中國玉米淀粉與淀粉糖工業(yè)技術(shù)發(fā)展歷程與展望

佟毅

1(中糧集團有限公司，北京，100020)2(吉林中糧生化有限公司，玉米深加工國家工程研究中心，吉林 長春，130033)

淀粉是以葡萄糖為單位構(gòu)成的多糖物質(zhì)，淀粉糖是指以淀粉為原料，衍生出的一系列單糖或寡糖的統(tǒng)稱。它們是一種重要的綠色基礎(chǔ)性原料，除可直接應(yīng)用外，還可進一步深加工成變性淀粉、糖醇、酒精、氨基酸、有機酸、抗生素等多種商品，在食品、醫(yī)藥、發(fā)酵、化工和材料等多個領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用[1-4]。玉米淀粉是我國淀粉產(chǎn)業(yè)最大品類，2018年產(chǎn)量達2 815萬t，占我國淀粉總產(chǎn)量的95%，淀粉糖是其深加工過程中最重要產(chǎn)品和中間品，2018年國內(nèi)產(chǎn)量達1 355萬t，約占玉米淀粉消費總量的56%，以玉米淀粉和淀粉糖為代表的玉米深加工已成為年產(chǎn)值約2 400億元，關(guān)乎國計民生、連接城鄉(xiāng)產(chǎn)業(yè)鏈條的最重要的產(chǎn)業(yè)之一[5-6]。

我國玉米淀粉和淀粉糖工業(yè)起步較晚，新中國成立后才逐步建立起現(xiàn)代化、機械化的生產(chǎn)能力；改革開放以來，快速發(fā)展，由弱變強。關(guān)鍵裝備、技術(shù)和工程化水平與國外同行相比，歷經(jīng)跟跑、并跑階段，目前已達到國際先進水平，以生物制造技術(shù)為代表的部分關(guān)鍵技術(shù)甚至處于領(lǐng)跑地位。進入新時代以來，淀粉與淀粉糖行業(yè)面臨著新機遇和新挑戰(zhàn)，本文結(jié)合70年來中國社會和經(jīng)濟的發(fā)展，針對技術(shù)進步推動本行業(yè)發(fā)展的各個歷史階段，進行系統(tǒng)總結(jié)和經(jīng)驗提煉，提出該行業(yè)發(fā)展的五階段論(圖1)，并對潛在未來的技術(shù)進步和行業(yè)發(fā)展做展望，希望為促進行業(yè)快速高質(zhì)量發(fā)展提供重要參考。

1 起步和緩慢發(fā)展的階段(1956-1978年)

20世紀(jì)50年代中期，我國從蘇聯(lián)引進了具有當(dāng)時先進技術(shù)的淀粉和葡萄糖生產(chǎn)線，建設(shè)了華北制藥、東北制藥總廠等一批規(guī)?；S，標(biāo)志著我國現(xiàn)代淀粉和淀粉糖工業(yè)的誕生，淀粉和淀粉糖由傳統(tǒng)的作坊式生產(chǎn)進入了工業(yè)化生產(chǎn)階段。在此基礎(chǔ)上，這一時期雖有廣大行業(yè)同仁努力奮進，取得諸多成果，但受限國內(nèi)同期糧食供給短缺、市場封閉等諸多原因，直到70年代末，淀粉與淀粉糖行業(yè)在生產(chǎn)規(guī)模、關(guān)鍵技術(shù)與裝備方面與同期國際上的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的顯著進步相比，幾乎停滯不前，進展緩慢，僅相當(dāng)于國際50年代水平。全國淀粉平均收率僅為50%左右，單罐浸泡、流槽分離等工藝占主導(dǎo)地位；葡萄糖的生產(chǎn)全部為酸法工藝[5]，當(dāng)時已經(jīng)在國際上流行推廣的雙酶法工藝等尚未應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。在生產(chǎn)線規(guī)模等工程化方面，到70年代末，淀粉廠、葡萄糖廠規(guī)模普遍在幾百噸到幾千噸級別，雖然淀粉加工廠高達98家，但玉米淀粉產(chǎn)量僅為17.4萬t[6]，單個工廠平均加工能力遠低于同期國際水平。

