傳統發酵食品產業技術如何轉型升級？

本文來自微信公眾號： 中國工程院院刊（ID：CAE-Engineering） ，作者：夏小樂、吳劍榮、陳堅，本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第2期，題圖來自：視覺中國

開門七件事，“柴米油鹽醬醋茶”，傳統發酵食品與人民群眾生活息息相關，且是具有鮮明中華文化特色的民生產業。傳統發酵食品工業因其工藝傳統、風味獨特、富有民族特色得到人民群眾的廣泛喜愛並獲得持續穩定發展，不僅在食品工業中佔比高、社會影響大，而且日益成為我國輕工食品領域的一張文化名片而被國際社會所關注。相比國際上先進的發酵食品產業，我國傳統發酵食品產業仍存在產品質量不穩定、環保壓力大等問題，亟需全面轉型升級。

中國工程院陳堅院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第2期撰文指出，在全球推進“工業4.0”背景下，釐清我國傳統發酵食品這一重要民生產業的技術現狀、技術升級面臨的挑戰和未來轉型升級方向，提出我國傳統發酵食品產業轉型升級戰略和政策建議具有重要意義。

文章指出，傳統發酵食品產業應通過深入挖掘發酵代謝機制，開發自主成套裝備等推進核心技術提升，進一步加強技術標準統一，推動端到端的整合。最後，通過加強頂層設計與戰略引導，推動關鍵理論與技術基礎突破，培育共享製造新模式，強化政策和保障措施，建設行業標準和生態體系，建設完善面向中國製造2025的新型傳統發酵食品產業。

一、前言

開門七件事，“柴米油鹽醬醋茶”，傳統發酵食品與人民群眾生活息息相關，且是具有鮮明中華文化特色的民生產業。2018 年，我國傳統發酵食品產業總產值超過 1.5 萬億元，約佔食品工業總產值的11%、國內生產總值 （GDP） 的 1.6%。

傳統發酵食品產業作為我國輕工製造業的重要組成部分 ，主要包括白酒、黃酒等酒類製造行業，醬油、料酒、食醋、醬類等調味品製造行業。 傳統發酵食品工業因其工藝傳統、風味獨特、富有民族特色得到人民群眾的廣泛喜愛並獲得持續穩定發展，不僅在食品工業中佔比高、社會影響大，而且日益成為我國輕工食品領域的一張文化名片而被國際社會所關注。

相比國際上先進的發酵食品產業，我國傳統發酵食品產業仍較多采用多菌種混合固態發酵、手工或半機械化操作，生產效率低且能耗高，存在產品質量不穩定、環保壓力大等問題；同時相關企業的研發投入較少，行業集中度低，核心技術不強，市場競爭力亟待提升。因此，我國傳統發酵食品產業的可持續健康發展依賴於全面轉型升級。

《中國製造 2025》明確提出“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針，將“智慧製造工程”“綠色製造工程”作為重點實施的方向。2016 年，工業和資訊化部、財政部發布的《智慧製造發展規劃（2016—2020 年）》提出，加快輕工、食品行業的智慧和綠色製造升級，推進智慧化、綠色化技術在企業研發設計、生產製造、物流倉儲、經營管理、售後服務等全流程的深度應用。

本文著眼於我國傳統發酵食品產業的智慧製造和綠色製造升級課題，研究技術現狀、發展趨勢、面臨問題，提出針對性的轉型升級建議，以期為傳統發酵食品產業的健康發展提供參考。

二、我國傳統發酵食品產業的經營現狀

我國傳統發酵食品種類繁多，按原料不同主要分為發酵穀物、發酵豆類、發酵茶、發酵乳、發酵蔬菜、發酵肉類等，集中在酒業、調味品兩大行業，生產企業則遍佈全國。傳統發酵食品通常採用開放式混菌發酵體系，受環境影響較大，極富區域和工藝特色。當前主要的傳統發酵產業按產值排名，前 5 名是白酒、醬油、黃酒 / 料酒、食醋、發酵醬類 （見表 1） 。這些產品的共有工藝特點是基於複雜的發酵微生物群落代謝，發酵週期較長，代謝產物組成複雜且風味獨特。

