基于文獻計量分析細胞破壁技術的研究現狀與發展趨勢

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(1.南京財經大學食品科學與工程學院,江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心,江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室,江蘇南京 210023; 2.廣東食品藥品職業學院,廣東廣州 510520)

細胞破壁技術亦稱細胞破碎技術,是利用物理、化學和生物的單一或復合手段,使細胞壁或膜破裂,從而將細胞內豐富又高附加值的有益功能物質有效釋放與分離的超微加工技術,是目前應用極廣的一種高科技技術[1-2]。細胞破壁方法很多(如圖1),目前細胞破壁的方法主要有物理法、化學法、生物酶解法和復合法四類[1],物理法最為常見,但設備要求和成本都高,存在高壓勻漿的勻漿閥易被亞細胞器損壞、大容量聲能裝置散熱困難和低溫環境難以建立等問題;生物酶解法存在產物抑制、生產效率低等局限性;化學法雖然便于規模化生產,但有機溶劑(如苯、甲苯)、表面活性劑等化學品有一定毒性,易造成生產和產品的安全性問題;復合法有綜合物理法、化學法和生物法優點的特征,避免了單一破壁技術弊端,為最具發展潛力的方法。

圖1 細胞破壁方法Fig.1 Cell wall breaking methods

細胞破壁技術在食品、醫藥、生物和化工等眾多領域展現了無窮的發展潛力,尤其是在我國傳統中藥材改進提升方面有突出的作用。在“一帶一路”的新經濟新常態下,細胞破壁技術將為我國的中醫藥、食品、生物化工、現代農業等產業更好地走向世界發揮巨大作用。為此,本文對細胞破壁技術進行文獻計量與分析,以期為其更穩健的發展拋磚引玉而盡綿薄之力。

1 研究方法

選用中國知識資源總庫(CNKI)檢索自1979.01.01～2017.12.31以來收錄的細胞破壁技術的中文文獻,在高級檢索下選擇“基礎科學”、“工程科技Ⅰ、Ⅱ”、“農業科技”、“醫療衛生科技”、“信息科技”和“經濟與管理科學”共7個子庫,以主題名為“細胞破壁”或含“破壁技術”匹配 “模糊”檢索方式,共檢索到659篇文獻資料;在中國專利數據總庫中以“細胞破壁”或含“破壁”為專利名稱匹配 “模糊”檢索方式檢索自1985.01.01～2016.12.31(申請日期)以來所有專利,共檢索到837項,其中發明專利484項,外觀設計230項,實用新型123項。利用中國知識資源總庫(CNKI)分析工具對“全部檢索結果”進行“計量化可視分析”,將數據用Microsoft Excel軟件處理,結合“對比分析”加以人工整合統計后,得到文章中各圖表。

2 載文文獻的分析

2.1 年度分布分析

從CNKI收錄的中文文獻資料統計結果分析見表1與圖2,破壁技術文獻發展大致可分為四個階段:朦朧孕育期:1990年之前國內僅有24篇文獻,數量少且發展緩慢。“破壁”一詞最初出現在李洪德[3]針對提高改進探礦采礦技術的“用破壁方法增大泥漿鉆孔出水量”(《探礦工程(巖土鉆掘工程)》,1979(6))中,隨后研究方向轉變為對小球藻和花粉的破壁研究,此階段研究集中在機械破壁方面,涉獵面狹窄、方向單一;茁壯成長期:1991～2000年文獻數量較以往有了極大的發展且增長穩定,并在1994年擴充到皮狀絲孢酵母破壁條件的研究,破壁技術實現了突破性進展;2000年開始探究破壁食用菌的應用價值和現實意義;快速發展期:2001～2010年關于破壁技術的文獻數量激增至308篇,且質量明顯提高,研究領域拓寬、成果豐碩,該技術大范圍地應用到實際,并不斷精進優化,在藥學、醫學、食品科學等方面有了突出貢獻;穩健成熟期:2011～2017年有276篇文獻,增長較為平緩,研究內容大多是對以往技術的改進,處于相對穩定的發展階段。

表1 不同年代與破壁技術相關文獻數量Table 1 The number of documents related to wall breaking technology in different years