2 對外接觸和轉(zhuǎn)軌的階段(1979-1990年)

改革開放以后，伴隨著家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制和農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的進步，促使我國玉米產(chǎn)量不斷增長，國民經(jīng)濟的發(fā)展促進下游需求不斷擴大。同時隨著改革開放的逐步深入，與歐美等發(fā)達國家技術(shù)交流逐漸增多，當(dāng)時先進的淀粉與淀粉糖生產(chǎn)技術(shù)、裝備和理念傳入中國，淀粉與淀粉糖行業(yè)開始由之前的“蘇聯(lián)”模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤皻W美”模式，行業(yè)發(fā)展速度逐步加快。伴隨著行業(yè)發(fā)展壯大，1984年，中國淀粉工業(yè)協(xié)會成立，標(biāo)志著國家層面的行業(yè)組織的誕生。這一時期，我國陸續(xù)從歐美引進了成套生產(chǎn)線和關(guān)鍵設(shè)備，歐美的一些酶制劑公司通過香港洋行、代理商等多種渠道，向國內(nèi)用戶推銷其各種酶制劑產(chǎn)品，均對促進我國淀粉與淀粉糖產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步起到重要作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，1980-1988年，全國有50余家企業(yè)分別向十多個國家引進淀粉、淀粉糖和變性淀粉設(shè)備132臺套，40多種類型，引進淀粉設(shè)備的產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的40%～50%，引進淀粉糖設(shè)備的產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量的90%左右[5]。

圖1 中國淀粉與淀粉糖工業(yè)歷史發(fā)展五階段及我國淀粉與淀粉糖產(chǎn)量與廠家數(shù)量變化情況 (數(shù)據(jù)來源中國淀粉工業(yè)協(xié)會)Fig.1 The five stages of the history of China′s starch and starch sugar industry and the changes in the production of starch and starch sugar and the number of manufacturers in China (data from China Starch Industry Association)

通過引進，我國淀粉與淀粉糖行業(yè)技術(shù)水平得到較大改進，20世紀(jì)80年代末，淀粉生產(chǎn)工藝由以離心分離和旋流分離為核心、封閉式的高效機械分離工藝開始替代以沉降分離為基礎(chǔ)的敞開式流槽工藝，逆流循環(huán)浸泡工藝替代單缸浸泡得到大范圍推廣，葡萄糖生產(chǎn)由雙酶法逐步替代酸法工藝和酸酶法工藝，行業(yè)平均淀粉提取率上升到61%～62%(DS%)，干物質(zhì)回收率提高到92%。技術(shù)水平的提升，推動了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，到1989年，全國玉米淀粉總產(chǎn)量增長到89.7萬t，生產(chǎn)廠家達到280家，淀粉糖總產(chǎn)量增長到25.4萬t，生產(chǎn)廠家達到127家[7]，均比改革開放前成倍增長。

盡管技術(shù)進步顯著，但與國際同行相比仍有較大差距。例如國際上，玉米淀粉提取率可達68%～70%(DS%)，干物質(zhì)回收率大于99%，葡糖漿收率達到102%～105%，均大大高于國內(nèi)水平；噸淀粉耗水量國際平均水平僅為2～5 t，國內(nèi)則高達30～50 t，蛋白粉蛋白含量國際上平均在60%～62%(DS%)，國內(nèi)為55%～60%(DS%)[5,8]；受制于技術(shù)水平與裝備能力，國產(chǎn)設(shè)備與工藝提供商僅能對萬噸級淀粉廠提供全部配套[9]，2萬t以上的淀粉關(guān)鍵設(shè)備和大部分淀粉深加工設(shè)備還需要依靠進口[5]；同時，我國淀粉與淀粉糖生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)規(guī)模遠小于國際同行業(yè)水平，玉米淀粉平均單廠產(chǎn)能僅為0.32萬t，淀粉糖平均單廠產(chǎn)能僅為0.2萬t，而同期美國年產(chǎn)淀粉1 000萬t，只有22家工廠，平均每家生產(chǎn)能力達到45萬t以上[8]。

