国内外可降解膜研究热点及趋势对比分析

杨天学，杨 哲，，张军平，王 铭，龚天成，张 婷，侯佳奇，席北斗*

（1.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012；2.中节能工程技术研究院有限公司，北京 100089；3.贵州民族大学生态环境工程学院，贵阳 550025）

0 前言

膜材料因性能稳定、价格低廉、使用轻便等优势，广泛应用于医疗、包装、化工、农业等领域［1］。然而，现有的膜材料大多为石油基制品，由于其相对分子量大、疏水性强、分子键稳定等，在自然界中通常需要100～200年甚至更长时间才能降解［2］。在风化、机械和生物等作用下传统膜材料极易破碎，难以回收。残膜在土壤中形成阻碍层，影响水分和养分运移，在水中易被水生生物误食，同时含有的邻苯二甲酸酯类增塑剂和重金属盐释放进入环境，将严重损害动植物的生长发育，造成诸多的社会问题和环境问题［3］。因此，如何加强废旧膜材料回收处理和寻找绿色替代材料成为膜材料领域亟待解决的问题［4］。

与废旧膜材料回收处理相比，使用可降解膜替代传统不可降解膜成为缓解废旧膜材料污染的有效措施［5］。欧美、日本等发达国家对可降解膜材料的研究相对较早。1964年，美国Shulman［6］以玉米淀粉为原料开发了可透气、不透水，用于制作雨衣的可降解膜。随后，英国、日本、加拿大等国陆续以淀粉、纤维素、聚乳酸等为原料开发了系列可降解膜产品，应用于医疗、包装、农业等领域。我国对可降解膜的研究起步相对较晚。20世纪80年代，长春塑料厂、天津大学、中国科学院上海有机化学研究所等机构才开始开展生物降解膜、光降解膜等的研究［7］。1992年可降解膜研究被列入“八五”重点科技攻关计划［8］。随着可降解膜研究越来越多，研究学者从可降解膜原材料、应用领域、性能改性等多个角度对可降解膜研究进展及问题进行了综述性讨论。师岩等［9］从膜材料来源和膜材料降解性能两方面介绍了淀粉、聚乳酸、聚乙烯醇等可生物降解膜的研究进展，并提出可将计算机软件模拟用于可降解膜的研发。贾仕奎等［10］对膜的改性制备及在不同领域的应用等进行了综述。Salah等［11］总结了以天然聚合物为原料制备的食品包装可降解膜研究进展，指出尽管这些膜产品无毒、无害且能延长食品保质期，但仍存在水气阻隔性能差、抗菌和抗氧化效果低等问题。但是，现有的综述普遍从学者关注的某一角度出发进行主观分析，缺少定量分析，存在对相应领域研究进展分析片面化的问题。

文献计量学是一种应用数学和统计学对某领域的文献进行量化分析的方法，能定量、客观地反映某一领域在不同时期的宏观发展态势、关键科研力量、未来发展趋势，已广泛应用于医学、环境科学、生态学等多个领域的学科发展分析［12］。与传统文献综述相比，文献计量学通过量化分析能够客观反映某一领域研究的数量特征与规律，揭示资源的内在关联，并通过关键词共现、聚类、突现等分析直观、科学地展现其研究现状［13］。近年来，一些学者采用文献计量学的方法对纤维素基可降解膜、可降解食品包装膜等进行了综述。Manuel等［14］采用文献计量学的方法分析了2000-020年纤维素基可降解膜在食品包装领域的研究进展，指出该领域研究正快速增长，特别是纳米纤维素复合膜的研究受到了广泛关注。曹侃［15］采用文献计量法分析了可食用膜研究现状与发展趋势，发现可食用膜已有较成熟的制备方法，但在原材料选择、工艺优化以及性能改善等方面仍需开展大量研究。但现有研究普遍仅从某一类可降解膜或其某一个应用领域展开分析，未对可降解膜领域整体的研究情况进行量化讨论，无法全面把握该领域的研究现状。此外，单一的计量学分析方法在揭示文献中反映的科学信息时存在局限性和片面性［16］。

CiteSpace是一个普遍用于科学分析文献中包含的潜在信息的可视化分析程序［17］，整合了视觉、数学和哲学思维。与其他文献计量学软件相比，CiteSpace可分析的数据库更多，分析单元种类更齐全，可通过对文献中名词性术语的分析，探讨某一学科领域的研究热点、研究前沿，特别在研究热点随时间演变的分析上有特殊的优势［18］。

