基于Web of Science的纤维素乙醇研究进展及热点分析

张 芹，景民昌，林海龙，武国庆

(1.中国石油大学(北京) 石油情报研究中心,北京102249； 2.中粮集团营养健康研究院，北京102209)



基于Web of Science的纤维素乙醇研究进展及热点分析

张 芹1，景民昌1，林海龙2，武国庆2

(1.中国石油大学(北京) 石油情报研究中心,北京102249； 2.中粮集团营养健康研究院，北京102209)

以Web of Science核心合集(SCI-E、CPCI-S、CCR-EXPANDED和IC)数据库2001—2016年收录纤维素乙醇科技文献为数据来源，利用文献计量学及社会网络分析方法对其研究进展及热点进行分析，并根据ESI学科分类，分析纤维素乙醇高被引论文和热点论文，以揭示纤维素乙醇研究领域的热点方向。结果发现：纤维素乙醇研究论文主要集中在生物技术、生物化工及生物能源领域。美国与中国为发文量最多的国家，且美国科研机构的论文产出和影响力均居世界首位。从机构合作角度可以分析出3个主要研究团体；从论文作者合著角度分析得到6个主要研究团队。通过对检索文献关键词进行分析，可以看出：随着时间发展，纤维素乙醇的研究热度不断增加，关键词共现也呈现不断增加趋势。依据ESI学科分类标准，共有2篇热点论文、146篇高被引论文，其中离子液体用于纤维素预处理是当下研究的热点。该分析可为我国相关行业研究提供参考依据。

SCI；ESI；纤维素；乙醇；研究热点；生物能源

随着不可再生的传统能源的不断枯竭以及利用化石能源所引起环境污染问题的日趋严重，人类不断寻找和开发清洁的、可再生的生物质能源。纤维素作为地球上最丰富的可再生生物质资源，具有来源广泛、普遍易取等特点，可以有效解决玉米等粮食类生物能源原料与人争粮的问题。纤维素乙醇作为二代生物燃料，被认为是最有发展前途的非粮生物燃料之一，发展前景广阔。

纤维素乙醇的生产方法主要有生物化学法和热化学法。生物化学法采用原料预处理和水解糖化将纤维素降解成可发酵糖后再通过发酵生产乙醇，生产技术主要包括原料预处理、水解糖化、发酵、精馏脱水及废水处理等过程。热化学法是将纤维素通过热转化过程生成合成气，再通过化学合成或微生物发酵的方法生产乙醇。

生物化学法生产纤维素乙醇的主要技术瓶颈在于预处理技术、酶制剂成本及高效戊糖发酵菌株等，而热化学法的技术瓶颈在于能耗大、产物复杂及缺乏高效菌种等。同时，如何提高原料转化率、开发高效酶制剂等技术瓶颈也在相当大的程度上限制了纤维素乙醇的大规模商业化应用[2-3]，目前仅少数几个国家(美国、中国、加拿大、意大利、瑞典、日本和巴西)在纤维素乙醇产业化中取得一定进展，建成了部分纤维素乙醇中试和商业化工厂。

每一种战略性的新兴技术都需要一个漫长的发展周期，为了更好地了解纤维素乙醇研究的现状、发展、特点及热点，进一步明确该技术的发展方向，对纤维素乙醇的科研论文进行综合性的文献计量学分析十分必要。文献计量学最早由Pritchard提出，是对文献进行定量分析，测定基础科学、学科分布及发展动态的重要方法，被广泛应用于各学科的研究发展分析10]。本文中，笔者对2001—2016年Web of Science核心合集(SCI-E、CPCI-S、CCR-EXPANDED和IC)数据库收录的纤维素乙醇相关论文进行文献计量学分析，旨在从文献计量学角度对纤维素乙醇的文献产出进行综合分析，探讨纤维素乙醇领域的研究特点及发展方向，揭示纤维素乙醇的研究热点和前沿，为分析判断我国纤维素乙醇研究发展趋势提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文检索数据源自汤森路透公司发行的Web of Science，选用其中的Web of Science核心合集(SCI-E、CPCI-S、CCR-EXPANDED和IC)。检索时间段为2001—2016年，检索日期为2016年12月29日。设定纤维素、乙醇主题检索，检索式为TS=(celluloss* AND ethanol)，得到检索结果7 345条，精确文献类型为Article、Proceedings Paper及Review，精炼后的记录为7 166条，作为本次分析的原始数据。

