不同裝煙密度下優(yōu)化風(fēng)機頻率適用性研究

李昱霖，王 濤，陳飛程，趙亞峰，段衛(wèi)東，毛 嵐，孫占偉，宋朝鵬，尹光庭

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002；2.云南省煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000； 3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，鄭州 450016)

【研究意義】全國推廣的密集型烤房，均按照“密集烤房技術(shù)規(guī)范”配置循環(huán)風(fēng)機，僅有高低2個檔速[1]，在煙葉烘烤過程的不同階段，所需的風(fēng)壓、風(fēng)量是不同的[2]，滿足不了實際煙葉烘烤工藝技術(shù)的需要，制約著煙葉烘烤質(zhì)量的提高。因此對于烤煙烘烤面臨的能源更高效利用和煙葉生產(chǎn)綜合效益更高的問題[3]，烤房變頻烘烤技術(shù)是一個重要的研究方向[4]，對于促進煙葉可持續(xù)發(fā)展將產(chǎn)生較大的推動作用和深遠的影響。【前人研究進展】李昱霖等[5]采用響應(yīng)面優(yōu)化法得到高品質(zhì)、高烘烤效率的風(fēng)機頻率參數(shù)，即在裝煙密度59 kg/m3下38 ℃為34 Hz，42～48 ℃為49 Hz；李旭華等[6]在總裝煙量420竿下研究了各烘烤階段不同變頻頻率對煙葉烘烤質(zhì)量的影響，結(jié)果表明變頻烘烤解決了密集烤房風(fēng)速風(fēng)量過大的問題，烤后煙質(zhì)量得到明顯改善；劉闖等[7]在裝煙密度65 kg/m3下得出定色階段風(fēng)機轉(zhuǎn)速1450 r/min，干筋階段風(fēng)機轉(zhuǎn)速720 r/min最好；詹軍等[8]在裝煙密度均為70 kg/m3下，研究了干筋期風(fēng)機轉(zhuǎn)速對烤后上部葉質(zhì)量的影響，得出54～60 ℃風(fēng)機轉(zhuǎn)速720 r/min，60 ℃以后540 r/min時效果最好，能夠提高上部煙葉的可用性；樊軍輝等[9]以G80的中部葉為試驗材料，在裝煙密度均為57.87 kg/m3下，研究烘烤后期風(fēng)機轉(zhuǎn)速對烤后煙葉質(zhì)量的影響，定色后期風(fēng)機轉(zhuǎn)速960 r/min，干筋期風(fēng)機轉(zhuǎn)速720 r/min時煙葉質(zhì)量改善效果與增質(zhì)節(jié)能效果最好；張順貴等[10]通過調(diào)節(jié)定色干筋期烤房內(nèi)的風(fēng)機轉(zhuǎn)速，在裝煙密度為480竿的條件下，得出定色期風(fēng)機轉(zhuǎn)速1440 r/min，干筋期540～720 r/min時上部葉比例提高，而定色期風(fēng)機轉(zhuǎn)速960 r/min，干筋期風(fēng)機轉(zhuǎn)速540～720 r/min時能耗成本減少，均價得到一定的提高；楊麗麗等[11]對湘南稻作煙區(qū)密集烤房煙葉烘烤時的適宜風(fēng)機轉(zhuǎn)速組合進行研究，結(jié)果表明采用38 ℃前1450 r/min，38～42 ℃時960 r/min，42～47 ℃時1450 r/min，47～60 ℃ 960 r/min，60 ℃以后為720 r/min的風(fēng)機變速組合，烤后煙葉外觀質(zhì)量好且干物質(zhì)較多；許齊等[12]以南江3號中部葉為試驗材料，烤房裝煙370桿/炕，采用變黃期風(fēng)機為1450 r/min，定色期風(fēng)機為960r/min，干筋期風(fēng)機為720 r/min的風(fēng)機變速組合，煙葉的中上等煙率、桔黃煙率和均價均較高。【本研究切入點】目前雖有不少密集烘烤各階段適宜風(fēng)機頻率的研究，得出了特定裝煙密度下的最佳風(fēng)機頻率參數(shù)，對煙葉質(zhì)量均有一定程度的改善，但由于煙葉采收烘烤時裝煙密度無法保證一致，致使適用性有所降低?！緮M解決的關(guān)鍵問題】分析優(yōu)化風(fēng)機變頻下不同裝煙密度的烤房溫差、煙葉變化和烤后煙質(zhì)量，并與常規(guī)的全程50 Hz進行對比，探討了不同裝煙密度下優(yōu)化風(fēng)機頻率的適用性，旨在為風(fēng)機變頻烘烤的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗于2021年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地進行。供試品種為云煙87，為保證不同處理的鮮煙葉素質(zhì)一致，挑選無病害、無機械損傷且達到當(dāng)?shù)卣３墒觳墒諛?biāo)準(zhǔn)的中部葉(9～11葉位)，在裝有變頻器的氣流上升式烤房進行試驗。