3 與國際全面接軌的技術(shù)跟跑階段(1991-2000年)

20世紀(jì)90年代是淀粉和淀粉糖全面與國際接軌的發(fā)展期，經(jīng)過80年代的十年接觸和培育，行業(yè)已深刻理解與國際先進水平的差距，以歐美等技術(shù)先進國家為師，系統(tǒng)引進和學(xué)習(xí)已儼然成為當(dāng)時的主旋律。90年代初，牡丹江制藥、中糧黃龍公司、新源玉米和中原制藥等四家企業(yè)率先引進國外大型整套先進裝備和DCS自控技術(shù)，建成國內(nèi)首批10萬t/年以上規(guī)模淀粉生產(chǎn)線。淀粉糖方面，隨著國內(nèi)高溫α-淀粉酶、糖化酶等酶制劑產(chǎn)品的成熟及質(zhì)量提高，除一般小企業(yè)還采用酸法工藝在生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化淀粉糖漿產(chǎn)品外，酶法水解淀粉的工藝和技術(shù)得到了較為全面的應(yīng)用，并且開始真正成熟起來。特別是到了90年代中后期，諾和諾德(現(xiàn)為諾維信)和杰能科分別通過自建與合資，在國內(nèi)設(shè)立酶制劑工廠，加大了市場推廣力度，進一步推動了酶法工藝的普及，酶法工藝已經(jīng)成為主流工藝[10]。

對于先進技術(shù)的消化吸收和國內(nèi)需求的不斷增長，極大促進了我國淀粉與淀粉糖生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)和行業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展。到90年代末，我國玉米淀粉工廠干物質(zhì)回收率進一步提高到91%～96%，淀粉收率提高到63%～70%之間，淀粉糖收率提高到95%～102%，噸淀粉平均水耗則降低到13.68 t[11-14]，與國際先進水平的差距進一步縮小。其中，以中糧黃龍公司為代表的領(lǐng)軍企業(yè)，干物質(zhì)利用率達到98%，淀粉收率達到69%，噸淀粉水耗降到了4 t，已與國際水平持平。這一時期，在國外市場價格上與蔗糖具有較高競爭力的果葡糖漿，國內(nèi)已開始商品化生產(chǎn)，但因技術(shù)與成本因素，在國內(nèi)市場價格高于蔗糖，且產(chǎn)品類型較為單一，主要為42%果葡糖漿，未獲得良好發(fā)展[15]。

20世紀(jì)90年代以前，國內(nèi)沒有10萬t以上規(guī)模的玉米淀粉生產(chǎn)企業(yè)，1萬t級和2萬t級的廠家也很少，占全部玉米淀粉廠家的比例不到7%，所生產(chǎn)的淀粉總量占全國玉米淀粉產(chǎn)量比例為29.8%。隨著大規(guī)模工廠的不斷建立，逐漸出現(xiàn)多個10萬t級、20萬t級的工廠，并在90年代末期出現(xiàn)了50萬t級的工廠。到1999年，3萬t級規(guī)模以上工廠20家，所生產(chǎn)玉米淀粉產(chǎn)量占全國玉米淀粉產(chǎn)量比例為71.8%[11,14]。隨著大規(guī)模裝備制造與生產(chǎn)線建設(shè)能力的增強，擁有先進技術(shù)的大型化工廠的規(guī)模效益日趨顯現(xiàn)，技術(shù)相對落后的小型淀粉與淀粉糖廠競爭力逐漸喪失，到90年代末，全國玉米淀粉產(chǎn)量增長至422.6萬t，分別于1996年超過日本、1999年超過歐盟，成為僅次于美國的第二大生產(chǎn)國；淀粉糖產(chǎn)量增長至118.9萬t，十年間年均復(fù)合增長率分別為18.2%和19.3%，但玉米淀粉廠和淀粉糖廠的數(shù)量則從90年代初高峰時期的245家和134家，快速降低至1999年的88家和56家，行業(yè)集中基本完成[14]。

