黃小艷 趙廣仁 黃晶 賈智偉

摘? ? 要：煙葉口感的獨特性一直是消費者關注的重點，直接影響了品種煙葉的口碑和評價。打葉復烤生產(chǎn)是提高煙葉質(zhì)量、保留原煙獨特香味的關鍵工藝過程。本文從生產(chǎn)加工過程的數(shù)據(jù)化、個性化和智能化3個角度出發(fā)，分析了近年來研究者針對打葉復烤過程的工藝實現(xiàn)方式、工藝參數(shù)的優(yōu)化、先進控制方法應用等方面進行的有益探索，揭示了當前打葉復烤生產(chǎn)中面臨的包括加工過程控制、關鍵參數(shù)設置等主要困難與問題，并對打葉復烤過程提質(zhì)保香目標的實現(xiàn)提出了展望。

關鍵詞：復烤;保香;參數(shù)優(yōu)化;控制模式

中圖分類號：TS45? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：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

復烤技術(shù)是卷煙工業(yè)發(fā)展的重要基礎，復烤后的煙葉水分下降，有利于長期貯存和醇化，同時能夠殺蟲滅菌，排沙除雜，降低煙葉造碎，提高煙葉加工質(zhì)量與效率[1]。煙葉復烤過程中，各個工藝過程對煙葉各項感官指標和理化指標都會產(chǎn)生顯著性影響，其原因是復烤過程常常伴隨著高溫高濕，煙片內(nèi)的化學成分會產(chǎn)生化學變化（例如降解轉(zhuǎn)化、合成和揮發(fā)等），導致成品中煙片發(fā)生常規(guī)化學成分、致香成分和感官指標等內(nèi)在品質(zhì)的變化。尤其是傳統(tǒng)的“大工藝標準、粗放式加工”模式，沒有考慮煙葉的品種、部位、等級的差異性，容易出現(xiàn)煙葉加工過度或加工不夠等工藝問題[2]，使得煙葉外在的物理指標出現(xiàn)葉片結(jié)構(gòu)不均勻、色澤變深、內(nèi)在品質(zhì)降低等問題，嚴重影響后續(xù)加工質(zhì)量及卷煙配方的穩(wěn)定性。因此，加快推進復烤工藝提質(zhì)保香的研究與實踐，成為當前復烤企業(yè)的當務之急[3]。目前，國內(nèi)外對復烤工藝提質(zhì)保香的研究主要集中在工序?qū)熑~品質(zhì)的量化作用、工藝參數(shù)優(yōu)化、新型加工設備及其控制方法的應用。

復烤工藝過程優(yōu)化面臨的困難主要有3點：首先，原煙的分類基于外部物理特性（植株部位、顏色、形狀尺寸等），與化學成分含量的對應關系并不明顯，使得后續(xù)的數(shù)字化加工過程在原料階段就面臨較大的化學成分波動和不確定;其次，由于煙葉的加工過程周期較長，時滯較大，加工過程的準確控制困難很大，對工藝參數(shù)初始值就有較高的要求，工藝參數(shù)初始值的優(yōu)化是關注重點;最后，單一原煙加工量相對較小，穩(wěn)定加工的時間較短，加上系統(tǒng)時滯較大，參數(shù)調(diào)整后系統(tǒng)重新穩(wěn)定所需的時間較長，使得系統(tǒng)可供試驗的次數(shù)和原煙對象都受到嚴重限制，因此，在參數(shù)優(yōu)化過程中對試驗設計提出了更高的要求。為了探索打葉復烤加工過程中各種提質(zhì)保香工藝技術(shù)對煙葉內(nèi)在化學質(zhì)量與感觀質(zhì)量的綜合影響， 本研究對關鍵工序?qū)崿F(xiàn)方式、參數(shù)優(yōu)化策略以及過程控制策略的已有研究成果進行了分析與比較，從生產(chǎn)加工過程的數(shù)據(jù)化、個性化和智能化3個角度分析已有成果的實際價值，揭示這一生產(chǎn)過程所面臨的主要困難和問題，以期在已有的研究基礎上進行探索與改善，尋找能有效提高復烤煙葉質(zhì)量的可行方法，為卷煙工藝發(fā)展提供保障。

1 工序?qū)熑~品質(zhì)的作用研究

潤葉、復烤、回潮等工序是與復烤密切相關的關鍵工序，其實現(xiàn)方式直接或間接地影響煙葉質(zhì)量，包括葉片結(jié)構(gòu)、主要化學成分、香味成分、感官質(zhì)量以及揮發(fā)性致香成分。