1.2 研究方法

将检索所得文献记录导入汤森路透公司的InCites分析工具，分别分析文献时间分布、国家分布、期刊收录情况、基金资助机构、研究机构、研究方向分布及论文作者分布等。

对检索所得文献进行全纪录与引用的参考文献纯文本格式输出，利用社会网络分析软件UCINET6.0对高频关键词的共献关系进行可视化展示，结合K-核、中心性等分析方法及文献内容，并结合ESI热点和高水平论文归纳当前国际纤维素乙醇领域的研究热点和前沿。

2 文献结果分析

2.1 文献的年限分布

文献的年度总量可以反映出科学活动的产出，是衡量科研产出的一个重要指标，对研究论文的发表年度进行分析，可以从一定程度上反映研究领域的学术发展速度和理论水平。本文检索所得文献的年度分布情况如图1所示。由图1可知：在Web of Science核心合集数据库中，关于纤维素乙醇主题的论文在2013年达到了产出的峰值。由文献产出量可以看出，纤维素乙醇的研究大致可以分为3个阶段。阶段Ⅰ(2001—2006年)属于起步阶段；阶段Ⅱ为2007—2011年，研究文献爆发性增加阶段，也是纤维素乙醇的快速发展阶段；阶段Ⅲ为2012—2016年，为平稳发展阶段。

图1 纤维素乙醇相关文献年份分布情况(2001—2016)Fig.1 Annual distribution of cellulosic ethanol related papers published from 2001 to 2016

2.2 文献的国家分布

所检论文中文献量排名前十位的国家分布情况如图2所示。由图2可见：美国位于第一位，作为能源消耗大国对于清洁能源的研究投入明显高于其他国家，这也证明了纤维素乙醇的研究重要性；中国位于第二位，从总体数量来看，美国和中国的发文数量遥遥领先于其他国家，这也与纤维素乙醇产业发展程度相当。

图2 发文量前10位国家/地区分布Fig.2 Top 10 productive countries/regions of cellulosic ethanol related papers

2.3 文献的期刊分布

检索所得文献分布在1 187种期刊，收录文献数量较多的前10种期刊情况如表1所示。由表1可见：关于纤维素乙醇的科技论文主要集中于生物技术、生物化工及生物能源等领域期刊。发文量最多的期刊为《BIORESOURCE TECHNOLOGY》，论文篇均被引频次及论文被引百分比最高的期刊为《BIOTECHNOLOGY and BIOENGINEERING》，此期刊分布也可以作为纤维素乙醇研究者的科技论文投稿参考。

2.4 文献的基金资助机构分布

本次检索涉及研究基金资助机构共251个，其中发文量排名前10位的分布情况如表2所示。由表2可知：所有基金资助论文中，我国的国家自然科学基金资助论文产出量最多，比第二位美国能源部基金资助论文量多221篇，但是我国科学家发表的论文虽然在数量上领先，但其学科规范化的引文影响力、篇均被引频次及论文被引百分比均低于美国能源部基金资助论文，这说明其论文产出质量相比之下略低。我国的国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家高技术研究发展计划(863计划)和中央高校基本科研业务费专项科研基金分别位于5、6和7位。从篇均被引频次来看，加拿大自然科学与工程研究委员会基金资助论文的篇均被引频次最高，美国能源部和美国农业部基金资助论文紧随其后，位列第二和第三位。

2.5 文献的研究方向与研究机构分布

根据Web of Science的学科分类体系，检索所得文献共涉及138个研究方向，1 640个研究机构，其中排名前十位的研究方向及研究机构分布如表3和表4所示。由表3可见：纤维素乙醇主题文献主要集中在生物工程、能源燃料、农业工程等研究方向。由表4可见：美国能源部、美国农业部和美国加州大学占发文量较多的研究机构前三位，且美国占了前十位研究机构中的七位，这也符合美国政府对纤维素乙醇研究的大力支持现状。由此可见，美国政府对于能源战略的布局侧重于发展可再生的绿色能源。中国科学院、华南理工大学及北京林业大学分别位于第四、第六和第九位，但是篇均被引频次却低于同类机构，这一定程度上说明了我国科研论文中高质量论文相对较少，在今后的研究中应向高层次、高水平发展，也是我国科研工作者应思考的问题之一。

表1 发文量前10位的期刊排名

注：期刊影响因子来自汤森路透JCR2015。

表2 发文量前10位基金资助机构分布

采用科学知识图谱绘制工具VOSviewer分析发文量较多(超过50篇)的30个机构的合作情况，结果如图3所示。由图3可知：在纤维素乙醇研究领域形成了3个主要合作团体，分别是以密歇根州立大学为主的合作团体、以中国科学院为主的合作团体和以美国国家橡树岭实验室为主的合作团体。

