CN103110175A - 基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法，应用电子鼻技术建立新的快速、便捷、科学地分析烤烟气味的方法，实现以气味为指标调控和指导整个烤烟过程，针对不同品质烟叶特点，合理调控烘烤工艺，使烟叶质量潜力得到最大程度发挥，烤出烟叶应有的香气，大大增加了烘烤工艺的灵活性。

Description

基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法

技术领域

本发明涉及烟叶烘烤工艺领域，特别是涉及一种基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法。

背景技术

烟叶烘烤是指将田间采收的成熟烟叶置于烤房中烘烤调制的烟叶初加工过程。烘烤调制是决定烟叶最终质量和可用性的重要环节，保证最大限度地显露和发挥烟叶在农艺过程中形成和积累起来的质量潜势，其根本目的是把烟叶烤熟、烤黄、烤香。

烤烟三段式烘烤工艺是我国目前应用最广泛的烤烟烘烤方法，将烟叶烘烤过程划分为变黄期、定色期和干筋期3个阶段，对每个阶段规定了烟叶变化的确切要求和温、湿度调控指标。当前，虽然多数烤房已采用烤烟温、湿度控制系统，能够按照预设置的专家曲线实时控制烤房的温湿度，但在实际生产中，由于地域间差异、气候条件差异、烟叶素质差异等几乎是不可避免的，因而需要在基本规律的基础上，针对不同的情况确定合理的烘烤方案和温湿度曲线，以确保最终烟叶烘烤内在品质和外观质量上达成一致，实现烟叶的烤黄与烤香。

烟叶香气的量、质、型状况是由多种香气成分的组成、含量、比例及相互作用所决定的。烟叶的致香成分主要是在调制过程中转化形成的，一般来讲，烟叶在烘烤过程中香气成分变化的基本特征是：在变黄阶段通过生化变化，使烟叶中的大分子物质如淀粉、蛋白质等分解转化，形成香气原始物质；在定色阶段，香气原始物质可以发生缩合形成致香物质；干筋阶段在高温条件下，部分香气成分则发生分解，小分子香气物质减少比较明显。

目前，密集烤房已在得到大面积推广应用，减轻劳动强度、降低烟叶烘烤成本等方面均取得了一定成效，但在密集烘烤过程中，普遍采用的烘烤工艺依靠烘烤人员的主观经验。首先，烘烤技术难于掌握、风险高，容易出现烘烤失误、烤青、挂灰等现象，烘烤损失较为严重；其次，烤烟三段式烘烤操作技术依据的是观察烟叶的外观颜色与形状特征变化，由于受到色差和主观因素等的影响，烘烤调制工艺难以掌握。烘烤工艺中没有涉及到烟叶气味的变化，因而只注重到“烤黄”，而忽视“烤香”，这也是导致香气不足的重要原因之一。

香气、吃味是评价烟叶及其制品品质的重要指标，烘烤环境条件和工艺对香气有着极大的影响。如何将烟叶烤香，以提高烤烟的香吃味，是烤烟生产面临的重大课题。研究表明，在烘烤烟叶的烟气中，已发现的数千种化合物对香气和吃味均有不同程度的贡献。目前，通常采用传统的化学分析手段（如气相色谱——质谱法、毛细管电泳法等）对烟气中的化学成分进行分析，试图寻找不同烘烤条件与香气成分之间的关系，但这些方法需要复杂的仪器和实验条件，且难以得出能够体现烟叶优良内在品质的烘烤工艺。

随着电子鼻技术的日益成熟，在挥发性气体检测与判别领域得到越来越广泛的应用，并且表现优秀。因此本发明提出了应用电子鼻技术建立新的快速、便捷、科学地分析烤烟气味的方法，实现以气味为指标调控和指导整个烤烟过程。针对不同品质烟叶特点，合理调控烘烤工艺，使烟叶质量潜力得到最大程度发挥，烤出烟叶应有的香气，使烤烟整体品质趋向于期望值，大大增加烘烤工艺的灵活性。

发明内容

本发明解决的实际技术问题：为了解决当前烟叶烘烤调方法中烘烤工艺的准确性和烟叶香味和吃味水平不高的问题，本发明提供了一种基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法，从而更好地保证烘烤工艺的准确性和烘烤质量。

本发明的技术方案：为达到上述发明目的，本发明提供的一种基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法，包括以下步骤：

（1）在服务器上加载烤烟特征气味信息库，该信息库储存着烘烤烟叶的产地、烟叶生长部位、烟气在各个烘烤阶段的特征量以及被烘烤烟叶各个烘烤阶段对应的温度、湿度和阶段时间的设定值；

