總體情況
馬鈴薯生長(zhǎng)在北緯40度至55度之間適宜的土壤和氣候條件下。主要的馬鈴薯生產(chǎn)國(guó)家為：荷蘭、德國(guó)、法國(guó)、波蘭、波羅的海諸國(guó)、俄羅斯、中國(guó)和美國(guó)。馬鈴薯淀粉的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)始于19世紀(jì)初期。在時(shí)代變遷的過(guò)程中，馬鈴薯淀粉不得不與來(lái)自其他原料的淀粉競(jìng)爭(zhēng)：諸如玉米和小麥。例如，在美國(guó)，l 860年共有大約220家馬鈴薯淀粉廠。l 900年以后，當(dāng)玉米的生產(chǎn)顯示出更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性時(shí)，這個(gè)數(shù)字顯著減少。l 998年歐共體國(guó)家的淀粉總產(chǎn)量為780萬(wàn)噸，其中48％為玉米淀粉，27％為小麥淀粉，24％為馬鈴薯淀粉，而1％為大麥和大米。目前在全世界，歐共體是最重要的馬鈴薯生產(chǎn)者。在各個(gè)歐共體國(guó)家，馬鈴薯的生產(chǎn)量受到配額限制。
玉米、小麥和馬鈴薯淀粉生產(chǎn)工藝的比較
比較種植玉米、小麥和馬鈴薯三者之間每公頃總干物產(chǎn)量和每公頃淀粉干物產(chǎn)量，結(jié)果顯示種植馬鈴薯獲得的產(chǎn)量最高。然而，種植馬鈴薯時(shí)收率的優(yōu)勢(shì)完全被種子的成本抵消，因?yàn)轳R鈴薯薯種的成本大約是小麥種子的2倍，是玉米種子的1．7倍。
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總干物產(chǎn)量 |
淀粉干物產(chǎn)量 |
相對(duì)種子成本 |
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馬鈴薯 |
7．8噸／公頃 |
5．1噸／公頃 |
1．7 |
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玉米 |
5．8噸／公頃 |
4．3噸／公頃 |
1 |
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小麥 |
4．2噸／公頃 |
2．8噸／公頃(優(yōu)質(zhì)淀粉) |
0．85 |
加工玉米、小麥或馬鈴薯另一個(gè)重要的不同之處，在于加工時(shí)所獲副產(chǎn)品的范圍和對(duì)該加工裝置創(chuàng)造利潤(rùn)所起的作用。
淀粉的收率和各個(gè)副產(chǎn)品的收率如下表：
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玉米 |
小麥 |
馬鈴薯 |
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淀粉 67％ 干基
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A—淀粉 55％ 干基 |
淀粉 65.6％ 干基
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注：如果括號(hào)內(nèi)的副產(chǎn)品僅回收一部分或未回收，則剩余的部分最終進(jìn)入廢水。
在加工玉米時(shí)，所獲得的副產(chǎn)品麩質(zhì)、纖維飼料和胚芽都是市場(chǎng)所需的商品，它們對(duì)該工廠的創(chuàng)利起著顯著的作用．小麥的加工及副產(chǎn)品小麥面筋的計(jì)算也是相同的．
在加工馬鈴薯時(shí)，最有價(jià)值的產(chǎn)品是淀粉。副產(chǎn)品為薯渣、 以及取決于工藝的：或是稀釋的或濃縮的細(xì)胞液，或是(絮凝的)馬鈴薯蛋白粉(PPP)，或是(絮凝的)蛋白粉和(濃縮的)馬鈴薯液體蛋白(PPL)，它們都是價(jià)值較低的副產(chǎn)品，很難對(duì)加工工廠的創(chuàng)利起作用。
