國內外可降解膜研究熱點及趨勢對比分析

楊天學，楊 哲，，張軍平，王 銘，龔天成，張 婷，侯佳奇，席北斗*

（1.中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012；2.中節能工程技術研究院有限公司，北京 100089；3.貴州民族大學生態環境工程學院，貴陽 550025）

0 前言

膜材料因性能穩定、價格低廉、使用輕便等優勢，廣泛應用于醫療、包裝、化工、農業等領域［1］。然而，現有的膜材料大多為石油基制品，由于其相對分子量大、疏水性強、分子鍵穩定等，在自然界中通常需要100～200年甚至更長時間才能降解［2］。在風化、機械和生物等作用下傳統膜材料極易破碎，難以回收。殘膜在土壤中形成阻礙層，影響水分和養分運移，在水中易被水生生物誤食，同時含有的鄰苯二甲酸酯類增塑劑和重金屬鹽釋放進入環境，將嚴重損害動植物的生長發育，造成諸多的社會問題和環境問題［3］。因此，如何加強廢舊膜材料回收處理和尋找綠色替代材料成為膜材料領域亟待解決的問題［4］。

與廢舊膜材料回收處理相比，使用可降解膜替代傳統不可降解膜成為緩解廢舊膜材料污染的有效措施［5］。歐美、日本等發達國家對可降解膜材料的研究相對較早。1964年，美國Shulman［6］以玉米淀粉為原料開發了可透氣、不透水，用于制作雨衣的可降解膜。隨后，英國、日本、加拿大等國陸續以淀粉、纖維素、聚乳酸等為原料開發了系列可降解膜產品，應用于醫療、包裝、農業等領域。我國對可降解膜的研究起步相對較晚。20世紀80年代，長春塑料廠、天津大學、中國科學院上海有機化學研究所等機構才開始開展生物降解膜、光降解膜等的研究［7］。1992年可降解膜研究被列入“八五”重點科技攻關計劃［8］。隨著可降解膜研究越來越多，研究學者從可降解膜原材料、應用領域、性能改性等多個角度對可降解膜研究進展及問題進行了綜述性討論。師巖等［9］從膜材料來源和膜材料降解性能兩方面介紹了淀粉、聚乳酸、聚乙烯醇等可生物降解膜的研究進展，并提出可將計算機軟件模擬用于可降解膜的研發。賈仕奎等［10］對膜的改性制備及在不同領域的應用等進行了綜述。Salah等［11］總結了以天然聚合物為原料制備的食品包裝可降解膜研究進展，指出盡管這些膜產品無毒、無害且能延長食品保質期，但仍存在水氣阻隔性能差、抗菌和抗氧化效果低等問題。但是，現有的綜述普遍從學者關注的某一角度出發進行主觀分析，缺少定量分析，存在對相應領域研究進展分析片面化的問題。

文獻計量學是一種應用數學和統計學對某領域的文獻進行量化分析的方法，能定量、客觀地反映某一領域在不同時期的宏觀發展態勢、關鍵科研力量、未來發展趨勢，已廣泛應用于醫學、環境科學、生態學等多個領域的學科發展分析［12］。與傳統文獻綜述相比，文獻計量學通過量化分析能夠客觀反映某一領域研究的數量特征與規律，揭示資源的內在關聯，并通過關鍵詞共現、聚類、突現等分析直觀、科學地展現其研究現狀［13］。近年來，一些學者采用文獻計量學的方法對纖維素基可降解膜、可降解食品包裝膜等進行了綜述。Manuel等［14］采用文獻計量學的方法分析了2000-020年纖維素基可降解膜在食品包裝領域的研究進展，指出該領域研究正快速增長，特別是納米纖維素復合膜的研究受到了廣泛關注。曹侃［15］采用文獻計量法分析了可食用膜研究現狀與發展趨勢，發現可食用膜已有較成熟的制備方法，但在原材料選擇、工藝優化以及性能改善等方面仍需開展大量研究。但現有研究普遍僅從某一類可降解膜或其某一個應用領域展開分析，未對可降解膜領域整體的研究情況進行量化討論，無法全面把握該領域的研究現狀。此外，單一的計量學分析方法在揭示文獻中反映的科學信息時存在局限性和片面性［16］。

CiteSpace是一個普遍用于科學分析文獻中包含的潛在信息的可視化分析程序［17］，整合了視覺、數學和哲學思維。與其他文獻計量學軟件相比，CiteSpace可分析的數據庫更多，分析單元種類更齊全，可通過對文獻中名詞性術語的分析，探討某一學科領域的研究熱點、研究前沿，特別在研究熱點隨時間演變的分析上有特殊的優勢［18］。