因此，本研究基于中国知网（CNKI）和Web of Sci⁃ence核心数据库（WOS），耦合文献计量学和内容分析法，采用CiteSpace可视化分析软件，对国内外可降解膜领域发文量、关键研究力量、研究前沿、研究热点进行了系统客观的定量和定性对比分析。同时，提出了未来可降解膜研究领域的发展方向，为实现其大规模推广应用提供参考和依据。

1 可降解膜领域发文量分析

本研究文献数据来源于CNKI与WOS。在CNKI中，以“可降解膜”或“可降解复合膜”或“可降解地膜”或“生物可降解膜”或“纤维素膜”或“淀粉膜”为关键词，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”为关键词，时间跨度为2000-2020年，对与“可降解膜”相关的文献进行检索。经过对获得的文献的阅读和整理，删除重复记录、报纸报道、会议论文等，最终得到903篇中文和1 029篇英文文献。

发文量反映了科学界对某一学科领域的关注程度，在一定程度上反映了该领域的发展速度和发展程度［19］。CNKI文献数据分析前需通过CiteSpace内置的数据转换器进行预处理，WOS数据可直接导入分析。将处理后的数据集导入CiteSpace中，在软件中选择“删除重复项”，设置文献类型为“文章”和“综述”，点击运行，经软件自动筛分得到每年度发文量数据。另外，采用多项式拟合的方法分别对WOS和CNKI中年度发文量随时间的变化进行拟合，结果如图1所示。可以看出，2000-2020年间CNKI和WOS中与可降解膜相关的发文量总体呈上升的趋势。WOS中发文量符合指数发展趋势（y=0.175 2x2-699.33 x+697 729，R²=0.959 3），2018年达到峰值为2000年的18.5倍。CNKI中发文量同样呈指数发展趋势（y=0.078 5x2-311.53 x+308 875 R²=0.896 7），2016年达到最大值。2021年，我国发布了《“十四五”塑料污染治理行动方案》，要求减少一次性塑料使用，推广可降解材料使用，开展不同类型可降解塑料降解机理及影响研究［20］。2022年，联合国环境大会第五届会议续会上发布了首个全球范围内的“限塑令”，提出终结塑料污染，并在2024年前达成一项具有国际法律约束力的协议［21］。在此背景下，可降解膜研究将迎来新的热度，发文量将大幅增加。

图1 WOS和CNKI中可降解膜领域发文量趋势Fig.1 Annual publications of the research on BM in WOS and CNKI

2 可降解膜领域主要研究力量分析

主要研究力量分析通过在CiteSpace中分别以“国家”、“机构”和“作者”作为节点，设置时间范围为2000-2020年，时间切片为1年，每个时间切片阈值为g⁃index=25 %，网络连线强度计算选用Cosine算法。利用CiteSpace的聚类功能绘制对应的科学知识图谱，从而对可降解膜领域的主要研究力量进行分析。

2.1 主要的国家/地区分析

一个国家发文量的多少在一定程度上反映了该国在某领域研究的活跃程度［22］。表1为WOS中可降解膜领域发文量排名前5的国家。由表可知，中、美两国在可降解膜领域研究相对活跃，占主导地位，我国在可降解膜领域发文量最多，共发表了175篇文章，占总文章数的17.0 %。美国次之，文章总数为156篇，其他国家发文量均在100篇以下。不同国家中介中心性值（Betweenness Centrality， BC值）分析发现，美国的BC值最高为0.36，在该领域影响力较大。我国虽然发文量最多，但影响力相对偏低，可能是因为我国在该领域起步较晚。

表1 可降解膜领域发文量前五的国家Tab.1 The top 5 most productive country in the field of BM re⁃search

不同国家/地区间合作关系如图2所示。图中每个圆圈代表1个国家，圆圈大小与该国的发文量成正比，曲线代表2个国家间存在合作。曲线的颜色代表了不同国家首次合作的时间，宽度代表不同国家的合作强度。由图可知，不同国家间的合作较为密切，形成了相互交错的合作网络。德国与美国、丹麦、爱尔兰等国展开合作相对较早。美国与其他国家的合作最为广泛，特别是澳大利亚、印度、意大利。我国的国际合作相对较弱，主要与韩国、印度、新加坡等亚洲国家展开合作，应加强与其他国家的合作交流，提升可降解膜领域影响力。

