精益烟草下烟草烘烤模式的创新与发展方向

汪代斌，杨 晔，陈益银，杨 超，李钠钾，郑琳琳，王建安

（1.中国烟草总公司重庆市公司，重庆 400023；2.河北中烟工业有限责任公司，河北 石家庄 050051；3.河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002）

我国是世界上烤烟种植规模最大的国家，主要分布在从沿西南沧源县到东北牡丹江市近5 000 km内的不均衡的带状区域内。烤烟的调制是决定其品质和效益的关键环节，也是最为耗费劳动用工的环节，涉及到从采收到烘烤多个不同的工序。受不同烟区因气候、经济和种植规模等因素差异较大的影响，各地在烟叶的烘烤管理上差异较为明显。对于国外或部分烟区形成的先进的烘烤管理模式，由于烟草生产的特殊性，许多烟区复制引进的管理模式出现“空壳化”现象，未能发挥出最佳的推广效果。烟叶的烘烤管理环节仍存在不平衡的矛盾和问题。近2年，随着我国经济的快速发展，人工成本所占烟叶生产费用的比例大幅增加，国家烟草专卖局为了烟草行业平稳发展转型，推进精益烟草生产[1]，鼓励加强减工、降本和节能方面的研究。

1 烘烤环节的现状

1.1 多样的烘烤设备类型

目前密集烤房已经成为我国调制烟叶的主流场所。虽然国家在2009年出台了418号密集烤房文件，规范了密集烤房的建造规格，但国内前期修建的密集烤房和后期的不同供应商家的设备性能存在差异[2]。近几年大批的供热设备老化，逐渐进入淘汰期，部分烟区缺乏必要的烤房维护，存在墙体房顶和门窗的密封漏洞等问题。现阶段普遍以煤炭为燃料直接燃烧供热烘烤烟叶，随着国家对环保的重视，替代燃煤的各类清洁能源如空气源热泵、醇基液体燃料、生物质固体成型燃料和天然气气体燃料的供热设备不断成熟[3]，能够代替人工添加燃料，并能实现烤房内温湿度的精确控制，不同能源类型的设备在产区之间存在差异。目前在各产区出现了多种不同操作的密集烤房类型，加之人员操作技术存在偏差，区域内差异化的密集烤房调制烟叶容易导致其香型的风格弱化和光滑僵硬叶片的产生。

1.2 定性的成熟采收标准

适时采收烟叶是保证烟叶产质的基础。不同采收成熟度的烟叶烘烤后对其质量存在不同的影响[4,5]。传统采收烟叶根据叶片落黄程度、脉色变化、茸毛脱落程度和采收时断面特征等定性的标准，依赖于主观经验性的判断，部分烟叶采收时达不到最佳的成熟状态。特别受品质特性、叶位高低、气候状况、土壤质地和栽培差异的影响，不少产区的种植户在生产中存在跟风强采、盲目随从和依靠农时判断的采收等问题。

近几年，为解决烟叶成熟采收凭靠经验式判定存在的不足，张德龙等[6]进行了丙二醛和叶绿素含量的测定后采收的研究。基于烟叶产值的量化判定，任杰等提出了一种烤烟成熟度新方法。虽然上述的研究检测的地点在实验室内完成的，但为下一步我国烟叶定量的快速成熟判断奠定了方向。

1.3 多种编烟和装烟方式并存

不同装烟方式对烘烤后烟叶品质和能耗有不同的影响。随着我国经济的发展，在沿用近百年的烟竿编烟技术的基础上，近几年出现了能够降低劳动用工的编烟方式。梳式烟夹经过多次的改进得到推广，得到大多烟区的认可，随后出现配套的可移动挂式装烟架，减工效果更加明显。20世纪90年代从巴西引进散叶烘烤，在贵州的遵义和毕节得到大面积的推广，经过实践演绎出散叶插签、散叶堆积和框筐式网格散叶烘烤等多种形式。