表 1 我國傳統發酵食品產業營收狀況

（一）傳統釀酒產業

我國傳統釀酒包括白酒、黃酒。白酒的年銷售額近 5 年穩定在 5500~6500 億元，在傳統發酵食品中佔比較高 （接近 70%） ； 雖然利潤逐年上升，但是產值卻逐年下降 。當前白酒行業的營收與利潤呈兩極分化，類似於茅臺的大單品不斷湧現，行業集中度明顯提升。2018 年白酒企業營業收入超百億元的是貴州茅臺集團、五糧液集團有限公司、洋河酒廠股份有限公司、瀘州老窖股份有限公司， 4 家企業淨利潤合計佔全行業上市公司的 87%，但同期全行業虧損面也超過 10%。

相較而言，黃酒行業在傳統四大酒種中的營收墊底，2016 年全國黃酒銷售為 196 億元，2018 年之後下降到 170 億元左右。黃酒前三強企業 （古越龍山紹興酒股份有限公司、會稽山紹興酒股份有限公司、金楓酒業股份有限公司） 營收僅佔行業總收入的 14%，近年來也逐步湧現出張家港釀酒有限公司等優秀企業。

從調研資料分析看 （見表 2） ，傳統釀酒類企業研發投入和人員佔比普遍不高，白酒行業平均為 0.7%，黃酒行業佔比為 0.4%~0.9%，遠低於調味品和其他食品行業。整體來看，傳統釀酒行業產值處於下降趨勢，屬於機中有危；雖然大單品戰略對於龍頭企業有利，但其過度擴張也擠壓了中小企業的生存空間。在智慧財產權方面，白酒行業數量較多，黃酒行業數量較少，但發明專利佔比不超過 30%，幾乎沒有酒類企業進行全面的智慧財產權佈局。

表2 2018 年部分傳統發酵食品企業的研發投入情況

（二）發酵調味品產業

近 3 年我國發酵調味品行業產值和利潤基本呈上升趨勢，其中醬油佔比最大；2018 年醬油產量達到 1.04×10 ⁷ t，銷售額為 920 億元，排名前六位的企業佔醬油總銷售額的 23% 以上，行業集中度在傳統發酵食品中最高。

相較而言，食醋、料酒、發酵醬等行業的集中度較低，大部分為作坊式企業，僅少數龍頭企業達到較大生產規模。食醋產業產能相對集中，江蘇恆順醋業股份有限公司的營收佔比達 5.2%，排名隨後的 3 家企業合計佔比為 9.7%； 2018 年食醋產量接近 5×10 ⁶ t，銷售額為 94.8 億元。調味品中料酒增長較快但競爭激烈，排名前五位企業營收合計佔比約為 17%，集中在老恆和、老才臣、王致和、恆順等品牌。

發酵醬主要是以豆類為原料發酵的調味品，包括郫縣豆瓣醬、黃豆醬、腐乳、豆豉等，全年產量維持在 7.5×10 ⁵ t 左右；其中海天味業有限公司憑藉技術與品牌優勢，佔據黃豆醬市場 32.8% 的份額。郫縣豆瓣醬是獨特的地理標誌產品，近年來發展迅速，2018年銷售接近100億元；丹丹、飯掃光、鵑城等品牌佔據較大份額，通過地理產品標準形成了一定的產業叢集優勢。

（三）小結

在我國傳統發酵食品中，白酒行業近 3 年總產量下降，淨利潤卻逐年上升；黃酒行業有所下降，料酒行業產量和利潤均上升；調味品行業近 3 年產量和利潤呈持續上升趨勢。

傳統發酵食品行業集中度不斷提升，尤其是醬油和白酒行業，大品牌、大單品效應日趨顯著。傳統發酵食品企業的技術創新和科技導向日益增強，科研投入、研發人員佔比增加，科研平臺和獨立核算研發公司的數量均有不同程度增長。

