微波干燥法快速測定煙葉含水率的研究

山地農(nóng)業(yè)生物學報43（3）：57～62，2024Journal of Mountain Agriculture and Biology山地農(nóng)業(yè)生物學報43（3）：～，2024Journal of Mountain Agriculture and Biology·研究簡報·

接收日期：2023-09-20

基金項目：貴州大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（貴大（校）創(chuàng)字2021[082]）;國家自然科學基金地區(qū)基金項目（22367004）;貴州省科技計劃項目（黔科合基礎-ZK[2022]一般126；黔科合基礎-ZK[2022]一般063）

*通訊作者：莫如宣（2000—），男，學士，主要從事煙草化學相關方向的研究，E-mail：m1838553814@163.com.

摘要：為快速準確測定煙葉含水率，降低能耗，提高測定效率，試驗采用普通家用微波爐為微波干燥儀器，探索優(yōu)化試驗條件，完成煙樣含水率的快速測定。結果表明：在使用中高火、間歇加熱4次、每次加熱90 s的條件下測得的煙葉含水率與煙草行業(yè)標準方法（烘箱干燥法）所測得的煙樣含水率間無顯著性差異。但相對于傳統(tǒng)的烘箱干燥法，微波干燥法可明顯地降低能耗，提升工作效率。對于測定單個樣本來說，微波干燥法僅需30 min即可完成單個樣本水分測定過程，而烘箱干燥法需耗時100 min；另外，微波干燥法僅需消耗0.12 kWh的能量，而烘箱干燥法需耗費2.67 kWh的能量。綜上所述，使用微波干燥法測定煙葉水分可獲得與烘箱干燥法無顯著性差異的結果，但相比于傳統(tǒng)烘箱干燥法，微波干燥法具有耗時少、耗能低等優(yōu)點。

關鍵詞：微波干燥法；烘箱干燥法；煙葉含水率；水分測定

中圖分類號：TS44.1文獻標識碼：A

文章編號：1008－0457（2024）03－0057－06國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2024.03.010

煙葉含水量是煙草種植、加工、煙葉及其制品的貯存、銷售中重要的理化參數(shù)之一［1］，煙草及煙草制品中水分含量對煙葉的貯存、運輸、加工性能及其制品的質量都有著非常重要的影響，煙葉含水量的高低不但會影響煙葉的物理性能，還會影響陳化、發(fā)酵過程，并且通過影響酶促棕色化反應及各種生物化學變化［2-3］進而影響到煙葉的色、香、味［4］。水分過低，煙葉韌性和彈性降低，脆性增加，在貯存運輸和加工過程中容易造碎，造成煙葉質量的損失。水分過高，會使煙葉顏色變深，光澤變暗［5］，同時水分過高會加快煙葉內(nèi)部化學成分之間相互作用與消耗，使煙葉質量降低，甚至霉爛變質失去使用價值［6］。因此，在煙草生產(chǎn)和加工過程中，必須十分注意檢測煙葉水分含量。另外，煙草中水分的測定是其他化學成分測定的基礎，只有知道煙草含水量，才能轉為煙草干基質量，而后才能換算出其他各物質的含量。

煙葉成分復雜，對煙葉含水量的測定方法有很多，但總體可分為直接法和間接法。直接法是直接利用水的物理、化學性質來測定水分，主要有重量法、蒸餾法和卡爾費休滴定法。間接法是利用物料的光學性質、介電常數(shù)和電導率等物理性質來測定煙樣中水分含量的方法［7］。煙草行業(yè)中常規(guī)的水分測定方法是常壓恒溫干燥法，屬于水分直接測定法中的重量法，主要是按照煙草行業(yè)標準《YCT 31—1996 煙草及煙草制品試樣的制備和水分測定烘箱干燥法》［8］來準確測定煙葉水分。在煙草工業(yè)領域，常用紅外水分儀［9-10］、微波水分儀［11-12］等實現(xiàn)煙草物料水分的在線、實時、連續(xù)監(jiān)測。相對于傳統(tǒng)的烘箱干燥法，雖然紅外水分儀和微波水分儀檢測水分的準確度有所欠缺，但由于可實現(xiàn)快速、在線、實時監(jiān)測，故在煙草工業(yè)領域具有廣泛的應用。

