面向提质保香的复烤工艺优化研究进展

黄小艳 赵广仁 黄晶 贾智伟

摘    要：烟叶口感的独特性一直是消费者关注的重点，直接影响了品种烟叶的口碑和评价。打叶复烤生产是提高烟叶质量、保留原烟独特香味的关键工艺过程。本文从生产加工过程的数据化、个性化和智能化3个角度出发，分析了近年来研究者针对打叶复烤过程的工艺实现方式、工艺参数的优化、先进控制方法应用等方面进行的有益探索，揭示了当前打叶复烤生产中面临的包括加工过程控制、关键参数设置等主要困难与问题，并对打叶复烤过程提质保香目标的实现提出了展望。

关键词：复烤;保香;参数优化;控制模式

中图分类号：TS45          文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.08.012

Abstract： The taste characteristics of tobacco leaves always be the focus of consumers'  attention， which directly affects the reputation and evaluation of the tobacco. Threshing and re-drying is a key process to improve the quality of tobacco leaves and retain the unique flavor of original tobacco. From the aspects of data， individuation and intelligence of product processing， the research on practising process in technology，  the optimization of process parameters as well as the application of advanced control methods during the Threshing and re-drying processing are analyzed in this paper.  And the main difficulties and problems in the current threshing and re-drying production， such as the control of processing process and the setting of key parameters are revealed. Finally， the prospect of achieving the  quality improvement and aroma preservation during threshing and redrying was put forward.

Key words： re-drying; incense preservation; parameter optimization; control mode

复烤技术是卷烟工业发展的重要基础，复烤后的烟叶水分下降，有利于长期贮存和醇化，同时能够杀虫灭菌，排沙除杂，降低烟叶造碎，提高烟叶加工质量与效率[1]。烟叶复烤过程中，各个工艺过程对烟叶各项感官指标和理化指标都会产生显著性影响，其原因是复烤过程常常伴随着高温高湿，烟片内的化学成分会产生化学变化（例如降解转化、合成和挥发等），导致成品中烟片发生常规化学成分、致香成分和感官指标等内在品质的变化。尤其是传统的“大工艺标准、粗放式加工”模式，没有考虑烟叶的品种、部位、等级的差异性，容易出现烟叶加工过度或加工不够等工艺问题[2]，使得烟叶外在的物理指标出现叶片结构不均匀、色泽变深、内在品质降低等问题，严重影响后续加工质量及卷烟配方的稳定性。因此，加快推进复烤工艺提质保香的研究与实践，成为当前复烤企业的当务之急[3]。目前，国内外对复烤工艺提质保香的研究主要集中在工序对烟叶品质的量化作用、工艺参数优化、新型加工设备及其控制方法的应用。

复烤工艺过程优化面临的困难主要有3点：首先，原烟的分类基于外部物理特性（植株部位、颜色、形状尺寸等），与化学成分含量的对应关系并不明显，使得后续的数字化加工过程在原料阶段就面临较大的化学成分波动和不确定;其次，由于烟叶的加工过程周期较长，时滞较大，加工过程的准确控制困难很大，对工艺参数初始值就有较高的要求，工艺参数初始值的优化是关注重点;最后，单一原烟加工量相对较小，稳定加工的时间较短，加上系统时滞较大，参数调整后系统重新稳定所需的时间较长，使得系统可供试验的次数和原烟对象都受到严重限制，因此，在参数优化过程中对试验设计提出了更高的要求。为了探索打叶复烤加工过程中各种提质保香工艺技术对烟叶内在化学质量与感观质量的综合影响， 本研究对关键工序实现方式、参数优化策略以及过程控制策略的已有研究成果进行了分析与比较，从生产加工过程的数据化、个性化和智能化3个角度分析已有成果的实际价值，揭示这一生产过程所面临的主要困难和问题，以期在已有的研究基础上进行探索与改善，寻找能有效提高复烤烟叶质量的可行方法，为卷烟工艺发展提供保障。

1 工序对烟叶品质的作用研究

润叶、复烤、回潮等工序是与复烤密切相关的关键工序，其实现方式直接或间接地影响烟叶质量，包括叶片结构、主要化学成分、香味成分、感官质量以及挥发性致香成分。

复烤工艺通过对初烤烟叶的水分进行调整、去除烟叶中的雜气与非烟叶类杂物，来实现烟叶原料优势保持，能够增强工业可用性，提高原料的加工质量与效率[3]。作为整个卷烟工艺中的源头控制环节，复烤工艺对卷烟质量有直接影响。卢幼祥等[4]验证了临界复烤在保持烤后含水率均匀性前提下的可行性，并发现不同等级烟叶在不同复烤加工强度下，总糖、还原糖、香味成分总量下降的趋势和感官质量变化趋势不同，应根据原料特性合理选择叶片复烤方式。赵铨琼等[5]发现在加工过程中，复烤能够显著提升烟叶的糖氮比、总糖含量和糖碱比，同时降低烟叶的钾含量、烟碱及总氮含量。杨波等[6]选择红花大金元进行了烟叶的初烤与复烤的对比研究，发现经复烤加工后烟叶的烟碱与总氮无明显变化，但烟叶内含致香成分的总量有所降低，香气量减弱。造成化学成分含量指标方面分歧的主要原因可能与所选原材料的不同有关。

