基于CiteSpace 知识图谱及专利计量对铁皮石斛相关研究的可视化分析

孙人杰，何 琴，吴德智

（贵州中医药大学，贵州贵阳 550025）

铁皮石斛Dendrobium officinaleKimura et Migo为兰科石斛属多年生草本植物，药用部位是块茎[1]，被誉为“九大仙草之首”，是国家卫生健康委员会公布的既是食品又是药品的物品名单[2]，具有增强免疫力、缓解疲劳、抗氧化、降血糖等多种功效[3]。铁皮石斛含有多糖、芪类、黄酮类、生物碱类、氨基酸类、微量元素等多种活性成分，是铁皮石斛发挥药理作用的物质基础[4]，现代研究表明，铁皮石斛多糖具有增强免疫力的作用[5]；生物碱类物质具有良好的缓解体力疲劳的效果[6]。随着现代分子生物学技术的进步，铁皮石斛在成分鉴定、遗传多样性、功能基因克隆分析等方面的研究日益增多[7-8]。近年来，有关铁皮石斛的文献报道、专利分析持续增多[9-12]，但数据来源较为单一，未结合其他数据库分析，且分析工具大多采用Excel 列表，综合知识图谱与专利计量研究尚未见报道。

CiteSpace 是一款应用于科学文献识别及展示发展新趋势的可视化软件，对寻找某一学科领域的研究热点与动态发展具有实质性意义[13]。随着铁皮石斛研究的不断推进与发展，进一步分析铁皮石斛中外研究的动态和差异，对国内聚焦铁皮石斛发展前沿，实现不断创新改革具有重要意义。本研究通过Cite-Space 5.8.R3 软件采用可视化的方式对铁皮石斛中、英文献关键词信息进行共现、聚类、突现以及时间线图分析，绘制铁皮石斛的知识图谱，从宏观上展现铁皮石斛发展历程与研究热点，为铁皮石斛后续研究方向提供参考依据；并结合IncoPat 专利数据库分析铁皮石斛相关专利的领域分布、发展趋势，探讨了铁皮石斛相关的食品专利情况，进一步为铁皮石斛食品的创新发展及专利申请方向提供借鉴与参考。

1 资料与方法

1.1 知识图谱数据库

1.1.1 数据来源与筛选 中文文献来源于CNKI 数据库[14]，以“铁皮石斛”为主题词检索，时间节点为2000 年1 月1 日至2022 年11 月25 日，得到铁皮石斛中文文献；并人工剔除掉报纸报告、会议论文以及关键词为“种植培育”、“发生装置”、“经济效益”等与主题无关的文献，共纳入有效文献1539 篇。

英文文献来源于WOS 核心合集数据库[15]，以主题词“Dendrobium officinale” or “Dendrobium candidum” or “Dendrobium officinale Kimura et Migo”进行检索，发表年份选择所有年份（2002～2022 年），选择文献类型Article 和 Article Review，最终纳入有效文献678 篇。

1.1.2 CiteSpace 运行参数设置 将纳入的中、英文文献分别以“Refworks”和“Plain text file”格式导出。CiteSpace 5.8.R3 时间分区（Time Slicing）设置为“2000.1～2022.12”，时间切片（Year Per Slice）为“1”，节点类型（Node Types）选择关键词（Keyword），阈值（top N per slice）为设定“50”。对纳入的中英文文献进行关键词的共现分析、聚类分析、突现分析及时间线图分析，绘制铁皮石斛的知识图谱，并结合可视化结果及人工信息整合对知识图谱进行深入分析。

1.2 专利数据库

1.2.1 数据来源与筛选 以IncoPat 全球专利数据库（http://www.incopat.com）为检索源，根据国际专利分类号和主题词进行高级检索，设置专利公开日期截止到2022 年5 月1 日。共检索到铁皮石斛相关专利数据8354 项，排除失效与在审中专利，选择“同族合并”进行去重，获得2480 项国内专利与138 项国外专利。

