美国玉米资源开发利用的新趋势

 　 摘要：美国的玉米资源在世界市场有着举足轻重的地位，自20世纪70年代开始，世界上兴起玉米深加工业热潮，美国一马当先，成为现代玉米资源深度开发利用的开拓者和发展最快的国家。本文着重介绍了美国开发用玉米生产燃料乙醇的政策、工艺、发展趋势，以及对中国的启示。
　　美国是世界上玉米资源最丰富的国家之一，是玉米生产大国、供应大国，也是玉米库存量雄厚的国家。2004／05年度，世界玉米总产量为712．31亿t。其中，美国为299．91亿t，占总量的比重高达42．1％左右。在2005／06年度，世界玉米总产量下降到692．74亿t。其中，美国为282．26亿t，占总产量的比重在40．75％左右。预计2006／07年度，世界玉米总产量还将稍有降低，约为689．14亿t，美国的玉米总产量也将降低，约为277．0亿t，约占世界玉米总产量的40．2％。尽管如此，美国的玉米资源在世界市场上仍然保持着举足轻重的地位。
　　自20世纪70年代开始，世界上兴起玉米深加工业热潮，美国一马当先。尽管目前燃料乙醇在美国还是一个正在兴起的行业，但是，用玉米为原料生产的乙醇，已占全美燃料乙醇总量的90％左右。2004年，约有3200万t玉米用于生产燃料乙醇，相当于美国玉米总产量的11％左右。
　　美国之所以成为现代玉米深加工产业较发达的国家，是由于它具有多种优势条件：一是美国玉米总产量高居世界榜首，而且还有提高的巨大潜力。以2006／07年度的预计产量看，美国玉米总产量高达277亿t，占世界总产量的比重高达40％以上。二是美国拥有巨大的市场。对能源、特别是燃料能源的消费量高居世界之首。三是美国遇到难得的发展机遇。在美国发明汽车的初期，T型汽车使用的动力就是乙醇，后来被石油所替代。二次世界大战和70年代的石油危机使燃料乙醇工业又逢生机。到80年代，美国环境保护署要求在汽油中添加氧化剂，减少汽车尾气排放。美国东西海岸开放了乙醇汽油市场，促使美国燃料乙醇工业迅猛发展。四是美国具有雄厚的科学技术条件。美国具有深度开发利用玉米资源的科学技术手段，迄今开发利用玉米生产出3500多种产品，使玉米的科技附加值大大提高。
　　一．美国玉米深加工的发展新趋势
　　如前述，美国玉米资源深度开发利用在世界处于领先地位，所以，下面着重考察和分析美国玉米深加工业的发展新趋势，并引出对中国发展玉米深加工业的借鉴。
　　1．美国能源结构由单一化矿物油转变为石油与燃料乙醇相结合
　　生物质能源燃料乙醇在美国迅猛兴起。不仅将改变玉米供求和产销格局，而且将促使液体能源消费结构由单一化矿物油转变为石油与燃料乙醇相结合。美国能源部公布的数据表明，美国燃料乙醇的生产和使用发展异常迅猛。燃料乙醇年产量增长37．85亿L用了10年时间，年产量突破75．7亿L，也用了10年时间，而年产量由75．7亿L提高到113．35亿L，仅用了2年时间。
　　目前，美国燃料乙醇的生产量约占世界总产量的33％，燃料乙醇的使用量也迅速增加。在1981年，美国燃料乙醇的使用量为10．18亿L，到2000年，猛增到60．56亿L，到2005年，则增加到了151．4亿L，美国政府计划到2010年，燃料乙醇的消耗量将达到227．1亿L。
　　2007年2月，美国农业部公布的2007年世界农业长期展望报告显示，未来几年美国玉米供求关系将因发展燃料乙醇而发生明显改变。2010年以前美国燃料乙醇消费将保持高速增长，至2010年，美国燃料乙醇消费玉米数量将超过1亿t，成为改变美国玉米供求关系的最主要因素。2006年美国燃料乙醇产量已经达到189．25亿L，2007年预计达到340．85亿L。2007年1月份，美国提出一个更高的目标，规划2015年燃料乙醇总目标达到1324．75亿L，假设其中玉米燃料乙醇为567．75亿L，消耗玉米数量达到1．4亿t，如果其他生物质燃料乙醇生产发展速度较慢，玉米消耗数量将更高。
　　2．美国玉米资源由单一化开发利用转向综合化开发利用路线
