風(fēng)機變頻調(diào)速對烤后煙葉質(zhì)量的影響研究進展

陳家鼎 王愛霞 段宏群 李成剛 馮俊升 王 宏 葛國峰 孫占偉*

（1河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南鄭州 450002；2河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南鄭州 450016；3河南省煙草公司洛陽市公司，河南洛陽 471000）

隨著智能化和自動化的不斷發(fā)展，我國煙葉烘烤技術(shù)已形成一個完善的體系，為整個煙草行業(yè)發(fā)展作出了非常大的貢獻。風(fēng)作為烘烤過程中溫度和濕度的載體，通過風(fēng)機變頻調(diào)速技術(shù)精準(zhǔn)控制送風(fēng)量對于調(diào)節(jié)烘烤各時期的葉間隙風(fēng)速、提升烤房干濕球控制精度、促進烤房內(nèi)環(huán)境均一化等具有重要意義。劉光輝[1]通過對比烤房空載時變級調(diào)速和變頻調(diào)速下的風(fēng)速分布，發(fā)現(xiàn)烤房內(nèi)的風(fēng)速分布與風(fēng)機頻率成明顯正相關(guān)。李昱霖等[2]基于響應(yīng)面法研究了烤煙低風(fēng)速段、高風(fēng)速段和裝煙密度與烤后煙葉質(zhì)量、烘烤時長之間的相互作用關(guān)系，發(fā)現(xiàn)低風(fēng)速段對烤后煙葉質(zhì)量和烘烤時長影響顯著，高風(fēng)速段對提升烘烤效率具有顯著作用，并提出了2個風(fēng)速段的具體風(fēng)機頻率參數(shù)。不同烘烤階段煙葉的失水速率不同，體積收縮程度有明顯差異，對葉間隙風(fēng)速大小的要求也不相同，僅憑高、低2個風(fēng)機頻率無法很好地滿足煙葉烘烤需求。同時，在烘烤轉(zhuǎn)火時，風(fēng)速過大或過小很容易導(dǎo)致升溫過猛或升溫滯后，影響后續(xù)煙葉狀態(tài)變化。基于此，本文對近年來風(fēng)機變頻調(diào)速對煙葉烘烤的影響研究進行了分析歸納，以期為后續(xù)通過風(fēng)機變頻調(diào)速提高煙葉質(zhì)量、提升烘烤效率提供一定參考。

1 變頻調(diào)速的作用機理

變頻調(diào)速直接影響烤房內(nèi)風(fēng)速場的分布。變頻調(diào)速對于煙葉烘烤的影響主要通過改變烤房內(nèi)的風(fēng)速及溫濕度來實現(xiàn)。

1.1 風(fēng)速

烤房內(nèi)環(huán)境是實現(xiàn)煙葉內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境濕熱交換的過渡場所，直接影響到煙葉的烘烤效率。風(fēng)是實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的重要載體，大小適宜、分布均勻的風(fēng)速在保證煙葉黃軟協(xié)調(diào)的同時可以促進煙葉狀態(tài)均一化。有相關(guān)研究表明，高風(fēng)速下烤后煙葉顏色多以檸檬黃為主，香氣量不足，雜氣偏重，刺激性大，辛辣味重；低風(fēng)速下烤后煙葉顏色黯淡，香吃味濃郁[3]。變頻對烤房內(nèi)風(fēng)速大小和分布的影響是同步的。常劍波等[4]強調(diào)煙葉表面的水分汽化要與烤房通風(fēng)排濕相契合。王建安等[5]研究表明，葉間隙風(fēng)速0.12 m/s有利于煙葉物理性狀和化學(xué)成分的形成。劉闖[6]提出葉間層風(fēng)速在變黃期0.22 m/s、定色期0.35 m/s、干筋期0.4 m/s時煙葉外觀質(zhì)量較優(yōu)。在整個烘烤過程中，垂直風(fēng)速在烤房徑向的分布差異不如平面風(fēng)速明顯[7]。同一風(fēng)機頻率下，隨著烘烤過程的進行，煙葉體積收縮，葉間隙變大，葉間隙風(fēng)速呈變大趨勢；同一煙葉狀態(tài)下，風(fēng)機頻率與烤房內(nèi)風(fēng)速大小變化成明顯正相關(guān)關(guān)系[1]。劉兆宇等[8]對烘烤干筋期密集烤房內(nèi)部氣流場進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)熱空氣進入裝煙室后，氣流在裝煙室頂部水平流動，流速逐漸減小；進入煙葉堆積區(qū)域后氣流速度最小，風(fēng)速較均勻；在出風(fēng)口速度變化較大。楊宸裕[9]在改變風(fēng)量情況下對烤房內(nèi)空氣流速進行仿真測試，發(fā)現(xiàn)距離烤房頂部0.5～3.0 m處流速較為穩(wěn)定，其余位置流速與進風(fēng)口風(fēng)量成正相關(guān)。風(fēng)機轉(zhuǎn)速一定時，通過改變風(fēng)機功率同樣可以改變烤房進風(fēng)量，且烤房內(nèi)各點處的風(fēng)速隨功率的增大明顯增大[7]。

