基于文獻計量學的白酒釀造微生物研究現(xiàn)狀及可視化分析

趙巧珍，張夢夢，繆坤辰，李小杰，任廣花，呂曉鳳，胥鑫鈺，孟 武

（1.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）生物工程學院，山東濟南 250353；2.濟南趵突泉釀酒有限責任公司技術質量部，山東濟南 250115）

白酒釀造微生物是指存在于生產(chǎn)環(huán)境及整個白酒釀造過程中微生物的總稱，既包括純天然接種的微生物，也包括人工選育的微生物[1]。白酒釀造過程實質上是大量微生物代謝的過程，其微生物主要來源于酒曲、窖泥和酒醅等，參與酒精及風味物質的形成。釀造微生物的種類、生態(tài)分布、數(shù)量及其代謝過程等對酒精的發(fā)酵和風味物質的生成都有著重要作用，也是影響白酒香型的重要因素[2?3]。因此，白酒釀造微生物的研究水平與白酒工業(yè)的技術創(chuàng)新息息相關，不僅影響著白酒的產(chǎn)量、質量，對其風格特征也有較大的影響，尤其是風味功能微生物，對白酒的風格、品質等均起到關鍵作用[4]。

白酒釀造微生物主要包括可利用小分子營養(yǎng)物質進行發(fā)酵產(chǎn)生酒精的發(fā)酵微生物，可將淀粉質原料分解為可發(fā)酵糖的起糖化作用的微生物，以及能利用多種營養(yǎng)素產(chǎn)生酯類、醇類和醛類等風味物質的產(chǎn)香微生物[5?7]。目前解析白酒風味物質生成機理以及白酒發(fā)酵機制的主要途徑，是對白酒釀造微生物進行分離并研究其代謝特性，基于代謝特性研究，可以針對性的優(yōu)化白酒生產(chǎn)工藝，從根本上改善白酒的風味、提高白酒的質量[8?9]。

文獻計量學分析是以文獻體系及其計量特征為研究對象，采用數(shù)學和統(tǒng)計學的方法研究文獻的分布結構、數(shù)量關系及變化規(guī)律，進而分析、評價和預測科學技術的發(fā)展特征和規(guī)律，已被廣泛應用于生態(tài)系統(tǒng)恢復、微生物學、醫(yī)藥學、合成生物學等領域[10?12]。白酒領域關于文獻計量學的文章較少，而白酒釀造微生物領域未見報道。因此，本文基于中國知網(wǎng)學術期刊數(shù)據(jù)庫及Web of Science（WOS）核心合集數(shù)據(jù)庫，利用文獻計量學原理和可視化分析技術，探究白酒釀造微生物領域的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并借助對關鍵詞網(wǎng)絡和關鍵文獻對該領域的研究熱點進行可視化分析，以期方便研究者準確把握白酒釀造微生物的發(fā)展態(tài)勢。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取中國知網(wǎng)（CNKI）學術期刊中的北大核心數(shù)據(jù)庫作為中文文獻來源。在CNKI 數(shù)據(jù)庫（https://www.cnki.net/）中采用高級檢索式：主題="白酒"*"微生物"+"白酒"*"菌"，來源類別選擇北大核心期刊數(shù)據(jù)庫進行檢索，通過檢索并對不相關文獻進行剔除，共獲得879 篇中文文獻。選取Web of Sciences 核心合集數(shù)據(jù)庫（https://www.webofscience.com/）作為英文文獻來源，采取高級檢索式：（TS=enzyme or TS=microorganism or TS=bacteria）and（TS=Chinese liquor or TS=baijiu）進行檢索，通過檢索并剔除不相關文獻，共獲得349 篇英文文獻。

1.2 研究方法

本研究主要采用文獻計量學和知識圖譜可視化分析等方法，對所獲取的文獻數(shù)據(jù)進行多維度的分析和解讀。利用Excel 2019 軟件，統(tǒng)計發(fā)文量、作者、機構等數(shù)據(jù)，然后用Origin 2019 軟件對年度發(fā)文量和作者發(fā)文量進行發(fā)展趨勢分析。同時借助Cite Space 6.1.R3 和VOS viewer 1.6.18 等文獻計量可視化軟件，繪制知識圖譜網(wǎng)絡，展示國內(nèi)白酒微生物領域研究成果的知識結構，揭示當前該領域的研究熱點和學術前沿。

