風機變頻調速對烤后煙葉質量的影響研究進展

陳家鼎 王愛霞 段宏群 李成剛 馮俊升 王 宏 葛國峰 孫占偉*

（1河南農業大學煙草學院，河南鄭州 450002；2河南中煙工業有限責任公司，河南鄭州 450016；3河南省煙草公司洛陽市公司，河南洛陽 471000）

隨著智能化和自動化的不斷發展，我國煙葉烘烤技術已形成一個完善的體系，為整個煙草行業發展作出了非常大的貢獻。風作為烘烤過程中溫度和濕度的載體，通過風機變頻調速技術精準控制送風量對于調節烘烤各時期的葉間隙風速、提升烤房干濕球控制精度、促進烤房內環境均一化等具有重要意義。劉光輝[1]通過對比烤房空載時變級調速和變頻調速下的風速分布，發現烤房內的風速分布與風機頻率成明顯正相關。李昱霖等[2]基于響應面法研究了烤煙低風速段、高風速段和裝煙密度與烤后煙葉質量、烘烤時長之間的相互作用關系，發現低風速段對烤后煙葉質量和烘烤時長影響顯著，高風速段對提升烘烤效率具有顯著作用，并提出了2個風速段的具體風機頻率參數。不同烘烤階段煙葉的失水速率不同，體積收縮程度有明顯差異，對葉間隙風速大小的要求也不相同，僅憑高、低2個風機頻率無法很好地滿足煙葉烘烤需求。同時，在烘烤轉火時，風速過大或過小很容易導致升溫過猛或升溫滯后，影響后續煙葉狀態變化?；诖耍疚膶陙盹L機變頻調速對煙葉烘烤的影響研究進行了分析歸納，以期為后續通過風機變頻調速提高煙葉質量、提升烘烤效率提供一定參考。

1 變頻調速的作用機理

變頻調速直接影響烤房內風速場的分布。變頻調速對于煙葉烘烤的影響主要通過改變烤房內的風速及溫濕度來實現。

1.1 風速

烤房內環境是實現煙葉內環境與外界環境濕熱交換的過渡場所，直接影響到煙葉的烘烤效率。風是實現這一轉換的重要載體，大小適宜、分布均勻的風速在保證煙葉黃軟協調的同時可以促進煙葉狀態均一化。有相關研究表明，高風速下烤后煙葉顏色多以檸檬黃為主，香氣量不足，雜氣偏重，刺激性大，辛辣味重；低風速下烤后煙葉顏色黯淡，香吃味濃郁[3]。變頻對烤房內風速大小和分布的影響是同步的。常劍波等[4]強調煙葉表面的水分汽化要與烤房通風排濕相契合。王建安等[5]研究表明，葉間隙風速0.12 m/s有利于煙葉物理性狀和化學成分的形成。劉闖[6]提出葉間層風速在變黃期0.22 m/s、定色期0.35 m/s、干筋期0.4 m/s時煙葉外觀質量較優。在整個烘烤過程中，垂直風速在烤房徑向的分布差異不如平面風速明顯[7]。同一風機頻率下，隨著烘烤過程的進行，煙葉體積收縮，葉間隙變大，葉間隙風速呈變大趨勢；同一煙葉狀態下，風機頻率與烤房內風速大小變化成明顯正相關關系[1]。劉兆宇等[8]對烘烤干筋期密集烤房內部氣流場進行了系統的數值模擬，發現熱空氣進入裝煙室后，氣流在裝煙室頂部水平流動，流速逐漸減?。贿M入煙葉堆積區域后氣流速度最小，風速較均勻；在出風口速度變化較大。楊宸裕[9]在改變風量情況下對烤房內空氣流速進行仿真測試，發現距離烤房頂部0.5～3.0 m處流速較為穩定，其余位置流速與進風口風量成正相關。風機轉速一定時，通過改變風機功率同樣可以改變烤房進風量，且烤房內各點處的風速隨功率的增大明顯增大[7]。