龙明海等[7]研究发现，真空回潮处理对烟叶的松散具有显著作用，同时在一定程度上降低了烟叶的造碎率，而烟叶内部的化学致香物质环己酮和巨豆三烯酮含量上升有助于消除烟叶中的杂气与刺激性。欧清华等[8]以湖南邵阳B3F为研究对象，对比了真空回潮与直接加工的2种工艺，结果表明：真空回潮后再进行复烤，烤后烟叶大中片率和长梗率均有所提高，其内在化学成分协调性、均衡性有所提升，并且在一定程度减少了烟叶中的杂气，提高卷烟余味的舒适程度。所以先真空回潮再复烤，可使烟叶中的可溶性总糖、还原糖与总碱的含量均有所减少，糖碱比下降，高档烟叶的香气量略有降低、烟气浓度稍有变淡。

除此之外，卢幼祥等[4]研究还发现不同真空回潮的加工强度，会对烟叶的生产效果有不同的影响，偏弱的真空回潮加工模式对原料香气的风格无明显影响，而较强的真空回潮加工模式则在很大程度上直接影响原料的香气，且变化幅度随真空回潮加工强度的提高而增大。总的来说，对烟叶进行真空回潮处理可以显著提高烟叶的松散性，降低烟叶造碎效果，同时还可以去除烟叶中的部分杂气、增加余味舒适性。考虑到高强度加工模式导致的致香物质损失，通常采用具有保持并突出原料香气风格的低强度真空回潮加工模式。

润叶工序是为烟叶提供的适宜水分与温度的另一重要过程，是获得良好烟片结构的前提。不同润叶方式对烟叶中的化学成分存在不同影响。龙明海等[7]选择品类等级差异较大的红大B1F和云烟87XZF2种烟叶，分别进行蒸汽润叶和汽水混合润叶，发现蒸汽润叶对中高等级烟叶的致香成分和风格特征的保留比较有益，而汽水混合润叶则有利于低等级烟叶内的大分子化合物降解，协调平衡烟叶中的内在化学成分。杨波等[6]比较了蒸汽和汽水混合2种润叶方式以及饱和蒸汽、汽水混合和高压水3种回潮方式对烟叶感官与理化指标的影响，发现蒸汽润叶+蒸汽回潮使得水分均匀性更好，色泽变化小，能较好地保留中高等级烟叶致香成分和原有质量风格特征。当同时考虑润叶、复烤和回潮3个工序时发现，这些工序使得烟叶刺激性减弱，细腻度、余味和甜度均有不同程度地改善，香味成分都出现了不同程度地下降。各加工工序对香气量、杂气和刺激性等感官质量的影响排序以此为：二润<复烤<一润[9]。

综上所述，从提质保香角度考虑，蒸汽润叶+低温慢烤+蒸汽回潮的工序实现方式对于保留中高等级烟叶的致香成分比较有利，可以较好地保持原有质量风格特征。同时，各工序的不同加工强度对烟叶内在因素的影响也直接相关，因此，工艺参数的优化是定制加工方案的关键。

2 研究关键工艺参数的优化对烟叶品质的影响

润叶、复烤和回潮所涉及的工艺参数众多，筛选关键的工艺参数，并对其进行优化是提升烟叶内在品质的关键。如表1所示，对于复烤加工过程中的关键工艺参数的选择以及优化，已经获得了不少的卓有成效的成果。

润叶工序对致香成分的影响相当显著，对润叶工艺参数的优化是保香工作的重点。皇甫东有等[10]将一润、二润后的烟叶水分和温度，以及将一润、二润的滚筒转速作为影响因素。以大中片率、碎片率以及叶含梗率为试验指标，进行多指标正交试验。结果表明：一润的水分和温度对大中片率的影响显著，而二润的水分和温度对碎片率和叶含梗率的影响显著，一润对打叶质量的影响大于二润，将2次润叶按同一水分、温度标准控制时打叶质量较好。

