基于文献计量的乳酸菌细菌素研究进展分析

2024-04-30 12:02甄子辰王珊珊路宏朝

食品工业科技 2024年9期

甄子辰，刘阳，王珊珊,2,3, ，路宏朝,2,4，王令,5，张涛,3,6

（1.陕西理工大学生物科学与工程学院，陕西汉中 723001；2.秦巴生物资源与生态环境省部共建国家重点实验室（培育），陕西汉中 723001；3.陕南秦巴山区生物资源综合开发协同创新中心，陕西汉中 723001；4.秦巴特色肉制品质量提升与安全控制陕西省高校工程研究中心，陕西汉中 723001；5.陕西省四主体一联合镇巴腊肉校企联合研究中心，陕西汉中 723001；6.陕西省资源生物重点实验室，陕西汉中 723001）

乳酸菌细菌素是由乳酸菌产生的可以杀死或抑制其他细菌生长的天然蛋白质或多肽类物质[1]。目前已经发现多种产细菌素的乳酸菌[2]，例如乳酸乳球菌生产的nisin 可以抑制金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和肠球菌（Enterococci）等细菌的生长[3-5]，片球菌产生的pediocinPA_1 对单增核李斯特菌（Listeria monocytogenes）有显著抑制作用[6-7]。乳酸菌细菌素主要作用于革兰氏阳性菌[8]，通过阻止细胞壁的合成或增加细胞膜的通透性达到抑菌效果[9]。基于细菌素具有无抗药性、可生物降解、杀菌快等优势[10]，因此在食品、医药和饲料行业应用前景广阔。将乳酸菌细菌素作为防腐剂，加入包装材料中，使其具有抗菌活性，能延长食品货架期[11]。在乳制品[12]、肉制品[13]、蛋制品[14]等食品生产过程中，加入产细菌素的乳酸菌可抑制有害菌的生长，延长保质期。具有抑制耐药细菌特性的细菌素，用于治疗细菌感染引起的疾病。柳青[15]从乳酸杆菌中提取出的细菌素对金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌的生长与生物膜形成有较强抑制作用。将产细菌素的乳酸菌添加在饲料中，可以调控畜禽肠道菌群，提高新陈代谢速率，有利于提高产肉品质[16]。

CiteSpace 是一种文献计量分析工具，将数学和统计学结合研究各学科发展，通过可视化知识图谱分析当前领域现状，在评估未来趋势、探测学科前沿、选择科研方向、开展知识管理和辅助科技决策诸方面能够更好地发挥方法论的功能[17]。本研究通过CiteSpace 软件对乳酸菌细菌素研究领域文献的发文量，发文国家、作者、机构和期刊，高被引文献，关键词共现聚类等角度分析该领域的研究现状和热点，为未来乳酸菌细菌素的研究者提供科学理论依据。

1 分析方法

1.1 数据来源

中文文献以中国知网（China national knowledge infrastructure，CNKI）为检索平台，外文文献以Web of Science（WOS）核心合集为检索平台。CNKI 设置检索条件：TS=（乳酸菌）AND TS=（细菌素）（其中TS 为主题），发表时间从2000-01-01 至2023-03-01；来源类别：期刊。WOS 数据库检索式为：TS=（bacteriocins）AND TS=（Lactic acid bacteria）and Article or Review Article（Document Types）。检索得到CNKI 数据库文献总数627 篇，WOS 数据库文献总数2543 篇。

1.2 研究工具

CiteSpace6.1.R6、文献计量在线分析平台（https://bibliometric.com/）、Microsoft Office、Graph-Pad Prism 8.0.2。

1.3 数据处理

本研究设置时间跨度为 2000～2023 年，Time slice 设置为1，Selection criteria 设置选择TopN（N=50）与g-index（k=25），Pruning 选择Pathfinder和Pruning sliced networks[18]。选择作者、机构、关键词等节点绘制网络图谱对其进行可视化分析。N、E 分别代表节点数与连线数，圆形节点大小与文献数量成正比；年轮颜色代表文献发表年限，颜色越深发表时间越久远；节点间连线代表两者共现关系，颜色对应二者首次引用年份，颜色越深首次引用年份越久远。