其它的主要不同之處為：
每年的生產(chǎn)期
馬鈴薯淀粉工廠每年的加工期只有100—110天，而玉米和小麥淀粉廠的加工期為340—350天。
對(duì)環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)
馬鈴薯淀粉工廠排放的廢水量要比玉米或小麥淀粉廠大的多，尤其是在不回收蛋白(PPP和／或PPL)的情況下。
投資
馬鈴薯淀粉廠的投資要比玉米或小麥淀粉廠低。上述的比較似乎是，從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看，為了生產(chǎn)淀粉，加工馬鈴薯與加工玉米和小麥相比，處于更不利的地位。因此可以預(yù)料到，馬鈴薯在淀粉產(chǎn)量中的份額將不會(huì)增加，甚至可能變得受到擠壓。然而在一些地區(qū)，因種種原因必須種植和加工馬鈴薯，而且馬鈴薯淀粉的生產(chǎn)受到農(nóng)業(yè)政策的支持，馬鈴薯淀粉工業(yè)就能夠蓬勃發(fā)展。
工藝技術(shù)的發(fā)展
馬鈴薯淀粉生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝已經(jīng)應(yīng)用了超過(guò)百年，而且事實(shí)上沒(méi)有什么改變。其發(fā)展主要在于設(shè)備效率的改進(jìn)提高，以及為了減少水耗和廢水排放，從細(xì)胞液中回收蛋白的技術(shù)得到了應(yīng)用。
原料接收
通常馬鈴薯用卡車(chē)運(yùn)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)�？ㄜ�(chē)經(jīng)過(guò)過(guò)磅并取樣若干測(cè)定卡車(chē)所載的平均淀粉含量。過(guò)磅和取樣的結(jié)果決定農(nóng)場(chǎng)主所獲的價(jià)格。卡車(chē)接著駛向一種朝著卡車(chē)側(cè)面的橋架，使馬鈴薯能夠從卡車(chē)上下落到儲(chǔ)斗中。輸送機(jī)將馬鈴薯從儲(chǔ)斗輸送到干法凈化轉(zhuǎn)籠，在這里，附著的泥土和粗雜質(zhì)被清除。干法凈化后，馬鈴薯用輸送機(jī)輸送到馬鈴薯儲(chǔ)庫(kù)。
馬鈴薯儲(chǔ)存
儲(chǔ)存設(shè)施的設(shè)計(jì)，不同的淀粉生產(chǎn)者，能夠相差非常懸殊。儲(chǔ)存設(shè)施的能力根據(jù)馬鈴薯入庫(kù)的規(guī)律為1—3天。一種實(shí)際的做法是將馬鈴薯儲(chǔ)存在v形的(水泥)儲(chǔ)槽中，底部帶有水力輸送溝槽。儲(chǔ)槽可以布置成平行兩排，之間有一個(gè)主溝槽。這些在儲(chǔ)槽底部的溝槽用開(kāi)／關(guān)滑閥與主溝槽相連。馬鈴薯通過(guò)溝槽水力輸送到馬鈴薯清洗工序。馬鈴薯通過(guò)一個(gè)可(部分)移動(dòng)的帶式輸送機(jī)進(jìn)入儲(chǔ)槽。
馬鈴薯清洗
馬鈴薯清洗工序通常包括：
除石器，在這里，石頭、泥沙和其它重的雜質(zhì)靠重力與馬鈴薯和其它漂浮物分離。
馬鈴薯清洗機(jī)，在此，馬鈴薯被攪拌，泥土和其它附著物靠剪切力從馬鈴薯表皮上分離。
分葉器，在這里，漂浮物如葉子、雜草等被分離。
新鮮水從工序的最后一級(jí)加入，與馬鈴薯的流向相反，逆流而行。工序排放的水含有泥沙，用泵輸送到除砂站將這些雜質(zhì)分離。除砂后，輸送到洗水循環(huán)罐。一部分洗水排放到廢水中．排放的量通過(guò)加入來(lái)自淀粉濃縮的溢流和／或新鮮水補(bǔ)償。洗凈的馬鈴薯用帶式輸送機(jī)和提升機(jī)輸送到銼磨工序的進(jìn)料儲(chǔ)斗。
破碎和淀粉提取
