基于物聯網數據采集技術的河南煙葉烘烤工藝大數據分析

過偉民，趙 虎，鄭勁民，張艷玲，劉劍君，張仕祥，王建偉，王愛國，蔡憲杰，許成悅，鄭 豐

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院 煙草行業生態環境與煙葉質量重點實驗室，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

2.西南大學工程技術學院，重慶市北碚區天生路2 號 400700

3.河南省煙草公司，鄭州市鄭東新區商務外環路15 號 450001

4.上海煙草集團有限責任公司，上海市楊浦區長陽路717 號 200082

5.安徽中煙工業有限責任公司，合肥市高新區黃山路606 號 230000

烘烤是煙葉品質形成的關鍵階段。大田收獲后的鮮煙葉需要人為給予一定的溫濕度條件和持續時間，使煙葉含水率由85%左右到接近干燥、顏色由綠黃色變為橘黃色，促使煙葉內在大分子物質降解和致香物質形成等。烘烤階段的劃分與溫濕度管理是烘烤工藝的核心。我國于20 世紀90年代提出烤煙三段式烘烤工藝［1］，1996 年出臺行業標準［2］，將煙葉烘烤過程劃分為變黃期、定色期和干筋期3 個階段，并提出不同階段的主要技術要點［3］。近年來隨著密集烤房的逐漸普及，針對烤房裝煙量大、排濕快等特點，又相繼提出“五段五對應”［4］、“八點式”［5］、“三段六步式”［6］等烘烤工藝。并在三段式烘烤工藝基礎上，對烘烤階段進行了更為精細的劃分，同時也開展了不同烘烤階段工藝參數優化研究［7-10］，提高了煙葉烘烤環節的精準控制水平。

我國不同生態區煙葉采烤季節的氣象條件和鮮煙葉素質差異較大，使煙葉的烘烤工藝、烘烤設施和控制系統等均存在不同程度的差異。前人曾對煙葉烘烤過程數據采集與控制系統進行了研究［11-12］，但由于煙葉產區分散、烘烤數據采集方法不成熟、烘烤控制系統不兼容等問題，尚難以全面分析烘烤過程中溫濕度數據及烘烤工藝中存在的問題，這在一定程度上制約了煙葉品質的進一步提高。為此，利用烘烤物聯網數據采集裝置［13］，連續2 年在河南3 個煙區采集烘烤過程溫濕度數據，分析了不同烘烤階段的時長和濕球溫度等指標，明確了各煙區烘烤工藝的主要特點，并與國內外烘烤工藝進行對比分析，旨在為河南煙葉烘烤工藝的優化提供依據。

1 材料與方法

1.1 烘烤過程溫濕度數據采集

2018—2019 年采用烤房控制儀加裝烘烤物聯網數據采集裝置，在試驗區域（表1）跟蹤采集中部和上部煙葉烘烤過程中的溫濕度數據6 891套。所采集數據涵蓋河南產區3 個煙草種植二級區的9 個地級市［14］。

表1 數據采集區域及數量Tab.1 Area and quantity of data acquisition

1.2 分析方法

以GB/T 23219—2008［15］烘烤三階段劃分為基礎，提取每套烘烤數據的變黃期、定色期和干筋期的時長。參考國內外烘烤工藝［4-6,16］的烘烤階段及溫度段劃分，每個烘烤階段又進一步細化為35 ℃以下（預變黃期）、36～37 ℃（變黃前期）、38 ℃（變黃中期）、39～40 ℃（變黃中后期）、41～42 ℃（變黃后期）、43～48 ℃（定色前期）、49～51 ℃（定色中期）、52～54 ℃（定色后期）、55～60 ℃（干筋前期）和61 ℃以上（干筋后期）等不同時期，提取濕球溫度中位值等指標。

1.3 數據處理

采用OFFICE 2016 箱型圖分析不同煙區烘烤工藝指標的差異，采用SPSS V 19.0 數據處理模塊分析不同煙區烘烤工藝指標的相似性,采用相關分析研究烘烤工藝指標間的相關性。

