氣流上升式密集烤房溫濕度場分布及其對煙葉質量的影響

陳祖銷，李俊營，藏照陽，張紅杰，過偉民，孟 楊，劉劍君，張富生，周漢平，王愛國，徐 嬙，張艷玲*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

2. 河南省煙草公司平頂山市公司，河南省平頂山市新華區(qū)建設路263 號 467002

3. 河南中煙工業(yè)有限責任公司黃金葉生產(chǎn)制造中心，鄭州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)第三大街9 號 450016

4. 河南工業(yè)大學糧油食品學院，鄭州高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)蓮花街100 號 450001

5. 河南省煙草公司，鄭州市鄭東新區(qū)商務外環(huán)路15 號 450018

烘烤是影響煙葉質量形成的關鍵環(huán)節(jié)［1-2］。當前，煙葉烘烤所用設備大多是密集烤房，較普通烤房有裝煙量較大、溫濕度分布較均勻、成本較低等多項優(yōu)點［3］。研究不同類型烤房多區(qū)位溫濕度分布差異規(guī)律，可為科學制定煙葉烘烤工藝參數(shù)、合理分類裝煙提供依據(jù)。前人對烤房內溫濕度環(huán)境已有一系列研究［4-7］。唐力為［8］研究表明，烘烤過程中烤房內各區(qū)域溫濕度存在差異，且部分區(qū)域差異顯著，主要體現(xiàn)在升溫和穩(wěn)溫等方面的差異。包亞峰［9］利用多孔介質模型對烤房煙葉烘烤過程溫度場和速度場的分布進行了相關研究。賀慶祥等［10］研究了氣流下降式烤房在水平和垂直方向的動態(tài)溫濕度條件分布差異，并提出裝煙建議。趙華武等［11］測量了密集烤房內不同棚次和不同時間的風速值，并進行灰色關聯(lián)聚類分析，結果表明烤房在同一水平面上的溫度和相對濕度基本一致，理論上能夠確保同層具有相似的烘烤效果。孟智勇等［12］研究表明，在強制通風的條件下，烤房內部溫濕度分布更加均衡，水平方向上的溫濕度差異不顯著，棚間平均溫差小于等于1.5 ℃。近年來，農(nóng)業(yè)信息化等數(shù)字化轉型模式是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的發(fā)展趨勢。當前，隨著我國烤房物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置的普及，烘烤過程烤房溫濕度場分布差異規(guī)律和烘烤工藝精細化、智能化調控成為本領域研究熱點，然而現(xiàn)有報道對烤房精準劃分細小區(qū)位的環(huán)境溫濕度監(jiān)測及差異分析尚顯不足，且不同區(qū)位環(huán)境溫濕度條件與煙葉烘烤質量的關系研究結論不一致。鑒于此，基于烤房裝煙室劃分的18 個區(qū)位的烘烤過程溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)，對8 個爐次烘烤過程進行溫濕度分布規(guī)律差異分析和聚類分析，探討烤房溫濕度場對煙葉烘烤質量的影響，明確密集烤房多區(qū)位溫濕度分布差異規(guī)律，旨在為科學分類裝煙和烘烤工藝模擬仿真研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試烤房：氣流上升式生物質密集烤房，烤房標準符合國煙辦綜〔2009〕418號文件《密集烤房技術規(guī)范（試行）修訂版》要求，裝煙室尺寸長、寬、高為800 cm×270 cm×350 cm，墻壁使用聚氨酯夾芯板，密封、保溫性能好。

溫濕度采集儀器：采用便攜式溫濕度記錄儀（GM1365，濟南興拓檢測儀器有限公司）采集烘烤過程烤房不同區(qū)位的溫濕度數(shù)據(jù)。傳感器溫度測定范圍-30～80 ℃，記錄精度±0.3 ℃；相對濕度測定范圍0～100%，記錄精度±2%，設定記錄間隔為1 min。