2 結果與分析

2.1 CNKI 與WOS 發(fā)文時間分析

分析相關發(fā)文量可以反映出該領域的研究活躍情況。從圖1 可以看出，CNKI 數(shù)據(jù)庫的文獻數(shù)量在1992 年至2003 年這段時期內(nèi)較少，主要研究己酸菌的特性及其對濃香型白酒質量的影響。在2004 年至2011 年，隨著現(xiàn)代微生物學技術的發(fā)展，學者們開始利用PCR-DGGE 等技術研究白酒大曲和窖泥中的微生物多樣性和群落結構[13?14]，以及對白酒香氣與微生物之間的關系也進行了初步研究[15]。2012 以來，隨著高通量測序以及質譜檢測等技術在白酒領域的推廣應用，CNKI 數(shù)據(jù)庫和WOS 數(shù)據(jù)庫中白酒釀造微生物方向的發(fā)文量出現(xiàn)爆發(fā)式增長，學者對于白酒釀造微生物的研究進入了全新的階段。這一階段主要方向是將白酒中微量的香氣成分與微生物進行關聯(lián)，分離鑒定功能菌株，研究其生理特性、代謝途徑及代謝產(chǎn)物，以此豐富白酒的風味成分[16?18]、解析白酒風味形成機理。近年來，通過高通量測序研究微生物的群落結構成為新的熱點方向[19?21]。

圖1 CNKI 和WOS 年度發(fā)文量趨勢Fig.1 The trend of annual publications in CNKI and WOS

2.2 關鍵詞共現(xiàn)圖譜

分析文獻的關鍵詞關聯(lián)性可以發(fā)現(xiàn)該領域的熱門研究方向。由圖2 可知，出現(xiàn)頻率較高的關鍵詞依次為：微生物、白酒、窖泥、大曲、酒醅。從圖3 來看，出現(xiàn)次數(shù)較多的關鍵詞有“fermentatioan（發(fā)酵）”、“daqu（大曲）”、“bacterium（細菌）”、“pit mud（窖泥）”、“microbial community（微生物群落）”等。綜合兩者關鍵詞可以發(fā)現(xiàn)目前白酒微生物的研究載體主要集中在窖泥、大曲和酒醅上。窖泥是濃香型白酒中重要的微生物載體，窖泥中以細菌、放線菌和真菌為主，窖泥的質量決定了濃香型白酒的感官風味[22?23]。大曲在制曲過程中富集了大量來自原料和環(huán)境中的微生物，由于不同的制曲工藝，其富集的微生物種類也不盡相同，主要為細菌、霉菌和酵母菌[24?26]。酒醅作為微生物的最終共同作用場所，來自不同地方的微生物在此生長繁殖，代謝出醇、醛、酸、酯等白酒組成物質[27?28]。從載體上進行菌種分離篩選和研究其微生物多樣性及群落結構也是必不可少的方向[29?30]。己酸乙酯、乳酸乙酯和乙酸乙酯是出現(xiàn)頻率較多的微生物代謝產(chǎn)物，酯類物質對白酒的口感和風味起到非常重要的作用，己酸菌和乳酸菌分別是白酒中產(chǎn)己酸及乳酸的主要細菌，在酶類作用下，己酸、乳酸與酒精進一步生成己酸乙酯、乳酸乙酯，所以己酸菌與乳酸菌也就成為了白酒中較為關注的微生物[31?32]。

圖2 CNKI 關鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.2 Keyword co-occurrence map in CNKI

圖3 WOS 關鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.3 Keyword co-occurrence map in WOS