2 結果與分析

2.1 烘烤工藝指標數據分析

不同烘烤階段時長分布見圖1。中部煙葉烘烤總時長中位值168 h，接近2/3 數據分布在156～192 h，上部煙葉中位值較中部葉增加9 h，集中分布在168～204 h。中部煙葉變黃期時長集中分布在48～84 h，中位值71 h，上部煙葉60～96 h 的占比接近50%，中位值81 h，少量數據（10%左右）變黃期時長超過120 h。中部和上部煙葉的定色期和干筋期時長差異不大，定色期時長中位值55 h 左右，集中分布在36～72 h，干筋期時長中位值在34 h左右，集中分布在24～48 h。總體來看，上部煙葉烘烤總時長較中部煙葉多9 h 左右，變黃期時長差異較大，定色期和干筋期時長相近。

圖1 烘烤總時長及變黃期、定色期和干筋期三階段時長的分布Fig.1 Distributions of total flue-curing time and durations of three stages (yellowing,color-fixing and stem-drying)

烘烤不同時期的濕球溫度分布見圖2。變黃中期的濕球溫度集中分布在35.5～37.4 ℃，中部和上部煙葉差異較小，中位值均為36.4 ℃。變黃中后期的濕球溫度集中分布在35.5～38.4 ℃，中部和上部煙葉差異不大，中位值均為36.9 ℃。變黃后期中部煙葉的濕球溫度主要分布在35.5～37.4 ℃，中位值36.7 ℃，上部煙葉濕球溫度的分布相對分散，34.4 ℃以下、35.5～36.4 ℃、36.5～37.4 ℃的占比均接近或超過1/5，中位值36.2 ℃。定色前期濕球溫度的分布規律與變黃后期相似，中部煙葉主要分布在35.5～37.4 ℃，中位值36.4 ℃，上部煙葉1/3數據的濕球溫度在34.4 ℃以下，中位值35.6 ℃。定色后期中部煙葉濕球溫度明顯提高，集中分布在36.5～39.4 ℃，中位值接近38 ℃，上部煙葉濕球溫度略有回升，但仍有近1/3 數據低于35.4 ℃。干筋后期中部煙葉濕球溫度集中分布在38.5～42.4 ℃，中位值40.1 ℃，上部煙葉的分布相對分散，中位值較中部煙葉低1 ℃。總體來看，中部煙葉烘烤過程濕球溫度隨干球溫度升高呈先穩定后上升的趨勢，上部煙葉變黃后期至定色期的濕球溫度出現較明顯波動，濕球溫度總體較低，干濕差較大。

圖2 不同烘烤時期濕球溫度中位值的分布Fig.2 Distributions of median value for wet bulb temperature at different flue-curing stages

2.2 不同煙區烘烤工藝指標分析

2.2.1 烘烤三階段時長分析

由圖3 看出，不同煙區煙葉的烘烤總時長存在差異，豫中和豫西煙區的烘烤總時長較長，中部和上部煙葉的中間50%數據分布在155～190 h，豫南煙區的烘烤總時長相對較短，中間50%數據分布在150～180 h。不同煙區煙葉烘烤三階段的時長存在較明顯差異，豫中煙區的變黃期時長明顯較長，中部和上部煙葉的中位值分別接近90 h 和超過100 h，豫西煙區兩部位煙葉的中位值在70～80 h之間，豫南煙區變黃期時長明顯較短，兩部位的中位值均在70 h 以下。不同煙區烘烤定色期時長的差異相對小于變黃期，豫西、豫南煙區相對較長，兩部位的中位值在60 h 左右，豫中煙區兩部位的中位值在50 h 左右。不同煙區烘烤干筋期時長的差異特點與定色期表現相似，豫西、豫南煙區中位值在35～40 h，豫中煙區相對較短，中位值在30 h左右。