（2）根据待烘烤烟叶的产地和烟叶生长部位，从烤烟特征气味信息库中找出对应的烘烤曲线，并加载到烤房温度控制器和湿度控制器中，作为本次烟叶烘烤的标准曲线；

（3）将待烘烤的烟叶按要求装入烤房内，启动温度控制器和湿度控制器，火炉生火、加煤，开始烘烤；

（4）电子鼻气味采集装置实时采集烤房内的气体数据并传送给服务器，服务器使用智能算法处理获取的气味数据，得到当前烘烤阶段中烟叶烟气的特征量，将此特征量与存入烤房温度控制器和湿度控制器的标准曲线中相应烘烤阶段的特征量进行比对，以确定烟叶烘烤阶段，进而确定烟叶所处烘烤阶段对应的参数——温度、湿度和阶段时间，并将这些参数的设定值发送给烤房温湿度控制器；

（5）烤房温度控制器和湿度控制器接收服务器发送的温度、湿度和阶段时间的设定值，然后对温度和湿度控制设备进行控制操作，从而调节烤房内的温度和湿度，使烤房内的温度、湿度达到烘烤设定值；

（6）当设定的当前烘烤阶段时间到达后，进入到下一烘烤阶段，重复步骤（4）至（5），直至烘烤结束。

服务器上可以连接两个以上电子鼻气味采集装置。

步骤（1）中所述的烤烟特征气味信息库是通过采集若干批次烟叶烘烤成功范例的气味数据，进行分析处理，通过智能算法获得对烟叶烤后品质评估起支配作用的若干成份指标，成为烘烤烟叶烟气的特征量，再将烘烤烟叶烟气的特征量与对应的温度、湿度进行关联，以及对应于烤烟的产地、烟叶部位等信息，得到以气味为指标的标准烘烤曲线，构成了所述烤烟特征气味信息库。

步骤（4）中所述的电子鼻气味采集装置，用于采集烤烟过程中烤房内的烟气数据并传送给服务器，装在烤房外，与服务器数据通信相连。

电子鼻气味采集装置中包括气味传感器阵列，用于实时监测烤房内的烟气；根据各传感器所对应的敏感气体，最终选定对应的气体传感器组成气味传感器阵列，所述敏感气体包括烟草香气和其它气体成分，同时为了监控气体传感器的工作环境，附加相应的温度、湿度和气压传感器。

电子鼻气味采集装置中还包括排水冷凝器，安装在烤房外，排水冷凝器的进气口连接用于采集烤房内烟气的导管，排水冷凝器的出气口连接后续气味采集部件；所述排水冷凝器用于冷凝采集到烤房内烟气中混有的大部分水分，避免烟气中的水分汇集后阻塞采集气体的通路而影响或损坏传感器阵列以及其它设备。 

鉴于目前烟叶烘烤工艺现状的不足之处，在本发明中，运用电子鼻空气监测技术，在获取烤烟烟叶的气味特征后，以该特征量作为指标，对相应烘烤阶段的参数进行设置，以“烤香”为目标，调控整个烟叶烘烤过程，最大限度地发挥烟叶的质量潜力。本发明的提出，对烤出高质量的烟叶、提高烟叶的香吃味，促进现代烟草农业的发展有着重大的意义。

相比于现有烟叶烘烤调控工艺方法，本发明提供的方法有如下有益效果：

（1）由于在烘烤过程中人工方法不易获取烟叶气味，因此无法全面、实时、准确地掌握烤烟中烟气的变化规律，难以发现不同烘烤条件与烟叶香气的关系。本技术发明提出了基于电子鼻的快速、简便、科学地分析烤烟过程中气味的方法。由于烤烟过程中的烟气成分复杂，许多化学成分与香气有关，因此通过智能算法获取烤烟气味特征，有利于开展不同烘烤条件与烟叶香气关系的研究。

（2）目前，国内烤烟大多只注重于烟叶烘烤过程中的外观变化，而忽视其内在变化，导致烤后烟叶香吃味质差、香气量不够。本技术发明提出了以烤烟过程中的气味为指标，结合烟叶的其它信息评价和调控整个烤烟过程的新工艺。遵守了鲜烟叶在烘烤中外观变化与内在变化的一致性规律，结合具体烘烤对象的特殊性，采取适宜的烘烤措施，弥补烟叶农艺性状的不足，最终实现烟叶既烤黄，又烤香的目的。