1.2.2 数据处理 对铁皮石斛相关食品专利的保健功能信息进行统计，采用Excel 2021 对数据进行频次及频率分析；运用Origin2021 软件对铁皮石斛专利领域、国外铁皮石斛专利情况、食品专利种类以及专利公开数量趋势进行数据整理分析。

2 结果与分析

2.1 知识图谱关键词分析

2.1.1 关键词共现分析 运用CiteSpace 软件“Key word”功能对中文文献进行可视化图谱分析，出现频次前10 的关键词见表1 所示，隐去“铁皮石斛”关键词后，共线分析见图1。可视化图谱中节点520 个，连线3913 条，网络密度为0.029，说明关键词研究联系程度紧密[16-17]。铁皮石斛的研究热点集中在多糖（关键词：多糖、多糖含量、多糖提取），保健功能（关键词：抗氧化、抗衰老、免疫功能、抗炎），化学成分（关键词：甘露糖、生物碱、有机酸、总黄酮、酚类、氨基酸），基因（关键词：基因表达、基因鉴定、基因克隆）以及产品开发（关键词：保健食品、保健中药），研究方法为正交试验设计（关键词：正交试验、正交设计）。其中高中心性的关键词为化学成分（0.80）、多糖（0.68）、抗氧化（0.35）、正交设计（0.22）、保健食品（0.19），说明多糖研究、保健功能与保健食品开发是铁皮石斛研究的重要内容。

表1 铁皮石斛中英文文献出现频次前10 个关键词Table 1 Top 10 key words in frequency of Dendrobium candidum in Chinese and English literature

图1 铁皮石斛中文文献关键词的共现分析Fig.1 Co-occurrence analysis of key words in Chinese literature of Dendrobium candidum

对英文文献的关键词进行可视化图谱分析，见图2，出现频次前10 的关键词如表1 所示。英文文献可视化图谱中，共计节点382 个，连线1630 条，网络密度为0.0224，说明关键词之间联系紧密。研究的主要内容为铁皮石斛活性成分鉴定（关键词：polysaccharide、flavonoid、mannose-binding lectin），药理作用（关键词：antioxidant activity、inflammation）及临床实验研究（关键词：tolerance、in vitro、mice）。与中文关键词可视化分析相比较，英文文献侧重于活性成分鉴定、作用机制及体内实验耐药量方向的研究。

图2 铁皮石斛英文文献关键词的共现分析Fig.2 Co-occurrence analysis of key words in English literature of Dendrobium candidum

2.1.2 聚类分析 关键词聚类图谱是在共线图谱的基础上，运用Log-likelihood ratio（LLR）算法分析聚类视图中各聚类间的结构特征、关键节点和联系程度，通过高频词反映出不同年代该领域研究的热点和动态变化[18-19]。中文文献关键词聚类分析图谱中，聚类模块值Q 为0.8636（>0.3），表明聚类得到的网络社团结构显著。平均轮廓值（S）是衡量网络同质性的指标，本次聚类S 为0.9691（>0.5），表明聚类结果合理性强、可信度高。聚类网络结果显示共得到17 个聚类模块，见图3。

图3 铁皮石斛中文文献关键词的聚类分析Fig.3 Cluster analysis of key words in Chinese literature of Dendrobium candidum

根据不同聚类模块中关键词的归纳梳理，将17 个聚类模块分为3 大类：第1 类包括＃1、＃6，为铁皮石斛的保健功能分析，主要关键词是铁皮石斛的抗氧化、免疫调节等，提示铁皮石斛清除自由基、提高免疫力的研究居多。第2 类包括＃3、＃5、＃8、＃9、＃10、＃16 均为化学成分的研究，主要关键词是多糖含量、化学成分、多糖、氨基酸、石斛多糖、单糖等，提示多糖作为铁皮石斛化学组分的主要研究对象。第3 类包括＃2、＃4、＃7、＃11、＃12、＃13、＃14、＃15、＃17 均为实验研究，主要关键词是转录组、基因表达、悬浮培养、指纹图谱、实验研究、分离、小鼠、混菌发酵、组织培养等。提示基因表达、指纹图谱等交叉学科知识逐步应用到实验研究中，评价其综合质量的真实性、优良性、稳定性。