2 分析结果

2.1 发文量分析

年度发文量在一定程度上反映该研究领域的发展历程与变化规律[19]。对CNKI 及WOS 数据库年度发文量统计（图1）。2000～2022 年，CNKI 数据库共发表文献627 篇，发文量在2005 年之前处于较低水平，随后稳定在20～50 篇之间，在2012 年和2019年发文量最高，分别达44 篇和43 篇。2004 年闫波和刘宁发表的“乳酸菌及其在食品工业中的应用与展望”[20]描述了乳酸菌在食品工业中的应用，展望了对乳酸菌产生的细菌素的研究，被引频次达88 篇，此后乳酸菌细菌素的发文量有了突破性进展。WOS 数据库共发表文献2543 篇，发文量整体呈波动上升趋势。NES IF 团队在2001 年发表的“Bacteriocins: safe,natural antimicrobials for food preservation”[21]系统介绍了细菌素并认为在食品领域使用是安全的。除2006 年发文量小幅下降外，2001～2008 年呈持续增长；2008～2019 年发文量有所波动，但均高于110 篇/年；2020 年发文量达到最高峰，为165 篇，随后有一定程度下降，表明各国学者对乳酸菌细菌素一直保持关注，乳酸菌细菌素在食品保藏和医药方向的应用潜力是该领域被持续关注的重要原因。

图1 CNKI 及 WOS 数据库年度发文量统计Fig.1 Annual publication statistics of CNKI and WOS database

2.2 作者合作分析

作者合作网络图能够帮助学者寻找相契合作，促进学术交流和学科发展。CNKI 数据库中李平兰团队在乳酸菌细菌素领域发文量最多（21 篇），主要发表在《食品科学》、《中国农业大学学报》中国核心期刊，研究内容主要包括产细菌素乳酸菌的生物学特性研究[22]，产细菌素乳酸菌的筛选鉴定[23]，群体感应系统调控[24]，细菌素防腐保鲜能力评价[25]，细菌素相关基因分析[26]。作者共现图谱显示（图2A）分别以李平兰、张兰威、刘书亮等为核心形成了各自的合作网络，但各合作网络之间联系较少，还存在无合作网络的作者。WOS 数据库中Todorov SD 发文量最高（105 篇），研究方向主要包括发酵食品中抑菌物质安全性评价[27]、产细菌素乳酸菌挖掘[28]、医药行业应用[29]。绘制作者共现图谱，Todorov SD，Nes IF，Zendo T 等发文量排名靠前，与其他作者合作密切，建立了复杂的合作网络（图2B）。与WOS 数据库对比，CNKI 数据库学者虽然形成了合作团队，但缺乏团队之间的合作成果，呼吁各团队之间共建交流合作平台，拓展合作网络。

图2 作者合作网络Fig.2 Author cooperative network

2.3 发文期刊分析

对CNKI 数据库与WOS 数据库中近20 年乳酸菌细菌素的发文期刊进行统计分析（图3）。CNKI数据库中有关乳酸菌细菌素的文献发表期刊大多属于中文核心期刊。发文量排名第一的是《食品工业科技》，达54 篇，该期刊复合影响因子3.472，综合影响因子2.492，属于北大核心期刊，发文量第二的是《食品科学》，复合影响因子2.561，综合影响因子1.787，是食品工业学科的权威期刊，被北大核心和CSCD 收录。WOS 数据库中论文发文量排名第一的是《Journal of Appled Micbiogy》（应用微生物学杂志），乳酸菌细菌素发文量达108 篇，该期刊影响因子4.059，在JCR 分区中属于Q2 期刊，排名第二的是《International Journal of Food Microbiology》（国际食品微生物学杂志），影响因子5.911，在JCR 分区属于Q1 期刊，是微生物领域中具有代表性的优秀期刊。说明这些期刊对乳酸菌细菌素领域的关注较高，也是指导该领域学者阅读和投稿的重要参考。

