烟叶烘烤原理及技术研究进展

杨 树 勋

（甘肃省烟草公司陇南市公司，陇南746000）

烟草是一种重要的经济作物。目前，我国烤烟年产量维持在150万吨左右。烟草生产与其它经济作物相比具有技术含量高、烟农不易掌握等特点。在烟草生产过程中，烟叶烘烤劳动强度大，技术难以全面掌握，成为烟叶生产发展的瓶颈。烟叶烘烤学是烟草学的重要组成部分，是烟草生产的关键技术，是烤烟生产中决定品质、产量和可用性的最后一个重要环节。一方面，鲜烟叶必须经过烘烤过程的转化其优良品质才能表现出来；另一方面，相同质量的鲜烟叶以不同的工艺烘烤，能得到不同外观和内在质量的干烟叶。烘烤工艺直接影响烟农的经济收入、卷烟工业产品质量和经济效益［1］。由此可见，烘烤在烟叶质量及烤烟生产中的重要性。

烟叶烘烤原理是烟叶烘烤的基本科学规律，以自然科学为基础，在大量观察、实践的基础上，经过归纳、概括而得出。烘烤工艺是烟叶烘烤的具体方法或技术，是烘烤原理的体现，其目的就是要最大限度地显露和发挥烟叶在农艺过程中形成和积累起来的质量潜势，实现烤黄、烤香。由于世界各烟叶产区的自然环境以及人们认知的差异，各烟叶产区的烘烤工艺各不相同。长期以来，对烟叶烘烤原理及工艺的研究，在国内外一直深受重视。笔者根据人类对烟草烘烤的认知程度和烘烤方式对烟叶烘烤过程进行了阶段划分，对烟叶烘烤发展各阶段取得的理论与技术进步进行了系统总结。

从远古到现代，烟草几乎与人类相伴而行，随着人类发展而发展，在这个过程中人类对烟草认识经历了一个由浅入深、由表及里、从现象到本质的过程，烘烤理论与技术也得到了不断发展和进步。

1 阳光干燥阶段

人们普遍认为烟草最早起源于美洲。考古发现，人类尚处于原始社会时，烟草就进入到美洲居民的生活中。人们在采集食物时，无意识地摘下一片植物叶片咀嚼，因其具有很强的刺激性，有恢复体力和提神提劲的作用，于是便经常采来咀嚼，逐渐成为一种嗜好。15世纪，美洲印第安人开始种植烟草。有探险家对当时印第安人制作烟草的过程进行了记述，“他们把烟草放在太阳底下晒干，挂在牛皮做的小袋子里，把烟草揉成碎末安放在一只中空的石头或者是木头管子的一端，点上火，在另一端便用嘴深深地呼吸，使得体内完全充满了烟，直到从他们的嘴和鼻孔里冒出为止，就像烟囱里喷出来的烟一样。”［2］这是最早对烟叶加工的记述。

这一阶段人类利用阳光对烟叶进行自然加工干制，非常简单，仅仅是一个干制过程，说明人类对烟草的认识和利用处在初始阶段。

2 简单加工阶段

随着社会的进步和生产力的发展，人类对烟草的需求不断扩大，利用阳光自然干燥烟叶的方法已经不能满足人类的需要，人们开始利用火对烟叶进行干燥。人类对烟叶进行烘烤加工已有500多年的历史。在哥伦布发现美洲大陆以前，土著印地安人就使用明火烤烟。其方法比较简单，将收获的整株烟株悬挂在屋内，地面上点燃木块木屑，产生浓烈的烟气通过烟叶间隙，使烟叶逐渐干燥［3］。

这一阶段人类开始能动地利用火的加热作用对烟叶进行干燥加工，收获的烟叶不会因天阴下雨而腐烂，摆脱了天气因素的影响。但人类对烟草的认识和利用总体上还处于原始认识、原始生产、原始使用时期，还没有理论及技术，就是简单的烤干。