1.2 試驗設計

2022 年6 月—7 月在福建省南平市邵武市沿山鎮(zhèn)古山烘烤中心對氣流上升式密集烤房進行溫濕度場試驗研究。對3 座供試烤房共計采集8 爐次（中部葉）的烘烤過程溫濕度場數(shù)據(jù)，共計8 個重復。待烘烤結束后留存每爐次的烤后煙葉，每座烤房供試品種均為當?shù)刂髟云贩NK326。

1.2.1 裝煙

采收同一塊煙田煙葉，且前期田間管理按照當?shù)刈顑?yōu)措施標準完成。烤房采用掛桿式裝煙，共計掛煙3層。根據(jù)當?shù)匮b煙流程規(guī)范，每桿盡可能地保證鮮煙素質及葉片疏密程度一致，每層110桿，桿距12～14 cm，每座烤房共計330桿，且均勻分布在裝煙室內。

1.2.2 溫濕度數(shù)據(jù)采集

在每座烤房內均勻放置便攜式溫濕度傳感器，上中下3 層、每層6 個，每層前中后3 段、每段左右各1 個，共計18 個溫濕度傳感器。將傳感器用棉繩懸掛在煙桿中間，隨裝煙時一同進入烤房并掛放在裝煙室長的四等分點和寬的三等分點交匯處，采集溫度和相對濕度。傳感器采集數(shù)據(jù)區(qū)位劃分如圖1 所示，A/B/C 分別為烤房的下/中/上3 層，A/B/C-1/3/5分布在烤房裝煙室的左路，A/B/C-2/4/6 分布在烤房裝煙室的右路。按照當?shù)爻Ｒ?guī)三段式烘烤工藝烘烤，待烘烤結束后，將溫濕度傳感器取出，讀取數(shù)據(jù)并進行結果分析。

圖1 烤房內區(qū)位劃分Fig.1 Sampling locations in a curing barn

1.2.3 烤后煙葉采集

烘烤結束后，將每爐次18 個溫濕度傳感器所在桿煙葉全部留存，統(tǒng)計烘烤損失，分析煙葉樣品外觀質量和主要化學成分。

1.3 分析方法

1.3.1 溫濕度數(shù)據(jù)分析

結合當?shù)卦囼灴痉靠刂苾x連接的干濕球傳感器掛放位置，氣流上升式烤房以A-1 和A-2 同時間的均值為標準曲線，參考國內外烘烤工藝［13-16］結果對烘烤過程進行階段劃分，具體見表1，并對8 爐次每階段的溫度和相對濕度取均值進行分析。

表1 烘烤階段劃分Tab.1 The division of curing stages

1.3.2 煙葉樣品分析

根據(jù)《中華人民共和國國家標準：烤煙（GB2635—1992）》［17］對煙葉進行初分級，以每桿煙葉烤青、烤糟葉片數(shù)總和占此桿總葉片數(shù)的比例為烘烤損失。按照YC/T 161—2002［18］、YC/T 468—2013［19］、YC/T 216—2013［20］、YC/T 159—2002［21］所制定的方法測定煙葉總氮、煙堿、淀粉、還原糖和總糖等主要化學成分含量，按照總氮/煙堿、還原糖/總糖和還原糖/煙堿分別計算氮堿比值、兩糖比值和糖堿比值。煙葉外觀評價［22］由行業(yè)高級技師完成，得分精確至小數(shù)點后一位，不同檔次之間的得分分界值均屬于上一個檔次（如葉片結構得分7.0，則認為是疏松檔次），具體評價方法見表2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019 繪制柱狀圖，使用Matlab R2021a繪圖，采用IBM Statistics SPSS 24.0進行方差分析和聚類分析，使用最小顯著差數(shù)法（LSD）進行數(shù)據(jù)間差異的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 烤房垂直和水平方向溫濕度差異

