全球食品领域近红外光谱应用研究文献计量分析

田 华

（信阳师范学院生命科学学院，河南信阳 464000）

近红外光谱（NIRS）作为一种无损、高效、便捷的检测技术，具有操作简单、分析成本低、结果重现性强等优点，被广泛应用于食品研究领域[1−2]。近红外光是一种电磁波，780~2500 nm是近红外光谱区，分析原理是有机物质的含氢基团（如C-H、O-H、NH、S-H等）吸收光后分子振动从基态向高能级跃迁时产生的倍频和合频信息进行物质的定性和定量分析[3]。与传统的检测技术相比，NIRS技术检测时间短，样品制备少或不需要繁琐，适应性强。现代近红外光谱仪主要可分为滤光仪器、扫描单色仪、发光二极管（LED）仪器、傅里叶变换（FT）近红外仪器、阵列检测仪器、声光可调滤光器（AOTF）仪器、液晶可调滤光器（LCTF）仪器。近红外光谱分析技术应用的关键就在于建立精确有效的模型[4]。目前常用的建模方法有多元线性回归法（multiple linear regression，MLR）、主成分回归（principle component regression，PCR））、偏最小二乘回归法（partial least squares regression，PLSR）、人工神经网络（artificial neural networks，ANN）和支持向量机法（support vector machine，SVM）。PLSR是目前近红外光谱分析中应用最广泛的建模方法之一，它从自变量矩阵和因变量矩阵中提取主成分，有效降维，并消除自变量间可能存在的复共线性关系。但PLSR无法准确拟合非线性关系，非线性关系常用人工神经网络等建模。近红外光谱在食品研究领域，主要用在食品产地溯源[5−6]，食品分级分类[7−8]，食品防伪认定[9−10]，食品抗氧化能力[11]、生物活性物质[12]测定，黄曲霉菌等真菌污染[13]、稻谷病虫害[14]检测，食品品牌标识鉴定[15]，以及食品感官属性评估[16]，如葡萄酒[17]、绿茶[7]、咖啡[18−19]、菊苣[20]、豆类[21]、土豆[22]、肉类和鱼类产品[23]等。

面对海量的研究文献，传统的调查和观察方法不能轻易确定不同项目之间的关系，尤其是进行全球文献梳理，往往存在着一定的局限性。近年来发展迅速的文献计量网络分析，通过数据挖掘、数据分析、图形绘制可视化展示科学知识的发展进程，建立一个个节点和链接网络来揭示潜在的关系，可以从微观层面（作者、机构和关键词）到宏观层面（世界、国家和主题）识别研究领域的研究现状、研究热点和未来趋势，逐渐引起关注[24]，有关食品大数据[25]、营养基因组学[26]、食品废弃物[27]、全球气候变化[28]、全球生物质炭[29]等文献计量分析，已有相关报道。本文利用Web of Science平台的自有分析、文献计量在线分析（https://bibliometric.com）、在线词云分析及CiteSpace可视化分析，揭示2010~2021年全球食品领域近红外光谱研究的发展历史、学术合作和研究方向，以及确定热点和未来的研究趋势，以期为后续相关研究提供理论依据。

1 文献来源和分析方法

通过Web of Science平台Science Citation Index Expanded（SCI-EXPANDED）数据库，以“near-infrared spectroscopy（标题）+food（主题）”和“NIR（标题）+ food（主题）”，对2010~2021年发表的近红外光谱技术在全球食品领域应用的文献进行检索，文献语种为English，检索时间为2021年3月18日，共检索得到71个国家/地区，766个研究机构，2342位作者，197种期刊发表的584篇文献，其中article 543篇、review 36篇、proceedings paper 10篇、early access 3篇、editorial material 3篇、meeting abstract 2篇。借助Web of Science平台自有的分析功能和Excel对获取的数据进行可视化和图表分析。借助文献计量在线分析平台（https://bibliometric.com）开展全球食品领域近红外光谱研究/的合作关系分析。借助在线词云图绘制平台（https://wordart.com/）绘制全球研究领域词云图。采用美国Drexel大学陈超美博士开发的CiteSpace可视化分析软件，对研究文献进行关键词聚类分析。

2 结果与分析

2.1 研究趋势分析

2010~2021年食品领域近红外光谱研究共发表论文584篇（仅限检索格式和检索数据库Science Citation Index Expanded（SCI-EXPANDED）），中国161篇，名列榜首；其次是西班牙76篇、美国62篇。从图1可以看出，2013年以来近红外光谱在食品领域研究发表论文数量逐年提升，2016年和2017年例外。2020年发表99篇，占2010~2021年发表总量的16.95%。截至到检索日期，2021年全球已发表该领域论文24篇，发展势头非常猛。中国2020年发表量高达37篇，是2019年发表量21篇的1.76倍，2010年发表量6篇的6.17倍。西班牙和美国在该领域论文的发表继续保持一个相对平稳的发展速度，但2015年均处于低谷，背后的原因值得深入探讨。