图2 国家合作网络图谱Fig.2 Country cooperation network mapping

2.2 主要研究机构分析

通过对发文机构的统计与分析，可以充分了解该领域团队的分布情况［23］。表2显示，WOS中可降解膜领域发文量前3的机构分别是中国科学院（25篇）、中船重工（15篇）和北京林业大学（13篇）。发文量前10的机构中有4所来自中国，2所来自美国，其中仅中船重工（0.14）的BC值在0.1以上，在可降解膜领域具有较高的影响力。CNKI数据库中发文量前3的机构分别是上海交通大学（21篇）、内蒙古农业大学（21篇）和天津科技大学（19篇），其中上海交通大学和内蒙古农业大学在2000年均有文章发表对该领域研究较早且活跃。此外，国内发文量最多的9所大学中与农业相关的有3所，可能是因为我国是农业大国，可降解地膜替代塑料农膜需求量较大。据预测到2025年我国可降解膜农膜市场规模将达到73亿元［24］。

表2 可降解膜领域发文量前10的研究机构Tab. 2 The top 10 most productive international and domestic institutions in the field of BM research

图3为国内外发文量较高的机构间的合作网络。节点圆表示机构的发文量，圆越大，发文量越多。曲线为合作机构的连接线，某节点的曲线越多合作的机构就越多。从图中可知，WOS和CNKI中机构合作网络均比较发散，跨单位合作较少，且合作较为单一。在WOS中，中国科学院较为突出，在乳液基食用膜制备、生物膜抗菌性和蛋白膜引导神经再生等方面与爱尔兰国立大学、南京理工大学和温州医科大学展开了较多合作。国内机构中合作网络分块，容易出现“一机多能”的现象。虽然团队内部形成了稳定的合作关系，但不同群体之间的合作薄弱，需要进一步加强。

图3 WOS和CNKI中可降解膜研究机构合作网络图谱Fig.3 Institution cooperation network of BM research in WOS and CNKI

2.3 主要研究学者分析

某个学科领域的核心作者是该领域发展的关键。基于普赖斯定理［25］［式（1）］，可对可降解膜领域核心作者进行分析。

式中 Q——核心作者最少发文数，篇

C——发文数最多作者发文数，篇

根据普赖斯定理，只有核心作者发文占总发文量的50 %，才能形成学科高产作者群［26］。WOS中Eick⁃holz发文量最多（7篇），CNKI中于力发文量最多（21篇）。经计算，在WOS中该领域核心作者最少发文量Q=2，发表2篇及以上的作者共有142位，共发表了338篇文章，占总发文量的32.85 %，CNKI中核心作者最少发文量Q=4，有49位作者发表了4篇及以上的文章，共发表276篇文章，占总发文量的30.56 %，均未形成高产作者群。

WOS作者合作网络分析显示［图4（a）］，网络密度D=0.0024，作者合作较为分散［13］。作者间有一定的合作关系，但集中度偏低，以独立发表文章为主。在全球范围内合作最密切的为圣地亚哥大学的Manuel团队，主要进行多糖类可降解膜在食品包装领域的研究，研发了具有抗菌性、抗紫外、高透明的可将降解膜，应用于食品包装［27］。华南理工大学彭新文团队，主要通过化学改性法增加半纤维素官能团数目，改善可降解膜性能［28］。图4（b）显示了国内研究学者合作网络图谱，网络密度D=0.003 2，分布较为分散。合作较多的有天津科技大学王建清团队和上海交通大学于力团队。王建清团队主要以纤维素基包装膜为研究对象，通过对不同的纤维素进行改性、复合等制备了可降解膜，应用于鲜肉、果蔬的保鲜［29］。于力团队主要致力于可食用淀粉膜研究，通过对马铃薯淀粉进行冻融改性，提高膜的拉伸性能和冻融稳定性，应用于低水分食品冷冻保存包装材料［30］。

图4 WOS和CNKI作者合作网络图Fig.4 Author cooperation network of BM research in WOS and CNKI

3 可降解膜研究前沿演变分析

研究前沿是某一领域凸显的动态概念和潜在的研究问题。在CiteSpace中可通过关键词在某一时间段的突现强度分析某一领域研究前沿的演变［31］。在一段时间内某关键词突现强度越大，表明与关键词相关的领域受到的关注度越大，为该时间段的研究热点。首先选择与前文主要研究力量聚类图谱分析一致的基本参数，选择节点类型为“关键词”进行聚类。在关键词聚类的基础上设定突现参数alpha值为3.0，gamma值为1.0，突现时间为1年，分别获得了WOS中突现前20、CNKI中突现前18的关键词突现图谱，如图5、图6所示。