1.2 試驗設(shè)計

以BG/T 23219—2008[13]烘烤三階段劃分為基礎(chǔ)，參考國內(nèi)外烘烤工藝[14-16]的烘烤階段及煙葉變化，將烘烤全程分為四個煙葉狀態(tài)變化段，并通過前期試驗得出優(yōu)化后的風(fēng)機頻率工藝參數(shù)。預(yù)熱階段(T1)：從烘烤開始至煙葉葉尖和葉邊緣開始變黃，風(fēng)機頻率為27 Hz；主變黃階段(T2)：從煙葉葉尖和葉邊緣開始變黃至煙葉八成黃、變軟塌架，風(fēng)機頻率為34 Hz；主失水階段(T3)：從煙葉八成黃、變軟塌架至煙葉主脈褪青變白、小卷筒，風(fēng)機頻率為50 Hz；后期階段(T4)：從煙葉主脈褪青變白、小卷筒至主脈全干，烘烤結(jié)束，風(fēng)機頻率為33 Hz。

設(shè)裝煙密度、風(fēng)機頻率兩因素，裝煙密度設(shè)D1為當(dāng)?shù)貟鞐U裝煙密度-20%，D2為當(dāng)?shù)貟鞐U裝煙密度，D3為當(dāng)?shù)貟鞐U裝煙密度+20%；風(fēng)機頻率設(shè)Y(優(yōu)化的風(fēng)機頻率工藝參數(shù))與C(常規(guī)的全程50 Hz)，設(shè)D2C、D1Y、D2Y、D3Y，其中D2C為對照，共計4個處理。

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1 烤房垂直溫差 采用干濕球溫度傳感器測定烘烤過程中烤房內(nèi)各棚的溫度，每棚安裝5個探頭，分別安裝在烤房頂棚和底棚的四角和中間，共10個測溫點，每隔2 h記錄一次，計算烤房平均垂直溫差。

1.3.3 顏色參數(shù)的測定 采用色差儀測定煙葉顏色參數(shù)[19]，半片煙葉等距離測量葉尖、葉中和葉基部3個點，并以煙葉主脈為對稱，共6個點的平均值作為該葉片的顏色參數(shù)。L*值表示亮度，為由黑到白的變化；a*值表示紅綠值，為由綠到紅的變化；b*值表示黃藍值，為由藍到黃的變化。

1.3.4 形態(tài)參數(shù)的測定 用直尺測量煙葉的長度、寬度、葉尖至葉柄的距離和葉邊緣距離。用美國Thwing-Albert公司生產(chǎn)的Progage 100測厚儀測量葉片厚度。參照樊軍等[20]的方法計算煙葉橫向卷曲度和縱向卷曲度。參照李崢等[21]的方法計算煙葉厚度收縮率。

1.3.5 烤后煙品質(zhì)得分 以GB 2635-92[22]為標(biāo)準(zhǔn)對外觀質(zhì)量進行打分，參考優(yōu)質(zhì)烤煙適宜指標(biāo)[23]對化學(xué)成分進行打分，根據(jù)9分打分制單料煙評吸表[24]對感官評吸進行打分。參考王彥亭等[25]和鄧小華等[26]的方法對3個評價體系進行指標(biāo)權(quán)重確定，在統(tǒng)一分值后，參考吳殿信等[27]的研究，計算煙葉綜合品質(zhì)得分。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)，SPSS 20.0軟件統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)，利用Origin 2019軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化風(fēng)機頻率對烤房溫差的影響

由圖1可以看出，優(yōu)化風(fēng)機頻率降低了烤房溫差，且不同煙葉狀態(tài)下，烤房溫差為T3>T4>T2>T1。在T1和T2時，常規(guī)裝煙密度搭配優(yōu)化風(fēng)機頻率(D2Y)溫差最低，低裝煙密度搭配優(yōu)化風(fēng)機頻率(D1Y)次之，高裝煙密度搭配優(yōu)化風(fēng)機頻率(D3Y)與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)烘烤的溫差(D2C)相差不大。在T3時，較D2C，D1Y、D2Y、D3Y的溫差分別降低0.7，1.4和1 ℃。在T4時，烤房溫差為D2Y