图3 发文量前十的期刊Fig.3 Top 10 Journals in terms of publication volume

2.4 文献高被引分析

文章被引频次体现文献的学术价值与影响力[30]。统计数据库中高被引频次文献可以更清楚地了解近年来乳酸菌细菌素领域的研究进展和方向（表1）。CNKI 数据库中最高被引文献为李铁军等[31]于2002 年发表在《微生物学通报》的“乳酸菌抗菌机理研究进展”，总结了乳酸菌产生的乳酸菌素和有机酸等抑菌物质及其抑菌机理。被引频次排名前十的文献研究包括分离筛选产细菌素的菌株、分离纯化细菌素、细菌素分类以及在食品工业的应用。WOS 数据库中高被引文献中，Cotter P D 团队于2005 年发表的“Bacteriocins: Developing innate immunity for food”[32]，被引量最高（1544），该文章提出利用基因组学预测食品中可能出现的耐药性细菌，将细菌素用于特定食物，达到使食品产生先天免疫致病菌的效果，在食品安全领域有着巨大的价值；于2012 年发表的“Bacteriocins-a viable alternative to antibiotics?”[33]

表1 2000～2023 年乳酸菌细菌素领域被引频次前10 的文献Table 1 Top 10 cited literatures in the field of bacteriocins from lactic acid bacteria from 2000 to 2023

被引频次排名第三，阐述了细菌素在临床医学的价值，提出将细菌素开发为新的临床使用的新型抗菌素。被引频次排名前十的文献多是综述类论文，总结分析了乳酸菌细菌素在食品安全和健康领域的应用潜力。

2.5 国家分析

使用文献计量在线分析平台对WOS 数据库发表文献进行国家分析，了解乳酸菌细菌素研究方向国家层面的合作关系，进而发现该领域内值得关注的国家[34]。乳酸菌细菌素研究国家合作图谱可以看出，美国、巴西、西班牙和韩国学者与其他国家合作较多，中国、印度和爱尔兰与其他国家合作较少（图4）。将乳酸菌细菌素研究发文量前10 国家的具体发文量进行整理（表2），西班牙、印度、中国在发文量排名前三，可能与当地饮食多以海鲜、蔬果和乳制品为主有关，使这些国家更加关注食品保鲜，促进了乳酸菌细菌素领域的研究。

表2 发文量前十国家Table 2 Top 10 countries in terms of publication volume

图4 国家合作网络Fig.4 National cooperative network

2.6 机构分析

运用CiteSpace 绘制机构合作网络共现图谱（图5），CNKI 数据库中，机构之间联系较为稀疏。中国农业大学食品科学与营养工程学院、内蒙古农业大学食品科学与工程学院和东北农业大学乳品科学教育部重点实验室发文量较多，分别为24、21 和17 篇。中国农业大学食品科学与营养工程学院近几年的关注点为群体感应调控乳酸菌细菌素合成，产细菌素乳酸菌在发酵食品中的应用，关注者多为李平兰团队成员；内蒙古农业大学食品科学与工程学院从内蒙古特产中分离产细菌素乳酸菌[35-36]以及抗菌肽生产条件优化[37]；东北农业大学乳品科学教育部重点实验室关注植物乳杆菌细菌素的抑菌机制与合成机制[38-39]。江南大学、上海海洋大学，研究重点在食品保鲜[40]和产细菌素乳酸菌的筛选[41]。总体来看，CNKI 数据库发文机构虽然较多，但发文数量和合作较少，可能是由于地理因素与研究方向的差异导致。WOS 数据库中发文量排名前三的分别是圣保罗大学（81 篇）、九州大学（44 篇）和斯泰伦博什大学（43 篇）。圣保罗大学近年对筛选有抑菌作用抗生素关注较高[27,42]，并验证其对不同致病菌的抑制作用，如龋齿致病菌[43]，探讨了在水产养殖中对乳酸菌细菌素的应用[44]，研究者多是Todorov S D 团队成员。九州大学关注细菌素氨基酸序列[45]、基因簇鉴定[46]和细菌素合成机制[47]等分子层面研究，可通过核酸序列分析遗传特征，鉴别不同的细菌素[48]。圣保罗大学和九州大学节点大、连线数量多，且颜色浅，说明圣保罗大学在该领域与其他研究机构保持着紧密的合作网络，且研究方向前沿。