1.4 灵活配套的烘烤技术

温、湿度和通风排湿等参数组成的烘烤工艺决定着烟叶在烘烤期间内部的生化反应，直接影响到烤后烟叶的质量[7]。20世纪末宫长荣在总结以往烘烤工艺的基础上，提出了三段式烘烤工艺。随后随着密集烤房的推广，不同产区结合自己的烟叶发育情况，纷纷研发相配套密集烘烤工艺。重庆市烟草提炼“三段式烘烤工艺”为“三段六步式”烘烤工艺[8]。中国农业科学院烟草研究所在生产中集成了“8点式精准密集烘烤工艺”。湖南优化密集烘烤工艺，形成了以“中温中湿变黄、慢速升温定色、延时干叶增香、弱风干筋保香”为核心的工艺。针对散叶烘烤，谢已书等在贵州提出了“两长一短、低湿慢烤”的烤烟烘烤工艺。崔国民在云南提出了提质增香烟叶烘烤工艺。赖荣洪等采用密集烤房一烤一方案，为江西烟区优化密集烤房烟叶烘烤工艺提供参考。王建安等[9]根据格盘套装针插式的特点提出了配套的烘烤工艺。

为减少损失和失误，区域内的密集烘烤工艺需要不断的完善和优化，形成多种不同的地方烘烤工艺标准，整合到密集烤房配套的控制仪器中，为精确烘烤提供借鉴。

1.5 烘烤管理的组织形式

一直以来烟草公司在烘烤管理上秉承着“统一技术指导、烟农自主烘烤”的传统模式。随着密集烘烤的推进，出现了以服务为主的集约化烘烤管理团体或组织，其中专业化烘烤模式是一种主要的形式。私营股份制合作和种植-烘烤分离形式虽然经过尝试，因多种原因均以失败告终。目前专业化烘烤模式主要有大户/农场主、烟农合作社、有偿服务和散户合作互助4种形式。对于烟叶质量的提升、减少用工和降低烘烤能耗方面具有明显的促进作用。

为了进一步提升烘烤环节的管理，王丰等进行了“三统三分”式烟叶专业化烘烤服务模式研究，并探讨了现代烟草农业的分工制度问题。山东潍坊坚持“班组实施、流程操作、工位作业”实施基于“1＋N”的烟叶采烤分一体化，明显地提升了不同烘烤工序的精细化操作。

2 烘烤环节的发展方向

“两降一提”即降低烘烤用工、降低烘烤费用和提高烟叶的质量，依然是未来烘烤管理模式的发展方向，但其核心是在大数据背景下的成熟度快速定量判断、机械化采收、智能化烘烤和机器视觉分级。四者在相辅相促的过程中协同发展，详细的图解见图1。

图1 未来烘烤管理创新的方向Fig.1 The innovative direction of curing management in the future

2.1 简易的快速量化的判断设备

烟叶的成熟度通过一种手持轻巧的烟叶判断机，种植户通过扫描同时（或是）无损针刺烟叶组织的方式接触到烟叶后能够直接量化判断出烟叶的成熟度。判断的依据为能够反映烟叶成熟的特征物质，如颜色、衰老的物质或是叶片挥发性的物质。这些物质事先通过标准化检测取得数据，并形成快速量化判断设备的内置判断参数。该设备由感应区、显示区和建议区组成，通过检测到烟叶内部的一种或是几种具有代表性的物质，内置芯片对比并分析已取得的内置判断参数，快速在线显示结果，并在建议区内显示该批次烟叶最近最佳的成熟采收时间。

2.2 智能化密集烤房

在改变人工添加燃料为设备自动提供后，通过添加在自控仪上的烟叶在线监测设备，能够连续监测烤房内烟叶颜色和状态的变化，实时数据反馈到芯片后，芯片根据储存的数据对比指示控温系统下一步是否加大火力供热升温，或是控湿系统是否排湿。烤烟过程实现智能自动控制。通过“互联网+”技术，操作者可以在家里随时在线查看密集烤房的烘烤进程。遇到需要处理的极特殊烟叶，管理者可以通过网络了解烤房内烟叶的状态，手动改变智能烘烤为自主烘烤模式。

2.3 智能机械流动分级设备

种植户在烟叶回潮出炕后，平衡叶片达到一定含水量，然后把叶片成沓地送到全自动烟叶的进料口。机器按照程序把烟叶输送到密封的分级室，其内设有传送带，围绕圆形运动。机器内程序芯片控制n个机械抓手，固定在分级室内的墙壁上，每一个机械抓手上配置有辨别烟叶等级的检测器，每n/43个为相同的检测器负责一类烟叶的抓取，当敞开的叶片符合某个等级时，抓手抓住叶柄放到选定的等级出口流出分级室。传送间隔性地设置5~6个震动段，用于震动皱缩和叠压的叶片展开。当未展开的叶片在第一轮挑选后未挑中，传送带继续围绕圆形路径前行，经过震动后展开的叶片再次到达机械达抓手时被挑选出。对于严重皱缩无法识别的烟叶，经过几轮无法识别，第n/43组的机械抓手挑出交由人工处理。