白酒產業雖然佔據最大產值和利潤，但是研發投入佔比較低，僅為 0.1%~0.6%；產值排名第二位的醬油產業的研發投入佔比最高，介於 1.4%~3.0%；白酒和醬油的部分龍頭企業擁有大量的授權發明專利，初步實現了核心技術的智慧財產權佈局。在創新平臺方面，白酒和黃酒行業各有 1 個國家工程技術中心，白酒行業擁有 5 個國家級企業技術中心；調味品行業僅有兩家企業獲批國家級企業技術中心；醬油行業沒有國家級研發平臺，僅有數個省級工程中心。

三、傳統發酵食品行業智慧製造技術發展現狀

我國傳統發酵食品生產一般採用固態 / 半固態發酵工藝，以賦予產品獨特的風味，滿足消費者的需求。除了高鹽稀態醬油和少部分黃酒、小曲白酒等採用大罐或槽車等機械化水平較高的發酵方式之外，大部分企業仍採用傳統固態發酵方式。同時，相關行業面臨用工、能源等綜合成本增加，消費升級和全球化激烈競爭等態勢，促使企業必須通過轉型升級才能提高市場競爭力。

從已有轉型較為成功的發酵食品行業來看，啤酒生產已經初步實現了數字化製造，並開始探索供應、製造、設計的三鏈融合釀造；醬油行業在綠色製造方面也有較多嘗試，龍頭企業的綠色製造水平普遍較高。筆者前期對傳統發酵食品企業進行多方面調研發現，產值較高的白酒和醬油產業在研發上投入較多，技術和裝置較為先進。因此，本文針對這兩個典型產業進行詳細分析，梳理轉型升級面臨的主要問題。

（一）白酒產業智慧製造現狀

工業 2.0、3.0、4.0 概念在製造業各領域的含義和理解均有不同。對於傳統發酵食品產業，進入工業 2.0 的標準是實現電氣化與自動化；進入工業 3.0 的標準是應用電子與資訊科技，進一步提高傳統發酵食品生產的自動化水平。發酵食品產業的工業 4.0 是實體物理世界與虛擬網路世界融合，生產全過程的數字化、網路化、智慧化是突出特點。白酒因其固態發酵工藝帶來了發酵機理不清、線上感知困難等問題，使得機械化、自動化水平發展較慢。

“十一五”以來，隨著龍頭企業和行業協會的努力，尤其是中國酒業協會組織的白酒“169 計劃”“158 計劃”，通過資金共同投入、成果共有共享這一新模式，白酒行業在機械化制曲、蒸餾、廢棄物處理等方面均取得了較大進展，整個行業機械化、自動化、資訊化水平得到了較大提升 （見圖 1） 。在微生物發酵方面，開發了機械化制曲的技術裝備，實現了曲料堆積機械自動化生產，基於物聯網實現了白酒發酵池部分資料的線上監控。白酒生產的後處理方面基本實現了自動化生產，開發了智慧機器人上甑系統等管理系統。

整體來看， 我國白酒企業在製造方面達到了工業 3.0 水平 ，通過智慧化釀造車間、生產線和監控系統方面的必要投入，提高了勞動生產效率和出酒率；但在窖池發酵階段，受限於機理解析程度不夠，雖有窖池物聯網等新技術嘗試，但 仍處於半機械化生產狀態 。

圖 1 白酒釀造的機械化、自動化

（二）醬油產業智慧製造現狀

傳統醬油釀造方法是高鹽固態發酵工藝，生產效率較低。日本企業在釀造機理解析結果的基礎上，設計了純種接力高鹽稀態深層發酵工藝，發明應用了圓盤制曲機，顯著提高醬油生產效率且過程高效可控，缺點是少量風味丟失。廣東省日照充足、溫度波動小，廣式高鹽稀態醬油是對日式工藝的“揚棄”；龍頭企業摒棄能耗高的加酵母低溫發酵過程，採用後期陽光晒制工藝，獲得光照所帶來的醬油風味並提高了產能。醬油釀造已經達到數字化製造的初期階段，正在探索製造與供應鏈的融合。