復烤工藝通過對初烤煙葉的水分進行調(diào)整、去除煙葉中的雜氣與非煙葉類雜物，來實現(xiàn)煙葉原料優(yōu)勢保持，能夠增強工業(yè)可用性，提高原料的加工質(zhì)量與效率[3]。作為整個卷煙工藝中的源頭控制環(huán)節(jié)，復烤工藝對卷煙質(zhì)量有直接影響。盧幼祥等[4]驗證了臨界復烤在保持烤后含水率均勻性前提下的可行性，并發(fā)現(xiàn)不同等級煙葉在不同復烤加工強度下，總糖、還原糖、香味成分總量下降的趨勢和感官質(zhì)量變化趨勢不同，應根據(jù)原料特性合理選擇葉片復烤方式。趙銓瓊等[5]發(fā)現(xiàn)在加工過程中，復烤能夠顯著提升煙葉的糖氮比、總糖含量和糖堿比，同時降低煙葉的鉀含量、煙堿及總氮含量。楊波等[6]選擇紅花大金元進行了煙葉的初烤與復烤的對比研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)復烤加工后煙葉的煙堿與總氮無明顯變化，但煙葉內(nèi)含致香成分的總量有所降低，香氣量減弱。造成化學成分含量指標方面分歧的主要原因可能與所選原材料的不同有關。

龍明海等[7]研究發(fā)現(xiàn)，真空回潮處理對煙葉的松散具有顯著作用，同時在一定程度上降低了煙葉的造碎率，而煙葉內(nèi)部的化學致香物質(zhì)環(huán)己酮和巨豆三烯酮含量上升有助于消除煙葉中的雜氣與刺激性。歐清華等[8]以湖南邵陽B3F為研究對象，對比了真空回潮與直接加工的2種工藝，結(jié)果表明：真空回潮后再進行復烤，烤后煙葉大中片率和長梗率均有所提高，其內(nèi)在化學成分協(xié)調(diào)性、均衡性有所提升，并且在一定程度減少了煙葉中的雜氣，提高卷煙余味的舒適程度。所以先真空回潮再復烤，可使煙葉中的可溶性總糖、還原糖與總堿的含量均有所減少，糖堿比下降，高檔煙葉的香氣量略有降低、煙氣濃度稍有變淡。

除此之外，盧幼祥等[4]研究還發(fā)現(xiàn)不同真空回潮的加工強度，會對煙葉的生產(chǎn)效果有不同的影響，偏弱的真空回潮加工模式對原料香氣的風格無明顯影響，而較強的真空回潮加工模式則在很大程度上直接影響原料的香氣，且變化幅度隨真空回潮加工強度的提高而增大。總的來說，對煙葉進行真空回潮處理可以顯著提高煙葉的松散性，降低煙葉造碎效果，同時還可以去除煙葉中的部分雜氣、增加余味舒適性?？紤]到高強度加工模式導致的致香物質(zhì)損失，通常采用具有保持并突出原料香氣風格的低強度真空回潮加工模式。

潤葉工序是為煙葉提供的適宜水分與溫度的另一重要過程，是獲得良好煙片結(jié)構(gòu)的前提。不同潤葉方式對煙葉中的化學成分存在不同影響。龍明海等[7]選擇品類等級差異較大的紅大B1F和云煙87XZF2種煙葉，分別進行蒸汽潤葉和汽水混合潤葉，發(fā)現(xiàn)蒸汽潤葉對中高等級煙葉的致香成分和風格特征的保留比較有益，而汽水混合潤葉則有利于低等級煙葉內(nèi)的大分子化合物降解，協(xié)調(diào)平衡煙葉中的內(nèi)在化學成分。楊波等[6]比較了蒸汽和汽水混合2種潤葉方式以及飽和蒸汽、汽水混合和高壓水3種回潮方式對煙葉感官與理化指標的影響，發(fā)現(xiàn)蒸汽潤葉+蒸汽回潮使得水分均勻性更好，色澤變化小，能較好地保留中高等級煙葉致香成分和原有質(zhì)量風格特征。當同時考慮潤葉、復烤和回潮3個工序時發(fā)現(xiàn)，這些工序使得煙葉刺激性減弱，細膩度、余味和甜度均有不同程度地改善，香味成分都出現(xiàn)了不同程度地下降。各加工工序?qū)ο銡饬?、雜氣和刺激性等感官質(zhì)量的影響排序以此為：二潤<復烤<一潤[9]。

