精益煙草下煙草烘烤模式的創(chuàng)新與發(fā)展方向

汪代斌，楊 曄，陳益銀，楊 超，李鈉鉀，鄭琳琳，王建安

（1.中國煙草總公司重慶市公司，重慶 400023；2.河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050051；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002）

我國是世界上烤煙種植規(guī)模最大的國家，主要分布在從沿西南滄源縣到東北牡丹江市近5 000 km內(nèi)的不均衡的帶狀區(qū)域內(nèi)。烤煙的調(diào)制是決定其品質(zhì)和效益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是最為耗費(fèi)勞動用工的環(huán)節(jié)，涉及到從采收到烘烤多個(gè)不同的工序。受不同煙區(qū)因氣候、經(jīng)濟(jì)和種植規(guī)模等因素差異較大的影響，各地在煙葉的烘烤管理上差異較為明顯。對于國外或部分煙區(qū)形成的先進(jìn)的烘烤管理模式，由于煙草生產(chǎn)的特殊性，許多煙區(qū)復(fù)制引進(jìn)的管理模式出現(xiàn)“空殼化”現(xiàn)象，未能發(fā)揮出最佳的推廣效果。煙葉的烘烤管理環(huán)節(jié)仍存在不平衡的矛盾和問題。近2年，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人工成本所占煙葉生產(chǎn)費(fèi)用的比例大幅增加，國家煙草專賣局為了煙草行業(yè)平穩(wěn)發(fā)展轉(zhuǎn)型，推進(jìn)精益煙草生產(chǎn)[1]，鼓勵(lì)加強(qiáng)減工、降本和節(jié)能方面的研究。

1 烘烤環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀

1.1 多樣的烘烤設(shè)備類型

目前密集烤房已經(jīng)成為我國調(diào)制煙葉的主流場所。雖然國家在2009年出臺了418號密集烤房文件，規(guī)范了密集烤房的建造規(guī)格，但國內(nèi)前期修建的密集烤房和后期的不同供應(yīng)商家的設(shè)備性能存在差異[2]。近幾年大批的供熱設(shè)備老化，逐漸進(jìn)入淘汰期，部分煙區(qū)缺乏必要的烤房維護(hù)，存在墻體房頂和門窗的密封漏洞等問題。現(xiàn)階段普遍以煤炭為燃料直接燃燒供熱烘烤煙葉，隨著國家對環(huán)保的重視，替代燃煤的各類清潔能源如空氣源熱泵、醇基液體燃料、生物質(zhì)固體成型燃料和天然氣氣體燃料的供熱設(shè)備不斷成熟[3]，能夠代替人工添加燃料，并能實(shí)現(xiàn)烤房內(nèi)溫濕度的精確控制，不同能源類型的設(shè)備在產(chǎn)區(qū)之間存在差異。目前在各產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)了多種不同操作的密集烤房類型，加之人員操作技術(shù)存在偏差，區(qū)域內(nèi)差異化的密集烤房調(diào)制煙葉容易導(dǎo)致其香型的風(fēng)格弱化和光滑僵硬葉片的產(chǎn)生。

1.2 定性的成熟采收標(biāo)準(zhǔn)

適時(shí)采收煙葉是保證煙葉產(chǎn)質(zhì)的基礎(chǔ)。不同采收成熟度的煙葉烘烤后對其質(zhì)量存在不同的影響[4,5]。傳統(tǒng)采收煙葉根據(jù)葉片落黃程度、脈色變化、茸毛脫落程度和采收時(shí)斷面特征等定性的標(biāo)準(zhǔn)，依賴于主觀經(jīng)驗(yàn)性的判斷，部分煙葉采收時(shí)達(dá)不到最佳的成熟狀態(tài)。特別受品質(zhì)特性、葉位高低、氣候狀況、土壤質(zhì)地和栽培差異的影響，不少產(chǎn)區(qū)的種植戶在生產(chǎn)中存在跟風(fēng)強(qiáng)采、盲目隨從和依靠農(nóng)時(shí)判斷的采收等問題。

近幾年，為解決煙葉成熟采收憑靠經(jīng)驗(yàn)式判定存在的不足，張德龍等[6]進(jìn)行了丙二醛和葉綠素含量的測定后采收的研究。基于煙葉產(chǎn)值的量化判定，任杰等提出了一種烤煙成熟度新方法。雖然上述的研究檢測的地點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的，但為下一步我國煙葉定量的快速成熟判斷奠定了方向。