2.3 機構發(fā)文量分析

我國有眾多科研機構致力于白酒釀造微生物研究，表1 和表2 分別是CNKI 數(shù)據(jù)庫與WOS 數(shù)據(jù)庫里白酒微生物領域發(fā)文量排名前10 的機構。在CNKI數(shù)據(jù)庫中，四川輕化工大學以發(fā)文量106 篇排名第一，該機構研究人員重點關注濃香型白酒釀造過程中的微生物，其下《基于免培養(yǎng)法研究瀘州地區(qū)濃香型白酒窖泥原核微生物群落結構》一文，通過構建細菌和古菌16S rRNA 基因克隆文庫、測序和系統(tǒng)發(fā)育樹分析，發(fā)現(xiàn)窖泥內(nèi)細菌種群豐富，其中梭菌綱為窖泥內(nèi)細菌群落的絕對優(yōu)勢種群[33]。江南大學以發(fā)文量88 篇排名第二，該機構下研究人員2012 年發(fā)表于《釀酒科技》的《風味技術導向白酒釀造基礎研究的進展》，以風味物質為研究對象，論述了主要微生物及其風味物質的代謝途徑，為后續(xù)的研究發(fā)展方向奠定了基礎[34]。貴州大學以81 篇發(fā)文量位居第三，該機構側重于醬香型白酒，其下學者所發(fā)表的《醬香大曲微生物菌群結構及微生物功能研究概述》，綜述了醬香型白酒高溫大曲中的微生物群落結構及其產(chǎn)酶情況和代謝產(chǎn)物[35]。

表1 CNKI 白酒微生物領域發(fā)文量前10 的機構Table 1 The top 10 institutions in the field of Baijiu brewing microorganism in CNKI

表2 WOS 白酒微生物領域發(fā)文量前10 的機構Table 2 The top 10 institutions in the field of Baijiu brewing microorganism in WOS

在WOS 數(shù)據(jù)庫中，JIANGNAN UNIVERSITY（江南大學）以81 篇發(fā)文量位居第一，該機構于2017年發(fā)表在《FRONTIERS IN MICROBIOLOGY》的《Environmental Microbiota Drives Microbial Succession and Metabolic Profiles during Chinese Liquor Fermentation》一文，利用高通量測序和靶向代謝組學分析白酒發(fā)酵過程中微生物群落結構和代謝過程，發(fā)現(xiàn)在不同環(huán)境中微生物群落的變化會導致發(fā)酵過程中乙酸、乳酸和乙酸乙酯的增加，以及乳酸乙酯的減少[36]。SICHUAN UNIVERSITY（四川大學）以45 篇發(fā)文量排名第二，該機構于2005 年發(fā)表在《JOURNAL OF THE INSTITUTE OF BREWING》的《Analysis of the bacterial community in zaopei during production of Chinese luzhou-flavor liquor》一文，運用PCR-DGGE 和16s RNA 基因測序對濃香型白酒發(fā)酵過程細菌的群落變化進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)酵時間的增加，乳酸桿菌屬的細菌開始成為優(yōu)勢菌群[37]。SICHUAN UNIVERSITY OF SCIENCE ENGINEERING（四川輕化工大學）以35 篇發(fā)文量排名第三，該機構于2017 年發(fā)表在《FRONTIERS IN MICROBIOLOGY》上的《Metatranscriptomics Reveals the Functions and Enzyme Profiles of the Microbial Community in Chinese Nong-Flavor Liquor Starter》一文運用宏轉錄組學對濃香型白酒大曲培養(yǎng)全過程的微生物代謝和功能酶進行研究，發(fā)現(xiàn)在不同培養(yǎng)溫度下微生物豐富的代謝物質對大曲風味的形成至關重要[38]。

瀘州老窖股份有限公司及其所屬的NATL ENGN RES CTR SOLID STATE BREWING（國家固態(tài)釀造工程技術研究中心）在中英文領域均有著較高的影響，該公司發(fā)表的《瀘州老窖窖泥中重要功能菌群分布及代謝產(chǎn)物研究》，發(fā)現(xiàn)隨著窖池窖齡增加，窖泥中甲烷菌、己酸菌、丁酸菌的數(shù)量和己酸、己酸乙酯等微量化學成分含量和種類也同步增加[39]。

總體來看，目前白酒微生物主要是以高校院所為研究中堅力量，校企結合協(xié)同創(chuàng)新會是發(fā)展的趨勢，校企合作有利于培養(yǎng)高層次人才，提高企業(yè)的科研水平，促進科研成果轉化和白酒行業(yè)的高質量發(fā)展。

