烤烟分状态变风机频率烘烤工艺参数优化

李昱霖，赵亚峰，徐志强，尹光庭，魏壮状，宋朝鹏，王爱霞，段卫东

（1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002；2.河南中烟工业有限责任公司，郑州 450016；3.浙江中烟工业有限责任公司，杭州 310004）

烘烤是彰显烟叶内在品质的关键环节［1-3］。在密集烘烤过程中，风不仅是热量的传递工具，而且是烟叶排出水分的运载工具，调节风量对温度和湿度具有双重调节作用，控制适宜的风量对烟叶烘烤质量有重要作用［4］。变频烘烤技术通过应用变频器来控制循环风机，进而控制烤房内部环境中的风速，其不仅能够合理调节风机风速、节能降耗，而且能够在一定程度上改善烟叶内外在品质［5］。王柱石等［6］将烘烤过程分为35～38 ℃、38～40 ℃、40～42 ℃、42～47 ℃、47～50 ℃、50～54 ℃、54～68 ℃多个温度段，设置不同的风机频率处理，得出四棚密集烤房烘烤过程中适当地降低风机频率有利于色素和非挥发性有机酸的积累，烤后烟叶感官评吸质量整体有所改善。艾复清 等［7］对温 度 段32～38 ℃、38～50 ℃、50～52 ℃、52～60 ℃、60～65 ℃的风机频率进行了研究，结果表明，烘烤过程中采用得到的变频风速一定程度上可以提高南江3号烤后烟叶的质量。李昱霖等［8］研究发现，低风速段频率34 Hz、高风速段频率49 Hz、装烟密度59 kg∕m3为高品质、高烘烤效率的综合优化参数。优化风机频率工艺参数的研究多以温度来设置试验参数，分温度段变频烘烤虽然操作方便，易于控制，但由于各地烘烤工艺存在一定差异，使适用性有所降低。本研究对烤烟进行分状态变频烘烤试验，研究分状态变频烘烤叶温不均匀度、变黄失水特性及烤后烟品质变化规律，分析风机频率对其的影响，并对风机频率工艺参数进行优化，旨在为烘烤过程中风机频率的选择提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用品种为云烟87，于2020—2021年在河南农业大学试验基地进行试验，选择成熟度一致、叶片大小相近、无病虫害、无机械损伤的中部叶（9～11叶位），均于气流上升式烤房中烘烤，变频器单独与风机接入，未与控制器的线路接在一起。

1.2 试验方法

1.2.1 烤烟叶温的测定 叶温作为植物的体温，是烟叶在烘烤过程中温度的真实反映，对烤后烟质量有较大影响［9］，探究烟叶烘烤过程中的自身温度变化，以确定其在各个烟叶状态不同风机频率下的变化。参考魏硕等［10］的叶温测量方法，在烤房的平行剖面上，布有6 个测温点，分别距离内壁面约0.5 m。沿烤房长度方向均匀划分4 个断面，每个断面相隔约2 m，全烤房叶温测量点共计24 个。利用接触式叶温传感器监测烤房中的烟叶采集温度，将传感器探头置于各测量点叶片最紧密处，每隔2 h 对各探头的叶温进行记录。

1.2.2 烤烟分状态烘烤风机频率参数优化 由于装烟密度和风机频率共同决定了密集烤房内部的湿度，进而控制烘烤过程中烟叶水分的散失速度和散失量［11］。试验设定装烟密度为60 kg∕m3。分状态变频率试验是将烘烤过程中烟叶的变化分为4 个阶段，不同阶段设置不同风机频率。具体划分如下。

状态一（T1）代表烘烤过程中的预热阶段，从烘烤开始至烟叶叶尖和叶边缘开始变黄。

状态二（T2）代表烘烤过程中的主变黄阶段，从烟叶叶尖和叶边缘开始变黄至烟叶80%变黄、变软塌架。

状态三（T3）代表烘烤过程中的主失水阶段，从烟叶80%变黄、变软塌架至烟叶主脉褪青变白、小卷筒。

状态四（T4）代表烘烤过程中的后期阶段，从烟叶主脉褪青变白、小卷筒至主脉全干，烘烤结束。确定优化风机频率试验范围，各状态变频烘烤参数设计见表1。每次仅对1 个状态下的1 个风机频率进行试验，未进行试验烟叶状态的风机频率均为50 Hz。筛选出优化风机频率参数（设为F1），对比其与常规烘烤的烤后烟叶质量。