英文文献关键词聚类分析图谱中，聚类模块值Q＝0.8108，说明聚类结构显著；聚类平均轮廓值S＝0.9388，说明聚类结果很令人信服。聚类网络结果共得到15 个聚类模块，见图4，对15 个模块总结分析，dendrobium catenatum lindl（＃1）、dendrobium officinale polysaccharid（＃2）、mannose-binding lectin（＃8）、oxidative stress（＃10）代表铁皮石斛活性成分与功能，主要是甘露糖、多糖、氧化应激研究。discrimination（＃3）、superfine grinding（＃5）、authentication（＃11）代表铁皮石斛实验研究的方法。biodynamics（＃4）、shoot development（＃9）、subtraction hybridization（＃12）、photoprotection（＃13）代表铁皮石斛的生物动力学研究。gene family（＃6）、rnaseq（＃7）、gut microbiota（＃14）、pathway（＃15）代表铁皮石斛微生物检测与基因表达，主要研究铁皮石斛功能基因的通路与肠道微生物群。

图4 铁皮石斛英文文献关键词的聚类分析Fig.4 Cluster analysis of key words in English literature of Dendrobium candidum

2.1.3 突现分析 关键词突现是指关键词在某一时间段内使用频次显著增加，反映该阶段研究领域文献新的研究主题和内容的关注强度[20]。“Strength”表示关键词的突现强度，Strength 值越大，提示关键词影响力越大，是该时间段内领域研究的热点[21]。铁皮石斛中、英文文献关键词突现分析图谱见图5。

图5 铁皮石斛中文（a）和英文（b）文献关键词的突现分析Fig.5 Emergent analysis of Chinese (a) and English (b) literature keywords in Dendrobium candidum

中文文献共出现25 个突现词，根据时间排序，2000～2012 年，研究热点为铁皮石斛的基因层面（关键词：基因家族、基因鉴定）以及微生物发酵方面（关键词：益生特性、混菌发酵），从而开发出铁皮石斛相关保健食品类（关键词：糯米饮料、石斛小曲、米酒品质）；从2016 年起研究内容迅速集中于铁皮石斛活性成分方向（关键词：多糖含量、单糖组成、黄酮），而后基于其活性成分，研究热点进一步转向铁皮石斛的作用机制，并一直持续至今。

英文文献共出现25 个突现词，2004～2014 近10 年中重视铁皮石斛生物大分子、植物细胞及遗传信息的研究（关键词：rdna、dna、cell）；2014～2018 年研究热点集中在体外实验和植物激素类研究（关键词：in vitro、purification、abscisic acid）；2018 年开始至今研究学者在体外实验的基础上重视体内动物实验及结构表征，并且涉及铁皮石斛多糖含量测定与药理作用研究[22-25]（关键词：structural characterization、in vivo、mice、performance liquid chromatography oxidative stress、water soluble polysaccharide）。

2.1.4 时间线图分析 时间线图分析是对每个聚类模块中关键词随时间变化发生趋新或趋老变化的分析，不仅可以表达该领域发展的演变，还侧重于构建聚类之间的关系[26]。从中文文献时间线图看，如图6 所示，抗氧化（＃1）的延续性和时间跨度比较好，2000～2004 年，铁皮石斛研究走势较为缓慢，2005～2010 年研究范围逐渐变广，涉及多个聚类模块，包括免疫功能、生物碱、产品开发、保健食品等；从2010 年起研究走势上升，聚类模块成果标志性地增多，其中包括更多种类保健品（复合饮料）、活性成分（黄酮、石斛酚、石斛碱）、研究方法（响应面、正交设计）等，说明研究学者对铁皮石斛重视度迅速提高，研究热度增加。2016、2020 年分别出现高频关键词抗衰老、多糖，提示关注度持续升高。此外，化学成分、基因表达、免疫调节等聚类模块延续性好，时间跨度高，至今依旧是国内铁皮石斛研究的热点。

图6 铁皮石斛中文文献聚类模块的时间线图分析Fig.6 Time line diagram analysis of Chinese literature cluster module of Dendrobium candidum