附图说明

图1是基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤调控工艺方法的一种具体实施方式流程图；

图2是图1所示烤烟特征气味信息库结构示意图；

图3是本发明的一种实施方式构架框图；

图4是电子鼻气味采集装置结构示意图；

图5是图3所示排水冷凝器结构示意图；

图6是本发明的一种改进实施方式构架框图；

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合具体实施方式及附图对本发明进行更为详细描述。在以下的描述中，当已有的现有技术的详细描述也许会淡化本发明的主题内容时，这些描述在这儿将被忽略。

附图1是基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤调控工艺方法的一种具体实施方式流程图。

下面按步骤，对本实施例作详细说明：

步骤ST1：预先在服务器上加载烤烟特征气味信息库，该信息库里储存着烘烤烟叶的产地、烟叶部位、烟气在各个烘烤阶段的特征量以及被烘烤烟叶各个烘烤阶段对应的温、湿度设定值和阶段时间设定值。

图2是上述烤烟特征气味信息库结构示意图。烤烟特征气味信息库的构建步骤如下：

（1）通过电子鼻气味采集装置采集若干批次烟叶烘烤成功范例的气味数据，尽可能多地选取不同产地不同生长部位的烟叶。不同生长部位的烟叶包括：上部叶、中部叶和下部叶。由此，保证构建的烤烟特征气味信息库具有广泛性；

（2）针对每一次烘烤成功范例的数据进行分析处理，采用数据挖掘、数理统计、智能算法（例如：主成分分析法、人工神经网络、支持向量机等算法但不仅限于这几种算法及其组合算法）对来自气味传感器阵列的数据进行处理，获得对烟叶烤后品质评估起支配作用的若干成分指标，成为烘烤烟叶烟气的特征量；

（3）将烘烤烟叶烟气的特征量与对应的温度、湿度进行关联，以烘烤烟叶烟气的特征量为输入量，以对应的温度、湿度为目标量，通过学习数量足够的样本，构建一个泛化能力强、预测误差低的网络。由此，对应于烤烟的产地、烟叶部位等信息，得到以气味为指标的标准烘烤曲线，构成了所述烤烟特征气味信息库。从而结合烤烟特征气味信息库，通过得到当前时间段烘烤烟叶烟气的特征量的变化，获知烘烤温度、湿度目标曲线。

步骤ST2：根据待烘烤的新鲜烟叶的产地和烟叶生长部位，从烤烟特征气味信息库中查找出对应的标准烘烤曲线，将此曲线加载到烤房温湿度控制器中，作为本次烟叶烘烤的标准曲线。

步骤ST3：将待烘烤的新鲜烟叶按照装填要求装入烤房内，启动烤房温湿度控制器，火炉生火、加煤，开始烘烤。

步骤ST4：电子鼻气味采集装置实时采集烤房内的气体数据并传送给服务器，服务器将气味数据曲线实时显示在显示器上，结合智能算法处理数据，得到当前烘烤阶段中烟叶烟气的特征量。将此特征量与存入到烤房温湿度控制器的标准曲线中相应烘烤阶段的特征量进行比对，根据当前的特征量确定烟叶烘烤阶段，进而确定烟叶所处烘烤阶段对应的参数——温度、湿度和阶段时间，并将这些参数的设定值发送给烤房温湿度控制器。

本发明的一种实施方式构架框图如附图3所示，虚线框内为烤房气味监测控制系统，包括电子鼻气味采集装置和烤房温湿度控制器，二者均安装在烤房外部，分别用于实时对烤房内气味进行监测和调控烘烤过程。服务器可以采用现有技术的个人计算机实现，包括主机、显示器等个人计算机的构成部分，主要用于实现远端中央集成监控功能；当然，实现上述功能需要在服务器中安装相应的电子鼻气味监测软件。在本实施例中，该软件在windows XP计算机操作系统平台之上利用Delphi等软件设计工具加以设计研发完成，用以与电子鼻气味采集装置和温湿度控制器进行通信。设计完成的电子鼻气味监测软件兼容windows XP、windows 7、windows server 2003等常用的计算机操作系统。电子鼻气味采集装置采用RS-485通信接口，而通常服务器的串口设计中仅采用了RS-232通信接口，在这种情况下，则可以通过RS-485转RS-232接口转换器实现电子鼻气味采集装置与服务器之间的数据通信连接。

所述烤房温湿度控制器可以选用现有常规烤房所采用的控制器件，是市购成熟产品，在本实施例中选用的温湿度控制器为辽宁海帝升机械有限公司生产的HDS-6型，该控制器为每间烤房现有设备，不属于本发明范围。所述烤房温湿度控制器包含DS18B20型传感器4个，测量精度为±0.5℃，测量范围为0～85℃，通讯协议采用RS-485，供电电压范围为220V/380V±20%。

