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烤煙烘烤過(guò)程風(fēng)機(jī)頻率對(duì)葉溫和煙葉變黃失水的影響

2022-05-27 06:14:50李昱霖丁應(yīng)福王勝雷段衛(wèi)東李靜超王廷賢宋朝鵬宋江雨
河南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年3期
關(guān)鍵詞:烤房均勻度煙葉

李昱霖,丁應(yīng)福,王勝雷,段衛(wèi)東,李靜超,王廷賢,宋朝鵬,宋江雨

(1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院,河南 鄭州 450002;2. 福建省煙草公司南平市公司,福建 南平 353000;3. 福建省煙草公司,福建 福州 350003;4. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,河南 鄭州 450016)

生態(tài)條件、品種特性[1]、栽培技術(shù)[2]和烘烤等因素均會(huì)對(duì)煙葉品質(zhì)產(chǎn)生重要影響??刂七m宜的風(fēng)速能夠降低烤房溫差[3]、促進(jìn)煙葉內(nèi)部水分蒸發(fā)[4]、滿足烘烤排濕要求[5]、提高煙葉品質(zhì)[6-7]。而現(xiàn)行烤房的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速僅有高、低2個(gè)檔位,不利于煙葉品質(zhì)的彰顯[8]。在風(fēng)機(jī)頻率調(diào)控方面,詹軍等[9]以4 層密集烤房為對(duì)象研究了不同風(fēng)機(jī)頻率下烤后煙葉的香氣品質(zhì),發(fā)現(xiàn)降低風(fēng)機(jī)頻率后各變頻處理的小分子質(zhì)量和中等分子質(zhì)量致香物質(zhì)均有所增加;樊軍輝等[10]研究了定色階段后期和干筋階段風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)煙葉質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低烘烤后期風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速能夠提高煙葉質(zhì)量,同時(shí)降低能耗;馬力等[11]對(duì)云煙87中部葉設(shè)置了不同的裝煙密度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速處理,發(fā)現(xiàn)變黃期風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速960 r/min 配合裝煙密度55~65 kg/m3,烤后煙葉的均價(jià)最高。前人在自設(shè)風(fēng)機(jī)頻率組合對(duì)烤后煙質(zhì)量的影響上已有研究,但對(duì)不同定頻烘烤過(guò)程的研究鮮有報(bào)道。此外,烤煙在不同溫度下各檔位風(fēng)機(jī)頻率對(duì)煙葉自身變化的影響并不明確,利用何種指標(biāo)來(lái)篩選風(fēng)機(jī)頻率最為有效也未有定論。鑒于此,以掛桿為裝煙方式,研究不同風(fēng)機(jī)頻率對(duì)煙葉葉溫不均勻度、顏色參數(shù)和形態(tài)指標(biāo)的影響及葉溫不均勻度與煙葉變黃失水協(xié)調(diào)性的關(guān)系,探索用于篩選風(fēng)機(jī)頻率的指標(biāo),以期為進(jìn)一步提升變頻烘烤的精準(zhǔn)化、智能化水平提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020—2021 年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行,供試品種為云煙87,所用烤房為氣流上升式烤房,變頻器單獨(dú)與風(fēng)機(jī)接入。選取正常落黃且葉片大小、成熟度基本一致的中部葉(自下向上數(shù)9~11葉位)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將采收后的煙葉放入3 座烤房中(裝煙室長(zhǎng)8 m,寬2.7 m,高3.3 m),控制裝煙密度約為60 kg/m3,配備風(fēng)機(jī)同為2.2 kW 電機(jī)功率、170~250 Pa風(fēng)壓、15 000 m3以上風(fēng)量,設(shè)置3 個(gè)檔次的風(fēng)機(jī)頻率,分別為高頻風(fēng)機(jī)F1(全程50 Hz),中頻風(fēng)機(jī)F2(全程40 Hz)和低頻風(fēng)機(jī)F3(全程30 Hz),3 個(gè)處理均參照三段式烘烤工藝[12]進(jìn)行,其中以F1(全程50 Hz)處理為常規(guī)模式。烘烤開(kāi)始以后,每2 h記錄一次葉溫,并且參照霍開(kāi)玲等[13]的取樣方法,分別于烤前(鮮樣)及開(kāi)烤后的36 ℃末期、38 ℃末期、42 ℃末期、48 ℃末期、54 ℃末期和68 ℃末期進(jìn)行取樣,每次在靠近烤房門的中棚煙葉中隨機(jī)取20 片完整煙葉,并用麻片堵上取樣留下的漏洞。

