基于知识图谱的浓香型白酒酿造微生物可视化分析

于学健,郑佳,张哲,王洪,白飞荣,王鹏辉,李辉,刘冲,姚粟*

1(中国食品发酵工业研究院有限公司,中国工业微生物菌种保藏管理中心,北京,100015)2(宜宾五粮液股份有限公司,四川 宜宾,644007)

浓香型白酒是以粮谷为原料,采用浓香大曲为糖化发酵剂,经泥窖固态发酵,固态蒸馏、陈酿、勾调而成的,不直接或间接添加食用酒精及非自身发酵产生的呈色呈香呈味物质的白酒(GB 10781.1—2021《白酒质量要求 第1部分:浓香型白酒》)。浓香型白酒因其窖香浓郁,香味协调,余味悠长的风味特点,成为最符合大众消费者口味的白酒香型[1-2],近两年市场占比约为60%[3]。浓香型白酒酿造过程中微生物的多样性决定了其独特的风味特点。目前,在浓香型白酒中共检测到1 000余种风味物质,其中酯类物质种类丰富且占比最高[4-8]。

浓香型白酒酿造可分为糖化、酒精发酵和风味物质形成3个基本过程[9],其中,曲发酵制备和窖池发酵工艺中的微生物是决定其独特风味的重要因素[10-11]。白酒发酵过程中,是由多种细菌、酵母和丝状真菌共同发挥功能,核心功能微生物在关键发酵工艺的协调互作中形成了白酒的独特风味。近年来,通过宏基因组高通量测序分析和可培养组学研究,在酒曲、窖泥及酒醅中均发现大量且多样的微生物类群,并可初步解析其中微生物的动态演替规律[9,12-14]。

文献计量学分析是通过统计学和信息学的理论和方法,对文献进行数量和质量分析,并对文献的发表时间、主题、作者和单位等因素进行量化分析,系统地反映该领域的前沿热点和发展趋势等。近年来,随着对浓香型白酒酿造微生物相关领域研究的不断深入,该领域文献数量和质量都在不断提升,然而该领域尚未有文章通过文献计量学的方法对研究成果及内容进行可视化分析。本研究通过文献计量学的方法,对2009年以来,该领域的中英文文献进行统计和分析,并通过知识图谱的形式,解析该领域研究的发展趋势和作者、科研机构之间的合作关系,以更加直观的方式展现该领域的科研进展。

1 材料和方法

1.1 数据来源

通过中国知网(China National Knowledge Infrastructure,CNKI),进行中文文献检索。在高级检索中,选择“篇关摘”选项,检索“浓香型白酒+五粮液+国窖1573+洋河+剑南春+古井贡+水井坊+泸州老窖+今世缘+舍得+双沟”,增加搜索选项,选择“篇关摘”选项,检索“微生物+菌+菌株+菌种+细菌+真菌+霉菌+酵母+放线菌+己酸菌+梭菌+芽胞杆菌+乳酸菌+乳杆菌”,将两个主题进行“和”组配,检索时间为2009年1月1日—2022年12 月30日。共检索到符合要求文献1 017篇,分别统计标题、关键词、摘要、作者、单位、文献来源和被引频次等信息。

通过Web of Science(WOS)核心合集数据库进行英文文献的检索,检索All Fields =“strong flavor or strong aroma”形成检索式#1;检索All Fields=“Baijiu or Chinese liquor or Chinese spirit”形成检索式#2;检索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”形成检索式#3,检索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”形成检索式#4,将检索式#1和检索式#2进行“AND”组配,再与检索式#3进行“OR”组配,最后与检索式#4进行“AND”组配,检索时间为2009年1月1日—2022年12月30日,检索到符合要求文献130分别统计标题、关键词、摘要、作者、单位、文献来源和引用量等信息。

1.2 研究方法

通过Excel软件对文献数据进行统计分析,并绘制相关图表。通过CiteSpace 6.1软件对中文及英文文献数据集分别按关键词、作者和研究机构进行聚类及关联性分析。

