中国玉米淀粉与淀粉糖工业技术发展历程与展望

中国玉米淀粉与淀粉糖工业技术发展历程与展望
佟毅
【期刊名称】《《食品与发酵工业》》
【年(卷),期】2019(045)017
【总页数】5页(P294-298)
【关键词】淀粉; 淀粉糖; 工业技术; 发展历程; 展望
【作者】佟毅
【作者单位】中粮集团有限公司北京 100020; 吉林中粮生化有限公司玉米深加工国家工程研究中心吉林长春 130033
【正文语种】中文
淀粉是以葡萄糖为单位构成的多糖物质，淀粉糖是指以淀粉为原料，衍生出的一系列单糖或寡糖的统称。

它们是一种重要的绿色基础性原料，除可直接应用外，还可进一步深加工成变性淀粉、糖醇、酒精、氨基酸、有机酸、抗生素等多种商品，在食品、医药、发酵、化工和材料等多个领域发挥不可替代的作用[1-4]。

玉米淀粉
是我国淀粉产业最大品类，2018年产量达2 815万t，占我国淀粉总产量的95%，淀粉糖是其深加工过程中最重要产品和中间品，2018年国内产量达1 355万t，
约占玉米淀粉消费总量的56%，以玉米淀粉和淀粉糖为代表的玉米深加工已成为
年产值约2 400亿元，关乎国计民生、连接城乡产业链条的最重要的产业之一[5-6]。

我国玉米淀粉和淀粉糖工业起步较晚，新中国成立后才逐步建立起现代化、机械化的生产能力；改革开放以来，快速发展，由弱变强。

关键装备、技术和工程化水平与国外同行相比，历经跟跑、并跑阶段，目前已达到国际先进水平，以生物制造技术为代表的部分关键技术甚至处于领跑地位。

进入新时代以来，淀粉与淀粉糖行业面临着新机遇和新挑战，本文结合70年来中国社会和经济的发展，针对技术进步推动本行业发展的各个历史阶段，进行系统总结和经验提炼，提出该行业发展的五阶段论(图1)，并对潜在未来的技术进步和行业发展做展望，希望为促进行业快速高质量发展提供重要参考。

1 起步和缓慢发展的阶段(1956-1978年)
20世纪50年代中期，我国从苏联引进了具有当时先进技术的淀粉和葡萄糖生产线，建设了华北制药、东北制药总厂等一批规模化工厂，标志着我国现代淀粉和淀粉糖工业的诞生，淀粉和淀粉糖由传统的作坊式生产进入了工业化生产阶段。

在此基础上，这一时期虽有广大行业同仁努力奋进，取得诸多成果，但受限国内同期粮食供给短缺、市场封闭等诸多原因，直到70年代末，淀粉与淀粉糖行业在生产规模、关键技术与装备方面与同期国际上的技术与产业的显著进步相比，几乎停滞不前，进展缓慢，仅相当于国际50年代水平。

全国淀粉平均收率仅为50%左右，单罐浸泡、流槽分离等工艺占主导地位；葡萄糖的生产全部为酸法工艺[5]，当时已经在国际上流行推广的双酶法工艺等尚未应用到实际生产中。

在生产线规模等工程化方面，到70年代末，淀粉厂、葡萄糖厂规模普遍在几百吨到几千吨级别，虽然淀粉加工厂高达98家，但玉米淀粉产量仅为17.4万t[6]，单个工厂平均加工能力远低于同期国际水平。

2 对外接触和转轨的阶段(1979-1990年)
改革开放以后，伴随着家庭联产承包责任制和农业种植技术的进步，促使我国玉米产量不断增长，国民经济的发展促进下游需求不断扩大。

同时随着改革开放的逐步
深入，与欧美等发达国家技术交流逐渐增多，当时先进的淀粉与淀粉糖生产技术、装备和理念传入中国，淀粉与淀粉糖行业开始由之前的“苏联”模式逐渐转变为“欧美”模式，行业发展速度逐步加快。

伴随着行业发展壮大，1984年，中国淀粉工业协会成立，标志着国家层面的行业组织的诞生。

这一时期，我国陆续从欧美引进了成套生产线和关键设备，欧美的一些酶制剂公司通过香港洋行、代理商等多种渠道，向国内用户推销其各种酶制剂产品，均对促进我国淀粉与淀粉糖产业技术进步起到重要作用。

