《食品科学》：兰州理工大学生命科学与工程学院任海伟教授等：基于文献计量学的白酒窖泥研究进展与发展态势
2023-05-29作者：来源：责任编辑：食品界
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大曲、酒醅、窖泥在白酒酿造过程中扮演着重要角色，并与酿酒环境等因素共同发挥作用，形成白酒所特有的风味与品质。窖泥是酿酒微生物的载体，是主体生香功能菌群富集的场所，窖泥中栖息的己酸菌、甲烷菌、乳酸菌、放线菌等菌群通过厌氧发酵生成丰富的代谢产物，对白酒风味物质形成具有重要作用。另一方面，pH值、水分、腐殖质、矿物元素、有机酸等窖泥理化指标会随发酵进程而不断演变，进而影响窖泥微生物菌群的生长代谢。深入解析白酒窖泥的理化指标和微生物动态演替有助于更好地调控白酒酿造发酵进程，最终有利于白酒品质的提升。
兰州理工大学生命科学与工程学院任海伟、蔡早宁、张丙云*等人采用文献计量学方法，从知识图谱视角对白酒窖泥的研究现状进行分析，通过发文量跟踪解析研究趋势变化，利用可视化知识图谱展示研究者和机构的共现网络，分析领域内的合作关系图谱，最后借助关键词共现网络和文献突现性对该领域的知识演进及热点趋势进行分析，以期方便读者整体把握白酒窖泥的科研发展态势。
由图1可知，CNKI数据库中窖泥领域的年度发文趋势大体分为3 个阶段：1）萌芽期（1980—1986年），为初步探索阶段，共发文7 篇。这一时期的研究发现窖泥质量直接决定着产品质量，只有合理养护窖池才能使窖泥不退化、更优质，如采取减少铁盐钙盐物质、保持良好卫生防止乳酸菌繁殖、污泥随采随用等措施。2）发展期（1987—2009年），该阶段的发文速度明显加快，累计发文155 篇，年均发文6.74 篇，主要围绕人工窖泥养护、窖泥优势菌属分离鉴定、窖泥培养等方向开展研究，证实了窖泥质量好坏的关键取决于窖泥微生物的种类和数量，因此要想获得高品质白酒，就需要先解决窖泥微生物的驯化培养问题。3）爆发期（2010—2021年），该时期发文量显著增加，累计发文360 篇，年均发文32.73 篇，时至今日仍处上升态势；说明以白酒为代表的传统酿造食品研究愈发受到学术界关注，尤其随着分子生物学、基因工程等生物技术的发展，学者们开始从微生态角度研究窖泥微生物群落，旨在揭示窖泥微生态变化规律和差异性 ， 并通过窖泥活化、复壮、改良等手段来提高白酒品质和风味。
WOS数据库有关窖泥的报道始于2012年，当年仅有两篇文献发表。此后WOS数据库中的发文量呈现波动上升态势，由于白酒是中国所特有，因此WOS数据库中的文献全为中国学者发表，其中与美国合作发文3 篇，与丹麦、爱尔兰、荷兰合作发文各1 篇。综合两个数据库分析，近10 年来中国学者对白酒窖泥的研究关注度明显增强，研究队伍逐渐壮大，研究成果愈发丰硕。 如图2所示，WOS数据库发文量最高的作者是张文学、沈才洪和周荣清，三位均为14 篇，其中张文学团队所发文献的总被引频次为164 次，篇均被引频次为11.71 次，h指数为8；该团队率先将聚合酶链式反应（PCR）技术、变性梯度凝胶电泳（DGGE）等免培养生物技术用于窖泥微生物群落分析和菌种分类鉴定，并系统探讨了窖泥微生物菌群构成与代谢物质成分变化之间的相关性。沈才洪的文献总被引频次为113 次，篇均被引频次为8.07 次，h指数为6；该团队分析了不同窖龄窖泥的微生物群落结构和代谢变化规律，探究了乳酸、乙酸对窖泥微生物群落的调节作用，提出了一种功能微生物加速富集的方法。周荣清教授的文献总被引频次（330 次）和h指数（9）均排名第一，篇均被引频次为23.57 次，他主要通过研究窖泥微生物群落特征来阐述发酵过程及其代谢调控机制，从而制定能调节酿酒微生物发酵进程的有效策略。徐岩教授的发文量排名第四（12 篇），但其总被引频次（328 次）、篇均被引频次（27.33 次）和h指数（8）均排名第二，研究内容包括功能微生物群落结构、微生物代谢机理、微生物新酶及其分子改造等，这些研究对建立基于风味导向的白酒酿造技术具有重要意义。