刘彦岭等[11]针对C3F、C3L混打，设计了包括前水压力、热风风机转速、加热器压力在内的8个影响因素（各因素均含6个水平）和以水分增加量及润后温度为指标的U12均匀设计表进行试验，建立多元线性回归模型分析2个指标与各因素水平之间的关系，生产现场验证表明该方法可行性，可根据来料情况和工艺水分、温度要求快速设定工艺参数，实现了润叶段的参数控制。

复烤温度的高低直接决定致香成分的损失程度，低温慢烤工艺是实现提质保香的关键环节。战磊等[12]研究复烤温度对西南清香型烟叶质量的影响，对云南和四川地区6个等级烟叶分别在80 ℃、85 ℃和90 ℃温度下进行复烤，发现烟叶还原糖的含量随复烤温度的升高而升高;清香型中上部烤烟的复烤温度宜控制在80 ℃～85 ℃。周雪娟等[15]以云南大理X2F、C3F、B2F为研究对象，采用控制变量法研究复烤温度对烟叶质量的影响，对比发现较低的复烤温度能降低叶片卷曲和收缩程度，提高片烟大中片率，不仅有利于致香成分的保留，还有利于提高烟叶在感官评吸时的香气量，降低中下部烟叶的刺激性。简辉等[16]针对不同复烤温度对片烟质量的影响进行的相关对比试验。结果表明，随着复烤温度的升高，中下部烟的大中片率以及含水率波动均有所降低，烟叶的刺激性有所增加，较低的复烤温度有利于烟叶中致香物质的保留，将复烤温度控制在80 ℃～90 ℃之间，将使得卷烟感官质量有所提升。

卢幼祥等[13]针对2013年安徽皖南B2F烟叶的叶片复烤工艺参数进行了优化，采用正交试验设计和极差分析，确立影响烟叶品质的主次因素和最优的参数组合。杨洋等[14]采用了多指标权重分析法和正交试验设计对遵义复烤新线工艺参数进行优化，选择贵州中烟B2XH1和B2XH2两种烟叶模块进行部分的工艺参数优化试验，选定了3个关键工艺参数。研究结果表明：采用一润后加水开启为80°、二打电机频率为34 Hz和回潮混合水为30%的工艺参数能明显提高打叶复烤片烟质量。

为筛选最优的基于均质与保香加工的叶片复烤机控制模式，王发勇等[17]采用批次放样技术，对比了干燥排潮热风引用量、环境温湿度及室内补风处理、复烤区总温度参数设置与润叶条件4个模式不同控制模式下的含水率、叶片率和感官质量等指标的变化情況，获得了较优的控制模式。

王强[18]研究在线工艺控制对出片率的作用，采用控制变量法对叶含梗率和二润水分温度进行试验，发现二润水分温度、叶含梗率与出片率呈线性正相关，碎末率与出片率呈高度线性负相关。王金明等[19]试验研究了片烟中的含梗率、烟叶回潮区所加入蒸汽的压力和蒸汽量对复烤叶片皱缩率的影响。结果表明，烟叶中含梗率与皱缩率成负相关线性关系，在（12±1）%水分要求的情况下，减少蒸汽用量，增加高压泵加水量可以减少皱缩率，增加叶片回潮时的伸展性。徐大勇等[20]研究复烤温度对片烟收缩率及大小分布的影响，通过设定不同的温度参数组合对6种等级的烟叶进行试验，结果发现片烟收缩率与复烤温度呈正相关，温度越高收缩率越大，在相同温度下，下部烟收缩率最大，上部烟最小。

徐国金等[21]对比分析了滚筒转速、管道蒸汽量和热风循环风机频率对烟叶二润出口温度、水分变化的影响，发现循环风机的频率、蒸汽管道蒸汽量与润后烟叶温度呈正相关，在一定的范围内提高循环风机的频率，适当增加循环管道都蒸汽量，不仅保持了出口水分相对稳定，还提高润叶出口温度。

王慧等[22]总结出了一种烟片提质保香的低温慢烤复烤方法，通过控制新风以极低湿度进入烤机各干燥区，保证烤机各干燥区保持较低湿度，促使烟片在烤机各干燥区实现低温慢烤的复烤方法。通过设置各干燥区的温度和湿度，使待复烤烟叶配方保持恒定的低湿度进行低温慢烤，实现降低复烤过程烟片香气损失，达到烟片提质保香的目的。

在复烤过程中，为了同时监控片烟结构的多个指标，王满等[23]以云南省公司打叶复烤厂2009年片烟为样本，采用多变量T2控制图对大中片率、中片率和小片率等参数进行多变量统计分析，实现了多变量统计过程控制。黄长庚等[24]应用灰色关联分析法进行了打叶复烤产品质量数据分析，探索打叶复烤产品质量影响的主要因素，发现大片均值对成品片烟含水率CV值影响最大，大片率与中片率成反比，大片率降低有利于成品片烟含水率CV值降低控制。