1.2 溫濕度

干濕球溫度是煙葉烘烤的核心要素，直接影響煙葉的變黃和脫水速率，對烘烤質(zhì)量起決定性作用。密集烤房多為氣流上升式和氣流下降式，熱源和排濕口通常設(shè)置在烤房一側(cè)，以達(dá)到烤房內(nèi)循環(huán)的效果，但垂直距離的存在導(dǎo)致烤房內(nèi)溫濕度空間分布出現(xiàn)差異。劉光輝[1]通過試驗證明風(fēng)機變頻調(diào)速下實際干濕球溫度更貼近設(shè)定值，且升溫曲線平滑，波動幅度明顯降低。楊芳等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在相同裝煙密度下，風(fēng)機頻率的增大使烤房內(nèi)的平面溫差、垂直溫差和濕度差減小，但從烤后煙葉的實際情況判斷出風(fēng)機頻率的選擇存在上限。低頻處理下烤房垂直溫差在變黃期、定色期、干筋期都明顯增大，且始終高于平面溫差，濕度的變化趨勢與溫差具有高度相似性[7]。說明變頻調(diào)速應(yīng)在維持烤房溫濕度向設(shè)定值靠近的基礎(chǔ)上，盡可能減小烤房內(nèi)溫濕度差值。

2 變頻調(diào)速對烤后煙葉質(zhì)量的影響

2.1 外觀質(zhì)量

外觀質(zhì)量是評價煙葉烘烤質(zhì)量的首要因素，烘烤過程中煙葉外觀質(zhì)量與風(fēng)機頻率息息相關(guān)，而傳統(tǒng)雙速電機烤后青雜煙現(xiàn)象嚴(yán)重。變黃期葉間隙風(fēng)速過大，會使煙葉局部含青[11]。定色期葉間隙風(fēng)速過大時，葉表面水汽飽和層狀態(tài)被打破，色度難以得到很好固定，烤后煙葉顏色偏暗，油分明顯欠缺；葉間隙風(fēng)速過小時，烤房橫向和徑向的煙葉變黃失水狀態(tài)存在明顯差異，不能保證煙葉質(zhì)量均一化。李旭華等[12]通過適當(dāng)降低變黃期風(fēng)機頻率，延長變黃時間，使烤后煙葉色度和橘黃煙比例得到明顯提升。在此基礎(chǔ)上，通過在定色期和干筋期設(shè)置不同的風(fēng)機轉(zhuǎn)速處理，發(fā)現(xiàn)不同處理間烤后煙葉組織結(jié)構(gòu)、油分、成熟度差異不顯著，當(dāng)定色期（42～54℃）風(fēng)機頻率50 Hz、干筋期（54～68℃）風(fēng)機頻率 24 Hz時烤后煙葉身份適中、色度強、外觀質(zhì)量最優(yōu)[13]。此外，風(fēng)機功率的大小要與裝煙密度相匹配。常劍波等[4]研究發(fā)現(xiàn)，低風(fēng)機功率、高裝煙密度和高風(fēng)機功率、低裝煙密度時煙葉外觀質(zhì)量明顯變差。