表3 发文量前10位研究方向分布

表4 发文量前10位研究机构分布

图3 研究机构合作网络Fig.3 Cooperation network of research organizations

2.6 文献的作者分布

表5为检索文献中发文量前十位的作者统计。由表5可知：排在第一位的Dale B E为密歇根州立大学化学工程专业教授，主要研究领域为可再生能源，目前正在进行关于稻草转化为燃料乙醇的课题研究。发文量排在第二位的Zhu J Y来自美国林业局，从事以下4个方向的研究：森林废弃物、蠹虫咬坏树木等林业剩余物的综合利用，生物燃料生产过程中的生物精炼整合，纤维素纳米材料生产，纤维素酶作用于植物细胞壁的解构原理和相互作用。第三位的Lynd L R教授来自达特茅斯大学，他领导的Lynd Research Lab主要从事以下研究：微生物纤维素利用，包括基本原理和应用方向等；侧重于嗜热纤维素分解菌的代谢工程、生物质加工生产和评价、可再生生物质能源。我国的Sun R C(孙润仓)教授由于分别在华南理工大学和北京林业大学工作过，因此系统统计其研究成果时，分别统计了其在两个单位的论文量，孙润仓教授主要从事生物质转化为新材料、新能源及化学品方面的研究，他提出了一种全新的生物质高效转化途径(组分清洁分离→分别定向转化)，阐明了生物质组分清洁解离机制，实现了生物质组分高效分离，然后依据分离组分的构效关系，构建了生物质转化为高值化材料的新理论与新方法，他也是唯一一位进入发文量排序前十位的中国科学家。

表5 发文量前10位作者

利用社会网络分析方法对作者合著现象进行分析，结果如图4所示。由图4知：在纤维素乙醇研究领域有6个主要研究团队，分别是密歇根州立大学化学工程专业的Dale B E团队、美国林业局的Zhu J Y团队、达特茅斯大学的Lynd L R教授团队、孙润仓教授研究团队、伊朗伊斯法罕理工大学Karimi K团队和堪萨斯州立大学的Pei Z J团队。

图4 研究团队网络Fig.4 Research team network

3 纤维素乙醇研究主题及热点分析

3.1 研究主题及趋势分析

文献的关键词可以提供有关研究主题的重要信息，通过对关键词进行分析可以获得研究主题和趋势的相关信息，进而判断相关领域的研究方向-14]。本文根据发文量的3个阶段，分别分析了3个阶段的关键词。在每个阶段选取50个高频关键词，以高频关键词共现次数≥5次作为阈值，绘制3个阶段高频关键词的共现网络(图5～7)。由于2007—2011年、2012—2016年共现关键词对较多，为方便对比，本文在UCINET中将这两个阶段以主成分视图(PC Layout)输出(图6～7)。

图5 2001—2006年关键词研究图谱Fig.5 Map of keywords research range from 2001 to 2006

图6 2007—2011年关键词研究图谱Fig.6 Map of keywords research range from 2007 to 2011

图7 2012—2016年关键词研究图谱Fig.7 Map of keywords research range from 2012 to 2016

由图5～7可见：纤维素乙醇的研究热度随着时间推移不断增加，关键词共现也呈现不断增加趋势。在第一阶段，纤维素乙醇研究处于起步阶段，关键词比较单一，集中在预处理、酶解、发酵和蒸汽爆破，关键词之间联系最紧密的是预处理、酶解和蒸汽爆破，此阶段针对玉米秸秆和软木纤维素的研究较多。在第二阶段和第三阶段，高频关键词之间的联系更加紧密，交叉研究趋势愈发明显。其中在第二阶段糖化、同步糖化和发酵(simultaneous saccharification and fermentation,SSF)、半纤维素、自动水解等关键词相继出现，第三阶段离子液体首次出现在高聚类关键词中，这也说明离子液体用于纤维素乙醇生产得到了研究者的充分重视，各国研究者都在往绿色生态能源的道路上努力。

在这3个阶段的关键词图谱中，酶解与预处理的联系都是最紧密的，纤维素的预处理一直是困扰纤维素乙醇大规模工业化的重要瓶颈，各国研究者都在这个方向进行着不懈的努力，有望早日解决此技术瓶颈，实现纤维素乙醇的大规模工业化生产。