WOS中与可降解膜研究相关的关键词突现分析显示（图 5），2000—2007 年间，“膜（membrane）”、“行为（behavior）”和“引导组织再生（guided tissue strength）”3个关键词突现强度较高，此阶段主要与可降解膜在医疗领域的研究应用有关。此时研究多以非石化基合成可降解膜为主，可降解膜产品成本较高，主要应用于医疗领域。2008-2017年间，“纳米复合膜（nanocomposite film）”、“组织工程（tissue engineering）”和“可生物降解聚酯（biodegradable polyester）”等关键词突现强度逐渐增强，此阶段依然以医疗领域应用研究为主，此时随着可降解膜制备技术的日益成熟和可降解膜原材料种类的增加，部分有机固体废弃物等低成本原料被用于可降解膜的制备，使得可降解膜成本开始降低，但在医疗领域的应用研究基数依旧庞大，对医学、生命领域的可降解膜的研究始终受到广泛关注。同时，此期间“交联（cross linking）”关键词持续出现。交联法是膜改性的一种方法，通过不同的大分子聚合物间交联反应的发生，形成具有三维网络结构的可降解膜产品，可有效提高可降解膜结构的稳定性和强度，表明近几年可降解膜领域的研究逐渐由可降解膜的应用研究转向可降解膜产品性能的提升。2018-2020年，突现强度最高的关键词逐渐转变为“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别是以“木薯淀粉”为主要原料的可降解膜的开发及其功能性受到越来越多的关注，其中可降解膜的抗菌性和抗氧化性通常与其在食品包装领域的应用相关。Ama⁃raweera等［32］以酸水解的方式改性木薯淀粉并制备了可降解膜，与未改性的天然木薯淀粉膜相比，酸水解后膜的吸湿性降低了20 %～40 %，断裂伸长率降低了23 %，拉伸强度有所增强，最高达5.7 MPa，该膜具有生物降解性、无毒、低成本和良好的热稳定性，在食品包装领域应用具有一定的潜力。Marianad等［33］探究了丁香精油和山梨酸钾对木薯淀粉膜的影响。研究表明，丁香精油和山梨酸钾的加入增加了膜的抗菌性，该膜对革兰氏阳性菌和阴性菌的生长，以及蜡状芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌具有很好的抑制作用，可用作食品保鲜包装。Teklu等［34］将木薯皮淀粉、二氧化硅纳米颗粒、甘油和迷迭香精油共混制备了具有抗菌活性、较少吸水性和保水性能的可降解膜，该膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有明显的抑制作用，为抗菌可降解包装膜提供了参考。随着塑料包装材料增多，“白色污染”问题的凸显，近年来与包装相关热词突现强度开始增加，说明相关研究正向食品包装领域的应用演变，并将成为未来可降解膜的研究热点。

图5 英文文献前沿热点突变词图谱Fig.5 Graph of hot mutation words at the frontier of English literature

图6显示了CNKI中与可降解膜研究相关文献关键词突现图谱。由图可知，相比于国外的研究，国内对可降解膜的研究始终重点关注其在农业领域的应用及从农业领域获取膜制备材料。2000-2006年，关键词“物理性质”、“控释肥料”和“结构表征”突现强度最高，此时我国可降解膜研究处于初始阶段，传统塑料地膜和化肥大量施用导致的环境问题日益突出，此阶段的研究主要聚焦在农用为主的可降解膜的结构特性及其在农业领域作为缓释肥料应用。2007-2010年，“N⁃甲基吗啉⁃N⁃氧化物”、“包装薄膜”和“包装膜”等关键词突现强度增加，此阶段以可降解膜在食品包装领域的应用为主。随着我国人民生活品质的不断提高，人们对食品安全的要求也越来越高，对人居环境的问题也更加关注。食品包装中大多为不可降解的塑料制品，容易带来污染，因此，对功能性可降解食品包装膜的研究开始增加。2011-2018 年，“棉花”、“性能”和“降解地膜”关键词突现强度逐渐增强，仍以可降解膜在农业领域的应用研究为主。我国农业地膜应用基数庞大，传统农用地膜大量使用后回收难、回收利用技术不完善而在土壤中大量残留，特别是土壤中微塑料污染问题在此阶段受到了越来越多的关注。可降解地膜作为解决农业“白色污染”的有效措施之一，对于可降解农膜的开发、降解性能的评估及长期土壤应用效果的研究受到了政府、企业和学者的广泛关注。近3年，“地膜回收”和“马铃薯”逐渐成为研究热点，两者强度均为3.85，有可能持续成为研究热点。这可能是由于当前塑料地膜使用量依然很大。同时，塑料地膜给环境带来的白色污染、微塑料污染等问题严峻，亟需加强地膜回收以减少其对生态环境的影响。“马铃薯”因其含淀粉量高、成本低，常作为原料用于制备可降解膜。卢俊宇等［35］以马铃薯淀粉和海藻酸钠为主要原料，甘油为增塑剂，茶多酚为活性物质制备了拉伸强度为20.78 MPa、断裂伸长率为24.33 %的可降解膜，该膜对金黄色葡萄球菌具有较好的抑制作用。同时，我国作为马铃薯产量最多的国家，马铃薯种植过程中使用膜材料覆盖可以保温保墒、增产增收。王兴文等［36］通过覆盖不同材料（普通地膜、玉米秸秆、可生物降解膜、麻地膜及液体地膜）探究了其对土壤水温效应及马铃薯生长的影响。结果表明，与不覆膜相比，覆盖可生物降解膜使得土壤温度提高了1.4 ℃，增产8.6 %。国内一直对可降解膜在农业领域的应用及从农业领域获取膜制备材料较为关注。

