響應面法優化煙葉變頻烘烤工藝

李昱霖，劉明宏，劉家旺，芶劍渝，張維軍，王廷賢，路曉崇*

1 河南農業大學煙草學院，鄭州 450002；2 貴州省煙草公司遵義市公司，貴州遵義 563000；3 福建省煙草公司南平市公司，福建南平 353000

【研究意義】風機變頻器可使普通異步電機實現無級調速，具有運行能耗省，綜合效益高等特點，可充分發揮相關烘烤設備在節能減排、精準烘烤、提質增效、減工降本方面的重要作用，因此，探討烘烤關鍵溫度段風機頻率可為風機變頻器的應用提供參考。【前人研究進展】樊軍輝等[1]進行了定色后期和干筋期風機頻率對比試驗，結果表明烘烤后期較低的風機轉速可以提高中上等煙比例，改善煙葉品質；李旭華等[2]用變頻器解決烤房風機風速過大并提高了橘黃煙的比例；許齊等[3]研究了32℃～42℃、42℃～56℃、56℃～67℃不同風機頻率對煙葉的影響，得出能夠增加中部葉烤后煙葉外觀質量的最佳參數組合；何亞浩等[4]通過測定風機變頻的烤后煙葉化學品質篩選了煙葉風機變頻組合，為我國密集烘烤工藝優化和煙葉質量特色提高提供理論基礎。胡志忠等[5]對密集烤房疊層裝煙烤后煙葉感官評吸質量進行了研究，研究顯示適當降低變頻風機頻率對烤后煙葉的感官評吸質量有明顯的改善。研究方法主要有控制烘烤后期風機轉速[1,6,7]、精細調控多溫度段風機轉速[2-5]等。【本研究切入點】近年來，隨著煙葉可持續發展理念的不斷深入，對于綠色優質煙葉的要求越來越高[8,9]，綜合考慮分階段控風機頻率烘烤和改變裝煙密度，兼顧品質和烘烤時長研究不同風機頻率參數對煙葉變頻烘烤的影響至關重要。【擬解決的關鍵問題】本研究采用響應面法，確定煙葉變頻烘烤的高品質、高效率工藝參數，并對最佳工藝參數進行驗證，以期為煙葉變頻烘烤工藝的應用研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

本試驗于2018—2019 年在貴州省遵義市鳳岡縣中華原料烘烤工場進行，供試品種為K326，按照當地常規優質煙葉生產技術規范進行統一管理，選取正常成熟落黃的中部葉（9～11 葉位）進行試驗。選擇各處理烤后占比最多的C3F 等級煙葉，作為樣品進行煙葉外觀質量、化學成分和感官評吸質量對比分析。

1.2 試驗設備

選用規格相同的氣流上升式密集烤房（裝煙室長8 m，寬2.7 m，高3.3 m，裝煙3 層），所配備風機同為密集烤房標準軸流風機，電機功率2.2 kW，風壓170 Pa～250 Pa，風量15000 m3以上，均采用變頻器驅動，變頻器與循環風機相連，頻率可在0 Hz～50 Hz 范圍自由調節。

1.3 試驗方法

各處理的煙葉采摘后立即編竿，固定每竿葉片數，稱取20 竿鮮煙重后，根據平均值和試驗所需的裝煙密度決定每炕煙的竿數。煙葉的烘烤工藝依據當地烘烤模式并參照三段六步式烘烤工藝[10]進行。在烘烤過程中，38℃和42℃～48℃分別為煙葉變黃和失水的主要溫度段，因此將38℃作為低風速段，42℃～48℃作為高風速段，各試驗烤房除試驗溫度段的頻率外，預熱階段（35℃）設為30 Hz，香氣物合成階段和干筋階段（54℃～68℃）設為40 Hz，升溫時頻率以后一溫度段設置為準。根據Box-Benhnken 的中心組合試驗設計原理，采用響應面法在三因素三水平上對煙葉的變頻烘烤工藝進行優化。以低風速段（X1），高風速段（X2），裝煙密度（X3）為自變量，以品質得分（Y1）、烘烤時長（Y2）為評價指標。各個因子的水平設置及編碼如表1 所示。

表1 響應面試驗因素水平表Tab. 1 Factors and levels in response surface design

1.4 指標及檢測方法

1.4.1 外觀質量評定

以GB2635-92[11]為標準，對主要指標顏色、成熟度、結構、身份、油分、色度進行評定，質量越高，分值越高，各指標滿分均為10 分，具體方法參見王衛康[12]的方法進行。

1.4.2 化學成分分析

采用王瑞新等[13]的方法，測定烤后煙葉的總糖、還原糖、總氮、鉀、氯和總植物堿含量，并計算氮堿比、糖堿比、鉀氯比。參照優質烤煙的適宜指標[13-15]進行打分，各指標均以最適范圍為100 分，高于或低于該最適范圍依次按照比例降低分值。