煙草行業(yè)中一般均采用煙草行業(yè)標準（YCT 31—1996）的烘箱干燥法［8］來測定煙草物料水分，主要利用熱傳導的方式使物料水分蒸發(fā)，通過水分減少的差值測定水分含量。但烘箱干燥法存在耗費時間長、能量利用率低、加熱干燥不均勻等缺點，因此，探索開發(fā)一種能耗低、可快速、準確測定煙草物料水分的方法具有非常重要的意義。

微波是一種高頻電磁波，具有較強的穿透性，可以直接作用于含水物料中的水分子，使之在轉換運動狀態(tài)的過程中產(chǎn)生摩擦、碰撞、擠壓而迅速升溫，在從內(nèi)部產(chǎn)生熱量的過程中，在物料內(nèi)部快速形成的蒸汽產(chǎn)生的驅動力驅動水分以水蒸氣的狀態(tài)移向表面，使水分子加熱和蒸發(fā)同時進行［13］，從而使物料內(nèi)部和表面的水分子同時加熱，由內(nèi)向外蒸發(fā)。微波干燥過程中被干燥物料的升溫和水分蒸發(fā)是在整個物料中進行的，且溫度梯度、熱傳導方向、蒸氣壓方向均為由內(nèi)向外延伸。與其他方法相比，微波加熱具有物料表里同時均勻加熱、傳熱速度快、干燥迅速、節(jié)能高效、易于控制等特點［14-16］，微波干燥已被廣泛應用于小麥［17］、香菇［18］、辣椒［19］、水稻［20］、糧食［21］及飼料［22］等水分含量的測定。在煙草物料水分的檢測中，目前一般使用的均為烘箱干燥法，本試驗擬采用家用微波爐快速、準確測定煙葉含水量，探索微波功率、間歇加熱時間對物料水分散失速率的影響規(guī)律，并從水分測定所消耗時間、耗能等方面與常規(guī)烘箱干燥法進行對比分析，擬為煙草水分的快速、準確測定提供簡便易行的方法。

1材料與方法

1.1儀器和材料

電熱恒溫鼓風干燥箱（型號DHG-9240A）；美的家用微波爐（型號M1-L213B），設置有5個檔位：低火（70 W）、解凍（210 W）、中火（350 W）、中高火（560 W）、高火（700 W）；稱量瓶（50 mm×30 mm）；電子分析天平（型號ME204E/20）；不銹鋼家用粉碎機；硅膠干燥器。試驗材料為初烤后煙葉。

1.2試驗方法

1.2.1試驗樣品預處理

從試驗樣本中隨機抽取一部分煙葉，用軟毛刷清理干凈，剔除主脈后將煙葉剪成小片，裝入托盤內(nèi)放入烘箱中，在40 ℃下烘干至用手可以捻碎的狀態(tài)，用粉碎機粉碎過篩后轉移至封口袋中保存待用。

1.2.2試驗方法

稱取2.500 0 g左右煙葉粉末于稱量瓶中，放入微波爐中進行加熱干燥，探索放置不同位置、不同微波功率、不同微波加熱時間對煙樣水分測定結果的影響，優(yōu)化試驗條件，實現(xiàn)煙葉含水量準確、快速測定。

山地農(nóng)業(yè)生物學報2024年第3期嚴秀芳，等：微波干燥法快速測定煙葉含水率的研究樣本位置確定：市面上常用的家用微波爐的底座有旋轉式和固定式兩種，本試驗采用的是旋轉式的底座，該類微波爐微波能量的強弱分布呈同心圓并向外減弱分布。試驗從試樣放置位置的微波能量的差異以及檢測效率等兩方面探索樣本放置的最佳位置。

微波功率的選擇：美的家用微波爐（M1-L213B）沒有可供選擇設置的功率，而是不同的檔位，本試驗使用的微波爐有5個檔位，分別對應不同的加熱功率。檔位高，加熱功率大，局部水分散失過快，煙樣容易焦煳；檔位低，加熱功率低，水分散失慢，耗時長，效率低。通過試驗優(yōu)化探索了不同功率下水分的散失效果，確定最優(yōu)檢測功率。

