中國玉米淀粉與淀粉糖工業技術發展歷程與展望

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成的多糖物質，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稱。它們是一種重要的綠色基礎性原料，除可直接應用外，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、醫藥、發酵、化工和材料等多個領域發揮不可替代的作用[1-4]。玉米淀粉是我國淀粉產業最大品類，2018年產量達2 815萬t，占我國淀粉總產量的95%，淀粉糖是其深加工過程中最重要產品和中間品，2018年國內產量達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值約2 400億元，關乎國計民生、連接城鄉產業鏈條的最重要的產業之一[5-6]。

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

1 起步和緩慢發展的階段(1956-1978年)

20世紀50年代中期，我國從蘇聯引進了具有當時先進技術的淀粉和葡萄糖生產線，建設了華北制藥、東北制藥總廠等一批規模化工廠，標志著我國現代淀粉和淀粉糖工業的誕生，淀粉和淀粉糖由傳統的作坊式生產進入了工業化生產階段。在此基礎上，這一時期雖有廣大行業同仁努力奮進，取得諸多成果，但受限國內同期糧食供給短缺、市場封閉等諸多原因，直到70年代末，淀粉與淀粉糖行業在生產規模、關鍵技術與裝備方面與同期國際上的技術與產業的顯著進步相比，幾乎停滯不前，進展緩慢，僅相當于國際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地位；葡萄糖的生產全部為酸法工藝[5]，當時已經在國際上流行推廣的雙酶法工藝等尚未應用到實際生產中。在生產線規模等工程化方面，到70年代末，淀粉廠、葡萄糖廠規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 對外接觸和轉軌的階段(1979-1990年)

改革開放以后，伴隨著家庭聯產承包責任制和農業種植技術的進步，促使我國玉米產量不斷增長，國民經濟的發展促進下游需求不斷擴大。同時隨著改革開放的逐步深入，與歐美等發達國家技術交流逐漸增多，當時先進的淀粉與淀粉糖生產技術、裝備和理念傳入中國，淀粉與淀粉糖行業開始由之前的“蘇聯”模式逐漸轉變為“歐美”模式，行業發展速度逐步加快。伴隨著行業發展壯大，1984年，中國淀粉工業協會成立，標志著國家層面的行業組織的誕生。這一時期，我國陸續從歐美引進了成套生產線和關鍵設備，歐美的一些酶制劑公司通過香港洋行、代理商等多種渠道，向國內用戶推銷其各種酶制劑產品，均對促進我國淀粉與淀粉糖產業技術進步起到重要作用。據不完全統計，1980-1988年，全國有50余家企業分別向十多個國家引進淀粉、淀粉糖和變性淀粉設備132臺套，40多種類型，引進淀粉設備的產量占全國總產量的40%～50%，引進淀粉糖設備的產量約占全國總產量的90%左右[5]。

圖1 中國淀粉與淀粉糖工業歷史發展五階段及我國淀粉與淀粉糖產量與廠家數量變化情況 (數據來源中國淀粉工業協會)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技術水平得到較大改進，20世紀80年代末，淀粉生產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的敞開式流槽工藝，逆流循環浸泡工藝替代單缸浸泡得到大范圍推廣，葡萄糖生產由雙酶法逐步替代酸法工藝和酸酶法工藝，行業平均淀粉提取率上升到61%～62%(DS%)，干物質回收率提高到92%。技術水平的提升，推動了產業的快速發展，到1989年，全國玉米淀粉總產量增長到89.7萬t，生產廠家達到280家，淀粉糖總產量增長到25.4萬t，生產廠家達到127家[7]，均比改革開放前成倍增長。

盡管技術進步顯著，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%)，干物質回收率大于99%，葡糖漿收率達到102%～105%，均大大高于國內水平；噸淀粉耗水量國際平均水平僅為2～5 t，國內則高達30～50 t，蛋白粉蛋白含量國際上平均在60%～62%(DS%)，國內為55%～60%(DS%)[5,8]；受制于技術水平與裝備能力，國產設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以上的淀粉關鍵設備和大部分淀粉深加工設備還需要依靠進口[5]；同時，我國淀粉與淀粉糖生產廠家的生產規模遠小于國際同行業水平，玉米淀粉平均單廠產能僅為0.32萬t，淀粉糖平均單廠產能僅為0.2萬t，而同期美國年產淀粉1 000萬t，只有22家工廠，平均每家生產能力達到45萬t以上[8]。

3 與國際全面接軌的技術跟跑階段(1991-2000年)