綜上所述，從提質(zhì)保香角度考慮，蒸汽潤葉+低溫慢烤+蒸汽回潮的工序?qū)崿F(xiàn)方式對于保留中高等級煙葉的致香成分比較有利，可以較好地保持原有質(zhì)量風格特征。同時，各工序的不同加工強度對煙葉內(nèi)在因素的影響也直接相關，因此，工藝參數(shù)的優(yōu)化是定制加工方案的關鍵。

2 研究關鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化對煙葉品質(zhì)的影響

潤葉、復烤和回潮所涉及的工藝參數(shù)眾多，篩選關鍵的工藝參數(shù)，并對其進行優(yōu)化是提升煙葉內(nèi)在品質(zhì)的關鍵。如表1所示，對于復烤加工過程中的關鍵工藝參數(shù)的選擇以及優(yōu)化，已經(jīng)獲得了不少的卓有成效的成果。

潤葉工序?qū)χ孪愠煞值挠绊懴喈旓@著，對潤葉工藝參數(shù)的優(yōu)化是保香工作的重點?；矢|有等[10]將一潤、二潤后的煙葉水分和溫度，以及將一潤、二潤的滾筒轉(zhuǎn)速作為影響因素。以大中片率、碎片率以及葉含梗率為試驗指標，進行多指標正交試驗。結(jié)果表明：一潤的水分和溫度對大中片率的影響顯著，而二潤的水分和溫度對碎片率和葉含梗率的影響顯著，一潤對打葉質(zhì)量的影響大于二潤，將2次潤葉按同一水分、溫度標準控制時打葉質(zhì)量較好。

劉彥嶺等[11]針對C3F、C3L混打，設計了包括前水壓力、熱風風機轉(zhuǎn)速、加熱器壓力在內(nèi)的8個影響因素（各因素均含6個水平）和以水分增加量及潤后溫度為指標的U12均勻設計表進行試驗，建立多元線性回歸模型分析2個指標與各因素水平之間的關系，生產(chǎn)現(xiàn)場驗證表明該方法可行性，可根據(jù)來料情況和工藝水分、溫度要求快速設定工藝參數(shù)，實現(xiàn)了潤葉段的參數(shù)控制。

復烤溫度的高低直接決定致香成分的損失程度，低溫慢烤工藝是實現(xiàn)提質(zhì)保香的關鍵環(huán)節(jié)。戰(zhàn)磊等[12]研究復烤溫度對西南清香型煙葉質(zhì)量的影響，對云南和四川地區(qū)6個等級煙葉分別在80 ℃、85 ℃和90 ℃溫度下進行復烤，發(fā)現(xiàn)煙葉還原糖的含量隨復烤溫度的升高而升高;清香型中上部烤煙的復烤溫度宜控制在80 ℃～85 ℃。周雪娟等[15]以云南大理X2F、C3F、B2F為研究對象，采用控制變量法研究復烤溫度對煙葉質(zhì)量的影響，對比發(fā)現(xiàn)較低的復烤溫度能降低葉片卷曲和收縮程度，提高片煙大中片率，不僅有利于致香成分的保留，還有利于提高煙葉在感官評吸時的香氣量，降低中下部煙葉的刺激性。簡輝等[16]針對不同復烤溫度對片煙質(zhì)量的影響進行的相關對比試驗。結(jié)果表明，隨著復烤溫度的升高，中下部煙的大中片率以及含水率波動均有所降低，煙葉的刺激性有所增加，較低的復烤溫度有利于煙葉中致香物質(zhì)的保留，將復烤溫度控制在80 ℃～90 ℃之間，將使得卷煙感官質(zhì)量有所提升。

盧幼祥等[13]針對2013年安徽皖南B2F煙葉的葉片復烤工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，采用正交試驗設計和極差分析，確立影響煙葉品質(zhì)的主次因素和最優(yōu)的參數(shù)組合。楊洋等[14]采用了多指標權(quán)重分析法和正交試驗設計對遵義復烤新線工藝參數(shù)進行優(yōu)化，選擇貴州中煙B2XH1和B2XH2兩種煙葉模塊進行部分的工藝參數(shù)優(yōu)化試驗，選定了3個關鍵工藝參數(shù)。研究結(jié)果表明：采用一潤后加水開啟為80°、二打電機頻率為34 Hz和回潮混合水為30%的工藝參數(shù)能明顯提高打葉復烤片煙質(zhì)量。