综上所述，针对于不同产地和类型的烟叶，由于理化特性差异以及需要保持特色与风味的不同，关键参数的优选结果存在差异，因此需要有针对性的分析烟叶特性以及準备构建的烟草品牌特性，分析打叶复烤关键工序参数对特定的化学成分的影响，从而获得更有着针对性的参数优化结果，特别是对于复烤时的温度与水分而言，设置不同温度对烟叶原料的致香成分含量，以及烟叶的不同部位的收缩率、含水率等都有显著影响，从而正向关联到烟叶的感官质量，在相对适当低的调制温度下，复烤加工有助于原料内部致香物质的保留，既使得原料的内在品质提升，又节能降耗，降低加工成本。

3 新型控制方法

确定了加工工艺以及对应的优化参数后，如何设计更好的设备实现工艺过程，以及设计稳定可靠的控制方法实现控制过程是实现打叶复烤提质增效的现实条件。在打叶复烤过程中，主要工艺技术指标是烟叶的温度和水分。烤房温度和水分因素都是大惯性大滞后过程，常规控制策略使得烤房温度波动大，往往需要人工来调节出口水分，使得操作人员劳动强度大，还容易造成产品不合格而返料等问题。因此，研究应用于打叶复烤生产线的先进控制算法，显得非常必要和迫切。

魏俊红等[25]将预测PI控制算法和伪预测PI控制算法应用在打叶复烤生产线，显著提高控制精度，而且能够节约能源，降低生产成本。陈颀等[26]在打叶复烤机的控制中加入模糊调节与学习环节，实现了烟叶复烤机各区段PID环参数的在线自调整优化。朱煜钰等[27]将模糊PID控制与PLC相结合，改善了常规PID控制在PLC的烟叶复烤参数整定。李春阳等[28]通过设置多个控制变量的控制策略来克服系统干扰对出口含水率的影响，通过设置高压泵频率、干燥室温度、混合水阀位3个控制变量对烟叶出口含水率进行控制的三重控制策略，体现了较强的抗干扰能力。针对二润润叶筒这样的大、纯滞后与强干扰复杂的系统，何光瑜[29]提出采用自适应非线性PID方法来抑制来料端烟叶水分的内外部扰动，提高了复烤过程中的烟叶水分控制系统的控制精度与扰动能力。

4 存在问题及建议

综上所述，目前打叶复烤工艺的提质增效研究主要聚焦在润叶、复烤、回潮工序的实现方式、参数优化以及过程控制上，同时面临着诸多问题。

由于烟叶的来源、种类不一，烟叶品牌所需的风格不同，使得现有的研究成果主要集中在一些定性的研究上，比如工艺实现方式的优劣性、复烤温度与特定化学成分的影响趋势等，距离生产实际中实现理想的提质增效尚有较大的距离。在未来一段时间里，打叶复烤提质增效的研究，首先应该实现不同产地、种类烟叶质量的数据化，以及品牌烟草风格的数据化。以此为基础，确定打叶复烤过程控制的初始点与终点，采用更高效的控制方法实现这一大时滞工业过程，在保香提质的前提下减少能耗。这一问题的解决，传统的PID算法已经力有不逮，难以达到理想的控制效果，曾喆昭等[30]提出的自耦PID控制方法，能够将PID算法中的各参数有机联系，达到全局稳定的效果，在工业控制领域已经发挥了非常好的效果，预期在复烤机控制可以拥有良好的应用前景。

二是针对原材料构建系统加工数据库，为生产加工工艺制定以及过程控制提供基础信息。数据库中的原料基础信息应包括产地、品种、外观质量、内在质量、物理特性、化学成分等;同时也应该加上对应材料生产加工时的设备参数、过程质量指标，如回潮润叶时的温度、烟叶水分、蒸汽压力、压力稳定性、打叶环节的打刀尺寸、干燥区温度，回潮区出水分开阀度与温度等，构建一套生产线流程完整的数据库，便于在应用先进算法与数据挖掘等对数据有较高要求的方法时，可以有一套完整的原料数据与生产线工艺参数数据。这一过程的实现避免不了数据挖掘和参数优化方法的使用，随机森林算法[31]、双向聚类[32]、神经网络和多目标进化算法混合策略[33]等机器学习方法被广泛应用在工业工艺参数优化领域，并取得了较好的应用效果，这些方法在烟叶复烤加工参数库建立过程中的应用也是大势所趋。

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