基于文獻(xiàn)計(jì)量的纖維素基食品包裝膜研究態(tài)勢(shì)分析

任海偉，徐志航，郭曉鵬，張丙云，潘立超，范文廣

（蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院 蘭州 730050）

塑料包裝材料因可塑性強(qiáng)、密封性好、輕便易攜帶等優(yōu)點(diǎn)，是食品包裝常用的材料之一。然而，近年來(lái)隨著石油基合成塑料引發(fā)的能源消耗，白色污染等能源、環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯，以及各國(guó)政府限塑令、禁塑令等政策的相繼推出，使得具有良好機(jī)械性能、可天然降解的綠色高分子復(fù)合材料備受關(guān)注[1-2]。其中，植物纖維原料不僅具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低、無(wú)毒、無(wú)臭、通氣性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且使用后能夠完全自然降解，被認(rèn)為是替代石油基塑料產(chǎn)品的理想選擇。研究表明，植物纖維類(lèi)包裝材料大多來(lái)源于富含纖維組分的農(nóng)作物殘?jiān)蚴称芳庸じ碑a(chǎn)物，特殊的纖維素分子結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的材料性能，有序的分子順序和完整的晶體形狀使其具有良好的成膜特性，是一種很好的制膜材料[3-4]。

纖維素基膜是以纖維素及其衍生物為基材，如纖維素或半纖維素、微晶或納米纖維素、細(xì)菌纖維素及其改性產(chǎn)品等，根據(jù)使用目標(biāo)來(lái)選擇構(gòu)建組分，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)完成膜材料制備[5-6]?？敌茄臶7]利用流延法制備了具有良好拉伸能力和阻隔性能的纖維素納米晶/羧甲基纖維素復(fù)合膜。Sirvi? 等[8]采用溶劑澆鑄法制備得到具有較高氧阻隔性、光透性和良好機(jī)械強(qiáng)度，能抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的陽(yáng)離子木材纖維薄膜。Bansal等[9]通過(guò)對(duì)甘蔗渣提取的納米纖維素纖維進(jìn)行改性，并與殼聚糖共混制備得到具有良好抗菌性能的復(fù)合膜。Hai 等[10]利用竹納米纖維和幾丁質(zhì)制備了一種熱穩(wěn)定性好、拉伸強(qiáng)度適宜、可完全生物降解的新型納米復(fù)合材料。Feng 等[11]利用細(xì)菌纖維素制備獲得對(duì)單核球增生李斯特菌有明顯抑制作用的復(fù)合膜。王婷婷等[12]將竹紅菌素負(fù)載于細(xì)菌纖維素/殼聚糖復(fù)合材料上，制備得到具有抗菌功能的納米纖維素膜?？梢?jiàn)，纖維基復(fù)合材料已廣泛用于食品保鮮及抗菌包裝材料、活性包裝材料以及高阻隔包裝材料中。然而，目前的研究成果尚缺乏對(duì)該領(lǐng)域的系統(tǒng)性梳理，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)、特征和發(fā)展路徑尚缺乏足夠認(rèn)知[13]。及時(shí)總結(jié)國(guó)內(nèi)外纖維素基食品包裝膜研究領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，理清研究現(xiàn)狀，進(jìn)而把握未來(lái)研究方向就顯得極為必要。

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是描述、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)某學(xué)科領(lǐng)域的科技現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)最為直接的分析方法，能有效避免常規(guī)方法總結(jié)文獻(xiàn)資料時(shí)主觀性強(qiáng)、缺乏基于量化方法對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)的缺陷，已被廣泛用于農(nóng)業(yè)[14]、生態(tài)[15]、環(huán)境[16]、食品科學(xué)[17]等諸多領(lǐng)域的態(tài)勢(shì)分析。與此同時(shí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)大量科學(xué)文獻(xiàn)進(jìn)行分析解讀，能夠幫助讀者客觀地了解該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)、研究熱點(diǎn)和最新動(dòng)態(tài)[18]。本研究借助文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，運(yùn)用CiteSpace 進(jìn)行科技文本挖掘及可視化分析，對(duì)國(guó)內(nèi)外纖維素基食品包裝膜的研究成果進(jìn)行梳理，以期更好地反映該領(lǐng)域最新研究態(tài)勢(shì)和熱點(diǎn)前沿，從而為從事相關(guān)研究的科研人員和機(jī)構(gòu)提供參考。