英文文献时间线图显示，如图7 所示，在2003年与2007 年，聚类模块分别出现标志性关键词“identification”、“polysaccharide”，时间跨度直至2022 年，与英文文献关键词共现分析相呼应，共同说明研究热度之高。2011 年始，聚类模块依次出现mitochondria、cell、expression、induction antioxidant，研究成果显著性增多，至今发展形势并未出现趋老。2014-2018 年，从体外细胞实验重心逐渐趋向体内动物实验，并迅速发展起来，基因表达及含量测定、小鼠耐药性实验成为目前国外研究的主要热点和高度关注点。

图7 铁皮石斛英文文献聚类模块的时间线图分析Fig.7 Time line diagram analysis of English literature cluster module of Dendrobium candidum

2.2 专利信息统计分析

2.2.1 领域分析 铁皮石斛相关专利的主要来源国为中国，作为铁皮石斛的主产国，中国幅员辽阔、人口众多，对铁皮石斛专利有较大的市场需求[27]。针对2480 项有效专利，分析铁皮石斛相关专利在各领域方向的数量占比分布情况，如图8 所示，其相关专利主要集中在种植栽培的技术优化与装置发明方面，有利于铁皮石斛的生长发育和药用价值的累积。其次，在医药制剂领域方面占比16.33%，作为药食两用的品种，铁皮石斛具有综合改善多种代谢紊乱的优势，可应用于具有高血压、高血脂、糖尿病等代谢相关疾病的药品及保健食品[28-29]。由于铁皮石斛提取物具有良好的成膜特性，兼具良好的及时保湿功效与显著的抗氧化效果[30-31]，可用作护肤品的原料使用。目前6.85%的专利应用于日化品领域，包括乳液、膏霜、护肤水等多种剂型的护肤品。通过该分析可以了解铁皮石斛相关专利覆盖的研究类别，以及各领域的创新热度。

图8 国内铁皮石斛相关专利领域分析Fig.8 Technical fields distribution of Chinese patents of Dendrobium candidum

国外专利分析如图9 所示。韩国铁皮石斛相关专利居于首位，达到89 项，占国外专利64.49%，其次美国铁皮石斛相关专利为31 项位居第二，韩美两国未来有很大可能会成为中国的竞争国。经公开专利显示，韩美两国铁皮石斛专利均偏重于药物预防治疗方面，如治疗哮喘、更年期障碍、肾毒性抗癌剂引起的疾病、减轻糖尿病视网膜病变以及预防或治疗脱髓鞘疾病等。除此之外韩国亦将铁皮石斛作为保健食品进行研究。

图9 全球铁皮石斛相关专利数量Fig.9 Number of global patents related to Dendrobium candidum

2.2.2 铁皮石斛食品相关专利的申请趋势分析 共检索到290 项铁皮石斛相关食品类型专利，共涉及食品产品、应用领域、外观设计、技术工艺等方面。通过公开趋势从宏观层面把握铁皮石斛食品专利在各时期的专利公开文献的数量变化，如图10。在2008 年之前，有效专利公开量为0；从2011～2015 年专利数量与年份呈现正比上升趋势；2018 年专利数量达到顶峰，为28 项；后续出现“下降-上升-再下降”不稳趋势，且总体为下降趋势。我国研究学者可结合自身发展、坚持创新、顺应市场需求，在现有应用基础上，加强对我国铁皮石斛食品资源的进一步研发，再创出铁皮石斛食品领域的新高。

图10 2004～2022 年中国铁皮石斛食品相关专利申请趋势Fig.10 Trends of Dendrobium candidum in Chinese food patent application from 2004 to 2022

2.2.3 铁皮石斛相关食品专利的种类分析 通过已检索的格式中添加“ABS：（食品OR 保健）”进一步筛选以铁皮石斛为主要原料的食品专利，包括铁皮石斛普通食品与保健食品的发明专利，共计176 项。主要包含颗粒含片、茶、饮料、乳制品、米面粉、酒、食品调味剂以及糖果甜品等，其中与铁皮石斛相关颗粒含片最多，共42 项，占比23.86%；其次是饮料、茶类，专利数分别为30 项与21 项，占17.04%、11.93%。见图11。铁皮石斛食品种类丰富，创新性也较为突出，如铁皮石斛糖果口味丰富，便于携带和食用，其一改传统的铁皮石斛食用方式，受到大众青睐。铁皮石斛食品不仅含有饮料、乳制品、糖果等日常食品，还有以颗粒、含片为主具有明确保健功能的铁皮石斛保健食品，可满足不同人群的需求。