1.3 多種編煙和裝煙方式并存

不同裝煙方式對烘烤后煙葉品質(zhì)和能耗有不同的影響。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在沿用近百年的煙竿編煙技術(shù)的基礎(chǔ)上，近幾年出現(xiàn)了能夠降低勞動用工的編煙方式。梳式煙夾經(jīng)過多次的改進(jìn)得到推廣，得到大多煙區(qū)的認(rèn)可，隨后出現(xiàn)配套的可移動掛式裝煙架，減工效果更加明顯。20世紀(jì)90年代從巴西引進(jìn)散葉烘烤，在貴州的遵義和畢節(jié)得到大面積的推廣，經(jīng)過實(shí)踐演繹出散葉插簽、散葉堆積和框筐式網(wǎng)格散葉烘烤等多種形式。

1.4 靈活配套的烘烤技術(shù)

溫、濕度和通風(fēng)排濕等參數(shù)組成的烘烤工藝決定著煙葉在烘烤期間內(nèi)部的生化反應(yīng)，直接影響到烤后煙葉的質(zhì)量[7]。20世紀(jì)末宮長榮在總結(jié)以往烘烤工藝的基礎(chǔ)上，提出了三段式烘烤工藝。隨后隨著密集烤房的推廣，不同產(chǎn)區(qū)結(jié)合自己的煙葉發(fā)育情況，紛紛研發(fā)相配套密集烘烤工藝。重慶市煙草提煉“三段式烘烤工藝”為“三段六步式”烘烤工藝[8]。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所在生產(chǎn)中集成了“8點(diǎn)式精準(zhǔn)密集烘烤工藝”。湖南優(yōu)化密集烘烤工藝，形成了以“中溫中濕變黃、慢速升溫定色、延時(shí)干葉增香、弱風(fēng)干筋保香”為核心的工藝。針對散葉烘烤，謝已書等在貴州提出了“兩長一短、低濕慢烤”的烤煙烘烤工藝。崔國民在云南提出了提質(zhì)增香煙葉烘烤工藝。賴榮洪等采用密集烤房一烤一方案，為江西煙區(qū)優(yōu)化密集烤房煙葉烘烤工藝提供參考。王建安等[9]根據(jù)格盤套裝針插式的特點(diǎn)提出了配套的烘烤工藝。

為減少損失和失誤，區(qū)域內(nèi)的密集烘烤工藝需要不斷的完善和優(yōu)化，形成多種不同的地方烘烤工藝標(biāo)準(zhǔn)，整合到密集烤房配套的控制儀器中，為精確烘烤提供借鑒。

1.5 烘烤管理的組織形式

一直以來煙草公司在烘烤管理上秉承著“統(tǒng)一技術(shù)指導(dǎo)、煙農(nóng)自主烘烤”的傳統(tǒng)模式。隨著密集烘烤的推進(jìn)，出現(xiàn)了以服務(wù)為主的集約化烘烤管理團(tuán)體或組織，其中專業(yè)化烘烤模式是一種主要的形式。私營股份制合作和種植-烘烤分離形式雖然經(jīng)過嘗試，因多種原因均以失敗告終。目前專業(yè)化烘烤模式主要有大戶/農(nóng)場主、煙農(nóng)合作社、有償服務(wù)和散戶合作互助4種形式。對于煙葉質(zhì)量的提升、減少用工和降低烘烤能耗方面具有明顯的促進(jìn)作用。

為了進(jìn)一步提升烘烤環(huán)節(jié)的管理，王豐等進(jìn)行了“三統(tǒng)三分”式煙葉專業(yè)化烘烤服務(wù)模式研究，并探討了現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的分工制度問題。山東濰坊堅(jiān)持“班組實(shí)施、流程操作、工位作業(yè)”實(shí)施基于“1＋N”的煙葉采烤分一體化，明顯地提升了不同烘烤工序的精細(xì)化操作。

2 烘烤環(huán)節(jié)的發(fā)展方向

“兩降一提”即降低烘烤用工、降低烘烤費(fèi)用和提高煙葉的質(zhì)量，依然是未來烘烤管理模式的發(fā)展方向，但其核心是在大數(shù)據(jù)背景下的成熟度快速定量判斷、機(jī)械化采收、智能化烘烤和機(jī)器視覺分級。四者在相輔相促的過程中協(xié)同發(fā)展，詳細(xì)的圖解見圖1。

圖1 未來烘烤管理創(chuàng)新的方向Fig.1 The innovative direction of curing management in the future

