張杰，鄭勁林，楊振民，蔣成勇，徐盼，朱景溯，歐亞非，杜國榮，楊洋，白若石，田書霞，矯海楠，胡林，馬雁軍，張馨予，曹伏軍，周駿

1 上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心北京工作站，北京 101121；2 北京慧榮和科技有限公司，北京 101102

烘焙是白肋煙處理的核心過程，是決定混合型卷煙產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵工藝[1]。白肋煙加里料后，煙葉在熱風(fēng)作用下不斷提升溫度，逐步達(dá)到絕干狀態(tài)，完成美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生混合型卷煙的特征香味物質(zhì)。白肋煙經(jīng)過烘焙后可有效降低白肋煙中的刺激性氣味，豐富煙香，使煙氣變得柔和細(xì)膩，白肋煙烘焙效果直接影響產(chǎn)品的感官質(zhì)量[2-3]。

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備控制系統(tǒng)的差異，在線生產(chǎn)所使用的白肋煙烘焙設(shè)備主要有熱風(fēng)對流式和微波輻射式2種，其中應(yīng)用最廣的網(wǎng)帶式熱風(fēng)對流白肋煙烘焙機(jī)[4]?；旌闲途頍煯a(chǎn)品開發(fā)、配方維護(hù)及白肋煙處理工藝研究中均需用到白肋煙烘焙設(shè)備。目前，國內(nèi)混合型卷煙產(chǎn)品開發(fā)過程中，實(shí)驗(yàn)室小試多采用電熱鼓風(fēng)烘箱對白肋煙進(jìn)行烘焙。電熱鼓風(fēng)烘箱為封閉式靜態(tài)加熱，且只能實(shí)現(xiàn)單一溫度加熱，而在線生產(chǎn)廣泛應(yīng)用的烘焙機(jī)多為三段式動(dòng)態(tài)加熱[6-8]，且烘焙處理工藝要求嚴(yán)格，電熱鼓風(fēng)烘箱與生產(chǎn)線白肋煙烘焙機(jī)差異巨大，難以模擬在線生產(chǎn)時(shí)白肋煙的烘焙效果，造成實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的產(chǎn)品配方小試通過后，在線生產(chǎn)進(jìn)行中試時(shí)，感官質(zhì)量與設(shè)計(jì)差異較大，增加了產(chǎn)品研發(fā)難度，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品開發(fā)效率。

白肋煙處理工藝研究包括加料工藝和烘焙工藝的研究，進(jìn)行白肋煙處理工藝研究時(shí)，需要進(jìn)行大量的組合實(shí)驗(yàn)，國內(nèi)白肋煙烘焙工藝研究通常采用電熱鼓風(fēng)烘箱進(jìn)行白肋煙烘焙實(shí)驗(yàn)[9-12]或者白肋煙烘焙機(jī)在線研究[13-15]。電熱鼓風(fēng)烘箱難以模擬在線生產(chǎn)時(shí)白肋煙的烘焙效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室無法進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室確定的烘焙工藝參數(shù)難以在在線生產(chǎn)中應(yīng)用。采用白肋煙烘焙機(jī)在線烘焙研究時(shí)，單個(gè)葉組通常需要約1000 kg的白肋煙煙葉，能耗約為60 kw，會(huì)產(chǎn)生巨大的原料浪費(fèi)和能耗問題，且對企業(yè)正常生產(chǎn)也會(huì)帶來較大的影響。這些問題已成為制約當(dāng)前煙草企業(yè)進(jìn)行白肋煙處理技術(shù)研究的瓶頸之一。

