烤煙分狀態(tài)變風機頻率烘烤工藝參數(shù)優(yōu)化

李昱霖，趙亞峰，徐志強，尹光庭，魏壯狀，宋朝鵬，王愛霞，段衛(wèi)東

（1.河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，鄭州 450002；2.河南中煙工業(yè)有限責任公司，鄭州 450016；3.浙江中煙工業(yè)有限責任公司，杭州 310004）

烘烤是彰顯煙葉內(nèi)在品質(zhì)的關鍵環(huán)節(jié)［1-3］。在密集烘烤過程中，風不僅是熱量的傳遞工具，而且是煙葉排出水分的運載工具，調(diào)節(jié)風量對溫度和濕度具有雙重調(diào)節(jié)作用，控制適宜的風量對煙葉烘烤質(zhì)量有重要作用［4］。變頻烘烤技術通過應用變頻器來控制循環(huán)風機，進而控制烤房內(nèi)部環(huán)境中的風速，其不僅能夠合理調(diào)節(jié)風機風速、節(jié)能降耗，而且能夠在一定程度上改善煙葉內(nèi)外在品質(zhì)［5］。王柱石等［6］將烘烤過程分為35～38 ℃、38～40 ℃、40～42 ℃、42～47 ℃、47～50 ℃、50～54 ℃、54～68 ℃多個溫度段，設置不同的風機頻率處理，得出四棚密集烤房烘烤過程中適當?shù)亟档惋L機頻率有利于色素和非揮發(fā)性有機酸的積累，烤后煙葉感官評吸質(zhì)量整體有所改善。艾復清 等［7］對溫 度 段32～38 ℃、38～50 ℃、50～52 ℃、52～60 ℃、60～65 ℃的風機頻率進行了研究，結(jié)果表明，烘烤過程中采用得到的變頻風速一定程度上可以提高南江3號烤后煙葉的質(zhì)量。李昱霖等［8］研究發(fā)現(xiàn)，低風速段頻率34 Hz、高風速段頻率49 Hz、裝煙密度59 kg∕m3為高品質(zhì)、高烘烤效率的綜合優(yōu)化參數(shù)。優(yōu)化風機頻率工藝參數(shù)的研究多以溫度來設置試驗參數(shù)，分溫度段變頻烘烤雖然操作方便，易于控制，但由于各地烘烤工藝存在一定差異，使適用性有所降低。本研究對烤煙進行分狀態(tài)變頻烘烤試驗，研究分狀態(tài)變頻烘烤葉溫不均勻度、變黃失水特性及烤后煙品質(zhì)變化規(guī)律，分析風機頻率對其的影響，并對風機頻率工藝參數(shù)進行優(yōu)化，旨在為烘烤過程中風機頻率的選擇提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用品種為云煙87，于2020—2021年在河南農(nóng)業(yè)大學試驗基地進行試驗，選擇成熟度一致、葉片大小相近、無病蟲害、無機械損傷的中部葉（9～11葉位），均于氣流上升式烤房中烘烤，變頻器單獨與風機接入，未與控制器的線路接在一起。

1.2 試驗方法

1.2.1 烤煙葉溫的測定 葉溫作為植物的體溫，是煙葉在烘烤過程中溫度的真實反映，對烤后煙質(zhì)量有較大影響［9］，探究煙葉烘烤過程中的自身溫度變化，以確定其在各個煙葉狀態(tài)不同風機頻率下的變化。參考魏碩等［10］的葉溫測量方法，在烤房的平行剖面上，布有6 個測溫點，分別距離內(nèi)壁面約0.5 m。沿烤房長度方向均勻劃分4 個斷面，每個斷面相隔約2 m，全烤房葉溫測量點共計24 個。利用接觸式葉溫傳感器監(jiān)測烤房中的煙葉采集溫度，將傳感器探頭置于各測量點葉片最緊密處，每隔2 h 對各探頭的葉溫進行記錄。

1.2.2 烤煙分狀態(tài)烘烤風機頻率參數(shù)優(yōu)化 由于裝煙密度和風機頻率共同決定了密集烤房內(nèi)部的濕度，進而控制烘烤過程中煙葉水分的散失速度和散失量［11］。試驗設定裝煙密度為60 kg∕m3。分狀態(tài)變頻率試驗是將烘烤過程中煙葉的變化分為4 個階段，不同階段設置不同風機頻率。具體劃分如下。