3 经验（简单火管）烘烤阶段

1839年美国北卡罗来纳州卡尔维尔（Caswell）县阿比斯亚·斯拉德农场发明了与现代烘烤方法相近的火管烤烟。他们用木炭代替湿木头，以很小的火力烤制，得到了色泽黄亮的烟叶，而且香气更好［3］。他们对这一方法进行了总结完善，也认识到烟叶成熟度、烤房内温度、通风、排湿的重要性。

这一阶段，人类总结建造了具有基本功能的专门的烟叶烤房，将加热室与装烟室隔离开来，从熏烤上升到烘烤，对烟叶成熟度、烤房内温度、通风、排湿的作用有了初步的认识。人类通过试验总结出了对烟叶进行烘烤加工的经验，但没有形成烘烤理论，也没有定量的、定性的技术指标，只是凭经验、凭感觉烤烟，技术很难掌握，烘烤质量得不到保障。

4 技术烘烤阶段

1872年美国北卡罗来纳州首次出现暖气管供热烤烟，人类对烟叶烘烤的技术上升到一个新水平，经过大量实践、归纳，总结出一套烟叶烘烤理论和与之相对应的烟叶烘烤工艺。主要表现在：

一是烘烤设备不断得到改进提高，出现了气流上升式烤房和气流下降式烤房，烤房的建造进一步规范，有了系统完善的围护、加热、排湿系统，并将干湿球温度计应用于烘烤，对环境温湿度进行定量化控制。

二是总结制定出了适合不同品种、不同地域、不同部位的烟叶烘烤工艺。比较典型的有美国菲莫烟叶烘烤方法、日本烟叶烘烤方法、津巴布韦烟叶烘烤方法，中国多阶梯烘烤方法、五阶梯烘烤方法、三阶梯烘烤方法、双低烘烤方法。在中国影响最大、使用最广泛的是三段式烘烤工艺。这些工艺要点基本相似：烘烤过程大体分变黄期、定色期、干筋期三个阶段，变黄期控制烤房内的环境温度（干球温度）32～44℃、烤房内的环境湿度（湿球温度）32～37℃，烤到烟叶基本变黄；定色期控制烤房内的环境温度（干球温度）45～54℃、烤房内的环境湿度（湿球温度）37～39℃，烤到叶片全干；干筋期控制烤房内的环境温度（干球温度）56～70℃、烤房内的环境湿度（湿球温度）39～42℃，烤到烟筋全干［4］。

三是使用液体、气体、固体、太阳能、电能等能源替代木炭。

四是研究人员对烟叶烘烤过程中烟叶外观的变化，烟叶内主要化学成分、色素、酶的变化，各种致香物质形成与化学特性，以及烟叶外观与烟叶内在质量之间的关系等进行了系统深入的研究，烟叶质量得到极大提升。特别是自1960年美国北卡罗来纳州成功研制出密集烘烤设备以来，烟叶烘烤水平得到了极大提升。

目前，密集烤房成为国际上烟叶烘烤设备的主流。20世纪末期中国先后从国外引进了密集烤房及烟夹，但因密集烘烤工艺技术没有突破，烘烤效果不理想，认为“国内的烟叶素质与国外不同，不适合高密度夹烟的密集烘烤”。本世纪初中国加强了密集烤房的研究和建设，国家烟草专卖局制定了《密集式烤房建设技术规范Q／GDYY 019-2011》，将密集式烤房建设进行了规范统一［5］，比较有代表性的有辽宁海地升、江苏科地、郑州容大等密集烤房，但仍采用传统的手工绑烟，挂竿烘烤。随着现代烟草农业专业化烘烤的发展，密集烘烤中挂竿装烟技术的一些问题，如用工多、耗能大等逐渐表现出来。各烟区针对这些问题，在改进装烟技术及密集烤房设备和密集烘烤工艺方面开展了大量的研究，在借鉴国外技术的基础上，采用烟夹、烟筐等装烟技术，取得了一定的效果。2003年贵州省遵义散叶式堆积烤房试验成功。谢已书等［6］报道了散叶密集烤房装烟容量大、操作简便、温湿度控制灵敏、降本增效等优点。贵州的智能化散叶密集烤房烘烤技术由此在全国进行试验推广。由于烘烤操作技术要求高，叶片易倒伏，常导致局部烤不干、烫片、烤后光滑叶、化学成分不协调等现象，示范效果不佳。各地的烟夹和烟筐装烟技术虽然可以一定程度上解决散叶堆放装烟存在的问题，但其配套的装烟具成本较高，烤后烟叶质量不高，难以被市场接受。因此，国内的密集烤房仍采用传统的手工绑烟，挂竿烘烤，烟农的劳动强度没有根本改变［7，8］。