目前，國內(nèi)尚缺乏針對實(shí)驗(yàn)室用的白肋煙烘焙設(shè)備，尤其是可有效模擬在線生產(chǎn)廣泛應(yīng)用的網(wǎng)帶式熱風(fēng)對流白肋煙烘焙機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。張尚明等[5]設(shè)計(jì)了一種用于盛放白肋煙煙葉的網(wǎng)狀籠，用作白肋煙烘焙實(shí)驗(yàn)的輔助裝置，實(shí)施過程為將盛放有實(shí)驗(yàn)用白肋煙葉的網(wǎng)狀籠與白肋煙葉同步在白肋煙葉烘焙生產(chǎn)線上完成烘焙過程。此裝置簡單便捷，能夠應(yīng)用于部分白肋煙處理工藝研究，但此裝置僅為一個(gè)盛放白肋煙葉的網(wǎng)狀籠，烘焙過程依賴于在線白肋煙烘焙機(jī)，無法靈活開展試驗(yàn)，適用范圍較窄，無法滿足較全面的白肋煙處理工藝研究，且無法用于產(chǎn)品開發(fā)和配方維護(hù)。為此，根據(jù)網(wǎng)帶式熱風(fēng)對流白肋煙烘焙機(jī)的烘焙原理，設(shè)計(jì)了針對實(shí)驗(yàn)室用的白肋煙烘焙機(jī)，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)三段式烘焙，能夠有效模擬在線生產(chǎn)中白肋煙的烘焙過程，達(dá)到在線白肋煙烘焙機(jī)的烘焙效果，以期為混合型卷煙產(chǎn)品開發(fā)和白肋煙處理工藝研究提供支持。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)主要投料口1、烘焙箱2、空氣加熱器3、均流箱4、出料口5、電器柜6、排潮風(fēng)機(jī)7、葉絲傳送機(jī)構(gòu)8、排潮管9和工控機(jī)10等部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量煙葉或煙絲的烘焙處理，同時(shí)滿足白肋煙烘焙工藝研究和產(chǎn)品開發(fā)小試的要求。

實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)是根據(jù)網(wǎng)帶式白肋煙烘焙機(jī)工作原理設(shè)計(jì)的，進(jìn)行白肋煙烘焙試驗(yàn)時(shí)，通過工控機(jī)設(shè)置各烘焙箱溫度、傳送鏈速度、熱風(fēng)速度、排潮風(fēng)速等參數(shù)，設(shè)備穩(wěn)定在設(shè)定溫度后，將煙葉或煙絲經(jīng)投料口放入傳送鏈板上，通過傳送鏈的運(yùn)送將煙葉或煙絲勻速穿過三段式烘焙箱完成烘焙后輸送至出料口自動(dòng)落入收集盤中，實(shí)物圖見圖2。

1.2 主要部件的設(shè)計(jì)

1.2.1 烘焙箱的設(shè)計(jì)

圖1 實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of burley tobacco roaster for laboratory

圖2 實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Physical picture of burley tobacco roaster for laboratory

烘焙箱是進(jìn)行白肋煙烘焙的區(qū)域，主要作用是促使白肋煙與加入的料液發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生香味物質(zhì)，以達(dá)到增強(qiáng)煙香、改善吸味、去除雜氣和減輕刺激性的目的[16-18]。為達(dá)到與在線烘焙機(jī)一致的效果，烘焙箱采用三段式設(shè)計(jì)（見圖3），長度比為1:1:0.75，分為第一烘焙箱、第二烘焙箱和第三烘焙箱，第一烘焙箱和第二烘焙箱為下進(jìn)風(fēng)，第三烘焙箱為上進(jìn)風(fēng)，每段烘焙箱均設(shè)有獨(dú)立的空氣加熱器，熱風(fēng)機(jī)將加熱后的熱風(fēng)經(jīng)均流箱后送入傳送鏈上方或下方，作用于物料使之干燥脫水，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在熱風(fēng)進(jìn)口和烘焙箱內(nèi)設(shè)有內(nèi)置的熱風(fēng)溫度傳感器與外置的PID溫度調(diào)節(jié)器組成獨(dú)立的熱風(fēng)溫度自控裝置，自動(dòng)調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度使之在設(shè)定溫度范圍內(nèi)?？販胤秶O(shè)計(jì)為25～150℃，控溫精度±1℃。第一烘焙箱、第二烘焙箱和第三烘焙箱沿傳送鏈的傳送方向依次排列，傳送鏈上的物料經(jīng)葉絲輸入端進(jìn)入第一烘焙箱進(jìn)行第一段烘焙，然后進(jìn)入第二烘焙箱進(jìn)行第二段烘焙，最后進(jìn)入第三烘焙箱進(jìn)行第三段烘焙，最終由傳送鏈傳送出第三烘焙箱。烘焙后的廢氣通過排潮管道排出，烘焙箱內(nèi)設(shè)有濕度感應(yīng)器，可根據(jù)烘箱內(nèi)濕度調(diào)節(jié)排潮管道內(nèi)閥門，對烘箱內(nèi)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 烘焙箱示意圖Fig.3 Sketch diagram of roasting oven