1.3 檢測(cè)指標(biāo)及方法

1.3.1 葉溫的測(cè)定 參考路曉崇等[14]的葉溫測(cè)量方法,利用接觸式葉溫傳感器采集烤房中的煙葉溫度,將傳感器探頭置于各測(cè)量點(diǎn)葉片最緊密處,觀測(cè)變黃期至干筋期3個(gè)棚次的煙葉溫度。沿烤房長(zhǎng)度方向均勻劃分4 個(gè)斷面,每個(gè)斷面相隔約2 m(圖1A)。在烤房的平行剖面上,布有6 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)(圖1B),分別距離內(nèi)壁面約0.5 m。全烤房葉溫測(cè)量點(diǎn)共計(jì)24個(gè)。

圖1 烤房物理模型(A)及斷面葉溫測(cè)點(diǎn)分布(B)Fig.1 Physical model of bulk curing barn(A)and leaf temperature measuring points arrangement(B)

為了研究風(fēng)機(jī)頻率對(duì)煙葉葉溫的影響,引入絕對(duì)不均勻度(S)[15],S代表在相同測(cè)點(diǎn)數(shù)量情況下煙葉溫度場(chǎng)的不均勻程度,其值越大表示溫度場(chǎng)的不均勻程度也越大。計(jì)算公式:

式中,ti為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度,tn為n個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度。

1.3.2 煙葉顏色參數(shù)的測(cè)定 采用HP-C210 精密色差儀測(cè)量葉片的顏色參數(shù)[16],于主脈兩側(cè)均勻取點(diǎn),對(duì)葉尖、葉中和葉基部進(jìn)行測(cè)量,每片煙葉共測(cè)量6 個(gè)點(diǎn)。測(cè)量指標(biāo)包括亮度值(L*)、紅綠值(a*)、黃藍(lán)值(b*)。

1.3.3 煙葉形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定 煙葉橫向卷曲度和縱向卷曲度的測(cè)量參照樊軍輝等[17]的方法,煙葉葉片厚度的測(cè)量采用Progage 100 測(cè)厚儀(美國(guó)Thwing-Albert 公司),選取葉尖到葉基部等距離的3個(gè)位點(diǎn),取平均值作為最終測(cè)量值。

1.3.4 煙葉變黃失水協(xié)調(diào)程度的測(cè)定 參照汪代斌等[18]的方法計(jì)算煙葉的變黃程度;通過(guò)殺青烘干稱質(zhì)量,測(cè)定煙葉失水量與含水量的百分比[19],即為失水程度。

煙葉變黃協(xié)調(diào)程度(A)和失水協(xié)調(diào)程度(B)計(jì)算公式:

式中,Y1和D1分別為實(shí)際變黃程度和實(shí)際失水程度,Y0和D0分別為目標(biāo)變黃程度和目標(biāo)失水程度[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 整理數(shù)據(jù),利用Origin 2019軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同頻率烘烤對(duì)各階段葉溫不均勻度的影響

由圖2可知,同一風(fēng)機(jī)頻率下,各處理煙葉葉溫不均勻度隨烘烤進(jìn)程的推移均呈增加趨勢(shì),高頻F1和中頻F2 在48 ℃達(dá)到最大值,而低頻F3 直至54 ℃才達(dá)到最大值,隨后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖2 不同風(fēng)機(jī)頻率烘烤葉溫不均勻度變化Fig.2 Leaf temperature non-uniformity changes under different bulk curing fan frequencies