2 浓香型白酒酿造微生物文献分析

2.1 发文年份分布

通过统计各年份中英文文献发表数量,分析浓香型白酒酿造微生物领域年度科研发展趋势。

结果表明(图1),浓香型白酒酿造微生物研究稳步发展,相关研究文献不断增多,研究的广度和深度不断提升。2007年中国酒业协会、江南大学、中国食品发酵工业研究院等单位启动了“中国白酒169计划”[15],该计划提出对白酒特征风味物质及关键微生物进行深入研究,同时加强白酒微生物研究新技术的发展,随着GC-MS、气相色谱-嗅闻-质谱(gas chromatography-olfactometry-mass spectrometry,GC-O/MS)、PCR-DGGE等技术的发展和普及以及“169计划”的推进,在2009—2012年,浓香型白酒酿造微生物领域发文量直线上升,2009年该领域中文年度发文量为26篇,于2012年达到72篇,主要以白酒风味物质组成、功能微生物和微生物群落结构分析为主。在2013年中国酒业协会提出了“中国白酒3C计划”[16],该计划主要科研方向包括白酒有益微生物的应用研究、白酒中影响口味的风味物质及功能化合物的研究、白酒群体微生物优化改良,在该计划的推动及高通量测序等现代生物技术的快速发展下,2013年后浓香型白酒酿造微生物领域发文量稳步提升,在2013—2018年,该领域中文年度发文量保持在60篇左右。同时,在中文文章的基础上,开始发表英文文章。2019年开始,该领域中英文文章年度发文量再次持续快速上升,中文文章年度发文量于2021年突破100篇;英文文章年度发文量也达到10篇以上,特别是在2021年和2022年,英文年度发文量均达到29篇。

图1 2009—2022年浓香型白酒酿造微生物领域年度发文量Fig.1 The numbers of annual publications on strong-flavor Baijiu fermentation microorganisms from 2009 to 2022

2.2 研究热点分布

关键词是文章主题和中心观点的高度凝练,通过对文章关键词的总结和分析,可以快速归纳文章研究热点,了解领域的研究现状。通过CiteSpace,分别对1 017篇中文文献及130篇英文文献的关键词进行可视化分析”选择“Node Type”为“Keyword”,“Pruning”为“Pruning slied networks”,时间切片为1年。

中文文献中,依据关键词进行共线性分析,共有节点371个,连线766条,节点越大表明该关键词出现频次越高,不同颜色代表不同发表年份。如图2及表1所示,中文文献中出现频次前10的关键词分别为窖泥、白酒、微生物、大曲、己酸菌、酒醅、细菌、鉴定、风味物质和酵母菌。

表1 中英文文献高频关键词Table 1 High frequency keywords in Chinese and English theses

图2 中文文献关键词共线性分析Fig.2 Collinearity analysis of Chinese keywords

英文文献中,依据关键词进行共线性分析,共有节点225个,连线1 095条。如图3及表1所示,出现频次前10得关键词分别为microbial community,pit mud,diversity,fermentation,prokaryotic community,identification,bacterial community,Chinese liquor,daqu和caproic acid。由关键词可以得出,浓香型白酒酿造微生物领域英文文献以微生物群落结构多样性解析为主。

