之间的交流和发展,从某种程度上也反应了研究水平和发展阶段。

通过软件绘制知识图谱可清楚地反映作者间的合作情况,外文作者的合作分布图谱如图2。图2中节点大小表示发文数量多少,研究者之间连线的多少表示合作的紧密程度。可以看出,LIN Zhi、LV Haipeng、ZHU Yin等形成了一个研究群体,节点间的连线较紧密,表明该群体内的作者有较强的合作研究关系。同样,YANG Ziyin、ZENG Liang、DONG Fang等也形成了较强的合作关系。总体上,目前国际上茶叶香气研究一共形成了9组合作群体,群体中合作较频繁,但群体间的交流则较少。

图1 WOS和CNKI中有关茶叶香气研究文献的年代分布

表2 外文核心作者分布情况

注:图中节点大小表示发文数量多少,研究者之间连线的多少表示合作的紧密程度

表3 中文核心作者分布情况

通过中文文献作者的合作图谱(图3)可见,目前国内茶叶香气研究基本形成了以林智、周红杰、刘盼盼、吕世雄等为核心的作者群。国内核心作者交流很多,尤其是发文量前四的核心作者林智、吕海鹏、张悦、朱荫,组成了一个研究群体。但整体而言,群体间的交流合作相对较少。

2.2.2 机构分布

国际机构分布:通过机构合作情况可知某一领域的研究力量分布,借助CiteSpace绘制研究国际机构的合作图谱(图4),发现中国是茶叶香气领域的主要发文国家,其中中国农业科学院和安徽农业大学是主要研究机构,共发文100篇,占全世界发文总量的29.14%。中国农业科学院以对内交流为主,与安徽农业大学、中国计量大学、南京农业大学、华中农业大学、广东茶叶研究所、广东暨南大学、中国水产科学研究院等交流密切,此外与静冈县农林研究所、静冈大学、新加坡国立大学也有良好互动;而安徽农业大学则与国外合作更为频繁,与加拿大农业和食品农业、孟加拉国茶叶研究所、德国慕尼黑理工大学、美国罗特格斯州立大学建立了良好的合作关系。国外机构以日本静冈大学、印度贾达普大学、美国罗特格斯州立大学位居前三。

国内机构分布:由图5可知,国内发文数量较多的研究机构为中国农业科学院研究生院(中国农科院茶叶研究所)和农业部茶树生物学资源与利用实验室,它们形成了国内茶叶香气的主要研究机构,且两个机构合作关系良好;在对外合作方面,前者以对内为主,而后者则更侧重对外合作交流。从合作关系看,各机构间的合作研究较分散,体现合作研究关系的节点有15组,但大多只有两个节点,且通常处于同一城市或部门,如云南农业大学普洱茶学院和云南省香料研究开发中心、福建农林大学茶叶研究所和福建农林大学园艺学院等;从机构的合作研究情况看,研究力量最强的两个机构合作关系良好,而其他跨省份合作研究较少。

2.2.3 国家分布

国家合作图谱如图6所示,中国、日本、美国、印度、德国节点较大,表明这几个国家在该领域相关研究较多,且它们之间连线较密,可知这些国家间的相互合作研究较频繁。

图3 中文作者合作分布情况

图4 国际机构分布

图5 国内机构分布

中介中心性(Centrality)是对节点在整个网络中发挥作用大小的度量,一个节点的中介中心性越高,表明其在网络中的连接程度就越强,影响力越大[14]。一般来说,节点的中介中心性≥0.1,说明它是关键节点。经统计可得排名前8的国家发文数量和中介中心性(表4),其中中国的发文数最多(274篇),占发文总量的35.22%,中介中心性为0.25,可见我国在该领域研究影响力最大;其次是日本,发文量为127篇,占发文总量的16.32%,中介中心性为0.24,是关键节点。第3名是美国,发文量为91,中介中心性为0.15,这表明美国虽然不是茶叶生产大国,但因其强大的科研实力在该领域仍贡献较大。

3 茶叶香气研究热点与演进趋势分析

3.1 外文文献茶叶香气研究热点聚类

研究热点挖掘通过关键词共现来实现。关键词是文章的主题提炼,能体现文章的核心内容,因此可通过关键词出现的频率进行统计和聚类分析,从而把握该研究领域的热点。

笔者将检索到的778篇外文文献导入CiteSpace软件,时间分区为1年,采取Pathfinder和Pruning sliced networks进行网络修剪凸显重要结构特征。聚类标签提取方式为对数似然率算法,其他设置默认值,运行后可得关键词聚类图谱(图7)。由图7可知,基于热点词共聚成7类,modularity均值为0.48,silhouette均值为0.47,且主要聚类silhouette值均不低于0.70(表5),表明聚类效果良好。

