基于文献计量的纤维素基食品包装膜研究态势分析

任海伟，徐志航，郭晓鹏，张丙云，潘立超，范文广

（兰州理工大学生命科学与工程学院 兰州 730050）

塑料包装材料因可塑性强、密封性好、轻便易携带等优点，是食品包装常用的材料之一。然而，近年来随着石油基合成塑料引发的能源消耗，白色污染等能源、环境问题的日益凸显，以及各国政府限塑令、禁塑令等政策的相继推出，使得具有良好机械性能、可天然降解的绿色高分子复合材料备受关注[1-2]。其中，植物纤维原料不仅具有来源广泛、价格低、无毒、无臭、通气性能好等优点，而且使用后能够完全自然降解，被认为是替代石油基塑料产品的理想选择。研究表明，植物纤维类包装材料大多来源于富含纤维组分的农作物残渣或食品加工副产物，特殊的纤维素分子结构赋予其优异的材料性能，有序的分子顺序和完整的晶体形状使其具有良好的成膜特性，是一种很好的制膜材料[3-4]。

纤维素基膜是以纤维素及其衍生物为基材，如纤维素或半纤维素、微晶或纳米纤维素、细菌纤维素及其改性产品等，根据使用目标来选择构建组分，通过合理的结构设计来完成膜材料制备[5-6]。康星雅[7]利用流延法制备了具有良好拉伸能力和阻隔性能的纤维素纳米晶/羧甲基纤维素复合膜。Sirviö 等[8]采用溶剂浇铸法制备得到具有较高氧阻隔性、光透性和良好机械强度，能抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的阳离子木材纤维薄膜。Bansal等[9]通过对甘蔗渣提取的纳米纤维素纤维进行改性，并与壳聚糖共混制备得到具有良好抗菌性能的复合膜。Hai 等[10]利用竹纳米纤维和几丁质制备了一种热稳定性好、拉伸强度适宜、可完全生物降解的新型纳米复合材料。Feng 等[11]利用细菌纤维素制备获得对单核球增生李斯特菌有明显抑制作用的复合膜。王婷婷等[12]将竹红菌素负载于细菌纤维素/壳聚糖复合材料上，制备得到具有抗菌功能的纳米纤维素膜。可见，纤维基复合材料已广泛用于食品保鲜及抗菌包装材料、活性包装材料以及高阻隔包装材料中。然而，目前的研究成果尚缺乏对该领域的系统性梳理，对国内外研究热点、特征和发展路径尚缺乏足够认知[13]。及时总结国内外纤维素基食品包装膜研究领域的发展脉络，理清研究现状，进而把握未来研究方向就显得极为必要。

文献计量学是描述、评价和预测某学科领域的科技现状与发展趋势最为直接的分析方法，能有效避免常规方法总结文献资料时主观性强、缺乏基于量化方法对文献进行系统总结的缺陷，已被广泛用于农业[14]、生态[15]、环境[16]、食品科学[17]等诸多领域的态势分析。与此同时，运用数学和统计学方法对大量科学文献进行分析解读，能够帮助读者客观地了解该领域的发展趋势、研究热点和最新动态[18]。本研究借助文献计量学方法，运用CiteSpace 进行科技文本挖掘及可视化分析，对国内外纤维素基食品包装膜的研究成果进行梳理，以期更好地反映该领域最新研究态势和热点前沿，从而为从事相关研究的科研人员和机构提供参考。

1 文献计量分析方法

文献数据来源于Web of Science（WoS）核心合集，检索式：（cellulose OR “cellulose-based”）AND （film） AND （food），设置检索年份为1985—2020，对近35年来发表的纤维素基食品包装膜的研究文献进行检索，文献语种为English。检索时间为2021年7月31日，共检索到1 499 篇文献。

按照文献类型和文献语种进一步精简筛选检索结果，WoS 中选择文献类型为Article 最终筛选出符合要求的WoS 核心合集中1 285 篇，借助文献计量在线分析平台（https：//bibliometric.com）和CiteSpace 软件进行国家/地区合作关系分析和可视化关键词分析。

2 结果与分析

2.1 发文量与变化趋势

发文量是评价某研究领域发展态势的重要指标之一，一定程度上可以反映该研究领域的发展趋势和关注程度[19]。图1汇总了纤维素基食品包装膜研究领域的WoS 核心合集数据库中文献数量的年度变化趋势。通过WoS 核心合集数据库分析，有关纤维素基食品包装膜的研究最早开始于1988年，英国Castle 等[20]学者首次分析了再生纤维素膜中软化剂（乙二醇、二甘醇）在食品中的迁移程度和迁移规律。该时期处于初步探索期（1985—2000），研究文献从无到有，发文量始终处于较低值，年均发文数量为个位数。2000年之后发文数量才开始稳步升高，研究进入活跃增长期，2000—2010年间共计发表文献92 篇。2010年之后进入快速增长期，发文数量增速明显，呈爆炸式增长趋势，尤其在2020年的发文数量高达334篇，可以看出，WoS 核心数据库中的发文量连年持续上升，说明纤维素基食品包装膜的研究在国际上备受关注。