1.4.3 感官評吸質量評定

對不同處理的烤后煙葉進行卷制，經平衡箱平衡水分后，由5 名專業評吸人員組成的評吸小組對試驗煙樣的感官質量進行評價。根據9 分打分制單料煙評吸表，對主要指標香氣質、香氣量、濃度、雜氣、勁頭、刺激性、余味、燃燒性、灰色進行打分[16]。

1.4.4 綜合品質得分

參考王彥亭等[15]的方法，對外觀質量、化學成分綜合評價體系進行指標權重確定；參考鄧小華等[17]的方法，對感官質量綜合評價體系進行指標權重確定。為統一各指標的分值，將外觀質量得分×10 作為外觀綜合質量表征分值；將感官質量得分×11.11 作為感官綜合質量表征分值。參考吳殿信[18]的研究，確定外觀質量、化學成分和感官質量的權重分別為0.40、0.20 和0.40，煙葉綜合品質得分可表示為：Y1=0.4×外觀質量指數+0.2×化學成分指數+0.4×感官質量指數。

1.4.5 烘烤時長

從裝煙完畢點火開始計時，至全炕煙葉烘烤完成關火為止，記錄此過程所耗費的時長（Y2）。

1.5 數據處理

試驗結果用Excel 進行數據統計，利用Design Expert10 對數據進行處理和統計分析。

2 結果

2.1 響應面分析法優化試驗結果

試驗方案和結果見表2，品質得分、烘烤時長分別在75.4 分～86.0 分、161 h～192 h 范圍內。

2.2 工藝參數對煙葉品質得分的影響

由表3 可知，此模型P 值小于0.01，表明回歸模型具有極顯著意義，失擬項P=0.2919＞0.05，說明模型的失擬度不顯著，可以用于分析工藝參數對煙葉品質得分的影響。在一次項中X1（低風速段）對品質得分有顯著影響（P＜0.05），X2（高風速段）對品質得分的影響極顯著（P＜0.01）。二次項X21達到顯著水 平（P＜0.05），X22、X23均為極顯著（P＜0.01），且X1（低風速段）和X2（高風速段）的交互作用對品質得分有顯著影響（P＜0.05）。

表2 試驗設計及結果Tab. 2 Experimental design and results

表3 品質得分回歸模型方差及可信度分析Tab. 3 Analysis of variance and reliability for comprehensive quality score regression model

圖1 低風速段和高風速段對綜合品質得分的影響Fig. 1 Effects of low wind speed and high wind speed on comprehensive quality score

圖1～3 為變頻烘烤工藝條件中，各因素對品質得分交互作用的響應面及等高線。由圖可知，低風速段頻率介于33 Hz～37 Hz 之間，高風速段頻率介于46 Hz～50 Hz 之間時，綜合品質能獲得較高的得分。圖1 中等高線圖的橢圓形較明顯，而圖2 和圖3 中等高線圖比較接近圓形，表明低風速段頻率與高風速段頻率之間的交互作用較強，低風速段頻率與裝煙密度、高風速段頻率與裝煙密度之間雖有一定的交互作用，但交互效應均較弱。響應面的陡峭程度隨低風速段頻率、高風速段頻率的變化起伏較大，說明低風速段頻率和高風速段頻率對綜合品質得分的影響大于裝煙密度。以上分析與表3 的方差分析結論一致。

圖2 低風速段和裝煙密度對綜合品質得分的影響Fig. 2 Effects of low wind speed and loading density on comprehensive quality score

圖3 高風速段和裝煙密度對綜合品質得分的影響Fig. 3 Effects of high wind speed and loading density on comprehensive quality score

2.3 工藝參數對煙葉烘烤時長的影響

圖4～6 分別顯示3 組以烘烤時長為響應值的趨勢圖，可以看出低風速段與高風速段、低風速段與裝煙密度、高風速段與裝煙密度的交互作用對于烘烤時長影響均不顯著。由圖4 可看出，在低風速段頻率確定的條件下，烘烤時長隨著高風速段頻率的增大而減小；在高風速段頻率確定的條件下，烘烤時長隨著低風速段頻率的增大而增大。由圖5、6 可看出，烘烤時長隨裝煙密度的減小而減小，只是一開始比較陡，后來比較緩慢。

表4 烘烤時間回歸模型方差及可信度分析Tab. 4 Analysis of variance and reliability for bulk curing time regression model

圖4 低風速段和高風速段對烘烤時長的影響Fig. 4 Effects of low wind speed and high wind speed on bulk curing time

圖5 低風速段和裝煙密度對烘烤時長的影響Fig. 5 Effects of low wind speed and loading density on bulk curing time