圖2 破壁技術相關文獻分析Fig.2 Analysis of related literatures on wall breaking technology

2.2 基金來源分析

1979年～2017年期間,資助破壁技術研究的基金項目共39種,130項。國家級資助項目有7種,受資助項目達66項,占50.80%,以國家自然科學基金(43項)居首,其主要資助領域為農業科技與醫療衛生科技;省級資助項目22種,受資助的項目達46項,占35.58%,以湖南省科委基金(10項)居首,其主要資助文獻大多是對植物微粉細胞破壁率的測定;其他基金資助項目10種,受資助的項目18項,占13.85%;國家及各省市基金項目的資助必將幫助破壁技術研究的發展與難點的攻破(見表2)。

表2 破壁技術研究的基金來源(前10位)Table 2 The funding source of research on wall breaking technology(Top 10)

國家和地方高度重視破壁技術的研究,特別是基礎科學研究的資助標桿——自然科學基金項目,占全部項目的33.07%,這證明破壁技術是我國一個極為重要的基礎性研究課題。這一研究的突破將給其相關下游產業及產品帶來質的飛躍和巨大經濟、環境和社會價值。

2.3 關鍵詞分析

經統計破壁技術文獻中的高頻關鍵詞,結合“關鍵詞共現網絡”,除去“破壁”“細胞破壁”“破壁技術”等非實質性的關鍵詞,合并“靈芝孢子粉”“靈芝孢子”“破壁靈芝孢子粉”等相似關鍵詞后,整理出詞頻大于20次的關鍵詞(見表3)。結果反映出破壁技術主要集中在靈芝孢子粉、花粉以及破壁率的研究,在多糖、破壁飲片等方面的研究也較深入,破壁技術多以超微粉碎、超聲波等物理方法輔助。破壁飲片屬當下研究的熱點,且潛力巨大,有利地促進了我國中藥及功能性食品生產從傳統的作坊式向現代的標準化智能化規模化生產發展,并加速其國際化進程。

表3 破壁文獻中的高頻關鍵詞Table 3 The high-frequency keywords in wall breaking technology documents

2.4 內容層次分析

目前破壁技術研究熱點在于對食用菌破壁優化方法的探討[4],對中藥飲片的創新思路的探討[5],不同破壁方法對破壁質量(破壁率、破壁速率和破壁產品品質等)影響的探討[6]等方面(見圖3)。由圖3可知,目前破壁技術研究主要集中在輕工業手工業、中藥學、工業經濟、生物化工、蠶蜂與野生動物保護等領域。在中醫藥上,破壁技術的應用提高了中藥材的利用率,使中藥品質明顯提升,藥效更好[7-8];在食品領域,破壁技術為充分發掘食品原料的潛在功能性成分、提升食品營養和保健價值[9],推動產生了超能破壁機的創造發明,并加速健康食品的升級換代[10]。

圖3 破壁技術相關文獻的內容層次分析Fig.3 Content hierarchy analysis of relevant literatures on wall breaking technology

2.5 期刊和專利的分析

2.5.1 載文期刊 分析經統計,CNKI收錄期刊中刊載破壁技術文獻期刊達46種,如表4所示的載文量前10的期刊,刊文共104篇,占比42.64%,其中《食品工業科技》最多,達24篇占比9.84%;涵蓋的內容主要有:中藥學、生物學、預防醫學與衛生學、腫瘤學、中醫學、臨床醫學、藥學、林學和農學等領域,說明破壁技術的文獻載體具有聚散性特征,符合文獻信息離散分布規律——布拉德福(Samuel Clement Bradford)定律[11]。

表4 載文量排序前10的期刊Table 4 The journals whose amount of downloads rank 10

2.5.2 載文專利分析 經統計破壁技術的專利有837項(見表5),其中發明專利484項,實用新型123項,外觀設計230項;其行業分布主要為輕工業手工業427項占49.77%,中醫藥125項占14.57%,工業通用技術及設備80項占9.32%。從1979年以來我國破壁技術的專利輕工業手工業始終占有最大的比重,并在2016年發生突躍,其專利數量從2015年61項猛增到230項,增長率達377.0%;而中醫藥、工業通用技術及設備和生物和化工等行業的相關專利數量增長相對較平穩,始終保持在50%～80%增長幅度內。

