基于CiteSpace 的食品和腸道微生物研究的計量分析

吳雨凌，馬雨辰，鄧胡雪，付才力，李占明,*

（1.江蘇科技大學糧食學院，江蘇 鎮江 212100；2.新加坡國立大學蘇州研究院，江蘇 蘇州 215123）

由美國德雷塞爾大學陳超美教授開發的可視化系統CiteSpace 是用于產生科學圖譜的新工具[1]。它基于共引分析理論（co-citation）和尋徑網絡算法（Path finder）等，整合了視覺思維、數學思維和哲學思維，用于對特定領域的文獻進行計量，以探索出學科領域演化的關鍵路徑及其特殊的知識拐點，并通過一系列可視化圖譜分析學科演化的潛在動力機制，探索學科發展前沿[2]。基于CiteSpace 的可解釋性與可計算性可以發掘新科學理論[3]，極大促進了學科領域的研究[1]。

近年來，腸道微生物對人體健康的影響一直倍受重視，且該領域的快速發展，極大促進了生物醫學領域的發展[4-7]。腸道微生物是存在于動物腸道中數以萬計的微生物，包括細菌、真菌、病毒、原蟲、古細菌等[8]，其中以細菌為主體部分，多達1000 種不同的種類[9-10]，數萬億腸道微生物形成人體內最龐大、最復雜的微生物群落，被稱為腸道微生物群。腸道微生物在人體內發揮著重要作用，除了提供營養物質和維生素外，還與宿主的新陳代謝、消化系統、免疫系統、神經系統等有著密切的聯系[11]，同時影響著肥胖、糖尿病、炎癥性腸炎、癌癥、精神疾病和哮喘等多種疾病[12-19]，對人體健康有著深遠的影響。研究發現腸道微生物的結構和組成與宿主飲食緊密相關[19-25]。因此，進一步探尋飲食和腸道微生物的相關性，有助于通過飲食改善和治療相關的疾病。

本文基于WOS 核心數據庫中食品與腸道微生物的相關文獻，通過CiteSpace 繪制知識圖譜，對相關領域的發文數量、作者、機構、國家、關鍵詞、文獻共被引圖譜進行分析，將抽象的文獻知識可視化，系統的闡述相關領域的合作關系、研究現狀、研究熱點和研究前沿，為進一步開展食品和腸道微生物的相關研究提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文數據來源于WOS 核心數據庫，參考陳超美[26]教授在Science Mapping: A Systematic Review of the Literature 中的檢索方法，即由多個主題詞檢索結果組合而成（圖1），以便檢索到更為全面的文獻。首先，檢索主題為food 和foods，文獻類型為Article 或Review的文獻為#1 和#2，主題為intestinal microbes、intestinal microbiota、intestinal microflora、gut microbes和gut microbiota，文獻類型為Article 或Review 的文獻為#4～#8；其次，分別對#1～#2 和#4～#8 的文獻進行除重，得到#3 和#9；最后，檢索包含#3（食品）和#9（腸道微生物）的文獻為#10。經CiteSpace 除重后共得到從2004 年到2022 年的8310 篇文獻。檢索時間為2022 年2 月8 日，訪問機構為江蘇科技大學。

圖1 主題檢索結果Fig.1 The results of theme retrieval

1.2 研究方法

本文基于除重后的8310 篇文獻，應用V.5.8.R3版本的CiteSpace 軟件進行可視化圖譜分析。對文獻的作者合作網絡、機構合作網絡、國家合作網絡、關鍵詞共現和突現、文獻共被引圖譜進行可視化分析。選取時間范圍為2004 年1 月至2022 年2 月，時間切片除文獻共被引為兩年外其他均為一年，每個時間切片提取前50（TopN=50）節點作圖。為提高圖譜的簡潔可讀性，在操作時進行裁剪，去除意義較小的連線，除文獻共被引和關鍵詞共現采取尋徑網絡法（Path finder）進行裁剪外，其他圖譜均采取最小生成樹法（MST）進行裁剪。本文知識量化分析流程如圖2 所示。

