**生物基化合物与循环经济：废弃物资源化与环境可持续性的文献计量综述**

《Molecules》：Biobased Compounds and the Circular Economy: A Bibliometric Review of Waste Valorization and Environmental Sustainability

　　

全球塑料危机——由每年3.67亿吨的生产量及持续的环境污染所驱动——已加速推动以生物基化合物作为可持续替代品的研究。然而，在理解这些材料的科学格局、研究优先事项及工业可扩展性方面仍存在显著差距。本研究开展了一项全面的文献计量与系统综述，以绘制生物基化合物与循环经济研究的知识结构。研究人员于2026年6月在Scopus数据库中执行了精细化的检索策略，检索到1350篇文献，并依据PRISMA（系统综述与荟萃分析优先报告条目，Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）指南进行筛选，最终数据集包含1306篇同行评审文献。检索策略旨在全面覆盖，既捕获核心的生物基化合物文献，也涵盖为该领域提供关键方法学基础的相邻可持续性科学（如生命周期评估、循环经济框架）。文献计量分析采用RStudio/bibliometrix进行描述性统计，VOSviewer用于合著者与关键词共现网络分析，Plotly Studio用于交互式可视化。结果显示，科学产出呈指数增长（R² = 0.92046），出版物从2010年的15篇增至2026年（部分年份，截至6月数据）的95篇。印度在发表量上领先（293篇文献），而美国在引用影响力上最高（篇均引用114.74次）。"可持续发展"（489次出现）和"循环经济"（419次出现）是主导关键词，后者展现出最高的年增长率（2333.33%）。《清洁生产杂志》（Journal of Cleaner Production）（31篇出版物，2040次引用）和《生物资源技术》（Bioresource Technology）（篇均引用95.53次）分别是最多产和最具影响力的期刊。研究识别出十项过渡性研究空白，其中"合成生物学"和"生物累积"显示出最高的优先指数（122.16）。最常见的障碍是理论基础薄弱和研究持续时间有限，而力学性能和可再加工性还面临额外的跨学科复杂性。这些发现表明，生物基化合物研究正在迅速扩展，提示需要加强理论框架并增加学术界对跨学科合作的关注，以实现与可持续发展目标12（SDG 12，Sustainable Development Goal 12）和可持续发展目标13（SDG 13，Sustainable Development Goal 13）相一致的循环经济转型。

**1. 引言**

当代环境危机与对石油基塑料的依赖密不可分——2020年全球塑料产量达3.67亿吨，消耗了全球4%至6%的原油。据估计，每年产生70亿吨塑料废弃物，但仅10%被回收利用，导致每年多达1270万吨塑料污染海洋。尽管生物塑料可减少高达25%的温室气体排放，且生物基PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate）的CO₂排放量比其化石基同类产品低25%，但其当前市场份额仅占塑料总产量的1%。与此同时，废弃物的利用不足问题十分严峻：每年产生20亿吨木质纤维素生物质，全球约三分之一的食物被浪费。为应对塑料废弃物问题，研究人员正采用整合PLA（聚乳酸，polylactic acid）和PHA（聚羟基脂肪酸酯，polyhydroxyalkanoate）等生物聚合物的循环经济模型，这些聚合物来源于木质纤维素生物质。一个关键路径是开发绿色聚合物纳米复合材料，通过掺入纳米填料来优化力学性能并降低生物基材料的水敏感性。同样，集成生物炼制厂利用微生物将工业废弃物中的碳水化合物发酵，转化为高价值化学构建单元。通过热解实施化学回收能够高效回收有价值的单体，以可持续的方式闭合生产循环。在此背景下，已有研究证明PLA经1%纤维素纳米晶体增强后，其拉伸模量较纯聚合物提高了64.17%；基于100%木质素多元醇的聚氨酯泡沫实现了44%的力学抗性提升；对PLA长链支化的研究表明其可实现结构重量降低30%。

对生物基化合物与循环经济进行文献计量分析的重要性在于其能够识别多原料系统中的研究空白与机遇。Scopus数据库的使用可提取高质量元数据，在RStudio中使用Bibliometrix软件包进行处理，有助于可视化科学演进和全球协作网络。VOSviewer等补充工具能够实现文献映射，深化对可持续性趋势和再生设计概念演进的理解。遵循PRISMA（系统综述与荟萃分析优先报告条目）协议的系统方法可确保从索引存储库中进行严格的文献筛选。