结合图3中CNKI数据库分析，发文量位居前三的作者是唐玉明、黄治国和任道群，其中唐玉明的发文量最高为30 篇，总被引频次为406 次，篇均被引频次为13.53 次，h指数为14，他创新了人工老窖泥培养、复合功能菌液培养、优质曲药生产、酿酒原料高效利用等多项酿酒品质提升技术。黄治国的发文量为29 篇，总被引频次为219 次，篇均被引频次为7.55 次，h指数为9，他主要基于宏基因组学对浓香型白酒窖泥的优势微生物及群落结构进行研究。与之相比，张文学教授的篇均被引频次最高达19.48 次，总被引频次为409 次，h指数为11。另一方面，图3中发文量排在前10位作者的文献量合计高达227篇，篇均被引频次均在5 次以上，说明这些学者的成果产出和文献质量都很高，对我国的白酒窖泥研究起到了积极推动作用。
由图4可知，窖泥研究领域形成了以张文学、周荣清和吴重德、沈才洪、徐岩、任道群等为核心的5 个科研团队。其中，张文学团队是研究活跃度较高、成果产出较为丰硕的团队之一，该团队于2007年发表在《微生物学通报》的《浓香型白酒窖泥中兼性厌氧细菌的分离鉴定》一文报道其分离得到了包括Bacillus（芽孢杆菌）和Sporolactobacillus（芽孢乳杆菌）在内的16 株菌，该文被引频次高达79 次，为后期相关研究奠定了基础。2014年该团队在Journal of the Institute of Brewing期刊发表了首篇高水平文章，报道其用实时荧光定量聚合酶链式反应（qPCR）方法检测到了甲烷菌和肉毒杆菌，随后该团队多篇成果发表在Journal of the Science of Food and Agriculture、Foods、Journal of Applied Microbiology等期刊。周荣清和吴重德教授团队的研究成果主要发表在World Journal of Microbiology & Biotechnology等期刊，该团队2013年首次采用磷脂脂肪酸（PLFA）法和PCR-DGGE法研究了不同窖龄窖泥的微生物群落结构和多样性，并于2015年首次采用荧光原位杂交技术和PCR-DGGE相结合的方法，研究了古菌多样性和古菌群落随窖泥窖龄的变化情况。沈才洪团队也是较早研究窖泥的团队，合作成员有许正宏、姚万春等，研究内容侧重于人工窖泥培养、老熟窖泥判定及窖泥质量等级判定模型建立等，研究成果在《生物工程学报》、Food Research International、Applied and Environmental Microbiology等国内外期刊均有发表。以任道群为核心的团队中成员还包括唐玉明、刘茂柯等，该团队从2004年开始对窖泥微生物群落结构和多样性以及人工窖泥选育等问题开展研究，初期成果多在国内核心期刊发表，2015年至今在Msystems、Food Science and Biotechnology等期刊发表论文5 篇。徐岩教授团队对窖泥的研究起步较晚但发展迅速，研究成果发表在Bioresource Technology、International Journal of Food Microbiology等期刊，2021年该团队最新成果发表于Applied and Environmental Microbiology期刊，解析了我国浓香型白酒酿造系统的己酸菌类型，揭示了浓香型白酒主要呈味呈香物质的微生物代谢奥秘，回答了困扰多年的有关己酸菌类型及其发酵特征等谜题。徐岩教授团队还围绕窖泥厌氧菌的生态学功能和风味生成特征，建立了难培养厌氧菌的可培养化技术体系，推动了优质窖泥菌（群）选育与产业化应用。 由表1可知，四川大学、江南大学和国家固态酿造技术研究中心是WOS数据库中文献量排名前10 位的主要研究机构。四川大学的研究能力、成果产出和学术影响力均处于领先水平，这与四川大学较早开展相关研究密切相关。江南大学研究内容主要涉及窖泥微生物群落演化因素的探究、窖泥微生物在多种风味化合物形成中的主导作用及窖泥中梭菌多样性的特异性引物开发、验证及应用等。发文量排在第三位的是依托泸州老窖股份有限公司设立的国家固态酿造工程技术研究中心，该机构作为白酒固态酿造行业唯一的国家级工程中心，对促进酿酒行业向科技型转变、推动酿酒产业高质量发展发挥着引领作用。中国科学院和北京工商大学由于研究起步较晚，因此发文量相对较少，但其研究成果丰硕、学术贡献力较高，位居前列。 结合表2分析可知，泸州老窖股份有限公司、四川轻化工大学、四川大学、四川省农业科学院水稻高粱研究所、四川省泸州市酿酒科学研究院等单位是CNKI数据库文献量排名前10 位的机构。表2中的企业单位有4 家，研究院和高校各有3 家，说明白酒企业是窖泥研究领域技术创新的主力军，高校和科研院所作为理论知识创新的源泉，主要围绕企业技术难题开展研究，通过校企协作共同推动窖泥研究向深水区发展。