因此，本研究基于中國知網（CNKI）和Web of Sci?ence核心數據庫（WOS），耦合文獻計量學和內容分析法，采用CiteSpace可視化分析軟件，對國內外可降解膜領域發文量、關鍵研究力量、研究前沿、研究熱點進行了系統客觀的定量和定性對比分析。同時，提出了未來可降解膜研究領域的發展方向，為實現其大規模推廣應用提供參考和依據。

1 可降解膜領域發文量分析

本研究文獻數據來源于CNKI與WOS。在CNKI中，以“可降解膜”或“可降解復合膜”或“可降解地膜”或“生物可降解膜”或“纖維素膜”或“淀粉膜”為關鍵詞，WOS中以“Degradable membrane” or“ Biodegrad?able membrane” or“ Degradable composite membrane”or “Degradable plastic film” or “Degradable film” or“Biodegradable film” or“ Degradable composite film”為關鍵詞，時間跨度為2000-2020年，對與“可降解膜”相關的文獻進行檢索。經過對獲得的文獻的閱讀和整理，刪除重復記錄、報紙報道、會議論文等，最終得到903篇中文和1 029篇英文文獻。

發文量反映了科學界對某一學科領域的關注程度，在一定程度上反映了該領域的發展速度和發展程度［19］。CNKI文獻數據分析前需通過CiteSpace內置的數據轉換器進行預處理，WOS數據可直接導入分析。將處理后的數據集導入CiteSpace中，在軟件中選擇“刪除重復項”，設置文獻類型為“文章”和“綜述”，點擊運行，經軟件自動篩分得到每年度發文量數據。另外，采用多項式擬合的方法分別對WOS和CNKI中年度發文量隨時間的變化進行擬合，結果如圖1所示。可以看出，2000-2020年間CNKI和WOS中與可降解膜相關的發文量總體呈上升的趨勢。WOS中發文量符合指數發展趨勢（y=0.175 2x2-699.33 x+697 729，R2=0.959 3），2018年達到峰值為2000年的18.5倍。CNKI中發文量同樣呈指數發展趨勢（y=0.078 5x2-311.53 x+308 875 R2=0.896 7），2016年達到最大值。2021年，我國發布了《“十四五”塑料污染治理行動方案》，要求減少一次性塑料使用，推廣可降解材料使用，開展不同類型可降解塑料降解機理及影響研究［20］。2022年，聯合國環境大會第五屆會議續會上發布了首個全球范圍內的“限塑令”，提出終結塑料污染，并在2024年前達成一項具有國際法律約束力的協議［21］。在此背景下，可降解膜研究將迎來新的熱度，發文量將大幅增加。

圖1 WOS和CNKI中可降解膜領域發文量趨勢Fig.1 Annual publications of the research on BM in WOS and CNKI

2 可降解膜領域主要研究力量分析

主要研究力量分析通過在CiteSpace中分別以“國家”、“機構”和“作者”作為節點，設置時間范圍為2000-2020年，時間切片為1年，每個時間切片閾值為g?index=25 %，網絡連線強度計算選用Cosine算法。利用CiteSpace的聚類功能繪制對應的科學知識圖譜，從而對可降解膜領域的主要研究力量進行分析。

2.1 主要的國家/地區分析

一個國家發文量的多少在一定程度上反映了該國在某領域研究的活躍程度［22］。表1為WOS中可降解膜領域發文量排名前5的國家。由表可知，中、美兩國在可降解膜領域研究相對活躍，占主導地位，我國在可降解膜領域發文量最多，共發表了175篇文章，占總文章數的17.0 %。美國次之，文章總數為156篇，其他國家發文量均在100篇以下。不同國家中介中心性值（Betweenness Centrality， BC值）分析發現，美國的BC值最高為0.36，在該領域影響力較大。我國雖然發文量最多，但影響力相對偏低，可能是因為我國在該領域起步較晚。

表1 可降解膜領域發文量前五的國家Tab.1 The top 5 most productive country in the field of BM re?search

不同國家/地區間合作關系如圖2所示。圖中每個圓圈代表1個國家，圓圈大小與該國的發文量成正比，曲線代表2個國家間存在合作。曲線的顏色代表了不同國家首次合作的時間，寬度代表不同國家的合作強度。由圖可知，不同國家間的合作較為密切，形成了相互交錯的合作網絡。德國與美國、丹麥、愛爾蘭等國展開合作相對較早。美國與其他國家的合作最為廣泛，特別是澳大利亞、印度、意大利。我國的國際合作相對較弱，主要與韓國、印度、新加坡等亞洲國家展開合作，應加強與其他國家的合作交流，提升可降解膜領域影響力。