為篩選最優(yōu)的基于均質(zhì)與保香加工的葉片復烤機控制模式，王發(fā)勇等[17]采用批次放樣技術(shù)，對比了干燥排潮熱風引用量、環(huán)境溫濕度及室內(nèi)補風處理、復烤區(qū)總溫度參數(shù)設置與潤葉條件4個模式不同控制模式下的含水率、葉片率和感官質(zhì)量等指標的變化情況，獲得了較優(yōu)的控制模式。

王強[18]研究在線工藝控制對出片率的作用，采用控制變量法對葉含梗率和二潤水分溫度進行試驗，發(fā)現(xiàn)二潤水分溫度、葉含梗率與出片率呈線性正相關，碎末率與出片率呈高度線性負相關。王金明等[19]試驗研究了片煙中的含梗率、煙葉回潮區(qū)所加入蒸汽的壓力和蒸汽量對復烤葉片皺縮率的影響。結(jié)果表明，煙葉中含梗率與皺縮率成負相關線性關系，在（12±1）%水分要求的情況下，減少蒸汽用量，增加高壓泵加水量可以減少皺縮率，增加葉片回潮時的伸展性。徐大勇等[20]研究復烤溫度對片煙收縮率及大小分布的影響，通過設定不同的溫度參數(shù)組合對6種等級的煙葉進行試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)片煙收縮率與復烤溫度呈正相關，溫度越高收縮率越大，在相同溫度下，下部煙收縮率最大，上部煙最小。

徐國金等[21]對比分析了滾筒轉(zhuǎn)速、管道蒸汽量和熱風循環(huán)風機頻率對煙葉二潤出口溫度、水分變化的影響，發(fā)現(xiàn)循環(huán)風機的頻率、蒸汽管道蒸汽量與潤后煙葉溫度呈正相關，在一定的范圍內(nèi)提高循環(huán)風機的頻率，適當增加循環(huán)管道都蒸汽量，不僅保持了出口水分相對穩(wěn)定，還提高潤葉出口溫度。

王慧等[22]總結(jié)出了一種煙片提質(zhì)保香的低溫慢烤復烤方法，通過控制新風以極低濕度進入烤機各干燥區(qū)，保證烤機各干燥區(qū)保持較低濕度，促使煙片在烤機各干燥區(qū)實現(xiàn)低溫慢烤的復烤方法。通過設置各干燥區(qū)的溫度和濕度，使待復烤煙葉配方保持恒定的低濕度進行低溫慢烤，實現(xiàn)降低復烤過程煙片香氣損失，達到煙片提質(zhì)保香的目的。

在復烤過程中，為了同時監(jiān)控片煙結(jié)構(gòu)的多個指標，王滿等[23]以云南省公司打葉復烤廠2009年片煙為樣本，采用多變量T2控制圖對大中片率、中片率和小片率等參數(shù)進行多變量統(tǒng)計分析，實現(xiàn)了多變量統(tǒng)計過程控制。黃長庚等[24]應用灰色關聯(lián)分析法進行了打葉復烤產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，探索打葉復烤產(chǎn)品質(zhì)量影響的主要因素，發(fā)現(xiàn)大片均值對成品片煙含水率CV值影響最大，大片率與中片率成反比，大片率降低有利于成品片煙含水率CV值降低控制。

綜上所述，針對于不同產(chǎn)地和類型的煙葉，由于理化特性差異以及需要保持特色與風味的不同，關鍵參數(shù)的優(yōu)選結(jié)果存在差異，因此需要有針對性的分析煙葉特性以及準備構(gòu)建的煙草品牌特性，分析打葉復烤關鍵工序參數(shù)對特定的化學成分的影響，從而獲得更有著針對性的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，特別是對于復烤時的溫度與水分而言，設置不同溫度對煙葉原料的致香成分含量，以及煙葉的不同部位的收縮率、含水率等都有顯著影響，從而正向關聯(lián)到煙葉的感官質(zhì)量，在相對適當?shù)偷恼{(diào)制溫度下，復烤加工有助于原料內(nèi)部致香物質(zhì)的保留，既使得原料的內(nèi)在品質(zhì)提升，又節(jié)能降耗，降低加工成本。

3 新型控制方法

確定了加工工藝以及對應的優(yōu)化參數(shù)后，如何設計更好的設備實現(xiàn)工藝過程，以及設計穩(wěn)定可靠的控制方法實現(xiàn)控制過程是實現(xiàn)打葉復烤提質(zhì)增效的現(xiàn)實條件。在打葉復烤過程中，主要工藝技術(shù)指標是煙葉的溫度和水分?？痉繙囟群退忠蛩囟际谴髴T性大滯后過程，常規(guī)控制策略使得烤房溫度波動大，往往需要人工來調(diào)節(jié)出口水分，使得操作人員勞動強度大，還容易造成產(chǎn)品不合格而返料等問題。因此，研究應用于打葉復烤生產(chǎn)線的先進控制算法，顯得非常必要和迫切。