　　随着对玉米构成成分和价值属性科学认识的提高，加上加工技术的革新，玉米综合化开发利用路线完全改变了玉米单一化开发利用路线。用先进检测手段测定的结果表明，按照重量划分，玉米粒(约含)干基淀粉70％、蛋白质9％、油脂4％和纤维9％。采用玉米综合化开发利用路线，可以有效突破传统的、只加工生产低附加值产品的玉米初加工业的局限和束缚，开拓加工生产包括醇、氨基酸、微生物、低聚糖和多糖、酶制剂、单细胞蛋白、抗生素等高附加值产品在内的现代玉米产业，被提高到发展“玉米产业经济”的高度。在美国，农业和农村经济的发展已大大得益于发展“玉米产业经济”。换句话说，美国“玉米产业经济”的兴起带来多方面巨大利益：增加了就业岗位；提高了玉米价格；扩大了税源。以美国1座年产1．514亿L乙醇的干磨厂为例，每年支付采购玉米原料、雇用工人和公用工程等各项费用高达5600万美元，另外，还为州和地方增加税收120万美元。如今，在生产乙醇地区的玉米普遍增值，农产从中取得了可观的经济效益。
　　3．由开放型短产业链转向封闭型长产业链
　　这种转变的实质就是对玉米资源采用“循环经济发展模式”。在玉米综合化开发利用路线下，传统的直线开放型短产业链，即只能生产一种或两种产品的玉米加工业被淘汰了，取而代之的是现代封闭型长产业链玉米加工业。所谓“直线开放型”是对玉米资源一次性开发利用，初加工后的副产品大多当作废弃物扔掉了，造成资源的浪费和环境的污染。与“直线开放型”对应的是“曲线封闭型”，即对玉米资源进行多次性开发利用，初加工后的副产物经过无害化处理又作为资源二次、三次乃至更多次利用了。这就是“循环经济发展模式”中的“3R原则”，即对资源的“减量化使用、无害化再使用和循环化使用”。现在美国采用的玉米乙醇转化工艺分干磨和湿磨两种。
　　前一种工艺投资成本相对较低，除生产乙醇外，其余产品都加工为动物饲料。后一种工艺则是把玉米籽粒分解成淀粉、麸质、胚芽和纤维。与干磨比较，湿磨具有延长产业链的优点：一方面是，利用玉米的多价值属性分别加工出多种产品。诸如利用玉米胚芽生产高营养玉米油，利用玉米糠麸生产高蛋白饲料，纤维和液流混合干燥后也可当作低蛋白动物饲料出售。另一方面是，利用湿磨工艺生产的纯淀粉通过延长产业链进一步加工出多种下游产品。玉米淀粉除经过发酵制取乙醇外，还可制作变性淀粉用于食品业、纺织业、造纸业及黏合剂等。像用于食品业的麦芽糊精和甜味剂(玉米高果糖浆)等都是玉米淀粉经过酶法制取的。现在的玉米加工科技已达到这样高的水平，用酶法可以把淀粉转化为一系列高纯度的葡萄糖下游产品，然后再通过发酵制成各种不同的终端产品。除乙醇外，还可以制成氨基酸、维生素、人造甜味剂、柠檬酸和乳酸等多种多样的产品。尽管目前还不是所有采用湿磨工艺的玉米加工企业都生产上述的全部产品，但是，加工制作多种淀粉产品是常见的。总之，玉米湿磨企业比干磨企业延长了产业链，至少多制取二三个高附加值产品。
　　4．由以玉米淀粉为主转向多种可替代淀粉为原料
　　美国现代玉米深加工业的第三个发展趋势日益显著，就是大力研究用玉米纤维和多种可替代淀粉生产燃料乙醇。
　　(1)研究开发玉米纤维转化生产燃料乙醇。
　　湿磨工艺的一个新方向是寻求把加工过程中产生的价值较低的产物(玉米皮、胚芽等)转化为价值较高的乙醇。玉米纤维中一般含有11％-23％的湿磨剩余淀粉及12％-18％的纤维素。用传统酵母可以把这两种聚合物中的葡萄糖发酵成乙醇。另外，玉米纤维中还含有18％-28％的本聚糖和11％-19％的聚树胶糖，利用基因工程微生物可以高效率地转化生成乙醇，并提高90％的玉米乙醇产出率。另外，这种玉米纤维是湿磨过程中的副产物，因而可就地利用，无须为此增加收集和运输的成本。此外，美国计划扩大乙醇产量以取代10％以上的矿物油燃料。这要求开发成本更低廉的原料。例如，科技界提出的纤维素生物质，其来源十分充足。有的科技工作者认为，各种秸秆是木质纤维素生物质发酵的巨大潜在来源。利用这些生物质进行加工、发酵，都可大幅度增加燃料乙醇产量。然而，事实上，利用生物质原料生产燃料乙醇，还存在很大的限制因素。在技术上，必不可少的水解酶效率很低，且很昂贵。在生产成本上，美国用玉米秸秆生产燃料乙醇，每加仑(约含3．78L)耗资1．45美元。与此相对照，利用玉米淀粉的费用只有0．96美元。