1 文獻(xiàn)計(jì)量分析方法

文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于Web of Science（WoS）核心合集，檢索式：（cellulose OR “cellulose-based”）AND （film） AND （food），設(shè)置檢索年份為1985—2020，對(duì)近35年來(lái)發(fā)表的纖維素基食品包裝膜的研究文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，文獻(xiàn)語(yǔ)種為English。檢索時(shí)間為2021年7月31日，共檢索到1 499 篇文獻(xiàn)。

按照文獻(xiàn)類(lèi)型和文獻(xiàn)語(yǔ)種進(jìn)一步精簡(jiǎn)篩選檢索結(jié)果，WoS 中選擇文獻(xiàn)類(lèi)型為Article 最終篩選出符合要求的WoS 核心合集中1 285 篇，借助文獻(xiàn)計(jì)量在線分析平臺(tái)（https：//bibliometric.com）和CiteSpace 軟件進(jìn)行國(guó)家/地區(qū)合作關(guān)系分析和可視化關(guān)鍵詞分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文量與變化趨勢(shì)

發(fā)文量是評(píng)價(jià)某研究領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)的重要指標(biāo)之一，一定程度上可以反映該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)注程度[19]。圖1匯總了纖維素基食品包裝膜研究領(lǐng)域的WoS 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中文獻(xiàn)數(shù)量的年度變化趨勢(shì)。通過(guò)WoS 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)分析，有關(guān)纖維素基食品包裝膜的研究最早開(kāi)始于1988年，英國(guó)Castle 等[20]學(xué)者首次分析了再生纖維素膜中軟化劑（乙二醇、二甘醇）在食品中的遷移程度和遷移規(guī)律。該時(shí)期處于初步探索期（1985—2000），研究文獻(xiàn)從無(wú)到有，發(fā)文量始終處于較低值，年均發(fā)文數(shù)量為個(gè)位數(shù)。2000年之后發(fā)文數(shù)量才開(kāi)始穩(wěn)步升高，研究進(jìn)入活躍增長(zhǎng)期，2000—2010年間共計(jì)發(fā)表文獻(xiàn)92 篇。2010年之后進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，發(fā)文數(shù)量增速明顯，呈爆炸式增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其在2020年的發(fā)文數(shù)量高達(dá)334篇，可以看出，WoS 核心數(shù)據(jù)庫(kù)中的發(fā)文量連年持續(xù)上升，說(shuō)明纖維素基食品包裝膜的研究在國(guó)際上備受關(guān)注。

圖1 1985—2020年纖維素基食品包裝膜領(lǐng)域的發(fā)文量變化趨勢(shì)Fig.1 Distribution trends on the cellulose-based food packaging films from 1985 to 2020

2.2 國(guó)家及機(jī)構(gòu)分析

2.2.1 國(guó)家和地區(qū) 表1為WoS 核心合集中的主要發(fā)文國(guó)家/地區(qū)分布。全球共有77 個(gè)國(guó)家/地區(qū)開(kāi)展了相關(guān)研究，其中文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量排名前10位的國(guó)家依次為中國(guó)（China）、美國(guó)（USA）、巴西（Brazil）、伊朗（Iran）、西班牙（Spain）、意大利（Italy）、印度（India）、加拿大（Canada）、法國(guó)（France）、韓國(guó)（South Korea）。中國(guó)發(fā)文總數(shù)（298篇）居于首位，是第2 名美國(guó)（142 篇）的2 倍，H指數(shù)也相對(duì)較高達(dá)到39，不僅體現(xiàn)了我國(guó)學(xué)者在該領(lǐng)域發(fā)表文獻(xiàn)的數(shù)量、規(guī)模和被引量等綜合影響力，而且也說(shuō)明了我國(guó)學(xué)者較高的科技水平。從篇均被引次數(shù)來(lái)看，法國(guó)學(xué)者的篇均被引次數(shù)位居世界首位（≥60），其次是西班牙（≥40），意大利和韓國(guó)緊隨其后（≥30）。雖然我國(guó)學(xué)者的發(fā)文數(shù)量相對(duì)較高，但篇均被引用數(shù)僅為19.58，說(shuō)明我國(guó)學(xué)者研究成果的國(guó)際影響力和傳播關(guān)注度還需進(jìn)一步提升。