2.4 作者發(fā)文量及合作關系

圖4 是CNKI 數(shù)據(jù)庫作者發(fā)文量，圖5 為CNKI數(shù)據(jù)庫作者間合作關系。在CNKI 數(shù)據(jù)庫中，白酒微生物領域形成了以徐巖、黃治國、邱樹毅、黃永光、張文學為核心的5 支研究團隊。徐巖團隊是白酒微生物領域最為活躍且產(chǎn)出頗豐的團隊，所發(fā)文章質量較高，位居總被引頻次首位。其團隊于2018 年發(fā)表在《微生物學通報》的《中國白酒發(fā)酵過程中的核心微生物群及其與環(huán)境因子的關系》，發(fā)現(xiàn)對釀造過程核心微生物群演替有影響較大的環(huán)境因素是水分、酸度、溫度、還原糖和乙醇，為白酒生產(chǎn)的定向調控提供了一定的理論基礎[40]。黃治國、羅惠波、衛(wèi)春會和鄧杰之間的合作關系較為密切，也是較為活躍的研究團隊，四人共同于2015 年發(fā)表在《現(xiàn)代食品科技》的《基于高通量測序的濃香型白酒窖池細菌群落結構分析》，相較于其他研究，該文章首次運用高通量測序進行窖泥細菌群落的分析，高通量測序不僅能了解窖池中重要功能菌，得到其優(yōu)勢度，同時還能發(fā)現(xiàn)窖池中部分未知微生物，基于測序結果分析發(fā)現(xiàn)濃香型白酒窖泥中的細菌主要分布于Firmicutes（厚壁菌門）、Bacteroidetes（擬桿菌門）和Synergistetes（互養(yǎng)菌門）等8 個門，13 個科，16 個屬，F(xiàn)irmicutes（厚壁菌門）為優(yōu)勢菌門，其中Clostridiales（梭菌科）占一定優(yōu)勢[41]。邱樹毅團隊主要研究方向為醬香型白酒微生物，于2011 年發(fā)表在《中國釀造》的《醬香白酒生產(chǎn)中產(chǎn)香微生物研究》，綜述了醬香型白酒生產(chǎn)過程中細菌、酵母菌、霉菌和放線菌與主要香氣成分之間的關系[15]，該研究為醬香型白酒風味的研究提供了豐富的理論知識，有助于進一步地剖析醬香型白酒風味物質。黃永光團隊也是醬香型白酒微生物方向的重要研究隊伍，該團隊于2017 年發(fā)表在《中國釀造》的《醬香型白酒第二輪次酒發(fā)酵過程微生物多樣性研究》，分析了細菌和真菌在醬香型白酒堆積和發(fā)酵過程中的多樣性，發(fā)現(xiàn)在堆積過程中主要細菌有Bacillus、Enterococcus、Lactococcus、Lactobacillus，真菌有Thermoascus、Thermomyces、Eurotiales，在窖池發(fā)酵過程中細菌主要為Lactobacillus，真菌主要為Saccharomyces、Candida、Penicillium[42]，該研究為深入認識醬香型白酒釀造過程的微生物的多樣性及其所形成的發(fā)酵機理提供了一定的參考。張文學團隊對于濃香型白酒微生物多樣性方向研究較多，相關文章共計被引用近800 次，位居總被引次數(shù)第二。其團隊于2019 年發(fā)表在《中國釀造》的《老化窖泥己酸代謝的研究》，對己酸在窖泥中的代謝途徑進行了闡述，并運用宏轉錄組技術將產(chǎn)己酸關鍵酶基因在老化窖泥中進行表達，發(fā)現(xiàn)窖泥中的己酸合成是多種微生物共同作用的結果，為濃香型白酒生產(chǎn)企業(yè)及時養(yǎng)窖護窖、提高白酒品質提供了理論依據(jù)[43]。