图6 中文文献前沿热点突变词图谱Fig.6 Graph of hot mutation words at the frontier of Chinese literature

4 国内外研究热点分析

研究热点的分布可以直观展示不同时期研究内容、视角和方法的变化，从而掌握某一领域的关注热点及存在的不足［37］。CiteSpace提供了基于谱聚类算法的自动聚类功能，将筛选后的文献导入软件中，通过潜语义索引（Latent Semantic Index，LSI）、对数似然法（Log⁃likelihood Rate，LLR）和互信息法（Mutual Infor⁃mation，MI）从聚类引用文档中提取聚类主题词，结合聚类图谱可对研究热点进行归纳和分析［23］。图7为在前文关键词聚类的基础上采用LLR算法生成的WOS和CNKI中相关文献排名前10的主要关键词聚类。结合内容分析法，通过提取论文的摘要、关键词甚至论文全文的信息，对论文的内容进行总结分析。通过定量的关键词聚类分析与定性的内容分析和总结，对比国内外研究热点发现两者差异性不大，总体上可分为：可降解膜产品研发（#4gelatin；#5polylactic acid；#6polyvi⁃nyl alcohol；#1纤维素膜；#3淀粉膜；#4可降解膜；#5壳聚糖）、可降解膜产品性能优化（#1mechanical prop⁃erties；#2hydrolytic degradation；#8biocompatibility；#9membranes barrier；#2nmmo；#6改性淀粉；#9复合膜）和可降解膜多领域应用效果评估（#0guided bone re⁃generation；#3food packaging；#7 bone regeneration；#0土壤温度；#7功能材料；#8保鲜）3个方面。

图7 WOS和CNKI中可降解膜研究关键词时间线聚类图谱Fig.7 Timeline clustering graph of BM research keywords in WOS and CNKI

4.1 可降解膜产品研发

通过对所筛选的国内外可降解膜相关文献的内容分析和CiteSpace高频关键词的统计分析发现，基于不同原材料可降解膜的研发持续受到关注。根据其来源大致可分为3类：天然可降解类、非石化基合成可降解类和石化基合成可降解类。图8显示了国内外不同类型可降解膜占比情况，可以看出国内外的研究都更侧重于采用天然基可降解膜。其中，国内天然基可降解膜研究占73.21 %，远高于国外的49.31 %。这主要是因为我国为农业大国，天然基可降解材料更易获取，化石资源相对较少，使用成本较高。

图8 国内外不同类型可降解膜产品组成Fig.8 Composition of different types of BM at domestic and overseas

（1）天然基可降解膜根据原料不同，主要包括纤维素类、淀粉类、蛋白质类、壳聚糖类等。这些天然可降解膜的原料均为自然界广泛存在的大分子物质，其分子链上通常富含羟基、羧基、氨基、碳碳双键等活性功能基团，通过与成膜助剂发生缩醛反应、聚合反应、接枝共聚反应等制备不同的天然基可降解膜材料［38］。Zhao等［39］通过球磨、碱处理、漂白等工序从榴莲皮中提取了高纯度纤维素，并以此为原料制备了具有良好机械性能和较高降解性的透明可降解包装膜。其拉伸强度达到了44 MPa，并且在4周内完全降解。Garcia等［40］以淀粉为原料，加入甘油、衣康酸和次磷酸钠等，利用单螺杆挤出机制备了一种拉伸强度达9.22 MPa的可降解膜。Garrido等［41］以大豆蛋白为原料，山梨糖醇为增塑剂，制备了具有紫外线阻隔功能的透明膜。在碱性条件下可以更好地促进蛋白质大分子链与增塑剂间分子间氢键的形成，从而提高膜结构的稳定性，在最优的工艺参数下膜的拉伸强度可达7.5 MPa。Nara⁃sagoudr等［42］以壳聚糖、聚乙烯醇和乳香酸等为原料开发了一种活性包装膜。乳香酸通过增加共聚物的聚合度和聚合物链的网状结构使膜更加致密，增强膜的力学性能。尽管天然可降解膜因其原料来源广泛、可再生、环境友好，占据了国内外约50 %以上的可降解膜市场，但现有的天然基可降解膜原材料多为亲水性大分聚合物，产品阻隔水蒸气性能较差，且存在质脆、柔韧性低、力学性能差等问题，限制了其在食品包装等领域的应用。

