基于CiteSpace 知識圖譜及專利計量對鐵皮石斛相關研究的可視化分析

孫人杰，何 琴，吳德智

（貴州中醫藥大學，貴州貴陽 550025）

鐵皮石斛Dendrobium officinaleKimura et Migo為蘭科石斛屬多年生草本植物，藥用部位是塊莖[1]，被譽為“九大仙草之首”，是國家衛生健康委員會公布的既是食品又是藥品的物品名單[2]，具有增強免疫力、緩解疲勞、抗氧化、降血糖等多種功效[3]。鐵皮石斛含有多糖、芪類、黃酮類、生物堿類、氨基酸類、微量元素等多種活性成分，是鐵皮石斛發揮藥理作用的物質基礎[4]，現代研究表明，鐵皮石斛多糖具有增強免疫力的作用[5]；生物堿類物質具有良好的緩解體力疲勞的效果[6]。隨著現代分子生物學技術的進步，鐵皮石斛在成分鑒定、遺傳多樣性、功能基因克隆分析等方面的研究日益增多[7-8]。近年來，有關鐵皮石斛的文獻報道、專利分析持續增多[9-12]，但數據來源較為單一，未結合其他數據庫分析，且分析工具大多采用Excel 列表，綜合知識圖譜與專利計量研究尚未見報道。

CiteSpace 是一款應用于科學文獻識別及展示發展新趨勢的可視化軟件，對尋找某一學科領域的研究熱點與動態發展具有實質性意義[13]。隨著鐵皮石斛研究的不斷推進與發展，進一步分析鐵皮石斛中外研究的動態和差異，對國內聚焦鐵皮石斛發展前沿，實現不斷創新改革具有重要意義。本研究通過Cite-Space 5.8.R3 軟件采用可視化的方式對鐵皮石斛中、英文獻關鍵詞信息進行共現、聚類、突現以及時間線圖分析，繪制鐵皮石斛的知識圖譜，從宏觀上展現鐵皮石斛發展歷程與研究熱點，為鐵皮石斛后續研究方向提供參考依據；并結合IncoPat 專利數據庫分析鐵皮石斛相關專利的領域分布、發展趨勢，探討了鐵皮石斛相關的食品專利情況，進一步為鐵皮石斛食品的創新發展及專利申請方向提供借鑒與參考。

1 資料與方法

1.1 知識圖譜數據庫

1.1.1 數據來源與篩選 中文文獻來源于CNKI 數據庫[14]，以“鐵皮石斛”為主題詞檢索，時間節點為2000 年1 月1 日至2022 年11 月25 日，得到鐵皮石斛中文文獻；并人工剔除掉報紙報告、會議論文以及關鍵詞為“種植培育”、“發生裝置”、“經濟效益”等與主題無關的文獻，共納入有效文獻1539 篇。

英文文獻來源于WOS 核心合集數據庫[15]，以主題詞“Dendrobium officinale” or “Dendrobium candidum” or “Dendrobium officinale Kimura et Migo”進行檢索，發表年份選擇所有年份（2002～2022 年），選擇文獻類型Article 和 Article Review，最終納入有效文獻678 篇。

1.1.2 CiteSpace 運行參數設置 將納入的中、英文文獻分別以“Refworks”和“Plain text file”格式導出。CiteSpace 5.8.R3 時間分區（Time Slicing）設置為“2000.1～2022.12”，時間切片（Year Per Slice）為“1”，節點類型（Node Types）選擇關鍵詞（Keyword），閾值（top N per slice）為設定“50”。對納入的中英文文獻進行關鍵詞的共現分析、聚類分析、突現分析及時間線圖分析，繪制鐵皮石斛的知識圖譜，并結合可視化結果及人工信息整合對知識圖譜進行深入分析。

1.2 專利數據庫

1.2.1 數據來源與篩選 以IncoPat 全球專利數據庫（http://www.incopat.com）為檢索源，根據國際專利分類號和主題詞進行高級檢索，設置專利公開日期截止到2022 年5 月1 日。共檢索到鐵皮石斛相關專利數據8354 項，排除失效與在審中專利，選擇“同族合并”進行去重，獲得2480 項國內專利與138 項國外專利。

1.2.2 數據處理 對鐵皮石斛相關食品專利的保健功能信息進行統計，采用Excel 2021 對數據進行頻次及頻率分析；運用Origin2021 軟件對鐵皮石斛專利領域、國外鐵皮石斛專利情況、食品專利種類以及專利公開數量趨勢進行數據整理分析。