表1 1985—2020年纖維素基食品包裝膜領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 的國(guó)家分布Table 1 Top 10 countries on the number of publications in the field of cellulose-based food packaging films from 1985 to 2020

利用CiteSpace 可視化軟件分析1985—2020年全球各國(guó)（地區(qū)）之間的合作關(guān)系。由圖2可以看出，意大利、西班牙、芬蘭、瑞典等歐洲國(guó)家的合作比較密切，中國(guó)雖然在該領(lǐng)域的研究貢獻(xiàn)較大，但國(guó)際合作相對(duì)較少，主要是與美國(guó)、加拿大的合作較為密切，未來(lái)仍需加強(qiáng)與歐洲相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的合作。

圖2 1985—2020年纖維素基食品包裝膜領(lǐng)域全球各國(guó)之間的合作關(guān)系Fig.2 Global partnerships between countries in the field of cellulose-based food packaging films from 1985 to 2020

2.2.2 WoS 文獻(xiàn)發(fā)表機(jī)構(gòu)分布 表2是1985—2020年WoS 核心合集中主要研究機(jī)構(gòu)的分布情況。在發(fā)文量排名前10 位的機(jī)構(gòu)中，中國(guó)機(jī)構(gòu)有4所，其中江南大學(xué)和華南理工大學(xué)分別以發(fā)文量34 和33 篇位居前列；意大利有佩魯賈大學(xué)和米蘭大學(xué)2 所；伊朗有阿扎德大學(xué)和烏爾米耶大學(xué)2所。其中，意大利佩魯賈大學(xué)的發(fā)文量排名第1，文獻(xiàn)數(shù)量高達(dá)37 篇。

表2 1985—2020年纖維素基食品包裝膜領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 的研究機(jī)構(gòu)Table 2 Top 10 research institutions on the number of articles in the field of cellulose-based food packaging films from 1985 to 2020

從表3總被引頻次排名前10 的發(fā)文機(jī)構(gòu)來(lái)看，中國(guó)僅有東北林業(yè)大學(xué)入圍，意大利佩魯賈大學(xué)以總被引347 次位居第1。雖然韓國(guó)的研究機(jī)構(gòu)未能進(jìn)入發(fā)文量前10 位，但韓國(guó)的木浦國(guó)立大學(xué)和慶熙大學(xué)分別以總被引275 次和105 次位居世界第2 和第10，說(shuō)明韓國(guó)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究成果具備較高的影響力和認(rèn)可度。

表3 1985—2020年纖維素基食品包裝膜領(lǐng)域總被引用頻次排名前10 的研究機(jī)構(gòu)Table 3 Top 10 research institutions on the total citations in the field of cellulose-based food packaging films from 1985 to 2020

2.3 WoS 主要期刊分布

期刊分布能在一定程度上反映出某一研究領(lǐng)域在文獻(xiàn)發(fā)表方面的集中度，也是反映發(fā)展現(xiàn)狀的重要指標(biāo)。表4匯總了纖維素基食品包裝膜領(lǐng)域發(fā)文量最多的10 種期刊。在1985—2020年WoS 核心合集纖維素基食品包裝膜領(lǐng)域的總計(jì)1 285 篇文章中，有137 篇發(fā)表在《Carbohydrate Polymers》上，占比10.66%，是發(fā)表文獻(xiàn)最多的期刊，而且該期刊的影響因子最高（IF=9.381）；《International Journal of Biological Macromolecules》期刊排在第2 位，發(fā)文量高達(dá)104 篇，占比8.09%；排在第3 位的是《Food Hydrocolloids》，發(fā)文量為69 篇，占比5.60%。從篇均被引次數(shù)來(lái)看，雖然《Journal of Food Science》的總發(fā)文數(shù)量相對(duì)較低，但其篇均被引次數(shù)最高，《Carbohydrate Polymers》和《Food Hydrocolloids》緊隨其后?？梢?jiàn)，上述幾種期刊在纖維素基食品包裝膜的研究中具有較高影響力，讀者可以通過(guò)集中閱讀這幾種期刊來(lái)達(dá)到快速、準(zhǔn)確了解該領(lǐng)域的目的。

表4 1985—2020年纖維素基食品包裝膜領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 的期刊Table 4 Top 10 journals on the number of articles published in the field of cellulose-based food packaging films from 1985 to 2020