2.1.1 垂直方向溫濕度差異

以烤房同一平面最上層（C-1/2/3/4/5/6）、中層（B-1/2/3/4/5/6）和最下層（A-1/2/3/4/5/6）各6 個溫濕度傳感器的均值分別作為烤房上層、中層和下層的整體平均溫度和平均相對濕度，對烤房垂直方向各階段的溫度和相對濕度進行分析。由圖2可知，氣流上升式烤房烘烤各階段垂直方向的溫濕度均存在顯著差異，下層溫度最高、相對濕度最低，中層溫度和相對濕度次之，上層溫度最低、相對濕度最高。總體來看，溫濕度差異在變黃前期至定色前期差異逐漸增大，定色前期溫差最大達到2.9 ℃，最大相對濕度差達到15.8個百分點，在定色前期至干筋后期溫濕度差異逐漸減小。

2.1.2 水平方向溫濕度差異

以烤房內距離熱源最近（A/B/C-1/2）、中間（A/B/C-3/4）和最遠（A/B/C-5/6）的3 個豎直面各6 個溫濕度傳感器的均值分別作為烤房前端、中端和后端的整體平均溫濕度，對烤房水平方向各階段的溫度和相對濕度進行分析。由圖3可以看出，在烘烤的各個階段，烤房在水平方向上的溫度和相對濕度在變黃前期至變黃后期均沒有顯著性差異；在定色前期、定色中期烤房前端與中端的溫度沒有顯著性差異，但與后端的溫度存在顯著性差異；在干筋前期烤房中端與后端的溫度沒有顯著性差異，但與前端的溫度存在顯著性差異，干筋后期烤房前、中、后3段的溫度兩兩之間存在顯著性差異；在定色前期、定色中期和干筋后期烤房前端與中端的相對濕度沒有顯著差異，但與后端存在顯著性差異；定色后期、干筋前期的相對濕度不存在顯著性差異。總體來看，水平方向上溫度和相對濕度的差異主要表現(xiàn)在定色前期至干筋后期。

圖3 不同烘烤階段烤房水平方向溫度和相對濕度分布差異Fig.3 Differences of temperature and relative humidity in horizontal direction at different curing stages

2.2 烤房內溫濕度場差異分析

2.2.1 溫度和相對濕度分布情況分析

結合當?shù)乜痉扛蓾袂蛟谘b煙室內的懸掛位置，以A-1、A-2同一時間溫度和相對濕度均值為烤房標準執(zhí)行工藝參數(shù)。烤房內8 個烘烤階段的18 個區(qū)位的溫度和相對濕度均值分別與烤房標準執(zhí)行工藝參數(shù)做差值計算，得出的差值分別如表3、表4 所示，并將差值利用Matlab R2021a 按照整個烤房區(qū)位劃分進行繪圖展示。如圖4、圖5 所示，氣流上升式烤房各個區(qū)位之間的溫度和相對濕度在烘烤各個階段均具有較大的顏色差異，且垂直方向較水平方向顏色差異大。

表3 不同烘烤階段不同區(qū)位的溫度均值與標準工藝參數(shù)的差值Tab.3 Differences between the average temperature and the standard process parameters in different locations during different curing stages （℃）

圖4 不同時期烤房內溫度分布Fig.4 Temperature distribution in a curing barn at different curing stages

圖5 不同時期烤房內相對濕度分布Fig.5 Relative humidity distribution in a curing barn at different curing stages

不同烘烤階段的各個區(qū)位環(huán)境溫度參數(shù)的方差分析結果表明，烤房內不同區(qū)位間平均溫度存在顯著性差異。由表3可知，18個區(qū)位的溫度與標準工藝平均溫度的差值在變黃初期至干筋后期8個烘烤階段的分布區(qū)間依次為-1.85～0.75 ℃、-1.00～0.50 ℃、-2.20～0.30 ℃、-3.80～0.30 ℃、-3.50～0.30 ℃、-2.75～0.25 ℃、-2.40～0.20 ℃和-2.00～0.30 ℃，從變黃中期至干筋后期平均溫度的差值區(qū)間范圍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。各個烘烤階段不同區(qū)位之間的平均溫度最大差值均大于等于1.50 ℃，且在定色前期存在最大差值4.10 ℃，具體是A-2/4與C-5區(qū)位之間。

