实验室用白肋烟烘焙机的设计及应用

张杰，郑劲林，杨振民，蒋成勇，徐盼，朱景溯，欧亚非，杜国荣，杨洋，白若石，田书霞，矫海楠，胡林，马雁军，张馨予，曹伏军，周骏

1 上海烟草集团有限责任公司技术中心北京工作站，北京 101121；2 北京慧荣和科技有限公司，北京 101102

烘焙是白肋烟处理的核心过程，是决定混合型卷烟产品品质的关键工艺[1]。白肋烟加里料后，烟叶在热风作用下不断提升温度，逐步达到绝干状态，完成美拉德反应，产生混合型卷烟的特征香味物质。白肋烟经过烘焙后可有效降低白肋烟中的刺激性气味，丰富烟香，使烟气变得柔和细腻，白肋烟烘焙效果直接影响产品的感官质量[2-3]。

根据现有设备控制系统的差异，在线生产所使用的白肋烟烘焙设备主要有热风对流式和微波辐射式2种，其中应用最广的网带式热风对流白肋烟烘焙机[4]。混合型卷烟产品开发、配方维护及白肋烟处理工艺研究中均需用到白肋烟烘焙设备。目前，国内混合型卷烟产品开发过程中，实验室小试多采用电热鼓风烘箱对白肋烟进行烘焙。电热鼓风烘箱为封闭式静态加热，且只能实现单一温度加热，而在线生产广泛应用的烘焙机多为三段式动态加热[6-8]，且烘焙处理工艺要求严格，电热鼓风烘箱与生产线白肋烟烘焙机差异巨大，难以模拟在线生产时白肋烟的烘焙效果，造成实验室开发的产品配方小试通过后，在线生产进行中试时，感官质量与设计差异较大，增加了产品研发难度，严重影响了产品开发效率。

白肋烟处理工艺研究包括加料工艺和烘焙工艺的研究，进行白肋烟处理工艺研究时，需要进行大量的组合实验，国内白肋烟烘焙工艺研究通常采用电热鼓风烘箱进行白肋烟烘焙实验[9-12]或者白肋烟烘焙机在线研究[13-15]。电热鼓风烘箱难以模拟在线生产时白肋烟的烘焙效果，实验结果在实验室无法进行准确评价，从而导致实验室确定的烘焙工艺参数难以在在线生产中应用。采用白肋烟烘焙机在线烘焙研究时，单个叶组通常需要约1000 kg的白肋烟烟叶，能耗约为60 kw，会产生巨大的原料浪费和能耗问题，且对企业正常生产也会带来较大的影响。这些问题已成为制约当前烟草企业进行白肋烟处理技术研究的瓶颈之一。

目前，国内尚缺乏针对实验室用的白肋烟烘焙设备，尤其是可有效模拟在线生产广泛应用的网带式热风对流白肋烟烘焙机的实验设备。张尚明等[5]设计了一种用于盛放白肋烟烟叶的网状笼，用作白肋烟烘焙实验的辅助装置，实施过程为将盛放有实验用白肋烟叶的网状笼与白肋烟叶同步在白肋烟叶烘焙生产线上完成烘焙过程。此装置简单便捷，能够应用于部分白肋烟处理工艺研究，但此装置仅为一个盛放白肋烟叶的网状笼，烘焙过程依赖于在线白肋烟烘焙机，无法灵活开展试验，适用范围较窄，无法满足较全面的白肋烟处理工艺研究，且无法用于产品开发和配方维护。为此，根据网带式热风对流白肋烟烘焙机的烘焙原理，设计了针对实验室用的白肋烟烘焙机，该设备可实现三段式烘焙，能够有效模拟在线生产中白肋烟的烘焙过程，达到在线白肋烟烘焙机的烘焙效果，以期为混合型卷烟产品开发和白肋烟处理工艺研究提供支持。

1 产品结构与设计

1.1 整机结构及工作原理

如图1所示，设计的实验室用白肋烟烘焙机主要投料口1、烘焙箱2、空气加热器3、均流箱4、出料口5、电器柜6、排潮风机7、叶丝传送机构8、排潮管9和工控机10等部分组成，能够实现小批量烟叶或烟丝的烘焙处理，同时满足白肋烟烘焙工艺研究和产品开发小试的要求。