圖3 不同煙區煙葉烘烤三階段的時長比較Fig.3 Duration of each flue-curing stage in different areas

以變黃期、定色期和干筋期時長為變量，對不同煙區進行系統聚類分析的結果見圖4。由圖4及表2 可以看出，各煙區中部和上部煙葉均可歸為同一類。豫西、豫南煙區烘烤各階段時長的分配基本一致，變黃期、定色期和干筋期時長占烘烤總時長的比例約為40%、35%和25%。豫中煙區變黃期大幅度延長，三階段的時長占比約為55%、30%和15%。

表2 不同煙區烘烤三階段時長占烘烤總時長的比例Tab.2 Proportions of durations for three flue-curing stages to total flue-curing time in different areas

圖4 不同煙區煙葉烘烤時長的聚類分析樹狀圖Fig.4 Cluster tree analysis for tobacco curing time in different areas

2.2.2 烘烤工藝擬合曲線分析

利用干濕球溫度數據擬合不同煙區的烘烤工藝曲線（圖5）顯示，中部和上部煙葉的規律基本一致。豫中煙區烘烤工藝的主要特點:中高溫（干球40～42 ℃）中高濕（濕球36～37 ℃）主變黃，低溫（干球45 ℃左右）低濕（濕球35 ℃）主定色；豫南煙區的主要特點:中高溫（干球40～42 ℃）高濕（濕球37 ℃左右）主變黃，低溫（干球45 ℃左右）中濕（濕球36 ℃）主定色；豫西煙區的主要特點:中高溫（干球40～42 ℃）中高濕（濕球36～37 ℃）主變黃，低溫（干球45 ℃左右）中濕（濕球36.5 ℃）主定色。

圖5 不同煙區烘烤工藝大數據擬合曲線Fig.5 Big data fitting curve of flue-curing process in each area

2.3 烘烤工藝指標間的相關分析

烘烤過程濕球溫度與烘烤各階段時長的相關分析結果見表3。從表3 可看出，變黃后期濕球溫度與變黃期時長呈極顯著負相關，與定色期時長呈極顯著正相關，不同煙區表現基本一致。由于煙葉含水率較高的烘烤前期，濕球溫度近似等于葉片溫度，變黃后期濕球溫度提高，煙葉內生理生化反應相對加快，可較快完成變黃，進而相對縮短變黃期時長。定色前期濕球溫度與變黃期時長呈極顯著負相關，即存在變黃期越長，進入定色期濕球溫度越低的趨勢，這可能與變黃期延長時間煙葉變黃充分，定色前期降低濕球溫度，增大干濕差加速葉片干燥的烘烤工藝有關。此外，定色前期至定色中期的濕球溫度與干筋期時長呈極顯著正相關，定色期降低濕球溫度，煙葉失水干燥速度加快，使干筋期時長相應縮短。

表3 烘烤過程中濕球溫度與三階段時長的相關性Tab.3 Correlation of wet bulb temperature and durations of three stages

綜合各煙區煙葉烘烤特點，變黃后期至定色中期，濕球溫度的調控與烘烤進程密切相關。提高變黃后期濕球溫度，變黃期時長相對縮短，定色期時長相對增加；降低變黃后期濕球溫度，變黃期時長會相對增加，但定色前期濕球溫度降低、干濕差增大可使葉片干燥加速，定色期和干筋期的時長也相應縮短。