圖1 風(fēng)機頻率對溫差的影響Fig.1 The effect of fan frequency on temperature difference

2.2 優(yōu)化風(fēng)機頻率對葉溫不均勻度的影響

葉溫不僅是對烤房溫濕度條件的直接反映，而且是煙葉變化的直接決定因素。從圖2可以看出，優(yōu)化風(fēng)機頻率在D2密度下，T1、T2、T3、T4的葉溫不均勻度均表現(xiàn)為D2YD1Y，且均小于D2C。

2.3 優(yōu)化風(fēng)機頻率對顏色參數(shù)的影響

由圖3-a可知，葉片的L*值隨著煙葉狀態(tài)的不同逐漸增高，但達到最高值之后開始降低。不同處理的最大L*值均出現(xiàn)在T3狀態(tài)。從T1到T4，常規(guī)烘烤(D2C)的L*值始終高于優(yōu)化風(fēng)機頻率下的3個處理。

由圖3-b可知，葉片的a*值隨著狀態(tài)的變化逐漸升高，最大值均出現(xiàn)在T4時。T1和T2時，a*值表現(xiàn)為D2Y和D3Y大于D2C和D1Y。T3和T4時，不同處理間a*值無明顯差異。

由圖3-c可知，葉片的b*值隨著煙葉狀態(tài)的不同逐漸增加，之后有所下降，而后趨勢變得較為平緩。其中，b*值在T1～T2時增加幅度較大，且以D3Y變化幅度最大。進入T3和T4后，b*值表現(xiàn)為D2Y>D3Y>D1Y>D2C。

2.4 優(yōu)化風(fēng)機頻率對失水形態(tài)的影響

由圖4可知，優(yōu)化風(fēng)機頻率煙葉整體收縮良好。對于橫向卷曲度和縱向卷曲度(圖4-a，4-b)，優(yōu)化風(fēng)機頻率下不同裝煙密度同常規(guī)風(fēng)機頻率的情況類似，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。在T1和T2時，煙葉的少量失水使得橫向和縱向卷曲度減小，隨著水分的大量排出，T3時煙葉的橫向和縱向卷曲度迅速增大，T4時，橫向和縱向卷曲度變化趨勢減緩但仍出現(xiàn)一個躍變，且烘烤結(jié)束時表現(xiàn)為常規(guī)裝煙密度搭配優(yōu)化風(fēng)機頻率(D2Y)>高裝煙密度搭配優(yōu)化風(fēng)機頻率(D3Y)>低裝煙密度搭配優(yōu)化風(fēng)機頻率(D1Y)>常規(guī)烘烤(D2C)。

圖2 風(fēng)機頻率對葉溫不均勻度的影響Fig.2 The effect of fan frequency on the unevenness of leaf temperature

圖3 風(fēng)機頻率對顏色參數(shù)的影響Fig.3 The effect of fan frequency on color parameters

圖4 風(fēng)機頻率對失水形態(tài)的影響Fig.4 The effect of fan frequency on the form of water loss

由圖4-c可知，從T1到T4，厚度收縮率一直增大，但各處理間差異不大。隨著物質(zhì)的降解和水分的散失，T2～T3煙葉厚度收縮率急劇增大，T1～T2和T3～T4時煙葉厚度收縮率增加幅度較小，且烘烤結(jié)束時厚度收縮率表現(xiàn)為D3Y>D2Y>D1Y>D2C?？梢?，優(yōu)化風(fēng)機頻率下煙葉的收縮較常規(guī)烘烤更好，且綜合分析來看，D2Y煙葉失水形態(tài)最好。

2.5 優(yōu)化風(fēng)機頻率對烤后煙質(zhì)量的影響

由表1可知，風(fēng)機頻率和裝煙密度對烤后煙質(zhì)量具有影響，全程高風(fēng)機頻率、低裝煙密度和高裝煙密度均會降低烤后煙質(zhì)量。然而，在優(yōu)化風(fēng)機頻率的烘烤條件下，D1Y和D3Y的效果相當(dāng)，沒有顯著性差異(P>0.05)。相較于全程高風(fēng)機頻率的常規(guī)烘烤方式，D1Y、D2Y、D3Y在外觀質(zhì)量、化學(xué)成分、感官評吸和綜合評分均具有顯著性差異(P<0.05)，且D2Y各項得分最高。

