固定化发酵技术（immobilized fermentation technology，IFT）是采用物理或化学方法，将微生物细胞或酶限定于载体空间内，使其保持代谢活性并可连续、重复使用的高效发酵技术[1]。相较于游离细胞发酵，IFT具有细胞密度高、反应速率快、产物得率高、运行稳定、便于分离纯化等优势，已广泛应用于乙醇发酵、有机酸合成、酿酒、乳制品加工等食品工业领域，是一项推动食品工业高效化、连续化、绿色化转型的关键技术[2-5]。
国内外针对IFT在食品工业领域的应用研究均取得显著进展，但发展侧重与研究层次差异明显：国内研究以固定化载体改良与产物发酵应用为重点，在乙醇发酵、乳酸发酵、白酒增香及干酪促熟等方向取得实用化进展[6-9]；国外研究则侧重副产物资源化、酶催化与风味精准调控，在乳清利用、无乳糖乳品生产、啤酒连续发酵及工业酶转化等方面构建了系统的绿色技术体系，研究更具深度和前沿性[10-13]。尽管国内已涌现乳清资源化、非酿酒酵母底盘等新兴方向[14-18]，但整体研究仍集中于海藻酸钠、聚乙烯醇等传统载体制备及单一产物发酵[19-23]，对细胞生理、底物代谢耦合等机制探究不足，且研究主体分散、跨机构合作薄弱、知识碎片化明显，难以形成高效技术收敛与协同创新。
文献计量学以数学、统计学与可视化方法为核心，可系统揭示领域研究热点、演进脉络、合作网络与发展趋势，已成为梳理学科态势、识别研究前沿的重要工具。为全面厘清IFT在食品工业领域的整体研究格局与未来突破路径，本研究以中国知网（China National Knowledge Infrastructure，CNKI）数据库和Web of Science（WOS）核心合集为数据源，运用CiteSpace软件开展文献计量与可视化分析，系统揭示国内外发文趋势、作者与机构合作及关键词共现、聚类、突现及时间线特征，对比国内外研究差异，旨在明确该领域热点、核心团队与发展短板，为我国食品工业领域IFT向高效、连续、绿色方向升级提供理论依据与数据支撑。
1 研究方法
1.1 数据来源
通过CNKI数据库进行中文文献检索。高级检索条件设置：“主题 = 固定化发酵”“关键词 = 粮谷 + 酒 +豆 + 果蔬 + 乳 + 酶”，“+”在CNKI数据库中代表逻辑“或（OR）”，即关键词字段中包含任一词汇即可命中，“主题”与“关键词”以“和（AND）”组配；文献类型选择学术期刊，时间范围为1980—2025年。该检索策略可覆盖粮谷、酒类、豆制品、果蔬制品、乳制品及食品酶等食品工业核心领域，能全面捕获IFT在食品核心领域的研究文献，保障检索范围与研究主题的匹配度及完整性。通过WOS核心合集进行英文文献检索，检索条件：主题式为TS = (“immobil* ferment*” OR “immobil*cell*” OR “immobil* microorganism*” OR “immobil*enzyme*”) AND (“cereal* food*” OR “grain* food*” OR beer OR wines OR “alcoholic beverage*” OR “ferment*soybean*” OR tempeh OR natto OR miso OR “ferment*bean*” OR “ferment* vegetable*” OR “ferment* fruit*” OR pickle* OR kimchi OR “dairy product*” OR yogurt OR cheese OR kefir OR “ferment* milk*”)。国外IFT在食品工业领域的系统性研究起步较晚，2001年以前文献稀缺、样本不足，故英文文献检索时间范围设置为2001—2025年。
本研究采用PRISMA标准化流程筛选文献，统一剔除重复文献、非期刊文献、书评及主题不相关文献，最终确定符合要求的CNKI中文文献为1 583篇，WOS外文文献为387篇，均纳入后续知识图谱分析。
1.2 分析方法
1.2.1 文献计量分析与可视化处理
将符合要求的文献以RefWorks格式导出，剔除无关文献后，导入CiteSpace 6.3.R1（64-bit）软件进行标准化处理。采用文献计量法，在软件内统一设定发文量、被引频次、中介中心性和突现强度等阈值，依次完成合作网络及关键词共现、聚类分析与突现分析，生成知识图谱，同时采用Microsoft 365 Excel软件辅助统计分析和图表绘制。
1.2.2 核心作者群分析
