我国烤房及烘烤技术研究进展

2011-08-15刘光辉聂荣邦

作物研究 2011年1期

刘光辉,聂荣邦

(1邵阳市烟草公司隆回县分公司,湖南隆回 422200;2湖南农业大学农学院,长沙 410128)

烟叶烘烤就是将烟草在全部农艺过程中形成和积累的优良性状充分显露发挥出来,是决定烟叶最终质量、产量、可用性价值和生产效益的一个至关重要的技术环节。烤烟最显著的特点和风格是颜色黄亮,光泽鲜明,燃吸时香气浓郁,吃味醇和,劲头适中。而要反映特定条件下形成的烤烟的品质特征,必须有相应的烘烤工艺和烘烤设备,而且烘烤设备要满足和服务于烘烤工艺要求,两者都要科学实用。同时,随着科学技术的发展和进步,烘烤设备更趋于完善,反过来也促进烘烤工艺的改进提高。

当前,我国密集式烤房发展迅猛,但标准普通烤房仍然具有不可替代性,特别在一些偏远山区和老、少、边区。密集式烤房具有烤房规模大、装烟密度大,实行机械强制通风和热风循环,烘烤过程温湿度自动控制和精准控制,使用特制的烟叶夹持设备等[1]特点;具有能充分反映烟叶种植质量和效益,省工节煤,降低烘烤难度和操作复杂性,减轻烟农劳动强度等优点。但在近几年的使用中,出现了烤后烟叶僵硬,颜色变淡,叶面部分光滑,身份减薄,油分减少等不良现象[2]。因此,加大对烘烤设备及与之配套的烘烤技术的研究,杜绝一些不良现象的发生,达到进一步降本提质的目标,具有重要的实际意义。为此,笔者对我国烤房及烘烤技术的发展进行了简单的综述。

1 我国烤房和烘烤技术的发展

1.1 普通烤房及其烘烤工艺演变

1.1.1 土烤房与传统烘烤

20世纪 60年代至 80年代前,我国烤烟生产水平很低,一直沿用适宜于当时生产条件的各种各样传统的土木结构自然通风上升式烤房(或称为土烤房)。该烤房天窗有多种形式,但存在窗口小、样式老、高度低、漏气、开关不灵活、操作不方便等;地洞大多仅有冷风洞而无热风洞,且进风口总面积小,进风不均匀,影响空气介质和火管的热交换,叶间风速和温湿度不匀等。因此,该烤房往往由于供热设备砌筑和排湿设备安装不合理造成烤房温度不均匀,影响烟叶烘烤质量[4,5]。烟农的长期烤烟生产实践活动,形成了传统的烘烤工艺,该工艺服务于多叶型、大水肥、多留叶、高产量的目标,烟叶质量是黄、鲜、净,烘烤过程采取高温变黄、快速定色、急水杀筋等技术,烟叶外观质量表现为柠檬黄、叶片薄、组织密、油分少,燃吸时少香无味,甚至黑灰截火。

1.1.2 小型烤房与烘烤工艺的多元化

20世纪80年代,推出了容量150竿左右的小型烤房,适合种烟 0.2～ 0.3 hm2面积的农户需要。为确保烤房通风排湿顺畅,改冷风洞为各种形式的热风洞,改“老虎大张嘴式”的天窗为高天窗,后来又发展为通脊长天窗,使烤房排湿顺畅,增大了天窗、地洞面积,使天窗、地洞面积分别达到了0.16 m2/100竿烟和0.11m2/100竿烟,有效解决了蒸片、糟片和挂灰等问题。在烘烤方面为了扭转传统上高温快烤的烘烤不当问题,各地根据具体的生态条件和实际技术水平,提出了低温慢烤的烘烤工艺。烘烤工艺呈现了多元化的趋势,如河南省的五段式烘烤法[6],云南的双低烘烤法[7]等。