图1 1985—2020年纤维素基食品包装膜领域的发文量变化趋势Fig.1 Distribution trends on the cellulose-based food packaging films from 1985 to 2020

2.2 国家及机构分析

2.2.1 国家和地区 表1为WoS 核心合集中的主要发文国家/地区分布。全球共有77 个国家/地区开展了相关研究，其中文献发表数量排名前10位的国家依次为中国（China）、美国（USA）、巴西（Brazil）、伊朗（Iran）、西班牙（Spain）、意大利（Italy）、印度（India）、加拿大（Canada）、法国（France）、韩国（South Korea）。中国发文总数（298篇）居于首位，是第2 名美国（142 篇）的2 倍，H指数也相对较高达到39，不仅体现了我国学者在该领域发表文献的数量、规模和被引量等综合影响力，而且也说明了我国学者较高的科技水平。从篇均被引次数来看，法国学者的篇均被引次数位居世界首位（≥60），其次是西班牙（≥40），意大利和韩国紧随其后（≥30）。虽然我国学者的发文数量相对较高，但篇均被引用数仅为19.58，说明我国学者研究成果的国际影响力和传播关注度还需进一步提升。

表1 1985—2020年纤维素基食品包装膜领域发文量排名前10 的国家分布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 可视化软件分析1985—2020年全球各国（地区）之间的合作关系。由图2可以看出，意大利、西班牙、芬兰、瑞典等欧洲国家的合作比较密切，中国虽然在该领域的研究贡献较大，但国际合作相对较少，主要是与美国、加拿大的合作较为密切，未来仍需加强与欧洲相关研究机构的合作。

图2 1985—2020年纤维素基食品包装膜领域全球各国之间的合作关系Fig.2 Global partnerships between countries in the field of cellulose-based food packaging films from 1985 to 2020

2.2.2 WoS 文献发表机构分布 表2是1985—2020年WoS 核心合集中主要研究机构的分布情况。在发文量排名前10 位的机构中，中国机构有4所，其中江南大学和华南理工大学分别以发文量34 和33 篇位居前列；意大利有佩鲁贾大学和米兰大学2 所；伊朗有阿扎德大学和乌尔米耶大学2所。其中，意大利佩鲁贾大学的发文量排名第1，文献数量高达37 篇。

表2 1985—2020年纤维素基食品包装膜领域发文量排名前10 的研究机构Table 2 Top 10 research institutions on the number of articles in the field of cellulose-based food packaging films from 1985 to 2020

从表3总被引频次排名前10 的发文机构来看，中国仅有东北林业大学入围，意大利佩鲁贾大学以总被引347 次位居第1。虽然韩国的研究机构未能进入发文量前10 位，但韩国的木浦国立大学和庆熙大学分别以总被引275 次和105 次位居世界第2 和第10，说明韩国学者在该领域的研究成果具备较高的影响力和认可度。

表3 1985—2020年纤维素基食品包装膜领域总被引用频次排名前10 的研究机构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领域在文献发表方面的集中度，也是反映发展现状的重要指标。表4汇总了纤维素基食品包装膜领域发文量最多的10 种期刊。在1985—2020年WoS 核心合集纤维素基食品包装膜领域的总计1 285 篇文章中，有137 篇发表在《Carbohydrate Polymers》上，占比10.66%，是发表文献最多的期刊，而且该期刊的影响因子最高（IF=9.381）；《International Journal of Biological Macromolecules》期刊排在第2 位，发文量高达104 篇，占比8.09%；排在第3 位的是《Food Hydrocolloids》，发文量为69 篇，占比5.60%。从篇均被引次数来看，虽然《Journal of Food Science》的总发文数量相对较低，但其篇均被引次数最高，《Carbohydrate Polymers》和《Food Hydrocolloids》紧随其后。可见，上述几种期刊在纤维素基食品包装膜的研究中具有较高影响力，读者可以通过集中阅读这几种期刊来达到快速、准确了解该领域的目的。

表4 1985—2020年纤维素基食品包装膜领域发文量排名前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 关键词分析

图3是WoS 核心数据库中2010—2020年全球纤维素基食品包装膜研究的主要关键词分布。由于1985—2009年期间的发文量较少且不具有显著的代表性，因此基于文献计量学分析原则，选择2010—2020年间数据文本进行关键词分析。由图3可知，出现频次最高的关键词依次为food packaging（食品包装）、mechanical properties（机械特征）、chitosan（壳聚糖）。

图3 WoS 全球纤维素基食品包装膜研究主要关键词分布（2010—2020）Fig.3 Distribution of main keywords in WoS global cellulose-based food packaging film research （2010—2020）