2.2 化學(xué)成分

煙葉的內(nèi)在化學(xué)成分主要包括常規(guī)化學(xué)成分、中性香氣物質(zhì)、有機酸等，是反映煙葉內(nèi)在品質(zhì)的主要指標(biāo)，與調(diào)制方法息息相關(guān)[14-16]。烘烤過程中風(fēng)機頻率的大小直接影響煙葉的生理生化反應(yīng)，進而影響烤后煙葉化學(xué)成分的均衡性。已有研究表明干筋期過大的葉間隙風(fēng)速會導(dǎo)致煙葉香氣物質(zhì)散失[12]。與全程固定風(fēng)機頻率相比，變頻調(diào)速在42℃左右適當(dāng)延長烘烤時間，可以促進含氮化合物的代謝和淀粉的進一步降解[1]，烤后煙葉的總糖含量提高1.1%、還原糖含量提高3%、淀粉含量下降0.7%，整體協(xié)調(diào)性有所提升。張樹堂等[17]研究發(fā)現(xiàn)，烤煙下部葉淀粉、總糖、還原糖的含量隨風(fēng)機功率和風(fēng)機轉(zhuǎn)速的增大而下降，上部葉的淀粉含量也呈相似趨勢，但總糖和還原糖的含量呈先下降后上升的趨勢。詹軍等[18]研究發(fā)現(xiàn)，變頻烘烤的烤后煙葉總糖和石油醚提取物含量顯著增高，總氮、蛋白質(zhì)、氯含量有所降低，促進了煙葉內(nèi)在品質(zhì)的提高。干筋期適當(dāng)降低風(fēng)機頻率可以顯著提高質(zhì)體色素降解產(chǎn)物總量、葉綠素降解產(chǎn)物（新植二烯）含量、棕色化反應(yīng)產(chǎn)物香氣類物質(zhì)總量、苯丙氨酸類香氣物質(zhì)總量、類西柏烷類香氣物質(zhì)總量以及酮類、醇類、雜環(huán)類、酚類和芳香族類化合物含量[19-21]，極顯著提升具有花香味的苯甲醇類物質(zhì)和具有新鮮胡蘿卜香味的茄酮類物質(zhì)含量。許齊等[22]研究發(fā)現(xiàn)，干筋前期采用中等風(fēng)機頻率、干筋后期采用較低風(fēng)機頻率，烤后煙葉施木克值、糖堿比、氮堿比、蛋氮比均在優(yōu)質(zhì)煙葉指標(biāo)范圍內(nèi)。按煙葉烘烤進程進行多溫度段風(fēng)機轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)控制后[23]，發(fā)現(xiàn)烤后煙葉有機酸含量明顯升高，蘋果酸含量顯著增高，檸檬酸含量略有降低，有利于平衡煙葉燃吸酸堿度。研究發(fā)現(xiàn)，采用三速變頻循環(huán)風(fēng)機在變黃期可以維持酶活性，促進葉綠素a、葉綠素b、β-胡蘿卜素和類胡蘿卜素降解；在定色期能夠使主脈葉綠素充分降解[24-26]，增加類胡蘿卜素類香氣物質(zhì)的含量。王柱石等[27]對風(fēng)機頻率與烤后煙葉潛香物質(zhì)含量之間的相關(guān)性進行了補充研究，并提出變黃期風(fēng)機頻率35～40 Hz、定色期風(fēng)機頻率35～50 Hz、干筋期風(fēng)機頻率25 Hz時烤后煙葉潛香物質(zhì)含量顯著提升。因此，在煙葉烘烤過程中風(fēng)機頻率對烤后煙葉糖類、含氮化合物、生物堿及各種香味物質(zhì)的含量具有顯著影響。

2.3 感官質(zhì)量

煙葉的化學(xué)成分是煙葉質(zhì)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，而煙葉感官質(zhì)量又是煙葉質(zhì)量的判定標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有研究表明，風(fēng)機變頻調(diào)速對于煙葉感官質(zhì)量的影響主要是通過影響煙葉外觀質(zhì)量、調(diào)控?zé)熑~內(nèi)在化學(xué)成分來實現(xiàn)。樊軍輝等[28]研究表明，烘烤過程中高風(fēng)機頻率會使烤后煙葉香氣不足、辛辣味重、刺激性大，低風(fēng)機頻率使烤后煙葉表現(xiàn)出較為濃郁的香氣和吃味。李俊鵬等[29]在對循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行精準(zhǔn)控制后，發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)控處理的烤后煙葉在香氣質(zhì)、濃度、余味、燃燒性和灰分等方面評吸得分比未變頻調(diào)控處理的烤后煙葉平均高0.5分，綜合評吸得分提高2～3分，使用價值明顯提升。經(jīng)風(fēng)機變頻處理的南江3號中部葉烤后感官質(zhì)量表現(xiàn)為濃度中上、勁頭適中、余味舒適、細(xì)膩、燃燒性強且灰色發(fā)白[22]。這與風(fēng)機變頻調(diào)速可以提高煙葉外觀質(zhì)量、提升化學(xué)成分協(xié)調(diào)性具有高度一致性，可能是二者共同作用的結(jié)果。