据不完全统计，1980-1988年，全国有50余家企业分别向十多个国家引进淀粉、淀粉糖和变性淀粉设备132台套，40多种类型，引进淀粉设备的产量占全国总产量的40%～50%，引进淀粉糖设备的产量约占全国总产量的90%左右[5]。

图1 中国淀粉与淀粉糖工业历史发展五阶段及我国淀粉与淀粉糖产量与厂家数量变化情况 (数据来源中国淀粉工业协会)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)
通过引进，我国淀粉与淀粉糖行业技术水平得到较大改进，20世纪80年代末，淀粉生产工艺由以离心分离和旋流分离为核心、封闭式的高效机械分离工艺开始替代以沉降分离为基础的敞开式流槽工艺，逆流循环浸泡工艺替代单缸浸泡得到大范围推广，葡萄糖生产由双酶法逐步替代酸法工艺和酸酶法工艺，行业平均淀粉提取率上升到61%～62%(DS%)，干物质回收率提高到92%。

技术水平的提升，推动了产业的快速发展，到1989年，全国玉米淀粉总产量增长到89.7万t，生产厂家达到280家，淀粉糖总产量增长到25.4万t，生产厂家达到127家[7]，均比改革开放前成倍增长。

尽管技术进步显著，但与国际同行相比仍有较大差距。

例如国际上，玉米淀粉提取
率可达68%～70%(DS%)，干物质回收率大于99%，葡糖浆收率达到102%～105%，均大大高于国内水平；吨淀粉耗水量国际平均水平仅为2～5 t，国内则高达30～50 t，蛋白粉蛋白含量国际上平均在60%～62%(DS%)，国内为55%～60%(DS%)[5,8]；受制于技术水平与装备能力，国产设备与工艺提供商仅能对万吨级淀粉厂提供全部配套[9]，2万t以上的淀粉关键设备和大部分淀粉深加工设备还需要依靠进口[5]；同时，我国淀粉与淀粉糖生产厂家的生产规模远小于国际同行业水平，玉米淀粉平均单厂产能仅为0.32万t，淀粉糖平均单厂产能仅为0.2万t，而同期美国年产淀粉1 000万t，只有22家工厂，平均每家生产能力达到45万t以上[8]。

3 与国际全面接轨的技术跟跑阶段(1991-2000年)
20世纪90年代是淀粉和淀粉糖全面与国际接轨的发展期，经过80年代的十年接触和培育，行业已深刻理解与国际先进水平的差距，以欧美等技术先进国家为师，系统引进和学习已俨然成为当时的主旋律。

90年代初，牡丹江制药、中粮黄龙公司、新源玉米和中原制药等四家企业率先引进国外大型整套先进装备和DCS自控技术，建成国内首批10万t/年以上规模淀粉生产线。

淀粉糖方面，随着国内高温α-淀粉酶、糖化酶等酶制剂产品的成熟及质量提高，除一般小企业还采用酸法工艺在生产中转化淀粉糖浆产品外，酶法水解淀粉的工艺和技术得到了较为全面的应用，并且开始真正成熟起来。

特别是到了90年代中后期，诺和诺德(现为诺维信)和杰能科分别通过自建与合资，在国内设立酶制剂工厂，加大了市场推广力度，进一步推动了酶法工艺的普及，酶法工艺已经成为主流工艺[10]。

对于先进技术的消化吸收和国内需求的不断增长，极大促进了我国淀粉与淀粉糖生产关键技术和行业规模的快速发展。

到90年代末，我国玉米淀粉工厂干物质回收率进一步提高到91%～96%，淀粉收率提高到63%～70%之间，淀粉糖收率提高到95%～102%，吨淀粉平均水耗则降低到13.68 t[11-14]，与国际先进水平的差
距进一步缩小。

其中，以中粮黄龙公司为代表的领军企业，干物质利用率达到98%，淀粉收率达到69%，吨淀粉水耗降到了4 t，已与国际水平持平。

这一时期，在国外市场价格上与蔗糖具有较高竞争力的果葡糖浆，国内已开始商品化生产，但因技术与成本因素，在国内市场价格高于蔗糖，且产品类型较为单一，主要为42%果葡糖浆，未获得良好发展[15]。

20世纪90年代以前，国内没有10万t以上规模的玉米淀粉生产企业，1万t级
和2万t级的厂家也很少，占全部玉米淀粉厂家的比例不到7%，所生产的淀粉总量占全国玉米淀粉产量比例为29.8%。