2 結果與分析

2.1 知識圖譜關鍵詞分析

2.1.1 關鍵詞共現分析 運用CiteSpace 軟件“Key word”功能對中文文獻進行可視化圖譜分析，出現頻次前10 的關鍵詞見表1 所示，隱去“鐵皮石斛”關鍵詞后，共線分析見圖1。可視化圖譜中節點520 個，連線3913 條，網絡密度為0.029，說明關鍵詞研究聯系程度緊密[16-17]。鐵皮石斛的研究熱點集中在多糖（關鍵詞：多糖、多糖含量、多糖提取），保健功能（關鍵詞：抗氧化、抗衰老、免疫功能、抗炎），化學成分（關鍵詞：甘露糖、生物堿、有機酸、總黃酮、酚類、氨基酸），基因（關鍵詞：基因表達、基因鑒定、基因克隆）以及產品開發（關鍵詞：保健食品、保健中藥），研究方法為正交試驗設計（關鍵詞：正交試驗、正交設計）。其中高中心性的關鍵詞為化學成分（0.80）、多糖（0.68）、抗氧化（0.35）、正交設計（0.22）、保健食品（0.19），說明多糖研究、保健功能與保健食品開發是鐵皮石斛研究的重要內容。

表1 鐵皮石斛中英文文獻出現頻次前10 個關鍵詞Table 1 Top 10 key words in frequency of Dendrobium candidum in Chinese and English literature

圖1 鐵皮石斛中文文獻關鍵詞的共現分析Fig.1 Co-occurrence analysis of key words in Chinese literature of Dendrobium candidum

對英文文獻的關鍵詞進行可視化圖譜分析，見圖2，出現頻次前10 的關鍵詞如表1 所示。英文文獻可視化圖譜中，共計節點382 個，連線1630 條，網絡密度為0.0224，說明關鍵詞之間聯系緊密。研究的主要內容為鐵皮石斛活性成分鑒定（關鍵詞：polysaccharide、flavonoid、mannose-binding lectin），藥理作用（關鍵詞：antioxidant activity、inflammation）及臨床實驗研究（關鍵詞：tolerance、in vitro、mice）。與中文關鍵詞可視化分析相比較，英文文獻側重于活性成分鑒定、作用機制及體內實驗耐藥量方向的研究。

圖2 鐵皮石斛英文文獻關鍵詞的共現分析Fig.2 Co-occurrence analysis of key words in English literature of Dendrobium candidum

2.1.2 聚類分析 關鍵詞聚類圖譜是在共線圖譜的基礎上，運用Log-likelihood ratio（LLR）算法分析聚類視圖中各聚類間的結構特征、關鍵節點和聯系程度，通過高頻詞反映出不同年代該領域研究的熱點和動態變化[18-19]。中文文獻關鍵詞聚類分析圖譜中，聚類模塊值Q 為0.8636（>0.3），表明聚類得到的網絡社團結構顯著。平均輪廓值（S）是衡量網絡同質性的指標，本次聚類S 為0.9691（>0.5），表明聚類結果合理性強、可信度高。聚類網絡結果顯示共得到17 個聚類模塊，見圖3。

圖3 鐵皮石斛中文文獻關鍵詞的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of key words in Chinese literature of Dendrobium candidum

根據不同聚類模塊中關鍵詞的歸納梳理，將17 個聚類模塊分為3 大類：第1 類包括＃1、＃6，為鐵皮石斛的保健功能分析，主要關鍵詞是鐵皮石斛的抗氧化、免疫調節等，提示鐵皮石斛清除自由基、提高免疫力的研究居多。第2 類包括＃3、＃5、＃8、＃9、＃10、＃16 均為化學成分的研究，主要關鍵詞是多糖含量、化學成分、多糖、氨基酸、石斛多糖、單糖等，提示多糖作為鐵皮石斛化學組分的主要研究對象。第3 類包括＃2、＃4、＃7、＃11、＃12、＃13、＃14、＃15、＃17 均為實驗研究，主要關鍵詞是轉錄組、基因表達、懸浮培養、指紋圖譜、實驗研究、分離、小鼠、混菌發酵、組織培養等。提示基因表達、指紋圖譜等交叉學科知識逐步應用到實驗研究中，評價其綜合質量的真實性、優良性、穩定性。