实验室用白肋烟烘焙机是根据网带式白肋烟烘焙机工作原理设计的，进行白肋烟烘焙试验时，通过工控机设置各烘焙箱温度、传送链速度、热风速度、排潮风速等参数，设备稳定在设定温度后，将烟叶或烟丝经投料口放入传送链板上，通过传送链的运送将烟叶或烟丝匀速穿过三段式烘焙箱完成烘焙后输送至出料口自动落入收集盘中，实物图见图2。

1.2 主要部件的设计

1.2.1 烘焙箱的设计

图1 实验室用白肋烟烘焙机示意图Fig.1 Schematic diagram of burley tobacco roaster for laboratory

图2 实验室用白肋烟烘焙机实物图Fig.2 Physical picture of burley tobacco roaster for laboratory

烘焙箱是进行白肋烟烘焙的区域，主要作用是促使白肋烟与加入的料液发生美拉德反应，产生香味物质，以达到增强烟香、改善吸味、去除杂气和减轻刺激性的目的[16-18]。为达到与在线烘焙机一致的效果，烘焙箱采用三段式设计（见图3），长度比为1:1:0.75，分为第一烘焙箱、第二烘焙箱和第三烘焙箱，第一烘焙箱和第二烘焙箱为下进风，第三烘焙箱为上进风，每段烘焙箱均设有独立的空气加热器，热风机将加热后的热风经均流箱后送入传送链上方或下方，作用于物料使之干燥脱水，发生化学反应。在热风进口和烘焙箱内设有内置的热风温度传感器与外置的PID温度调节器组成独立的热风温度自控装置，自动调节热风温度使之在设定温度范围内。控温范围设计为25～150℃，控温精度±1℃。第一烘焙箱、第二烘焙箱和第三烘焙箱沿传送链的传送方向依次排列，传送链上的物料经叶丝输入端进入第一烘焙箱进行第一段烘焙，然后进入第二烘焙箱进行第二段烘焙，最后进入第三烘焙箱进行第三段烘焙，最终由传送链传送出第三烘焙箱。烘焙后的废气通过排潮管道排出，烘焙箱内设有湿度感应器，可根据烘箱内湿度调节排潮管道内阀门，对烘箱内湿度进行调节。

图3 烘焙箱示意图Fig.3 Sketch diagram of roasting oven

为了对烘焙箱内进行密封，避免外界冷空气进入烘焙箱内影响烘焙箱内的温度，在各个烘焙箱的烟丝进入端和烟丝送出端设置丝刷，丝刷采用聚丙烯耐热塑料细丝制成，塑料细丝可以进入到挡料板的缝隙中进行密封，既可以避免外界冷空气和烘焙箱内的热气的流通，又可以避免相邻两个烘焙箱之间的热气流通，避免了因烘焙箱内的温度差异影响烟叶或烟丝的烘焙效果和烘焙效率。每段烘焙箱均采用双层隔热设计，中间填充隔热保温材料，既可以减少热量损失又可以确保长时间运行后，设备表面温度不会过高，防止烫伤风险。为了尽量减少热量损失，每段烘焙箱的叶丝进入端处设有隔板，隔板的宽度与传送链板的宽度一致，烟丝经由隔板和传送链板之间的间隙进入到烘焙箱内进行烘焙，隔板可以调整进入烘焙箱内烟丝的厚度，使得烘焙的烟丝厚度不会太厚导致底层烟丝烘焙效果不佳，也不会太薄而浪费烘焙资源。

1.2.2 叶丝传送机构的设计

叶丝传送机构包括机架和传送链（见图4），可通过设置传送链速度进而控制白肋烟烘焙时间，传送链速度设计为0.08～0.80 m/min，烘焙时间在2.2 min～22 min内可调。机架上安装有传送辊和拖链辊。传送辊上配合安装有传送链板，传送链板上开设有通气孔，通气孔大小既可确保热风有效通过又可保证烟丝不会漏下，传送辊转动，带动传送链板进行传送动作。在每根传送辊的两端均固定安装有链轮，两个传送辊的同一端的两个链轮上配合安装有链条，即沿机架的宽度方向，其两侧均设置有链条，链条的延伸方向与传送链板的延伸方向一致。当传送辊转动时，与其固定连接动力链轮会用和传送辊相同速率向相同方向转动，从而使得链条和传送链板的传送方向一致，传送速率一致。