核心作者是在某领域造诣深厚、成果丰硕且提出原创学术观点、能持续引领领域研究方向的高产学者[24]。采用普赖斯定律确定核心作者阈值，首先明确核心作者的最低发文量阈值，按式（1）计算[25]：
式中：Mp为核心作者的最低发文量阈值，发文量达到或超过该值的作者可被认定为该领域的核心作者；Npmax为该领域内最高产作者的发文数量；0.749为普赖斯定律系数或核心作者阈值系数，源自普赖斯定律的经典推导[25]。
国内学术界在应用普赖斯定律时，已形成通用的经验性判断标准[26-27]：一是核心作者数量为全部作者总数的算术平方根（点比约10%）；二是核心作者群体的发文总量应达到或超过该领域文献总量的50%。可依据上述标准判断该研究领域是否已形成稳定的核心作者群体。
1.2.3 聚类分析
模块化指数（Q）是关键词聚类分析中用于衡量网络被划分为若干聚类后“社区结构强度”的关键指标[28]，取值范围为[-1, 1]，按式（2）计算[29]：
式中：n为网络内聚类总数量；err为聚类r内部连线数量点网络总连线数量的比例；ar为聚类r所有节点度之和点全网络节点总度的比例。
Q＜0.3，聚类边界模糊，主题划分意义有限；Q＞0.3，存在显著聚类结构；Q＞0.5，具有明显的模块化特征，聚类结果稳定[30]。
轮廓值（S）用于评估聚类内部一致性与类间分离度[31]， 可反映聚类的稳定性与可信度[32]，取值范围[-1, 1]，按式（3）计算[33]：
式中：a为样本到同簇其他节点的平均标准化距离；b为样本到最近异簇节点的平均标准化距离。
S＞0.5，聚类结果可信；S＞0.7，聚类结果具有高可信度。
2 结果与分析
2.1 发文量分析
由图1可知，CNKI数据库与WOS核心合集中IFT相关文献的年度发文量均呈现倒U形，均存在明显的阶段性变化特征。CNKI发文量可划分为4个阶段：1980—1994年为研究萌芽期，发文量从3篇缓慢增长至45篇，这一时期正值国家“七五”生物工程专项启动，发酵工程学科逐步建立，海藻酸钠、聚乙烯醇等固定化载体材料成为早期研究重点[34]；1995—2008年为波动攀升期，发文量持续增长并于2008年达到峰值（83篇），与我国“十一五”生物质重大专项、燃料乙醇试点政策推广高度契合[35-36]，连续发酵、燃料乙醇等方向研究快速增加；2009—2012年为高位震荡期，发文量维持在57～63篇，与2008年金融危机及生物燃料补贴退坡在时间上具有同步性，提示外部环境变化可能是影响产出增速的因素之一；2013—2024年为转型调整期，发文量持续下滑至10篇，表明传统固定化载体与工艺研究逐渐减少，而新兴的菌群定向编辑、原位传感、多组学联用技术尚未形成稳定产出[37]。WOS发文量整体呈先增后降趋势：2000年之前相关文献近乎空白，2004年突破10篇，该时期对应欧盟FP6生物催化计划（The Sixth Framework Programme of the European Community for Research,Technological Development and Demonstration）的实施[38]，2022年发文量达到峰值（23篇），主要受欧盟“地平线欧洲”计划（Horizon Europe）框架下第6集群（食品、生物经济、自然资源、农业与环境，2021—2027年工作计划）及希腊、葡萄牙、巴西等国关于乳清副产物资源化利用相关政策的共同驱动[39-40]，但发文总量仍不足CNKI峰值1/3，提示政策驱动可能是国际研究发展的重要因素。国内外发文量均在2022年后同步回落。由此可见，IFT领域正处于传统研究衰退、新兴方向尚未完全形成的转型阶段。
图1 国内外年发文量图谱
Fig.1 Annual publication distribution map of domestic and overseas literatures
2.2 发文作者图谱分析
由图2A可知，国内作者合作网络包含1 136个节点、1 164条连线，网络密度为0.001 8，整体呈现“孤岛化”“小团体”分布特征，作者间合作较为松散。依据普赖斯定律，以最高产作者王克明（45篇）为基准， Mp为5.02，即发文量≥6篇可认定为核心作者。由发文量统计可知，国内排名前10位的作者依次为王克明（45篇）、严复（18篇）、岑沛霖（17篇）、侯红萍（14篇）、周剑平（13篇）、夏黎明（12篇）、王治业（11篇）、陈騊声（10篇）、方柏山（8篇）、谭天伟（8篇）。国内核心作者共28人，点作者总数的2.46%，尚未形成稳定集中的核心作者群体。
图2 国内（A）、外（B）文献发文作者合作图谱