破碎最初是用各種各樣的磨來(lái)進(jìn)行的，例如錘磨。在此特殊應(yīng)用中，該設(shè)備有限的效率，使得只有大約80—85％的淀粉能被提取。在五十年代(低速)銼磨機(jī)應(yīng)用于馬鈴薯破碎的操作，特別是在七十年代高速挫磨機(jī)的應(yīng)用，顯著地改善了提取率。現(xiàn)代化的銼磨設(shè)備，正如今天由各個(gè)歐洲公司(豪威、拉爾森、尼沃巴)提供的，達(dá)到了95—98％的提取率。這些類(lèi)型的銼磨機(jī)轉(zhuǎn)子的操作轉(zhuǎn)速在20 00轉(zhuǎn)／分以上。安裝著一種鋸刀(銼磨刀片)的轉(zhuǎn)子對(duì)著銼磨區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)，破碎馬鈴薯并碎裂細(xì)胞壁，然后釋放出淀粉顆粒。銼磨刀片易受到嚴(yán)重磨損，需要每2—4天更換一次�，F(xiàn)有的靈巧設(shè)計(jì)和工具可以快速翻轉(zhuǎn)或更換銼磨刀片。
為了避免淀粉變色，在銼磨時(shí)以及銼磨后即刻將夾帶空氣現(xiàn)象減少到最低程度，并且加入一些含亞硫酸的稀釋水，這是很重要的。在不回收細(xì)胞液的工藝中，馬鈴薯漿被泵從挫磨機(jī)輸送到淀粉提取工序。在淀粉提取工序中，薯渣從淀粉懸浮液中分離出來(lái)，為了將淀粉損失降到最低程度，薯渣在若干級(jí)中洗滌。原來(lái)提取是由慢速旋轉(zhuǎn)(圓柱形)篩來(lái)完成的，接著是平面篩，有時(shí)帶振動(dòng)。并帶噴水用于薯渣的洗滌。纖維和后來(lái)的尼龍?jiān)米骱Y網(wǎng)的材料。 在該系統(tǒng)，洗滌的薯渣含有l(wèi) 2—15％的游離淀粉。在本世紀(jì)六十年代，靜止篩網(wǎng)—不銹鋼制造的曲篩，被介紹到馬鈴薯工業(yè)界用于淀粉提取和薯渣洗滌．該篩網(wǎng)系統(tǒng)在很多歐洲馬鈴薯淀粉工廠投入使用并成功地運(yùn)行．與以前的系統(tǒng)相比，甚至在減少洗水流量的情況下，薯渣中的游離淀粉還能減少到3％以下．
帶有薯渣洗滌和內(nèi)部衛(wèi)生清洗(CIP)可能性的快速旋轉(zhuǎn)離心篩在六十年代初被(阿法拉伐公司)推廣并成為此工序的現(xiàn)代化的設(shè)備。此系統(tǒng)今天是由四臺(tái)離心篩組成(四級(jí))。像曲篩系統(tǒng)一樣，薯渣用洗水以逆流洗滌方式洗滌。游離淀粉的損失降到2％以下。除了減少淀粉損失，該系統(tǒng)還具有減少空氣混入(形成泡沫)并且不需要任何平衡罐。此系統(tǒng)可由幾個(gè)歐洲供貨商提供，例如阿法拉法、豪威、拉爾森、尼沃巴、斯達(dá)科薩等等。薯渣進(jìn)一步在相同的離心篩中脫水并排放。如果薯渣需要干燥，則在干燥前薯渣進(jìn)一步在擠壓機(jī)和／或臥螺離心機(jī)中脫水。
淀粉濃縮
在淀粉的洗滌前，淀粉濃縮是必要的。起初淀粉濃縮是在濃縮槽中間歇地進(jìn)行的。在濃縮槽中淀粉通過(guò)沉降作用得到濃縮。當(dāng)?shù)竭_(dá)充分的濃縮效果時(shí)，淀粉上面的細(xì)胞液泡沫被排出。在本世紀(jì)二十年代，真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)被推廣用于淀粉的濃縮。在四十年代和五十年代，該過(guò)濾機(jī)被早期的臥螺離心機(jī)和碟片噴嘴離心機(jī)(阿法拉伐)取代。
在五十年代期間，在道爾奧立弗公司(現(xiàn)阿法拉伐公司)成功地開(kāi)發(fā)了用于玉米淀粉工業(yè)的多管旋流器之后，后者在六十年代備道爾奧立弗公司推廣到馬鈴薯淀粉工業(yè)界。今天，用于淀粉濃縮的現(xiàn)代化的技術(shù)是：小型淀粉廠使用多管旋流器或碟片噴嘴離心機(jī)，而大型淀粉廠則專(zhuān)門(mén)使用碟片噴嘴離心機(jī)。淀粉濃縮的溢流是廢水，濃縮物被泵輸送到細(xì)篩分和淀粉洗滌工序。
細(xì)纖維篩分和淀粉洗滌