3.2 研究热点和前沿分析

高被引论文(highly hited paper)是根据同一年同一个ESI学科发表论文的被引用次数，按照由高到低进行排序，排在前1%的论文。热点论文(hot paper)是指某一ESI学科最近两年发表的论文按照最近两个月内被引用次数进入前0.1%的论文。而高水平论文(top paper)是指高被引论文和热点论文取并合集后的论文集合。本次检索结果中，依据ESI学科分类标准，共有2篇热点论文[15-16]，146篇高被引论文，取并合集后共146篇高水平论文。根据这些论文对纤维素乙醇的研究热点和前沿进行分析，发现文章类型为Article的7篇纤维素乙醇高被引论文[17-23]显示出近两年的研究热点，其中离子液体用于纤维素预处理是当下研究的热点。

两篇热点论文均为综述类文章。Elgharbawy等[15]研究了离子液体用于木质纤维素的预处理，一种方法为木质纤维素酶解之前进行离子液体预处理；另一种方法为离子液体预处理与糖化同步进行，离子液体的加入容易降低酶活性。该文综述了离子液体一步法用于木质纤维素水解过程，讨论了纤维素酶相容性离子液体及纤维素酶稳定性提高方法，提出了开发纤维素酶相容的离子液体是扩大纤维素生物应用的重要方法。Baeyens等]概述了二糖、淀粉及木质纤维素生产生物乙醇的路径、物料和能量平衡，对比了实际生产和模拟数据，讨论了5种可能的措施：生物乙醇蒸馏系统中的冷凝器和再沸器的集成能量夹点、使用超高浓度(very high gravity,VHG)发酵、渗透汽化膜、通过膜分离技术提高乙醇浓度及其他辅助设施，如发酵罐微孔过滤等。

关于某一研究领域的研究前沿可以通过聚类分析高被引论文确定。根据本次检索的高被引论文关键词聚类绘制研究前沿图谱，如图8所示。由图8可见，木质纤维素、预处理、发酵、酶水解、离子液体和脱木质素为研究前沿关键词。

美国能源部在2007年资助新建3个生物能源研究中心，分别为由橡树岭国家实验室领导的生物能源研究中心、威斯康辛大学麦迪逊分校主导的五大湖生物能源研究中心与密歇根州立大学合作形成的研究中心以及由劳伦斯伯克利国家实验室领导的联合生物能源研究所，旨在加快先进的新一代生物燃料开发的基础研究的突破。这三大研究中心的研究重点为工程化的非粮食作物生产生物燃料的新方法及微生物从生物质中再造生产生物燃料等，代表了纤维素乙醇领域最前沿的科研力量。选取发文量最多的美国能源部2014—2016年的136篇论文进行关键词聚类分析，选择出现次数大于等于3次的31个关键词，绘制共现次数大于等于2次的关键词研究图谱，如图9所示。由图9可见：美国能源部2014—2016年的研究前沿主要集中在代谢工程(metabolic engineering)、热纤梭菌(Clostridiumthermocellum)纤维素酶、联合生物加工(consolidated bioprocessing,CBP)、木质素、预处理、酶水解、啤酒酵母、柳枝稷和离子液体等，其中，热纤梭菌纤维素酶与CBP联合生物加工的联系是最紧密的，由此也可以看出美国能源部针对纤维素乙醇的研究重点。

图8 高被引论文关键词研究图谱Fig.8 Map of keywords research of the Highly Cited Papers

图9 美国能源部2014—2016研究主题分布Fig.9 Research subjects distribution of DOE ranged from 2014 to 2016

4 结论

本文基于文献计量学及社会网络分析方法对纤维素乙醇研究进行分析，揭示了该领域的研究进展及热点。Web of Science核心合集(SCI-E、CPCI-S、CCR-EXPANDED和IC)数据库中，2001—2016年以纤维素乙醇为主题的研究论文发表在1 187种期刊上，主要集中在生物技术、生物化工及生物能源领域。论文数量整体呈增长趋势，美国与中国为发文量最多的国家，且美国的科研机构的论文产出和影响力均居世界首位。从机构合作角度可以分析出3个主要研究团体为以密歇根州立大学为主的合作团体、以中国科学院为主的合作团体和以美国国家橡树岭实验室为主的合作团体。从论文作者合著角度分析得到6个主要研究团队，其中我国的孙润仓教授研究团队是唯一进入的中国科学家研究团队。

通过对检索文献关键词进行分析，可以看出，随着时间发展，纤维素乙醇的研究热度不断提升，关键词共现也呈现不断增加趋势。在起步阶段，关键词单一，集中在预处理、酶水解、发酵和蒸汽爆破，关键词间的联系关系不够密切，说明了在起步阶段关于纤维素乙醇的研究比较零散，没有形成较为系统的研究体系。在第二与第三阶段，高频关键词的联系呈现紧密趋势，交叉研究越发明显，出现了糖化、同步糖化发酵、半纤维素和自动水解等第一阶段未出现的关键词，在第三阶段离子液体首次呈现在高聚类关键词中。在3个阶段的研究过程中，酶解与预处理的联系都是最紧密的，这也是制约纤维素乙醇大规模工业化的重要瓶颈之一。