对WoS 核心合集数据库中的2 833 个关键词进行共现分析，对含义重复的词组进行合并、去除，选择关键词聚类，筛选出频次排名前6 的关键词聚类。如图4a 所示，排名前2 位的Food packaging（食品包装）、Packaging（包装）代表该领域始终围绕食品包装这一基本方向进行研究。Pectin（果胶）、Cellulose（纤维素）均为天然高分子物质，在文献报道中主要作为基础原料参与复合薄膜的构建，同时也反映出该研究领域绿色环保、可再生、可持续的生态特点。Intelligent packaging（智能包装）、Active packaging（活性包装）是近几年提出的2 新型包装理念[21]。智能包装是指那些在通信和营销功能方面具有增强功能的包装系统，例如向消费者提供关于产品实际质量的动态反馈[22]。活性包装是一种经过人为设计的包装系统，在包装材料中添加某些物质使其能够参与到包装过程中来，进而达到既定的目的和要求[23]。其中，为了抑制食品中微生物带来的不利影响而添加的抗菌剂颇受国内外学者关注。抑菌膜的主要制备方法包括：1）通过加入各种金属（银、锌）颗粒或金属氧化物【二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）、二氧化硅（SiO2）和氧化镁（MgO）】来破坏微生物细胞结构进而达到抗菌目的；2）采用本身就具有抗菌能力的原材料（壳聚糖等）来制备薄膜；3）将提取的蜂胶、肉桂精油等天然物质结合到膜制备过程。

另一方面，关键词的突现强度能反映出研究领域的热点特征，向上具有阐述性，向下具有统领全文的作用，承载着最核心的信息，是掌握全文的关键，而相似性、关键程度较高的关键词还能通过聚类形成研究主题[24]，有助于了解该领域的研究热点。Food （食品）、Cellulose ether （纤维素醚）、Fatty acid（脂肪酸）等关键词持续时间较长，代表了该领域主要的研究内容。由图4b 可知，2010—2018年关键词变化最为剧烈，数量急剧增多，说明该研究领域正逐渐步入深水区，尤其是近几年随着Food packaging application（食品包装应用）、Microfibrllated cellulose（微纤化纤维素）、Diffusion（扩散）等主题和指标的不断更新，使纤维素基食品包装膜的研究逐渐从制膜工艺优化转向多功能、实用性复合薄膜的应用。

图4 基于Citespace 的WoS 关键词分析图Fig.4 Keyword analysis diagram of WoS based on Citespace

2.5 高被引文章分析

文章的被引用次数在一定程度上能反映出研究领域的热点和潮流，高被引文章说明其成果在该领域有较大的影响力或可见性[25]。引用次数可能与发文时间、主题热度、发文期刊有关[26]。结合WoS 数据库分析，被引次数最高的文章为Gontard等[27]于1992年发表的《Edible Wheat Gluten Films：Influence of the Main Process Variables on Film Properties using Response Surface Methodology》，被引次数为636 次，然而由于其年代久远，在被引方面具有一定的局限性。为准确反映高被引文献发表情况，本文选择2015—2020年高被引文章（表5）进行分析，发现前5 篇高被引文章中有2 篇来自韩国的Shankar 教授，研究内容包括膜的制备工艺、物理性能测定和抑菌能力测定。总体而言，大部分研究内容还停留在制膜工艺与性能测定层面，实际应用还不是研究主体，这也给本领域科研工作者提供了新的研究增长点。

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 结论与展望

天然纤维素及其衍生物均具有良好的成膜特性，且含有活跃的羟基基团和特殊的网络结构，能够与抑菌剂、抗氧化剂等功能活性物质高效结合，形成具有一定功能活性的包装膜材料。本文基于文献计量学，通过对比分析WoS 核心合集数据库中纤维素基食品包装膜的文献资料，得出以下结论：

1）纤维素基食品包装膜的研究虽然始于1988年，但直到近5年才得到飞速发展，成为国际社会关注的研究热点，这与当下全球范围内日益突出的能源环境、食品安全等问题密切相关。意大利佩鲁贾大学在该领域的研究处于国际领先地位，中国学者的发文数量虽位居世界前列，但篇均被引次数的排名表现尚不突出，有待进一步扩大影响力，提升成果质量。

2）由于天然纤维素分子以β-（1，4） 糖苷键将大量葡萄糖单元相连接而组成线性大分子结构，内部链间分布有多个羟基活性基团，基团之间极强的氢键相互作用导致纤维素存在溶解性差、分解温度低、熔点高、对水分子的阻隔性较差等缺陷，限制了在食品包装中的应用。通过物理、化学、生物或其它组合方法对天然纤维素进行改性处理，可降低纤维素分子间极性，提高纤维素衍生物及共聚物的溶解度与稳定性，使纤维素具有特定功能，进而最大限度发挥其应用价值，拓宽纤维素在食品包装领域的应用，这也是今后的发展方向。

3）未来的食品包装材料要求更加安全、智能且具有一定活性，因此基于成膜基材添加某种功能性物质，使膜具有一定活性功能（如抗氧化、抑菌、防紫外线、鲜度指示）和不同特性的智能包装材料、活性包装材料，也是未来食品包装材料的研究重点。

4）基于纤维素及其衍生物制备的食品包装膜材料，除了研究其自身的可降解性、功能活性之外，还应加强材料的阻透性、力学性能及稳定性能的研究，这是纤维素基食品包装材料能否被产业化应用的关键。

致谢：

本文得到了兰州理工大学2021年研究生科研探索项目（一种生物可降解“绿色”抗菌薄膜的研发制备）的支持，在此表示感谢！