这一阶段人类以现代物理学、生物学、生物化学、气象学以及许多边缘学科知识为手段，对烟草烘烤的认识逐渐提高，建立了一套从烤房标准化建造、成熟采收、分类编烟装烟、烟叶烘烤过程中烘烤供热、烟叶干燥等理论。特别是对烟叶烘烤过程中生理生化反应、烟叶内在质量的形成、烟叶变黄规律、烟叶变褐机理进行了深入研究，对影响烟叶烘烤质量的各项外部条件（烤房温度、湿度、通风）研究也非常深入，形成了一套系统完整的烟叶烘烤理论和技术体系［9，10］，对中国烟叶烘烤技术的发展做出了巨大的贡献。

经过以上几个阶段的发展，烟叶烘烤仍有几个问题未能有效解决：一是烘烤过程中烟叶的变化及其产生的根本原因；二是影响烟叶变黄的核心要素及其作用机理；三是国内的烟叶如何实现真正的密集烘烤；四是是否有通用的、适合不同品种、地域、装烟密度的烟叶烘烤理论与技术。已有的烘烤理论没有提炼出烟叶变黄的核心要素，没有揭示出烟叶变黄的本质，不能回答烟叶烘烤的基本问题，没有将烘烤实践上升到科学的高度，因而不具备普遍适用性，也无法解决密集烘烤的问题。因此，目前的烘烤理论和技术仍没有实质性突破，还不是严格意义上的烘烤科学。

5 科学烘烤阶段

2008年杨树勋提出以烟叶组织温度、烟叶含水量、叶内水分动态（流动性）为核心的烟叶烘烤理论及工艺，并获得了《密集型烤房的烟叶烘烤方法》的发明专利［11］，从而开启了烟叶烘烤的科学阶段。

该理论提出，烟叶叶片要经历叶芽发生—旺盛成长—生理成熟—衰老—死亡五个阶段，这是生物学的基本规律［14］。烟叶烘烤变黄过程实际是叶片衰老死亡的过程，其符合植物叶片衰老的一般规律，是一个高度有序的被调控的过程，同时受环境因素的影响与诱导［15］。因此，对烟叶烘烤比较准确的表述应该是：烟叶烘烤是利用叶片衰老死亡的生物学属性，将田间采收的烟叶在烤房内通过人为调控环境因素使烟叶组织内部处于最佳的衰老死亡条件下，促使烟叶进一步衰老、变黄、干制的过程。随着叶片的衰老，叶内大分子有机物（叶绿素、淀粉、蛋白质等）降解、消耗、转化，产生对品质有用的糖、氨基酸、芳香类物质，当接近最佳品质要求时迅速使烟叶脱水干燥，抑制其衰老以致终止生理生化反应，停止叶片衰老死亡的进程，将生产和烘烤过程中形成的优良品质固定下来。烟叶组织温度、烟叶含水量、叶内水分动态（流动性）是烟叶烘烤变黄的核心要素，而烤房内温度、湿度等只是表象。