為了對烘焙箱內(nèi)進(jìn)行密封，避免外界冷空氣進(jìn)入烘焙箱內(nèi)影響烘焙箱內(nèi)的溫度，在各個(gè)烘焙箱的煙絲進(jìn)入端和煙絲送出端設(shè)置絲刷，絲刷采用聚丙烯耐熱塑料細(xì)絲制成，塑料細(xì)絲可以進(jìn)入到擋料板的縫隙中進(jìn)行密封，既可以避免外界冷空氣和烘焙箱內(nèi)的熱氣的流通，又可以避免相鄰兩個(gè)烘焙箱之間的熱氣流通，避免了因烘焙箱內(nèi)的溫度差異影響煙葉或煙絲的烘焙效果和烘焙效率。每段烘焙箱均采用雙層隔熱設(shè)計(jì)，中間填充隔熱保溫材料，既可以減少熱量損失又可以確保長時(shí)間運(yùn)行后，設(shè)備表面溫度不會(huì)過高，防止?fàn)C傷風(fēng)險(xiǎn)。為了盡量減少熱量損失，每段烘焙箱的葉絲進(jìn)入端處設(shè)有隔板，隔板的寬度與傳送鏈板的寬度一致，煙絲經(jīng)由隔板和傳送鏈板之間的間隙進(jìn)入到烘焙箱內(nèi)進(jìn)行烘焙，隔板可以調(diào)整進(jìn)入烘焙箱內(nèi)煙絲的厚度，使得烘焙的煙絲厚度不會(huì)太厚導(dǎo)致底層煙絲烘焙效果不佳，也不會(huì)太薄而浪費(fèi)烘焙資源。

1.2.2 葉絲傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

葉絲傳送機(jī)構(gòu)包括機(jī)架和傳送鏈（見圖4），可通過設(shè)置傳送鏈速度進(jìn)而控制白肋煙烘焙時(shí)間，傳送鏈速度設(shè)計(jì)為0.08～0.80 m/min，烘焙時(shí)間在2.2 min～22 min內(nèi)可調(diào)。機(jī)架上安裝有傳送輥和拖鏈輥。傳送輥上配合安裝有傳送鏈板，傳送鏈板上開設(shè)有通氣孔，通氣孔大小既可確保熱風(fēng)有效通過又可保證煙絲不會(huì)漏下，傳送輥轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)傳送鏈板進(jìn)行傳送動(dòng)作。在每根傳送輥的兩端均固定安裝有鏈輪，兩個(gè)傳送輥的同一端的兩個(gè)鏈輪上配合安裝有鏈條，即沿機(jī)架的寬度方向，其兩側(cè)均設(shè)置有鏈條，鏈條的延伸方向與傳送鏈板的延伸方向一致。當(dāng)傳送輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與其固定連接動(dòng)力鏈輪會(huì)用和傳送輥相同速率向相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得鏈條和傳送鏈板的傳送方向一致，傳送速率一致。

拖鏈輥設(shè)置在葉絲烘焙段的下方位置，沿機(jī)架的寬度方向延伸。拖鏈輥與傳送鏈板抵接，當(dāng)控制電機(jī)帶動(dòng)傳送輥轉(zhuǎn)動(dòng)，傳送鏈板隨之運(yùn)動(dòng)，拖鏈輥可以在傳送鏈板和拖鏈輥之間的摩擦力的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，拖鏈輥可以對煙葉或煙絲烘焙段的傳送鏈板進(jìn)行支撐，避免傳送鏈板由于重力原因下沉。為了避免傳送鏈板和拖鏈輥之間的摩擦力影響傳送鏈板的運(yùn)動(dòng)，在拖鏈輥的兩端固定套設(shè)有托輥套，且托輥套位于鏈條的正下方與鏈條抵接。托輥套上開設(shè)環(huán)形的凹槽，鏈條嵌入到凹槽內(nèi)，凹槽兩端的側(cè)壁可以對鏈條起到導(dǎo)向限制作用，避免鏈條在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生偏移。本設(shè)備中鏈條和傳送鏈板均為金屬材質(zhì)，為降低噪聲，拖鏈輥和托輥套均采用橡膠，且橡膠具有自潤滑作用，對傳送鏈板和拖鏈輥之間、鏈條和托輥套之間進(jìn)行相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，減少摩擦。