狀態(tài)一（T1）代表烘烤過程中的預熱階段，從烘烤開始至煙葉葉尖和葉邊緣開始變黃。

狀態(tài)二（T2）代表烘烤過程中的主變黃階段，從煙葉葉尖和葉邊緣開始變黃至煙葉80%變黃、變軟塌架。

狀態(tài)三（T3）代表烘烤過程中的主失水階段，從煙葉80%變黃、變軟塌架至煙葉主脈褪青變白、小卷筒。

狀態(tài)四（T4）代表烘烤過程中的后期階段，從煙葉主脈褪青變白、小卷筒至主脈全干，烘烤結(jié)束。確定優(yōu)化風機頻率試驗范圍，各狀態(tài)變頻烘烤參數(shù)設計見表1。每次僅對1 個狀態(tài)下的1 個風機頻率進行試驗，未進行試驗煙葉狀態(tài)的風機頻率均為50 Hz。篩選出優(yōu)化風機頻率參數(shù)（設為F1），對比其與常規(guī)烘烤的烤后煙葉質(zhì)量。

表1 各狀態(tài)變頻烘烤參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

烘烤過程中風機頻率對煙葉葉溫的影響引入絕對不均勻度S進行評判［12］，S的大小代表在相同測點數(shù)量情況下，煙葉溫度場的不均勻程度，具體計算公式如下。

式中，ti為第i個測點的溫度，℃；tn為n個測點的平均溫度，℃。

采用HP-C210 精密色差儀測量葉片的顏色參數(shù)［13］，在葉尖距1∕3 處、葉中和距離葉基部1∕3 處各選取2 個共6 個對稱點取樣測定，取各相同位置的平均值作為煙葉顏色的測量值。主要測定參數(shù)為L*（亮度）、a*（紅色與綠色相比的程度）和b*（黃色與藍色相比的程度）。

參照樊軍輝等［14］的方法，用直尺測量煙葉的長度、寬度、葉邊緣距離和葉尖至葉柄的距離，用葉片測厚儀（美國Thwing-Albert 公司生產(chǎn)）測量煙葉的厚度。烘烤過程中用麻袋片填充空隙部位，防止空隙對烤后煙葉質(zhì)量造成影響，具體計算公式如下。

式中，Wa代表煙葉展平時的寬度，Wb代表煙葉自然卷曲狀態(tài)下葉邊緣間的距離，La代表煙葉展平時的長度，Lb代表煙葉自然卷曲狀態(tài)葉尖至葉柄的距離。

本試驗測定了烤后煙質(zhì)量的3 個方面，分別為外觀質(zhì)量、化學成分和感官評吸質(zhì)量。外觀質(zhì)量和化學成分分別參照王衛(wèi)康［15］和王瑞新［16］的方法進行測定，感官評吸質(zhì)量由5 名專業(yè)評吸人員進行評價。對每個方面進行打分，并根據(jù)式（2）得到綜合品質(zhì)得分Y1［17］。

試驗結(jié)果用Microsoft Excel 2010 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，利用SPSS 20.0 軟件對數(shù)據(jù)進行處理和分析。利用Origin 2019 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙葉葉溫不均勻度分析

為明確不同煙葉狀態(tài)下烤煙各風機頻率對烤房整體葉溫的影響，計算了各頻率下葉溫不均勻度，通過比較葉溫不均勻度來確定各處理煙葉葉溫均勻的風機頻率（圖1），數(shù)值越低，說明該狀態(tài)下整體葉溫越均勻。不同風機頻率下的葉溫不均勻度隨著煙葉狀態(tài)的不同表現(xiàn)出一定差異。從T1 到T4，葉溫不均勻度在不同風機頻率均不同；T3 下葉溫不均勻度數(shù)值最高，顯示該狀態(tài)下烤房的葉溫更不均勻，這是由于烤房開始排濕，但烤房排濕會帶走一部分熱量，高溫層和低溫層煙葉葉溫差異變大，說明此時為煙葉失水的關鍵時期。