3.2 中文文献茶叶香气研究热点聚类

将通过CNKI数据库检索到的521篇文献全部导入CiteSpace软件,运行完成后可得关键词聚类图谱(图8)。由图8可知,共形成聚类10类,并对其进行分析,结果见表6。

3.3 茶叶香气研究热点分析

对比中文和外文文献中茶叶香气研究热点聚类,发现热点领域有相同点,如都集中体现在香气物质探究、检测手段等方面。但外文文献相关研究更为深入,还包括香气物质形成机理研究等方面,而中文研究热点更多的是关注不同茶类和加工过程中香气物质变化,聚类大多以茶类命名。为了对该领域热点进行更全面的分析,本文将国内外茶叶香气的研究热点归纳为以下几类。

图6 国家分布

表4 排名前8位的国家发文量及中介中心性

表5 外文文献茶叶香气研究热点聚类

图7 外文文献茶叶香气研究的热点词聚类

图8 中文文献茶叶香气研究的热点词聚类

表6 中文文献茶叶香气研究热点聚类

香气形成机理:自Takeo等[15]早期研究发现香叶醇和芳樟醇可通过水解产生后,上世纪八九十年代,学者们主要围绕香气前体物质展开香气形成机理的研究,并一致认为其中糖苷类物质水解是香气形成的重要途径,尤其以樱草糖苷和葡萄糖苷水解为主要代表[16]。如Kobayashi等[17]发现己烯基-吡喃葡萄糖苷是绿茶香气主要前体物质,Guo等[18]研究表明()-芳樟醇、苯乙胺是乌龙茶香气主要前体物质。随后,Ogawa等[19]和Ijima等[20]在90年代末对糖苷酶进行了分离纯化。然而近年来,有学者对糖苷类物质水解为茶叶香气形成的主要途径这一说法提出了质疑,如Gui等[21]研究发现,糖苷酶和前体物质有细胞壁阻隔,经加工破损细胞壁后,吲哚等特征挥发物含量未增加,反而降低,且在乌龙茶制作过程中,大多数糖苷酶结合态香气物质含量没有降低,糖苷酶在蛋白质或基因水平未被激活,因此可认为糖苷类物质水解反应并非是挥发性化合物形成的主要原因。此外,茶叶经小绿叶蝉危害后形成的花果香也引起了学者们的关注和研究。如Cho等[6]研究表明,东方美人茶独特花果香的产生是通过激发植物的防御反应机制,促使应激反应蛋白同源的各种蛋白上调,从而促进芳樟醇氧化物、苄醇、2-苯乙醇和2,6-二甲基-3,7-二烯-2,6-二醇等主要香气物质富集。总体而言,香气形成机理有待进一步研究揭示。

提取方法:香气物质提取是香气分析的第一步,由于茶叶香气含量低微、成分复杂、易挥发、不稳定,在提取过程中易发生氧化、聚合、缩合、基团转移等反应,因此选择茶叶香气提取方法十分重要,其直接关系到茶叶香气的定性和定量分析结果[22]。同时蒸馏萃取法(SDE法)装置自Likens和Nickerson设计后,就因其能获得高浓度的香气物质而得到了广泛应用[23-27]。有研究表明,SDE法比其他蒸馏法得到的香气组分更为丰富[8,23],但因长时间高温作用,茶叶中热敏性物质发生了较大变化,如不饱和脂肪酸氧化降解生成脂肪族醇和对应醛,糖苷类化合物水解释放出芳樟醇、香叶醇等游离态香气物质,-胡萝卜素热降解生成-紫罗酮等香气成分[28-29],导致提取的香精油与茶叶实际香型存在较大差异,如具有水闷味,带有木质、收敛和刺激性[30]。除SDE法外,柱吸附法(TLA)[31]、顶空吸附法(HAS)和减压蒸馏萃取法(VDE)[22]、超临界流体萃取法[32]、超临界CO2萃取法(SFE)[33]也被学者们用于香气物质的提取。近年来,固相微萃取(SPME)因其快速、高效、低成本、低污染而被广泛应用,与SDE技术相比SPME对茶叶香气的表征更为有效[34-35],为茶叶香气成分分析提供了一种快速有效的研究手段。