图5 2000～2023 年乳酸菌细菌素研究领域机构合作网络Fig.5 Bacteriocins from lactic acid bacteria research institutional cooperation network from 2000 to 2023

2.7 关键词分析

研究热点是在某领域中被研究学者关注的焦点，也是该领域在某一阶段所主要探讨的问题以及文献计量研究的重要指标[49]。关键词是一篇文章核心内容的提炼和概括，体现了文章所表达的主要内容，关键词经常被用来分析某领域的研究热点[50]。将CNKI 数据库中有关乳酸菌细菌素的关键词共现并绘制图谱（图6A），除去主题词“细菌素”和“乳酸菌”外，最大的节点为“筛选”、“鉴定”、“抑菌活性”、“应用”。研究者大多将从不同样品中分离筛选细菌素，并评价抑菌活性，讨论应用领域。将WOS 数据库中有关乳酸菌细菌素的关键词共现并绘制图谱（图6B），较大节点为：“antimicrobial activity”、“Listeria monocytogenes”、“gastrointestinal tract”、“genetic characterization”等，其中李斯特菌是一种食源性致病菌，人畜感染后会表现出败血症、脑膜炎等症状[51]，对人畜健康有重大危害，研究者发现乳酸菌细菌素对其有抑制作用，一些细菌素被FDA 认为是GRAS（公认安全的），将其应用于一些胃肠道疾病的治疗或改善。基因特征是WOS 数据库中有关乳酸菌细菌素研究的热点方向，然而在CNKI 数据库中该方向收录文章较少，研究者可对该方面提高关注度。

图6 2000～2023 年乳酸菌细菌素研究领域关键词共现Fig.6 Bacteriocins from lactic acid bacteriain research keywords co-occurrence from 2000 to 2023

2.8 关键词聚类分析

CiteSpace 将图谱网络结构与聚类分析计算出模块值Q 和平均廓值S 两个指标，来评判分析的合理性。其中模块值Q 介于0.3～0.8 为符合要求的图谱，大于0.8 则合理性强；当S 值为0.7 的时候，聚类结果具有高信度，S 值大于0.5 说明聚类是合理的[52]。本研究中，CNKI 数据库与WOS 数据库聚类模块的Q 值分别为0.561 和0.4036，说明图谱是符合要求的，聚类的S 值分别为0.8461 和0.6981，说明聚类之间的相关性较强。绘制CNKI 数据库与WOS 数据库关键词聚类图谱，CNKI 数据库中生成了13 个聚类标签（图7A）分别是：#0 乳酸菌、#1 鉴定、#2 群体感应、#3 应用、#4 乳酸杆菌、#5 抑菌活性、#6 类细菌素、#7 芽孢杆菌、#8 乳杆菌、#9 抗生素、#10 抗菌活性、#11 食品安全、#12 防腐保鲜。对聚类标签进行分析，参考对聚类图的分析方法，可看出CNKI数据库中对乳酸菌细菌素的研究大致分为三个方向：a.产细菌素微生物的分离鉴定（#1 鉴定、#4 乳酸杆菌、#7 芽孢杆菌、#8 乳杆菌）；b.抑菌活性和抑菌谱研究（#2 群体感应、#5 抑菌活性、#6 类细菌素、#10 抗菌活性）；c.乳酸菌细菌素的应用（#3 应用、#9 抗生素、#11 食品安全、#12 防腐保鲜）。WOS 数据库中生成了11 个聚类标签（图7B）：#0Enterococcus faedium（肠球菌）、#1pH、#2nisin resistance（nisin 抗性）、#3 biosynthesis（生物合成）、#4Lactococeus lactis（乳酸乳球菌）、#5Lactobacilus plantarum（植物乳杆菌）、#6proteolysis（蛋白质水解）、#7table olives（桌面橄榄）、#8food（食物）、#9in vitro（体外）、#10Lactic acid bacteria（乳酸菌），可以看出在WOS数据库对乳酸菌细菌素的研究有产细菌素微生物的分离鉴定（#0Enterococcus faedium、#4Lactococeus lactis、#5Lactobacilus plantarum、#10lactic acid bacteria）、细菌素的合成与代谢（#3biosynthesis、#6proteolysis）和食品行业应用（#8food）。