圖1 各煙葉狀態(tài)下不同風機頻率的葉溫不均勻度

同一煙葉狀態(tài)下，T1 和T2 時各處理的葉溫不均勻度隨風機頻率降低而逐漸減少，分別為27、34 Hz烤房整體葉溫最均勻。T3 時葉溫不均勻度隨風機頻率降低逐漸增大，T4 時葉溫不均勻度隨風機頻率降低呈先減小后增大的趨勢。T1 至T4 狀態(tài)下整體葉溫最均勻的風機頻率分別為27、34、50、33 Hz。

2.2 煙葉變黃失水特性分析

2.2.1 風機頻率對煙葉顏色參數(shù)的影響 各煙葉狀態(tài)下不同風機頻率燒烤時間見圖2a。由圖2a 可知，T1 時風機頻率越大，所需的烘烤時長越長，T2 和T3時烘烤時長隨風機頻率的減小而增加，在T4 各風機頻率下的烘烤時長沒有明顯差異。

各煙葉狀態(tài)下不同風機頻率的亮度見圖2b。由圖2b 可知，與試驗初始值相比，除煙葉在T4 時呈下降趨勢外，其他狀態(tài)結(jié)束時L*均不同程度升高，各狀態(tài)L*均隨風機頻率降低而減小。煙葉烘烤過程中的色度a*均高于試驗初始值，各個煙葉狀態(tài)下煙葉a*在不同風機頻率之間差異不大（圖2c）。煙葉烘烤過程中b*呈先升高后降低的趨勢。T1 時b*基本無變化；T2 時b*隨頻率的降低而升高；T3 和T4 時b*隨頻率的降低而降低（圖2d）。

圖2 各煙葉狀態(tài)下不同風機頻率的烘烤時長及顏色參數(shù)

2.2.2 風機頻率對煙葉失水形態(tài)的影響 煙葉烘烤過程中的橫向卷曲度和縱向卷曲度指標變化的趨勢相似，均表現(xiàn)為先穩(wěn)定后降低再增長的趨勢（圖3a、圖3b）。T1 和T2 時不同風機頻率的橫向卷曲度及縱向卷曲度差異不明顯。T3 時煙葉開始大量失水，橫向卷曲度、縱向卷曲度開始快速增高，且變化幅度為50 Hz＞47 Hz＞44 Hz。當煙葉進入到T4 時，橫向卷曲度和縱向卷曲度的增大趨勢減緩，橫向卷曲度在33 Hz 時增長最大，30 Hz 增長最小；縱向卷曲度在30 Hz時增長最大，36 Hz增長最小。

烘烤過程中煙葉的葉片厚度收縮率不斷提高。T1 時厚度收縮率均為0，T2 和T3 時由于內(nèi)含物質(zhì)開始轉(zhuǎn)化及葉片失水，導致不同風機頻率的葉片厚度不同，厚度收縮率為44 Hz＞47 Hz＞50 Hz，在T4 時厚度收縮率基本一致（圖3c）。

圖3 各煙葉狀態(tài)下不同風機頻率的失水形態(tài)

2.3 烤后煙葉品質(zhì)分析

各煙葉狀態(tài)下不同風機頻率的烤后煙質(zhì)量評價結(jié)果見表2。由表2 可知，風機頻率過高或過低均會降低評分。在預熱階段（T1）進行變頻試驗，3 個頻率的烤后煙質(zhì)量相差不大，30 Hz 外觀質(zhì)量得分最高，而化學成分、感官評吸和綜合評分為27 Hz 最高。在主變黃階段（T2）進行變頻試驗，34 Hz 和37 Hz 的各方面得分要顯著高于40 Hz（P＜0.05），綜合評分以34 Hz 最高，說明此時較低的風速頻率能夠有效地提高烤后煙品質(zhì)。在主失水階段（T3）進行變頻試驗，各項得分隨著頻率的減小而降低，且50 Hz 時的各項得分要顯著高于44 Hz（P＜0.05）。在烘烤后期（T4）進行變頻試驗，外觀質(zhì)量評分為36 Hz＞33 Hz＞30 Hz，這是由于頻率低使得烤后煙葉顏色較深的緣故，但化學成分、感官評吸均為33 Hz＞30 Hz＞36 Hz。