濃縮的淀粉漿料仍然含有細(xì)纖維，通常是在淀粉洗滌前去除。起初，纖維篩被用于此操作。在六十年代與曲篩被推廣的同時(shí)，道爾奧立弗公司(現(xiàn)阿法拉伐公司)開(kāi)發(fā)了用于細(xì)纖維篩分的靜止篩。這些篩具有300度的篩面，用不銹鋼制造。這種類(lèi)型的篩網(wǎng)現(xiàn)在仍然用于細(xì)纖維篩分。但是現(xiàn)代的篩網(wǎng)帶有自動(dòng)衛(wèi)生清洗裝置。除了300度篩網(wǎng)以外，與淀粉提取系統(tǒng)相同的離心篩現(xiàn)在也用于細(xì)篩分。在用多管旋流器洗滌淀粉時(shí)，細(xì)纖維篩分不是在洗滌之前，而是在洗滌之后。
淀粉的洗滌起初是在若干級(jí)洗滌槽或沉降流槽中進(jìn)行。在兩種方法中淀粉靠重力沉降下來(lái)，雜質(zhì)隨著溢流排出。通過(guò)用新鮮水使淀粉成為懸浮液然后再沉降的方法，淀粉逐漸提純到要求的質(zhì)量。非常清楚， 以上的方法對(duì)操作人員非常敏感，它要求操作者非常留心，而且由于在各種操作中長(zhǎng)時(shí)間停留，能夠發(fā)生細(xì)菌活動(dòng)，這對(duì)淀粉的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。本世紀(jì)五十年代，(阿法拉伐)噴嘴離心機(jī)應(yīng)用于淀粉洗滌，極大地改善了洗滌操作。
另一項(xiàng)重要的創(chuàng)新是，在六十年代由道爾奧立弗公司(現(xiàn)阿法拉伐公司)推廣多管旋流器用于此項(xiàng)操作。多管旋流器的引入，允許進(jìn)行A淀粉(粗顆粒)和B淀粉(細(xì)顆粒)的分級(jí)操作以及對(duì)這些淀粉分別洗滌。 (在l 5mm旋流管中)分級(jí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：細(xì)纖維和B淀粉能夠從(粗顆粒)的A淀粉中分離出來(lái)并使用非常細(xì)的篩網(wǎng)分離細(xì)纖維，使淀粉損失最小。使用非常細(xì)的篩網(wǎng)以及分別洗滌A淀粉(在15mm旋流管中)和B淀粉(在10mm旋流管中)，極大地改善了淀粉洗滌。在六十年代，由于改進(jìn)了的多管旋流器系統(tǒng)的洗滌以及曲篩的應(yīng)用，洗水的消耗能夠從5—10立方米／噸馬鈴薯減少到3立方米／噸馬鈴薯以下。
上述淀粉洗滌的多管旋流器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)已為碟片噴嘴離心機(jī)的供應(yīng)商所理解，他們推廣了具有相同優(yōu)點(diǎn)的三相離心機(jī)。今天碟片噴嘴離心機(jī)(兩相和三相)和多管旋流器系統(tǒng)以廣泛應(yīng)用于淀粉洗滌，并且被公認(rèn)為是現(xiàn)代化的。
上述系統(tǒng)與前面所述的高效銼磨機(jī)和提取系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用，使得新鮮洗水的循環(huán)量能夠降低到O．5—1立方米／噸馬鈴薯，淀粉收率能夠增加到92％以上。
淀粉脫水和干燥
淀粉洗滌之后在真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)(殘留濾餅型過(guò)濾機(jī))上脫水，并在氣流干燥機(jī)中干燥。干燥的淀粉在一個(gè)振動(dòng)篩網(wǎng)上過(guò)篩。顆粒過(guò)大的淀粉返回帶濕磨工序。過(guò)篩的淀粉用風(fēng)力冷卻并輸送到淀粉儲(chǔ)倉(cāng)，或者包裝起來(lái)。在大型馬鈴薯淀粉廠，淀粉儲(chǔ)倉(cāng)能夠具有2萬(wàn)或3萬(wàn)噸的儲(chǔ)存能力。此儲(chǔ)倉(cāng)帶有先進(jìn)的進(jìn)料和出料輸送機(jī)系統(tǒng)，保障無(wú)故障操作。淀粉可以作為商品淀粉出售或在下游工藝中進(jìn)一步加工成各種衍生物。
細(xì)胞液分離和蛋白回收
