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、密封性好、輕便易攜帶等優(yōu)點，是食品包裝常用的材料之一。然而，近年來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)境問題的日益凸顯，以及各國政府限塑令、禁塑令等政策的相繼推出，使得具有良好機械性能、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源廣泛、價格低、無毒、無臭、通氣性能好等優(yōu)點，而且使用后能夠完全自然降解，被認為是替代石油基塑料產(chǎn)品的理想選擇。研究表明，植物纖維類包裝材料大多來源于富含纖維組分的農(nóng)作物殘渣或食品加工副產(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、細菌纖維素及其改性產(chǎn)品等，根據(jù)使用目標來選擇構(gòu)建組分，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計來完成膜材料制備[5-6]。康星雅[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、光透性和良好機械強度，能抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的陽離子木材纖維薄膜。Bansal等[9]通過對甘蔗渣提取的納米纖維素纖維進行改性，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]利用細菌纖維素制備獲得對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]將竹紅菌素負載于細菌纖維素/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?，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該領(lǐng)域的系統(tǒng)性梳理，對國內(nèi)外研究熱點、特征和發(fā)展路徑尚缺乏足夠認知[13]。及時總結(jié)國內(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，進而把握未來研究方向就顯得極為必要。

文獻計量學(xué)是描述、評價和預(yù)測某學(xué)科領(lǐng)域的科技現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢最為直接的分析方法，能有效避免常規(guī)方法總結(jié)文獻資料時主觀性強、缺乏基于量化方法對文獻進行系統(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)勢分析。與此同時，運用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法對大量科學(xué)文獻進行分析解讀，能夠幫助讀者客觀地了解該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢、研究熱點和最新動態(tài)[18]。本研究借助文獻計量學(xué)方法，運用CiteSpace 進行科技文本挖掘及可視化分析，對國內(nèi)外纖維素基食品包裝膜的研究成果進行梳理，以期更好地反映該領(lǐng)域最新研究態(tài)勢和熱點前沿，從而為從事相關(guān)研究的科研人員和機構(gòu)提供參考。

1 文獻計量分析方法

文獻數(shù)據(jù)來源于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，對近35年來發(fā)表的纖維素基食品包裝膜的研究文獻進行檢索，文獻語種為English。檢索時間為2021年7月31日，共檢索到1 499 篇文獻。

按照文獻類型和文獻語種進一步精簡篩選檢索結(jié)果，WoS 中選擇文獻類型為Article 最終篩選出符合要求的WoS 核心合集中1 285 篇，借助文獻計量在線分析平臺（https：//bibliometric.com）和CiteSpace 軟件進行國家/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

發(fā)文量是評價某研究領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢的重要指標之一，一定程度上可以反映該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和關(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)庫中文獻數(shù)量的年度變化趨勢。通過WoS 核心合集數(shù)據(jù)庫分析，有關(guān)纖維素基食品包裝膜的研究最早開始于1988年，英國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。該時期處于初步探索期（1985—2000），研究文獻從無到有，發(fā)文量始終處于較低值，年均發(fā)文數(shù)量為個位數(shù)。2000年之后發(fā)文數(shù)量才開始穩(wěn)步升高，研究進入活躍增長期，2000—2010年間共計發(fā)表文獻92 篇。2010年之后進入快速增長期，發(fā)文數(shù)量增速明顯，呈爆炸式增長趨勢，尤其在2020年的發(fā)文數(shù)量高達334篇，可以看出，WoS 核心數(shù)據(jù)庫中的發(fā)文量連年持續(xù)上升，說明纖維素基食品包裝膜的研究在國際上備受關(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Fig.1 Distribution trends on the cellulose-based food packaging films from 1985 to 2020

2.2 國家及機構(gòu)分析

2.2.1 國家和地區(qū) 表1為WoS 核心合集中的主要發(fā)文國家/地區(qū)分布。全球共有77 個國家/地區(qū)開展了相關(guān)研究，其中文獻發(fā)表數(shù)量排名前10位的國家依次為中國（China）、美國（USA）、巴西（Brazil）、伊朗（Iran）、西班牙（Spain）、意大利（Italy）、印度（India）、加拿大（Canada）、法國（France）、韓國（South Korea）。中國發(fā)文總數(shù)（298篇）居于首位，是第2 名美國（142 篇）的2 倍，H指數(shù)也相對較高達到39，不僅體現(xiàn)了我國學(xué)者在該領(lǐng)域發(fā)表文獻的數(shù)量、規(guī)模和被引量等綜合影響力，而且也說明了我國學(xué)者較高的科技水平。從篇均被引次數(shù)來看，法國學(xué)者的篇均被引次數(shù)位居世界首位（≥60），其次是西班牙（≥40），意大利和韓國緊隨其后（≥30）。雖然我國學(xué)者的發(fā)文數(shù)量相對較高，但篇均被引用數(shù)僅為19.58，說明我國學(xué)者研究成果的國際影響力和傳播關(guān)注度還需進一步提升。