圖2 國家合作網絡圖譜Fig.2 Country cooperation network mapping

2.2 主要研究機構分析

通過對發文機構的統計與分析，可以充分了解該領域團隊的分布情況［23］。表2顯示，WOS中可降解膜領域發文量前3的機構分別是中國科學院（25篇）、中船重工（15篇）和北京林業大學（13篇）。發文量前10的機構中有4所來自中國，2所來自美國，其中僅中船重工（0.14）的BC值在0.1以上，在可降解膜領域具有較高的影響力。CNKI數據庫中發文量前3的機構分別是上海交通大學（21篇）、內蒙古農業大學（21篇）和天津科技大學（19篇），其中上海交通大學和內蒙古農業大學在2000年均有文章發表對該領域研究較早且活躍。此外，國內發文量最多的9所大學中與農業相關的有3所，可能是因為我國是農業大國，可降解地膜替代塑料農膜需求量較大。據預測到2025年我國可降解膜農膜市場規模將達到73億元［24］。

表2 可降解膜領域發文量前10的研究機構Tab. 2 The top 10 most productive international and domestic institutions in the field of BM research

圖3為國內外發文量較高的機構間的合作網絡。節點圓表示機構的發文量，圓越大，發文量越多。曲線為合作機構的連接線，某節點的曲線越多合作的機構就越多。從圖中可知，WOS和CNKI中機構合作網絡均比較發散，跨單位合作較少，且合作較為單一。在WOS中，中國科學院較為突出，在乳液基食用膜制備、生物膜抗菌性和蛋白膜引導神經再生等方面與愛爾蘭國立大學、南京理工大學和溫州醫科大學展開了較多合作。國內機構中合作網絡分塊，容易出現“一機多能”的現象。雖然團隊內部形成了穩定的合作關系，但不同群體之間的合作薄弱，需要進一步加強。

圖3 WOS和CNKI中可降解膜研究機構合作網絡圖譜Fig.3 Institution cooperation network of BM research in WOS and CNKI

2.3 主要研究學者分析

某個學科領域的核心作者是該領域發展的關鍵。基于普賴斯定理［25］［式（1）］，可對可降解膜領域核心作者進行分析。

式中 Q——核心作者最少發文數，篇

C——發文數最多作者發文數，篇

根據普賴斯定理，只有核心作者發文占總發文量的50 %，才能形成學科高產作者群［26］。WOS中Eick?holz發文量最多（7篇），CNKI中于力發文量最多（21篇）。經計算，在WOS中該領域核心作者最少發文量Q=2，發表2篇及以上的作者共有142位，共發表了338篇文章，占總發文量的32.85 %，CNKI中核心作者最少發文量Q=4，有49位作者發表了4篇及以上的文章，共發表276篇文章，占總發文量的30.56 %，均未形成高產作者群。

WOS作者合作網絡分析顯示［圖4（a）］，網絡密度D=0.0024，作者合作較為分散［13］。作者間有一定的合作關系，但集中度偏低，以獨立發表文章為主。在全球范圍內合作最密切的為圣地亞哥大學的Manuel團隊，主要進行多糖類可降解膜在食品包裝領域的研究，研發了具有抗菌性、抗紫外、高透明的可將降解膜，應用于食品包裝［27］。華南理工大學彭新文團隊，主要通過化學改性法增加半纖維素官能團數目，改善可降解膜性能［28］。圖4（b）顯示了國內研究學者合作網絡圖譜，網絡密度D=0.003 2，分布較為分散。合作較多的有天津科技大學王建清團隊和上海交通大學于力團隊。王建清團隊主要以纖維素基包裝膜為研究對象，通過對不同的纖維素進行改性、復合等制備了可降解膜，應用于鮮肉、果蔬的保鮮［29］。于力團隊主要致力于可食用淀粉膜研究，通過對馬鈴薯淀粉進行凍融改性，提高膜的拉伸性能和凍融穩定性，應用于低水分食品冷凍保存包裝材料［30］。

圖4 WOS和CNKI作者合作網絡圖Fig.4 Author cooperation network of BM research in WOS and CNKI

3 可降解膜研究前沿演變分析

研究前沿是某一領域凸顯的動態概念和潛在的研究問題。在CiteSpace中可通過關鍵詞在某一時間段的突現強度分析某一領域研究前沿的演變［31］。在一段時間內某關鍵詞突現強度越大，表明與關鍵詞相關的領域受到的關注度越大，為該時間段的研究熱點。首先選擇與前文主要研究力量聚類圖譜分析一致的基本參數，選擇節點類型為“關鍵詞”進行聚類。在關鍵詞聚類的基礎上設定突現參數alpha值為3.0，gamma值為1.0，突現時間為1年，分別獲得了WOS中突現前20、CNKI中突現前18的關鍵詞突現圖譜，如圖5、圖6所示。