4 高速發(fā)展的技術(shù)并跑階段(2001-2010年)

進入21世紀(jì)，國家針對玉米深加工行業(yè)，出臺了大量的指導(dǎo)性政策，如進一步淘汰落后產(chǎn)能、限制外資占比、鼓勵糖醇發(fā)展、促進玉米消費、加強環(huán)保監(jiān)管等，這都對玉米淀粉與淀粉糖行業(yè)的健康發(fā)展和技術(shù)進步起到了極大支持作用。在此大環(huán)境下，我國淀粉與淀粉糖行業(yè)在以中糧、西王、諸城興貿(mào)和雙橋集團為代表的龍頭企業(yè)推動下高速發(fā)展，技術(shù)水平實現(xiàn)與國際領(lǐng)先企業(yè)齊頭并進的態(tài)勢，具體表現(xiàn)為：

一是國產(chǎn)化設(shè)備設(shè)計與制造水平逐漸提高，管束干燥機等設(shè)備的單體加工能力進一步提高，多種關(guān)鍵設(shè)備結(jié)束進口歷史，轉(zhuǎn)為向歐美地區(qū)出口。在此期間，以中糧、西王等為代表的國內(nèi)玉米加工企業(yè)對推動儀器設(shè)備廠家的進步發(fā)揮重大作用，如中糧集團下屬公主嶺工廠、榆樹工廠、武漢工廠早在建設(shè)階段，系統(tǒng)考察國內(nèi)外廠家相關(guān)設(shè)備，在借鑒國外設(shè)備優(yōu)點的基礎(chǔ)上，大膽啟用國內(nèi)相關(guān)設(shè)備廠家，并牽頭組織和深入?yún)⑴c到專業(yè)配套設(shè)備的開發(fā)中，如江蘇格蘭特公司的高效降膜蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)、MVR系統(tǒng)、帶廢氣預(yù)處理功能的新型廢熱蒸發(fā)器、可利用自身尾氣余熱和冷凝液余熱對干燥所需空氣進行預(yù)熱的管束干燥機和氣流干燥機、二次蒸汽溫度提升15～20 ℃的高性能MVR和節(jié)能熱泵等，兆光公司的高效模擬移動床、液化噴射器，為全行業(yè)的推廣奠定了基礎(chǔ)。

二是大規(guī)模生產(chǎn)裝置的建設(shè)和運轉(zhuǎn)經(jīng)驗日趨豐富，國內(nèi)單廠規(guī)模不斷擴大，新增產(chǎn)能以10萬t為起點，60萬t已成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模，最大規(guī)模企業(yè)產(chǎn)能達到100萬t，成套生產(chǎn)線輸出到東南亞地區(qū)。

技術(shù)的進步推動著整個行業(yè)持續(xù)高速發(fā)展，2000年后，隨著F55生產(chǎn)技術(shù)成熟和規(guī)模化生產(chǎn)，收率和質(zhì)量提高，物耗下降，市場價格低于蔗糖，性價比優(yōu)勢明顯，市場份額不斷擴大。2005年玉米淀粉產(chǎn)量首次突破1 000萬t，到2010年玉米淀粉產(chǎn)量接近2 000萬t；2006年淀粉糖產(chǎn)量首次突破500萬t，達608萬t，我國成為繼美國之后第二大淀粉糖生產(chǎn)國；到2010年，淀粉糖產(chǎn)量接近1 000萬t。2000-2010年間，玉米淀粉產(chǎn)量復(fù)合增長率為13.8%，淀粉糖增長率則保持在21.3%，行業(yè)平均干物質(zhì)利用率增長至97.5%，平均玉米淀粉收率提高到69.9%，平均水耗降低至2.65%。