不同烘烤階段的各個區(qū)位環(huán)境相對濕度參數(shù)的方差分析結果表明，在烘烤過程中除干筋后期外，烤房內各個區(qū)位在其他烘烤階段的環(huán)境相對濕度存在顯著性差異。由表4可知，18個區(qū)位的平均相對濕度與標準工藝平均相對濕度的差值在變黃初期至干筋后期8個烘烤階段的分布區(qū)間依次為-3.70%～5.20%、-2.35%～4.25%、-1.70%～13.40%、-1.70%～21.80%、-0.95%～16.55%、-0.65%～9.95%、-0.45%～5.85% 和-0.25%～2.15%，從變黃中期至干筋后期平均相對濕度的差值區(qū)間范圍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。變黃后期至定色后期的平均相對濕度差值均在10個百分點以上，且在定色前期存在最大差值23.50%，具體是A-2與C-5區(qū)位之間。

2.2.2 溫度和相對濕度系統(tǒng)聚類分析

以烘烤各個階段的溫度和相對濕度為變量，根據(jù)烘烤階段排序并將數(shù)據(jù)標準化后進行系統(tǒng)聚類分析。如圖6 和圖7 所示，根據(jù)環(huán)境溫濕度可將烤房裝煙室的18 個區(qū)位劃分為3 類區(qū)域，第I類屬于高溫低濕區(qū)，在烘烤過程中同一時間點此區(qū)域溫度高、濕度低，包括A-1/2/3/4/5/6 和B-1/2/3/4 區(qū)位；第Ⅱ類屬于中溫中濕區(qū)，在烘烤過程中同一時間點此區(qū)域溫濕度中等，包括B-5/6區(qū)位；第Ⅲ類屬于低溫高濕區(qū)，在烘烤過程中同一時間點此區(qū)域溫度低、濕度高，包括C-1/2/3/4/5/6區(qū)位。

圖6 烤房不同區(qū)位在烘烤過程中環(huán)境溫濕度的聚類分析樹狀圖Fig.6 Cluster analysis on temperature and humidity in different locations of curing barn during curing

圖7 烤房不同區(qū)位在烘烤過程中環(huán)境溫濕度的聚類分析示意圖Fig.7 Cluster analysis diagram of temperature and humidity in different locations of curing barn during curing

2.2.3 烘烤工藝曲線與工藝執(zhí)行指標分析

對系統(tǒng)聚類的3 類區(qū)域的8 爐次烘烤工藝曲線與工藝執(zhí)行指標進行分析，結果如圖8 和表5 所示?？梢钥闯?，I類區(qū)域各烘烤階段的烘烤工藝平均溫度整體處于35.3～65.1 ℃范圍，在相同烘烤時間點最高；平均相對濕度處于21.9%～96.7%范圍，在相同烘烤時間點最低；工藝執(zhí)行升溫和穩(wěn)溫最早，變黃前期至變黃中期各階段持續(xù)時間最短，變黃后期至干筋后期各階段持續(xù)時間最長。Ⅲ類區(qū)域各烘烤階段的烘烤工藝平均溫度整體處于34.1～63.1 ℃范圍，在相同烘烤時間點最低；平均相對濕度處于24.7%～99.9%范圍，在相同烘烤時間點最高；工藝執(zhí)行升溫和穩(wěn)溫較I類晚，變黃前期至變黃中期各階段持續(xù)時間最長，變黃后期至干筋后期各階段持續(xù)時間最短。Ⅱ類區(qū)域各烘烤階段的烘烤工藝平均溫度、平均相對濕度和階段持續(xù)時長均處于I類和Ⅱ類區(qū)域之間。總體來講，I類區(qū)域變黃期短且濕度低，干筋期長；Ⅱ類區(qū)域變黃期較長且濕度中等，干筋期較短；Ⅲ類區(qū)域變黃期長且濕度高，干筋期短，對煙葉內含物質的分解轉化有著較好的促進作用。

表5 烤房內3類區(qū)域的煙葉烘烤工藝分析①Tab.5 Tobacco leaf curing process analysis for areas of three categories in a curing barn