Fig.2 Author collaboration networks of domestic (A) and overseas (B) publications
由图2B可知，国外作者合作网络包含584个节点、 819条连线，网络密度为0.004 8，整体规模小于国内，但合作密度略高。以最高产作者Koutinas, Athanasios A（22篇） 为基准，Mp为3.51，即发文量≥4篇可认定为核心作者。国外排名前10位的作者依次为：Koutinas, Athanasios A（22篇）、 Koutinas A A（21篇）、Kanellaki M（20篇）、Bekatorou A（17篇）、Kanellaki M（15篇）、Kourkoutas Y（13篇）、Teixeira J A（11篇）、Kourkoutas Y（11篇）、 Kandylis P（10篇）、Dimitrellou D（8篇）。 国外核心作者共24人，点作者总数的4.11%，合作网络仍较为分散。
总体来看，国内外IFT领域作者合作均不够紧密，尚未形成具有强凝聚力的核心研究团队，跨机构、跨区域协同研究有待加强。
2.3 发文机构图谱分析
由图3A可知，国内发文机构合作网络节点（发文机构）819个、连线223条，密度仅0.000 7；由图3B可知，国外发文机构合作网络节点335个、连线373条，密度0.006 7，连线与密度虽均高于国内，但仍显稀疏。
图3 国内（A）、外（B）文献发文机构合作图谱
Fig.3 Institution collaboration networks of domestic (A) and overseas (B) publications
由表1可知，国内排名前14位的机构，以大连工业大学（原大连轻工业学院，18篇）、甘肃省科学院生物研究所（11篇）等理工科院校和科研院所为主。由表2可知，国外核心机构则呈明显的洲际分布：希腊（欧洲）的帕特雷大学（67篇）和塞萨斯德谟克里特大学（22篇）、葡萄牙（欧洲）的米尼奥大学（20篇）、英国（欧洲）的阿尔斯特大学（14篇）、巴西（南美）的南大河州联邦大学（11篇）等。国内外机构合作网络均呈“孤岛”结构，国内机构之间跨地域、跨系统合作缺口尤其大，国外虽有多国参与，但连线总量不足、核心与外围差距显著。整体而言，该领域无论国内还是国际层面，机构协同密度仍偏低，未来需通过共建实验平台、联合课题与周期性学术会议进一步织密全球合作网络，以提升知识融合与技术创新效率。
表1 中文文献核心发文机构和发文量
Table1 Core publishing institutions and corresponding publication counts of Chinese literatures
序号发文量年份机构1181980大连轻工业学院（现更名为：大连工业大学）2111989甘肃省科学院生物研究所3101987黑龙江省科学院应用微生物研究所（现更名为：黑龙江省科学院微生物研究所）4101990浙江大学化工系592005天津科技大学生物工程学院682010南京工业大学生物与制药工程学院782005山西农业大学食品科学与工程学院881993哈尔滨工业大学应用化学系981982江苏省食品发酵研究所1071994南京林业大学化学工程学院1172009广西大学轻工与食品工程学院1272007华侨大学工业生物技术福建省高等学校重点实验室1372004哈尔滨商业大学食品工程学院1462009广西农业职业技术学院（现更名为：广西农业职业技术大学）
注：年份为机构首次发文年份。表2同。
表2 外文文献核心发文机构和发文量
Table2 Core publishing institutions and corresponding publication counts of English literatures
序号发文量年份机构1672001University of Patras 2222007Democritus University of Thrace 3202002Universidade do Minho 4142001Ulster University 5112003Universidade Federal do Rio Grande do Sul 6102001Agricultural University of Athens 792001Universidad de Cordoba 892004University of Chemistry & Technology 982001Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSIC)1082004Egyptian Knowledge Bank (EKB)
