基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的河南煙葉烘烤工藝大數(shù)據(jù)分析

過(guò)偉民，趙 虎，鄭勁民，張艷玲，劉劍君，張仕祥，王建偉，王愛(ài)國(guó)，蔡憲杰，許成悅，鄭 豐

1.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院 煙草行業(yè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2號(hào) 450001

2.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶市北碚區(qū)天生路2 號(hào) 400700

3.河南省煙草公司，鄭州市鄭東新區(qū)商務(wù)外環(huán)路15 號(hào) 450001

4.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海市楊浦區(qū)長(zhǎng)陽(yáng)路717 號(hào) 200082

5.安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，合肥市高新區(qū)黃山路606 號(hào) 230000

烘烤是煙葉品質(zhì)形成的關(guān)鍵階段。大田收獲后的鮮煙葉需要人為給予一定的溫濕度條件和持續(xù)時(shí)間，使煙葉含水率由85%左右到接近干燥、顏色由綠黃色變?yōu)殚冱S色，促使煙葉內(nèi)在大分子物質(zhì)降解和致香物質(zhì)形成等。烘烤階段的劃分與溫濕度管理是烘烤工藝的核心。我國(guó)于20 世紀(jì)90年代提出烤煙三段式烘烤工藝［1］，1996 年出臺(tái)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［2］，將煙葉烘烤過(guò)程劃分為變黃期、定色期和干筋期3 個(gè)階段，并提出不同階段的主要技術(shù)要點(diǎn)［3］。近年來(lái)隨著密集烤房的逐漸普及，針對(duì)烤房裝煙量大、排濕快等特點(diǎn)，又相繼提出“五段五對(duì)應(yīng)”［4］、“八點(diǎn)式”［5］、“三段六步式”［6］等烘烤工藝。并在三段式烘烤工藝基礎(chǔ)上，對(duì)烘烤階段進(jìn)行了更為精細(xì)的劃分，同時(shí)也開(kāi)展了不同烘烤階段工藝參數(shù)優(yōu)化研究［7-10］，提高了煙葉烘烤環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)控制水平。

我國(guó)不同生態(tài)區(qū)煙葉采烤季節(jié)的氣象條件和鮮煙葉素質(zhì)差異較大，使煙葉的烘烤工藝、烘烤設(shè)施和控制系統(tǒng)等均存在不同程度的差異。前人曾對(duì)煙葉烘烤過(guò)程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究［11-12］，但由于煙葉產(chǎn)區(qū)分散、烘烤數(shù)據(jù)采集方法不成熟、烘烤控制系統(tǒng)不兼容等問(wèn)題，尚難以全面分析烘烤過(guò)程中溫濕度數(shù)據(jù)及烘烤工藝中存在的問(wèn)題，這在一定程度上制約了煙葉品質(zhì)的進(jìn)一步提高。為此，利用烘烤物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置［13］，連續(xù)2 年在河南3 個(gè)煙區(qū)采集烘烤過(guò)程溫濕度數(shù)據(jù)，分析了不同烘烤階段的時(shí)長(zhǎng)和濕球溫度等指標(biāo)，明確了各煙區(qū)烘烤工藝的主要特點(diǎn)，并與國(guó)內(nèi)外烘烤工藝進(jìn)行對(duì)比分析，旨在為河南煙葉烘烤工藝的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 烘烤過(guò)程溫濕度數(shù)據(jù)采集

2018—2019 年采用烤房控制儀加裝烘烤物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置，在試驗(yàn)區(qū)域（表1）跟蹤采集中部和上部煙葉烘烤過(guò)程中的溫濕度數(shù)據(jù)6 891套。所采集數(shù)據(jù)涵蓋河南產(chǎn)區(qū)3 個(gè)煙草種植二級(jí)區(qū)的9 個(gè)地級(jí)市［14］。