1.2 溫濕度

干濕球溫度是煙葉烘烤的核心要素，直接影響煙葉的變黃和脫水速率，對烘烤質量起決定性作用。密集烤房多為氣流上升式和氣流下降式，熱源和排濕口通常設置在烤房一側，以達到烤房內循環的效果，但垂直距離的存在導致烤房內溫濕度空間分布出現差異。劉光輝[1]通過試驗證明風機變頻調速下實際干濕球溫度更貼近設定值，且升溫曲線平滑，波動幅度明顯降低。楊芳等[10]研究發現，在相同裝煙密度下，風機頻率的增大使烤房內的平面溫差、垂直溫差和濕度差減小，但從烤后煙葉的實際情況判斷出風機頻率的選擇存在上限。低頻處理下烤房垂直溫差在變黃期、定色期、干筋期都明顯增大，且始終高于平面溫差，濕度的變化趨勢與溫差具有高度相似性[7]。說明變頻調速應在維持烤房溫濕度向設定值靠近的基礎上，盡可能減小烤房內溫濕度差值。

2 變頻調速對烤后煙葉質量的影響

2.1 外觀質量

外觀質量是評價煙葉烘烤質量的首要因素，烘烤過程中煙葉外觀質量與風機頻率息息相關，而傳統雙速電機烤后青雜煙現象嚴重。變黃期葉間隙風速過大，會使煙葉局部含青[11]。定色期葉間隙風速過大時，葉表面水汽飽和層狀態被打破，色度難以得到很好固定，烤后煙葉顏色偏暗，油分明顯欠缺；葉間隙風速過小時，烤房橫向和徑向的煙葉變黃失水狀態存在明顯差異，不能保證煙葉質量均一化。李旭華等[12]通過適當降低變黃期風機頻率，延長變黃時間，使烤后煙葉色度和橘黃煙比例得到明顯提升。在此基礎上，通過在定色期和干筋期設置不同的風機轉速處理，發現不同處理間烤后煙葉組織結構、油分、成熟度差異不顯著，當定色期（42～54℃）風機頻率50 Hz、干筋期（54～68℃）風機頻率 24 Hz時烤后煙葉身份適中、色度強、外觀質量最優[13]。此外，風機功率的大小要與裝煙密度相匹配。常劍波等[4]研究發現，低風機功率、高裝煙密度和高風機功率、低裝煙密度時煙葉外觀質量明顯變差。

2.2 化學成分

煙葉的內在化學成分主要包括常規化學成分、中性香氣物質、有機酸等，是反映煙葉內在品質的主要指標，與調制方法息息相關[14-16]。烘烤過程中風機頻率的大小直接影響煙葉的生理生化反應，進而影響烤后煙葉化學成分的均衡性。已有研究表明干筋期過大的葉間隙風速會導致煙葉香氣物質散失[12]。與全程固定風機頻率相比，變頻調速在42℃左右適當延長烘烤時間，可以促進含氮化合物的代謝和淀粉的進一步降解[1]，烤后煙葉的總糖含量提高1.1%、還原糖含量提高3%、淀粉含量下降0.7%，整體協調性有所提升。張樹堂等[17]研究發現，烤煙下部葉淀粉、總糖、還原糖的含量隨風機功率和風機轉速的增大而下降，上部葉的淀粉含量也呈相似趨勢，但總糖和還原糖的含量呈先下降后上升的趨勢。詹軍等[18]研究發現，變頻烘烤的烤后煙葉總糖和石油醚提取物含量顯著增高，總氮、蛋白質、氯含量有所降低，促進了煙葉內在品質的提高。干筋期適當降低風機頻率可以顯著提高質體色素降解產物總量、葉綠素降解產物（新植二烯）含量、棕色化反應產物香氣類物質總量、苯丙氨酸類香氣物質總量、類西柏烷類香氣物質總量以及酮類、醇類、雜環類、酚類和芳香族類化合物含量[19-21]，極顯著提升具有花香味的苯甲醇類物質和具有新鮮胡蘿卜香味的茄酮類物質含量。許齊等[22]研究發現，干筋前期采用中等風機頻率、干筋后期采用較低風機頻率，烤后煙葉施木克值、糖堿比、氮堿比、蛋氮比均在優質煙葉指標范圍內。按煙葉烘烤進程進行多溫度段風機轉速精準控制后[23]，發現烤后煙葉有機酸含量明顯升高，蘋果酸含量顯著增高，檸檬酸含量略有降低，有利于平衡煙葉燃吸酸堿度。研究發現，采用三速變頻循環風機在變黃期可以維持酶活性，促進葉綠素a、葉綠素b、β-胡蘿卜素和類胡蘿卜素降解；在定色期能夠使主脈葉綠素充分降解[24-26]，增加類胡蘿卜素類香氣物質的含量。王柱石等[27]對風機頻率與烤后煙葉潛香物質含量之間的相關性進行了補充研究，并提出變黃期風機頻率35～40 Hz、定色期風機頻率35～50 Hz、干筋期風機頻率25 Hz時烤后煙葉潛香物質含量顯著提升。因此，在煙葉烘烤過程中風機頻率對烤后煙葉糖類、含氮化合物、生物堿及各種香味物質的含量具有顯著影響。