（2）非石化基合成可降解膜是由以聚乳酸、聚羟基烷酸酯和聚羟基丁酸酯为主的高分子聚合物通过大分子链上不同功能基团间氢键、酯键的生成或二硫键转化反应制备而成［43］。这些高分子聚合物通常由乳酸、脂肪酸、葡萄糖等可再生物质经羧基和羟基酯化聚合反应得到的，具有较长的分子链结构，且单体结构繁多，富含多种官能团结构［44］。Akgun等［45］将具有抗菌性的肉桂醛和香叶醇加入聚乳酸中制备的可降解膜，当2种添加剂质量分别占50 %以上时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑制直径均在18 mm以上。Arauz等［46］将花生油与钩虫贪铜菌共发酵制备了聚羟基烷酸酯，经流延成膜，其拉伸强度可达到75.80 MPa，断裂伸长率为25.70 %。彭悦［47］通过将疏水性共聚物聚羟基脂肪酸酯与羟丙基交联淀粉共混制备了一种新型复合膜，有效改善了膜性能，特别是水汽阻隔性能，最优条件下膜抗拉强度为1.23 MPa，断裂伸长率达134.95 %，水蒸气渗透系数为3.69×10-12g/s m Pa。非石化基合成可降解材料制备的可降解膜通常具有较好的抗拉伸性、延展性和生物降解性等，但其成本较高，需经过复杂的化学反应才可获得。

（3）石化基合成可降解膜主要原料包括聚乙烯醇、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚乙醇酸和聚对苯二甲酸⁃己二酸丁二酯等，是由煤、石油和天然气等为原材料加工的石化产品，通过缩聚和聚合等方法合成的可生物降解高分子材料［9］。陈松岭等［48］以聚乙烯醇、壳聚糖、二氧化硅为原料，制备了一种可降解肥料包膜。膜在120天内降解率达到20.30 %，远高于同条件下纯聚乙烯醇膜的降解率（7 %）。Juan等［49］制备了一种添加有机黏土的聚羟基丁酸酯/聚己内酯可生物降解共混膜，该膜表现出良好的水蒸气阻隔性能，水蒸气透过系数仅为1.26×10-11g/s m Pa。邬强等［50］对比了聚对苯二甲酸⁃己二酸丁二酯完全生物可降解地膜与普通塑料地膜在棉花种植上的应用效果。在苗期2者保水效果相近，但在生长期可降解地膜保水效果较普通地膜有所降低。石化基合成可降解膜原料主要取自煤和石油等不可再生资源，随着石油资源日益短缺，石化基可降解膜占比将逐渐降低。

4.2 可降解膜性能优化

为提升可降解膜性能，在膜制备过程中通常需要对原料进行改性处理。目前，国内外可降解膜性能优化的方法主要包括3种，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，包括超声改性、高压改性和共混改性等。梁栋等［51］通过对壳聚糖⁃大豆分离蛋白复合膜进行超声改性，与未改性相比膜的拉伸强度提高了27.87 %，断裂伸长率提高了8.40 %。Zhang等［52］通过碾磨机的剪切力和压缩力破坏纤维素分子内和分子间的氢键进行活化改性，改性后纤维素表面暴露的羟基数目增多，与聚乙烯醇共混制备了一种具有优良热稳定性和生物降解性的复合膜。与未改性膜相比，拉伸强度从8.80 MPa增加到16.40 MPa，断裂伸长率从76.80 %增加到374.0 %。Soe等［53］采用球磨法制备了一种新型的糯米淀粉膜。与原生糯米淀粉膜相比，样品更具柔韧性，断裂伸长率从128.10 %增加到165.70 %，黏附性从0.12 N/mm增加至0.16 N/mm以上，可用作药物黏膜。物理改性具有成本低、速度快、无二次污染等特点，但存在操作复杂、易造成分子键损害、稳定性能差等问题。