3 討論

本試驗中大數據分析結果發現，上部煙葉烘烤過程的調控與中部葉存在差異，一方面體現在變黃期時長和烘烤總時長增加，另一方面體現在濕球溫度調控上，上部煙葉在變黃后期至定色期存在降低濕球溫度、增大干濕差進而加速葉片干燥的烘烤特點。綜合目前烘烤工藝，孫福山等［4］和汪伯軍等［6］對烘烤各階段的時長提出了建議范圍，雖然具體劃分階段和每階段時長數值不盡相同，但變黃期（42 ℃以前）、定色期（43～54 ℃）和干筋期（55～68 ℃）時長占烘烤總時長的比例約為40%～45%、35%左右和20%～25%。對比本試驗中結果，豫南和豫西煙區烘烤三階段的時長分配與此基本吻合，豫中煙區變黃期時長相對增加（占比55%），定色期和干筋期時長相對縮短。多數對烘烤工藝的研究提出，在變黃期38 ℃和42 ℃延長時間，分別完成大部分煙葉的變黃和適度失水（支脈變黃），定色期45～48 ℃和52～54 ℃分別延長時間，完成主脈的變黃（進一步失水）和致香物質充分轉化（葉片干燥），干筋期65～68 ℃完成主脈干燥［4-6，15］，也有學者提出60 ℃適當延長時間可減少香氣物質揮發［6］。“美式三段式”“菲莫工藝”［16］等國外煙葉烘烤工藝也基本以38 ℃、40～42 ℃、54 ℃左右、68～70 ℃為主要穩溫點。結合本試驗結果，各煙區均以38 ℃左右為烘烤起始溫度，40～42 ℃延長時間完成煙葉變黃，主要定色時間均在43～48 ℃，52～54 ℃溫度段的時間相對較短，可能影響致香物質的形成。

烘烤過程中的濕球溫度控制與內在品質轉化密切相關［7］。一般認為，烘烤前期濕球溫度與葉片溫度相當，決定了煙葉內在生理生化反應的程度，烘烤后期濕球溫度調控則與煙葉的色澤深淺、光澤度和葉片結構等［17］密切相關。國內外多數烘烤工藝［4，6，16］提出烘烤過程濕球溫度隨干球溫度升高而逐漸升高，“八點式”工藝［5］提出提高主變黃期濕球溫度（37～38 ℃）可促進煙葉中物質轉化，降低定色前期濕球溫度（36～38 ℃）可減少掛灰、黑糟煙的烘烤理念。結合本試驗結果，多數煙區烘烤過程濕球溫度的變化趨勢與已報道的烘烤工藝接近，但定色期至干筋期濕球溫度相對低1～2 ℃（上部煙葉更明顯），可能對煙葉顏色的深淺和色度產生影響。豫中煙區濕球溫度呈相對特殊的“N”形變化，定色前期濕球溫度由變黃期的36～37 ℃下降至35 ℃以下，濕球溫度長時間大幅度下降，可能造成煙葉在定色前期過早過快干燥，烤后煙葉顏色偏淺，致香物質轉化不充分。此外，也有學者認為烘烤過程中濕球溫度的“N”形調控易引起煙葉掛灰而影響其品質［4］。

烘烤工藝指標的相關分析顯示，變黃后期至定色中期濕球溫度的調控與烘烤進程密切相關。降低變黃后期濕球溫度，變黃期延長，且定色前期存在濕球溫度持續降低而加快葉片干燥的趨勢，定色期和干筋期時長相對縮短。具體來看，豫中產區存在較明顯的煙葉變黃后期濕球溫度下降→變黃期延長→定色前期濕球溫度下降→定色和干筋期縮短的規律。而在結合鮮煙素質、烘烤工藝和烤后煙葉品質的數據采集與分析，以及更有針對性地進行烘烤工藝優化方面還有待于進一步研究。

4 結論

河南煙區中部和上部煙葉烘烤總時長分別集中分布在6.5～8.0 d 和7.0～8.5 d，上部煙葉烘烤過程濕球溫度的波動大于中部煙葉。豫西和豫南煙區烘烤三階段時長占烘烤總時長的比例接近40%、35%和25%，豫中煙區變黃期明顯延長。與三段式等烘烤工藝相比，各煙區變黃期38 ℃和定色期54 ℃時間相對較短，變黃后期至干筋期濕球溫度相對偏低，個別煙區濕球溫度存在“N”形變化趨勢。結合大數據分析與國內外烘烤工藝，可適當延長變黃期38 ℃和定色期54 ℃的時間，合理調控變黃后期至定色期濕球溫度以避免其大幅度波動。