圖4 CNKI 作者發(fā)文量Fig.4 Number of CNKI authors' publications

圖5 CNKI 作者間合作關系Fig.5 Cooperation between CNKI authors

圖6 為WOS 數(shù)據(jù)庫作者發(fā)文量，在WOS 數(shù)據(jù)庫中，發(fā)文量較高的作者有XU Yan（徐巖）、SUN Baoguo（孫寶國）、WU Qun（吳群）、SHEN Caihong（沈才洪）、HAN Beizhong（韓北忠）等。其中XU Yan（徐巖）團隊的發(fā)文量和總被引頻次遙遙領先，其團隊于2017 年發(fā)表在《FRONTIERS IN MICROBIOLOGY》上的《Unraveling Core Functional Microbiota in Traditional Solid-State Fermentation by High-Throughput Amplicons and Meta transcriptomics Sequencing》，運用高通量測序和宏轉錄組測序技揭示了醬香型白酒在發(fā)酵過程的核心微生物，包括10 個真菌屬和11 個細菌屬的微生物，并發(fā)現(xiàn)發(fā)酵過程微生物群落的變化與最終白酒的風味息息相關[44]。SUN Baoguo（孫寶國）團隊的發(fā)文量位居第二，其團隊于2017 年發(fā)表在《JOURNAL OF THE INSTITUTE OF BREWING》上的《The brewing process and microbial diversity of strong flavour Chinese spirits: A review》一文從大曲、酒醅、窖泥的角度綜述了濃香型白酒釀造微生物的研究現(xiàn)狀。作者認為釀造微生物多樣性及其對白酒的貢獻將是一個重要且持續(xù)的研究領域，可以從尋找微生物與白酒品質和產(chǎn)量的關系，改進大曲制作和酒醅發(fā)酵工藝，調控發(fā)酵過程等角度來提高白酒的品質與產(chǎn)量[45]。

圖6 WOS 作者發(fā)文量Fig.6 Number of WOS authors' publications

2.5 高被引文獻分析

文獻被引次數(shù)的高低能反映出文獻所具有的參考價值及影響力。由表3 可知，江南大學徐巖教授及其團隊于2012 年發(fā)表在《微生物學通報》上的《釀酒酵母和異常畢赤酵母混菌發(fā)酵對白酒液態(tài)發(fā)酵效率和風味物質的影響》一文被引用了135 次，該文章將釀酒酵母和異常畢赤酵母進行混菌液態(tài)發(fā)酵，研究發(fā)現(xiàn)釀酒酵母發(fā)酵產(chǎn)乙醇，異常畢赤酵母以酯酶合成途徑將醇和酸轉化為酯，提高了風味物質的含量，為豐富發(fā)酵產(chǎn)物的風味復雜性和增強風格的獨特性提供了一條有效的途徑[46]。同樣出自徐巖團隊的《利用PCR-DGGE 未培養(yǎng)技術對中國白酒高溫和中溫大曲細菌群落結構的分析》一文也被引用135 次。該文章報道了運用PCR-DGGE 技術研究白酒大曲中的微生物，并成功鑒定出傳統(tǒng)培養(yǎng)方法未發(fā)現(xiàn)的細菌菌株[47]，將其與傳統(tǒng)的菌種分離鑒定、白酒風味組成分析等手段相結合，對判斷和鑒定白酒生產(chǎn)中與特征風味物質相關的關鍵微生物、指導生產(chǎn)工藝改進，具有重要的理論和實踐意義。被引次數(shù)位居第三的是楊代永于2007 年發(fā)表的《高溫大曲中的微生物研究進展》一文，共被引用了134 次，該文章從茅臺高溫大曲中篩選出了6 種酵母，41 種細菌和51 種霉菌，并研究了在制曲培養(yǎng)過程中微生物的消長變化，研究發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)中前期以細菌為主，霉菌在中后期大幅度增多[48]，對大曲培養(yǎng)工藝的優(yōu)化具有重要意義。在這10 篇文獻中有5 篇是探究白酒微生物的群落結構及其多樣性，說明當前的關注熱點在于微生物的群落結構。研究群落結構的變化可以實現(xiàn)通過調整工藝參數(shù)來調控微生物的生長代謝，控制其代謝產(chǎn)物在合理的范圍內(nèi)，以期對發(fā)酵產(chǎn)酒及最終酒體風格的形成作出積極的貢獻。

表3 CNKI 白酒釀造微生物領域引用次數(shù)前10 的文獻Table 3 Top 10 cited CNKI literatures in the field of Baijiu brewing microorganism