附图4是所述电子鼻气味采集装置结构示意图，其中1为防尘罩，用于防止灰尘或大颗粒异物进入气体导管；2为排水冷凝器，用于冷凝流经该装置的混有水汽的烤房内气体，保护气味传感器阵列以及其它设备；3为阻水过滤器，用于保持所进空气的干燥和纯净度，其型号为Midsart 2000 ，孔径为0.22??m，过滤速度为300mL/min/cm?? ；标号4代表三通电磁阀，其型号为ZC2/32-6，通径为 6mm；5为转子流量计，其型号LZB-3WB，控制流速范围为16-160ml/min；6为气味传感器阵列；7为气室，其为不锈钢材质，表面涂有防吸附的特氟龙材料；8为真空泵，型号为PM6503-12V，流量为3L/min。另外，防尘罩处的导管通入烤房内的气体，阻水过滤器的导管通入纯净的空气。

附图4中所述气味传感器阵列能够实时监控烤房内气体成分，多路传感器组成的阵列不仅能够检测烟草在烘烤过程中挥发出来的香味气体，还能检测烤房内各种气体成分的变化，传感器采集到的气体信号经过采集单元转化成数字信号，然后通过RS-485通信线发送到服务器，与服务器连接的显示器能实时显示气味信号的变化走势，并且通过智能算法得出一个综合气味指标，通过温湿度控制器实现对烤房环境的反馈控制调节。

烟草香气包括醇类、脂类、醛类、酮类、芳香族、酚类和烯烃等基本成分，根据各传感器所对应的敏感气体，最终选定对应的气体传感器组成气味传感器阵列。在本实施例中，选用日本费加罗公司生产的气体传感器，型号分别为TGS2600、TGS2602、TGS813、TGS822、TGS825、TGS826；选用的郑州炜盛科技有限公司生产的气体传感器型号分别为WSP2111、MQ135、MQ138；选用的日本FIS公司生产的空气质量传感器型号为SP3S-AQ2。同时为了监控气体传感器的工作环境，附加相应的温度、湿度和绝对大气压力传感器，型号分别为DS600、HIH4000、MPX4100AP。

附图4中所述排水冷凝器安装在烤房外，主体部分为玻璃材质，排水冷凝器结构示意图如附图5所示。其中，1为进气口，用于连接采集烤房内气体的导管；2为出气口，用于连接后续气味采集部件，在本实施例中，出气口连接三通电磁阀；3为排水阀门，用于排掉冷凝储存的水。所述排水冷凝器具有一个进气口，一个出气口和一个排水阀门。进气口竖直朝上，其垂直下方为排水阀门，出气口处于水平方向。当烤房内的气体流经排水冷凝器时，其中混有的水汽便会在该装置中凝结成水珠，起到了冷凝的作用，保护了传感器阵列以及其它设备。

烟叶在烘烤调制过程中，伴随着烟叶水分的蒸发，随着温度的升高，烤房内气体含湿量增大。而电子鼻气味采集装置需要实时采集烤房内的气体用作记录分析，为了避免气体中的水分汇集后阻塞采集气体的通路而影响或损坏传感器阵列以及其它设备，故在电子鼻气味采集装置中安装了排水冷凝器。所述排水冷凝器工作原理为：当电子鼻气味采集装置处于正常工作状态时，拧紧排水阀门。烤房内气体通过进气口由上至下进入排水冷凝器，若气体中水分较多，则水珠会沿着排水冷凝器的玻璃壁垂直流下至排水阀门处。烤房内气体经过排水冷凝器后会去除掉自带的大部分水分，通过出气口流入三通电磁阀。当电子鼻气味采集装置处于非工作状态时，拧开排水阀门排除储留的水，完成后重新拧紧。

步骤ST5：烤房温湿度控制器接收服务器发送的温、湿度和阶段时间的设定值，烤房温湿度控制器对温湿度控制设备（例如鼓风机、通风设备等加热、加湿、除湿之类的设备）进行控制操作，从而调节烤房内的温湿度，使得烤房内的温度、湿度分别达到烘烤设定值。

步骤ST6：当设定的当前烘烤阶段时间到达后，进入到下一烘烤阶段，重复步骤ST4—步骤ST5，直至烘烤过程结束。

通过上述基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤调控工艺实施方式流程可以看到，本发明与目前基于时间的烘烤调控工艺有着本质的区别。当前，烤烟生产中对烘烤过程的控制主要依靠预先设置的专家烘烤曲线，其缺陷是：第一，由于不同品质的烟叶烘烤工艺不尽相同，因而不能将烟叶质量潜力得到最大程度发挥，无法烤出烟叶应有的香气；第二、对烘烤过程中关键时期的温度、湿度调控受烟农的主观因素影响大，容易导致烘烤失误，从而造成严重的烘烤损失。