溫度≤38 ℃時(shí),高頻F1 的葉溫不均勻度明顯高于中頻F2 和低頻F3;溫度為42 ℃和48 ℃時(shí),葉溫不均勻度從高到低表現(xiàn)為低頻F3、中頻F2、高頻F1;溫度為54 ℃時(shí),葉溫不均勻度從高到低表現(xiàn)為低頻F3、高頻F1、中頻F2;在干筋期68 ℃,葉溫不均勻度為1.03(高頻F1)、0.89(中頻F2)、0.77(低頻F3)。綜上,在36 ℃、38 ℃和68 ℃下低頻處理的葉溫不均勻度低;在42 ℃和48 ℃下高頻處理的葉溫不均勻度低。

2.2 不同頻率烘烤對(duì)煙葉變黃及顏色參數(shù)的影響

由圖3a 可知,同一風(fēng)機(jī)頻率下,高頻F1 烘烤煙葉的變黃程度在取樣溫度48 ℃達(dá)到最大并保持穩(wěn)定,中頻F2 烘烤煙葉的變黃程度也是在取樣溫度48 ℃達(dá)到最大值,但之后略有下降。取樣溫度為36 ℃時(shí),不同風(fēng)機(jī)頻率烘烤煙葉的變黃程度基本一致,取樣溫度38 ℃和42 ℃變黃程度以低頻F3最大,中頻F2次之。

由圖3b 可知,烘烤過(guò)程中,煙葉亮度值介于46.84~73.99。取樣溫度≤38 ℃時(shí),低頻F3 烘烤煙葉表面的亮度變化表現(xiàn)優(yōu)于中頻F2 和高頻F1;取樣溫度≥42°時(shí),中頻F2 和低頻F3 的亮度值小于高頻F1 處理。高頻F1 烤后煙葉表面光澤較亮,中頻F2次之,而低頻F3烤后煙葉表面光澤較暗。

紅綠值決定煙葉表面呈現(xiàn)色系的深淺,鮮煙葉的紅綠值為負(fù)值,表明鮮煙葉的主體顏色是綠色。由圖3c 可知,烘烤過(guò)程中,煙葉紅綠值介于-13.83~10.26。烘烤過(guò)程中紅綠值變化表現(xiàn)為低頻F3>中頻F2>高頻F1。由此可知,低風(fēng)機(jī)頻率對(duì)煙葉表面紅度值的形成有利。

由圖3d 可知,烘烤過(guò)程中,煙葉黃藍(lán)值介于20.27~43.66。取樣溫度36—42 ℃時(shí),黃藍(lán)值變化為低頻F3>中頻F2>高頻F1??梢?jiàn),低風(fēng)機(jī)頻率有利于煙葉在變黃期的變黃。變黃期之后,黃藍(lán)值變化表現(xiàn)為高頻F1>中頻F2>低頻F3,表明高風(fēng)機(jī)頻率有利于固定煙葉的變黃程度。

圖3 不同風(fēng)機(jī)頻率烘烤變黃程度和顏色參數(shù)變化Fig.3 The degree of yellowing and color parameter changes under different bulk curing fan frequencies

2.3 不同頻率烘烤對(duì)煙葉失水及形態(tài)的影響

由圖4a可知,當(dāng)取樣溫度為36 ℃、54 ℃和68 ℃時(shí),3個(gè)處理的失水程度無(wú)明顯差異;當(dāng)取樣溫度為38 ℃、42 ℃和48 ℃時(shí),失水程度最高的處理均為高頻F1,其次是中頻F2,最低的為低頻F3。以上結(jié)果表明,低風(fēng)機(jī)頻率在一定程度上抑制了煙葉水分的散失。

由圖4b 可知,在同一頻率下,厚度收縮率呈現(xiàn)一直增加的趨勢(shì),且在取樣溫度36—38 ℃和42—48 ℃,各處理煙葉的厚度收縮率均急劇升高。在38—68 ℃,厚度收縮率最高的處理為低頻F3,其次是中頻F2,最低的是高頻F1。烘烤結(jié)束時(shí),低頻處理厚度收縮率最高,是由于風(fēng)機(jī)頻率過(guò)低,煙葉失水慢,內(nèi)含物質(zhì)過(guò)度消耗。