2.4 关键词共现图谱分析
由图4A可知，国内关键词共现网络包含694个 节点、1 448条连线，网络密度为0.006，网络以固定化、发酵为绝对核心，由表3可知，两者频次分别达352、220，显著高于其他关键词（频次均小于60次），节点度分布呈现幂律拖尾[11,41]，中介中心性分别达0.67、0.40，均远高于常规关键节点阈值（≥0.1），表明这2个节点是国内关键词聚类网络的绝对核心枢纽，绝大多数知识连接均通过这2个节点实现。高频关键词还包括海藻酸钠、酒精发酵、乙醇等，整体呈现单核放射结构，研究主题高度集中，次级主题较少，知识扩散路径单一，存在一定技术瓶颈。由此可见，国内研究遵循“载体开发-工艺优化-系统整合”路径：研究首先聚焦于以海藻酸钠微球为代表的载体材料研发，构成技术演进的“载体开发阶段”；进而通过连续发酵工艺扩大生产效率，优化底物转化与产物产出路径，形成“工艺优化阶段”；后续研究虽尝试向系统层面延伸，但仍以载体与工艺的组合优化为主，整体处于“系统整合探索阶段”。整体呈现出“材料-工艺-产物”的发展脉络，目标产物高度集中于乙醇。
表3 国内关键词词频及中介中心性分析
Table3 Word frequency and betweenness centrality analysis of domestic keywords
序号关键词年份频次中介中心性1固定化19843520.674酒精发酵1986460.095乙醇1990390.038酒精1990340.049米根霉1996270.012发酵19842200.403海藻酸钠1990520.066应用1999380.067连续发酵1994360.0610乳酸菌1995260.02
图4 国内（A）、外（B）文献关键词共现图谱
Fig.4 Keyword co-occurrence networks of domestic (A) and overseas (B) publications
由图4B可知，国外关键词共现网络包含483个节点、2 215条连线，网络密度为0.019，整体关联性更强。网络以Saccharomyces cerevisiae、Immobilized cells与Fermentation为多中心耦合格局，由表4可知，其中心性分别为0.34、0.25、0.24。高频词还涉及Stability、Cheese whey、Acid、Ethanol production等，研究呈现底物多元化、产物高值化特征。
表4 国外关键词词频及中介中心性分析
Table4 Word frequency and betweenness centrality analysis of overseas keywords
序号关键词年份频次中介中心性1Saccharomyces cerevisiae2002680.342Immobilized cells2001590.253Fermentation2004410.244Yeast2002340.095Cells2001310.156Alcoholic fermentation2002220.037Stability2004200.078Cheese whey2006200.089Acid2002200.1110Ethanol production2001170.02
对比分析表明，国内研究侧重材料配方与工艺参数优化，国外更关注细胞生理、底物适配和代谢调控。国外研究起步晚于国内，但知识网络密度与拓展速率显著更高。
2.5 关键词聚类图谱分析
关键词聚类网络可直观展现研究主题的内部聚集与
模块划分特征，Q与S是评价聚类效果的核心指标。由
图5A可知，国内关键词聚类网络Q＝0.57＞0.50，S＝
0.88＞0.70，聚类结果稳定且具有高信度。国内形成的
10个聚类以#0固定化为最大簇，整体聚类特征与关键词共
现图谱呈现的“载体开发-工艺优化-系统整合”演进路径
高度契合：载体开发阶段，聚类核心围绕#2海藻酸钠、
#10脂肪酶等载体材料展开；工艺优化阶段，衍生出#1发
酵、#3连续发酵、#9酒精发酵等聚类，聚焦工艺与反应器
调控；系统整合探索阶段，#4 L-乳酸、#6乳酸菌、#7发
酵工艺等聚类指向产物与系统应用，但未形成多元协同的
聚类网络，仍未突破前2个阶段的研究框架。