造成以上突出矛盾的原因是没有引入气味这一评判指标，只围绕“烤黄”来确定工艺，获取的烟叶烘烤信息不足，缺少以“烤香”为目标评判的烘烤工艺，使得最终烘烤出的烟叶外观质量与香气关系不协调。本发明提出的工艺方法引入烤烟过程中的气味作为指标，运用电子鼻空气监测技术，通过智能算法获取烤烟气味特征，并构建烤烟气味特征库。从而在每次烟叶烘烤过程中，实时获取烤烟烟叶的气味特征后，与烤烟气味特征库中的相应标准特征量进行比对，实现对相应烘烤阶段的参数调控，以“烤香”为目标，最大限度地发挥烟叶的质量潜力，进而调控整个烟叶烘烤过程。

作为本发明在另一方面的改进方案，其构架框图如附图6所示。图3中所述烤房气味监测控制系统可以有多个，例如有n个所述系统。其中，各个装置分别按前述的方式与服务器数据通信连接，每个烤房气味监测控制系统用于对应一个烤房，从而实现同时对多个烤房内的烟叶烘烤过程进行气味监测和烘烤调控。由此，使得本发明能够得以规模化集成应用，由一位烘烤人员通过一台服务器就可以实现对多个烤房内的烟叶烘烤过程的联合气味监测和调控，一方面进一步减轻了烘烤工艺的劳动强度，另一方面也有助于降低烟叶烘烤的管理成本。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，但应当清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）在服务器上加载烤烟特征气味信息库，该信息库储存着烘烤烟叶的产地、烟叶生长部位、烟气在各个烘烤阶段的特征量以及被烘烤烟叶各个烘烤阶段对应的温度、湿度和阶段时间的设定值；

（2）根据待烘烤烟叶的产地和烟叶生长部位，从烤烟特征气味信息库中找出对应的烘烤曲线，并加载到烤房温度控制器和湿度控制器中，作为本次烟叶烘烤的标准曲线；

（3）将待烘烤的烟叶按要求装入烤房内，启动烤房温度控制器和湿度控制器，火炉生火、加煤，开始烘烤；

（4）电子鼻气味采集装置实时采集烤房内的气体数据并传送给服务器，服务器使用智能算法处理获取的气味数据，得到当前烘烤阶段中烟叶烟气的特征量，将此特征量与存入烤房温度控制器和湿度控制器的标准曲线中相应烘烤阶段的特征量进行比对，以确定烟叶烘烤阶段，进而确定烟叶所处烘烤阶段对应的参数，包括温度、湿度和阶段时间，并将这些参数的设定值发送给烤房温度控制器和湿度控制器；

（5）烤房的温度控制器和湿度控制器接收服务器发送的温度、湿度和阶段时间的设定值，然后对温度控制器和湿度控制器进行控制操作，从而调节烤房内的温度和湿度，使烤房内的温度、湿度达到烘烤设定值；

（6）当设定的当前烘烤阶段时间到达后，进入到下一烘烤阶段，重复步骤（4）至（5），直至烘烤结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法，其特征在于：服务器上可以连接两个以上电子鼻气味采集装置。

3.根据权利要求1所述的一种基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法，其特征在于：步骤（1）中所述的烤烟特征气味信息库:通过采集一个烤季内烟叶烘烤成功范例的气味数据，进行分析处理，通过智能算法获得对烟叶气味信息起支配作用的指标，形成烘烤烟叶烟气的特征量，再将烘烤烟叶烟气的特征量与对应的温度、湿度进行关联，以及对应于烤烟的产地、烟叶部位等信息，得到以气味为指标的标准烘烤曲线，构成了所述烤烟特征气味信息库。

4.根据权利要求1所述的一种基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法，其特征在于：步骤（4）中所述的电子鼻气味采集装置，用于采集烤烟过程中烤房内的烟气数据并传送给服务器，装在烤房外，与服务器数据通信相连。

5.根据权利要求4所述的一种基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法，其特征在于：所述的电子鼻气味采集装置中包括气味传感器阵列、温度传感器、湿度传感器和气压传感器。

6.根据权利要求5所述的一种基于电子鼻气味监测技术的烟叶烘烤方法，其特征在于：所述的电子鼻气味采集装置中还包括排水冷凝器，安装在烤房外，排水冷凝器的进气口连接用于采集烤房内烟气的导管，排水冷凝器的出气口连接后续气味采集部件。

Images