WOS数据库中的研究机构合作关系如图5所示，主要形成了以四川大学、国家固态酿造工程技术研究中心、江南大学三大研究机构为核心的网络，这些机构不仅具有较高学术影响力，还具有很广的辐射带动效应。其中，四川大学与四川轻化工大学、四川大学与四川水井坊股份有限公司、四川农业大学与四川省农业科学院等单位合作密切，形成了基于地缘位置相近、学术联系较为紧密的合作模式。江南大学与国家固态酿造工程技术研究中心合作密切，前者有粮食发酵与食品生物制造国家工程研究中心，与后者所从事研究类型和结构特征具有相似性，形成了基于研究机构属性相近的合作模式。四川大学设有与白酒研究相关的轻工科学与工程学院、锦江学院白酒学院、轻纺与食品学院等机构，科研人员围绕共同的研究方向开展窖泥合作研究，形成了基于研究方向关联性的合作模式。
由表3可知，在WOS数据库中，北京工商大学刘慧琳教授和孙宝国院士于2018年发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry期刊的Effect of fermentation processing on the flavor of Baijiu 被引频次（201 次）最高，该文阐释了白酒发酵过程对其风味特征物质的影响，并从风味和健康角度提出了白酒产业发展的新趋势，同时深入揭示了白酒窖泥是拥有细菌、古菌和真菌等微生物群落的复杂生态系统，这些微生物菌群对白酒特征风味化合物（如己酸乙酯）的形成具有重要影响。
结合CNKI数据库分析（表4），胡承和胡永松等于2005年发表在《酿酒科技》的《窖泥微生物群落的研究及其应用》被引频次（87 次）最高，该文研究了窖泥微生物群落、组成结构以及代谢活动与产酒效果之间的关系。综合表3、4中被引频次最高的20 篇文献可知，窖泥研究主要以微生物菌群的生态多样性和功能活性为研究热点，研究手段包括Illumina MiSeq测序、构建16S rRNA基因克隆文库、PLFAs和PCR-DGGE等。总之，窖泥微生物多样性与窖泥质量、理化环境等因素密切相关，且随着窖泥的老熟过程呈现动态变化，这就需要针对不同酿酒企业、不同环境的窖泥开展针对性研究。 对WOS数据库文献进行关键词分析，如图6所示，“bacterial community（细菌群落）”“prokaryotic communities（原核生物群落）”等关键词词频最高，表明微生物群落仍是目前研究热点；其次是“PLFA”“PCR-DGGE”“qPCR”“high-throughput sequencing（高通量测序）”等关键词，表明qPCR、PCR-DGGE等现代生物学技术始终在窖泥微生物群落解析及多样性研究方面具有举足轻重的作用。
结合关键词时间线图分析，进一步了解窖泥领域的知识关联情况，得到如图7所示的时间线图。本文剔除了通用的群集#0“pit mud”和群集#3“Baijiu”，选取具有代表性的群集进行分析。群集#1的主题词“systems biology”主要探讨了窖泥微生物群落结构组成和多样性，多数研究证实窖泥中的门水平优势菌主要包括Euryarchaeota、Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria等，属水平优势细菌主要有Lactobacilllus（乳酸菌）、 Aminobacterium（氨基酸杆菌）、Syntrophomonas（互营单胞菌）等。群集#2以“PLFA”为主题词。目前PLFA主要和DGGE结合用于窖泥微生态环境的研究。群集#4的主题词“3-methylindole（3-甲基吲哚）”是造成浓香型白酒窖泥味的关键物质，它的产生与乳酸菌对酿酒原料色氨酸的降解密切相关。群集#5的主题词“己酸”是浓香型白酒主体香味物质己酸乙酯的前体物质，对白酒风味和品质有重要影响。群集#6“qPCR”的文献发表年份多集中在2013—2016年，学者们以qPCR为手段对新老窖泥的微生物群落差异进行定量检测。
CNKI关键词分析