图3 英文文献关键词共线性分析Fig.3 Collinearity analysis of English keywords

浓香型白酒具有窖香浓郁、香味协调的特点。窖池是浓香型白酒生产的基础,其中窖泥作为浓香型白酒不可复制的核心优势资源,蕴含了丰富的功能微生物,是决定浓香型白酒独特风味的重要因素[7, 17]。而原位解析窖泥中的微生物群落组成,分离筛选窖池发酵过程中的核心功能菌种,利用纯种发酵技术强化应用于窖泥的培养,可深入了解窖泥微生物主体功能菌,科学解码浓香白酒传统酿造工艺。近年来,高通量测序技术被广泛应用于微生态菌群多样性研究[18-19]。越来越多的研究者将这一技术应用于白酒酿造过程中微生物多样性的研究。通过宏基因组高通量测序分析和可培养组学研究,浓香型白酒的酒曲、窖泥及酒醅中均发现大量且多样的微生物类群。浓香型白酒的香味成分[20],以酯类成分占绝对优势,它是这类香型成分的主体,大约占总香味成分含量的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、低阈值,決定了浓香型白酒的主要风味特征。通过对微生物和酒体风味的关联研究发现,己酸菌等菌种可生成己酸等有机酸、己酸乙酯等酯类风味物质[9,12,21]。因此,窖泥、微生物多样性、大曲、己酸菌、酒醅、风味物质、己酸乙酯等成为研究浓香型白酒的核心主题。

2.3 研究团队分析

通过对作者和研究机构进行共线性分析和聚类分析,可以反应该领域研究人员和机构之间的合作关系,同时了解该领域不同人员和机构的主要研究方向。此外,对发文量和被引量进行统计,直观反应了不同作者和研究机构的科研产出率和学术影响力。

通过CiteSpace软件对浓香型白酒酿造微生物领域中英文作者和研究机构进行可视化分析,选择“Node Type”为“Author”或“Institution”,“Pruning”为“Pruning slied networks”和“Pathfinder”,时间切片为一年。聚类分析中,聚类标签选择关键词,使用LLR算法。

2.3.1 作者分析

中文文献中,依据作者的共线性分析中,共有节点462个,连线988条。如图4所示,该领域作者之间关联性强,交流合作密切。作者张宿义、王涛、游玲、赵东、黄治国、罗蕙波和徐占成研究时间跨度较大,持续产出。作者张文学、唐玉明研究成果主要集中于2016年之前,作者李安军研究产出集中于2015年后。

图4 中文文献作者共线性分析Fig.4 Collinearity analysis of authors in Chinese literatures

对中文文献中作者通过关键词聚类,聚类号数字越小说明聚类中包含的作者越多。一般认为Q>0.3意味着聚类结构显著,S>0.7意味着聚类结果足够可信[22]。如图5所示,中文作者的主要研究方向可分为理化指标、古井贡酒、16S rRNA、窖泥、筛选、空间异质性、功能菌、氨基甲酸乙酯和古菌。该聚类Q=0.794,S=0.950,说明聚类效果显著,结果可信度高。

图5 中文文献作者聚类分析Fig.5 Cluster analysis of authors in Chinese literature

如表2所示,根据CNKI数据库对中文作者进行统计,该领域中文发文量前三的作者分别为游玲、黄治国和王涛。作者游玲发文篇数最多,为42篇,其研究内容涉猎广泛,包含酒糟综合利用、微生物群落结构分析、菌株功能评价、白酒风味物质分析等。该作者与王涛等[23]合作密切,在2011年于《微生物学报》发表《宜宾浓香型白酒酿造过程中可培养细菌的系统发育多样性》,该文章通过可培养的方法结合16S rRNA鉴定技术对浓香型白酒酿造过程微生物的变化和多样性进行了详尽的解析;作者黄治国共发文31篇,主要研究内容为浓香型白酒相关菌株的分离鉴定及微生物群落结构解析。该作者与卫春辉、罗惠波属于同一科研团队,该团队在2015年于《现代食品科技》发表了《基于高通量测序的浓香型白酒窖池细菌群落结构分析》[18],这一研究建立了一套完整的窖泥微生物群落结构研究方法和相关数据分析方法,同时得到了川北地区不同窖龄的窖泥微生物群落结构;作者王涛共发文31篇,主要研究内容为浓香型白酒微生物多样性研究及相关菌株功能特性的评价。在发文量前10的作者中,作者张文学文章的平均被引用次数最多,为23.12 次/篇,该作者的高引文章主要集中在2015年之前,内容多为浓香型白酒相关微生物系统发育分析及群落结构解析,如2011年发表于《酿酒科技》的《浓香型白酒不同窖泥的微生物群落特征分析》[24]、2011年发表于《应用与环境生物学报》的《贵州浓香型白酒大曲中霉菌的18S rDNA系统发育分析》[25]和2015年发表于《酿酒科技》的《16S rDNA克隆文库法与高通量测序法在浓香型大曲微生物群落结构分析中的对比研究》[26]。