以海天味業有限公司為例，在發酵、釀造、灌裝、倉儲等環節基本實現了自動化，部分生產環節實現了數字化製造；引入了鐳射直接成型 （LDS） 、學習管理系統 （LMS） 、生產管理系統 （MES） 、企業資源計劃 （ERP） 、智慧立體倉庫、機器人碼垛系統、極速灌裝系統等。李錦記醬料集團、加加食品集團股份有限公司均完成了 2000 多個先進線上感測器的工程安裝，實時採集生產資料，實現全工段網路化，初步達到工廠數字化製造水平。

（三）智慧製造技術應用情況及專利

筆者對全國傳統發酵食品行業 57 家主要企業的專利和研發投入進行了比較分析。 結果表明，傳統發酵食品產業的智慧製造相關技術裝置集中在包裝灌裝等環節，發酵食品產業智慧製造尚處於起步階段，大多數企業仍處於工業 3.0 及以下水平 （見圖 2） ；部分大型醬油企業在機械化、自動化、數字化製造方面走在了行業前列，達到工業 3.0 水平，初步實現數字化製造；白酒和黃酒企業大部分處於工業 2.0 和工業 3.0 之間；部分料酒企業採用大型發酵罐形式的連續自動化控制生產，基本處在工業 3.0 末期；食醋企業的技術水平跨越比較大，各個企業技術水平相差較大，從工業 2.0 到數字化製造企業都有；發酵醬類企業大部分處於工業 2.0 水平，少數達到工業 3.0 水平。

另外統計結果表明 （見圖 3） ，32% 的發酵食品企業未使用智慧監控裝置， 64% 的未使用智慧生產系統，17% 的未使用智慧管理系統，49% 的車間沒有聯網，43% 的未使用工業機器人，79% 的沒有自動立體倉庫。

圖2 我國傳統發酵食品產業的智慧製造水平

圖3 傳統發酵食品企業智慧製造相關技術和裝置應用情況

注：OA 指辦公自動化；CRM 表示客戶關係管理；PDM/PLM 表示產品資料管理 / 產品生命週期管理。

四、傳統發酵食品行業綠色製造技術發展現狀

綠色製造目標是在產品的設計、製造、包裝、運輸、使用、報廢處理的整個生命週期中，對環境負面影響最小，資源利用率最高，促進企業經濟效益和社會效益協調優化。工業和資訊化部公佈的 1407 家綠色工廠名單中，食品領域的綠色工廠有 119 家，佔總量的 8.5%，傳統發酵食品綠色工廠數量少 （23 家） 、佔比較小 （1.6%） ；其中白酒企業 16 家，醬油企業 3 家，食醋企業 1 家，醬菜企業 2 家。

分析調研企業的資料發現，傳統發酵食品企業在綠色製造創新方面重點提升資源利用和清潔生產的水平，包括節能減排、迴圈利用、使用新能源等，而在綠色製造技術創新方面考慮較少。大部分的白酒、醬油、食醋企業已制定了相應的企業標準和規範，明確資源利用水平的評價指標，2019 年開始執行新的穀物釀造料酒的團體標準；黃酒和發酵醬企業尚未制定節能、清潔生產方面的企業自有標準。

傳統發酵食品企業產生大量固液廢棄物，如白酒方面是富含稻殼的酒糟，醬油方面是大量醬渣，黃酒和料酒方面是副產的酒糟、含酸廢水。針對固體廢棄物，相應處理方法酒糟燃燒產蒸汽、將酒糟用作牛羊飼料原料。