1.1.3 标准烤房与三段式烘烤工艺

三段式烘烤是由中国烟叶生产购销公司组织研究而提出的一种适应我国烟叶的烘烤方法[8],它是我国现在应用最广的一种烤烟烘烤方法。20世纪90年代初以后,全国范围内鲜烟叶素质明显提高,试验示范证明,按三段式烘烤工艺烤烟,增进烟叶香吃味的潜力很大。通过对烤烟烘烤过程烟叶生理生化变化,质量形成及其与环境条件的研究,比较完善地创立了烤烟三段式烘烤理论,并以此为基础,结合我国烟叶素质特点和生产实际,创立了包括烤房设备建设,烟叶成熟采收和三段式烘烤操作在内的相对完整的三段式烘烤技术。在全国全面推广烤烟三段式烘烤工艺及其配套技术的同时,加快了普通烤房标准化改造步伐,以满足先进烘烤工艺的需要[9]。一是将普通烤房传统的卧式火炉改为立式火炉、蜂窝煤火炉等节能型火炉,使烧火供热变得容易调控,并改土坯火管为陶瓷管、水泥管、砖瓦管,对火管涂上红外线涂料,提高热能利用率;二是推行高天窗、长天窗、低地洞,热风洞与冷风洞相结合,每 100竿烟天窗面积 0.16～ 0.18 m2,地洞面积0.12 m2,同时以普通烤房为基础,借鉴密集式烤房热风循环强制通风的技术特点,增添风机和空气循环管道,实现部分热风循环[10～12];三是增加装烟棚数,加大底棚高度和棚距。到 20世纪末,全国在用的普通烤房80%完成了标准化改造。

三段式烘烤工艺将烟叶烘烤过程划分为变黄期、定色期和干筋期,每个阶段的干球温度分升温控制和稳温控制两步[13,14]。通过对烘烤环境温度、湿度、时间调控,实现对烟叶水分动态和物质转化的协调,达到最终烟叶烤黄、烤干、烤香,这是三段式烘烤技术的核心[15]。三段式烘烤工艺的技术关键点为:低温变黄、黄干协调,适宜升温定色,重视湿球温度,允许烘烤技术指标必要时作调整。

1.2 密集式烤房的研究与应用

1.2.1 密集式烤房的演变

20世纪50年代末,美国北卡罗来纳州立大学约翰逊(W.H.Johnson)等研制了密集式烤房,70年代密集烤房在美国、日本等发达国家迅速推广开来。我国最早在 20世纪60年代开始研究密集烤房。 1963年河南省烟草甜菜工业科学研究所进行了密集烤房试验研究,于 1973～1974年设计出了第一代以煤为燃料,土木结构的密集烤房。但由于烤房本身的因素和历史条件的限制,密集烤房没有大面积推广。随后一些科研单位也进行了尝试。20世纪90年代初期以来,河南、云南等省分别从国外和台湾引进了多种形式、型号、规格的密集式烤房。但这些密集烤房价格昂贵,同时技术上存在一定问题,在我国也未得到推广应用。20世纪90年代中后期,随着农村种植结构调整,烤烟生产开始逐步走向规模化,各地不断涌现出烤烟生产专业化农场。几个主要产烟省,在进行技术引进、消化和吸收的基础上,纷纷根据各地的生产实际,研究推出了一些成型的密集烤房。 1995～1997年,聂荣邦先后研制成功了微电热密集烤房和燃煤式密集烤房[16,17]。 2000～ 2003年,安徽省以吉林使用的密集烤房为基础,成功研制出悬浮式蜂窝煤炉密集烤房(AM)系列,并不断完善,在全省及其他省份推广应用,获得了国家烟草专卖局 2005年科技进步三等奖[2]。云南省在AM烤房的基础上,推出了QJ系列及YA系列。湖南省完成了长浏2号烤烟密集式烤房和《经济适用高效密集烤房及配套烘烤工艺研究与应用》项目,长浏 2号及湘密(XM)系列烤房分别于2006和 2007年通过了湖南省科技厅组织的科技成果鉴定。贵州省依次推出了GZ-1型散叶堆积烤房及GZSM-06-02型气流下降式和 GZSM-06-03型气流上升式两种散叶型密集烤房。

密集式烤房的装烟密度为普通烤房的 2～ 3倍;以机械强制通风的热风循环方式对装烟室的烟叶加热,叶间隙风速为普通烤房的 2～ 3倍;通过温湿度自控或半自控设备,使装烟室呈现封闭式内循环或部分开放式外循环结合内循环,控制烤房加热和通风排湿,达到温度和湿度的精准控制,满足烟叶烤黄、烤干、烤香需要。

1.2.2 密集烤房烘烤工艺的研究与应用

在密集烤房推广的过程中,各地根据自己的实际情况,在三段式烘烤工艺的基础上,摸索出了一些密集式烘烤的经验。如:安徽省密集烤房的烘烤工艺特点是:“一长两短”,即延长变黄期,缩短定色期和干筋期[18];山东临沂总结出的“高温充分变黄慢烤,控温二拖慢定色,快速急火杀筋”即“一高二慢一快”的烘烤技术。湖南蒋笃忠在研究了 YZER密集烤房的配套烘烤工艺后提出,散叶方式烘烤变黄、定色湿度不宜高,掌握干球温度 35～ 38℃ ,湿球温度 33～ 34℃ ,促使烟叶基本变黄,叶尖发软倒伏;干球温度 41～ 42℃,湿球温度34～ 35℃ ,叶片全黄 ,叶尖微翘;干球温度 46～ 48℃ ,湿球温度 36～ 37℃,使烟筋全黄,勾尖上翘呈蓬松状态;干球温度 53～ 54℃ ,湿球温度 37～ 39℃ ,叶片全干 ,平铺的烟层呈蓬松状态;干球温度65～ 68℃,湿球温度42～ 43℃,使烟筋干燥。