剛采收的成熟煙葉在自然狀態(tài)下有一定的橫向卷曲度和縱向卷曲度。由圖4c 和圖4d 可知,同一頻率下,不同處理的煙葉橫向卷曲度和縱向卷曲度均在烘烤初期(取樣溫度≤38 ℃)有所減小,之后隨著溫度升高呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。整體上,高頻F1烤后煙葉橫向卷曲度和縱向卷曲度最高,低頻F3低于中高頻率烘烤處理。

圖4 不同風(fēng)機(jī)頻率烘烤失水程度和形態(tài)參數(shù)變化Fig.4 The degree of water loss and morphological parameters change under different bulk curing fan frequencies

2.4 不同頻率烘烤對(duì)煙葉變黃失水協(xié)調(diào)程度絕對(duì)值的影響

圖5中折線由各溫度下不同頻率烘烤的葉溫不均勻度最低值組成;柱狀圖數(shù)值為變黃失水協(xié)調(diào)程度,變黃、失水協(xié)調(diào)程度絕對(duì)值越大,說(shuō)明變黃、失水協(xié)調(diào)性越差。從圖5 可以看出,在36 ℃下,低頻F3 的變黃失水協(xié)調(diào)程度最好,在取樣溫度38 ℃時(shí),中頻F2 的變黃失水協(xié)調(diào)程度最好,取樣溫度從42 ℃到68 ℃,均為高頻F1 的變黃失水協(xié)調(diào)程度最好。取樣溫度54 ℃前,各溫度點(diǎn)最低葉溫不均勻度的處理和變黃失水協(xié)調(diào)程度最好的處理一致,說(shuō)明烘烤過(guò)程中葉溫不均勻度低能夠促進(jìn)變黃失水的協(xié)調(diào)。在54 ℃和68 ℃,葉溫不均勻度最低的頻率分別為40 Hz 和30 Hz,而變黃失水協(xié)調(diào)程度最好的頻率均為50 Hz,但3個(gè)處理的失水協(xié)調(diào)程度差別不大,均勻的葉溫可以使全烤房煙葉更加趨于一致??梢?jiàn),葉溫的不均勻度能夠反映出取樣溫度點(diǎn)36—48 ℃下煙葉的變黃失水協(xié)調(diào)程度,低葉溫不均勻度更利于烘烤。

圖5 不同風(fēng)機(jī)頻率烘烤葉溫不均勻度最低值與變黃協(xié)調(diào)程度(A)失水協(xié)調(diào)程度(B)絕對(duì)值變化Fig.5 The lowest value of leaf temperature non-uniformity and the absolute value change of coordination degree of yellowing(A)and water loss(B)under different bulk curing fan frequencies

3 結(jié)論與討論

本研究選取的3個(gè)檔次的風(fēng)機(jī)頻率烘烤處理均具備明顯的葉溫不均勻度變化特征,隨著烘烤進(jìn)程的進(jìn)行,烤房整體的葉溫不均勻度先上升后下降,這種現(xiàn)象可能與不同階段煙葉的變化有關(guān)。在變黃前中期,較低的風(fēng)速使得烤房整體葉溫更加均勻,此階段烘烤的主要任務(wù)是促進(jìn)煙葉變黃[21],煙葉處于相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境[22],且煙葉保護(hù)酶活性高,自我保護(hù)能力較強(qiáng)[23]。在42—48 ℃,高風(fēng)機(jī)頻率較中低風(fēng)機(jī)頻率的葉溫不均勻度更低,烘烤主要任務(wù)從變黃逐漸變成失水,煙葉水分蒸發(fā)吸收大量熱量,且空氣中絕對(duì)含濕量增加,風(fēng)速降低[24]。在54—68 ℃,烘烤主要任務(wù)為排出煙葉殘存的水分,葉溫的變化表現(xiàn)為逐漸與干球溫度同步升高,葉間隙變大,此時(shí)采用中低風(fēng)機(jī)頻率烤房整體葉溫更加均勻。因此,在不同的溫度選用適宜的風(fēng)機(jī)頻率可降低葉溫不均勻度。