圖4 葉絲傳送機(jī)構(gòu)Fig.4 Sketch diagram of leaf-silk conveying mechanism

1.2.3 均流箱的設(shè)計(jì)

為保證進(jìn)入到烘焙箱內(nèi)的熱氣流達(dá)到均流，使得各個(gè)部分的白肋煙的烘焙條件一致，設(shè)計(jì)了一種多孔可拆卸式白肋煙烘焙二級均流箱（見圖5）。均流箱包括箱體和均流板，箱體頂部設(shè)置有用于與白肋煙烘焙裝置整機(jī)相連接的連接部，箱體中空設(shè)置，上部安裝有均流板，均流板上開設(shè)有多個(gè)通氣孔，多個(gè)通氣孔沿均流板的長度方向和寬度方向均列，多個(gè)通氣孔遍布整個(gè)均流板。由下方進(jìn)氣口進(jìn)氣，經(jīng)過倒梯形均流箱殼體后，由于氣流流經(jīng)方向的體積緩慢變大，氣流流速變慢并且趨于穩(wěn)定的箱上方輸送，完成一級均流，在完成一級均流后氣流經(jīng)過多孔均流板，氣流經(jīng)過小孔后進(jìn)行二級均流后達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的穩(wěn)定氣流流速。

在均流板上方四邊位置布置有四條耐高溫耐磨毛刷條，其目的為配合輸送鏈板傳送煙葉或煙絲的動(dòng)態(tài)密密封裝置，由于輸送鏈板的重力作用壓迫毛刷形變，使其在不影響輸送鏈向前輸送，還能完成均流箱與輸送鏈之間的密封，減少氣流損失從而降低能耗。為了提高均流箱的整體密封性，在矩形孔處設(shè)置密封圈，當(dāng)均流板進(jìn)入箱體內(nèi)開始工作時(shí)，密封圈可以將均流板和矩形孔之間的縫隙進(jìn)行密封，避免外界冷空氣進(jìn)入箱體內(nèi)部從而降低熱氣的溫度。

圖5 均流箱示意圖Fig.5 Sketch diagram of flow box

2 應(yīng)用效果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用效果，對實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)的烘焙效果和設(shè)備穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料“中南?！苯鹧b8 mg卷煙白肋煙葉組（上海煙草集團(tuán)北京卷煙廠有限公司提供）。

設(shè)備和儀器：NST3A3S4白肋煙烘焙機(jī)組（意大利COMAS公司），氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀（美國Agilent公司），恒溫恒濕箱（德國MMM公司）。

烘焙效果評價(jià)方法：分別取5個(gè)“中南?！苯鹧b8 mg卷煙白肋煙葉組加里料后烘焙前煙葉樣品，每個(gè)葉組取500 g，采用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)按照在線白肋煙烘焙機(jī)烘焙條件進(jìn)行烘焙，并取所對應(yīng)葉組同條件下在線烘焙后的樣品，每個(gè)葉組取500 g。參照張杰等[19]的方法對實(shí)驗(yàn)室烘焙和在線烘焙后煙葉樣品中主要美拉德致香物質(zhì)進(jìn)行測定。將實(shí)驗(yàn)室烘焙和在線烘焙后的兩組煙葉樣品制成卷煙，在恒溫恒濕箱中平衡48 h，由上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心北京工作站7名具有評吸資質(zhì)人員參照YC/T 138—1998[20]單料煙感官質(zhì)量評價(jià)方法，分別按香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、濃度、刺激性、余味、協(xié)調(diào)性、燃燒性及灰色等8個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分，結(jié)果取平均值，并對感官質(zhì)量進(jìn)行描述。

設(shè)備穩(wěn)定性評價(jià)：取上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司“中南?！苯鹧b8 mg卷煙白肋煙葉組加里料后烘焙前煙葉樣品2.5 Kg，將所取樣品分成5份，每份500 g，采用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)按5個(gè)批次在相同烘焙條件進(jìn)行烘焙實(shí)驗(yàn)，其中第一烘焙箱為140℃，第二烘焙箱為120℃，第三烘焙箱為100℃，烘焙時(shí)間為7 min。按照前述方法[19-20]對不同批次烘焙后煙葉樣品中主要美拉德致香物質(zhì)進(jìn)行測定和感官質(zhì)量評價(jià)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 烘焙效果評價(jià)結(jié)果