WOS中與可降解膜研究相關的關鍵詞突現分析顯示（圖 5），2000—2007 年間，“膜（membrane）”、“行為（behavior）”和“引導組織再生（guided tissue strength）”3個關鍵詞突現強度較高，此階段主要與可降解膜在醫療領域的研究應用有關。此時研究多以非石化基合成可降解膜為主，可降解膜產品成本較高，主要應用于醫療領域。2008-2017年間，“納米復合膜（nanocomposite film）”、“組織工程（tissue engineering）”和“可生物降解聚酯（biodegradable polyester）”等關鍵詞突現強度逐漸增強，此階段依然以醫療領域應用研究為主，此時隨著可降解膜制備技術的日益成熟和可降解膜原材料種類的增加，部分有機固體廢棄物等低成本原料被用于可降解膜的制備，使得可降解膜成本開始降低，但在醫療領域的應用研究基數依舊龐大，對醫學、生命領域的可降解膜的研究始終受到廣泛關注。同時，此期間“交聯（cross linking）”關鍵詞持續出現。交聯法是膜改性的一種方法，通過不同的大分子聚合物間交聯反應的發生，形成具有三維網絡結構的可降解膜產品，可有效提高可降解膜結構的穩定性和強度，表明近幾年可降解膜領域的研究逐漸由可降解膜的應用研究轉向可降解膜產品性能的提升。2018-2020年，突現強度最高的關鍵詞逐漸轉變為“抗菌活性（antimicrobial activity）”、“木薯淀粉（cassava starch）”和“抗氧化活性（antioxida?tion activity）”。表明低成本的天然基可降解膜特別是以“木薯淀粉”為主要原料的可降解膜的開發及其功能性受到越來越多的關注，其中可降解膜的抗菌性和抗氧化性通常與其在食品包裝領域的應用相關。Ama?raweera等［32］以酸水解的方式改性木薯淀粉并制備了可降解膜，與未改性的天然木薯淀粉膜相比，酸水解后膜的吸濕性降低了20 %～40 %，斷裂伸長率降低了23 %，拉伸強度有所增強，最高達5.7 MPa，該膜具有生物降解性、無毒、低成本和良好的熱穩定性，在食品包裝領域應用具有一定的潛力。Marianad等［33］探究了丁香精油和山梨酸鉀對木薯淀粉膜的影響。研究表明，丁香精油和山梨酸鉀的加入增加了膜的抗菌性，該膜對革蘭氏陽性菌和陰性菌的生長，以及蠟狀芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌具有很好的抑制作用，可用作食品保鮮包裝。Teklu等［34］將木薯皮淀粉、二氧化硅納米顆粒、甘油和迷迭香精油共混制備了具有抗菌活性、較少吸水性和保水性能的可降解膜，該膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有明顯的抑制作用，為抗菌可降解包裝膜提供了參考。隨著塑料包裝材料增多，“白色污染”問題的凸顯，近年來與包裝相關熱詞突現強度開始增加，說明相關研究正向食品包裝領域的應用演變，并將成為未來可降解膜的研究熱點。

圖5 英文文獻前沿熱點突變詞圖譜Fig.5 Graph of hot mutation words at the frontier of English literature

圖6顯示了CNKI中與可降解膜研究相關文獻關鍵詞突現圖譜。由圖可知，相比于國外的研究，國內對可降解膜的研究始終重點關注其在農業領域的應用及從農業領域獲取膜制備材料。2000-2006年，關鍵詞“物理性質”、“控釋肥料”和“結構表征”突現強度最高，此時我國可降解膜研究處于初始階段，傳統塑料地膜和化肥大量施用導致的環境問題日益突出，此階段的研究主要聚焦在農用為主的可降解膜的結構特性及其在農業領域作為緩釋肥料應用。2007-2010年，“N?甲基嗎啉?N?氧化物”、“包裝薄膜”和“包裝膜”等關鍵詞突現強度增加，此階段以可降解膜在食品包裝領域的應用為主。隨著我國人民生活品質的不斷提高，人們對食品安全的要求也越來越高，對人居環境的問題也更加關注。食品包裝中大多為不可降解的塑料制品，容易帶來污染，因此，對功能性可降解食品包裝膜的研究開始增加。2011-2018 年，“棉花”、“性能”和“降解地膜”關鍵詞突現強度逐漸增強，仍以可降解膜在農業領域的應用研究為主。我國農業地膜應用基數龐大，傳統農用地膜大量使用后回收難、回收利用技術不完善而在土壤中大量殘留，特別是土壤中微塑料污染問題在此階段受到了越來越多的關注?？山到獾啬ぷ鳛榻鉀Q農業“白色污染”的有效措施之一，對于可降解農膜的開發、降解性能的評估及長期土壤應用效果的研究受到了政府、企業和學者的廣泛關注。近3年，“地膜回收”和“馬鈴薯”逐漸成為研究熱點，兩者強度均為3.85，有可能持續成為研究熱點。這可能是由于當前塑料地膜使用量依然很大。同時，塑料地膜給環境帶來的白色污染、微塑料污染等問題嚴峻，亟需加強地膜回收以減少其對生態環境的影響?！榜R鈴薯”因其含淀粉量高、成本低，常作為原料用于制備可降解膜。盧俊宇等［35］以馬鈴薯淀粉和海藻酸鈉為主要原料，甘油為增塑劑，茶多酚為活性物質制備了拉伸強度為20.78 MPa、斷裂伸長率為24.33 %的可降解膜，該膜對金黃色葡萄球菌具有較好的抑制作用。同時，我國作為馬鈴薯產量最多的國家，馬鈴薯種植過程中使用膜材料覆蓋可以保溫保墑、增產增收。王興文等［36］通過覆蓋不同材料（普通地膜、玉米秸稈、可生物降解膜、麻地膜及液體地膜）探究了其對土壤水溫效應及馬鈴薯生長的影響。結果表明，與不覆膜相比，覆蓋可生物降解膜使得土壤溫度提高了1.4 ℃，增產8.6 %。國內一直對可降解膜在農業領域的應用及從農業領域獲取膜制備材料較為關注。