2.4 關(guān)鍵詞分析

圖3是WoS 核心數(shù)據(jù)庫(kù)中2010—2020年全球纖維素基食品包裝膜研究的主要關(guān)鍵詞分布。由于1985—2009年期間的發(fā)文量較少且不具有顯著的代表性，因此基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析原則，選擇2010—2020年間數(shù)據(jù)文本進(jìn)行關(guān)鍵詞分析。由圖3可知，出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞依次為food packaging（食品包裝）、mechanical properties（機(jī)械特征）、chitosan（殼聚糖）。

圖3 WoS 全球纖維素基食品包裝膜研究主要關(guān)鍵詞分布（2010—2020）Fig.3 Distribution of main keywords in WoS global cellulose-based food packaging film research （2010—2020）

對(duì)WoS 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中的2 833 個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析，對(duì)含義重復(fù)的詞組進(jìn)行合并、去除，選擇關(guān)鍵詞聚類(lèi)，篩選出頻次排名前6 的關(guān)鍵詞聚類(lèi)。如圖4a 所示，排名前2 位的Food packaging（食品包裝）、Packaging（包裝）代表該領(lǐng)域始終圍繞食品包裝這一基本方向進(jìn)行研究。Pectin（果膠）、Cellulose（纖維素）均為天然高分子物質(zhì)，在文獻(xiàn)報(bào)道中主要作為基礎(chǔ)原料參與復(fù)合薄膜的構(gòu)建，同時(shí)也反映出該研究領(lǐng)域綠色環(huán)保、可再生、可持續(xù)的生態(tài)特點(diǎn)。Intelligent packaging（智能包裝）、Active packaging（活性包裝）是近幾年提出的2 新型包裝理念[21]。智能包裝是指那些在通信和營(yíng)銷(xiāo)功能方面具有增強(qiáng)功能的包裝系統(tǒng)，例如向消費(fèi)者提供關(guān)于產(chǎn)品實(shí)際質(zhì)量的動(dòng)態(tài)反饋[22]?；钚园b是一種經(jīng)過(guò)人為設(shè)計(jì)的包裝系統(tǒng)，在包裝材料中添加某些物質(zhì)使其能夠參與到包裝過(guò)程中來(lái)，進(jìn)而達(dá)到既定的目的和要求[23]。其中，為了抑制食品中微生物帶來(lái)的不利影響而添加的抗菌劑頗受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。抑菌膜的主要制備方法包括：1）通過(guò)加入各種金屬（銀、鋅）顆?；蚪饘傺趸铩径趸仯═iO2）、氧化鋅（ZnO）、二氧化硅（SiO2）和氧化鎂（MgO）】來(lái)破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)而達(dá)到抗菌目的；2）采用本身就具有抗菌能力的原材料（殼聚糖等）來(lái)制備薄膜；3）將提取的蜂膠、肉桂精油等天然物質(zhì)結(jié)合到膜制備過(guò)程。

另一方面，關(guān)鍵詞的突現(xiàn)強(qiáng)度能反映出研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)特征，向上具有闡述性，向下具有統(tǒng)領(lǐng)全文的作用，承載著最核心的信息，是掌握全文的關(guān)鍵，而相似性、關(guān)鍵程度較高的關(guān)鍵詞還能通過(guò)聚類(lèi)形成研究主題[24]，有助于了解該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Food （食品）、Cellulose ether （纖維素醚）、Fatty acid（脂肪酸）等關(guān)鍵詞持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，代表了該領(lǐng)域主要的研究?jī)?nèi)容。由圖4b 可知，2010—2018年關(guān)鍵詞變化最為劇烈，數(shù)量急劇增多，說(shuō)明該研究領(lǐng)域正逐漸步入深水區(qū)，尤其是近幾年隨著Food packaging application（食品包裝應(yīng)用）、Microfibrllated cellulose（微纖化纖維素）、Diffusion（擴(kuò)散）等主題和指標(biāo)的不斷更新，使纖維素基食品包裝膜的研究逐漸從制膜工藝優(yōu)化轉(zhuǎn)向多功能、實(shí)用性復(fù)合薄膜的應(yīng)用。

圖4 基于Citespace 的WoS 關(guān)鍵詞分析圖Fig.4 Keyword analysis diagram of WoS based on Citespace