检测手段:对香气的组分检测主要包括气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)和气象色谱-嗅闻测量法(GC-O)。GC-MS法是目前茶叶香气分析中最常用的检测技术[36-41],多与SPME联用,具有分离效率高、鉴别能力强、易于定性等特点;GC-O技术最早在1964年由Fuller等提出,对鉴别特征香味物质及其强度、作用大小均有比较良好的效果,多与GC-MS联合使用,对分析香气贡献率方面具有良好作用[42-49]。此外,电子鼻技术作为一种新兴的智能仿生技术,在茶叶品质区分方面有良好的应用,如Dutta等[50]尝试采用电子鼻区分不同加工工艺的茶叶,高林等[51]发现使用电子鼻技术能有效区分不同等级、储藏年份的普洱茶;但目前电子鼻技术存在传感器灵敏度不高、漂移影响大等问题,需进一步改进[52]。

香气物质:不同茶类特征香气物质一直是国内外研究热点,通过CiteSpace软件获得的高被引和高中介中心性的文献大多属于此类。如Wang等[7]研究发现,发酵是发酵茶香气形成的重要环节,反式-2-己烯醛、苯甲醛、甲基-5-庚-2-酮、水杨酸甲酯和吲哚5种物质总浓度对于半发酵和全发酵茶具有良好鉴定作用;Lv等[9]在26个普洱茶和茯砖茶样品中共鉴定出93种香气成分,其中普洱茶以甲氧基酚类化合物含量最多(31.77%),而茯砖茶以酮类化合物含量最多(25.42%),并可根据挥发性物质良好区分;Vilma等[53]比较了速溶茶和红茶风味物质差异,结果表明两者香气物质差异不大,速溶茶可作为红茶的良好替代品。Christian等[48]研究发现了茶成分(,,)-2,4,6-壬三烯是茶汤中关键增香剂,并证实了芳樟醇和香叶醇对茶叶香气的重要作用。Jumtee等[54]通过香气物质构建了日本绿茶等级评价模型,并指出香叶醇、吲哚、芳樟醇、茉莉酮等物质是香气活性物质。此外,茶叶加工过程中香气物质变化也是关注热点,如Katsuno等[55]研究了低温贮藏绿茶中香气化合物的特征及其生化形成,Lv等[49]探究了普洱茶加工过程中香气变化规律等,但环境因素对茶鲜叶挥发性成分含量的影响研究相对较少,其中Yang等[56]研究发现遮荫处理可显著增加挥发性苯丙/苯类化合物(VPBs)等物质含量。

3.4 热点词演进趋势分析

CiteSpace不仅可对热点进行聚类分析,还可对热点词的演进趋势进行分析,如时区视图(Timezone)是一种侧重于从时间维度上表示知识演进的视图,它可清晰展示出文献的更新和相互影响,呈现关键词热点演进趋势[57]。基于CiteSpace绘制出的茶叶香气研究热点演进时区图谱见图9和图10。图9和图10是以时间为横坐标,节点表示热点关键词,节点大小表示词频,它们之间的连线表示热点词在时间上的演进趋势。从图9可见,国际茶叶香气热点词演进大致可分为4个阶段:

第一阶段为1979—1992年,为研究初始阶段,尚未形成明显的研究热点。

第二阶段为1993—1997年,为研究起步阶段,其关键词有aroma、green tea、black tea等。

第三阶段为1998—2004年,为研究的发展阶段,学者们重点关注香气形成机制。1998年首次出现关键词formation mechanism,2001年开始探究香气前体物质和关键成分,precursor成为关键词首次出现,trans linalool成为关注的重要物质。

第四阶段为2005年至今,伴随检测手段的更新迭代,香气研究进入飞速发展阶段。Solid phase micro extration、electronic nose、GC-MS、GC-O、flight mass spectrometry、gc×gc-tofm作为检测方法热点词分别于2005、2007、2007、2016、2018、2019年首次出现。由于检测手段的进步,借助智能和精密仪器,不同茶类香气物质检测和分析判别成为热点,Identifiction成为这个阶段的代表性关键词,自2005年出现后,作为关键词出现频率高达69次。

由图10可知,国内茶叶香气物质研究也可分为4个阶段,1979—1992年为起始阶段,关键词有香气物质、茶叶、红茶、茉莉花茶、乌龙茶等,表明科研人员开始关注不同茶类的香气物质;1993—1999年为停滞阶段,没有出现新的关键词,主要由于外部环境原因我国相关研究文献在此阶段数量较低所致;1999—2006年,又有少量关键热点词出现,白茶香气开始被关注;2006年至今,学科迅猛发展,检测手段不断更新,涌现出气相色谱、气质联用、顶空固相微萃取等研究新热点,科研工作者重点关注产地、品种、工艺、储存等对香气品质的影响。