微波時間的選擇：微波加熱過程中，稱量皿中煙樣表里均勻加熱，但由于內(nèi)部煙樣散熱比表面煙樣難，同樣功率加熱條件下，微波加熱時間過長，容易產(chǎn)生焦煳的現(xiàn)象，時間過短則效率低下，耗時費力。故而試驗選擇用間歇式加熱模式探索不同加熱時間下水分的散失效果，測定煙樣含水量。間歇式加熱模式是指在確保煙樣不焦糊的前提下，使用同樣加熱功率加熱一定時間后，停止加熱，使煙樣冷卻至室溫，稱重，然后再加熱相同的時間。比如高火下間歇加熱1.5 min為高火加熱1.5 min→冷卻→稱重→高火加熱1.5 min→冷卻→稱重→高火加熱1.5 min→……。

1.2.3烘箱干燥法測定煙葉水分

試驗采用煙草行業(yè)標準（YCT 31—1996煙草及煙草制品 試樣的制備和水分測定 烘箱干燥法）［8］作為對照方法測定煙樣含水量。

1.3試樣水分的測定

1.3.1試樣水分的微波測定

在優(yōu)化的試驗條件下測定煙樣水分，試驗設置為3組，每組3個重復，一共測定了9個煙樣的含水率，測定結果與標準方法進行對比分析。測定煙樣的含水率之前，將稱量皿放入微波爐中，在高火下加熱1 min，冷卻后稱重，當稱量皿連續(xù)稱量3次的重量在±0.000 5 g之內(nèi)則認為達到恒重。

1.3.2試驗數(shù)據(jù)處理

試驗采用微波或烘箱加熱前后的重量差來計算煙樣含水率，計算公式如下：

w=m1－m2m1－m0×100%

式中，w為煙樣的水分質量百分含量，即煙樣相對含水率；m0為干燥稱量皿的質量；m1為原煙樣與稱量皿的總質量;m2為干燥為恒重（微波條件下干燥一定次數(shù)）后的煙樣與稱量皿的總質量。

2結果與分析

2.1樣本放置于微波爐底座位置的確定

試驗使用的是底座旋轉式的微波爐，微波能量的強弱分布呈同心圓并向外減弱分布。試驗發(fā)現(xiàn)底座圓心處能量集中，同樣加熱功率下，放于圓心處加熱的煙樣容易失水過快而炭化（圖1）。從圖1-b明顯看出，在托盤圓心處的煙樣明顯焦煳，因而試驗選擇將試樣放于靠近托盤邊緣處。另外，為了提高試驗效率，試驗過程中選擇同時將3個稱量皿呈等邊三角形的位置放于靠近托盤邊緣處，即剛好放于底座下面的三角形支架的端點處。

2.2不同微波功率下煙樣的失水效率曲線

微波爐工作的原理決定微波爐加熱時是對樣品表里同步進行加熱的，同樣加熱時長下，功率的大小決定了樣本失水速率的快慢。從圖2可以看出，在同樣間歇加熱1 min的情況下，微波功率越高，煙樣失水越快，對應失水曲線的斜率越大，圖中加熱次數(shù)0對應的是還未進行加熱的原始煙樣，其相對重量設為100%，隨著加熱次數(shù)的逐漸增加，煙樣逐漸失水，其相對重量逐漸降低。

2.3同一微波功率、不同加熱時長下煙樣的失水效率曲線同一微波功率、不同間歇加熱時長下煙樣的失水曲線如圖3所示，從圖3可知，隨著加熱次數(shù)的逐漸增加，煙樣相對重量逐漸降低。圖中中高火60 s是指煙樣在中高火加熱功率下，每次加熱60 s，待樣本冷卻后記錄數(shù)據(jù)，然后再在中高火條件下加熱60 s，如此多次循環(huán)所記錄的數(shù)據(jù)。從圖中明顯可以看出，間歇加熱時間越長，煙樣失水越快，失水曲線的斜率越大。但間歇加熱的時間過

under the same heating power and different heating time length長，煙樣容易焦糊，間歇加熱時間過短，煙樣失水過慢，水分測定的效率太低。