（2）化学法，包括酸/碱改性、接枝改性和交联改性等。张赟彬等［54］对壳聚糖膜进行碱浸处理后膜的拉伸强度由78.52 MPa增加至113.83 MPa，断裂伸长率由1.60 %提高至2.61 %。Contardi等［55］将ε⁃己内酯与对香豆酸接枝共聚制备了一种具有良好力学性能的共聚膜，对香豆酸的加入增加了膜的抗菌性和抗氧化性。Milena等［56］对大豆秸秆中的纤维素进行漂白和碱处理，然后加入到大豆蛋白中进行共混制备了一种可降解复合膜。碱处理后纤维素表面裸露的羟基数目增多，更易与大豆蛋白中的羟基和羰基形成氢键。与未处理膜相比，拉伸强度增加了1倍，水溶解率降低了15 %。化学改性操作简单且产品性能稳定，但易产生有毒废物，存在化学残留，造成二次污染。

（3）生物法，以生物酶改性为主。潘博等［57］利用酶解脱支和醚化复合改性淀粉制备了一种新型的淀粉膜。当改性淀粉浓度为3 %（质量分数，下同），甘油添加量为30 %，柠檬酸添加量为10 %，反应温度为95 ℃时，膜的拉伸强度达到4.11 MPa，断裂伸长率为38 %。苏俊烽等［58］以普鲁兰酶为酶制剂对玉米淀粉进行改性，制备了一种新型的可生物降解食品包装膜，经酶改性后膜的抗拉强度从6 MPa提升至14 MPa。生物法改性反应迅速、效率高、专一性强，但其成本过高、难以控制且易受污染。

4.3 可降解膜多领域应用效果评估

可降解膜因其优异的可降解、生物相容、选择透过等性能，广泛应用于多个领域。通过对国内外与可降解膜研究相关文献的内容分析和总结发现，国内对农业领域可降解膜的应用评估最多（36.75 %），其次是包装、医疗、工业分离等；国外则是在包装（34.82 %）和医疗（32.91 %）2个领域的研究较多，如图9所示。

图9 国内外可降解膜应用领域分布情况Fig.9 Distribution of application areas of domestic and foreign BM

可降解膜通常具有增温保墒、抑制杂草生长的作用，通过覆盖土壤表面，在土表形成物理屏障，阻碍土壤水分蒸发和热量散失，提高土壤温度，为微生物提供了更加适宜的环境，加快土壤养分的分解利用，促进作物生长。另外，部分可降解膜材料富含C、N、P、K等土壤和植物必须的营养元素，降解后进入土壤，还可作为养分改良土壤，促进作物增收增产［38］。我国作为农业大国，在农业上膜材料需求较大。因此，大多作为地膜应用于农业种植。Li等［69］探究了可降解地膜对土壤温度、水稻种子发芽和幼苗生长的影响。结果表明，与裸地相比可降解地膜覆盖下土壤夜间温度提高了9.03 %～10.51 %，种子发芽率提高了213.02 %～755.61 %，株高增加了46.88 %～57.29 %，产量提升了4.82 %～11.83 %。韩永俊等［70］以水稻秸秆纤维为原料，在湿强剂、松香以及矾土等助剂下制备了一种可降解地膜，经测试可满足田间农作物覆盖要求。马彧博等［71］以柠檬酸发酵菌渣为原料，制备了一种新型的生物可降解地膜。该地膜覆盖下较裸地地温提升了5～7 ℃，保墒性能与传统市售地膜相当。

在医疗领域，可降解膜因其独特的生物相容性、无毒无害、溶胀性和稳定性，可以很好的进入动物及人体内，在生理环境中保持结构和性能的稳定，并在指定周期和范围内精准分解，通常作为药物载体用于缓释药品的开发［72］。Sarwar等［73］以壳聚糖和聚乙二醇甲基醚为主要原料，通过共混工艺制备了一种智能药物释放膜。该产品与盐酸二甲双胍具有良好的生物相容性，所开发的缓释药物，大部分在22 h左右释放。Jang等［74］研究了聚乙二醇膜作为骨再生诱导材料载体对鼠颅骨的再生诱导过程。结果表明，可降解膜能够准确释放诱导材料重组人骨形态形成诱导蛋白，2周后在诱导蛋白作用下膜微裂缝周围出现了新骨和结缔组织。

在包装领域，由于可降解膜具有高强度、抗氧化、抗菌、高气密性、无害环保等特性，可以很好的保护食品免受污染，且可减少水分与养分流失、避免氧化，从而保持食品的新鲜度，利于贮藏保存［10］。因此，常被作为包装袋、保鲜膜等用于生鲜、果蔬和熟食等食品的保存。Cazón等［75］制备了一种用于食品包装的纤维素⁃甘油⁃聚乙烯醇复合膜，具有紫外防护功能，可防止含脂质类食品氧化变质。赵昊等［76］以纤维素为原料，在氯化锂和二甲基乙酰胺作用下制备了一种新型膜材料，对茶叶进行60天保存测试实验中，该膜保存的茶叶茶多酚含量与1，1⁃二苯基⁃2⁃三硝基苯肼（DPPH）自由基清除能力分别较市售包装保存的茶叶高出22.89 %和6.09 %，具有良好的保鲜效果。