2.1 簡易的快速量化的判斷設(shè)備

煙葉的成熟度通過一種手持輕巧的煙葉判斷機(jī)，種植戶通過掃描同時(shí)（或是）無損針刺煙葉組織的方式接觸到煙葉后能夠直接量化判斷出煙葉的成熟度。判斷的依據(jù)為能夠反映煙葉成熟的特征物質(zhì)，如顏色、衰老的物質(zhì)或是葉片揮發(fā)性的物質(zhì)。這些物質(zhì)事先通過標(biāo)準(zhǔn)化檢測取得數(shù)據(jù)，并形成快速量化判斷設(shè)備的內(nèi)置判斷參數(shù)。該設(shè)備由感應(yīng)區(qū)、顯示區(qū)和建議區(qū)組成，通過檢測到煙葉內(nèi)部的一種或是幾種具有代表性的物質(zhì)，內(nèi)置芯片對比并分析已取得的內(nèi)置判斷參數(shù)，快速在線顯示結(jié)果，并在建議區(qū)內(nèi)顯示該批次煙葉最近最佳的成熟采收時(shí)間。

2.2 智能化密集烤房

在改變?nèi)斯ぬ砑尤剂蠟樵O(shè)備自動提供后，通過添加在自控儀上的煙葉在線監(jiān)測設(shè)備，能夠連續(xù)監(jiān)測烤房內(nèi)煙葉顏色和狀態(tài)的變化，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋到芯片后，芯片根據(jù)儲存的數(shù)據(jù)對比指示控溫系統(tǒng)下一步是否加大火力供熱升溫，或是控濕系統(tǒng)是否排濕。烤煙過程實(shí)現(xiàn)智能自動控制。通過“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，操作者可以在家里隨時(shí)在線查看密集烤房的烘烤進(jìn)程。遇到需要處理的極特殊煙葉，管理者可以通過網(wǎng)絡(luò)了解烤房內(nèi)煙葉的狀態(tài)，手動改變智能烘烤為自主烘烤模式。

2.3 智能機(jī)械流動分級設(shè)備

種植戶在煙葉回潮出炕后，平衡葉片達(dá)到一定含水量，然后把葉片成沓地送到全自動煙葉的進(jìn)料口。機(jī)器按照程序把煙葉輸送到密封的分級室，其內(nèi)設(shè)有傳送帶，圍繞圓形運(yùn)動。機(jī)器內(nèi)程序芯片控制n個(gè)機(jī)械抓手，固定在分級室內(nèi)的墻壁上，每一個(gè)機(jī)械抓手上配置有辨別煙葉等級的檢測器，每n/43個(gè)為相同的檢測器負(fù)責(zé)一類煙葉的抓取，當(dāng)敞開的葉片符合某個(gè)等級時(shí)，抓手抓住葉柄放到選定的等級出口流出分級室。傳送間隔性地設(shè)置5~6個(gè)震動段，用于震動皺縮和疊壓的葉片展開。當(dāng)未展開的葉片在第一輪挑選后未挑中，傳送帶繼續(xù)圍繞圓形路徑前行，經(jīng)過震動后展開的葉片再次到達(dá)機(jī)械達(dá)抓手時(shí)被挑選出。對于嚴(yán)重皺縮無法識別的煙葉，經(jīng)過幾輪無法識別，第n/43組的機(jī)械抓手挑出交由人工處理。

3 烘烤環(huán)節(jié)下一步研究的重點(diǎn)

3.1 煙葉成熟代表成分的快速識別

視覺上能夠從煙葉的顏色變化判斷其成熟度高低，目前已經(jīng)明確了不同部位欠熟、適熟和過熟鮮煙的3種顏色值指標(biāo)范圍，經(jīng)交互驗(yàn)證回判正確率為96.3%，通過紅外光譜技術(shù)圖像處理的煙葉準(zhǔn)確率為93.83%~97.53%，相對于農(nóng)作物如達(dá)到100%的辣椒SVM模型精切分類，仍然需要在建模、顏色捕捉技術(shù)和圖像的處理方式上進(jìn)一步研究。采用光譜量化煙葉的氮、磷、氯、鉀、纖維素和煙氣含量已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，煙葉在成熟過程中內(nèi)部的組織和生理生化會發(fā)生有規(guī)律的變化，缺乏快速感應(yīng)技術(shù)。應(yīng)立足于田間試驗(yàn)，選擇或研發(fā)合適的光譜儀、合適的光源、波段和采樣間隔，使之成為快速檢測煙葉成熟度一項(xiàng)重要參數(shù)。質(zhì)外體如NH4+和氨氣補(bǔ)償點(diǎn)不同在煙葉成熟過程中含量有規(guī)律可尋，可以作為特征物質(zhì)鑒別不同品種煙葉的成熟度。上述的多種處理手段在持續(xù)的研究后技術(shù)綜合集成，將會大幅度提高成熟度判斷的準(zhǔn)確率。