从 2004年开始,通过开展“烘烤环境温湿度与烟叶的品质”、“装烟密度与主要生理特征及对烟叶品质的影响”等专项系列研究,在密集烤房的烘烤机理方面取得了突破。根据三段烘烤基本原理,结合密集烘烤机理研究[19～23],制定了“低温中湿变黄、中温定色、相对高温干筋、适当控制各阶段的风量风速”的密集烤房烘烤技术原则,装烟密度:55～ 65 kg/m3,烟叶素质均匀一致、高质量编烟装烟等配套技术,并将密集式烤房烘烤技术融入到《烤烟烘烤技术规程》。经过2002～ 2006年广泛试验示范和技术研讨,理清了密集式烤房的技术关键,经多次修改,于 2006年制定了《密集式烤房技术标准》(试用),现已在各地试用。该标准确立了密集烤房建(改)造的基本规格、技术参数和供热设备性能参数,使风机和电机的配置得到了优化,自控设备达到了精确控制。

2 密集式烤房烘烤技术

密集式烤房的烘烤基本理论与普通标准化烤房相同,但是由于装烟密度大,有强制通风和热风循环,这和普通标准化烤房又有不同。

2.1 密集烘烤的特殊性

2.1.1 烟叶在密集烘烤过程中的生理效应

密集式烤房在烟叶烘烤的变黄阶段一般都要保持密闭状态,且烤房内装烟密度一般在60～ 70 kg/m3,在此期间烟叶的呼吸作用导致环境CO2的浓度比普通烤房更高,使烟叶宏观的变黄速度更快[1]。王松峰等人[19]研究表明,和普通装烟密度相比,密集烤房在整个烘烤过程中,装烟密度为 55～ 65 kg/m3处理烟叶淀粉酶、过氧化物酶、抗坏血酸过氧化物酶的活性较高,叶绿素含量最低。

烟叶色素、淀粉、蛋白质等大分子物质的转化,主要发生在变黄和定色阶段,特别是54℃以前,而且环境温湿度和烟叶水分是所必需的条件[24]。密集式烤房的保温保湿性能比普通烤房更好,对环境温湿度和通风的精准控制,能够有效控制烟叶水分动态,变黄阶段烟叶失水量较小,有利于使淀粉酶和蛋白酶保持较高的活性,实现淀粉、蛋白质和叶绿素、胡萝卜素等大分子物质的完全转化。

宫长荣等人[23,25]研究表明,低温中湿变黄条件(变黄阶段干球温度 38℃,相对温度 80%～85%)下淀粉酶、蛋白酶、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶、过氧化氢酶(CAT)活性提高,作用时间延长,丙二醛积累较少,有利于烟叶内含物质的分解转化,中湿定色条件下,烤后烟叶颜色深、油分足、身份适中、化学成分含量适宜、比例协调。高玉珍等人[26]研究表明,密集烘烤低温中湿处理能提高烟叶中性致香物质的含量,有利于改善烟叶的内在品质。

2.1.2 风机强制通风和热风循环

密集式烤房在烘烤过程中,装烟室与加热室之间既有热空气的内循环,又有冷空气不断进入加热室内,热空气不断从装烟室排出的外循环,这种冷热空气在外源机械动力作用下的双循环是密集式烤房最重要的属性。它与普通烤房相比,换热效果更好,热量得到重复利用,平面温差和垂直温差更小,叶间隙风速增加。据测定:普通烤房在烟叶定色阶段的叶间隙风速是0.04～ 0.06 m/s,而密集式烤房同期叶间隙风速是0.2～0.3 m/s,叶间隙风速增加,能使热空气充分和叶面接触进行湿热交换,能够有效地避免烤黑、烤青、挂灰等烤坏现象,使烤后烟叶颜色鲜亮、色度更均匀。