随着大规模工厂的不断建立，逐渐出现多
个10万t级、20万t级的工厂，并在90年代末期出现了50万t级的工厂。

到1999年，3万t级规模以上工厂20家，所生产玉米淀粉产量占全国玉米淀粉产量比例为71.8%[11,14]。

随着大规模装备制造与生产线建设能力的增强，拥有先进
技术的大型化工厂的规模效益日趋显现，技术相对落后的小型淀粉与淀粉糖厂竞争力逐渐丧失，到90年代末，全国玉米淀粉产量增长至422.6万t，分别于1996
年超过日本、1999年超过欧盟，成为仅次于美国的第二大生产国；淀粉糖产量增长至118.9万t，十年间年均复合增长率分别为18.2%和19.3%，但玉米淀粉厂和淀粉糖厂的数量则从90年代初高峰时期的245家和134家，快速降低至1999
年的88家和56家，行业集中基本完成[14]。

4 高速发展的技术并跑阶段(2001-2010年)
进入21世纪，国家针对玉米深加工行业，出台了大量的指导性政策，如进一步淘汰落后产能、限制外资占比、鼓励糖醇发展、促进玉米消费、加强环保监管等，这都对玉米淀粉与淀粉糖行业的健康发展和技术进步起到了极大支持作用。

在此大环境下，我国淀粉与淀粉糖行业在以中粮、西王、诸城兴贸和双桥集团为代表的龙头企业推动下高速发展，技术水平实现与国际领先企业齐头并进的态势，具体表现为：一是国产化设备设计与制造水平逐渐提高，管束干燥机等设备的单体加工能力进一
步提高，多种关键设备结束进口历史，转为向欧美地区出口。

在此期间，以中粮、西王等为代表的国内玉米加工企业对推动仪器设备厂家的进步发挥重大作用，如中粮集团下属公主岭工厂、榆树工厂、武汉工厂早在建设阶段，系统考察国内外厂家相关设备，在借鉴国外设备优点的基础上，大胆启用国内相关设备厂家，并牵头组织和深入参与到专业配套设备的开发中，如江苏格兰特公司的高效降膜蒸发浓缩系统、MVR系统、带废气预处理功能的新型废热蒸发器、可利用自身尾气余热和冷凝液余热对干燥所需空气进行预热的管束干燥机和气流干燥机、二次蒸汽温度提升15～20 ℃的高性能MVR和节能热泵等，兆光公司的高效模拟移动床、液化喷射器，为全行业的推广奠定了基础。

二是大规模生产装置的建设和运转经验日趋丰富，国内单厂规模不断扩大，新增产能以10万t为起点，60万t已成标准规模，最大规模企业产能达到100万t，成套生产线输出到东南亚地区。

技术的进步推动着整个行业持续高速发展，2000年后，随着F55生产技术成熟和规模化生产，收率和质量提高，物耗下降，市场价格低于蔗糖，性价比优势明显，市场份额不断扩大。

2005年玉米淀粉产量首次突破1 000万t，到2010年玉米
淀粉产量接近2 000万t；2006年淀粉糖产量首次突破500万t，达608万t，
我国成为继美国之后第二大淀粉糖生产国；到2010年，淀粉糖产量接近1 000万t。

2000-2010年间，玉米淀粉产量复合增长率为13.8%，淀粉糖增长率则保持在21.3%，行业平均干物质利用率增长至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 以生物技术强化加工过程为主要特征的技术局部领跑阶段(2011年至今)
中粮集团作为央企和国内规模最大的行业领军企业，经过上阶段十余年不断技术研发积累，部分技术反超国际标杆企业，特别是将先进生物技术应用到生产中，实现了过程强化。

相关技术创新在2014年来陆续实现了产业化应用，为行业带来了新
的技术驱动力，具体表现在：
一是在淀粉生产中，引入生物浸泡、酶促分离新技术，突破传统“化学-机械”分
离工艺的分离极限。

玉米浸泡是淀粉生产的第一道工序和最关键的单元，决定了淀粉产品的最终品质和收率。

常规工艺需向浸泡液中添加高浓度的SO2(2 000～5 000 ppm)，在50±2 ℃高温下浸泡48～72 h，以充分瓦解包裹在淀粉外侧的蛋
白质网，达到更好的玉米浸泡分离效果。