圖6 高風速段和裝煙密度對烘烤時長的影響Fig. 6 Effects of high wind speed and loading density on bulk curing time

2.4 工藝參數綜合優化分析

用Design Expert對表2的數據做單目標優化處理，在30 ≤X1≤40，40 ≤X2≤50，55 ≤X3≤65 的約束條件下，目標函數Y1（品質得分）取得最大值，Y2（烘烤時長）取得最小值。Design Expert 處理結果如表5。

表5 單目標函數優化結果Tab. 5 Optimization results of single target function

煙葉在實際生產中，品質特征是重要因素；其次，烘烤時間決定了生產效率，也應該著重考慮。所以，按照重要程度對每個指標加上μ1=0.7，μ2=0.3（μ1+μ2=1）的權重系數，進行綜合參數最優分析。

綜合優化參數結果為：X1=34.167 Hz，X2=49.428 Hz，X3=58.647 kg/m3。考慮到實際應用，取X1=34 Hz，X2=49 Hz，X3=59 kg/m3，此時品質得分（Y1）為86.27 分， 烘 烤 時 間（Y2） 為165.23 h。 按 照X1=34 Hz，X2=49 Hz，X3=59 kg/m3進行3 次平行驗證試驗。試驗結果為外觀質量得分83.7 分，化學成分得分94.4 分，感官質量得分84.0 分，Y1=85.96 分，Y2=167.32 h，誤差分別為0.36%、1.26%與預測結果比較近；另外與單目標優化結果比較，品質得分相差不大，烘烤時間延長12 h。

3 討論

煙葉質量與經濟效益息息相關，適宜的生態環境[19]，品種的選育[20-22]及配套的栽培技術[23,24]會使煙葉的品質得到顯著提高，優化烘烤工藝亦應將煙葉質量擺在首位。而烘烤時長既與煙葉內在品質的形成息息相關[25,26]，又能在便于統計的基礎上間接體現不同處理間能源的消耗量，因此本試驗主要針對變頻烘烤過程中的烤后煙葉綜合品質得分與烘烤時長進行了響應面分析及優化。

煙葉烘烤的本質是變黃與干燥的統一，變黃階段較小的風機轉速，可以實現煙葉水分較慢散失，利于烘烤前期物質轉化[4]，這與本試驗中隨低風速頻率段增大，綜合品質得分先增大后減小，并在34 Hz時取得最大值相一致。當煙葉進入定色期，裴曉東等[27]以上部葉為試驗材料時指出此時風機的主要任務是將烤房內大量濕氣排出，如果風速過低，濕氣排出較慢，很容易造成高溫高濕環境，造成煙葉烤壞。本試驗表明在低風速段頻率（38℃）在33 Hz～37 Hz之間，高風速頻率（42℃～48℃）在46 Hz～50 Hz 之間時綜合品質得分較高，這與馬力等[28]在裝煙密度55 kg/m3～65 kg/m3配合變黃期轉速960 r/min 得出的烤后煙葉均價最高相似，與許齊等[3]以南江3 號為試驗材料得到的變黃期（32℃～42℃）采用1450 r/min、定色期（42℃～56℃）采用960 r/min 下綜合經濟效益最好有所出入。除此在本試驗中，裝煙密度對綜合品質得分的影響不顯著，可能是所選用的55 kg/m3～65 kg/m3均為適宜裝煙密度引起的。

烘烤過程中煙葉水分的散失速度和散失量由風機轉速和裝煙密度共同控制，裝煙密度的增大，使得熱量的傳遞與水分的排出受到阻礙，過大或過小的風機頻率都會延長烘烤時長。變頻技術在烤房變頻器改造中科學合理的利用，不僅可以對原本的風量調節方式進行完善和優化，而且可以使電耗明顯降低30%以上[29]，本試驗主要針對變頻烘烤過程中的烤后煙葉綜合品質得分與烘烤時長進行了響應面分析及優化，今后將在保證煙葉質量和效率的基礎上，對節能進行統計分析，更好的促進變頻技術的發展。

4 結論

（1）低風速段對品質得分和烘烤時長的影響顯著（P＜0.05），較低的低風速段頻率能提高品質得分，提高烘烤效率；高風速段頻率是影響品質得分和烘烤時間的主要因素（P＜0.01），高風速段頻率在49 Hz左右時能得到較好的煙葉，且在一定程度上提高了生產效率；裝煙密度對烘烤時間的影響極顯著（P＜0.01），裝煙密度在59 kg/m3左右烘烤耗時比較短。

（2）高品質，烘烤效率高的綜合優化參數為：低風速段頻率34 Hz、高風速段頻率49 Hz、裝煙密度59 kg/m3,在此工藝條件下獲得的煙葉品質得分為85.96 分，烘烤時長為167.32 h。