圖6 中文文獻前沿熱點突變詞圖譜Fig.6 Graph of hot mutation words at the frontier of Chinese literature

4 國內外研究熱點分析

研究熱點的分布可以直觀展示不同時期研究內容、視角和方法的變化，從而掌握某一領域的關注熱點及存在的不足［37］。CiteSpace提供了基于譜聚類算法的自動聚類功能，將篩選后的文獻導入軟件中，通過潛語義索引（Latent Semantic Index，LSI）、對數似然法（Log?likelihood Rate，LLR）和互信息法（Mutual Infor?mation，MI）從聚類引用文檔中提取聚類主題詞，結合聚類圖譜可對研究熱點進行歸納和分析［23］。圖7為在前文關鍵詞聚類的基礎上采用LLR算法生成的WOS和CNKI中相關文獻排名前10的主要關鍵詞聚類。結合內容分析法，通過提取論文的摘要、關鍵詞甚至論文全文的信息，對論文的內容進行總結分析。通過定量的關鍵詞聚類分析與定性的內容分析和總結，對比國內外研究熱點發現兩者差異性不大，總體上可分為：可降解膜產品研發（#4gelatin；#5polylactic acid；#6polyvi?nyl alcohol；#1纖維素膜；#3淀粉膜；#4可降解膜；#5殼聚糖）、可降解膜產品性能優化（#1mechanical prop?erties；#2hydrolytic degradation；#8biocompatibility；#9membranes barrier；#2nmmo；#6改性淀粉；#9復合膜）和可降解膜多領域應用效果評估（#0guided bone re?generation；#3food packaging；#7 bone regeneration；#0土壤溫度；#7功能材料；#8保鮮）3個方面。

圖7 WOS和CNKI中可降解膜研究關鍵詞時間線聚類圖譜Fig.7 Timeline clustering graph of BM research keywords in WOS and CNKI

4.1 可降解膜產品研發

通過對所篩選的國內外可降解膜相關文獻的內容分析和CiteSpace高頻關鍵詞的統計分析發現，基于不同原材料可降解膜的研發持續受到關注。根據其來源大致可分為3類：天然可降解類、非石化基合成可降解類和石化基合成可降解類。圖8顯示了國內外不同類型可降解膜占比情況，可以看出國內外的研究都更側重于采用天然基可降解膜。其中，國內天然基可降解膜研究占73.21 %，遠高于國外的49.31 %。這主要是因為我國為農業大國，天然基可降解材料更易獲取，化石資源相對較少，使用成本較高。

圖8 國內外不同類型可降解膜產品組成Fig.8 Composition of different types of BM at domestic and overseas

（1）天然基可降解膜根據原料不同，主要包括纖維素類、淀粉類、蛋白質類、殼聚糖類等。這些天然可降解膜的原料均為自然界廣泛存在的大分子物質，其分子鏈上通常富含羥基、羧基、氨基、碳碳雙鍵等活性功能基團，通過與成膜助劑發生縮醛反應、聚合反應、接枝共聚反應等制備不同的天然基可降解膜材料［38］。Zhao等［39］通過球磨、堿處理、漂白等工序從榴蓮皮中提取了高純度纖維素，并以此為原料制備了具有良好機械性能和較高降解性的透明可降解包裝膜。其拉伸強度達到了44 MPa，并且在4周內完全降解。Garcia等［40］以淀粉為原料，加入甘油、衣康酸和次磷酸鈉等，利用單螺桿擠出機制備了一種拉伸強度達9.22 MPa的可降解膜。Garrido等［41］以大豆蛋白為原料，山梨糖醇為增塑劑，制備了具有紫外線阻隔功能的透明膜。在堿性條件下可以更好地促進蛋白質大分子鏈與增塑劑間分子間氫鍵的形成，從而提高膜結構的穩定性，在最優的工藝參數下膜的拉伸強度可達7.5 MPa。Nara?sagoudr等［42］以殼聚糖、聚乙烯醇和乳香酸等為原料開發了一種活性包裝膜。乳香酸通過增加共聚物的聚合度和聚合物鏈的網狀結構使膜更加致密，增強膜的力學性能。盡管天然可降解膜因其原料來源廣泛、可再生、環境友好，占據了國內外約50 %以上的可降解膜市場，但現有的天然基可降解膜原材料多為親水性大分聚合物，產品阻隔水蒸氣性能較差，且存在質脆、柔韌性低、力學性能差等問題，限制了其在食品包裝等領域的應用。