拖链辊设置在叶丝烘焙段的下方位置，沿机架的宽度方向延伸。拖链辊与传送链板抵接，当控制电机带动传送辊转动，传送链板随之运动，拖链辊可以在传送链板和拖链辊之间的摩擦力的带动下转动，拖链辊可以对烟叶或烟丝烘焙段的传送链板进行支撑，避免传送链板由于重力原因下沉。为了避免传送链板和拖链辊之间的摩擦力影响传送链板的运动，在拖链辊的两端固定套设有托辊套，且托辊套位于链条的正下方与链条抵接。托辊套上开设环形的凹槽，链条嵌入到凹槽内，凹槽两端的侧壁可以对链条起到导向限制作用，避免链条在运动过程中发生偏移。本设备中链条和传送链板均为金属材质，为降低噪声，拖链辊和托辊套均采用橡胶，且橡胶具有自润滑作用，对传送链板和拖链辊之间、链条和托辊套之间进行相互运动时，减少摩擦。

图4 叶丝传送机构Fig.4 Sketch diagram of leaf-silk conveying mechanism

1.2.3 均流箱的设计

为保证进入到烘焙箱内的热气流达到均流，使得各个部分的白肋烟的烘焙条件一致，设计了一种多孔可拆卸式白肋烟烘焙二级均流箱（见图5）。均流箱包括箱体和均流板，箱体顶部设置有用于与白肋烟烘焙装置整机相连接的连接部，箱体中空设置，上部安装有均流板，均流板上开设有多个通气孔，多个通气孔沿均流板的长度方向和宽度方向均列，多个通气孔遍布整个均流板。由下方进气口进气，经过倒梯形均流箱壳体后，由于气流流经方向的体积缓慢变大，气流流速变慢并且趋于稳定的箱上方输送，完成一级均流，在完成一级均流后气流经过多孔均流板，气流经过小孔后进行二级均流后达到实验所需的稳定气流流速。

在均流板上方四边位置布置有四条耐高温耐磨毛刷条，其目的为配合输送链板传送烟叶或烟丝的动态密密封装置，由于输送链板的重力作用压迫毛刷形变，使其在不影响输送链向前输送，还能完成均流箱与输送链之间的密封，减少气流损失从而降低能耗。为了提高均流箱的整体密封性，在矩形孔处设置密封圈，当均流板进入箱体内开始工作时，密封圈可以将均流板和矩形孔之间的缝隙进行密封，避免外界冷空气进入箱体内部从而降低热气的温度。

图5 均流箱示意图Fig.5 Sketch diagram of flow box

2 应用效果

为验证设计设备的实际应用效果，对实验室用白肋烟烘焙机的烘焙效果和设备稳定性进行了评价。

2.1 试验设计

材料“中南海”金装8 mg卷烟白肋烟叶组（上海烟草集团北京卷烟厂有限公司提供）。

设备和仪器：NST3A3S4白肋烟烘焙机组（意大利COMAS公司），气相色谱串联质谱仪（美国Agilent公司），恒温恒湿箱（德国MMM公司）。

烘焙效果评价方法：分别取5个“中南海”金装8 mg卷烟白肋烟叶组加里料后烘焙前烟叶样品，每个叶组取500 g，采用设计的实验室用白肋烟烘焙机按照在线白肋烟烘焙机烘焙条件进行烘焙，并取所对应叶组同条件下在线烘焙后的样品，每个叶组取500 g。参照张杰等[19]的方法对实验室烘焙和在线烘焙后烟叶样品中主要美拉德致香物质进行测定。将实验室烘焙和在线烘焙后的两组烟叶样品制成卷烟，在恒温恒湿箱中平衡48 h，由上海烟草集团有限责任公司技术中心北京工作站7名具有评吸资质人员参照YC/T 138—1998[20]单料烟感官质量评价方法，分别按香气质、香气量、杂气、浓度、刺激性、余味、协调性、燃烧性及灰色等8个单项指标进行打分，结果取平均值，并对感官质量进行描述。