图5 国内（A）、外（B）文献关键词聚类图谱
Fig.5 Keyword clustering maps of domestic (A) and overseas (B) publications
由表5可知，国内聚类主题高度聚焦于载体与工艺，知识扩散呈单核放射状，也印证了国内系统整合阶段尚未成熟的现状。
表5 中文文献关键词聚类分析
Table5 Keyword clustering analysis of Chinese literatures
0固定化；优化；色素；红曲霉；果醋0.9391发酵；乙醇；工艺；丁醇；戊糖0.8103连续发酵；乙醇；固定化酵母；啤酒；酵母发酵0.8644L-乳酸；米根霉；乳酸；反应器；动力学0.8276乳酸菌；发酵特性；载体；发酵产氢；机械强度0.8847发酵工艺；纤维素酶；燃料乙醇；纤维素；水解0.82210脂肪酶；少根根霉；单甘酯；大孔树脂；富马酸0.948聚类编号高显著性关键词轮廓值2海藻酸钠；共固定化；聚乙烯醇；壳聚糖；酵母菌0.8265应用；固定化酶；酵母；强化；三废处理0.8678发酵法；丙烯酰胺；制氢；展望；产氢机理0.8909酒精发酵；固定化酵母；甜高粱；糖度；试验研究0.919
注：高显著性关键词由对数似然比算法提取。表6同。
由图5B可知，国外关键词聚类网络的模块化指数Q＝0.49＞0.30，轮廓值S＝0.82＞0.70，聚类结果显著且具有高信度。国外同样形成10个聚类，呈多中心耦合特征：#0 Yeast为核心簇，#1 β-Galactosidase、#2 Cell immobilization、#3 Amperometric biosensor和#7 Continuous beer fermentation等聚类均具有较高影响力，研究覆盖酵母底盘、酶固定化、在线监测与产品多样化等方向。其中，#5 Kluyveromyces marxianus、#8 Chamotte在近年突现度骤升，预示着副产物利用与新型细胞工厂正成为下一轮研究热点。结合表6，国外各聚类轮廓值均在0.736～0.940区间，聚类结果稳定。
表6 外文文献关键词聚类分析
Table6 Keyword clustering analysis of English literatures
聚类编号高显著性关键词轮廓值0Yeast；GC-MS；Immobilization；Volatiles；Wine0.7361β-Galactosidase；Lactose hydrolysis；Enzyme immobilization；Chitosan；Immobilized cells0.7642Cell immobilization；Lactobacillus bulgaricus；Immobilisation；Lactic acid；Lactic acid bacteria0.775 Amperometric biosensor；Flow-injection analysis；3Alcohol oxidase；Fluorometry；Immobilized-0.841 enzyme reactor 4Malic acid；Ionic liquids；Bioprocessing；Photometry；HPLC0.8475Kluyveromyces marxianus；Cheese whey；Agro-industrial waste；Bacillus natto；Ethanol0.9076Ethanol fermentation；Continuous reactor；Alcohol-free beer；Beer flavor；Sodium alginate0.8097Continuous beer fermentation；Yeast flocculation；Growth；Beer；Spent grains0.8628Chamotte；Yeast immobilisation；Aroma profile；Metschnikowia pulcherrima；Agave juice0.837 Baking；Nutraceutical；Enantioselective 9reduction；Nicotinamide adenine dinucleotide；0.940 Trehalose production
注：GC-MS.气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry）；HPLC.高效液相色谱（high performance liquid chromatography）。