20世紀90年代是淀粉和淀粉糖全面與國際接軌的發展期，經過80年代的十年接觸和培育，行業已深刻理解與國際先進水平的差距，以歐美等技術先進國家為師，系統引進和學習已儼然成為當時的主旋律。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率先引進國外大型整套先進裝備和DCS自控技術，建成國內首批10萬t/年以上規模淀粉生產線。淀粉糖方面，隨著國內高溫α-淀粉酶、糖化酶等酶制劑產品的成熟及質量提高，除一般小企業還采用酸法工藝在生產中轉化淀粉糖漿產品外，酶法水解淀粉的工藝和技術得到了較為全面的應用，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(現為諾維信)和杰能科分別通過自建與合資，在國內設立酶制劑工廠，加大了市場推廣力度，進一步推動了酶法工藝的普及，酶法工藝已經成為主流工藝[10]。

對于先進技術的消化吸收和國內需求的不斷增長，極大促進了我國淀粉與淀粉糖生產關鍵技術和行業規模的快速發展。到90年代末，我國玉米淀粉工廠干物質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軍企業，干物質利用率達到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，國內已開始商品化生產，但因技術與成本因素，在國內市場價格高于蔗糖，且產品類型較為單一，主要為42%果葡糖漿，未獲得良好發展[15]。

20世紀90年代以前，國內沒有10萬t以上規模的玉米淀粉生產企業，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%，所生產的淀粉總量占全國玉米淀粉產量比例為29.8%。隨著大規模工廠的不斷建立，逐漸出現多個10萬t級、20萬t級的工廠，并在90年代末期出現了50萬t級的工廠。到1999年，3萬t級規模以上工廠20家，所生產玉米淀粉產量占全國玉米淀粉產量比例為71.8%[11,14]。隨著大規模裝備制造與生產線建設能力的增強，擁有先進技術的大型化工廠的規模效益日趨顯現，技術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國；淀粉糖產量增長至118.9萬t，十年間年均復合增長率分別為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，行業集中基本完成[14]。

4 高速發展的技術并跑階段(2001-2010年)

進入21世紀，國家針對玉米深加工行業，出臺了大量的指導性政策，如進一步淘汰落后產能、限制外資占比、鼓勵糖醇發展、促進玉米消費、加強環保監管等，這都對玉米淀粉與淀粉糖行業的健康發展和技術進步起到了極大支持作用。在此大環境下，我國淀粉與淀粉糖行業在以中糧、西王、諸城興貿和雙橋集團為代表的龍頭企業推動下高速發展，技術水平實現與國際領先企業齊頭并進的態勢，具體表現為：

一是國產化設備設計與制造水平逐漸提高，管束干燥機等設備的單體加工能力進一步提高，多種關鍵設備結束進口歷史，轉為向歐美地區出口。在此期間，以中糧、西王等為代表的國內玉米加工企業對推動儀器設備廠家的進步發揮重大作用，如中糧集團下屬公主嶺工廠、榆樹工廠、武漢工廠早在建設階段，系統考察國內外廠家相關設備，在借鑒國外設備優點的基礎上，大膽啟用國內相關設備廠家，并牽頭組織和深入參與到專業配套設備的開發中，如江蘇格蘭特公司的高效降膜蒸發濃縮系統、MVR系統、帶廢氣預處理功能的新型廢熱蒸發器、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，為全行業的推廣奠定了基礎。

二是大規模生產裝置的建設和運轉經驗日趨豐富，國內單廠規模不斷擴大，新增產能以10萬t為起點，60萬t已成標準規模，最大規模企業產能達到100萬t，成套生產線輸出到東南亞地區。

技術的進步推動著整個行業持續高速發展，2000年后，隨著F55生產技術成熟和規模化生產，收率和質量提高，物耗下降，市場價格低于蔗糖，性價比優勢明顯，市場份額不斷擴大。2005年玉米淀粉產量首次突破1 000萬t，到2010年玉米淀粉產量接近2 000萬t；2006年淀粉糖產量首次突破500萬t，達608萬t，我國成為繼美國之后第二大淀粉糖生產國；到2010年，淀粉糖產量接近1 000萬t。2000-2010年間，玉米淀粉產量復合增長率為13.8%，淀粉糖增長率則保持在21.3%，行業平均干物質利用率增長至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 以生物技術強化加工過程為主要特征的技術局部領跑階段(2011年至今)

中糧集團作為央企和國內規模最大的行業領軍企業，經過上階段十余年不斷技術研發積累，部分技術反超國際標桿企業，特別是將先進生物技術應用到生產中，實現了過程強化。相關技術創新在2014年來陸續實現了產業化應用，為行業帶來了新的技術驅動力，具體表現在：