圖2 知識量化分析流程Fig.2 The process of knowledge quantitative analysis

2 結果分析

2.1 年度發文數量分析

食品與腸道微生物研究領域從2004 年至2021年共發表文獻8177 篇，自2005 年起，年度發文量逐年上升（圖3）（因本文在2022 年2 月8 日檢索文獻，故2022 年的文獻在年度發文趨勢上無參考價值），說明此研究領域的關注度一直不斷增加，研究體系的構建逐步推進。研究可分為緩慢增長、中速增長和快速增長三個階段。2004 年至2014 年為緩慢增長階段，此階段發文數量較低且年際差異小；2014 年至2018 年為中速增長階段，此階段年度發文量和增長幅度較上一階段有較大提升；2018 年至2021 年為快速增長階段，此階段年度發文數量和增幅明顯加大，呈快速增長模式，領域研究蓬勃發展。由圖3 可得，增速轉折點為2015 年和2018 年，可以推斷2015 年以前和2015～2018 年間有經典文獻的發表從而推動了整個領域的進展。

圖3 年度發文量Fig.3 Annual publication

2.2 作者合作網絡分析

應用CiteSpace 對食品和腸道微生物研究領域的作者合作網絡進行可視化分析，結果如圖4 所示。節點表示作者，節點間連線表示各作者之間的合作，節點的大小和作者發文量的多少呈正相關，節點上不同顏色的年輪分別代表在不同年份所發表的文章，年輪厚度和在該年份所發表文章的數量成正比，不同顏色年輪所代表的年份和圖譜中最上方相對應，紅色為2022 年，依次遞減；N（節點）=798，即共有798 名作者在網絡中構成關聯節點；D（密度）=0.0015，共線網絡密度較低，表明作者間的合作程度較低[27]，此結論由作者的中介中心度最大值僅為0.03 也可得出。中介中心度指的是一個節點處在其他兩個節點最短路徑上的次數，數值處于0～1 之間，具備以下兩種情況之一的點具有高中介中心度：a.與其他節點具有高度聯系；b.聯系不同的聚類[28]。根據圖譜數據顯示，有同一機構作者形成的小范圍合作團體，如同在江南大學的WEI CHEN、HAO ZHANG、JIANXIN ZHAO 和QIXIAO ZHAI 等形成的合作團體，此現象反映作者合作呈現機構內聚性。

圖4 作者合作網絡Fig.4 Author cooperation network

表1 顯示發文量前20 的作者，其中發文量最多的是江南大學功能食品國家工程技術研究中心的WEI CHEN 教授，其在該領域主要研究飲食模式、食用菌、重金屬、全氟辛烷磺酸等多種因素對腸道微生物的影響，以及腸道微生物對人體健康的影響等。發文量位列第2、第3 的分別是比利時魯汶大學魯汶藥物研究所的PATRICE D CANI 和比利時根特大學微生物生態與技術實驗室的TOM VAN DE WIELE，他們與我國學者的合作少，分別形成了兩個單獨的研究群落。

表1 發文量前20 作者Table 1 Top 20 authors by the number of publications

2.3 機構合作網絡分析

應用CiteSpace 繪制的食品與腸道微生物研究領域的機構合作網絡如圖5 所示。其中，共有593個機構構成關聯節點，節點信息同作者合作網絡；D=0.0059，網絡密度大于作者合作網絡，但機構間合作強度仍舊較低，最大中介中心度為法國國家農業科學研究院（INRA）的0.08，由圖可知，機構合作尚未形成差異聚集網絡。

圖5 機構合作網絡Fig.5 Organization cooperation network

表2 為發文量前20 的機構。如表所示，發文機構主要集中于高等院校，其中，中國科學院（ChineseAcad Sci）的發文量位居所有機構第一，法國國家農業科學研究院（INRA）的中介中心度最高，和其他機構的聯系強度最大。發文量位于第二和第三的分別是哥本哈根大學（Univ Copenhagen）和西班牙國家研究委員會（CSIC）。哥本哈根大學是歐洲頂尖的教育和科研機構之一，健康與醫藥科學學院是其六大學院之一，其食品專業亦獲得了Arla 和嘉士伯等國際著名品牌的支持；西班牙國家研究委員會是西班牙最大、歐洲第三大公共研究機構，食品科學與工程是其8 個優先發展的領域之一[29]。其中，有6 所中國機構入圍發文量前20 的機構，依次為中國科學院、中國農業大學、中國科學院大學、浙江大學、中國農業科學院和江南大學。