表1 各状态变频烘烤参数

1.3 数据分析方法

烘烤过程中风机频率对烟叶叶温的影响引入绝对不均匀度S进行评判［12］，S的大小代表在相同测点数量情况下，烟叶温度场的不均匀程度，具体计算公式如下。

式中，ti为第i个测点的温度，℃；tn为n个测点的平均温度，℃。

采用HP-C210 精密色差仪测量叶片的颜色参数［13］，在叶尖距1∕3 处、叶中和距离叶基部1∕3 处各选取2 个共6 个对称点取样测定，取各相同位置的平均值作为烟叶颜色的测量值。主要测定参数为L*（亮度）、a*（红色与绿色相比的程度）和b*（黄色与蓝色相比的程度）。

参照樊军辉等［14］的方法，用直尺测量烟叶的长度、宽度、叶边缘距离和叶尖至叶柄的距离，用叶片测厚仪（美国Thwing-Albert 公司生产）测量烟叶的厚度。烘烤过程中用麻袋片填充空隙部位，防止空隙对烤后烟叶质量造成影响，具体计算公式如下。

式中，Wa代表烟叶展平时的宽度，Wb代表烟叶自然卷曲状态下叶边缘间的距离，La代表烟叶展平时的长度，Lb代表烟叶自然卷曲状态叶尖至叶柄的距离。

本试验测定了烤后烟质量的3 个方面，分别为外观质量、化学成分和感官评吸质量。外观质量和化学成分分别参照王卫康［15］和王瑞新［16］的方法进行测定，感官评吸质量由5 名专业评吸人员进行评价。对每个方面进行打分，并根据式（2）得到综合品质得分Y1［17］。

试验结果用Microsoft Excel 2010 软件进行数据统计，利用SPSS 20.0 软件对数据进行处理和分析。利用Origin 2019 软件作图。

2 结果与分析

2.1 烟叶叶温不均匀度分析

为明确不同烟叶状态下烤烟各风机频率对烤房整体叶温的影响，计算了各频率下叶温不均匀度，通过比较叶温不均匀度来确定各处理烟叶叶温均匀的风机频率（图1），数值越低，说明该状态下整体叶温越均匀。不同风机频率下的叶温不均匀度随着烟叶状态的不同表现出一定差异。从T1 到T4，叶温不均匀度在不同风机频率均不同；T3 下叶温不均匀度数值最高，显示该状态下烤房的叶温更不均匀，这是由于烤房开始排湿，但烤房排湿会带走一部分热量，高温层和低温层烟叶叶温差异变大，说明此时为烟叶失水的关键时期。

图1 各烟叶状态下不同风机频率的叶温不均匀度

同一烟叶状态下，T1 和T2 时各处理的叶温不均匀度随风机频率降低而逐渐减少，分别为27、34 Hz烤房整体叶温最均匀。T3 时叶温不均匀度随风机频率降低逐渐增大，T4 时叶温不均匀度随风机频率降低呈先减小后增大的趋势。T1 至T4 状态下整体叶温最均匀的风机频率分别为27、34、50、33 Hz。

2.2 烟叶变黄失水特性分析

2.2.1 风机频率对烟叶颜色参数的影响 各烟叶状态下不同风机频率烧烤时间见图2a。由图2a 可知，T1 时风机频率越大，所需的烘烤时长越长，T2 和T3时烘烤时长随风机频率的减小而增加，在T4 各风机频率下的烘烤时长没有明显差异。

各烟叶状态下不同风机频率的亮度见图2b。由图2b 可知，与试验初始值相比，除烟叶在T4 时呈下降趋势外，其他状态结束时L*均不同程度升高，各状态L*均随风机频率降低而减小。烟叶烘烤过程中的色度a*均高于试验初始值，各个烟叶状态下烟叶a*在不同风机频率之间差异不大（图2c）。烟叶烘烤过程中b*呈先升高后降低的趋势。T1 时b*基本无变化；T2 时b*随频率的降低而升高；T3 和T4 时b*随频率的降低而降低（图2d）。

图2 各烟叶状态下不同风机频率的烘烤时长及颜色参数

2.2.2 风机频率对烟叶失水形态的影响 烟叶烘烤过程中的横向卷曲度和纵向卷曲度指标变化的趋势相似，均表现为先稳定后降低再增长的趋势（图3a、图3b）。T1 和T2 时不同风机频率的横向卷曲度及纵向卷曲度差异不明显。T3 时烟叶开始大量失水，横向卷曲度、纵向卷曲度开始快速增高，且变化幅度为50 Hz＞47 Hz＞44 Hz。当烟叶进入到T4 时，横向卷曲度和纵向卷曲度的增大趋势减缓，横向卷曲度在33 Hz 时增长最大，30 Hz 增长最小；纵向卷曲度在30 Hz时增长最大，36 Hz增长最小。

烘烤过程中烟叶的叶片厚度收缩率不断提高。T1 时厚度收缩率均为0，T2 和T3 时由于内含物质开始转化及叶片失水，导致不同风机频率的叶片厚度不同，厚度收缩率为44 Hz＞47 Hz＞50 Hz，在T4 时厚度收缩率基本一致（图3c）。