根据ESI学科分类标准，精炼出2篇热点论文，146篇高被引论文。通过分析，发现离子液体预处理、木质纤维素、预处理、发酵、酶解、离子液体和脱木质素为研究前沿关键词。通过分析美国能源部2014—2016年间的研究论文的关键词聚类，得到了其针对纤维素乙醇的近期研究前沿为代谢工程、热纤梭菌纤维素酶、联合生物加工、木质素、预处理、酶水解、啤酒酵母、柳枝稷和离子液体等，其中热纤梭菌纤维素酶与CBP联合生物加工是其研究的重点。

通过数据分析，我国在纤维素乙醇研究领域虽然发文量较多，但是篇均被引频次低于其他，这也说明我国科研工作者发表高水平、原创性论文的能力仍有待提高，在今后的研究中应予以重视。

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(责任编辑 荀志金)

喜 讯

热烈祝贺我刊6名编委入选2016年度中国高被引学者榜单

爱思唯尔2017年2月27日发布2016年中国高被引学者(Most Cited Chinese Researchers)榜单，榜单内容可在爱思唯尔科技部中国区网站查阅浏览。我刊6名编委继2015年入选后，2016年再次入选该榜单。本榜单排序不分先后。

学者姓名目前工作单位学术领域谭天伟北京化工大学化学工程黄和南京工业大学化学工程陈国强清华大学生化,遗传和分子生物学钟建江上海交通大学生化,遗传和分子生物学孙彦天津大学生化,遗传和分子生物学刘庄苏州大学材料科学

2016年中国高被引学者榜单采用上海软科教育信息咨询有限公司(ShanghaiRanking Consultancy)开发的方法和标准，基于客观引用数据对中国研究者在世界范围内的影响力进行了系统的分析。爱思唯尔作为合作方，为该榜单研究提供了数据支持和技术实现。

随着中国在国际科研领域的影响力和地位不断提高，表彰引领学术进步的杰出学者显得尤为重要。中国高被引学者榜单根据去年的结果进行了复查和更新，将1 776名最具世界影响力的中国学者呈现给学术界和公众。

2016年中国高被引学者榜单的研究数据来自爱思唯尔旗下的Scopus数据库。Scopus是全球最大的同行评议学术论文索引摘要数据库，提供了海量的与科研活动有关的文献、作者和研究机构数据，使得对中国学者的世界影响力进行科学的分析和评价成为可能。

(本刊编辑部)

Research progress and hotspots of cellulosic ethanol-an analysisbased on Web of Science

ZHANG Qin1,JING Minchang1,LIN Hailong2,WU Guoqing2

(1. Petroleum Intelligence Research Center,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2. Nutrition and Health Research Institute,COFCO,Beijing 102209,China)

We used bibliometric methods to analyze the scientific literatures of cellulosic ethanol.Web of Science database(SCI-E,CPCI-S,CCR-EXPANDED,IC) was used to collect data from 2001 to 2016.The analysis looked at the annual distribution of publications,countries,journals,funding agencies,research directions,research organizations,and authors.Furthermore,key topics and top papers were analyzed based on ESI subject classification.The analyzed results showed research hotspots and fronts of cellulosic ethanol.The cellulosic ethanol related papers focused on biotechnology,biochemistry and biofuel.The United States and China are the countries with the largest number of publications,and the output and influence of American scientific research institutions rank first in the world.Three main research groups can be analyzed from the angle of institutional cooperation,and six main research teams are obtained from the angle of co-author.Through the analysis of key words in the literature,we can see that with the development of time,the research of cellulose ethanol is increasing,and the co-occurrence of keywords is also increasing.According to the ESI subject classification,there are 2 hot papers and 146 highly cited papers.The application of ionic liquids to cellulose pretreatment is a hotspot in the present study.This analysis can be used to be the further study basis.

SCI;ESI;cellulose;ethanol;research hotspot; bioenergy

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.02.010

2017-01-10

国家高技术研究发展计划(2014AA021906)

张 芹(1981—)，女，江苏盐城人，博士，研究方向：化工及生物加工领域情报，E-mail：zhangqin_cup@cup.edu.cn

TK6; G255.51

A

1672-3678(2017)02-0056-11