表2 發文量前20 機構Table 2 Top 20 institutions by the number of publications

2.4 國家合作網絡分析

應用CiteSpace 繪制的食品和腸道微生物研究領域的國家合作網絡如圖6 所示。共有179 個關聯節點，節點信息同作者合作網絡；D=0.0379，相較于作者合作網絡的0.0015 和機構合作網絡的0.0059，國家合作網絡密度明顯提高，表明該領域的國際合作較為密切，此結果也可由中介中心度最大值為0.56（USA）反映。圖6 中中介中心度大于0.1 的節點外圍以紫色標注，如美國、英國、加拿大等。

圖6 國家合作網絡Fig.6 National cooperation network

發文量前20 的國家（表3）依次是美國、中國、意大利、西班牙、法國、英國、德國、加拿大、澳大利亞、荷蘭、日本、巴西、印度、比利時、韓國、瑞典、波蘭、丹麥、瑞士和愛爾蘭，其中美國和歐洲國家具有顯著地位，我國發文量占據第二位，相當于排名第3～5 名的意大利、西班牙、法國發文量之和，在該研究領域有較為突出的貢獻，雖然我國發文量較多，但是對此領域的研究開始較晚，在2012 年的年發文量才超過10 篇，而美國早在2006 年時年發文量就超過10 篇。中介中心度大于等于0.1 的國家分別是美國（0.56）、英國（0.17）、德國（0.14）、法國（0.14）、丹麥（0.12）、瑞士（0.11）和加拿大（0.1），均為歐美國家，表明這些國家在此領域具有廣泛的國際合作，而中國的中介中心度僅為0.04，處于國際合作網絡外圍，需加強與其他國家的相關合作。

表3 發文量前20 國家Table 3 Top 20 countries by the number of publications

2.5 關鍵詞分析

關鍵詞是對文獻內容和主題的高度概括，應用CiteSpace 對關鍵詞進行共現分析（圖7），可供了解該領域的研究內容及研究現狀。圖中共有787 個關鍵詞構成關聯節點，節點數量較多，說明該領域研究類型廣泛，研究機制較為復雜。節點上不同顏色的年輪分別代表關鍵詞出現在不同年份的文章中，不同顏色年輪所代表的年份和圖譜中最上方相對應。

將出現次數前20 的關鍵詞列于表4 中，分別為腸道菌群（Gut microbiota）、飲食、腸道菌群（Intestinal microbiota）、碳鏈脂肪酸、細菌、健康、食品、菌群、多樣性、新陳代謝、體外發酵、肥胖、炎癥、影響、雙盲法、乳酸菌、益生菌、疾病、腸道和表達。其中，第1、第3 和第8 關鍵詞可合并為腸道菌群。除腸道微生物外，飲食為出現次數最多的關鍵詞，益生菌、細菌等各種微生物和肥胖、炎癥等各種疾病的出現頻次也較高，可知此領域主要研究飲食對腸道微生物的影響，以及各種腸道微生物對人體健康的影響。體外發酵為模擬腸道環境進行培養微生物的一種方法，高頻次的出現反映了體外發酵在此領域應用的廣泛性；減少主觀信息偏差的雙盲法在此領域也具有廣泛應用。

表4 出現頻次前20 的關鍵詞Table 4 Top 20 keywords by the frequency of appearance

應用CiteSpace 的對數似然比算法（LLR）算法[26]生成關鍵詞聚類標簽（圖7 右），模塊值（Q）和平均輪廓值（S）是檢驗聚類可信度的兩個指標，一般而言，Q 值在0.3 以上和S 值在0.5 以上的聚類被認為是合理的，S 值在0.7 以上的聚類被認為是高效率且十分可信的[2]。本文關鍵詞聚類Q 值為0.7798，S 值為0.9012，聚類可信度十分高。將聚類生成的21 個標簽列為表5，圖7（右）顯示前11 個聚類標簽，聚類標簽數字越小表示其所包含的關鍵詞數越多。由聚類結果可得：#0 飲食、#8 食品攝入和#11 食物貫穿著該領域的研究；#2 克羅恩病、#3 腸易激綜合征和#21 心血管疾病、#15 疾病這些為食品和腸道微生物領域研究的主要內容；#1 大腸桿菌為該領域較為重要的微生物；所研究的化學物質主要為#4 碳鏈脂肪酸、#6 氧化三甲胺和#7 益生元；#9 氧化應激和#13 微生物移位是和該領域相關性較強的兩個生理過程；和炎癥性疾病有關的#5 調節性T 細胞也是該領域的重點研究對象。