測定實(shí)驗(yàn)室烘焙和在線烘焙后樣品中主要的美拉德致香產(chǎn)物如表1所示，實(shí)驗(yàn)室烘焙和在線烘焙主要的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物含量一致，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，P值為0.56大于0.05，表明實(shí)驗(yàn)室烘焙和在線烘焙后樣品中主要的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物含量的差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，采用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)處理后白肋煙中主要的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物與在線白肋煙烘焙機(jī)處理的結(jié)果一致。

表1 實(shí)驗(yàn)室烘焙和在線烘焙后樣品中主要的美拉德致香物質(zhì)含量Tab.1 Major Maillard aroma substances in samples after laboratory and online baking

表2可見，采用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)烘焙的樣品與在線烘焙機(jī)烘焙的樣品感官質(zhì)量得分接近，感官質(zhì)量一致。將兩組樣品感官質(zhì)量得分進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，P值為0.75大于0.05，說明兩組結(jié)果的差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)可以有效模擬在線烘焙機(jī)進(jìn)行烘焙處理，能夠達(dá)到與在線烘焙機(jī)一致的烘焙效果。

2.2.2 設(shè)備穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果

測定不同批次烘焙后煙葉樣品中主要美拉德致香物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)同一葉組經(jīng)不同批次烘焙后，樣品主要的美拉德致香物質(zhì)含量一致性良好，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.84%～8.52%。感官質(zhì)量方面，同一葉組不同批次烘焙后，樣品感官質(zhì)量評價(jià)得分平均為70.5，RSD為0.38%，表明，同一葉組經(jīng)不同批次烘焙后，樣品感官質(zhì)量未見明顯差異，感官質(zhì)量一致。結(jié)果表明，所開發(fā)設(shè)備烘焙穩(wěn)定性良好，同一葉組，經(jīng)不同批次烘焙后，其主要的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物含量和感官質(zhì)量均未見明顯差異。

3 討論與結(jié)論

基于網(wǎng)帶式熱風(fēng)對流白肋煙烘焙機(jī)的烘焙原理和功能參數(shù)，開發(fā)了針對實(shí)驗(yàn)室用的白肋煙烘焙設(shè)備，能夠有效模擬在線生產(chǎn)中白肋煙的烘焙過程，可用于混合型卷煙產(chǎn)品開發(fā)、配方維護(hù)及白肋煙處理工藝研究中，填補(bǔ)了國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室用三段式烘焙機(jī)的空白。烘焙箱作為核心部件，采用三段式烘焙設(shè)計(jì)，PID自動(dòng)控溫技術(shù)，箱體采用雙層隔熱設(shè)計(jì)，既可以有效減少熱量損失又可以防止?fàn)C傷風(fēng)險(xiǎn)。在各段烘焙箱的煙絲進(jìn)入端和煙絲送出端設(shè)計(jì)聚丙烯耐熱絲刷，絲刷可以進(jìn)入到擋料板的縫隙中進(jìn)行密封，既可以避免外界冷空氣和烘焙箱內(nèi)的熱氣的流通，又可以避免相鄰兩個(gè)烘焙箱之間的熱氣流通，確保了各段烘焙箱溫度穩(wěn)定。

結(jié)果表明：①設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)可以有效模擬在線烘焙機(jī)進(jìn)行烘焙處理，采用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)處理后白肋煙中主要的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物和感官質(zhì)量與在線白肋煙烘焙機(jī)處理的結(jié)果一致，沒有顯著性差異，能夠達(dá)到與在線烘焙機(jī)處理一致的效果；②所開發(fā)設(shè)備烘焙穩(wěn)定性良好，同一葉組，經(jīng)不同批次烘焙后，其主要的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物含量和感官質(zhì)量均未見明顯差異；③采用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室用白肋煙烘焙機(jī)每批次烘焙最少處理量僅為50 g煙絲，單批次烘焙能耗僅為1.8 kw，有效解決了白肋煙烘焙工藝研究中的原料浪費(fèi)和能耗問題；④該設(shè)備已應(yīng)用到上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司白肋煙處理工藝優(yōu)化和產(chǎn)品開發(fā)中，顯著提高了白肋煙處理工藝研究和產(chǎn)品開發(fā)效率。

表2 實(shí)驗(yàn)室烘焙和在線烘焙后樣品感官質(zhì)量評價(jià)Tab.2 Sensory quality evaluation of samples after laboratory baking and online baking