综合而言，国内研究仍聚焦于载体配方、工艺参数的局部优化，主题相对集中；国外已形成涵盖细胞生理、底物代谢、产物合成与在线传感的整体框架，网络模块分化明显，主题更为多元。
2.6 关键词突现分析
由图6A可知，国内1980—2025年间突现强度排名前5的关键词依次为：燃料乙醇、酒精、连续发酵、多菌种和L-乳酸，突现强度依次为6.89、6.76、6.38、5.18和4.91，表征研究焦点由单一底物及产物向多菌协同、高附加值衍生物的系统转化。
图6 国内（A）、外（B）文献排名前20的关键词突现图
Fig.6 Top 20 keyword burst maps of domestic (A) and overseas (B) publications
由图6B可知，国外2001—2025年间突现强度排名前5的关键词依次为：Immobilization、Alcoholic fermentation、Lactose hydrolysis、Glucose和Stability，突现强度依次为5.90、4.83、4.72、4.60和4.54。其中，Enzyme immobilization、Bacteria、Kluyveromyces lactis和Covalent immobilization等关键词突现持续至2025年，反映出国外研究已进入功能拓展和精准调控的精细化阶段。综上，国内研究更侧重发酵工艺放大与产物多元化，国外则聚焦固定化机制与系统稳定性研究。二者共同表明，IFT正由宏观效率提升向微观精准调控方向演进。
2.7 关键词时间线分析
关键词时间线图谱是以引文发表年份为x轴、聚类
号为y轴，绘制得到关键词聚类时间线图（国内1980—
2025年、国外2001—2025年），可直观呈现IFT研究主
题随时间的演变路径与阶段更替特征。由图7A可知，国
内研究以固定化、发酵、海藻酸钠、连续发酵和乳酸等
10个核心主题贯穿45年。2020年后乳酸菌、发酵工艺、
脂肪酶等主题突现，表明国内研究逐渐从载体与工艺优
化，向功能菌株与产物高值化转向。
图7 国内（A）、外（B）文献关键词时间线图谱
Fig.7 Keyword timeline maps of domestic (A) and overseas (B) publications
由图7B可知，国外研究呈现Yeast、Cell immobilization、β-Galactosidase和Continuous beer fermentation等10个长周期核心主题。2010年后Enzyme immobilization、Lactic acid bacteria和Malic acid等主题持续活跃，显示研究重心从乙醇发酵扩展到乳品副产物利用、在线传感与烘焙应用。综上，国内研究集中于材料与工艺的二维优化，国外则已构建涵盖细胞生理、底物利用、产物合成与在线传感的系统框架。
3 结 论
本研究基于CNKI数据库与WOS核心合集检索，运用CiteSpace对IFT在食品领域的知识网络进行计量分析，发现全球发文呈倒U形轨迹，国内外核心作者群体均未形成规模，合作网络稀疏，国内研究以固定化载体与乙醇发酵为主，国外则形成酵母细胞固定化与乳清高值化并重的多中心格局，热点分别向乳酸菌与脂肪酶以及酶固定化与非酿酒酵母底盘拓展。结合聚类#5 Kluyveromyces marxianus持续活跃、酶固定化突现至2025年等信号，未来可通过系统生物学和数据驱动重构细胞、底物、产物传感闭环，具体可通过2条技术路径实现：第一，整合基因组、转录组、蛋白组、代谢组多维组学数据，构建基因组尺度代谢模型，结合通量平衡分析精准预测固定化细胞代谢流分配与产物合成潜力；第二，融合卷积神经网络深度学习模型与在线拉曼传感数据，建立底物消耗、产物合成及细胞活性的实时预测模型，对接模块化连续反应器实现动态调控。在此基础上，搭建跨国联合平台，开发食品级可降解载体与模块化连续反应器，并将IFT纳入国家食品生物制造专项，对接国际计划，推动基础研究向产业示范转化，实现食品发酵的高效绿色连续化生产。需要说明的是，本研究仅基于CNKI与WOS开展分析，未涵盖Scopus、EI等其他数据库及专利文献，可能影响IFT演进分析的完整性；同时，CiteSpace未对同名异写作者进行自动消歧，可能导致部分核心作者统计结果存在偏差，这也是本研究的局限性所在。
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