表5 關鍵詞聚類Table 5 Keyword clustering

圖7 關鍵詞共現（左）及聚類（右）分析Fig.7 Keywords co-occurrence (left) and clustering (right) analysis

運行“Burstness”功能，設置Minimum Duration為1，其他參數不變。Burst items found 顯示為308，即共有308 個關鍵詞發生了突現，突現詞為該領域在突現時間內的研究熱點，選取突現強度前25 的關鍵詞如圖8 所示，分別是腸道微生物、微生物、16S rRNA、空白對照實驗、細菌、梯度凝膠電泳技術、特應性皮炎、人糞便、腸道微生物、腸道、雙歧桿菌、克羅恩病、定殖、嗜乳酸桿菌、乳酸菌、抗生素相關腹瀉、植物區系、胃腸道、體外、樹枝狀細胞、菊粉、口服耐受性、大腸桿菌、體重增加和氧化應激。圖譜中的Year 為關鍵詞節點的出現時間，紅色線段為其突現時間。突現強度顯著高于其他關鍵詞的是該領域的研究主題詞微生物和腸道微生物，強度分別為42.35 和35.72；通過檢測可反映腸道微生物情況的16S rRNA 的突現強度也較高，為17.9；其他突現詞的突現強度均在16 以下。通過不同年份的關鍵詞突現，可以探尋不同時間的研究熱點，微生物、16S rRNA、空白對照實驗、細菌、梯度凝膠電泳技術、特應性皮炎、人臉、腸道微生物、腸道、雙歧桿菌、克羅恩病、定殖、嗜乳酸桿菌、乳酸菌、抗生素相關腹瀉的開始突現年份均為2006，高頻詞匯產生最多的年份也為2006 年，表明2006 年是該領域發展較為重要的一年。氧化應激的突現時間為2021 年到2022 年，是目前研究熱點，或將繼續是未來一段時間的研究熱點。

圖8 高頻突現關鍵詞Fig.8 High frequency emergent keywords

2.6 文獻共被引分析

共被引文獻指被同一篇文章引用的文獻，文獻的被引次數是衡量其學術影響的重要指標之一[30]。圖9（左）為CiteSpace 繪制的食品與腸道微生物領域的文獻共被引網絡。圖中共有1582 篇被引文獻構成關聯節點，節點的大小和文獻被引用次數的多少呈正相關，高被引文獻通常被認為是里程碑，具有開創性的意義[28]。每個節點都有樹木年輪般的外環，不同顏色的外環代表不同的被引時間，外環的厚度和在該年份中的被引次數成正比，不同顏色外環所對應的年份和圖譜上方年份相對應；不同節點之間的連線表示被同一篇文章引用；具有紫色（中介中心度高）的紅色（突現性強）外環的文獻和高被引頻次的文獻都是該領域內的重要文獻。

圖9 文獻共被引（左）及聚類（右）分析Fig.9 Literature co-citation （left） and clustering （right）analysis

將被引頻次前20 的文獻列為表6。本文在此分析被引次數前三的文獻。其中，被引次數最多的是David 于2014 年發布在《Nature》上的一篇文章：Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome[31]，這篇文章給予不同組別受試者以植物或動物為基礎的飲食，通過對其的腸道微生物進行分析，得出飲食可以快速改變人體腸道微生物組的結論。可認為該論文在促進2014 年后年發文量進入新階段發揮了重要作用（圖3），推動了該領域的發展。第二篇文章是Koh 于2016 年發布在《Cell》上的：From dietary fiber to host physiology: Short-chain fatty acids as key bacterial metabolites[32]，這篇文章討論了短鏈脂肪酸是如何合成、分布，以及如何在健康和疾病中發揮作用。第三篇文章是Gibson 于2017年發布在《Nature Reviews Gastroenterology ＆ Hepatology》上的：The international scientific association for probiotics and prebiotics （ISAPP） consensus statement on the definition and scope of prebiotics[33]。這篇文章介紹了益生元的發展、益處和監管，并給出了益生元的新定義：能夠被宿主選擇性利用并有益于宿主健康的物質，此定義一直沿用至今。由表6 可得被引數量前4 的文章中有三篇發表年份為2016 年或2017 年，可以推測這與2018 年后年發文量的激增有一定關系。