4 结论与展望

4.1 结论

本文运用CiteSpace文献计量软件主要对WOS和CNKI数据库中关于茶叶香气研究领域的国内外文献进行了对比分析,绘制了国内外茶叶香气研究热点的聚类图谱及热点词演进趋势图谱,并从年代、作者、机构以及国家等方面进行了分析,主要结论为:(1)从文献年代看,国内外茶叶香气研究在发文量上趋势较相似,且该领域在2006年后成为研究热门,文献数量呈激增趋势。(2)根据普赖斯定律和文献统计结果可知,国际上茶叶香气研究的核心作者共计64位,其中发文最多的是A Kobayashi,共发文21篇。国内茶叶香气研究的核心作者共计6位,其中发文最多的核心作者是林智。从作者合作图谱可见,国内外作者分布具有相似特征,具体表现为研究群体内部合作研究频繁,且群体间的合作研究较少。(3)从研究机构分布看,中国是茶叶香气领域的主要发文国家,其中中国农业科学院和安徽农业大学是主要研究机构,前者与国内各研究机构合作紧密,而后者与国外相关单位交流频繁;此外,国内其他机构间的合作研究多数发生在同一地区,跨区域的合作研究较少。(4)从国家分布情况看,中国和日本两大产茶国发文量和中介中心性遥遥领先,其次是美国。(5)从研究热点来看,茶叶香气研究热点主要集中在香气形成机理、香气物质提取方法、检测手段及关键香气物质等领域。

4.2 展望

根据Shneider的四阶段理论,一个研究领域一般先经过最初的概念形成阶段,然后进入第二阶段,研究工具大量出现,研究的能力和范围开始增强,此后进入第三阶段——扩散阶段,研究者将第二阶段出现的方法用于研究众多新问题,并积累了新的证据,从而不断完善和修正学科的发展,并将这种方法应用到原本研究问题之外的领域,即交叉学科开始盛行,最后进入衰减阶段。从时区图和关键词突显图可见,与研究工具如GC-MS、Solid phase micro extration、GC-O等有关的引文较多,且将这些方法用于产地、品种、加工等评价鉴定,表明现在研究处于第二阶段末第三阶段初。随着更智能更精密仪器出现,茶叶香气形成机理、年份鉴定等尚未解决的问题将得到解释和修正,将进一步完善学科发展。

图9 外文文献茶叶香气研究热点词演进

图10 中文文献茶叶香气研究热点词演进

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Research Progress of Tea Aroma Based on CiteSpace Visual Analysis

YIN Xia1,2,3,4, HUANG Jian'an1,3, HUANG Jing2,4, BAO Xiaocun2,4, ZHOU Lingyun2,4, LI Wei2,4, LIU Hongyan2,4, ZHANG Shuguang2,4*, LIU Zhonghua1,3*

1. Key Lab of Tea Science of Education Ministry, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. Tea of Institute, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China; 3. National Research Center of Engineering Technology for Utilization of Botanical Functional Ingredients, Changsha 410128, China; 4. Hunan Tea Plant and Tea Processing Observation Station of Ministry of Agriculture, Changsha 410125, China

In this paper, the literatures collected by WOS (Web of science) and CNKI from 1979-2019 were taken as the research object. CiteSpace's bibliometric method was used to analyze the aroma quality of tea from the aspects of age, author, institution, country, research hotspot, evolution trend, etc. The results show that the literatures of tea aroma research had a significant growth trend since 2006. Currently, a stable core group of authors had been formed but there were little cooperation among these groups. China had the largest research influence in this field, followed by Japan and the United States. The hot research areas mainly focused on the following topics: the mechanism of aroma formation, the extraction and detection methods of aroma substances, and the key aroma compounds. According to the time zone map, the research progress and development stage of tea aroma at present were pointed out.

tea, aroma, CiteSpace, visualization, knowledge map, progress, hotspots

S571.1

A

1000-369X(2020)02-143-14

2019-10-25

2019-12-15

湖南红茶品牌建设专项资金[湘财农指(2018)85号]、湖南省农业科技创新资金(2017LM0201)、湖南省农业科技创新资金(2019LM0201)

银霞,女,在读博士,助理研究员,主要从事茶叶生物化学及综合利用研究。*通信作者:suglezhang@126.com,larkin-liu@163.com

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