由于嚴(yán)格的環(huán)保要求，目前歐洲的馬鈴薯淀粉工廠裝備有細(xì)胞液分離和蛋白回收裝置。根據(jù)分離和回收的程度的不同，該系統(tǒng)能夠從相當(dāng)簡(jiǎn)單延展到非常復(fù)雜。在大多數(shù)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，細(xì)胞液由一個(gè)安裝在(在基本工藝中)銼磨機(jī)和提取系統(tǒng)之間的臥螺離心機(jī)從馬鈴薯漿中分離出來(lái)。用這種方法大約有60％的細(xì)胞液能夠分離濃縮出來(lái)，使得蛋白回收有一個(gè)合理的能耗。在整個(gè)系統(tǒng)中，細(xì)胞液在一個(gè)消沫罐中收集。有效的消沫對(duì)于確保蛋白可靠的絮凝是必要的。細(xì)胞液在蒸汽噴射器中實(shí)際發(fā)生絮凝之前，先在一個(gè)快速加熱器中用蒸汽直接加熱的方法預(yù)熱。絮凝現(xiàn)象的發(fā)生分為兩步，用加酸的方法調(diào)節(jié)PH值，接著在蒸汽噴射器中用蒸汽直接快速加熱到100—l 05。C。在快速加熱時(shí)，一部分蛋白發(fā)生絮凝。絮凝工藝是在一個(gè)延時(shí)保溫系統(tǒng)中完成的，之后在一個(gè)閃蒸蒸發(fā)器中冷卻。絮凝的蛋白在一個(gè)中間儲(chǔ)罐中收集并保持懸浮狀態(tài)。絮凝的蛋白進(jìn)一步在一個(gè)特殊的臥螺離心機(jī)中濃縮到干物質(zhì)45—50％并在一個(gè)環(huán)式干燥器中干燥。干燥的產(chǎn)品是馬鈴薯蛋白粉(PPP)。
臥螺離心機(jī)的溢流仍然含有一些沒(méi)有絮凝的(可溶)蛋白成分。可以用蒸發(fā)器濃縮和回收。產(chǎn)品是馬鈴薯蛋白液(LPP)。馬鈴薯淀粉生產(chǎn)工藝的其余部分，淀粉提取、淀粉濃縮等等保持不變。余下的細(xì)胞液將被工藝水稀釋并作為廢水從淀粉濃縮器的溢流中離開(kāi)工藝。通過(guò)蛋白回收系統(tǒng)的處理，此廢水的數(shù)量和BOD值顯著地減少。通過(guò)使用兩級(jí)臥螺離心機(jī)系統(tǒng)分離細(xì)胞液， 可以使廢水的量和BOD值進(jìn)一步減少。在該系統(tǒng)中，第一個(gè)臥螺的濃縮底流被淀粉濃縮器的溢流稀釋?zhuān)龠M(jìn)入第二個(gè)臥螺。第二個(gè)臥螺的溢流用作銼磨馬鈴薯漿的稀釋液。由此可見(jiàn)，工藝的運(yùn)轉(zhuǎn)是一個(gè)完整的逆流系統(tǒng)，在這里，多余的水與第一個(gè)臥螺的溢流一起離開(kāi)工藝。蛋白的回收在上述系統(tǒng)中完成。產(chǎn)品是馬鈴薯蛋白粉(PPP)和馬鈴薯蛋白液(LPP)。
馬鈴薯工藝的其余部分，淀粉提取、淀粉濃縮等等維持不變。在余下的工藝中，由于細(xì)胞液數(shù)量有限，新鮮洗水的消耗量可以進(jìn)一步地降低至0．3—0．5立方米／噸馬鈴薯。這一系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用是相當(dāng)大的，能超過(guò)馬鈴薯淀粉工廠的費(fèi)用。
馬鈴薯淀粉及其衍生物
馬鈴薯淀粉的特性與玉米淀粉和小麥淀粉的特性有顯著地不同，這就是為何眾多的食品加工工業(yè)和非食品工業(yè)樂(lè)于使用的原因。
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馬鈴薯淀粉廠
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玉米淀粉
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小麥淀粉
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水分
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19％
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l 3％