表6 被引數量前20 文獻Table 6 Top 20 citations by cited quantity

被引文獻（圖9 左）為研究領域的知識基礎，由知識基礎聚類得領域的研究前沿（圖9 右）。聚類的Q 值為0.8067＞0.3，S 值為0.9205＞0.5,說明此聚類十分可信。所得22 個聚類分別為#0 肥胖、#1 乳化劑、#2 共生、#3 食物過敏、#4 馬雌酚、#5 腸道微生物、#6 神經性厭食、#7 宏基因組學、#8 益生菌、#9 分泌型IgA、#10 營養不良、#11 嗜黏蛋白阿克曼菌、#12 開菲爾、#13 多酚、#14 氧化三甲氨、#15 斷乳、#16 過敏性大腸綜合征、#17 個體差異、#18 抑郁、#19 腸道穩態、#20 非酒精性脂肪性肝和#21 濕疹。但研究領域有知識更新周期，聚類的時間線圖可以分析聚類發展狀況和目前的研究前沿。結果顯示，每個聚類持續的時間不同，有的聚類持續了十幾年現在仍處在活躍狀態，像#2 共生；有的集群僅僅持續了7、8 年，像#4 馬雌粉。目前關注較多的研究前沿為#1 乳化劑、#2 共生、#5 腸道微生物、#11 嗜黏蛋白阿克曼菌和#12 開菲爾。但這些聚類都處于發展的第三階段，后續仍會有更有活力的研究前沿。

3 結論

我國對食品與腸道微生物領域的研究雖起步較晚，但后期進展較大，目前論文產出總量位居第二，僅次于美國，相當于排名第3～5 名的意大利、西班牙、法國發文量之和，在發文量前20 的作者中我國有6 人入選，且江南大學食品學院的Chen Wei 是該領域發文數量最多的作者，并且發文量前20 的機構我國有6 所入圍，其中，中國科學院的發文量位居所有機構第一。但是，由合作網絡圖和中介中心度可以看出，我國與其他國家的合作研究較少，中介中心性僅為0.04 遠小于美國的0.56，并且相關作者合作呈現明顯的機構內聚性。后續應擴展國際合作，進一步提高相關研究水平。

基于關鍵詞共現及突現圖譜，發現該領域主要研究飲食對腸道微生物的影響，進而研究飲食對相關疾病的影響，尋找影響疾病的不良飲食習慣，改善或治療疾病的方法。克羅恩病、腸易激綜合征、心血管疾病、肥胖、特異性皮炎、抑郁、過敏、濕疹為該領域主要的研究疾病，體外發酵為常用的一種微生物培養方法，大腸桿菌和益生菌為研究較多的菌群，氧化應激為研究較多的一個生理過程。基于關鍵詞突現和文獻共被引網絡，梳理了該領域發展脈絡，得出目前的研究前沿：乳化劑、共生、腸道微生物、嗜黏蛋白阿克曼菌和開菲爾，但這些主題都已處于發展后期，后續仍會有更有活力的研究前沿出現。David L A[31]、Koh[32]以及Gibson[33]發表的三篇論文是被引次數前三的文章，對于該領域的發展具有十分重要的推動作用。

綜上，本文通過CiteSpace 對食品與腸道微生物研究領域進行了作者、機構和國家的合作網絡、關鍵詞共現及突現、共被引文獻網絡的圖譜繪制，分析了該領域的研究現狀、發展脈絡及研究前沿。基于本文分析，后續相關領域研究應側重于探尋腸道微生物中有望于治療疾病的微生物，開發添加腸道微生物的功能性食品，以及開展如何通過調控腸道微生物治療相關疾病的探索。