2.1.3 温湿度精准控制

密集烤房的温湿度自控设备自控仪,对干球温度和湿球温度的测量范围均为 0～ 99.9℃,分辨率均为0.1℃,整体配置能够达到装烟室干球温度控制精度±1.5℃,装烟室湿球温度控制精度±0.5℃,装烟室平面温差≤2℃,湿球温度差≤0.5℃。烘烤过程温湿度的精准控制,能确保烟叶在最佳湿度环境和通风排湿条件下实现烟叶的调制。

2.2 密集烘烤的基本原则和关键温湿度指标

2.2.1 基本原则

“适度低温中湿变黄,中湿定色干叶,相对高温干筋,适当控制各阶段的风量风速”是密集烤房烟叶烘烤的基本原则。其含义是:①低温中湿变黄使烟叶以较慢的速度和较长的时间均衡变黄,保持失水速度和变黄速度的协调,提高烟叶变黄程度的均衡性,实现有效促进烟叶大分子物质的转化分解和烟叶香气前体物质的形成;②中湿定色使烟叶在适宜的温度下进一步促进大分子物质彻底转化,另一方面小分子香气基础物质聚缩形成更多的致香物质;③干筋阶段相对高湿和低速通风,减少烟叶内含物质挥发,确保烟叶外观质量和物理特性改善,化学成分适宜,内在品质提高。

2.2.2 关键温湿度指标

变黄阶段:①干球温度 35～ 38℃,湿球温度 34～36℃,烟叶达到七八成黄,叶片发软;②干球温度 41～42℃,湿球温度 36～ 37℃,烟叶达到九成黄,主脉充分发软。分别在 37～ 38℃和 42℃左右延长时间。

定色阶段:①干球温度 42～ 48℃,湿球温度 37～39℃,烟叶达到半干;②干球温度 48～ 54℃,湿球温度38～ 40℃ ,烟叶达到全干。分别在 47℃左右和 54～ 55℃延长时间。

干筋阶段:干球温度 54～68℃,湿球温度 41～43℃,达到烟筋干筋,在 65～ 67℃延长时间。

2.3 通风与烟叶烘烤质量

烟叶在烘烤过程中不同阶段通风的意义不同。变黄阶段适当通风的作用主要是:减少烤房内各棚次之间的温湿度差,定色和干筋阶段的通风主要是排除烟叶水分,所以烟叶烘烤不同阶段的通风和叶间隙风速,对烟叶烘烤品质形成的效应不同。

2.3.1 通风量对烟叶化学成分的影响

烟叶化学成分是烟叶内在质量的体现,在烘烤的过程中,变黄阶段通风量大时,烟叶内含物质消耗较少,通风量小时消耗较多。烘烤后期通风量和叶间隙风速减少,淀粉含量降低,而其它化学成分的变化不很明显,以60℃以后减少通风,烟叶的化学成分更为协调。

2.3.2 通风量对烟叶外观质量的影响

在烘烤过程中通风量大时,烤后烟叶颜色更鲜亮,通风量小时色度较弱。在60℃以后减少通风的条件下,烤后烟叶的外观质量整体好,叶面颜色均匀,桔色烟比例增加,色度和油分更好,杂色烟、挂灰烟比例降低。

2.3.3 通风速度对烟叶香气品质的影响

烟叶烘烤过程中温度和湿度都是在动态下实现的,不同的温湿度配合导致烟叶水分动态不同,烤后烟叶香气也有很大差异。生产实践表明,如果在变黄阶段烟叶脱水过多,即使烟叶变黄程度良好,烤后仍表现香吃味平淡,并有强烈的苦涩味和青杂气;如果变黄阶段脱水适当,而定色阶段脱水速度过快,则干烟辛辣味,刺激性强,烟气粗糙。反之,如果变黄或定色前期烟叶脱水速度缓慢,则烤干后烟叶辛辣味和刺激性增强;如果到定色前期一直脱水迟缓,烤后烟叶的辛辣味和刺激性虽小,但香气质显著发闷,香味不突出。

有研究[28,29]表明,在烟叶干燥期间若风速高时,烤后烟叶香气淡、辣味重、刺激性大;相反情况下烟叶颜色趋于深,香气和吃味浓郁。在密集式烤房挂两层烟叶时,风速以 0.2 m/s的最好,若风速大于 0.3 m/s,香气、吃味明显下降;烤房内挂三层烟叶时,风速以 0.3 m/s左右较为适宜。风速对烟叶香气质量的影响,以定色阶段和干筋前期最大。日本的研究提出了密集式烤房烘烤过程适宜的通风速度为0.2～ 0.3 m/s,成为密集烤房风机配备的基础参数[1]。