英文文獻關鍵詞聚類分析圖譜中，聚類模塊值Q＝0.8108，說明聚類結構顯著；聚類平均輪廓值S＝0.9388，說明聚類結果很令人信服。聚類網絡結果共得到15 個聚類模塊，見圖4，對15 個模塊總結分析，dendrobium catenatum lindl（＃1）、dendrobium officinale polysaccharid（＃2）、mannose-binding lectin（＃8）、oxidative stress（＃10）代表鐵皮石斛活性成分與功能，主要是甘露糖、多糖、氧化應激研究。discrimination（＃3）、superfine grinding（＃5）、authentication（＃11）代表鐵皮石斛實驗研究的方法。biodynamics（＃4）、shoot development（＃9）、subtraction hybridization（＃12）、photoprotection（＃13）代表鐵皮石斛的生物動力學研究。gene family（＃6）、rnaseq（＃7）、gut microbiota（＃14）、pathway（＃15）代表鐵皮石斛微生物檢測與基因表達，主要研究鐵皮石斛功能基因的通路與腸道微生物群。

圖4 鐵皮石斛英文文獻關鍵詞的聚類分析Fig.4 Cluster analysis of key words in English literature of Dendrobium candidum

2.1.3 突現分析 關鍵詞突現是指關鍵詞在某一時間段內使用頻次顯著增加，反映該階段研究領域文獻新的研究主題和內容的關注強度[20]。“Strength”表示關鍵詞的突現強度，Strength 值越大，提示關鍵詞影響力越大，是該時間段內領域研究的熱點[21]。鐵皮石斛中、英文文獻關鍵詞突現分析圖譜見圖5。

圖5 鐵皮石斛中文（a）和英文（b）文獻關鍵詞的突現分析Fig.5 Emergent analysis of Chinese (a) and English (b) literature keywords in Dendrobium candidum

中文文獻共出現25 個突現詞，根據時間排序，2000～2012 年，研究熱點為鐵皮石斛的基因層面（關鍵詞：基因家族、基因鑒定）以及微生物發酵方面（關鍵詞：益生特性、混菌發酵），從而開發出鐵皮石斛相關保健食品類（關鍵詞：糯米飲料、石斛小曲、米酒品質）；從2016 年起研究內容迅速集中于鐵皮石斛活性成分方向（關鍵詞：多糖含量、單糖組成、黃酮），而后基于其活性成分，研究熱點進一步轉向鐵皮石斛的作用機制，并一直持續至今。

英文文獻共出現25 個突現詞，2004～2014 近10 年中重視鐵皮石斛生物大分子、植物細胞及遺傳信息的研究（關鍵詞：rdna、dna、cell）；2014～2018 年研究熱點集中在體外實驗和植物激素類研究（關鍵詞：in vitro、purification、abscisic acid）；2018 年開始至今研究學者在體外實驗的基礎上重視體內動物實驗及結構表征，并且涉及鐵皮石斛多糖含量測定與藥理作用研究[22-25]（關鍵詞：structural characterization、in vivo、mice、performance liquid chromatography oxidative stress、water soluble polysaccharide）。

2.1.4 時間線圖分析 時間線圖分析是對每個聚類模塊中關鍵詞隨時間變化發生趨新或趨老變化的分析，不僅可以表達該領域發展的演變，還側重于構建聚類之間的關系[26]。從中文文獻時間線圖看，如圖6 所示，抗氧化（＃1）的延續性和時間跨度比較好，2000～2004 年，鐵皮石斛研究走勢較為緩慢，2005～2010 年研究范圍逐漸變廣，涉及多個聚類模塊，包括免疫功能、生物堿、產品開發、保健食品等；從2010 年起研究走勢上升，聚類模塊成果標志性地增多，其中包括更多種類保健品（復合飲料）、活性成分（黃酮、石斛酚、石斛堿）、研究方法（響應面、正交設計）等，說明研究學者對鐵皮石斛重視度迅速提高，研究熱度增加。2016、2020 年分別出現高頻關鍵詞抗衰老、多糖，提示關注度持續升高。此外，化學成分、基因表達、免疫調節等聚類模塊延續性好，時間跨度高，至今依舊是國內鐵皮石斛研究的熱點。