表2 各煙葉狀態(tài)下不同風機頻率的烤后煙質(zhì)量評價 （單位：分）

2.4 風機頻率參數(shù)的優(yōu)化與驗證

2.4.1 風機頻率參數(shù)的優(yōu)化 T1 和T2 在較小的風機頻率條件下，煙葉達到目標狀態(tài)的時間較短，亮度L*稍低，黃藍值b*高于較大風機頻率，且烤后品質(zhì)得分較優(yōu)。T3 時，較小的風機頻率會延長烘烤時長，降低烤后煙品質(zhì)。煙葉在T4 時，過大或過小的風機頻率均不利于煙葉品質(zhì)的形成。因此綜合考慮得到工藝參數(shù)組合（F1）為，烘烤預熱階段（T1）為27 Hz，主變黃階段（T2）為34 Hz，主失水階段（T3）為50 Hz，烘烤后期（T4）為33 Hz。

2.4.2 風機頻率參數(shù)的驗證 將F1 與常規(guī)烘烤（全程50 Hz）質(zhì)量進行對比，結(jié)果見表3。由表3 可知，優(yōu)化后的風機變頻烘烤的外觀質(zhì)量、化學成分、感官評吸和綜合評分均顯著優(yōu)于常規(guī)烘烤。表明該工藝穩(wěn)定可行，可用于煙葉烘烤中選擇風機頻率。

3 討論

風速影響到烤房內(nèi)外環(huán)境的濕熱交換，進而影響煙葉組織細胞內(nèi)生化變化的速度和方向，最終影響煙葉的烘烤質(zhì)量［18］。本研究結(jié)果表明，較常規(guī)烘烤，密集烘烤過程中變頻風機在預熱階段為27 Hz，主變黃階段為34 Hz，主失水階段為50 Hz，烘烤后期階段為33 Hz 時，對烤后煙葉外觀質(zhì)量、化學成分和感官評吸質(zhì)量有較好的改善效果。

從煙葉烘烤過程中來看，預熱階段風速頻率越低整體葉溫越均勻，而顏色與失水形態(tài)差異不明顯，可能與煙葉細胞功能尚完善，對高溫環(huán)境的適應性較強有關［19］。主變黃階段，降低風機頻率，使得烘烤時長增加，但亮度有所降低，黃藍值較高，這與變黃期降低風機頻率，延長煙葉變黃時間，提高煙葉的變黃程度相一致［20］。進入主失水階段，煙葉大量水分需要排出，因此采取高風機頻率能夠提高整體葉溫均勻度，較快地達到目標狀態(tài)，且煙葉具有較好的橫向和縱向卷曲度。如果風速過低，濕氣排出慢，高溫高濕環(huán)境容易壞煙［21］。當煙葉定色基本完成，減小風速轉(zhuǎn)速，保證水分持續(xù)有度地排出，有利于煙葉香氣物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和積累，減少煙葉油分和部分小分子香氣物質(zhì)的揮發(fā)散失［22］。本研究烘烤后期階段以33 Hz 最優(yōu)，在保證煙葉顏色亮度的基礎上改善烤后煙葉質(zhì)量。

4 小結(jié)

本研究將烘烤過程分為了4 個煙葉狀態(tài)變化過程，在前期試驗得出頻率范圍的基礎上，比較研究了不同風機頻率對葉溫不均勻度、顏色值、失水形態(tài)及烤后煙品質(zhì)的影響，其最佳的變頻烘烤工藝參數(shù)組合為從烘烤開始至煙葉葉尖和葉邊緣開始變黃選用風機頻率為27 Hz；從煙葉葉尖和葉邊緣開始變黃至煙葉80%變黃、變軟塌架選用風機頻率為34 Hz；從煙葉80%變黃、變軟塌架至煙葉主脈褪青變白、小卷筒選用風機頻率為50 Hz；從煙葉主脈褪青變白、小卷筒至主脈全干，烘烤結(jié)束選用風機頻率為33 Hz，較常規(guī)烘烤外觀質(zhì)量提高8.6 分，化學成分提高13.1分，感官評吸提高11.4分，綜合評分提高10.7分。