表1 數(shù)據(jù)采集區(qū)域及數(shù)量Tab.1 Area and quantity of data acquisition

1.2 分析方法

以GB/T 23219—2008［15］烘烤三階段劃分為基礎(chǔ)，提取每套烘烤數(shù)據(jù)的變黃期、定色期和干筋期的時(shí)長(zhǎng)。參考國(guó)內(nèi)外烘烤工藝［4-6,16］的烘烤階段及溫度段劃分，每個(gè)烘烤階段又進(jìn)一步細(xì)化為35 ℃以下（預(yù)變黃期）、36～37 ℃（變黃前期）、38 ℃（變黃中期）、39～40 ℃（變黃中后期）、41～42 ℃（變黃后期）、43～48 ℃（定色前期）、49～51 ℃（定色中期）、52～54 ℃（定色后期）、55～60 ℃（干筋前期）和61 ℃以上（干筋后期）等不同時(shí)期，提取濕球溫度中位值等指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用OFFICE 2016 箱型圖分析不同煙區(qū)烘烤工藝指標(biāo)的差異，采用SPSS V 19.0 數(shù)據(jù)處理模塊分析不同煙區(qū)烘烤工藝指標(biāo)的相似性,采用相關(guān)分析研究烘烤工藝指標(biāo)間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 烘烤工藝指標(biāo)數(shù)據(jù)分析

不同烘烤階段時(shí)長(zhǎng)分布見(jiàn)圖1。中部煙葉烘烤總時(shí)長(zhǎng)中位值168 h，接近2/3 數(shù)據(jù)分布在156～192 h，上部煙葉中位值較中部葉增加9 h，集中分布在168～204 h。中部煙葉變黃期時(shí)長(zhǎng)集中分布在48～84 h，中位值71 h，上部煙葉60～96 h 的占比接近50%，中位值81 h，少量數(shù)據(jù)（10%左右）變黃期時(shí)長(zhǎng)超過(guò)120 h。中部和上部煙葉的定色期和干筋期時(shí)長(zhǎng)差異不大，定色期時(shí)長(zhǎng)中位值55 h 左右，集中分布在36～72 h，干筋期時(shí)長(zhǎng)中位值在34 h左右，集中分布在24～48 h。總體來(lái)看，上部煙葉烘烤總時(shí)長(zhǎng)較中部煙葉多9 h 左右，變黃期時(shí)長(zhǎng)差異較大，定色期和干筋期時(shí)長(zhǎng)相近。

圖1 烘烤總時(shí)長(zhǎng)及變黃期、定色期和干筋期三階段時(shí)長(zhǎng)的分布Fig.1 Distributions of total flue-curing time and durations of three stages (yellowing,color-fixing and stem-drying)

烘烤不同時(shí)期的濕球溫度分布見(jiàn)圖2。變黃中期的濕球溫度集中分布在35.5～37.4 ℃，中部和上部煙葉差異較小，中位值均為36.4 ℃。變黃中后期的濕球溫度集中分布在35.5～38.4 ℃，中部和上部煙葉差異不大，中位值均為36.9 ℃。變黃后期中部煙葉的濕球溫度主要分布在35.5～37.4 ℃，中位值36.7 ℃，上部煙葉濕球溫度的分布相對(duì)分散，34.4 ℃以下、35.5～36.4 ℃、36.5～37.4 ℃的占比均接近或超過(guò)1/5，中位值36.2 ℃。定色前期濕球溫度的分布規(guī)律與變黃后期相似，中部煙葉主要分布在35.5～37.4 ℃，中位值36.4 ℃，上部煙葉1/3數(shù)據(jù)的濕球溫度在34.4 ℃以下，中位值35.6 ℃。定色后期中部煙葉濕球溫度明顯提高，集中分布在36.5～39.4 ℃，中位值接近38 ℃，上部煙葉濕球溫度略有回升，但仍有近1/3 數(shù)據(jù)低于35.4 ℃。干筋后期中部煙葉濕球溫度集中分布在38.5～42.4 ℃，中位值40.1 ℃，上部煙葉的分布相對(duì)分散，中位值較中部煙葉低1 ℃。總體來(lái)看，中部煙葉烘烤過(guò)程濕球溫度隨干球溫度升高呈先穩(wěn)定后上升的趨勢(shì)，上部煙葉變黃后期至定色期的濕球溫度出現(xiàn)較明顯波動(dòng)，濕球溫度總體較低，干濕差較大。