圖6 鐵皮石斛中文文獻聚類模塊的時間線圖分析Fig.6 Time line diagram analysis of Chinese literature cluster module of Dendrobium candidum

英文文獻時間線圖顯示，如圖7 所示，在2003年與2007 年，聚類模塊分別出現標志性關鍵詞“identification”、“polysaccharide”，時間跨度直至2022 年，與英文文獻關鍵詞共現分析相呼應，共同說明研究熱度之高。2011 年始，聚類模塊依次出現mitochondria、cell、expression、induction antioxidant，研究成果顯著性增多，至今發展形勢并未出現趨老。2014-2018 年，從體外細胞實驗重心逐漸趨向體內動物實驗，并迅速發展起來，基因表達及含量測定、小鼠耐藥性實驗成為目前國外研究的主要熱點和高度關注點。

圖7 鐵皮石斛英文文獻聚類模塊的時間線圖分析Fig.7 Time line diagram analysis of English literature cluster module of Dendrobium candidum

2.2 專利信息統計分析

2.2.1 領域分析 鐵皮石斛相關專利的主要來源國為中國，作為鐵皮石斛的主產國，中國幅員遼闊、人口眾多，對鐵皮石斛專利有較大的市場需求[27]。針對2480 項有效專利，分析鐵皮石斛相關專利在各領域方向的數量占比分布情況，如圖8 所示，其相關專利主要集中在種植栽培的技術優化與裝置發明方面，有利于鐵皮石斛的生長發育和藥用價值的累積。其次，在醫藥制劑領域方面占比16.33%，作為藥食兩用的品種，鐵皮石斛具有綜合改善多種代謝紊亂的優勢，可應用于具有高血壓、高血脂、糖尿病等代謝相關疾病的藥品及保健食品[28-29]。由于鐵皮石斛提取物具有良好的成膜特性，兼具良好的及時保濕功效與顯著的抗氧化效果[30-31]，可用作護膚品的原料使用。目前6.85%的專利應用于日化品領域，包括乳液、膏霜、護膚水等多種劑型的護膚品。通過該分析可以了解鐵皮石斛相關專利覆蓋的研究類別，以及各領域的創新熱度。

圖8 國內鐵皮石斛相關專利領域分析Fig.8 Technical fields distribution of Chinese patents of Dendrobium candidum

國外專利分析如圖9 所示。韓國鐵皮石斛相關專利居于首位，達到89 項，占國外專利64.49%，其次美國鐵皮石斛相關專利為31 項位居第二，韓美兩國未來有很大可能會成為中國的競爭國。經公開專利顯示，韓美兩國鐵皮石斛專利均偏重于藥物預防治療方面，如治療哮喘、更年期障礙、腎毒性抗癌劑引起的疾病、減輕糖尿病視網膜病變以及預防或治療脫髓鞘疾病等。除此之外韓國亦將鐵皮石斛作為保健食品進行研究。

圖9 全球鐵皮石斛相關專利數量Fig.9 Number of global patents related to Dendrobium candidum

2.2.2 鐵皮石斛食品相關專利的申請趨勢分析 共檢索到290 項鐵皮石斛相關食品類型專利，共涉及食品產品、應用領域、外觀設計、技術工藝等方面。通過公開趨勢從宏觀層面把握鐵皮石斛食品專利在各時期的專利公開文獻的數量變化，如圖10。在2008 年之前，有效專利公開量為0；從2011～2015 年專利數量與年份呈現正比上升趨勢；2018 年專利數量達到頂峰，為28 項；后續出現“下降-上升-再下降”不穩趨勢，且總體為下降趨勢。我國研究學者可結合自身發展、堅持創新、順應市場需求，在現有應用基礎上，加強對我國鐵皮石斛食品資源的進一步研發，再創出鐵皮石斛食品領域的新高。

圖10 2004～2022 年中國鐵皮石斛食品相關專利申請趨勢Fig.10 Trends of Dendrobium candidum in Chinese food patent application from 2004 to 2022