2.3 感官質量

煙葉的化學成分是煙葉質量形成的物質基礎，而煙葉感官質量又是煙葉質量的判定標準。現有研究表明，風機變頻調速對于煙葉感官質量的影響主要是通過影響煙葉外觀質量、調控煙葉內在化學成分來實現。樊軍輝等[28]研究表明，烘烤過程中高風機頻率會使烤后煙葉香氣不足、辛辣味重、刺激性大，低風機頻率使烤后煙葉表現出較為濃郁的香氣和吃味。李俊鵬等[29]在對循環風機轉速進行精準控制后，發現變頻調控處理的烤后煙葉在香氣質、濃度、余味、燃燒性和灰分等方面評吸得分比未變頻調控處理的烤后煙葉平均高0.5分，綜合評吸得分提高2～3分，使用價值明顯提升。經風機變頻處理的南江3號中部葉烤后感官質量表現為濃度中上、勁頭適中、余味舒適、細膩、燃燒性強且灰色發白[22]。這與風機變頻調速可以提高煙葉外觀質量、提升化學成分協調性具有高度一致性，可能是二者共同作用的結果。

3 變頻調速對烘烤經濟性狀的影響

烘烤的經濟成本和烤后煙葉的經濟效益共同構成了烘烤經濟性狀，風機變頻調速技術對于烘烤經濟性狀的影響主要體現在縮短烘烤時間、提高煙葉等級方面。一方面，高風機頻率可以加快烘烤進程，減少能源消耗時間，但同時單位時間內能源消耗量有所上升；另一方面，僅通過提高風機頻率以提高烘烤效率會對煙葉質量產生很大影響，降低上等煙比例。因此，變頻調速對于烘烤經濟性狀的影響不能單從成本和收益2個方面考慮，應結合烘烤過程中煙葉的生理生化反應、變黃失水情況綜合考慮，在最大程度提升烤后煙葉質量、增加經濟收益的基礎上，找到與煙葉烘烤全過程相契合的最適宜風機變頻參數，做到收益最大化、成本最小化。

劉闖等[13]對風機不同變頻處理下的烘烤經濟性狀進行統計對比發現，雖然全程低頻處理下的烘烤經濟成本最低，但經定色期高頻處理后的烤后煙葉均價最高，綜合經濟效益最好。何傳國等[30]通過對傳統密集烤房加裝風機變頻器進行對比試驗發現，烤后煙葉鮮干比無明顯變化，但經變頻處理的烤房烤后煙葉上等煙比例提高3.9個百分點，煙葉均價提高0.6元/kg，說明變頻處理與煙葉干物質消耗無明顯相關性，但能夠提升煙葉質量，提高烘烤經濟效益。姜鵬超等[31]研究發現，經風機變頻自控系統控制的烤后煙葉耗電量減少114 kW·h，干煙葉產出量提高104.4 kg/hm2，平均增值2 820.15元/hm2。兩者在烤后干煙重量上的差異可能由烤煙品種及變頻處理導致，還需進一步開展試驗研究。

4 結語

近年來，隨著變頻技術的發展，傳統雙速風機已發展成三速、四速風機。煙葉的生命代謝活動具有連續性，烤房的環境應隨著煙葉的分解代謝程度、煙葉顏色變化程度、煙葉失水程度的變化而變化，而檔位式的風機只有固定的幾個轉速，不能滿足煙葉烘烤需要[32]。現有的風機變頻器具有無級調速功能，可以提高烘烤設備與烘烤工藝的吻合度。

然而，目前國內對烘烤過程中的風機變頻調速研究多集中在關鍵溫度點的穩溫階段，對烘烤過渡溫度點及升溫區間的風機變頻調速研究尚未開展。此外，因地區、品種差異無法建立國內廣泛適用的煙葉烘烤技術體系，未來有望通過風機變頻調速技術進一步優化烘烤工藝，為我國煙葉烘烤提質增效提供新的途徑。