烘烤過(guò)程中采用不同的變頻風(fēng)速,會(huì)對(duì)烤后煙葉的等級(jí)質(zhì)量、主要化學(xué)成分協(xié)調(diào)性和評(píng)吸質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響[25],合理的風(fēng)機(jī)頻率有利于提高烤后煙葉的質(zhì)量。本研究中,不同的定頻烘烤,煙葉變黃失水呈現(xiàn)如下變化特點(diǎn):(1)各處理在取樣溫度≤38 ℃時(shí),變黃和失水程度相差不大,隨著烘烤的進(jìn)行,中低風(fēng)機(jī)頻率與高風(fēng)機(jī)頻率的變黃程度和失水程度具有較大差異,在取樣溫度54—68 ℃,失水程度基本相同,這與劉闖[26]的研究結(jié)果基本一致。(2)烘烤過(guò)程中煙葉亮度值、紅綠值、黃藍(lán)值均在鮮煙葉至取樣溫度42 ℃結(jié)束時(shí)變化劇烈,之后變化幅度趨緩,這與賀帆等[16]的研究結(jié)果基本一致。且高頻處理煙葉較亮,趨向于檸檬黃色,而中低頻處理煙葉顏色較暗[3]。(3)煙葉的厚度收縮率、橫向卷曲度和縱向卷曲度在42 ℃之前差異不明顯,42 ℃后出現(xiàn)明顯差異,這是因?yàn)榇藭r(shí)進(jìn)行大量的濕熱交換,較大的空氣流通速度才能促進(jìn)煙葉均衡干燥[27]。

36 ℃低頻F3 處理的變黃失水協(xié)調(diào)程度最好,38 ℃中頻F2 處理的變黃失水協(xié)調(diào)程度最好,42—68 ℃高頻F1 處理的變黃失水協(xié)調(diào)程度最好,溫度≤48 ℃時(shí),葉溫不均勻度最低的頻率與變黃失水協(xié)調(diào)最好的頻率相同,這與煙葉含水量大時(shí),通風(fēng)是影響煙葉失水的主要因素[28]的結(jié)論一致。當(dāng)溫度≥54 ℃,葉溫不均勻度以較低風(fēng)速頻率為最佳,與煙葉的變黃失水協(xié)調(diào)不一致,此時(shí)煙葉失水干燥特征處于減速和再減速階段,主脈干燥主要受干球溫度影響[29]。本研究結(jié)果表明,在相同裝煙密度條件下,選擇較低的葉溫不均勻度,應(yīng)用變頻器烘烤的煙葉將有更好的煙葉變黃失水協(xié)調(diào)程度。而變黃失水協(xié)調(diào)程度與烤壞煙比例密切相關(guān),烘烤過(guò)程中煙葉變黃失水協(xié)調(diào)程度變化的判定對(duì)避免烤壞煙發(fā)生及指導(dǎo)烘烤生產(chǎn)具有實(shí)際意義[20]。因此,關(guān)于葉溫不均勻度與烤后煙葉質(zhì)量的關(guān)系及各溫度下篩選風(fēng)機(jī)頻率的相關(guān)配套技術(shù)等還需要進(jìn)一步研究。

綜上,各溫度下葉溫不均勻度最低的頻率分別為30 Hz(36 ℃)、40 Hz(38 ℃)、50 Hz(42 ℃)、50 Hz(48 ℃)、40 Hz(54 ℃)、30 Hz(68 ℃)。葉溫不均勻度低利于煙葉變黃和失水協(xié)調(diào)性,可以將烘烤過(guò)程中葉溫不均勻度的高低作為篩選各溫度下風(fēng)機(jī)頻率的重要指標(biāo)。

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