5 以生物技術(shù)強化加工過程為主要特征的技術(shù)局部領(lǐng)跑階段(2011年至今)

中糧集團作為央企和國內(nèi)規(guī)模最大的行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，經(jīng)過上階段十余年不斷技術(shù)研發(fā)積累，部分技術(shù)反超國際標(biāo)桿企業(yè)，特別是將先進生物技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中，實現(xiàn)了過程強化。相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新在2014年來陸續(xù)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為行業(yè)帶來了新的技術(shù)驅(qū)動力，具體表現(xiàn)在：

一是在淀粉生產(chǎn)中，引入生物浸泡、酶促分離新技術(shù)，突破傳統(tǒng)“化學(xué)-機械”分離工藝的分離極限。玉米浸泡是淀粉生產(chǎn)的第一道工序和最關(guān)鍵的單元，決定了淀粉產(chǎn)品的最終品質(zhì)和收率。常規(guī)工藝需向浸泡液中添加高濃度的SO2(2 000～5 000 ppm)，在50±2 ℃高溫下浸泡48～72 h，以充分瓦解包裹在淀粉外側(cè)的蛋白質(zhì)網(wǎng)，達到更好的玉米浸泡分離效果。然而，SO2的大量使用會造成環(huán)境污染、設(shè)備腐蝕和產(chǎn)品中SO2殘留高等問題；同時，浸泡周期長，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率。另一方面，常規(guī)工藝通過機械力研磨的方式破壞淀粉與麩皮、胚芽的結(jié)合力，但受工藝原理的局限，麩皮和胚芽中仍粘連大量淀粉，淀粉收率具有提升潛力。通過精準(zhǔn)調(diào)控耐高溫、高酸性蛋白酶活性產(chǎn)乳酸微生物和復(fù)配纖維素與半纖維素酶制劑，可實現(xiàn)高效可控浸泡與麩皮胚芽非淀粉多糖的精準(zhǔn)降解，建立了“微生物-酶”協(xié)同作用的玉米浸泡分離新工藝，解決了常規(guī)“化學(xué)-機械”浸泡分離工藝存在污染高、周期長的技術(shù)難題，突破了常規(guī)工藝的分離極限。此外，復(fù)配酶制劑的添加還能最大限度降低半纖維素的親水性，有利于提高產(chǎn)品后續(xù)脫水和干燥單元的生產(chǎn)效率，減少干燥蒸汽用量。

二是在淀粉糖生產(chǎn)中，開發(fā)了新型復(fù)合酶制劑及配套新型液化工藝，實現(xiàn)了40%以上(DS%)濃度玉米淀粉乳的液化糖化。淀粉糖的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中，淀粉乳初始濃度一般為30%～33%(DS%)，所得的糖液濃度較低，后續(xù)需要蒸發(fā)濃縮處理，能耗較大。為了降低淀粉糖的生產(chǎn)成本，降低蒸發(fā)濃縮的能耗，實現(xiàn)降本增效，其中最有效的途徑就是提高淀粉乳的初始濃度。然而，隨著淀粉乳濃度的提高，加熱糊化后淀粉乳的黏度會大大提高，從而導(dǎo)致液化困難，進一步也會導(dǎo)致糖化困難。中糧生化通過自主研發(fā)，開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的高效復(fù)合酶、建立了高濃度淀粉乳的液化糖化反應(yīng)體系，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

這一階段行業(yè)發(fā)展的主要特征體現(xiàn)在：伴隨著生物技術(shù)和系統(tǒng)工程優(yōu)化等手段的引入，行業(yè)在綠色環(huán)保和精益生產(chǎn)方面取得大幅提升，各項工藝指標(biāo)取得進一步提高。