3 變頻調(diào)速對烘烤經(jīng)濟性狀的影響

烘烤的經(jīng)濟成本和烤后煙葉的經(jīng)濟效益共同構(gòu)成了烘烤經(jīng)濟性狀，風(fēng)機變頻調(diào)速技術(shù)對于烘烤經(jīng)濟性狀的影響主要體現(xiàn)在縮短烘烤時間、提高煙葉等級方面。一方面，高風(fēng)機頻率可以加快烘烤進程，減少能源消耗時間，但同時單位時間內(nèi)能源消耗量有所上升；另一方面，僅通過提高風(fēng)機頻率以提高烘烤效率會對煙葉質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，降低上等煙比例。因此，變頻調(diào)速對于烘烤經(jīng)濟性狀的影響不能單從成本和收益2個方面考慮，應(yīng)結(jié)合烘烤過程中煙葉的生理生化反應(yīng)、變黃失水情況綜合考慮，在最大程度提升烤后煙葉質(zhì)量、增加經(jīng)濟收益的基礎(chǔ)上，找到與煙葉烘烤全過程相契合的最適宜風(fēng)機變頻參數(shù)，做到收益最大化、成本最小化。

劉闖等[13]對風(fēng)機不同變頻處理下的烘烤經(jīng)濟性狀進行統(tǒng)計對比發(fā)現(xiàn)，雖然全程低頻處理下的烘烤經(jīng)濟成本最低，但經(jīng)定色期高頻處理后的烤后煙葉均價最高，綜合經(jīng)濟效益最好。何傳國等[30]通過對傳統(tǒng)密集烤房加裝風(fēng)機變頻器進行對比試驗發(fā)現(xiàn)，烤后煙葉鮮干比無明顯變化，但經(jīng)變頻處理的烤房烤后煙葉上等煙比例提高3.9個百分點，煙葉均價提高0.6元/kg，說明變頻處理與煙葉干物質(zhì)消耗無明顯相關(guān)性，但能夠提升煙葉質(zhì)量，提高烘烤經(jīng)濟效益。姜鵬超等[31]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)風(fēng)機變頻自控系統(tǒng)控制的烤后煙葉耗電量減少114 kW·h，干煙葉產(chǎn)出量提高104.4 kg/hm2，平均增值2 820.15元/hm2。兩者在烤后干煙重量上的差異可能由烤煙品種及變頻處理導(dǎo)致，還需進一步開展試驗研究。

4 結(jié)語

近年來，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)雙速風(fēng)機已發(fā)展成三速、四速風(fēng)機。煙葉的生命代謝活動具有連續(xù)性，烤房的環(huán)境應(yīng)隨著煙葉的分解代謝程度、煙葉顏色變化程度、煙葉失水程度的變化而變化，而檔位式的風(fēng)機只有固定的幾個轉(zhuǎn)速，不能滿足煙葉烘烤需要[32]。現(xiàn)有的風(fēng)機變頻器具有無級調(diào)速功能，可以提高烘烤設(shè)備與烘烤工藝的吻合度。

然而，目前國內(nèi)對烘烤過程中的風(fēng)機變頻調(diào)速研究多集中在關(guān)鍵溫度點的穩(wěn)溫階段，對烘烤過渡溫度點及升溫區(qū)間的風(fēng)機變頻調(diào)速研究尚未開展。此外，因地區(qū)、品種差異無法建立國內(nèi)廣泛適用的煙葉烘烤技術(shù)體系，未來有望通過風(fēng)機變頻調(diào)速技術(shù)進一步優(yōu)化烘烤工藝，為我國煙葉烘烤提質(zhì)增效提供新的途徑。