圖2 不同烘烤時(shí)期濕球溫度中位值的分布Fig.2 Distributions of median value for wet bulb temperature at different flue-curing stages

2.2 不同煙區(qū)烘烤工藝指標(biāo)分析

2.2.1 烘烤三階段時(shí)長(zhǎng)分析

由圖3 看出，不同煙區(qū)煙葉的烘烤總時(shí)長(zhǎng)存在差異，豫中和豫西煙區(qū)的烘烤總時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，中部和上部煙葉的中間50%數(shù)據(jù)分布在155～190 h，豫南煙區(qū)的烘烤總時(shí)長(zhǎng)相對(duì)較短，中間50%數(shù)據(jù)分布在150～180 h。不同煙區(qū)煙葉烘烤三階段的時(shí)長(zhǎng)存在較明顯差異，豫中煙區(qū)的變黃期時(shí)長(zhǎng)明顯較長(zhǎng)，中部和上部煙葉的中位值分別接近90 h 和超過(guò)100 h，豫西煙區(qū)兩部位煙葉的中位值在70～80 h之間，豫南煙區(qū)變黃期時(shí)長(zhǎng)明顯較短，兩部位的中位值均在70 h 以下。不同煙區(qū)烘烤定色期時(shí)長(zhǎng)的差異相對(duì)小于變黃期，豫西、豫南煙區(qū)相對(duì)較長(zhǎng)，兩部位的中位值在60 h 左右，豫中煙區(qū)兩部位的中位值在50 h 左右。不同煙區(qū)烘烤干筋期時(shí)長(zhǎng)的差異特點(diǎn)與定色期表現(xiàn)相似，豫西、豫南煙區(qū)中位值在35～40 h，豫中煙區(qū)相對(duì)較短，中位值在30 h左右。

圖3 不同煙區(qū)煙葉烘烤三階段的時(shí)長(zhǎng)比較Fig.3 Duration of each flue-curing stage in different areas

以變黃期、定色期和干筋期時(shí)長(zhǎng)為變量，對(duì)不同煙區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析的結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4及表2 可以看出，各煙區(qū)中部和上部煙葉均可歸為同一類。豫西、豫南煙區(qū)烘烤各階段時(shí)長(zhǎng)的分配基本一致，變黃期、定色期和干筋期時(shí)長(zhǎng)占烘烤總時(shí)長(zhǎng)的比例約為40%、35%和25%。豫中煙區(qū)變黃期大幅度延長(zhǎng)，三階段的時(shí)長(zhǎng)占比約為55%、30%和15%。

表2 不同煙區(qū)烘烤三階段時(shí)長(zhǎng)占烘烤總時(shí)長(zhǎng)的比例Tab.2 Proportions of durations for three flue-curing stages to total flue-curing time in different areas

圖4 不同煙區(qū)煙葉烘烤時(shí)長(zhǎng)的聚類分析樹(shù)狀圖Fig.4 Cluster tree analysis for tobacco curing time in different areas

2.2.2 烘烤工藝擬合曲線分析

利用干濕球溫度數(shù)據(jù)擬合不同煙區(qū)的烘烤工藝曲線（圖5）顯示，中部和上部煙葉的規(guī)律基本一致。豫中煙區(qū)烘烤工藝的主要特點(diǎn):中高溫（干球40～42 ℃）中高濕（濕球36～37 ℃）主變黃，低溫（干球45 ℃左右）低濕（濕球35 ℃）主定色；豫南煙區(qū)的主要特點(diǎn):中高溫（干球40～42 ℃）高濕（濕球37 ℃左右）主變黃，低溫（干球45 ℃左右）中濕（濕球36 ℃）主定色；豫西煙區(qū)的主要特點(diǎn):中高溫（干球40～42 ℃）中高濕（濕球36～37 ℃）主變黃，低溫（干球45 ℃左右）中濕（濕球36.5 ℃）主定色。

圖5 不同煙區(qū)烘烤工藝大數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.5 Big data fitting curve of flue-curing process in each area