6 未來技術(shù)發(fā)展展望

在全行業(yè)同仁70年不懈努力下，中國淀粉與淀粉糖行業(yè)國產(chǎn)化技術(shù)與裝備已達到總體國際先進、部分國際領(lǐng)先水平，正向總體國際領(lǐng)先的方向努力發(fā)展。在欣喜和驕傲的同時，值得所有從業(yè)者注意的是，在可預(yù)期的未來，由于原料供給和價格不斷波動，下游需求將趨于穩(wěn)定，行業(yè)產(chǎn)能階段性嚴(yán)重過剩的局面將不時出現(xiàn)，我國淀粉與淀粉糖行業(yè)將會面臨持續(xù)地結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化，從而對于技術(shù)創(chuàng)新將提出更高要求。對此，本文嘗試從原料、工藝、產(chǎn)品等方面大膽做如下預(yù)測：

在原料方面，一是玉米的訂單農(nóng)業(yè)種植和加工，目前中國絕大多數(shù)玉米淀粉來源仍以普通馬齒型玉米為主，無法有效滿足下游客戶對產(chǎn)品的個性化需求，為此關(guān)注不同品種玉米和加工工藝對所生產(chǎn)的玉米淀粉品質(zhì)、下游應(yīng)用的影響，從種子和種植出發(fā)，配套的針對不同品種玉米的訂單種植農(nóng)業(yè)、產(chǎn)品智能化柔性生產(chǎn)和切換加工將是下一階段行業(yè)轉(zhuǎn)型升級最迫切的方向之一，即通過原料品質(zhì)控制和工藝調(diào)整，生產(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)定、符合目標(biāo)客戶需求的玉米淀粉和其衍生化產(chǎn)品。二是要進一步加大對纖維素等非淀粉多糖的研究和產(chǎn)業(yè)化利用[16]，以玉米秸稈為代表的農(nóng)業(yè)廢棄物富含大量的纖維素和半纖維素等非淀粉多糖，該資源目前尚未實現(xiàn)充分利用，直接焚燒造成了嚴(yán)重環(huán)境污染，實現(xiàn)以玉米秸稈為代表的農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用，不僅為行業(yè)提供了新的原料選擇，還可解決目前因相關(guān)廢棄物焚燒引發(fā)的環(huán)境問題。三是持續(xù)關(guān)注合成生物學(xué)和生物制造等前沿學(xué)科的進步，通過合成生物學(xué)技術(shù)以非植物種植的方式合成淀粉等多糖的新概念已被提出，多條新型的人工二氧化碳固定通路目前已構(gòu)建起來[17]，未來生物制造技術(shù)的進步將會顛覆行業(yè)以玉米等植物為原料的現(xiàn)狀。

在工藝方面，要更加關(guān)注新技術(shù)、新裝備和新工藝的開發(fā)，特別是新型酶制劑、微生物制劑、新的高效和節(jié)能裝置在淀粉與淀粉糖技術(shù)中的應(yīng)用；同時，在“數(shù)字中國建設(shè)” 和“中國制造2025” 的重大國家戰(zhàn)略下，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、云計算等數(shù)字化和信息化技術(shù)蓬勃發(fā)展，以大數(shù)據(jù)驅(qū)動，不僅使系統(tǒng)自優(yōu)化的智能化生產(chǎn)成為一種可能，同時將推動打造一個可信、透明的食品鏈系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品全過程可追溯和向消費者的全透明。

在新產(chǎn)品方面，進一步加大具有新的功能性、營養(yǎng)性、進一步市場細(xì)分的淀粉和淀粉糖產(chǎn)品的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化力度，如具有一定健康功效、低熱量、甜味特性、與蔗糖接近的塔格糖、阿洛酮糖等，開辟出現(xiàn)有淀粉糖紅海市場之外的新增長點。