在工业分离领域，部分具有选择透过性、气体阻隔性、耐水、疏水等特性的可降解膜可用于工业领域的污水处理、离子提取、油水分离、气体分离等，具有占地面积小、分离效率高、专一性强、自动化程度高等优势［1］。Kavalenka等［77］利用木质素、木纤维和生物基塑料在高温热拉作用下制备了一种具有超疏水、亲油的可降解膜，可以实现油水分离，可吸收114 g（原油）/m2。此外，具有防水等功能的可降解膜还可用作涂层材料。孟令晗［78］以玉米淀粉为主要原料，加入聚乙烯亚胺和环氧大豆油丙烯酸酯制备了一种具有防水功能的可降解膜涂层，水中浸泡3 h不变形，具有较强的耐水性能。尽管可降解膜材料已被广泛应用于日常生活的各个领域，但由于其成本较高，尚未大规模推广应用。

5 结语

本研究基于文献计量学和内容分析法，通过对CNKI和WOS中2000-2020年间1 932篇与“可降解膜”研究相关的中英文文献的定量和定性对比分析发现：

国内外可降解膜发文量整体呈上升的趋势，分别在2016和2018年达到了峰值。我国是可降解膜发文量最多的国家，特别是中国科学院、上海交通大学和内蒙古农业大学，美国次之，但BC值最高，影响力最大。但根据赖普斯定律，目前国内外尚未形成高产作者群，不同作者间的合作并不紧密。

研究前沿分析表明，国际上在2018年前主要关注可降解膜在医疗领域的应用研究及改性可降解复合膜的研发，2018年后更关注膜的功能性开发及其在食品包装领域的应用。国内可降解膜的研究则从膜的结构特性及其作为农业缓释肥料应用研究（2000-2006年）演变到食品包装领应用研究（2007-2010年）及农业领域应用研究（2011-2018年）。2018年后，国内更关注可降解地膜的研发及其大规模推广应用。

国内外可降解膜研究热点大致相同，主要包括可降解膜产品研发、可降解膜产品性能优化和可降解膜多领域应用效果评估。其中，国内外可降解膜产品大致为天然基可降解膜>非石油基合成可降解膜>石油基合成可降解膜。可降解膜性能优化主要是通过包含8种物理、化学和生物改性方法。国际上可降解膜的应用主要集中在包装（34.82 %）和医疗（32.91 %）2个领域，国内则对农业领域（36.75 %）的应用研究较多。

尽管国内外围绕可降解膜开展了的大量研究，但仍存在一定的不足：

（1）加强低成本、高性能、多功能可降解膜产品研发。目前可降解膜制备的成本依然较高，较大程度上限制了其大规模推广使用。因此，应在现有基础上，采用低成本的物料，如含有多糖、蛋白质、纤维类等的生物质有机废弃物替代现有原料进行膜制备。同时，当前膜应用领域广泛、场景复杂，应增加其功能性并增强其性能，可通过分子结构设计、共混改性和化学改性等方式提高可降解膜产品的性能、增加可降解膜产品的功能性，以满足不同领域的应用需求。

（2）强化可降解膜全生命周期环境风险分析。尽管当前对可降解膜的应用效果研究开展了大量的实验室和大田实验评估，但主要聚焦在其对土壤理化特性、微生物群落以及作物品质的影响上，对可降解膜全生命周期的风险评估相对较少。可通过化学分析、质谱分析、色谱分析等技术方式手段对膜制备过程中原料及方法、使用过程和降解后全生命周期的环境风险进行分析评估，揭示其可能存在的生态环境与人体健康的潜在威胁。

（3）加强产学研合作，开展智能化新型可降解膜结构优化和应用效果模拟研究。目前可降解膜的研究仍处于实验室研发阶段，受限于高昂的成本、实际应用的可操作性和较低的公众接受度，使用率较低，应加强产学研合作交流，通过技术孵化降低膜研发费用，节约研发时间，推动可降解膜的大规模应用。与此同时，结合当前计算机技术、人工智能等手段开展膜在多领域智能化模拟研究。例如，在医疗领域，利用软件设定特定生理环境，调节膜力学性能、降解速率等相关参数，模拟缓释药物定点释放的研究。在工业分离领域，可通过设定膜孔径、水流速率、污染物含量等参数，对可降解膜在污水处理方面的应用进行模拟。