另外，不少白酒企業建立自有原料基地並將酒糟還田，不少白酒企業建立了綠色園區並形成一產、二產、三產聯動；典型如茅臺生態迴圈經濟產業示範園區、赤水河生態修復園區、洋河生態小鎮等。醬油企業實現綠色生產不存在難以突破的技術瓶頸，目前龍頭企業研發投入力度、綠色製造水平均較高；如在節能減排方面，海天味業有限公司建設了冷凝水回收系統、二次蒸汽回用於預熱、中水回用、壓縮機餘熱回收等節能系統。

整體來看，我國傳統發酵食品產業的綠色製造發展良好，後續技術升級重點在於原料綠色化、生產潔淨化、廢棄物資源化、能源低碳化。

五、傳統發酵食品產業升級面臨的問題

（一）產業研發創新投入不足，智慧財產權保護意識淡薄

我國傳統發酵食品產業的發展由以家庭為單位的小作坊式生產模式逐步向工業化高度整合的工廠生產模式發展，縱觀產業發展歷程，對研發創新的重視程度及實際投入始終處於低位，如調味品行業企業研發投入比重介於 1.4%~3.0%，釀酒行業僅為 0.1%~0.6%。在智慧財產權方面，傳統發酵食品產業共申請專利 56 729 項，而其中的 47.64% 為外觀設計專利；全行業擁有最多專利數的單一公司僅有 900 餘項，遠低於其他行業的合理水平。

（二）產業整體能耗高、環保壓力大，綠色製造體系不完善

綠色製造就是使產品全生命週期中的經濟效益與社會效益協調優化。我國傳統發酵食品產業始終存在能耗高、汙染壓力大、新技術應用不足的問題。產業細分領域的龍頭企業在轉型升級方面聚焦於加強資源利用、提升清潔生產水平，而對於綠色製造核心技術研究與應用創新關注較少。相關的中小企業升級能力嚴重不足，基本處於被動應付狀態，且業內不同細分領域之間發展不均衡。

（三）產業智慧製造轉型處於初級階段，核心裝備進口依賴度偏高

我國傳統發酵食品產業生產技術水平整體較低，工藝個性突出，發酵階段不僅具有流程性製造過程不間斷的特徵，而且微生物反應使得體系組分不斷變化。引入的智慧製造系統需要同時具備實時感知、主動決策 （甚至自主決策） 能力，較高的技術和裝置要求導致體系化構建較為困難，因而國產成套通用裝備匱乏，核心關鍵裝備 60% 以上依賴進口。我國傳統發酵產業缺乏明確的、具有可操作性的智慧化升級路徑，智慧製造體系不完善，關鍵共性技術研究不充分，軟硬體銜接研究與應用尚不成熟。

（四）產業離散度高，企業盈利能力不足

從傳統發酵食品產業的發展歷史沿革看，行業呈離散型分佈，中小企業數量佔比高，整體技術水平較低，抗風險能力較弱。近年來，我國傳統發酵食品產業總產值和利潤保持了 3%~5% 的年增長率，但不同行業之間差異較大。以產業內體量最大的白酒行業 （體量佔比約為 70%） 為例，近 5 年銷售總額穩定在 5500~6500 億元，但行業整體虧損面接近 10%。受新型冠狀病毒肺炎疫情影響，2020 年中小型企業受到劇烈衝擊，對我國傳統發酵食品產業構成了明顯影響。

六、對策建議

（一）推動關鍵理論與技術裝備突破

加強傳統發酵工藝機理研究對於產業的智慧與綠色製造升級具有重要作用，可以支援發酵過程共性技術研發，釐清關鍵機理。傳統發酵食品產業的核心競爭力是微生物群落交替與代謝調控機理，主要功能菌群尤為重要；可推動現代生物學、生物資訊學、電腦科學的交叉應用，實現在傳承工藝與產品特色基礎上對發酵工藝進行有效的調控。採用合成微生物群落技術、活細胞高通量篩選技術，推動實現基於釀造本質的新一代智慧高效釀造生產技術，這是推動釀造標準化、實施智慧化改造的關鍵舉措 （見圖 4） 。