（2）非石化基合成可降解膜是由以聚乳酸、聚羥基烷酸酯和聚羥基丁酸酯為主的高分子聚合物通過大分子鏈上不同功能基團間氫鍵、酯鍵的生成或二硫鍵轉化反應制備而成［43］。這些高分子聚合物通常由乳酸、脂肪酸、葡萄糖等可再生物質經羧基和羥基酯化聚合反應得到的，具有較長的分子鏈結構，且單體結構繁多，富含多種官能團結構［44］。Akgun等［45］將具有抗菌性的肉桂醛和香葉醇加入聚乳酸中制備的可降解膜，當2種添加劑質量分別占50 %以上時，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑制直徑均在18 mm以上。Arauz等［46］將花生油與鉤蟲貪銅菌共發酵制備了聚羥基烷酸酯，經流延成膜，其拉伸強度可達到75.80 MPa，斷裂伸長率為25.70 %。彭悅［47］通過將疏水性共聚物聚羥基脂肪酸酯與羥丙基交聯淀粉共混制備了一種新型復合膜，有效改善了膜性能，特別是水汽阻隔性能，最優條件下膜抗拉強度為1.23 MPa，斷裂伸長率達134.95 %，水蒸氣滲透系數為3.69×10-12g/s m Pa。非石化基合成可降解材料制備的可降解膜通常具有較好的抗拉伸性、延展性和生物降解性等，但其成本較高，需經過復雜的化學反應才可獲得。

（3）石化基合成可降解膜主要原料包括聚乙烯醇、聚己內酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚乙醇酸和聚對苯二甲酸?己二酸丁二酯等，是由煤、石油和天然氣等為原材料加工的石化產品，通過縮聚和聚合等方法合成的可生物降解高分子材料［9］。陳松嶺等［48］以聚乙烯醇、殼聚糖、二氧化硅為原料，制備了一種可降解肥料包膜。膜在120天內降解率達到20.30 %，遠高于同條件下純聚乙烯醇膜的降解率（7 %）。Juan等［49］制備了一種添加有機黏土的聚羥基丁酸酯/聚己內酯可生物降解共混膜，該膜表現出良好的水蒸氣阻隔性能，水蒸氣透過系數僅為1.26×10-11g/s m Pa。鄔強等［50］對比了聚對苯二甲酸?己二酸丁二酯完全生物可降解地膜與普通塑料地膜在棉花種植上的應用效果。在苗期2者保水效果相近，但在生長期可降解地膜保水效果較普通地膜有所降低。石化基合成可降解膜原料主要取自煤和石油等不可再生資源，隨著石油資源日益短缺，石化基可降解膜占比將逐漸降低。

4.2 可降解膜性能優化

為提升可降解膜性能，在膜制備過程中通常需要對原料進行改性處理。目前，國內外可降解膜性能優化的方法主要包括3種，如表3所示。

表3 可降解膜的主要改性方式Tab.3 Main modifications of biodegradable films

（1）物理法，包括超聲改性、高壓改性和共混改性等。梁棟等［51］通過對殼聚糖?大豆分離蛋白復合膜進行超聲改性，與未改性相比膜的拉伸強度提高了27.87 %，斷裂伸長率提高了8.40 %。Zhang等［52］通過碾磨機的剪切力和壓縮力破壞纖維素分子內和分子間的氫鍵進行活化改性，改性后纖維素表面暴露的羥基數目增多，與聚乙烯醇共混制備了一種具有優良熱穩定性和生物降解性的復合膜。與未改性膜相比，拉伸強度從8.80 MPa增加到16.40 MPa，斷裂伸長率從76.80 %增加到374.0 %。Soe等［53］采用球磨法制備了一種新型的糯米淀粉膜。與原生糯米淀粉膜相比，樣品更具柔韌性，斷裂伸長率從128.10 %增加到165.70 %，黏附性從0.12 N/mm增加至0.16 N/mm以上，可用作藥物黏膜。物理改性具有成本低、速度快、無二次污染等特點，但存在操作復雜、易造成分子鍵損害、穩定性能差等問題。