图7 乳酸菌细菌素研究的关键词聚类Fig.7 Key words clustering in the study of bacteriocins from lactic acid bacteria

2.9 突现词分析

突然出现的关键词可以视作新的研究热点[53]，红色代表关键词突现的年份和持续时间，蓝色表示为平常年份。根据关键词突现可以直观地看出研究热点的变化。不同年份研究者所关注的研究热点不同。对CNKI 数据库中关键词进行突现分析（图8），突现词有：乳酸菌素、类细菌素、质粒、食品级、发酵香肠、鉴定、拮抗、分离纯化、抑菌机理、抑菌机制、抑菌、益生菌。在2000～2013 年间，热度最高的是类细菌素、乳酸菌素和鉴定，2014～2023 年突现程度最高的是抑菌机制和益生菌。说明乳酸菌细菌素的抑菌机制、益生菌与乳酸菌细菌素联合作用是目前的研究前沿。对WOS 数据库中关键词突现分析，发现WOS 数据库中2000～2010 年，乳酸菌细菌素的分子克隆及其对致病菌的抑制效果是此时期的热点（nucleotide sequence、cloning、plasmid、antilisterial bacteriocin、inhibition），2017 年至今热点词变为抗生素耐药性、体外、基因、保质期，说明抗生素的大量使用，使得抗生素耐药性成为日益严重的问题，因此开发可在临床使用的新抗生素是未来发展趋势。细菌素是一类细菌合成的可以抑制其他细菌生长的抗菌肽，且没有抗药性，有延长食品保质期和治疗抗药性细菌引起的疾病的能力。

图8 2000～2023 年乳酸菌细菌素研究的突现词分析Fig.8 Analysis of emergent words from bacteriocins of lactic acid bacteria from 2000 to 2023

3 结论

本文对 2000 年 1 月 1 日至 2023 年 3 月 1 日检索到的627 篇来自CNKI 与2543 篇来自 WOS 数据库中的乳酸菌细菌素研究相关文章，利用Cite-Space 软件和文献计量在线分析平台进行可视化文献计量分析。文献计量结果表明，在CNKI 数据库与WOS 数据库中，外文期刊总发文量高于中文期刊，中文期刊发文量在2005 年之前处于较低水平，随后稳定在20～50 篇之间，2012 年达到峰值，外文期刊发文量整体呈波动上升趋势，在2020 年最高，收录文献最多的是《食品工业科技》和《Journal of Applied Microbiology》，发文量最高的作者是李平兰与Todorov SD，所属机构为中国农业大学和圣保罗大学。中文文献作者合作相对较少，缺乏一定的交流和讨论，而外文文献的机构与作者合作较为频繁。通过关键词分析可以看出，CNKI 数据库中收录的文章多是从不同食品来源样本中分离、筛选、鉴定、获得分离产细菌素的乳酸菌，并进一步评价其抑菌活性，阐述其在食品行业中的应用前景；突现词分析表明乳酸菌细菌素的抑菌机制、细菌素与益生菌之间的联系是当下研究热点。WOS 数据库中关键词“胃肠道”、“基因特征”、“单增核李斯特菌”、“抑菌活性”出现频次较高，主要热点是研究乳酸菌细菌素对耐药性微生物的抑制能力及基因特征。目前对乳酸菌细菌素的研究多为浅显的基础研究，如产细菌素的乳酸菌分离筛选和评价抑菌活性，而对分子层面如分子结构解析，基因特征和抑菌机制研究较少。目前已发现许多有良好抑菌效果的细菌素，但目前使用最广、商品化成功的只有乳酸乳球菌素和片球菌素。通过组学技术推测乳酸菌细菌素的生物合成过程，提高产量，降低毒性，开发更多商品化乳酸菌细菌素将成为未来研究趋势。