图3 各烟叶状态下不同风机频率的失水形态

2.3 烤后烟叶品质分析

各烟叶状态下不同风机频率的烤后烟质量评价结果见表2。由表2 可知，风机频率过高或过低均会降低评分。在预热阶段（T1）进行变频试验，3 个频率的烤后烟质量相差不大，30 Hz 外观质量得分最高，而化学成分、感官评吸和综合评分为27 Hz 最高。在主变黄阶段（T2）进行变频试验，34 Hz 和37 Hz 的各方面得分要显著高于40 Hz（P＜0.05），综合评分以34 Hz 最高，说明此时较低的风速频率能够有效地提高烤后烟品质。在主失水阶段（T3）进行变频试验，各项得分随着频率的减小而降低，且50 Hz 时的各项得分要显著高于44 Hz（P＜0.05）。在烘烤后期（T4）进行变频试验，外观质量评分为36 Hz＞33 Hz＞30 Hz，这是由于频率低使得烤后烟叶颜色较深的缘故，但化学成分、感官评吸均为33 Hz＞30 Hz＞36 Hz。

表2 各烟叶状态下不同风机频率的烤后烟质量评价 （单位：分）

2.4 风机频率参数的优化与验证

2.4.1 风机频率参数的优化 T1 和T2 在较小的风机频率条件下，烟叶达到目标状态的时间较短，亮度L*稍低，黄蓝值b*高于较大风机频率，且烤后品质得分较优。T3 时，较小的风机频率会延长烘烤时长，降低烤后烟品质。烟叶在T4 时，过大或过小的风机频率均不利于烟叶品质的形成。因此综合考虑得到工艺参数组合（F1）为，烘烤预热阶段（T1）为27 Hz，主变黄阶段（T2）为34 Hz，主失水阶段（T3）为50 Hz，烘烤后期（T4）为33 Hz。

2.4.2 风机频率参数的验证 将F1 与常规烘烤（全程50 Hz）质量进行对比，结果见表3。由表3 可知，优化后的风机变频烘烤的外观质量、化学成分、感官评吸和综合评分均显著优于常规烘烤。表明该工艺稳定可行，可用于烟叶烘烤中选择风机频率。

3 讨论

风速影响到烤房内外环境的湿热交换，进而影响烟叶组织细胞内生化变化的速度和方向，最终影响烟叶的烘烤质量［18］。本研究结果表明，较常规烘烤，密集烘烤过程中变频风机在预热阶段为27 Hz，主变黄阶段为34 Hz，主失水阶段为50 Hz，烘烤后期阶段为33 Hz 时，对烤后烟叶外观质量、化学成分和感官评吸质量有较好的改善效果。

从烟叶烘烤过程中来看，预热阶段风速频率越低整体叶温越均匀，而颜色与失水形态差异不明显，可能与烟叶细胞功能尚完善，对高温环境的适应性较强有关［19］。主变黄阶段，降低风机频率，使得烘烤时长增加，但亮度有所降低，黄蓝值较高，这与变黄期降低风机频率，延长烟叶变黄时间，提高烟叶的变黄程度相一致［20］。进入主失水阶段，烟叶大量水分需要排出，因此采取高风机频率能够提高整体叶温均匀度，较快地达到目标状态，且烟叶具有较好的横向和纵向卷曲度。如果风速过低，湿气排出慢，高温高湿环境容易坏烟［21］。当烟叶定色基本完成，减小风速转速，保证水分持续有度地排出，有利于烟叶香气物质的转化和积累，减少烟叶油分和部分小分子香气物质的挥发散失［22］。本研究烘烤后期阶段以33 Hz 最优，在保证烟叶颜色亮度的基础上改善烤后烟叶质量。

4 小结

本研究将烘烤过程分为了4 个烟叶状态变化过程，在前期试验得出频率范围的基础上，比较研究了不同风机频率对叶温不均匀度、颜色值、失水形态及烤后烟品质的影响，其最佳的变频烘烤工艺参数组合为从烘烤开始至烟叶叶尖和叶边缘开始变黄选用风机频率为27 Hz；从烟叶叶尖和叶边缘开始变黄至烟叶80%变黄、变软塌架选用风机频率为34 Hz；从烟叶80%变黄、变软塌架至烟叶主脉褪青变白、小卷筒选用风机频率为50 Hz；从烟叶主脉褪青变白、小卷筒至主脉全干，烘烤结束选用风机频率为33 Hz，较常规烘烤外观质量提高8.6 分，化学成分提高13.1分，感官评吸提高11.4分，综合评分提高10.7分。