2.4 目前密集式烤房风电机配置与操作

2.4.1 密集式烤房风电机配置

密集式烤房的技术核心是增加烟叶在烘烤中的间隙风速。根据烟叶烘烤过程对空气流通的需求实际,选择风机时要考虑以下参数。①风量:经计算每 1 m3装烟室每小时的最大需风量为936 m3;②风速:0.2～ 0.3 m/s;③风压:150～ 230 Pa;④电机功率。与国外密集式烤房相比,我国装烟密度要小得多,但在风机配置方面,一度诸多配置功率 3.5～ 4.5 kW的 8号风机电机,风量、风速过大,导致烤后烟叶颜色浅淡,油分减少现象突出,而且烘烤耗电量高。此后,对风、电机匹配的研究表明,装烟室长8 m,烤房配备风量为21 600 m3/h的风机和功率为 3.0/2.2 kW变极变速电机,能够满足烟叶烘烤需要。

2.4.2 密集式烤房烘烤的风电机操作

变黄阶段风机的基本作用是流通空气缩小烟层之间的垂直温湿度差,使烟叶均衡变黄和一致脱水,在此期间,叶间隙很小,通风困难,因此需要较大的风压风量。风机一般采用低速到中速运转。

定色阶段的主要任务是逐渐加快烟叶水分散失,促进干燥。为了满足大量的湿热交换需要,促进烟叶均衡干燥,要求空气流通速度不断增大。随着烟叶脱水量的增加,叶间隙越来越大,若供风量不变,叶间隙风速将增加。风机必须连续运转,不能停机,一般用中速到高速运转,确保流过烟叶间的风速稳定控制在 0.2～0.3 m/s。

干筋阶段,主要的任务是排除烟筋中残存的水分,因此,一方面通风是必须的,另一方面不需要更大的通风速度和通风量。要求调低电机转速,以湿球温度不超过 43℃为准。

3 展望

烤房及其配套烘烤工艺的发展与我国烟叶生产水平的提高息息相关,随着我国烟叶组织形式的变化,迫切需要先进的密集烘烤加工设备与之相适应,烤房的密集化将是我国烘烤设备发展史上的一次革命。密集烤房的推广应用必将加快我国烟叶生产由数量规模型向质量效益型转变,由粗放管理向集约管理转变,实现我国烟叶生产的跨越式发展,有利于提高我国烟叶国际竞争力,加快我国烟叶生产现代化进程,提高我国烟叶的经济效益。根据我国烟叶生产的现状和发展趋势,今后要在以下几个方面进行深入研究。

3.1 普通烤房密集化(普改密)改造

目前,我国对一部分普通烤房进行了密集式改造,克服了普通烤房的一些缺点,烟叶烘烤质量获得了提升。但各地改造不规范,供热系统及控温控湿只达到半自动化,要加大外置式普改密的推广应用,同时要加大全自动化、精准控制及其配套烘烤工艺的研究。

3.2 密集式烤房及烘烤技术的推广应用

(1)降低使用成本。目前,密集烤房的使用成本较高,由于国家烟草局采取了高标准的建造补贴,才得以顺利推广。因此,要加强对散热新型材料、湿热空气的热能再利用、风电机的节电技术、烟夹夹烟烘烤等方面的研究,进一步降低建造成本,延长设备寿命,提高热能利用,减少用电量和耗煤量。要进一步开展自动化、精准控制、远程烘烤监控等方面的研究,减少烘烤人工成本,提高烘烤质量。同时要开展密集烤房在其它农产品烘干中的综合利用研究,提高烤房的利用率。

(2)开展太阳能和“生物质能源”的利用研究。煤炭是我国烤烟烘烤的最主要燃料,在能源紧张、燃料价格不断上升的形势下,利用太阳能、生物质能源的密集烤房将是一种发展趋势。在太阳能的利用上,可以加强太阳能与电能、煤炭等协同利用的研究。在“生物质能源”利用方面,“秸秆压块”技术已有进展,但要推广利用,还必须加强相关技术的研究。

(3)完善密集烘烤工艺。对密集烤房和普改密烤房烘烤机理研究虽有一些突破,但已报道的研究结果也有矛盾之处。装烟方式的改变、装烟密度的增加、风速实行任意调节等,烟叶在烘烤过程中的物理、化学变化是否相同,密集烤房的烘烤机理有待进一步研究完善。

由于目前密集烤房种类较多,虽然对一些参数进行了统一,但仍然具有特殊性。因此,应结合各地的生产实践,根据不同类型密集烤房的特点及采取的方式方法,结合密集烘烤机理的研究进展,根据客户的品质需求特点,逐步完善密集烘烤工艺。

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