本研究的主要目标是通过整合科学计量学与系统分析，对生物基化合物在环境转型中的作用进行全面知识图谱绘制并识别新兴趋势。研究围绕五个研究问题展开：Q1分析时间发表和引用趋势以评估科学增长；Q2确定领先机构和国家间的地理分布与协作网络；Q3通过关键词共现分析识别主导主题，如绿色纳米复合材料和集成生物炼制；Q4勾勒主导主题领域和传播研究成果的高影响力期刊；Q5评估产品性能、加工技术（如挤出和压塑成型）以及关键的工业可扩展性挑战。

**2. 结果与讨论**

在考察期内（2010–2026年，2026年数据为截至6月的部分年份数据），可以观察到直至2019年该主题的累计发表量增长缓慢，每年文献数量几乎保持不变。自2020年起，年发表量持续增长，2024至2025年间增幅尤为显著。因此，累计发表量呈指数增长，R²值为0.92046，证实了加速增长的趋势。这一行为反映了科学界对石油衍生塑料可持续替代品的兴趣日益增长，其驱动因素包括应对塑料污染危机的紧迫性以及向循环生产模式的转型。在主题领域分布方面，农业与生物科学、生物化学/遗传学与分子生物学以及环境科学集中了最高比例的文献，反映了生物基化合物研究的多学科性质。化学工程和材料科学领域的显著存在则表明对工业可扩展性和生物产品力学及热学性能优化的兴趣日益增长。

在最具引用影响力的文献分析中，十篇最高被引文献展示了生物基产品与可持续材料的文献计量格局。其中，关于可再生资源可持续聚合物的综述以2502次总引用位居首位，该基础性工作为以生物基替代品取代石化塑料提供了技术和经济论据。关于面向循环经济的生物塑料的近期综述已获得1847次引用，年引用率高达461.75次，为所有文献中最高。关于开发纤化纤维素作为可持续技术材料的研究获得了1513次引用，体现了对超越传统包装应用的高性能生物基材料的日益兴趣。值得注意的是，一篇关于全球经济循环性的研究是该前十榜单中唯一的原创论文（而非综述），提供了全球和欧洲尺度上物质流、废弃物产生和回收率的首批定量评估之一。另一篇关于生物基和生物可降解塑料环境表现的综述直接回应了关于生物塑料是否真正提供环境效益的争议性问题。总体而言，这十篇出版物揭示了一个从探索性可行性论证到系统整合、生命周期表现和循环经济一致性复杂分析的研究领域成熟过程。

在国家科学领导力分析方面，印度以293篇出版物和4211次总引用在科学产出上领先，H指数为33，但篇均引用14.37次在所有国家中处于中等水平。意大利以103篇出版物脱颖而出，篇均引用高达35.68次，H指数为30。中国发表102篇，在亚洲国家中篇均引用最高（37.7次），H指数为25。美国虽然在发表量上排名第四（58篇），但篇均引用率最高（114.74次）。德国和英国表现出类似模式，篇均引用分别为62.15次和102.97次。值得注意的是，非洲和拉丁美洲国家在前列排名中的缺失表明了一个需要通过科学合作和技术转移政策加以解决的地域空白。

合著者网络图揭示了四个主要集群。以黄色显示的集群由印度主导，作为中心节点直接与土耳其相连。红色集群汇聚了意大利、西班牙、英国和韩国等欧亚强国。蓝色集群整合了美国、中国、伊朗和加拿大。绿色集群以印度、马来西亚和美国为主要贡献者。

在期刊影响力方面，《清洁生产杂志》以31篇出版物和2040次总引用位居发表量首位，篇均引用65.81次。《生物资源技术》以篇均95.53次引用在学术影响力上领先，其旗舰论文关于藻类生物聚合物作为净零碳生物经济可持续资源的研究获得了140次引用。绿色化学领域期刊表现出强大影响力，总引用1572次，篇均92.47次。《整体环境科学》（Science of the Total Environment）发表了整个数据集单篇引用最高的论文——关于生产菌丝体基木质纤维素复合材料的综合框架，获得了344次引用。