2.3 烘烤工藝指標(biāo)間的相關(guān)分析

烘烤過(guò)程濕球溫度與烘烤各階段時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可看出，變黃后期濕球溫度與變黃期時(shí)長(zhǎng)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與定色期時(shí)長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)，不同煙區(qū)表現(xiàn)基本一致。由于煙葉含水率較高的烘烤前期，濕球溫度近似等于葉片溫度，變黃后期濕球溫度提高，煙葉內(nèi)生理生化反應(yīng)相對(duì)加快，可較快完成變黃，進(jìn)而相對(duì)縮短變黃期時(shí)長(zhǎng)。定色前期濕球溫度與變黃期時(shí)長(zhǎng)呈極顯著負(fù)相關(guān)，即存在變黃期越長(zhǎng)，進(jìn)入定色期濕球溫度越低的趨勢(shì)，這可能與變黃期延長(zhǎng)時(shí)間煙葉變黃充分，定色前期降低濕球溫度，增大干濕差加速葉片干燥的烘烤工藝有關(guān)。此外，定色前期至定色中期的濕球溫度與干筋期時(shí)長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)，定色期降低濕球溫度，煙葉失水干燥速度加快，使干筋期時(shí)長(zhǎng)相應(yīng)縮短。

表3 烘烤過(guò)程中濕球溫度與三階段時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性Tab.3 Correlation of wet bulb temperature and durations of three stages

綜合各煙區(qū)煙葉烘烤特點(diǎn)，變黃后期至定色中期，濕球溫度的調(diào)控與烘烤進(jìn)程密切相關(guān)。提高變黃后期濕球溫度，變黃期時(shí)長(zhǎng)相對(duì)縮短，定色期時(shí)長(zhǎng)相對(duì)增加；降低變黃后期濕球溫度，變黃期時(shí)長(zhǎng)會(huì)相對(duì)增加，但定色前期濕球溫度降低、干濕差增大可使葉片干燥加速，定色期和干筋期的時(shí)長(zhǎng)也相應(yīng)縮短。

3 討論

本試驗(yàn)中大數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上部煙葉烘烤過(guò)程的調(diào)控與中部葉存在差異，一方面體現(xiàn)在變黃期時(shí)長(zhǎng)和烘烤總時(shí)長(zhǎng)增加，另一方面體現(xiàn)在濕球溫度調(diào)控上，上部煙葉在變黃后期至定色期存在降低濕球溫度、增大干濕差進(jìn)而加速葉片干燥的烘烤特點(diǎn)。綜合目前烘烤工藝，孫福山等［4］和汪伯軍等［6］對(duì)烘烤各階段的時(shí)長(zhǎng)提出了建議范圍，雖然具體劃分階段和每階段時(shí)長(zhǎng)數(shù)值不盡相同，但變黃期（42 ℃以前）、定色期（43～54 ℃）和干筋期（55～68 ℃）時(shí)長(zhǎng)占烘烤總時(shí)長(zhǎng)的比例約為40%～45%、35%左右和20%～25%。對(duì)比本試驗(yàn)中結(jié)果，豫南和豫西煙區(qū)烘烤三階段的時(shí)長(zhǎng)分配與此基本吻合，豫中煙區(qū)變黃期時(shí)長(zhǎng)相對(duì)增加（占比55%），定色期和干筋期時(shí)長(zhǎng)相對(duì)縮短。多數(shù)對(duì)烘烤工藝的研究提出，在變黃期38 ℃和42 ℃延長(zhǎng)時(shí)間，分別完成大部分煙葉的變黃和適度失水（支脈變黃），定色期45～48 ℃和52～54 ℃分別延長(zhǎng)時(shí)間，完成主脈的變黃（進(jìn)一步失水）和致香物質(zhì)充分轉(zhuǎn)化（葉片干燥），干筋期65～68 ℃完成主脈干燥［4-6，15］，也有學(xué)者提出60 ℃適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間可減少香氣物質(zhì)揮發(fā)［6］。“美式三段式”“菲莫工藝”［16］等國(guó)外煙葉烘烤工藝也基本以38 ℃、40～42 ℃、54 ℃左右、68～70 ℃為主要穩(wěn)溫點(diǎn)。結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，各煙區(qū)均以38 ℃左右為烘烤起始溫度，40～42 ℃延長(zhǎng)時(shí)間完成煙葉變黃，主要定色時(shí)間均在43～48 ℃，52～54 ℃溫度段的時(shí)間相對(duì)較短，可能影響致香物質(zhì)的形成。