此外，針對傳統發酵食品行業制定關鍵共性技術規劃和戰略佈局，引導上下游企業參與關鍵共性技術攻關也顯迫切，具體包括：加強發酵過程關鍵機理研究，加強大資料驅動的發酵工業過程執行動態的智慧建模，強化“演算法 + 工藝”融合基礎理論，推動工藝和裝備間的融合與協同發展，推動通用型技術、裝備和控制系統與發酵食品的融合。

圖4 新一代高效智慧釀造路徑

（二）建立統一標準，推動端到端整合

在未來“工業 4.0”示範工廠中 （見圖 5） ，多種軟硬體系統用於供應鏈及上游、生產製造及物流、渠道及消費者、產品設計研發的高效管理，通過各種感測器收集工廠各個工段的資料，實現工廠數字化、產品製造智慧化。底層資料採集通訊是關鍵環節，應強化不同條塊之間標準的統一。

在國際層面，融合國家概念 （整合標準化） 、系統級標準化 （用例標準化） 、標準化連線協議 （通訊標準化） ，建立統一的資料規範和資料口徑。加強不同硬體供應商之間軟硬體的相容，建立各單元之間的標準化資料結構和介面，對各流程環節的資料處理方式進行梳理和統一，最終實現同一產業鏈中跨行業的相互協調。在政策層面，重點支援標準制定和修訂工作，將標準建設工作的階段性成果及時應用於試點企業，形成邊制定、邊驗證、邊推廣的發展模式，引導基於智慧製造的企業升級工作不斷走向深入。

圖5 傳統發酵食品企業未來“工業 4.0”示範工廠

注：SAP 表示企業管理解決方案；CRM 表示客戶關係管理；SFA 指銷售自動化系統；PIM 表示個人資訊管理器；MDM 表示移動裝置管理； LIMS 表示實驗室資訊管理系統；QC 表示質量控制；KPI 表示關鍵績效指標。

（三）培育共享製造新模式，推動技術進步

對於缺乏升級能力的中小企業和細分行業，積極推進共享經濟模式，通過能力共享提升行業技術裝備水平，主要措施包括製造能力共享、創新能力共享、服務能力共享。通過培育共享製造模式，彙集社會多元化的智力資源，發展多工廠協同的共享製造服務，從而減少中小型企業轉型升級成本，快速提升行業技術水平。

通過多種形式的“產學研”合作，建立創新能力共享新模式，整合資源並全力服務中小企業。在服務能力共享方面，圍繞物流倉儲、產品檢測、裝置維護、驗貨驗廠、供應鏈管理、資料儲存與分析等企業普遍存在的共性服務需求，整合社會服務資源，探索集約化、智慧化、個性化的發展模式，保障傳統發酵食品產業全面發展。此外，在採用共享模式推動技術進步的同時，也要避免未來產品的同質化、生產工藝的非特色化問題，可在管理部分統籌規劃、鼓勵創新並保護智慧財產權等方面前瞻應對。

（四）創新綠色製造和清潔生產技術，提升資源利用水平

加強釀造原料全值化利用技術的研發，在每一個環節都“吃幹榨盡”；在保證或提升產品風味品質的基礎上，整合應用提取、分離、乾燥等型別過程加工技術，有效提升生產各環節的資源利用率。此外，通過多種途徑技術整合來提升能源利用效率：採用先進節能技術裝備，強化技術節能策略，推進落後裝置淘汰更新；創新生產過程技術 （如高產菌株、熱泵技術等） ，降低單位工業增加值能耗；建立能源管理體系，提升節能管理水平；開發可再生資源，建立廢物資源化、能源低碳化的綠色工廠，提高一次能源利用率。

注：本文內容呈現略有調整，若需可檢視 原文 。

本文來自微信公眾號： 中國工程院院刊（ID：CAE-Engineering） ，作者：夏小樂、吳劍榮、陳堅