3 烘烤环节下一步研究的重点

3.1 烟叶成熟代表成分的快速识别

视觉上能够从烟叶的颜色变化判断其成熟度高低，目前已经明确了不同部位欠熟、适熟和过熟鲜烟的3种颜色值指标范围，经交互验证回判正确率为96.3%，通过红外光谱技术图像处理的烟叶准确率为93.83%~97.53%，相对于农作物如达到100%的辣椒SVM模型精切分类，仍然需要在建模、颜色捕捉技术和图像的处理方式上进一步研究。采用光谱量化烟叶的氮、磷、氯、钾、纤维素和烟气含量已经得到广泛应用，烟叶在成熟过程中内部的组织和生理生化会发生有规律的变化，缺乏快速感应技术。应立足于田间试验，选择或研发合适的光谱仪、合适的光源、波段和采样间隔，使之成为快速检测烟叶成熟度一项重要参数。质外体如NH4+和氨气补偿点不同在烟叶成熟过程中含量有规律可寻，可以作为特征物质鉴别不同品种烟叶的成熟度。上述的多种处理手段在持续的研究后技术综合集成，将会大幅度提高成熟度判断的准确率。

3.2 机械化的采收和装炕

当前我国同等级别的烟叶工商交接的价格远高于国外的许多国家。随着我国经济的持续发展和人工费用的剧增，持续地导致原料烟的价格上涨。在烤烟型卷烟单盒价格限制99元以内的情况下，持续高昂的工商交接价格会影响卷烟企业的利润空间。适合于我国国情的烟叶采-运-装一体化的机械设备应及时落地推广，大幅度降低人工的费用成本。烟夹和散叶装烟相对于手工编竿挂杆虽然明显地降低了劳动用工，但是在使用人工方式为主的操作上没有发生“质”的变化。以箱式装烟为代表的机械化装烟是中国烟叶装烟的最终模式，需要投入大量的持续研究。

3.3 智能化烘烤装备的开发

无人值守并且烘烤成本低廉的自动化烘烤设备在我国的研究已经成熟，并进入到推广阶段。在黑暗条件下检测烟叶颜色变化和失水状况的传感器嫁接到烤烟自动控制的主机上，与输出的温湿度控制部件形成对应，便能够实现烟叶的智能化烘烤。随着远、近红外技术在识别在烟叶烘烤过程中的应用，需要针对气候、烟叶品种、烟叶部位和装烟密度的差异，把在线的烤房内场景、叶片颜色和状态进行光谱收集，对应不同地区的精准化的温湿度执行曲线，两者对应的大数据最终能够形成不同的地域烟叶的智能化烘烤工艺曲线，研究的重点是在线精准的检测设备。

4 建议

4.1 大数据库的建立

科技的创新带来了大数据时代的到来，(在其背景下)给烟草管理带来了新的机遇，同时也提出了许多更加艰巨的挑战。智能设备的内部芯片需要大数据的整合，有了完整的数据，在科研人员建模的基础上，可以开发出烟叶生产中的每一个细小环节的智能减工设备。相对于大农业的数据收集，烟草商业起步较晚且检测方法较为落后，特别是从烘烤环节的快速检测烟叶成熟的特征参数到全自动烟叶分级机探测仪器的研发。新的时期烟草公司有必要建立烟草农业的大数据平台并配备专职人员，负责收集和开发当地烟草生产全方位的数据收集、探（检）测、整理和归类，为进一步配合大农业实现智能化烟叶生产提供储备的技术和数据支撑。

4.2 科研管理的创新

科研服务于烟叶生产，烟叶生产指导科研研究的方向。现代烟草农业经过十多年的发展，在基础建设上取得了举世的瞩目，也积累了大批的技术人才，如云南和贵州已经形成了博士群体的技术和管理层。然而，随着近几年天气的异常情况、工业卷烟配方的变化和种植规模的压缩，区域内工商交接的烟叶质量有必要得到进一步的提升。提升的方向应该体现在“烟叶生产指导科研研究的方向”，针对当地烟叶生产中出现的问题，改变原来课题的申报制为招标制，发挥工业和商业博士群体的特长，根据本地区制约烟叶质量的因素，精确地设置科研研究的方向、内容和详细的年度考核指标，公开地面向相关的研究单位进行科研招标，工商两家按照自己的意愿实现烟叶质量的提升，进一步满足卷烟配方的需求。