3.2 機(jī)械化的采收和裝炕

當(dāng)前我國同等級別的煙葉工商交接的價(jià)格遠(yuǎn)高于國外的許多國家。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人工費(fèi)用的劇增，持續(xù)地導(dǎo)致原料煙的價(jià)格上漲。在烤煙型卷煙單盒價(jià)格限制99元以內(nèi)的情況下，持續(xù)高昂的工商交接價(jià)格會影響卷煙企業(yè)的利潤空間。適合于我國國情的煙葉采-運(yùn)-裝一體化的機(jī)械設(shè)備應(yīng)及時(shí)落地推廣，大幅度降低人工的費(fèi)用成本。煙夾和散葉裝煙相對于手工編竿掛桿雖然明顯地降低了勞動用工，但是在使用人工方式為主的操作上沒有發(fā)生“質(zhì)”的變化。以箱式裝煙為代表的機(jī)械化裝煙是中國煙葉裝煙的最終模式，需要投入大量的持續(xù)研究。

3.3 智能化烘烤裝備的開發(fā)

無人值守并且烘烤成本低廉的自動化烘烤設(shè)備在我國的研究已經(jīng)成熟，并進(jìn)入到推廣階段。在黑暗條件下檢測煙葉顏色變化和失水狀況的傳感器嫁接到烤煙自動控制的主機(jī)上，與輸出的溫濕度控制部件形成對應(yīng)，便能夠?qū)崿F(xiàn)煙葉的智能化烘烤。隨著遠(yuǎn)、近紅外技術(shù)在識別在煙葉烘烤過程中的應(yīng)用，需要針對氣候、煙葉品種、煙葉部位和裝煙密度的差異，把在線的烤房內(nèi)場景、葉片顏色和狀態(tài)進(jìn)行光譜收集，對應(yīng)不同地區(qū)的精準(zhǔn)化的溫濕度執(zhí)行曲線，兩者對應(yīng)的大數(shù)據(jù)最終能夠形成不同的地域煙葉的智能化烘烤工藝曲線，研究的重點(diǎn)是在線精準(zhǔn)的檢測設(shè)備。

4 建議

4.1 大數(shù)據(jù)庫的建立

科技的創(chuàng)新帶來了大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，(在其背景下)給煙草管理帶來了新的機(jī)遇，同時(shí)也提出了許多更加艱巨的挑戰(zhàn)。智能設(shè)備的內(nèi)部芯片需要大數(shù)據(jù)的整合，有了完整的數(shù)據(jù)，在科研人員建模的基礎(chǔ)上，可以開發(fā)出煙葉生產(chǎn)中的每一個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)的智能減工設(shè)備。相對于大農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)收集，煙草商業(yè)起步較晚且檢測方法較為落后，特別是從烘烤環(huán)節(jié)的快速檢測煙葉成熟的特征參數(shù)到全自動煙葉分級機(jī)探測儀器的研發(fā)。新的時(shí)期煙草公司有必要建立煙草農(nóng)業(yè)的大數(shù)據(jù)平臺并配備專職人員，負(fù)責(zé)收集和開發(fā)當(dāng)?shù)責(zé)煵萆a(chǎn)全方位的數(shù)據(jù)收集、探（檢）測、整理和歸類，為進(jìn)一步配合大農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化煙葉生產(chǎn)提供儲備的技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

4.2 科研管理的創(chuàng)新

科研服務(wù)于煙葉生產(chǎn)，煙葉生產(chǎn)指導(dǎo)科研研究的方向。現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)經(jīng)過十多年的發(fā)展，在基礎(chǔ)建設(shè)上取得了舉世的矚目，也積累了大批的技術(shù)人才，如云南和貴州已經(jīng)形成了博士群體的技術(shù)和管理層。然而，隨著近幾年天氣的異常情況、工業(yè)卷煙配方的變化和種植規(guī)模的壓縮，區(qū)域內(nèi)工商交接的煙葉質(zhì)量有必要得到進(jìn)一步的提升。提升的方向應(yīng)該體現(xiàn)在“煙葉生產(chǎn)指導(dǎo)科研研究的方向”，針對當(dāng)?shù)責(zé)熑~生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，改變原來課題的申報(bào)制為招標(biāo)制，發(fā)揮工業(yè)和商業(yè)博士群體的特長，根據(jù)本地區(qū)制約煙葉質(zhì)量的因素，精確地設(shè)置科研研究的方向、內(nèi)容和詳細(xì)的年度考核指標(biāo)，公開地面向相關(guān)的研究單位進(jìn)行科研招標(biāo)，工商兩家按照自己的意愿實(shí)現(xiàn)煙葉質(zhì)量的提升，進(jìn)一步滿足卷煙配方的需求。