同时，在实践的基础上归纳出烟叶烘烤变黄的四组关键控制指标。一是温度。温度包括烤房内的环境温度、代表着湿度的湿球温度和烟叶组织温度。在烟叶烘烤过程中不但要将烤房内的环境温度和湿球温度控制在适宜的范围内，最关键的是要将烟叶组织温度控制在适宜的范围内。烟叶组织温度是烟叶烘烤的核心控制指标，变黄期和定色期湿烟叶的组织温度必须控制在适宜叶片衰老的生理生化变化范围之内，烟叶变黄速度以及烟叶变黄后的变褐速度直接受烟叶组织温度的影响。烟叶组织温度过低变黄速度就慢，烟叶组织温度过高就会烧坏烟叶，出现蒸片、发生棕色化反应。在变黄期湿烟叶的组织温度控制在32～37℃，以34～36℃为适宜范围。在定色期湿烟叶的组织温度在34～38℃，烟叶小卷筒前不超过38℃。在干筋期叶片细胞已死亡、叶片已基本干燥，烟叶组织温度会迅速接近干球温度，烟叶组织温度也失去了其作用。二是适宜的水分。烟叶变黄需要适宜的含水量，水分的作用是媒介作用和直接参与作用，烟叶内含物质水解和酶促过程没有水分参与就不可能发生，必须在适宜的水分条件下进行［16］。一般鲜烟叶水分过多，在烘烤前期让烟叶失去多余的水分，使烟叶适度凋萎造成叶内水分胁迫环境，能够提高烟叶变黄的速度［16，17］。三是失水速度。在烟叶烘烤过程中，各个时期都要保持一定的失水速度。变黄期失水速度在2.5～4.5 g/（kg·h），这与底物与酶活性点的结合速率相协调，同时与烟叶呼吸产生的水分及烟筋内的水分通过维管束向叶片的扩散能力相关联，达到既增加流动性、保持叶内水分胁迫环境，又能使叶片的含水量保持在一个适宜的范围内逐渐减少的目的。在烟叶基本变黄后即变黄后期（41～43℃）延长烘烤时间，加快失水，失水速度控制在5～7 g/（kg·h），让烟叶达到充分凋萎、主脉发软的程度，可以消除青烟，防止棕色化反应的发生，还可以缩短定色干筋期的时间。在定色期失水速度控制在9～12 g/（kg·h），如失水过慢，定色期过长，大量香气原始物质被消耗，形成的香气物质就少；如失水过快，一方面香气原始物质脱水缩合形成的香气物质少，香气量不足，另一方面香气原始物质剩余量较多，烤后烟叶香气质欠纯。此时，随着烟叶水分排出，烟叶含水量减少，限制了酶的活性，使叶内生化变化逐渐减弱，直至终止，从而将烟叶颜色固定下来。在干筋期失水速度控制在3～7 g/（kg·h），如温度高、风量大，失水速度过快可使部分香气物质分解转化及挥发，香气量减少，而且烟叶色淡［14，15］。四是组织温度与失水速度的协调。在烟叶烘烤过程中烟叶组织温度与失水进程必须协调。在烟叶变黄后烟叶达到充分凋萎、主脉发软（失水30%）前组织温度不超过37℃，烟叶小卷筒（失水50%）前烟叶组织温度不宜超过38℃，要水、温同步，否则就可能发生棕色化反应，烟叶变褐，质量下降［9，10］。

以烟叶组织温度、烟叶含水量、叶内水分动态（流动性）为核心的烟叶烘烤理论及工艺揭示了烟叶烘烤的内在机理，提炼出了烟叶变黄的核心要素，使烟叶烘烤技术简单化，烘烤理论系统化，有效解决了高密度烟叶烘烤问题，具有普遍适用性。

6 展望

简单是终极的复杂，追求简单是人类的本性。操作越简单的设备其内部结构越科学，对性能的要求越高。烟叶烘烤要降低劳动强度、简化操作流程、适应烟区劳动力不足、知识水平低的现状，就必须以科学的烟叶烘烤原理为基础。要根据烟叶烘烤变黄的核心要素，利用模糊数学、控制论、植物信号传递物质、热泵、感官分析、基因编辑等技术，在设计烘烤设备及工艺时化繁就简，让烟农操作起来得心应手，真正实现烘烤的轻简化、智能化。