图11 铁皮石斛食品专利的品种类别分析Fig.11 Variety analysis of food patents of Dendrobium candidum

2.2.4 铁皮石斛相关食品的保健功能分析 铁皮石斛保健食品的剂型多以颗粒、片剂、胶囊等为主，除此之外，以铁皮石斛为原料的普通食品形态也不在少数。统计可知专利中明确保健功效的食品，共涉及增强免疫力、缓解体力疲劳、延缓衰老等9 种保健功能，见表2。其中以增强免疫力为主，占产品总量42.04%，缓解体力疲劳与延缓衰老居于其次，分别占比22.16%、17.61%。现有药理实验证明铁皮石斛具有促进毛发生长[32]、增加骨密度[33-34]等作用，这也是未来保健食品开发的新空间。

表2 铁皮石斛相关食品专利的保健功能分析Table 2 Analysis of health function of Dendrobium candidum related to food patents

3 讨论与结论

本研究基于CiteSpace 5.8.R3 软件系统，对铁皮石斛中、英文文献的关键词进行可视化分析。铁皮石斛国内外研究的侧重方向不同，中文文献主要从铁皮石斛多糖、保健功能、化学成分、产品开发及基因方面对铁皮石斛进行研究，英文文献偏向于动物实验及安全性评价等临床实验研究，主要包括活性成分鉴定、药理作用及作用机制等领域的研究。结合关键词突现分析显示铁皮石斛研究的发展历程，预测铁皮石斛将以活性成分研究、基因层面、微生物发酵和保健食品开发等为研究热点方向。通过时间线图分析，抗氧化、免疫调节、活性成分、基因表达等聚类模块延续性好，时间跨度高，至今依旧是国内铁皮石斛研究的热点；国外铁皮石斛研究从体外细胞实验重心逐渐趋向体内动物实验，研究成果显著性增多，成为国外研究的主要热点和高度关注点。国内外研究均推动了该领域的发展，加强彼此合作，优势互补，实现铁皮石斛国内外研究发展共赢。与传统研究方法相比，基于CiteSpace 的分析可以更直观地展现领域内研究内容和研究热点，可通过数据分析结果预测未来研究趋势。但也存在一定的局限性，本研究仅对中、英文科学计量研究最常用的数据库（CNKI、WOS）文献进行整合分析，可能存在数据分析来源不够全面的情况。其次分析前需要提前手动剔除与主题不相关的文献，可能导致分析结果客观性不强。随着软件更新与数据的不断完善，CiteSpace 知识图谱将更加科学准确地揭示铁皮石斛的研究进展，为该领域研究发展提供更全面的科学支撑。

铁皮石斛专利计量的研究分析表明，我国仍然是铁皮石斛专利的主要申请国，但国内专利申请人要注意优化铁皮石斛的产业布局，打造出不同领域的优势产品，加强产学研的对接与合作，鼓励资源整合，形成技术联盟，克服自身发展短板。铁皮石斛食品专利申请建议可从以下几方面开展：在资源开发方面，随着铁皮石斛花、铁皮石斛叶列入新食品资源，铁皮石斛新食品资源部位正逐步进入市场，为铁皮石斛保健食品开发与提升产品附加值带来新的契机；在技术创新方面，可不断开发如凝胶果糖等“零食化”产品，调味品、低度酒、方便速食等新的食品形态，并引入微胶囊、纳米技术等，促进创新能力的提升，加强对铁皮石斛食品资源的进一步研发，提升核心竞争力；在保健功能开发方面，随着活性成分研究、分子生物学层面与功效方面等的进一步研究，可向具有促进毛发生长、增加骨密度等作用为保健食品开发提供新空间。