2.2.3 鐵皮石斛相關食品專利的種類分析 通過已檢索的格式中添加“ABS：（食品OR 保健）”進一步篩選以鐵皮石斛為主要原料的食品專利，包括鐵皮石斛普通食品與保健食品的發明專利，共計176 項。主要包含顆粒含片、茶、飲料、乳制品、米面粉、酒、食品調味劑以及糖果甜品等，其中與鐵皮石斛相關顆粒含片最多，共42 項，占比23.86%；其次是飲料、茶類，專利數分別為30 項與21 項，占17.04%、11.93%。見圖11。鐵皮石斛食品種類豐富，創新性也較為突出，如鐵皮石斛糖果口味豐富，便于攜帶和食用，其一改傳統的鐵皮石斛食用方式，受到大眾青睞。鐵皮石斛食品不僅含有飲料、乳制品、糖果等日常食品，還有以顆粒、含片為主具有明確保健功能的鐵皮石斛保健食品，可滿足不同人群的需求。

圖11 鐵皮石斛食品專利的品種類別分析Fig.11 Variety analysis of food patents of Dendrobium candidum

2.2.4 鐵皮石斛相關食品的保健功能分析 鐵皮石斛保健食品的劑型多以顆粒、片劑、膠囊等為主，除此之外，以鐵皮石斛為原料的普通食品形態也不在少數。統計可知專利中明確保健功效的食品，共涉及增強免疫力、緩解體力疲勞、延緩衰老等9 種保健功能，見表2。其中以增強免疫力為主，占產品總量42.04%，緩解體力疲勞與延緩衰老居于其次，分別占比22.16%、17.61%。現有藥理實驗證明鐵皮石斛具有促進毛發生長[32]、增加骨密度[33-34]等作用，這也是未來保健食品開發的新空間。

表2 鐵皮石斛相關食品專利的保健功能分析Table 2 Analysis of health function of Dendrobium candidum related to food patents

3 討論與結論

本研究基于CiteSpace 5.8.R3 軟件系統，對鐵皮石斛中、英文文獻的關鍵詞進行可視化分析。鐵皮石斛國內外研究的側重方向不同，中文文獻主要從鐵皮石斛多糖、保健功能、化學成分、產品開發及基因方面對鐵皮石斛進行研究，英文文獻偏向于動物實驗及安全性評價等臨床實驗研究，主要包括活性成分鑒定、藥理作用及作用機制等領域的研究。結合關鍵詞突現分析顯示鐵皮石斛研究的發展歷程，預測鐵皮石斛將以活性成分研究、基因層面、微生物發酵和保健食品開發等為研究熱點方向。通過時間線圖分析，抗氧化、免疫調節、活性成分、基因表達等聚類模塊延續性好，時間跨度高，至今依舊是國內鐵皮石斛研究的熱點；國外鐵皮石斛研究從體外細胞實驗重心逐漸趨向體內動物實驗，研究成果顯著性增多，成為國外研究的主要熱點和高度關注點。國內外研究均推動了該領域的發展，加強彼此合作，優勢互補，實現鐵皮石斛國內外研究發展共贏。與傳統研究方法相比，基于CiteSpace 的分析可以更直觀地展現領域內研究內容和研究熱點，可通過數據分析結果預測未來研究趨勢。但也存在一定的局限性，本研究僅對中、英文科學計量研究最常用的數據庫（CNKI、WOS）文獻進行整合分析，可能存在數據分析來源不夠全面的情況。其次分析前需要提前手動剔除與主題不相關的文獻，可能導致分析結果客觀性不強。隨著軟件更新與數據的不斷完善，CiteSpace 知識圖譜將更加科學準確地揭示鐵皮石斛的研究進展，為該領域研究發展提供更全面的科學支撐。

鐵皮石斛專利計量的研究分析表明，我國仍然是鐵皮石斛專利的主要申請國，但國內專利申請人要注意優化鐵皮石斛的產業布局，打造出不同領域的優勢產品，加強產學研的對接與合作，鼓勵資源整合，形成技術聯盟，克服自身發展短板。鐵皮石斛食品專利申請建議可從以下幾方面開展：在資源開發方面，隨著鐵皮石斛花、鐵皮石斛葉列入新食品資源，鐵皮石斛新食品資源部位正逐步進入市場，為鐵皮石斛保健食品開發與提升產品附加值帶來新的契機；在技術創新方面，可不斷開發如凝膠果糖等“零食化”產品，調味品、低度酒、方便速食等新的食品形態，并引入微膠囊、納米技術等，促進創新能力的提升，加強對鐵皮石斛食品資源的進一步研發，提升核心競爭力；在保健功能開發方面，隨著活性成分研究、分子生物學層面與功效方面等的進一步研究，可向具有促進毛發生長、增加骨密度等作用為保健食品開發提供新空間。