关键词的文献计量分析揭示了围绕废弃物资源化和生物基化合物的稳健且层次化的知识结构。"可持续发展"仍是最频繁出现的术语（489次，占总数的1.45%），作为研究的核心驱动力。"循环经济"展现了最具活力的增长（419次出现），反映了从线性模型向再生生产系统的加速转型。"可持续性"在合并变体后排名第三（370次出现），但其累计总引用达18341次，在所有术语中学术影响力最大，篇均引用49.57次。"环境影响"（339次出现，12855次引用）表明生态后果评估是验证新兴生物产品有效性的跨领域优先事项。"生命周期"（215次出现）和"回收利用"（188次出现）不仅出现频率较高，而且篇均引用率也较高（分别为47.43次和49.02次），表明文献已从纯粹探索阶段进入强调评估严谨性的阶段。

**3. 未来研究趋势：基于已识别空白的机遇**

**3.1 空白分析**

研究识别的所有空白均被归为"过渡性"类别，表明这些主题处于发展的中间阶段，既有既定的研究活动，又需要持续投入以达成熟。这一分类意味着，尽管对这些主题的学术兴趣日益增长，但它们尚未达到"循环经济"或"可持续发展"等更成熟概念的整合水平。

**3.2 优先性与严重性指数**

优先指数在122.11–122.16的狭窄范围内变动，表明所有已识别空白在通过综合评分系统评估时呈现出可比水平的紧迫性。由于这些分数之间的边际差异极小（Δ = 0.05）且权重因子存在固有主观性，该狭窄范围必须谨慎解读。这种同质性表明所有十个主题代表了总体优先性相似的过渡领域，而非意味着严格的分层排序。合成生物学和生物累积因其较低的当前引用影响和在文献中的近期出现而成为优先主题的领先集群之一。

**3.3 常见与特定技术障碍**

分析揭示"理论基础薄弱"是所有已识别空白中最常见的障碍，这表明在生物基化合物和循环经济领域广泛需要加强概念和理论框架。"研究持续时间有限"是第二常见的障碍，同样存在于所有空白中，表明这些主题大多数出现较晚且缺乏长期研究轨迹。"力学性能"和"可再加工性"还面临"跨学科复杂性"的额外障碍，表明这些主题需要整合来自材料科学、化学工程、固体力学和环境可持续性等多个学科的知识。

**3.4 关键应用与现状分析**

与空白相关的关键应用分为两大类："实际应用"和"跨学科应用"。实际应用包括肥料、淡水、木糖和可再加工性等主题，对资源管理、水处理、糖生物转化和材料循环经济具有直接影响。跨学科应用包括生物累积、地膜、交联剂、纤维素纳米纤维和力学性能等主题。这些应用的现状在"快速增长"和"近期活跃"之间变化，反映了不同的发展节奏。

**3.5 对未来研究的启示**

**3.5.1 需立即关注的优先主题**

合成生物学和生物累积成为优先主题的领先集群，其特点是当前引用影响较低但具有较高潜力。合成生物学为设计能够从废弃物流中生产生物聚合物和生物活性化合物的微生物提供了机遇。生物累积则代表了评估生物基材料环境安全性的关键方面。

**3.5.2 应对复杂挑战的跨学科方法**

"纤维素纳米纤维"和"力学性能"作为具有跨学科复杂性的空白，表明需要整合材料科学、工程学和可持续性的综合方法。研发具有优化力学性能的纤维素纳米纤维对于向能够与常规塑料在苛刻应用中竞争的高性能生物基材料转型至关重要。"可再加工性"是循环经济的关键方面，使生物基材料在使用寿命结束时能够被回收和再利用。

**3.5.3 加强理论框架**

"理论基础薄弱"这一普遍障碍表明未来研究应优先发展坚实的理论框架，整合实证发现并指导假设形成。对于"地膜"和"交联剂"等显示出快速增长但引用影响较低的主题，建立理论框架可有助于验证这些材料在农业和工业背景下的相关性与适用性。