魏俊紅等[25]將預測PI控制算法和偽預測PI控制算法應用在打葉復烤生產(chǎn)線，顯著提高控制精度，而且能夠節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。陳頎等[26]在打葉復烤機的控制中加入模糊調(diào)節(jié)與學習環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了煙葉復烤機各區(qū)段PID環(huán)參數(shù)的在線自調(diào)整優(yōu)化。朱煜鈺等[27]將模糊PID控制與PLC相結(jié)合，改善了常規(guī)PID控制在PLC的煙葉復烤參數(shù)整定。李春陽等[28]通過設置多個控制變量的控制策略來克服系統(tǒng)干擾對出口含水率的影響，通過設置高壓泵頻率、干燥室溫度、混合水閥位3個控制變量對煙葉出口含水率進行控制的三重控制策略，體現(xiàn)了較強的抗干擾能力。針對二潤潤葉筒這樣的大、純滯后與強干擾復雜的系統(tǒng)，何光瑜[29]提出采用自適應非線性PID方法來抑制來料端煙葉水分的內(nèi)外部擾動，提高了復烤過程中的煙葉水分控制系統(tǒng)的控制精度與擾動能力。

4 存在問題及建議

綜上所述，目前打葉復烤工藝的提質(zhì)增效研究主要聚焦在潤葉、復烤、回潮工序的實現(xiàn)方式、參數(shù)優(yōu)化以及過程控制上，同時面臨著諸多問題。

由于煙葉的來源、種類不一，煙葉品牌所需的風格不同，使得現(xiàn)有的研究成果主要集中在一些定性的研究上，比如工藝實現(xiàn)方式的優(yōu)劣性、復烤溫度與特定化學成分的影響趨勢等，距離生產(chǎn)實際中實現(xiàn)理想的提質(zhì)增效尚有較大的距離。在未來一段時間里，打葉復烤提質(zhì)增效的研究，首先應該實現(xiàn)不同產(chǎn)地、種類煙葉質(zhì)量的數(shù)據(jù)化，以及品牌煙草風格的數(shù)據(jù)化。以此為基礎，確定打葉復烤過程控制的初始點與終點，采用更高效的控制方法實現(xiàn)這一大時滯工業(yè)過程，在保香提質(zhì)的前提下減少能耗。這一問題的解決，傳統(tǒng)的PID算法已經(jīng)力有不逮，難以達到理想的控制效果，曾喆昭等[30]提出的自耦PID控制方法，能夠?qū)ID算法中的各參數(shù)有機聯(lián)系，達到全局穩(wěn)定的效果，在工業(yè)控制領域已經(jīng)發(fā)揮了非常好的效果，預期在復烤機控制可以擁有良好的應用前景。

二是針對原材料構(gòu)建系統(tǒng)加工數(shù)據(jù)庫，為生產(chǎn)加工工藝制定以及過程控制提供基礎信息。數(shù)據(jù)庫中的原料基礎信息應包括產(chǎn)地、品種、外觀質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量、物理特性、化學成分等;同時也應該加上對應材料生產(chǎn)加工時的設備參數(shù)、過程質(zhì)量指標，如回潮潤葉時的溫度、煙葉水分、蒸汽壓力、壓力穩(wěn)定性、打葉環(huán)節(jié)的打刀尺寸、干燥區(qū)溫度，回潮區(qū)出水分開閥度與溫度等，構(gòu)建一套生產(chǎn)線流程完整的數(shù)據(jù)庫，便于在應用先進算法與數(shù)據(jù)挖掘等對數(shù)據(jù)有較高要求的方法時，可以有一套完整的原料數(shù)據(jù)與生產(chǎn)線工藝參數(shù)數(shù)據(jù)。這一過程的實現(xiàn)避免不了數(shù)據(jù)挖掘和參數(shù)優(yōu)化方法的使用，隨機森林算法[31]、雙向聚類[32]、神經(jīng)網(wǎng)絡和多目標進化算法混合策略[33]等機器學習方法被廣泛應用在工業(yè)工藝參數(shù)優(yōu)化領域，并取得了較好的應用效果，這些方法在煙葉復烤加工參數(shù)庫建立過程中的應用也是大勢所趨。

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