表2 中文发文量前10作者Table 2 Top 10 authors on Chinese publication

对英文文献作者进行共线性分析,结果如电子版增强出版附图1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.035775)所示,共有节点235个,连线560条。英文作者各聚集团之间区分显著,分散度高,内部联系紧密,外部合作较少。发文量10篇以上作者的主要研究成果多集中于2015年后。

对英文作者进行关键词聚类分析,聚类Q=0.915,S=0.956,结果显著可信。如电子版增强出版附图2所示,英文作者形成的聚类较少,主要研究内容为白酒,难以对具体研究方向进行进一步区分,这与该领域英文文献数量较少有关。

根据WOS数据库检索结果,对该领域英文发文作者进行统计,如表3所示,英文发文量前3的作者分别为沈才洪、徐岩和周荣清。作者沈才洪共发文17篇,主要研究方向为浓香型白酒相关菌株的分离鉴定和微生物群落结构解析,该作者在2019年于InternationalJournalofFoodMicrobiology发表文章Profiling theClostridiawith butyrate-producing potential in the mud of Chinese liquor fermentation cellar[27],该研究基于基因组测序结果,对白酒窖泥中产丁酸菌株进行靶向分离,为后续白酒中特定功能微生物的定向分离提供了参考;作者徐岩共发文14篇,英文文章平均被引用次数最多,为39.71 次/篇,其主要研究内容为浓香型白酒相关微生物群落结构解析及微生物对浓香型白酒风味的影响,其2016年在InternationalJournalofFoodMicrobiology杂志发表的文章Source tracking of prokaryotic communities in fermented grain of Chinese strong-flavor liquor[28],被引量达到122次,该研究通过16S rRNA测序,对不同时期大曲和窖泥中微生物群落对酒醅微生物结构的影响进行了详细的分析;作者周荣清共发文13篇,主要研究内容为浓香型白酒大曲及窖泥中微生物群落结构解析及对风味物质的影响,该作者于2013年在WorldJournalofMicrobiologyandBiotechnology杂志发表文章Characterization of eubacterial and archaeal community diversity in the pit mud of Chinese Luzhou-flavor liquor by nested PCR-DGGE[29],该研究通过PCR-DGGE技术对浓香型白酒窖泥中细菌和古菌微生物群落结构的变化进行了分析,这一结果有助于进一步了解窖泥中微生物群落结构的空间差异,对浓香型白酒的生产和品质改进具有重要意义。

表3 英文发文量前10作者Table 3 Top 10 authors on English publication

2.3.2 研究机构分析

对浓香型白酒酿造微生物领域中文文献中研究机构进行共线性分析,共有节点343个,连线331条。结果如图6所示,各研究机构之间合作交流密切,浓香型白酒知名企业与高校、科研机构之间在学术上紧密联系,说明该领域做到产学研结合,发挥各自优势,能将科研成果用于实际生产中。

图6 中文文献研究机构共线性分析Fig.6 Collinearity analysis of institutions in Chinese literatures

对中文文献中研究机构进行聚类分析,Q=0.809,S=0.962,结果显著可信。结果如图7所示,主要研究方向有:1)生香发酵,代表机构为泸州老窖股份有限公司、国家固态酿造工程技术研究中心;2)系统发育分析,代表机构为宜宾五粮液股份有限公司、宜宾学院生命科学与食品工程学院;3)高通量测序,代表机构为安徽古井贡酒股份有限公司、安徽省固态发酵工程技术研究中心;4)dgge(变形梯度凝胶电泳),代表机构为四川水井坊股份有限公司、四川大学轻纺与食品学院;5)氨基甲酸乙酯,代表机构为江苏洋河酒厂股份有限公司、江南大学生物工程学院工业生物技术教育部重点实验室;6)黄水,代表机构为四川省绵阳市丰谷酒业有限责任公司、四川轻化工大学生物工程学院。聚类结果表明各浓香型白酒酒企在重点研究领域上区分明确。