烘烤過(guò)程中的濕球溫度控制與內(nèi)在品質(zhì)轉(zhuǎn)化密切相關(guān)［7］。一般認(rèn)為，烘烤前期濕球溫度與葉片溫度相當(dāng)，決定了煙葉內(nèi)在生理生化反應(yīng)的程度，烘烤后期濕球溫度調(diào)控則與煙葉的色澤深淺、光澤度和葉片結(jié)構(gòu)等［17］密切相關(guān)。國(guó)內(nèi)外多數(shù)烘烤工藝［4，6，16］提出烘烤過(guò)程濕球溫度隨干球溫度升高而逐漸升高，“八點(diǎn)式”工藝［5］提出提高主變黃期濕球溫度（37～38 ℃）可促進(jìn)煙葉中物質(zhì)轉(zhuǎn)化，降低定色前期濕球溫度（36～38 ℃）可減少掛灰、黑糟煙的烘烤理念。結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，多數(shù)煙區(qū)烘烤過(guò)程濕球溫度的變化趨勢(shì)與已報(bào)道的烘烤工藝接近，但定色期至干筋期濕球溫度相對(duì)低1～2 ℃（上部煙葉更明顯），可能對(duì)煙葉顏色的深淺和色度產(chǎn)生影響。豫中煙區(qū)濕球溫度呈相對(duì)特殊的“N”形變化，定色前期濕球溫度由變黃期的36～37 ℃下降至35 ℃以下，濕球溫度長(zhǎng)時(shí)間大幅度下降，可能造成煙葉在定色前期過(guò)早過(guò)快干燥，烤后煙葉顏色偏淺，致香物質(zhì)轉(zhuǎn)化不充分。此外，也有學(xué)者認(rèn)為烘烤過(guò)程中濕球溫度的“N”形調(diào)控易引起煙葉掛灰而影響其品質(zhì)［4］。

烘烤工藝指標(biāo)的相關(guān)分析顯示，變黃后期至定色中期濕球溫度的調(diào)控與烘烤進(jìn)程密切相關(guān)。降低變黃后期濕球溫度，變黃期延長(zhǎng)，且定色前期存在濕球溫度持續(xù)降低而加快葉片干燥的趨勢(shì)，定色期和干筋期時(shí)長(zhǎng)相對(duì)縮短。具體來(lái)看，豫中產(chǎn)區(qū)存在較明顯的煙葉變黃后期濕球溫度下降→變黃期延長(zhǎng)→定色前期濕球溫度下降→定色和干筋期縮短的規(guī)律。而在結(jié)合鮮煙素質(zhì)、烘烤工藝和烤后煙葉品質(zhì)的數(shù)據(jù)采集與分析，以及更有針對(duì)性地進(jìn)行烘烤工藝優(yōu)化方面還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

河南煙區(qū)中部和上部煙葉烘烤總時(shí)長(zhǎng)分別集中分布在6.5～8.0 d 和7.0～8.5 d，上部煙葉烘烤過(guò)程濕球溫度的波動(dòng)大于中部煙葉。豫西和豫南煙區(qū)烘烤三階段時(shí)長(zhǎng)占烘烤總時(shí)長(zhǎng)的比例接近40%、35%和25%，豫中煙區(qū)變黃期明顯延長(zhǎng)。與三段式等烘烤工藝相比，各煙區(qū)變黃期38 ℃和定色期54 ℃時(shí)間相對(duì)較短，變黃后期至干筋期濕球溫度相對(duì)偏低，個(gè)別煙區(qū)濕球溫度存在“N”形變化趨勢(shì)。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析與國(guó)內(nèi)外烘烤工藝，可適當(dāng)延長(zhǎng)變黃期38 ℃和定色期54 ℃的時(shí)間，合理調(diào)控變黃后期至定色期濕球溫度以避免其大幅度波動(dòng)。