设备稳定性评价：取上海烟草集团有限责任公司“中南海”金装8 mg卷烟白肋烟叶组加里料后烘焙前烟叶样品2.5 Kg，将所取样品分成5份，每份500 g，采用设计的实验室用白肋烟烘焙机按5个批次在相同烘焙条件进行烘焙实验，其中第一烘焙箱为140℃，第二烘焙箱为120℃，第三烘焙箱为100℃，烘焙时间为7 min。按照前述方法[19-20]对不同批次烘焙后烟叶样品中主要美拉德致香物质进行测定和感官质量评价。

2.2 数据分析

2.2.1 烘焙效果评价结果

测定实验室烘焙和在线烘焙后样品中主要的美拉德致香产物如表1所示，实验室烘焙和在线烘焙主要的美拉德反应产物含量一致，将两组数据进行配对t检验，P值为0.56大于0.05，表明实验室烘焙和在线烘焙后样品中主要的美拉德反应产物含量的差异没有统计学意义，采用设计的实验室用白肋烟烘焙机处理后白肋烟中主要的美拉德反应产物与在线白肋烟烘焙机处理的结果一致。

表1 实验室烘焙和在线烘焙后样品中主要的美拉德致香物质含量Tab.1 Major Maillard aroma substances in samples after laboratory and online baking

表2可见，采用设计的实验室用白肋烟烘焙机烘焙的样品与在线烘焙机烘焙的样品感官质量得分接近，感官质量一致。将两组样品感官质量得分进行配对t检验，P值为0.75大于0.05，说明两组结果的差异没有统计学意义，表明设计的实验室用白肋烟烘焙机可以有效模拟在线烘焙机进行烘焙处理，能够达到与在线烘焙机一致的烘焙效果。

2.2.2 设备稳定性评价结果

测定不同批次烘焙后烟叶样品中主要美拉德致香物质，发现同一叶组经不同批次烘焙后，样品主要的美拉德致香物质含量一致性良好，相对标准偏差（RSD）为0.84%～8.52%。感官质量方面，同一叶组不同批次烘焙后，样品感官质量评价得分平均为70.5，RSD为0.38%，表明，同一叶组经不同批次烘焙后，样品感官质量未见明显差异，感官质量一致。结果表明，所开发设备烘焙稳定性良好，同一叶组，经不同批次烘焙后，其主要的美拉德反应产物含量和感官质量均未见明显差异。

3 讨论与结论

基于网带式热风对流白肋烟烘焙机的烘焙原理和功能参数，开发了针对实验室用的白肋烟烘焙设备，能够有效模拟在线生产中白肋烟的烘焙过程，可用于混合型卷烟产品开发、配方维护及白肋烟处理工艺研究中，填补了国内实验室用三段式烘焙机的空白。烘焙箱作为核心部件，采用三段式烘焙设计，PID自动控温技术，箱体采用双层隔热设计，既可以有效减少热量损失又可以防止烫伤风险。在各段烘焙箱的烟丝进入端和烟丝送出端设计聚丙烯耐热丝刷，丝刷可以进入到挡料板的缝隙中进行密封，既可以避免外界冷空气和烘焙箱内的热气的流通，又可以避免相邻两个烘焙箱之间的热气流通，确保了各段烘焙箱温度稳定。

结果表明：①设计的实验室用白肋烟烘焙机可以有效模拟在线烘焙机进行烘焙处理，采用设计的实验室用白肋烟烘焙机处理后白肋烟中主要的美拉德反应产物和感官质量与在线白肋烟烘焙机处理的结果一致，没有显著性差异，能够达到与在线烘焙机处理一致的效果；②所开发设备烘焙稳定性良好，同一叶组，经不同批次烘焙后，其主要的美拉德反应产物含量和感官质量均未见明显差异；③采用设计的实验室用白肋烟烘焙机每批次烘焙最少处理量仅为50 g烟丝，单批次烘焙能耗仅为1.8 kw，有效解决了白肋烟烘焙工艺研究中的原料浪费和能耗问题；④该设备已应用到上海烟草集团有限责任公司白肋烟处理工艺优化和产品开发中，显著提高了白肋烟处理工艺研究和产品开发效率。

表2 实验室烘焙和在线烘焙后样品感官质量评价Tab.2 Sensory quality evaluation of samples after laboratory baking and online baking