（2）化學法，包括酸/堿改性、接枝改性和交聯改性等。張赟彬等［54］對殼聚糖膜進行堿浸處理后膜的拉伸強度由78.52 MPa增加至113.83 MPa，斷裂伸長率由1.60 %提高至2.61 %。Contardi等［55］將ε?己內酯與對香豆酸接枝共聚制備了一種具有良好力學性能的共聚膜，對香豆酸的加入增加了膜的抗菌性和抗氧化性。Milena等［56］對大豆秸稈中的纖維素進行漂白和堿處理，然后加入到大豆蛋白中進行共混制備了一種可降解復合膜。堿處理后纖維素表面裸露的羥基數目增多，更易與大豆蛋白中的羥基和羰基形成氫鍵。與未處理膜相比，拉伸強度增加了1倍，水溶解率降低了15 %?；瘜W改性操作簡單且產品性能穩定，但易產生有毒廢物，存在化學殘留，造成二次污染。

（3）生物法，以生物酶改性為主。潘博等［57］利用酶解脫支和醚化復合改性淀粉制備了一種新型的淀粉膜。當改性淀粉濃度為3 %（質量分數，下同），甘油添加量為30 %，檸檬酸添加量為10 %，反應溫度為95 ℃時，膜的拉伸強度達到4.11 MPa，斷裂伸長率為38 %。蘇俊烽等［58］以普魯蘭酶為酶制劑對玉米淀粉進行改性，制備了一種新型的可生物降解食品包裝膜，經酶改性后膜的抗拉強度從6 MPa提升至14 MPa。生物法改性反應迅速、效率高、專一性強，但其成本過高、難以控制且易受污染。

4.3 可降解膜多領域應用效果評估

可降解膜因其優異的可降解、生物相容、選擇透過等性能，廣泛應用于多個領域。通過對國內外與可降解膜研究相關文獻的內容分析和總結發現，國內對農業領域可降解膜的應用評估最多（36.75 %），其次是包裝、醫療、工業分離等；國外則是在包裝（34.82 %）和醫療（32.91 %）2個領域的研究較多，如圖9所示。

圖9 國內外可降解膜應用領域分布情況Fig.9 Distribution of application areas of domestic and foreign BM

可降解膜通常具有增溫保墑、抑制雜草生長的作用，通過覆蓋土壤表面，在土表形成物理屏障，阻礙土壤水分蒸發和熱量散失，提高土壤溫度，為微生物提供了更加適宜的環境，加快土壤養分的分解利用，促進作物生長。另外，部分可降解膜材料富含C、N、P、K等土壤和植物必須的營養元素，降解后進入土壤，還可作為養分改良土壤，促進作物增收增產［38］。我國作為農業大國，在農業上膜材料需求較大。因此，大多作為地膜應用于農業種植。Li等［69］探究了可降解地膜對土壤溫度、水稻種子發芽和幼苗生長的影響。結果表明，與裸地相比可降解地膜覆蓋下土壤夜間溫度提高了9.03 %～10.51 %，種子發芽率提高了213.02 %～755.61 %，株高增加了46.88 %～57.29 %，產量提升了4.82 %～11.83 %。韓永俊等［70］以水稻秸稈纖維為原料，在濕強劑、松香以及礬土等助劑下制備了一種可降解地膜，經測試可滿足田間農作物覆蓋要求。馬彧博等［71］以檸檬酸發酵菌渣為原料，制備了一種新型的生物可降解地膜。該地膜覆蓋下較裸地地溫提升了5～7 ℃，保墑性能與傳統市售地膜相當。

在醫療領域，可降解膜因其獨特的生物相容性、無毒無害、溶脹性和穩定性，可以很好的進入動物及人體內，在生理環境中保持結構和性能的穩定，并在指定周期和范圍內精準分解，通常作為藥物載體用于緩釋藥品的開發［72］。Sarwar等［73］以殼聚糖和聚乙二醇甲基醚為主要原料，通過共混工藝制備了一種智能藥物釋放膜。該產品與鹽酸二甲雙胍具有良好的生物相容性，所開發的緩釋藥物，大部分在22 h左右釋放。Jang等［74］研究了聚乙二醇膜作為骨再生誘導材料載體對鼠顱骨的再生誘導過程。結果表明，可降解膜能夠準確釋放誘導材料重組人骨形態形成誘導蛋白，2周后在誘導蛋白作用下膜微裂縫周圍出現了新骨和結締組織。

在包裝領域，由于可降解膜具有高強度、抗氧化、抗菌、高氣密性、無害環保等特性，可以很好的保護食品免受污染，且可減少水分與養分流失、避免氧化，從而保持食品的新鮮度，利于貯藏保存［10］。因此，常被作為包裝袋、保鮮膜等用于生鮮、果蔬和熟食等食品的保存。Cazón等［75］制備了一種用于食品包裝的纖維素?甘油?聚乙烯醇復合膜，具有紫外防護功能，可防止含脂質類食品氧化變質。趙昊等［76］以纖維素為原料，在氯化鋰和二甲基乙酰胺作用下制備了一種新型膜材料，對茶葉進行60天保存測試實驗中，該膜保存的茶葉茶多酚含量與1，1?二苯基?2?三硝基苯肼（DPPH）自由基清除能力分別較市售包裝保存的茶葉高出22.89 %和6.09 %，具有良好的保鮮效果。