　　(2)开发利用可替代淀粉转化生产燃料乙醇。
　　美国主要是用自产高梁加工高梁淀粉，进而替代玉米淀粉。采用替代淀粉可促使美国玉米带以外地区的燃料乙醇工业迅速发展起来。2004年，美国自产高粱的12％用来发酵生产燃料乙醇。其他国家还有用木薯淀粉、小麦淀粉、大麦淀粉、黑麦淀粉及甘薯淀粉等生产燃料酒精的替代淀粉。
　　(3)湿磨玉米淀粉新产品。
　　很久以来，利用湿磨玉米淀粉除生产燃料乙醇外，还可以生产其他多种新产品，广泛应用于医药、化妆品、造纸和包装行业。美国采用这种新工艺，把玉米淀粉转化为可生物降解聚合物，这类产品可直接与石油基产品媲美，有很大发展潜能。这类产品以可再生资源为原料，替代传统的石化塑料，用来制造注塑产品、塑料薄膜和覆膜纸。目前，以玉米为原料生产的主要产品是发酵酒精、淀粉和淀粉糖，占玉米深加工业消耗玉米总量的95％。在发酵酒精中又以燃料乙醇为主，约占80％上下。淀粉糖中又以葡萄糖为主，约占70％左右。此外，还生产玉米油、淀粉塑料、柠檬酸、乳酸、赖氨酸和山梨酸等。
　　5．由传统工艺技术转向现代新型工艺技术
　　美国在发展玉米精深加工业中不断进行科技创新，特别是节能、节水、节约原料和提高产品质量、提高效率和效益、降低成本费用和减轻环境污染的技术工艺。包括：①乳酸和琥珀酸等有机酸采用膜分离与细菌连续发酵生物反应器耦合技术和双极膜电渗析分离技术，赖氨酸生产采用连续离交法进行分离提纯等。②采用快脱纤维法和快脱胚芽法。这两种方法的主要创新点在于把湿磨系统的某些优点融入干磨工艺中，提高了加工效率，提升了饲料副产品的价值。此外，经过改造的研磨技术有效地提高了发酵罐的实际产量。③开发高浓度(VHG)发酵法。所谓高浓度是指固定物含量高于30％的比重。采用这种新发酵法的技术要求是，通过加入酶制剂(例如蛋白酶、淀粉酶等)或通过双重磨碎实现浆液具有高糖浓度、低黏度。此法的优点是：在理想发酵条件下可产生20％-30％的乙醇，用水量比常规发酵法减少，需要冷却的发酵物料和蒸馏物料量较少，因而降低了能源成本。④减少能源消耗的加工新技术。利用“冷糖化”技术实现了无须用蒸汽对淀粉进行液化就可以从淀粉中用酶法释放出葡萄糖。2004年，开发出用淀粉直接转化成乙醇的、可广泛应用于现代干磨乙醇发酵设施中。无蒸煮冷加工技术的关键是开发高活性和高效益的转化酶。这种冷加工技术的优越性在于提高了转化效益和乙醇产出率；减少了电、水和废物处理的成本；降低了资金和有关维护费用；提高了副产品饲料中的蛋白质含量和品质。然而，这项加工技术也存在一定的问题：一是加工过程中需要的高耗酶量及其高成本。二是因为不用巴氏灭菌法，会增加微生物染菌的机会和相应造成较大的损失。尽管冷水解技术存在这些不利因素，但仍然得到广泛应用，因为它提高了乙醇工业的生产率和利润率。⑤玉米醇溶蛋白萃取法。从玉米干磨和湿磨中获取的玉米醇溶蛋白，是一种可生物降解树脂，在食品和化妆品领域极有应用价值。但是，采用从玉米中回收和提纯玉米醇溶蛋白的方法代价极高。现在开发一种玉米油和玉米蛋白萃取新工艺，从研磨碎的玉米或加工副产物中廉价萃取玉米醇溶蛋白，应用于塑料薄膜包装工业，既降低成本，又提高附加值。
　　6．采取有利于玉米资源深度开发利用的财政金融政策
　　美国联邦政府和州政府对于玉米深加工业始终采取积极的支持政策。可以说，美国玉米深加工业持续发展的一个重要原因是采取了财政补贴、金融扶持、税收优惠的结果。
　　(1)财政补贴。
　　在不同的州有不同的补贴方式。目前主要有两种形式：一种是政府直接补贴给加工企业，如明尼苏达州政府对加工厂按酒精生产量提供补贴，每加仑(1加仑=3．78L)酒精补贴20美分。另一种是政府在农业政策中对种植玉米的农户提供直接补贴。采取这种补贴措施取决于玉米的市场价格和销售量。当玉米市场价格低时，政府就启动补贴措施。农户的玉米出售量越大，自然得到的补贴款越多。政府对种植玉米的农民提供补贴后，降低了企业收购玉米的价格，相应降低了玉米加工企业的成本，有利于玉米加工业的发展。
　　(2)金融扶持。