图 1 全球及主要国家论文发表年度分布Fig.1 Annual distribution of papers published in the world and major countries

2.2 国家/地区分析

2010~2021年间，全球共有71个国家/地区在食品领域共发表近红外光谱研究论文584篇（表1），总被引次数9316次，篇均被引次数15.95次，h指数达到44。在这10年间，中国发表了161篇相关文献，进行了最多的近红外光谱在食品领域研究。从论文发表篇数来看，排在前三位的国家分别是中国、西班牙和美国。从总被引次数来看，排在前三位的国家分别是中国、西班牙和意大利。从篇均被引次数来看，爱尔兰、意大利、西班牙、德国和中国超过全球篇均被引次数14.59次。从h指数来看，排在前三位的国家分别是中国、西班牙和意大利。总体而言，中国除篇均被引次数未处于领先地位外，其余三个指标均超过全球其他国家。爱尔兰、意大利、德国和西班牙在篇均被引次数方面表现相当出色，尤其是爱尔兰，远远超过论文发表总量第一的中国。中国的浙江大学、江苏大学、中国农业科学院、中国农业大学、中国计量大学、楚雄师范学院、中国科学院、南京农业大学、华南理工大学等在此领域研究成果较多。2010~2021年，爱尔兰在此领域共发表论文27篇，其中著名的华人科学家孙大文团队贡献13篇，Downey Gerard科研团队贡献6篇，这两个科研团队为爱尔兰近红外光谱技术应用于食品领域研究做出了巨大的贡献。总体来看，表1列出的该领域研究表现突出的10个国家，只有中国是发展中国家，其余9个国家全部是发达国家。可见，发展中国家中国在食品领域近红外光谱应用投入了大量精力并取得了卓越的成绩，近红外光谱应用于食品品质测定、食品微生物、品种或属地鉴定、食品掺伪等多个方面的技术已经成熟，其已成为食品检测行业一种新型的分析技术。

表 1 全球主要国家/地区研究情况Table 1 Researches of major countries/regions in the world

2.3 研究机构分析

表2 是2010~2021年全球主要国家/地区食品领域近红外光谱技术研究文献分布及分析指标。从表2发表论文数量排名来看，论文发表数量最多的研究机构是中国浙江大学，其次是中国江苏大学和意大利米兰大学。排名前10的机构中，中国2所，西班牙2所，意大利3所，巴西、南非和美国各1所。从表2总被引次数排名来看，排名前10的研究机构中，中国、意大利和巴西各2所，南非、德国、沙特各1所。除中国、南非和沙特属于发展中国家外，其余国家均属于发达国家。从表2被引次数排名来看，发展中国家南非斯坦陵布什大学超过中国浙江大学，位居总被引频次榜首。从其发表论文来看，斯坦陵布什大学主要从事于谷物、食品生物活性物质的品质检测，黑胡椒粉掺假、生物材料的无损检测等方面研究。

2.4 合作关系分析

统计数据显示，全球食品领域近红外光谱研究的国家/地区有71个国家/地区，766个研究机构，2342位作者，197种期刊，共发表584篇此领域论文。将论文数据导入文献计量在线分析平台（https://bibliometric.com）进行处理，结果见图2。从图2（a）可以看出，世界各国之间合作程度较密切，跨区域合作较多，但合作程度上差异较大。中国、西班牙、美国、意大利、巴西等国均表现出较大的研究体量和合作关系，其中中国与美国、西班牙、澳大利亚、荷兰、日本、加拿大等，西班牙与法国、中国、美国、巴西、智利、希腊等，巴西与西班牙、意大利、荷兰、北爱尔兰、法国等，意大利与西班牙、爱尔兰、法国、比利时、越南等国建立较密切的合作关系。比较图2（b）和图2（c），世界各国食品领域近红外光谱研究机构网络合作相对较松散，作者间合作密切，已经形成数个作者间密切合作网络团体。综合来看，中国的合作关系网络比较薄弱，合作国家有美国、西班牙、澳大利亚、荷兰、日本、加拿大等九个国家，与庞大的研究体量不太相符，合作网络以国内合作为主。

图 3 研究领域词云图Fig.3 Word clouds of research area

表 2 研究文献分布及分析指标Table 2 Distribution and analysis index of published papers

2.5 研究领域分析

2010~2020年，全球食品领域近红外光谱研究涉及的主要领域有食品科技、化学、光谱学、农业、工程学、营养学、仪器仪表、生物化学与分子生物学等领域（图3（a）），其中食品科技方向论文占比达到47.43%，其次是化学方向占比34.76%，光谱学方面占比16.27%。具体到发表论文数量排名前三的中国、西班牙和美国研究领域，从图3（b）~图3（d）可以看出，中国偏重于食品科技、化学、光谱学、农业、工程学、光学、营养学、仪器仪表、物理学、生物化学与分子生物学等，是世界食品领域近红外光谱研究方向的引领者。西班牙偏重于食品科技、化学、农业、仪器仪表、光谱学、营养学、计算机科学等领域，美国偏重于食品科技、化学、农业、光谱学、工程学、仪器仪表、材料科学等领域。可见，食品领域近红外光谱的研究已经从最初的食品成分检测、品质评价、地理来源与真伪鉴定等研究，扩展到深度学习、在线检测、过程分析等领域，呈现出跨领域、多学科交叉融合的研究特点。