然而，SO2的大量使用会造成环境污染、设备腐蚀和产品中SO2残留高等问题；同时，浸泡周期长，严重制约了生产效率。

另一方面，常规工艺通过机械力研磨的方式破坏淀粉与麸皮、胚芽的结合力，但受工艺原理的局限，麸皮和胚芽中仍粘连大量淀粉，淀粉收率具有提升潜力。

通过精准调控耐高温、高酸性蛋白酶活性产乳酸微生物和复配纤维素与半纤维素酶制剂，可实现高效可控浸泡与麸皮胚芽非淀粉多糖的精准降解，建立了“微生物-酶”协
同作用的玉米浸泡分离新工艺，解决了常规“化学-机械”浸泡分离工艺存在污染高、周期长的技术难题，突破了常规工艺的分离极限。

此外，复配酶制剂的添加还能最大限度降低半纤维素的亲水性，有利于提高产品后续脱水和干燥单元的生产效率，减少干燥蒸汽用量。

二是在淀粉糖生产中，开发了新型复合酶制剂及配套新型液化工艺，实现了40%
以上(DS%)浓度玉米淀粉乳的液化糖化。

淀粉糖的传统生产工艺中，淀粉乳初始浓度一般为30%～33%(DS%)，所得的糖液浓度较低，后续需要蒸发浓缩处理，能
耗较大。

为了降低淀粉糖的生产成本，降低蒸发浓缩的能耗，实现降本增效，其中最有效的途径就是提高淀粉乳的初始浓度。

然而，随着淀粉乳浓度的提高，加热糊化后淀粉乳的黏度会大大提高，从而导致液化困难，进一步也会导致糖化困难。

中粮生化通过自主研发，开发了自主知识产权的高效复合酶、建立了高浓度淀粉乳的液化糖化反应体系，实现了工业化生产。

这一阶段行业发展的主要特征体现在：伴随着生物技术和系统工程优化等手段的引
入，行业在绿色环保和精益生产方面取得大幅提升，各项工艺指标取得进一步提高。

6 未来技术发展展望
在全行业同仁70年不懈努力下，中国淀粉与淀粉糖行业国产化技术与装备已达到总体国际先进、部分国际领先水平，正向总体国际领先的方向努力发展。

在欣喜和骄傲的同时，值得所有从业者注意的是，在可预期的未来，由于原料供给和价格不断波动，下游需求将趋于稳定，行业产能阶段性严重过剩的局面将不时出现，我国淀粉与淀粉糖行业将会面临持续地结构调整和优化，从而对于技术创新将提出更高要求。

对此，本文尝试从原料、工艺、产品等方面大胆做如下预测：
在原料方面，一是玉米的订单农业种植和加工，目前中国绝大多数玉米淀粉来源仍以普通马齿型玉米为主，无法有效满足下游客户对产品的个性化需求，为此关注不同品种玉米和加工工艺对所生产的玉米淀粉品质、下游应用的影响，从种子和种植出发，配套的针对不同品种玉米的订单种植农业、产品智能化柔性生产和切换加工将是下一阶段行业转型升级最迫切的方向之一，即通过原料品质控制和工艺调整，生产品质稳定、符合目标客户需求的玉米淀粉和其衍生化产品。

二是要进一步加大对纤维素等非淀粉多糖的研究和产业化利用[16]，以玉米秸秆为代表的农业废弃物富含大量的纤维素和半纤维素等非淀粉多糖，该资源目前尚未实现充分利用，直接焚烧造成了严重环境污染，实现以玉米秸秆为代表的农业废弃物资源利用，不仅为行业提供了新的原料选择，还可解决目前因相关废弃物焚烧引发的环境问题。

三是持续关注合成生物学和生物制造等前沿学科的进步，通过合成生物学技术以非植物种植的方式合成淀粉等多糖的新概念已被提出，多条新型的人工二氧化碳固定通路目前已构建起来[17]，未来生物制造技术的进步将会颠覆行业以玉米等植物为原料的现状。

在工艺方面，要更加关注新技术、新装备和新工艺的开发，特别是新型酶制剂、微生物制剂、新的高效和节能装置在淀粉与淀粉糖技术中的应用；同时，在“数字中
国建设” 和“中国制造2025” 的重大国家战略下，伴随着物联网、区块链、大数据、云计算等数字化和信息化技术蓬勃发展，以大数据驱动，不仅使系统自优化的智能化生产成为一种可能，同时将推动打造一个可信、透明的食品链系统，实现产品全过程可追溯和向消费者的全透明。

在新产品方面，进一步加大具有新的功能性、营养性、进一步市场细分的淀粉和淀粉糖产品的开发和产业化力度，如具有一定健康功效、低热量、甜味特性、与蔗糖接近的塔格糖、阿洛酮糖等，开辟出现有淀粉糖红海市场之外的新增长点。

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