图7 中文文献研究机构聚类分析Fig.7 Cluster analysis of institutions in Chinese literatures

根据CNKI数据库对中文发文机构进行统计分析,如表4所示,为中文发文量前10的机构,可以看出该领域主要研究机构多处于四川省,这与该省盛产浓香型白酒有关。其中,文章平均被引量前三的机构分别为四川大学(15.74 次/篇)、江南大学(13.83 次/篇)和宜宾学院(11.21 次/篇),说明在该领域高校的科研影响力更大。

表4 中文发文量前10研究机构Table 4 Top 10 institution on Chinese publication

对该领域英文文献中研究机构进行共线性分析,共有节点110个,连线156条。结果如电子版增强出版附图3所示,与中文文献不同,在英文发文量前10的机构中,主要以大学和科研机构为主,仅有宜宾五粮液股份有限公司和依托泸州老窖股份有限公司组建的国家固态酿造工程技术研究中心两家浓香型白酒企业。

对英文文献中研究机构进行聚类分析,Q=0.915,S=0.956,结果显著可信。如电子版增强出版附图4所示,英文研究机构聚类情况与作者聚类情况相似,形成聚类较少,主要研究方向为中国浓香型白酒、泸州风味白酒和强化大曲。

根据WOS数据库检索结果统计,该领域英文文章发文量前10的研究机构如表5所示。其中发文量最多的机构为国家固态酿造工程技术研究中心,在2009—2022年共发表英文文献28篇,该研究中心于2009年12月获国家科技部行文批准,依托泸州老窖股份有限公司组建,是国家级科研与创新服务平台,且与江南大学、四川大学等众多高校合作紧密,科研产出迅速。江南大学在该领域英文文章发文量为26篇,位列第二,篇均被引量为26.25 次/篇,位列第五。四川大学英文文章发文量为24篇,位列第三,篇均被引量为32.25 次/篇,位列第二。这两所高校长期从事浓香型白酒酿造微生物相关研究,在科研产出及科研影响力上都位居前列。此外,中国科学院和四川大学英文章篇均被引量分别位居一、二(37.32次/篇、32.25次/篇),学术影响力大。与中文文献统计结果相似,该领域高校及科研机构的科研影响力更大。

表5 英文发文量前10研究机构Table 5 Top 10 institution on Chinese publication

3 结论与讨论

本文通过文献计量学结合知识图谱可视化分析的方法,对近十余年浓香型白酒酿造微生物领域中文及英文文献进行了系统的梳理和总结。分析发现,该领域研究历史悠久,早期研究成果多集中于中文文献,后随着研究的不断深入,具有国际影响力的文章不断增多。目前,该领域的研究仍处于蓬勃发展的阶段,研究的深度和广度不断提升,科研人员之间交流密切,各浓香型白酒企业与高校及科研机构广泛合作,发挥各自优势力量,推动行业不断进步。

通过摘要对该领域中英文文献的主要研究内容进行归纳总结,得到浓香型白酒微生物研究主要集中于微生物群落结构及物种多样性解析,微生物酶系结构、组成及功能解析,生产环境与微生物群落之间的相互作用,微生物及白酒风味组学分析,菌种功能评价及发酵强化应用等。白酒微生物组具有微生物物种丰富、酶系功能复杂多样等特点,长期实践形成的独特发酵工艺中蕴含的科学内涵还有待深入剖析,但从系统生物学角度揭示酒曲微生物组的特征及其对白酒发酵代谢的调控机制研究还较为匮乏,基于微生物学、功能基因组学、代谢组学、生物信息学和系统生物学等微生物组学技术的整合分析,在白酒微生物组特征解析、调控理论、重构技术研发等领域具有广阔的应用前景。