2.5 高被引文章分析

文章的被引用次數(shù)在一定程度上能反映出研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和潮流，高被引文章說(shuō)明其成果在該領(lǐng)域有較大的影響力或可見(jiàn)性[25]。引用次數(shù)可能與發(fā)文時(shí)間、主題熱度、發(fā)文期刊有關(guān)[26]。結(jié)合WoS 數(shù)據(jù)庫(kù)分析，被引次數(shù)最高的文章為Gontard等[27]于1992年發(fā)表的《Edible Wheat Gluten Films：Influence of the Main Process Variables on Film Properties using Response Surface Methodology》，被引次數(shù)為636 次，然而由于其年代久遠(yuǎn)，在被引方面具有一定的局限性。為準(zhǔn)確反映高被引文獻(xiàn)發(fā)表情況，本文選擇2015—2020年高被引文章（表5）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)前5 篇高被引文章中有2 篇來(lái)自韓國(guó)的Shankar 教授，研究?jī)?nèi)容包括膜的制備工藝、物理性能測(cè)定和抑菌能力測(cè)定。總體而言，大部分研究?jī)?nèi)容還停留在制膜工藝與性能測(cè)定層面，實(shí)際應(yīng)用還不是研究主體，這也給本領(lǐng)域科研工作者提供了新的研究增長(zhǎng)點(diǎn)。

表5 基于WoS 的高被引文章Top 5（2015—2020）Table 5 Top 5 highly cited articles based on WoS database in 2015 to 2020

3 結(jié)論與展望

天然纖維素及其衍生物均具有良好的成膜特性，且含有活躍的羥基基團(tuán)和特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠與抑菌劑、抗氧化劑等功能活性物質(zhì)高效結(jié)合，形成具有一定功能活性的包裝膜材料。本文基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)，通過(guò)對(duì)比分析WoS 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中纖維素基食品包裝膜的文獻(xiàn)資料，得出以下結(jié)論：

1）纖維素基食品包裝膜的研究雖然始于1988年，但直到近5年才得到飛速發(fā)展，成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的研究熱點(diǎn)，這與當(dāng)下全球范圍內(nèi)日益突出的能源環(huán)境、食品安全等問(wèn)題密切相關(guān)。意大利佩魯賈大學(xué)在該領(lǐng)域的研究處于國(guó)際領(lǐng)先地位，中國(guó)學(xué)者的發(fā)文數(shù)量雖位居世界前列，但篇均被引次數(shù)的排名表現(xiàn)尚不突出，有待進(jìn)一步擴(kuò)大影響力，提升成果質(zhì)量。

2）由于天然纖維素分子以β-（1，4） 糖苷鍵將大量葡萄糖單元相連接而組成線性大分子結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鏈間分布有多個(gè)羥基活性基團(tuán)，基團(tuán)之間極強(qiáng)的氫鍵相互作用導(dǎo)致纖維素存在溶解性差、分解溫度低、熔點(diǎn)高、對(duì)水分子的阻隔性較差等缺陷，限制了在食品包裝中的應(yīng)用。通過(guò)物理、化學(xué)、生物或其它組合方法對(duì)天然纖維素進(jìn)行改性處理，可降低纖維素分子間極性，提高纖維素衍生物及共聚物的溶解度與穩(wěn)定性，使纖維素具有特定功能，進(jìn)而最大限度發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值，拓寬纖維素在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用，這也是今后的發(fā)展方向。

3）未來(lái)的食品包裝材料要求更加安全、智能且具有一定活性，因此基于成膜基材添加某種功能性物質(zhì)，使膜具有一定活性功能（如抗氧化、抑菌、防紫外線、鮮度指示）和不同特性的智能包裝材料、活性包裝材料，也是未來(lái)食品包裝材料的研究重點(diǎn)。

4）基于纖維素及其衍生物制備的食品包裝膜材料，除了研究其自身的可降解性、功能活性之外，還應(yīng)加強(qiáng)材料的阻透性、力學(xué)性能及穩(wěn)定性能的研究，這是纖維素基食品包裝材料能否被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

致謝：

本文得到了蘭州理工大學(xué)2021年研究生科研探索項(xiàng)目（一種生物可降解“綠色”抗菌薄膜的研發(fā)制備）的支持，在此表示感謝！