3 討 論

生態(tài)因素[28-29]、品質(zhì)特性[30-31]和栽培技術(shù)[32-33]等因素均會影響煙葉品質(zhì)，配套的風(fēng)機頻率亦應(yīng)有較好的適用性。目前存在烤后煙葉顏色減淡、葉面部分光滑、烤后煙葉難以回潮等現(xiàn)象，裝煙密度是影響上述現(xiàn)象的重要因素[34]。因此本試驗主要針對優(yōu)化風(fēng)機頻率下不同裝煙密度與常規(guī)烘烤的烤房溫差、煙葉變化及烤后煙質(zhì)量進行了對比。

表1 風(fēng)機頻率對烤后質(zhì)量的影響

裝煙密度是衡量密集式烤房烘烤能力的關(guān)鍵因素[35]，裝煙密度的不同，使得烘烤過程中葉片周圍的環(huán)境會有所不同，而葉溫作為植物的“體溫”，是煙葉在烘烤過程中溫度的真實反映[36]。本研究表明使用優(yōu)化風(fēng)機頻率有利于提高烤后煙葉的質(zhì)量，但增加或減少裝煙密度均會對其產(chǎn)生影響，烤房溫差和葉溫不均勻度以D2Y最優(yōu)，且均優(yōu)于D2C，這與劉闖等[7]認(rèn)為變黃階段960 r/min，定色階段1450 r/min，干筋階段720 r/min可以滿足烘烤要求相近。前人研究表明，風(fēng)速高時烤后煙葉趨向于檸檬黃色，香味淡，辛辣味重，煙氣粗糙，刺激性大；風(fēng)速低時烤后煙葉顏色較暗，但香氣和吃味濃郁，尤其以定色末期和干筋期的風(fēng)速對煙葉的香吃味影響最大[37]。本研究表明，從顏色參數(shù)來看，烘烤全程D2C和D1Y的L*值高于D2Y和D3Y，這與裝煙密度低，葉間隙風(fēng)速大[38]有一定的關(guān)系；葉片的a*值隨著狀態(tài)的變化逐漸升高，且不同處理間a*值無明顯差異；b*值均表現(xiàn)為先上升后下降。

隨著烘烤時間的延續(xù)，煙葉形態(tài)橫向卷曲度和縱向卷曲度呈先下降后上升的趨勢，厚度收縮率呈現(xiàn)一直增加的趨勢。這與樊軍輝等[20]的研究結(jié)果一致。橫向卷曲度在T3前各處理間無明顯差異，縱向卷曲度在T2前各處理間無明顯差異，出現(xiàn)差異時優(yōu)化風(fēng)機頻率的煙葉卷曲度均大于常規(guī)烘烤，且D2Y>D3Y>D1Y，這可能是由于煙葉葉片內(nèi)的水分動態(tài)變化在很大程度上都依賴于烤房內(nèi)部環(huán)境與烤房外部環(huán)境的濕熱交換，而通風(fēng)速度對煙葉的干燥有重要作用[39]。至于厚度收縮率以D3Y全程最高，但各處理間差異不明顯，這與裝煙密度較大，造成煙葉空隙較小，煙葉失水慢有關(guān)[40]。本研究中烤后煙葉質(zhì)量優(yōu)化風(fēng)機頻率3個處理的烤后煙葉質(zhì)量較常規(guī)烘烤均有一定程度的提高，且在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)裝煙密度下的D2Y處理最好，這與李俊鵬等[1]得出的密集烤房變頻器改造后烤后煙葉質(zhì)量得到改善和提高類似。

4 結(jié) 論

本研究中，設(shè)置裝煙密度和風(fēng)機頻率兩因素，對比優(yōu)化風(fēng)機頻率下不同裝煙密度和常規(guī)烘烤的烤房溫差、煙葉變化及烤后煙質(zhì)量。其中，優(yōu)化風(fēng)機頻率下當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)裝煙密度(D2Y)處理的綜合煙葉質(zhì)量最好，且另外2個裝煙密度處理的綜合煙葉質(zhì)量也均優(yōu)于常規(guī)烘烤。因此，該優(yōu)化風(fēng)機頻率具有較好的適用范圍，為今后風(fēng)機變頻烘烤的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。