图 4 关键词年度分布Fig.4 Annual distribution of key words

表 3 共被引聚类标签Table 3 Clusters of co-cited references

2.6 研究热点与研究前沿

图4 是2010~2021年全球食品领域近红外光谱研究重要关键词年度分布，有“quality（质量）、food（食品）、prediction（预测）、classification（分类）、reflectance spectroscopy（反射光谱法）、near-infrared spectroscopy（近红外光谱）、nir spectroscopy（近红外光谱）、identification（鉴定）、regression（回归）、products（产物）、spectra（光谱）、chemometrics（化学计量学）、discrimination（辨别）、calibration（校正）、spectroscopy（光谱学）、fruit（水果）、quantification（量化）、partial least-squares（偏最小二乘法）”18 个关键词，其中出现频次较高的关键词是quality（质量）、food（食品）、prediction（预测）、classification（分类）等。近3 年，food（食品）、prediction（预测）、classification（分类）、identification（鉴定）、regression（回归）、discrimination（辨别）、partial least-squares（偏最小二乘法）等关键词词频稳步提高，这几个关键词也是近红外光谱在食品领域的重要应用。

图5 是2010~2021年全球食品领域近红外光谱研究关键词共被引聚类图谱，分析表明全球食品领域近红外光谱研究主要集中在#0 NIR spectroscopy（近红外光谱）、#1 chemometrics（化学计量学）、#2 data fusion（数据融合）、#3 near-infrared spectroscopy（近红外光谱）、#4 variable selection（变量选择）、#5 hyperspectral imaging（高光谱成像）、#6 food analysis（食品分析）、#7Listeria monocytogene（李斯特菌）8个方面。图5和表3表明#0 NIR spectroscopy（近红外光谱）、#1 chemometrics（化学计量学）组成两个最大的聚类。#0 NIR spectroscopy（近红外光谱）作为最大的聚类，包含39个成员。#5 hyperspectral imaging（高光谱成像）是最早的聚类，包含24个成员。#7Listeria monocytogene（李斯特菌）是最新的聚类，表明近年来食品领域近红外光谱研究的研究趋势和研究方向。

3 小结

本论文使用文献在线分析平台（https://bibliometric.com）、在线词云图绘制平台（https://wordart.com/），以及Citespace可视化软件对基于Web of Science核心合集（SCI-E）数据库2010~2021年71个国家/地区，766个研究机构，2342位作者，197种期刊发表的584篇食品领域近红外光谱研究论文进行了文献计量分析。研究表明，食品领域近红外光谱应用研究论文在过去10年间稳步增长，中国、西班牙、美国、意大利、巴西等国是论文发表数量最高的国家。爱尔兰在论文发表总量位于全球第6，但篇均被引次数位于全球第一，发展的势头非常猛。全球优势研究机构主要集中在发展中国家中国和南非，以及意大利、巴西、西班牙、爱尔兰等发达国家，中国浙江大学和中国江苏大学是国内该领域研究实力最强的科研机构，意大利米兰大学、巴西金边大学、南非斯坦陵布什大学、西班牙科尔多瓦大学等表现也相当出色，世界各国之间合作程度较密切，跨区域合作较多，整体合作网络还比较松散。从学科类别来看，食品科技、化学、光谱学、是主要的研究领域，农业、营养学、工程学、仪器仪表等也有所涉及。基于关键词词频和共被引聚类图谱分析，全球食品领域近红外光谱应用研究高频关键词有quality（质量）、food（食品）、prediction（预测）、classification（分类）、reflectance spectroscopy（反射光谱法）、near-infrared spectroscopy（近红外光谱）、nir spectroscopy（近红外光谱）、identification（鉴定）、regression（回归）等，研究前沿主要集中在#0 NIR spectroscopy（近红外光谱）、#1 chemometrics（化学计量学）、#2 data fusion（数据融合）、#3 near-infrared spectroscopy（近红外光谱）、#4 variable selection（变量选择）、#5 hyperspectral imaging（高光谱成像）、#6 food analysis（食品分析）、#7Listeria monocytogene（李斯特菌）8 个方面，尤其是#0、#2、#4和#7四个年份最新的聚类，为近红外光谱在食品领域的研究热点和未来研究趋势提供了有益的参考。

图 5 共被引聚类时间线视图Fig.5 Co-citation cluster Timeline view