表5 載文專利分析Table 5 The patent analysis of downloading documents

從專利的屬性來看,在1985～2000、2001～2010和2011～2017年這三個時期,我國破壁技術的專利數始終是發明專利多于實用新型和外觀設計專利。這從一個側面反映了我國在破壁技術研究方面始終堅持了自主創新的發展道路,進入21世紀后我國破壁技術的專利文獻進入了快速發展階段,其環比增長速度都超過了3倍,除發明專利繼續穩健外(占比穩定在50%以上),實用新型專利和外觀設計專利有了快速而迅猛地發展,占比都從2000年前的9.68%和6.45%,發展到目前的17.52%和30.54%的較好狀態,這也充分證實破壁技術研究是項基礎的研究工作,其研究成果惠及相關行業或產業,帶動和引領相關行業或產業的轉型升級,形成新的經濟增長引擎且拉動了經濟快速增長。但是我國破壁技術的研究并未達到卓越的理想境地,創新能力、創新水平和創新面都有待進一步提高。

2.6 被引分析

經統計,被引次數>100次的文獻有張代佳等[12]的“微波技術在植物胞內有效成分提取中的應用”《中草藥》2000(9)被引420次,楊翠竹等[13]的“酵母細胞破壁技術研究與應用進展”《食品科技》,2006,31(7)被引122次,僅此兩篇;被引次數在50～100次的有唐維等[14]的“花粉破壁方法的研究進展”《食品與發酵工業》,2003(2)被引85次,關天增等[15]的”淺談超微粉碎”《中國中藥雜志》,2002(7)被引67次,林志彬等[16]的”靈芝孢子及其活性成分的藥理研究”《北京大學學報(醫學版)》,2006(5)被引64次等,共計11篇。被引<10次的有532篇,其中大多數是被引為0或1的,甚至有一稿多發現象。由于被引次數的時效性,發表早的文獻被引次數在理論上多于發表晚的文獻,但仍無法掩蓋文獻之間質量相差懸殊的事實。因此,科研人員應兼顧文獻的數量及質量,并加強業內的溝通與合作,全面提升我國破壁技術研究水平,杜絕學術不良行為。

2.7 研究機構分析

經統計目前參與破壁文獻的研究機構有30多家,幾乎遍布全國各省市自治區,其中高等院校最多。排名前10的機構中有9個高等院校(見圖4),這表明我國高校在破壁技術上有雄厚的科研能力和強大的科研隊伍,這是推動了破壁技術發展的主力軍。各大機構的研究特色和風格不盡相同,發文最多的江南大學(19篇)主要是研究破壁食物營養成分及其測定分析;發文亞軍的廣東中山市中智藥業集團有限公司(17篇)主要是中藥破壁飲片的研發;發文季軍的福建農林大學(13篇)主要是花粉破壁方法的研究與優化。這也標志著一個百花齊放的中國破壁技術研究正在形成和壯大。

圖4 文獻研究機構的發文量Fig.4 The number of literatures published by domestic research institutions

3 展望

通過對CNKI收錄的中文細胞破壁技術文獻的計量分析得知:當前該技術的研究熱點主要集中在靈芝孢子、花粉和冬蟲夏草等名貴中藥飲片的創新[17-18]和對食用菌、天然香料等功能性食材破壁技術的優化與新設備的創制[19]等方面,且成績斐然;但該技術目前還面臨著一些問題,例如:操作過程中難以均勻恒定地維持低溫或超低溫狀態[20],缺少精準而通用的細胞破壁動力學模型;有關細胞破壁熱力學及其機理的研究有待深入,家庭小型果蔬破壁料理機、破壁美膚儀和集高效溶出與分離于一體的破壁設備等專用儀器的研發還有巨大的發展空間[10];細胞破壁技術目前也僅應用于某些中藥和食品加工等領域。這些都需要廣大研究人員充分利用現代人工智能、信息化和大數據等新科技手段與細胞破壁技術深度融合,打造出新一代細胞破壁新技術,解決上述難題和提升對難吸收利用的食品及其原料加工技術,加速促進環境污染物的降解以改善環境[21]、建立科學合理的中藥標準化質量保證體系[22],以推進中藥國際化進程[23]和升級化妝品效能與品質[24]等諸多生產與社會的需要。

細胞破壁的方法將趨向于復合法,該方法在一定程度上能減少有害化學物質的使用,提高生產效率,降低能耗;在加速細胞破壁技術科研進程、提高破壁產品質量的同時,要實施科學有效的策略進行市場推廣,提高市場占有率,加速產業化進程,使破壁技術能夠從實驗階段真正地轉化為生產力,從而獲得經濟效益;在推動傳統中藥和中國美食更好地走向世界的進程中,細胞破壁技術也將成為不可或缺的輔助研發手段。相信在全體科研工作者的共同努力下,細胞破壁技術將日益完善,在醫藥、生物、農業、食品和化工等諸多領域起到中流砥柱的作用。