一是在淀粉生產中，引入生物浸泡、酶促分離新技術，突破傳統“化學-機械”分離工藝的分離極限。玉米浸泡是淀粉生產的第一道工序和最關鍵的單元，決定了淀粉產品的最終品質和收率。常規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的蛋白質網，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境污染、設備腐蝕和產品中SO2殘留高等問題；同時，浸泡周期長，嚴重制約了生產效率。另一方面，常規工藝通過機械力研磨的方式破壞淀粉與麩皮、胚芽的結合力，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。通過精準調控耐高溫、高酸性蛋白酶活性產乳酸微生物和復配纖維素與半纖維素酶制劑，可實現高效可控浸泡與麩皮胚芽非淀粉多糖的精準降解，建立了“微生物-酶”協同作用的玉米浸泡分離新工藝，解決了常規“化學-機械”浸泡分離工藝存在污染高、周期長的技術難題，突破了常規工藝的分離極限。此外，復配酶制劑的添加還能最大限度降低半纖維素的親水性，有利于提高產品后續脫水和干燥單元的生產效率，減少干燥蒸汽用量。

二是在淀粉糖生產中，開發了新型復合酶制劑及配套新型液化工藝，實現了40%以上(DS%)濃度玉米淀粉乳的液化糖化。淀粉糖的傳統生產工藝中，淀粉乳初始濃度一般為30%～33%(DS%)，所得的糖液濃度較低，后續需要蒸發濃縮處理，能耗較大。為了降低淀粉糖的生產成本，降低蒸發濃縮的能耗，實現降本增效，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，從而導致液化困難，進一步也會導致糖化困難。中糧生化通過自主研發，開發了自主知識產權的高效復合酶、建立了高濃度淀粉乳的液化糖化反應體系，實現了工業化生產。

這一階段行業發展的主要特征體現在：伴隨著生物技術和系統工程優化等手段的引入，行業在綠色環保和精益生產方面取得大幅提升，各項工藝指標取得進一步提高。

6 未來技術發展展望

在全行業同仁70年不懈努力下，中國淀粉與淀粉糖行業國產化技術與裝備已達到總體國際先進、部分國際領先水平，正向總體國際領先的方向努力發展。在欣喜和驕傲的同時，值得所有從業者注意的是，在可預期的未來，由于原料供給和價格不斷波動，下游需求將趨于穩定，行業產能階段性嚴重過剩的局面將不時出現，我國淀粉與淀粉糖行業將會面臨持續地結構調整和優化，從而對于技術創新將提出更高要求。對此，本文嘗試從原料、工藝、產品等方面大膽做如下預測：

在原料方面，一是玉米的訂單農業種植和加工，目前中國絕大多數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品的個性化需求，為此關注不同品種玉米和加工工藝對所生產的玉米淀粉品質、下游應用的影響，從種子和種植出發，配套的針對不同品種玉米的訂單種植農業、產品智能化柔性生產和切換加工將是下一階段行業轉型升級最迫切的方向之一，即通過原料品質控制和工藝調整，生產品質穩定、符合目標客戶需求的玉米淀粉和其衍生化產品。二是要進一步加大對纖維素等非淀粉多糖的研究和產業化利用[16]，以玉米秸稈為代表的農業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充分利用，直接焚燒造成了嚴重環境污染，實現以玉米秸稈為代表的農業廢棄物資源利用，不僅為行業提供了新的原料選擇，還可解決目前因相關廢棄物焚燒引發的環境問題。三是持續關注合成生物學和生物制造等前沿學科的進步，通過合成生物學技術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建起來[17]，未來生物制造技術的進步將會顛覆行業以玉米等植物為原料的現狀。

在工藝方面，要更加關注新技術、新裝備和新工藝的開發，特別是新型酶制劑、微生物制劑、新的高效和節能裝置在淀粉與淀粉糖技術中的應用；同時，在“數字中國建設” 和“中國制造2025” 的重大國家戰略下，伴隨著物聯網、區塊鏈、大數據、云計算等數字化和信息化技術蓬勃發展，以大數據驅動，不僅使系統自優化的智能化生產成為一種可能，同時將推動打造一個可信、透明的食品鏈系統，實現產品全過程可追溯和向消費者的全透明。

在新產品方面，進一步加大具有新的功能性、營養性、進一步市場細分的淀粉和淀粉糖產品的開發和產業化力度，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，開辟出現有淀粉糖紅海市場之外的新增長點。