在工業分離領域，部分具有選擇透過性、氣體阻隔性、耐水、疏水等特性的可降解膜可用于工業領域的污水處理、離子提取、油水分離、氣體分離等，具有占地面積小、分離效率高、專一性強、自動化程度高等優勢［1］。Kavalenka等［77］利用木質素、木纖維和生物基塑料在高溫熱拉作用下制備了一種具有超疏水、親油的可降解膜，可以實現油水分離，可吸收114 g（原油）/m2。此外，具有防水等功能的可降解膜還可用作涂層材料。孟令晗［78］以玉米淀粉為主要原料，加入聚乙烯亞胺和環氧大豆油丙烯酸酯制備了一種具有防水功能的可降解膜涂層，水中浸泡3 h不變形，具有較強的耐水性能。盡管可降解膜材料已被廣泛應用于日常生活的各個領域，但由于其成本較高，尚未大規模推廣應用。

5 結語

本研究基于文獻計量學和內容分析法，通過對CNKI和WOS中2000-2020年間1 932篇與“可降解膜”研究相關的中英文文獻的定量和定性對比分析發現：

國內外可降解膜發文量整體呈上升的趨勢，分別在2016和2018年達到了峰值。我國是可降解膜發文量最多的國家，特別是中國科學院、上海交通大學和內蒙古農業大學，美國次之，但BC值最高，影響力最大。但根據賴普斯定律，目前國內外尚未形成高產作者群，不同作者間的合作并不緊密。

研究前沿分析表明，國際上在2018年前主要關注可降解膜在醫療領域的應用研究及改性可降解復合膜的研發，2018年后更關注膜的功能性開發及其在食品包裝領域的應用。國內可降解膜的研究則從膜的結構特性及其作為農業緩釋肥料應用研究（2000-2006年）演變到食品包裝領應用研究（2007-2010年）及農業領域應用研究（2011-2018年）。2018年后，國內更關注可降解地膜的研發及其大規模推廣應用。

國內外可降解膜研究熱點大致相同，主要包括可降解膜產品研發、可降解膜產品性能優化和可降解膜多領域應用效果評估。其中，國內外可降解膜產品大致為天然基可降解膜>非石油基合成可降解膜>石油基合成可降解膜?？山到饽ば阅軆灮饕峭ㄟ^包含8種物理、化學和生物改性方法。國際上可降解膜的應用主要集中在包裝（34.82 %）和醫療（32.91 %）2個領域，國內則對農業領域（36.75 %）的應用研究較多。

盡管國內外圍繞可降解膜開展了的大量研究，但仍存在一定的不足：

（1）加強低成本、高性能、多功能可降解膜產品研發。目前可降解膜制備的成本依然較高，較大程度上限制了其大規模推廣使用。因此，應在現有基礎上，采用低成本的物料，如含有多糖、蛋白質、纖維類等的生物質有機廢棄物替代現有原料進行膜制備。同時，當前膜應用領域廣泛、場景復雜，應增加其功能性并增強其性能，可通過分子結構設計、共混改性和化學改性等方式提高可降解膜產品的性能、增加可降解膜產品的功能性，以滿足不同領域的應用需求。

（2）強化可降解膜全生命周期環境風險分析。盡管當前對可降解膜的應用效果研究開展了大量的實驗室和大田實驗評估，但主要聚焦在其對土壤理化特性、微生物群落以及作物品質的影響上，對可降解膜全生命周期的風險評估相對較少?？赏ㄟ^化學分析、質譜分析、色譜分析等技術方式手段對膜制備過程中原料及方法、使用過程和降解后全生命周期的環境風險進行分析評估，揭示其可能存在的生態環境與人體健康的潛在威脅。

（3）加強產學研合作，開展智能化新型可降解膜結構優化和應用效果模擬研究。目前可降解膜的研究仍處于實驗室研發階段，受限于高昂的成本、實際應用的可操作性和較低的公眾接受度，使用率較低，應加強產學研合作交流，通過技術孵化降低膜研發費用，節約研發時間，推動可降解膜的大規模應用。與此同時，結合當前計算機技術、人工智能等手段開展膜在多領域智能化模擬研究。例如，在醫療領域，利用軟件設定特定生理環境，調節膜力學性能、降解速率等相關參數，模擬緩釋藥物定點釋放的研究。在工業分離領域，可通過設定膜孔徑、水流速率、污染物含量等參數，對可降解膜在污水處理方面的應用進行模擬。