图8是CNKI数据库引文聚类情况网络图（时间线视图）。本文剔除了通用聚类集群#0“窖泥”和集群#4“白酒”，选取了具有代表性的群集。集群#1以“人工窖泥”为主题词，人工窖泥培养的最终目标是使窖泥感官性质、理化特性和微生物指标达到优质老窖泥水平。集群#2涉及的主题词是“己酸菌”，研究己酸菌的目的是确定高产己酸的培养条件，为窖池养护提供优质产己酸菌株，进而提高白酒品质。集群#3的主题词“微生物”一直都是研究热点，因为窖泥中存在复杂的微生物区系，其中细菌、古菌占绝大多数，研究内容多集中于微生物多样性、宏基因组学以及基于微生物群落结构的微生物分离培养等方面。集群#9的主题词“功能菌”是指能促进白酒发酵或有助于白酒风味物质形成的微生物，如己酸菌、丁酸菌、甲烷菌、甲烷氧化菌、放线菌、乳酸菌、硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌、厌氧异养菌等，正是这些有益功能菌的大量生长、繁殖、代谢以及相互协调赋予了浓香型白酒的独特风格。总之，窖泥微生物的种类、数量繁多且复杂，窖泥在持续生产的特定环境中形成了独特的微生物群落，这些微生物在发酵过程中形成的酸、醛、醇、酯类等代谢产物不仅是白酒的呈香呈味物质，有的还作为代谢前体物促进微生物生长繁殖，为白酒风味组成提供物质条件。
六.研究热点与发展态势分析
选用2011—2021年CNKI数据库数据，分析文献关键词突现性。由表5可知，近10 年的研究热点主要集中在窖泥微量成分、老化退化、有机酸、微生物群落等方面，其中“酒醅”“丁酸”“鉴定”等关键词截至2021年时仍保持较高热度。学者们通过对酒醅、窖泥进行微生物组学分析，认为窖泥微生物的群落构成在浓香型白酒典型风味化合物形成过程中起着重要作用，如己酸和丁酸等脂肪酸，因此己酸高产菌株的选育或产己酸条件的优化是当前白酒行业的热点研究课题。
当前，在“健康-风味双导向”产品发展理念的引领下，研究趋势出现从微生物营养、环境因子研究向微生物代谢产物研究的演变；从可培养方法的菌株筛选研究向免培养方法菌群结构分析的演变；从剖析纯培养菌株的生理代谢特征向解析窖泥重要微生物生态学功能的演变；将传统培养方法与现代生物技术结合并系统解析微生物群落结构特征及演替规律、掌握酿造过程群体微生物互作规律等方向已成为窖泥研究领域的新态势。近年来，新一代DNA测序技术的发展使高通量分析成为可能，微生物生态学研究发生了革命性的变化。越来越多关于浓香型白酒酿造的研究集中在酒醅、大曲和窖泥中微生物群落结构分析、基因表达和代谢途径等方面。总之，窖泥是浓香型白酒酿造的基础物质，是影响白酒品质的重要因素。开展有关窖泥的基础应用研究、完善窖泥质量的评价标准体系，使窖泥评价和白酒品质鉴定更加客观科学也是未来需要开展的研究内容，必将对白酒酿造产业高质量发展、促进行业进步、助推白酒酿造进入品质化时代具有重要意义。
结论
浓香型白酒的酿制过程是环境微生物、大曲微生物和窖泥微生物等复杂菌群生化反应代谢的过程，正所谓“千年老窖万年糟，酒好全凭窖池老”，窖泥质量是决定浓香型白酒品质的关键因素，优质老窖泥中微生物菌群代谢产生的酯、酸和醇等风味物质对酒质稳定至关重要。本文采用文献计量学方法对WOS核心合集数据库和CNKI数据库中的窖泥相关文献进行系统性可视化分析。由于白酒是中国特有的酿造产业，因此中国学者为窖泥领域的研究主体，近10 年的成果产出整体呈现波动增长态势，研究队伍逐渐壮大，成果产出愈发丰硕。张文学、沈才洪、周荣清、徐岩、唐玉明、任道群以及四川大学、四川轻化工大学、江南大学、国家固态酿造工程技术研究中心等作者或机构是该研究领域的主要贡献者。Effect of fermentation processing on the flavor of Baijiu和《窖泥微生物群落的研究及其应用》分别是WOS和CNKI数据库中被引频次最高的文献。微生物群落、人工窖泥、有机酸、功能菌等关键词是该领域的研究热点，目前窖泥微生物菌群解析和理化特征分析更多与PCR、DGGE、qPCR、顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用、宏基因组、代谢组学等现代生物技术紧密结合，有效促进了窖泥微生物群落和理化指标关联作用机制研究工作的开展。这些深层次的理论研究对探索人工窖泥最适配方和驯化方案，建立人工窖泥质量等级的判定标准，探明窖泥微生物与酒体质量之间的关系具有重要意义，这也是未来白酒窖泥领域的发展方向。总之，开展针对白酒窖泥的科学研究对突破传统酿酒工艺束缚，不断提升生产水平和产品质量具有重要作用，也为我国白酒酿造行业的健康快速发展奠定基础。