圖8 烤房內3類區(qū)域的8爐次烘烤工藝曲線圖Fig.8 Curves of eight-oven curing process in areas of three categories in a curing barn

2.3 烤后煙葉質量差異分析

由表6 可知，在鮮煙素質一致的條件下，在垂直和水平方向上上等煙比例和烘烤損失均沒有顯著性差異。煙葉在烘烤過程中其內含物質發(fā)生一系列變化，尤其是糖含量的變化較為顯著?；诖耍攸c分析對比還原糖、總糖、淀粉和兩糖比值等與糖含量相關的化學成分指標，以及顏色純正度、光澤度、柔軟度和油潤感等與糖含量相關的外觀評價指標。

表6 煙葉烘烤效果分析Tab.6 Curing effects of tobacco leaves in different locations

2.3.1 烤后煙葉主要化學成分分析

8 個爐次的垂直方向和水平方向的烤后煙葉主要化學成分含量如圖9 所示?？梢钥闯觯? 個爐次烤后煙葉的還原糖含量較為一致且垂直和水平方向上均沒有顯著性差異，大致分別表現(xiàn)為上層＜中層＜下層、前端＞中端＞后端的趨勢；總糖含量在垂直方向上有2 個爐次（第一爐和第六爐）存在顯著性差異且均為上層顯著小于中層和下層，垂直和水平方向上大致分別表現(xiàn)為上層＜中層＜下層、前端＞中端＞后端的趨勢且均沒有顯著性差異；淀粉含量在垂直和水平方向上均沒有顯著性差異，大致分別表現(xiàn)為上層＜中層＜下層、前端＞中端＞后端的趨勢；兩糖比值在垂直方向上有2 個爐次（第一爐和第八爐）存在顯著性差異且均為上層顯著大于中層和下層，垂直和水平方向上大致分別表現(xiàn)為上層＞中層＞下層、前端＜中端＜后端的趨勢且均沒有顯著性差異。

圖9 烤房內不同方向的烤后煙葉樣品主要化學成分差異分析Fig.9 Differences in main chemical components in tobacco samples after curing at different locations in a curing barn

2.3.2 烤后煙葉外觀質量評價分析

8 個爐次的垂直和水平方向上的烤后煙葉外觀評價指標得分如圖10 所示?？梢钥闯?，顏色純正度得分在垂直方向上有1 個爐次（第二爐）表現(xiàn)為中層顯著高于上層，在水平方向上有3個爐次（第四爐、第五爐和第七爐）存在顯著性差異，大致在垂直和水平方向上均沒有顯著性差異。光澤度得分在水平方向上有1 個爐次（第四爐）表現(xiàn)為后端顯著低于前端與中端，大致在垂直和水平方向上均沒有顯著性差異。柔軟度得分在垂直方向上有1 個爐次（第六爐）表現(xiàn)為中層顯著低于上層，大致在垂直和水平方向上均沒有顯著性差異。油潤感得分在垂直方向上有2 個爐次（第六爐和第八爐）、水平方向上有1 個爐次（第二爐）存在顯著性差異，大致在垂直和水平方向上均沒有顯著性差異。總體來講，烤后煙葉外觀質量差異不顯著，具有較好的均質性。

圖10 烤房內不同方向的烤后煙葉樣品外觀質量評價差異分析Fig.10 Differences in appearance quality evaluation of tobacco samples after curing at different locations in a curing barn