**3.5.4 方法与监管建议**

为弥合实验室研究与市场应用之间的鸿沟，未来研究应在材料开发早期阶段整合生命周期评估和技术经济评价。此外，绿色提取工艺和生物聚合物制造技术的标准化对于确保可重复性和促进技术转移至关重要。若干文献讨论了EFSA（欧洲食品安全局，European Food Safety Authority）和FDA（美国食品药品监督管理局，Food and Drug Administration）制定的国际监管框架，并建议协调统一可促进生物基材料在不同司法管辖区间的商业化。最后，应推进关于消费者接受度和生物基纳米材料毒理学安全性的研究。

**3.5.5 绿色提取技术作为生物质资源化的赋能工具**

尽管MAE（微波辅助提取，microwave-assisted extraction）和UAE（超声辅助提取，ultrasound-assisted extraction）未被作为主要检索词纳入本项文献计量分析，但它们作为生物质资源化必要预处理技术的作用值得明确认可。MAE在产品内部产生热量，加速提取反应，而UAE与传统技术相比可减少提取时间、能耗和溶剂使用。这些绿色提取方法是高效回收木质纤维素生物质和农业废弃物中生物活性化合物的前提条件，有助于实现向集成生物炼制模型的转型。

**4. 材料与方法**

本研究采用文献计量与系统综述方法，按照PRISMA指南记录整个研究过程。Scopus被选为唯一数据源，基于其相较于Web of Science等替代数据库在环境科学、材料科学和化学工程等核心学科方面更广泛的期刊收录范围。检索方程经过迭代过程开发，围绕六个概念集群组合关键术语：生物基与可再生材料；化合物、材料与产品；循环经济与可持续性框架；废弃物管理、回收与资源化；环境影响与生命周期评估；生物降解性与可堆肥性。检索于2026年6月8日执行，不限年份以捕获该领域的完整历史演进。依据PRISMA协议进行筛选，初始检索获得1350篇文献，最终数据集为1306篇文献。文献计量分析采用RStudio（含bibliometrix软件包）、VOSviewer和Plotly Studio等互补软件工具进行。关键词作者关键词经过系统的多步骤规范化处理，包括大小写规范化、单复数标准化和同义词合并。研究空白通过系统比较主题频率与文献中识别的关键挑战来识别，优先性采用综合评分系统评估，包括空白严重性评分和研究准备度评分。

**5. 结论**

本项文献计量研究系统绘制了生物基化合物与循环经济研究的科学格局。关于时间趋势（Q1），分析揭示了从2010年15篇出版物到2026年部分年份95篇的持续增长，指数模型（R² = 0.92046）证实了超过8%的年加速扩张。在空间分布与协作网络方面（Q2），印度在发表量上领先（293篇文献），而美国展现了最高的篇均引用影响（114.74次/篇）。合著者网络揭示了四个地理集群，非洲和拉丁美洲国家的缺失表明了地域研究空白。关于主导主题（Q3），"可持续发展"（489次出现，16454次引用）和"循环经济"（419次出现，11583次引用）是最频繁的关键词，后者年增长率最高（2333.33%）。在主题领域和高影响力期刊方面（Q4），农业与生物科学（64%）、生物化学（43%）和环境科学（38%）集中于最高比例的出版物。《清洁生产杂志》在发表量上领先（31篇，2040次引用），而《生物资源技术》篇均引用率最高（95.53次/篇）。关于产品性能和工业挑战（Q5），研究识别出十项过渡性研究空白，优先指数在122.11至122.16之间。"理论基础薄弱"和"研究持续时间有限"是最常见的障碍，而"力学性能"和"可再加工性"面临额外的跨学科复杂性挑战。此外，MAE和UAE等绿色提取技术与生物炼制过程的整合应被优先考虑。未来研究可侧重于加强合成生物学和生物累积等新兴领域的理论框架；纤维素纳米纤维优化力学性能的开发对高性能生物基材料至关重要；可再加工性对循环经济整合同样关键。生命周期评估和技术经济评价应从早期阶段整合，跨学科合作和持续的基础研究投入对于克服理论弱点和推进与SDG 12和SDG 13相一致的技术应用是必需的。