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l 3％
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蛋白含量
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0．05％
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0．35％
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0．45％
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味道／氣味
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淡
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濃
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濃
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糊化溫度
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60—65。C
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75—80。C
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80一85。C
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黏度
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非常高
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中等
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中等／低
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歐洲的淀粉公司將他們的商品淀粉中相當(dāng)大的一部分加工成為變性淀粉和淀粉糖，產(chǎn)生出用于眾多工業(yè)的范圍廣泛的產(chǎn)品。
生產(chǎn)這些產(chǎn)品的下游工藝可分為5個(gè)主要大類(lèi)：
預(yù)糊化
在此工藝中，淀粉乳在一個(gè)蒸汽加熱的轉(zhuǎn)鼓上蒸煮并干燥。通過(guò)這一方法形成一個(gè)預(yù)期化淀粉的薄層，產(chǎn)品可以在冷水中溶解，可用于如嬰兒食品。
水解
在工藝中，為了將淀粉中的直接淀粉鏈和支鏈淀粉鏈分解變成葡萄糖單元，淀粉乳被蒸煮(液化)并用酶處理。這是制作淀粉糖的基本工藝。
降解
在此工藝中，直鏈淀粉鏈和支鏈淀粉鏈通過(guò)用化學(xué)試劑的處理的方法(產(chǎn)品如氧化淀粉、低粘度淀粉)或熱處理的方法(產(chǎn)品如糊精)被降解。
衍生作用
在此工藝中，淀粉鏈被用化學(xué)試劑處理的方法降解并加入分子。此法可生產(chǎn)的產(chǎn)品如：淀粉酯、淀粉醚以及交聯(lián)淀粉。
物理方法處理，例如擠壓。用這種方法可以生產(chǎn)生物降解塑料。
歐洲的馬鈴薯淀粉生產(chǎn)者為了廣泛積累下游工藝的專(zhuān)業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，以及持續(xù)地開(kāi)發(fā)分銷(xiāo)于全世界各地的產(chǎn)品，付出了巨大的努力。這個(gè)行業(yè)每年的營(yíng)業(yè)額大約為l 5億美元，從業(yè)人員5000人。