3 討論

烘烤過程中烤房內不同區(qū)位間溫濕度的分布情況和動態(tài)變化是煙葉烘烤環(huán)境的綜合反映，同樣是烘烤技術的重要參數(shù)。基于烤房內18個溫濕度傳感器采集的烘烤過程溫濕度數(shù)據(jù)，明確了氣流上升式烤房的溫濕度場分布情況，發(fā)現(xiàn)空氣溫度分布規(guī)律為下層最高、中層次之、上層最低，垂直方向較水平方向差異大，這與王傳義等［23］、李晗［24］的研究結果相似?？痉績葏^(qū)位可較好地分為高溫低濕區(qū)、中溫中濕區(qū)和低溫高濕區(qū)3大類。其中，高溫低濕區(qū)包含的區(qū)位較多，可能是由于熱空氣主動向上運動的趨勢耦合氣流上升式烤房結構，使得氣流強制向上運動而導致中層部分區(qū)位環(huán)境溫濕度和下層相似。本研究中還發(fā)現(xiàn)，烤房內環(huán)境溫濕度差異最大的時期主要集中在變黃后期至定色前期且存在最大平均溫差（4.1 ℃），這可能是該時期煙葉變黃基本結束，加熱室燒火較大，冷空氣大量進入加熱室，烤房大量排濕使煙葉快速干燥，高溫區(qū)煙葉塌架變軟，葉間縫隙變大使空氣流動更加流暢迅速，而低溫區(qū)煙葉仍處于塌架變軟的過程中，熱空氣流動較為緩慢，從而造成兩個區(qū)位的溫差較大。因此，可將成熟度高、葉片含水率低、身份指標稍薄的鮮煙葉放置在高溫低濕區(qū)烘烤；成熟度適中、葉片含水率中等、身份中等的鮮煙葉放置在中溫中濕區(qū)烘烤；成熟度稍欠、葉片含水率稍高、身份稍厚的鮮煙葉放置在低溫高濕區(qū)烘烤。

對烤后煙葉質量分析發(fā)現(xiàn)，在鮮煙素質一致的條件下，烤房不同區(qū)位烤后煙葉的烘烤損失、上等煙比例、外觀品質和主要化學成分無顯著性差異，這與李晗［24］、賀慶祥［17］的研究結果一致，說明隨著煙葉生產(chǎn)技術的提升，鮮煙素質優(yōu)良，烤后煙葉質量可以很好地達到均勻一致，實現(xiàn)“同層同質”向“同炕同質”的跨越式發(fā)展。此外，烤后煙葉總糖、還原糖含量下層＞中層＞上層，這與賀慶祥［17］研究得出的總糖含量上層＞中層＞下層的結果相悖，這可能與試驗產(chǎn)區(qū)氣候、煙葉品種差異會對煙葉烘烤質量產(chǎn)生影響有關?！巴煌|”的烘烤模式能夠較好地實現(xiàn)高精度智能化烘烤，在線監(jiān)測設備僅需對烤房內小范圍的煙葉進行監(jiān)測即可實現(xiàn)對整炕煙葉的狀況判斷，為烘烤過程自動化、智能化提供數(shù)據(jù)支撐，然而針對同一爐次不同素質煙葉的烘烤效果和精準化智能烘烤的匹配性有待進一步研究。

4 結論

（1）通過收集烤房內多區(qū)位環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，從垂直和水平方向對氣流上升式烤房進行了溫濕度分布規(guī)律分析，得出垂直和水平方向上的溫濕度均有顯著性差異且垂直方向較水平方向差異大；不同烘烤階段溫濕度變化規(guī)律為變黃前期至變黃中期差異小，變黃后期至定色前期差異增大，定色中期至干筋后期差異減小。

（2）對烘烤過程溫濕度時序數(shù)據(jù)進行聚類分析，可將烤房18 個區(qū)位較好地分為3 類，即高溫低濕區(qū)、中溫中濕區(qū)和低溫高濕區(qū)。

（3）在鮮煙素質一致的條件下，烤后煙葉樣品的烘烤損失、上等煙比例、主要化學成分和外觀評價得分整體上均沒有顯著性差異；總糖、還原糖和淀粉含量在垂直方向有上層＜中層＜下層的趨勢，水平方向有前端＞中端＞后端的趨勢，兩糖比值分布規(guī)律與之相反；垂直方向下層煙葉存在顏色純正度、柔軟度和油潤感得分較高的趨勢，水平方向中端煙葉存在顏色純正度、光澤度、柔軟度和油潤感得分較高的趨勢。