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（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、瑞典等歐洲國家的合作比較密切，中國雖然在該領(lǐng)域的研究貢獻較大，但國際合作相對較少，主要是與美國、加拿大的合作較為密切，未來仍需加強與歐洲相關(guān)研究機構(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 文獻發(fā)表機構(gòu)分布 表2是1985—2020年WoS 核心合集中主要研究機構(gòu)的分布情況。在發(fā)文量排名前10 位的機構(gòu)中，中國機構(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，文獻數(shù)量高達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)文機構(gòu)來看，中國僅有東北林業(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。雖然韓國的研究機構(gòu)未能進入發(fā)文量前10 位，但韓國的木浦國立大學(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，說明韓國學(xué)者在該領(lǐng)域的研究成果具備較高的影響力和認可度。

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)域在文獻發(fā)表方面的集中度，也是反映發(fā)展現(xiàn)狀的重要指標。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)來看，雖然《Journal of Food Science》的總發(fā)文數(shù)量相對較低，但其篇均被引次數(shù)最高，《Carbohydrate Polymers》和《Food Hydrocolloids》緊隨其后?？梢?，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，讀者可以通過集中閱讀這幾種期刊來達到快速、準確了解該領(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，因此基于文獻計量學(xué)分析原則，選擇2010—2020年間數(shù)據(jù)文本進行關(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WoS 核心合集數(shù)據(jù)庫中的2 833 個關(guān)鍵詞進行共現(xiàn)分析，對含義重復(fù)的詞組進行合并、去除，選擇關(guān)鍵詞聚類，篩選出頻次排名前6 的關(guān)鍵詞聚類。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行研究。Pectin（果膠）、Cellulose（纖維素）均為天然高分子物質(zhì)，在文獻報道中主要作為基礎(chǔ)原料參與復(fù)合薄膜的構(gòu)建，同時也反映出該研究領(lǐng)域綠色環(huán)保、可再生、可持續(xù)的生態(tài)特點。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銷功能方面具有增強功能的包裝系統(tǒng)，例如向消費者提供關(guān)于產(chǎn)品實際質(zhì)量的動態(tài)反饋[22]。活性包裝是一種經(jīng)過人為設(shè)計的包裝系統(tǒng)，在包裝材料中添加某些物質(zhì)使其能夠參與到包裝過程中來，進而達到既定的目的和要求[23]。其中，為了抑制食品中微生物帶來的不利影響而添加的抗菌劑頗受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。抑菌膜的主要制備方法包括：1）通過加入各種金屬（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）】來破壞微生物細胞結(jié)構(gòu)進而達到抗菌目的；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)合到膜制備過程。

另一方面，關(guān)鍵詞的突現(xiàn)強度能反映出研究領(lǐng)域的熱點特征，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)鍵詞還能通過聚類形成研究主題[24]，有助于了解該領(lǐng)域的研究熱點。Food （食品）、Cellulose ether （纖維素醚）、Fatty acid（脂肪酸）等關(guān)鍵詞持續(xù)時間較長，代表了該領(lǐng)域主要的研究內(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（擴散）等主題和指標的不斷更新，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)域的熱點和潮流，高被引文章說明其成果在該領(lǐng)域有較大的影響力或可見性[25]。引用次數(shù)可能與發(fā)文時間、主題熱度、發(fā)文期刊有關(guān)[26]。結(jié)合WoS 數(shù)據(jù)庫分析，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，在被引方面具有一定的局限性。為準確反映高被引文獻發(fā)表情況，本文選擇2015—2020年高被引文章（表5）進行分析，發(fā)現(xiàn)前5 篇高被引文章中有2 篇來自韓國的Shankar 教授，研究內(nèi)容包括膜的制備工藝、物理性能測定和抑菌能力測定。總體而言，大部分研究內(nèi)容還停留在制膜工藝與性能測定層面，實際應(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點。

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。本文基于文獻計量學(xué)，通過對比分析WoS 核心合集數(shù)據(jù)庫中纖維素基食品包裝膜的文獻資料，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，成為國際社會關(guān)注的研究熱點，這與當下全球范圍內(nèi)日益突出的能源環(huán)境、食品安全等問題密切相關(guān)。意大利佩魯賈大學(xué)在該領(lǐng)域的研究處于國際領(lǐng)先地位，中國學(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，有待進一步擴大影響力，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)部鏈間分布有多個羥基活性基團，基團之間極強的氫鍵相互作用導(dǎo)致纖維素存在溶解性差、分解溫度低、熔點高、對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。通過物理、化學(xué)、生物或其它組合方法對天然纖維素進行改性處理，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，進而最大限度發(fā)揮其應(yīng)用價值，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，也是未來食品包裝材料的研究重點。

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！