由表4 可知，被引頻次最高的WOS 數(shù)據(jù)庫文獻是XU Yan（徐巖）團隊于2017 年發(fā)表在《TRENDS IN FOOD SCIENCE &TECHNOLOGY》上的《Mystery Behind Chinese Liquor Fermentation》，該文被引用267次，文章從風味化學、微生物、工藝多角度解析了中國白酒傳統(tǒng)發(fā)酵的研究進展[49]，總結出白酒的兩大研究方向：白酒風味成分和白酒釀造微生物，提出了目前存在的問題和未來的研究需求，以期實現(xiàn)現(xiàn)代化的、標準化的白酒生產(chǎn)技術。其次是ZHENG Xiaowei等2011 年發(fā)表在《JOURNAL OF THE INSTITUTE OF BREWING》 的《Daqu-A Traditional Chinese Liquor Fermentation Starter》，研究了大曲中重要的功能微生物及其對白酒風味的貢獻，絲狀真菌（Rhizopus、Rhizomucor、Aspergillus等屬）、酵母（Saccharomyces、Candida、Hansenula等屬）和細菌（醋酸桿菌，乳酸桿菌和Bacillus spp.）被認為是功能性微生物群，負責一系列裂解酶的形成、酒精發(fā)酵底物的形成和風味化合物的形成[50]，對大曲微生物及其功能作了詳細討論。同樣是來自ZHENG Xiaowei等的《Complex Microbiota of a Chinese ‘Fen’ Liquor Fermentation Starter (Fen-Daqu),Revealed by Culture-Dependent and Culture-Independent Methods》一文，運用傳統(tǒng)分離培養(yǎng)方法和PCR-DGGE 技術研究清香型白酒大曲中的微生物多樣性，共分離和鑒定出了190 種微生物菌株[51]，結果表明運用聯(lián)合方法比單一方法更有助于分析微生物的種群分布情況。

表4 WOS 白酒釀造微生物領域引用次數(shù)前10 的文獻Table 4 Top 10 cited WOS literatures in the field of Baijiu brewing microorganism

3 結論

在白酒釀造過程中，微生物的體系決定了白酒的風格。本文運用文獻計量學手段，對來自中國知網(wǎng)北大核心數(shù)據(jù)庫以及Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫的白酒微生物領域的相關文獻進行了可視化分析。自2010 以來，該領域研究一直較為活躍，中英文文獻發(fā)文量整體呈上升趨勢，研究隊伍不斷壯大，科研成果愈發(fā)豐碩。因為白酒是中國特有的釀造產(chǎn)業(yè)，所以中國學者為白酒釀造微生物領域的研究主體。徐巖、孫寶國、吳群、黃治國、邱樹毅、江南大學、四川大學、四川輕化工大學、貴州大學等作者或機構是該研究領域的主要貢獻者，所取得的科研成果極大地促進了該領域研究水平的提高，為學者們提供了大量高水平的文獻參考。《利用PCR-DGGE 未培養(yǎng)技術對中國白酒高溫和中溫大曲細菌群落結構的分析》及《釀酒酵母和異常畢赤酵母混菌發(fā)酵對白酒液態(tài)發(fā)酵效率和風味物質的影響》兩篇文章是目前被引次數(shù)最多的中文文獻，《Mystery Behind Chinese Liquor Fermentation》一文是目前被引次數(shù)最多的英文文獻。對白酒釀造微生物的研究早期主要集中在對微生物的分離篩選及鑒定，隨著分子生物學技術的發(fā)展，對白酒微生物的群落結構和演替規(guī)律的研究成為熱點方向。目前，白酒釀造微生物菌群的解析與高通量測序、宏基因組學和代謝組學以及各種微量成分檢測手段等緊密聯(lián)系，有效促進了白酒釀造微生物群落和白酒中微量成分關聯(lián)作用機制研究工作的開展，相信這些深層次的理論研究對白酒釀造微生物的探索會進入新的發(fā)展階段，這也是未來白酒釀造微生物領域的發(fā)展方向。我國社會發(fā)展已進入新時代，人們的飲酒價值觀念也從僅關注口感，轉向為崇尚風味和健康的雙導向，因此，開展針對白酒釀造微生物的科學研究對提升白酒釀造行業(yè)的生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質量具有重要的作用，也為我國白酒釀造行業(yè)的高質量發(fā)展奠定基礎。