　　主要包括两种：一种是商业银行。目前，相当多玉米加工企业建厂资金的50％是从商业银行得到的贷款，政府给予一定扶持。另一种是农业合作发展服务机构。当地政府对农业合作社提供无息贷款，最高可达50万美元。还要说明的是，美国对于玉米资源深度开发的关键科学技术的研究提供支持。联邦和州政府设立基金，资助院校、科研机构开展玉米甲于加工再生能源的研究项目。
　　(3)税收优惠。
　　美国部分州市对燃料乙醇提供税收优惠。例如，明尼苏达州和夏威夷等地都制定和实施关于汽油强制性添加酒精的法案，即在汽油燃油中添加10％的燃料乙醇。政府对汽油中添加10％的乙醇给予减免51％的税收优惠。
　　7．注重玉米燃料乙醇加工企业的现代化管理和社会化服务
　　其特点：一是以现代化管理增强企业优势，提高产品竞争力。二是以社会化服务提高玉米生产者和加工者的组织化程度。作为现代服务形式的社会化服务，是提高玉米生产者、经销商和加工者组织化程度的必要条件。为此，美国成立了“三会”，即：玉米生产者协会，玉米储藏与加工协会，玉米精深加工协会。这三个协会之间长期保持稳定的协作关系，提供信息、市场、咨询、交流等多项服务。
　　二．美国玉米深加工业的发展新趋势及对中国的借鉴
　　美国玉米资源深度开发利用的新趋势和经验为中国提供了宝贵的借鉴。
　　借鉴一，以更新观念为先导。
　　在美国玉米产业领域，传统的、单一化开发利用玉米资源的观念早已被摒弃，代之而起的是把玉米浅层次、单纯用作饲料的单一价值属性，转变为系列化、深度化利用玉米的价值属性。从后一种新观念出发，玉米从一个传统产品概念提升为现代资源理念，玉米不仅具有饲用、食用的价值属性，而且具有能源价值属性和精细化工价值属性。观念的深刻更新，成为发展玉米精深加工业的先导。美国目前对玉米消费的多样性充分展示出玉米资源的系列化价值链。近年来，美国玉米消费结构大体是：饲料工业占59％左右，出口占20％左右，深加工业占18％以上。在深加工业中，主要包括酒精工业、淀粉工业、高果糖浆及其甜味剂等。当然，美国的玉米消费结构也是不断变化的。在2005年，美国玉米产量的14．56％用于生产酒精，到2006年，这一比重上升到20％左右。这主要是玉米燃料乙醇迅猛发展所致。
　　借鉴美国对玉米资源开发利用的理念，中国应该彻底更新观念，转变对玉米资源粗放的、单一的利用，对玉米资源进行精深开发利用，充分挖掘利用其多种价值属性。换言之，要以先进技术工艺合理开发利用玉米的多种成分，生产加工出具有多种使用价值的产品，从而大大提高玉米资源的附加值。
　　借鉴二，以开发粮食替代品为方向。
　　所谓粮食替代品主要包括两类：一类是木质纤维素生物质；另一类是替代“淀粉”。美国政府计划进一步扩大燃料乙醇产量，预计到2010年国内燃料乙醇耗用量达到1800万t，到2020年将增加到3000万t。为此，生产商积极开发成本更低廉的原料，像开发来源充足、可以再生的木质纤维素生物质。在美国，除大力开发玉米纤维之外，还积极研究开发玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆等。但是迄今美国对开发利用木质纤维素生物质生产燃料乙醇，基本上还处于研究阶段。
　　借鉴三，以科技自主创新为动力。
　　一是开资源更丰富、成本更低廉的生产原料。二是开发节能、节水、提高产率的加工技术工艺。三是开发更多新产品和提高产品质量。四是把玉米加工副产物进行无害化处理和资源化利用，开辟“环境友好型”可持续发展的广阔道路。目前，中国特别需要针对发展农业生物质能源中的最关键的问题，加强科技自主创新，转变玉米资源的开发利用方式，即：由粗放型转变为集约型；由高能耗转变为低能耗；由重污染转变为轻污染和不污染；由低效益转变为高效益；由不可持续发展转变为可持续发展。
　　借鉴四，以强化组织领导和国家能源法规为保障。
　　能源是关系国民经济持续发展、人民生活幸福美满的基础性战略物资，中国是一个能源短缺的国家，2006年进口石油量已超过1亿t，开辟生物质能源具有重大战略意义。为高速、稳定、持续振兴起生物质能源产业，需要采取两项重大措施：一是加强组织领导。二是尽快制定一部《国家能源基本法》。