2.4微波法測定煙樣相對含水率

考慮到微波功率和間歇加熱的微波時長對煙樣失水率的影響及煙樣水分測定的效率，經(jīng)多次試驗組合測試，在中高火的微波功率、間歇加熱4次、每次間歇微波加熱時間為90 s的條件下測定煙樣含水率與烘箱干燥法所得結果類似。表1是微波法測定煙葉含水率的試驗數(shù)據(jù)，試驗平行測定了3組數(shù)據(jù)，每組平行測定了3個樣本，第一組、第二組、第三組樣本的平均相對含水率±標準偏差分別為4.99%±0.11%、5.07%±0.10%與5.00%±0.09%，從數(shù)據(jù)來看，3組樣本測定的結果相差不大，第一組數(shù)據(jù)的標準偏差是3組數(shù)據(jù)中偏差最大的一組，為0.11%。總體測定的9個樣本的平均相對含水率±標準偏差為5.02%±0.10%。

2.5烘箱干燥法測定煙葉相對含水率

參照煙草行業(yè)標準，利用常壓恒溫干燥法測定煙樣中的水分含量，試驗平行測定了3個煙樣，測定結果如表2所示。試驗測得煙樣的含水率為4.96%±0.06%。

查F檢驗臨界值表得F0.05（2，8）=19.37，F(xiàn)lt;F0.05（2，8），從F檢驗結果看，煙樣相對含水率檢測的微波法與烘箱干燥法兩組數(shù)據(jù)的精密度間沒有顯著性差異。查t檢驗臨界值表得t0.05，10=2.23，t=1.06lt;t0.05，10，從t檢驗結果可知，兩種方法獲得的煙樣的相對含水率平均值間沒有顯著性差異。從檢測結果看，兩種方法不存在顯著性差異，但從消耗時間、能源及人工等方面看，兩者存在一定的差異（表3），表3是兩種方法測定含水率的效率及耗能等方面的對比結果。行業(yè)標準使用的烘箱干燥法中，要求使用烘箱的中間一層擱板，且每275 cm2放置一個稱量皿。本試驗使用的是實驗室常規(guī)dhg-9240a型電熱恒溫鼓風干燥箱，其內(nèi)室尺寸長、寬、高分別為600、500、750 mm，一層擱板的面積為3000 cm2，最多可一次放置10個稱量皿，若每個樣本平行測定3個重復時，一次一個烘箱可測定3個樣本。3個樣本測定時一共至少需要4 h的加熱時間，該烘箱輸出功率為2000 W，3個樣本消耗的電能至少為8.00 kWh，平均到每個樣本時則需消耗2.67 kWh的電能。微波測定煙樣含水率時，一次可完成一個樣本的3個重復，采用間歇式加熱時需要加熱4次，每次90 s，干燥稱量皿時共需要12 min，微波爐中高火工作下的輸出功率為560 W，測定煙樣含水率時一個樣本共需要8 min，共消耗0.12 kWh的電能。從耗能方面看，烘箱耗電量約為微波法的22倍；從耗時來看，微波法測定單個樣本的總耗時為30 min；烘箱干燥法一次可測3個樣本，加熱需要耗時4 h，冷卻需要1 h，平均測定單個樣本的總耗時是100 min，是微波法測定單個樣本耗時的3.3倍。

3討論與結論

借鑒微波干燥法用于測定其他農(nóng)作物含水量的研究，微波干燥法在測定煙葉水分的測定效果與其應用于玉米［23］、大豆［24］和大米 ［25］等水分含量的測定效果相似，都具有測定速度快，操作簡便，耗能低，測定效率高于傳統(tǒng)烘箱法的優(yōu)點，且測定結果與烘箱法無顯著差異，表明微波法較傳統(tǒng)的烘箱干燥法不僅提高了工作效率，降低了能量消耗，也說明微波干燥法可以作為一種可測量煙葉含水率的快速、低成本、節(jié)能的方法。采用常規(guī)加熱干燥方法時，樣品表面加熱快內(nèi)部慢，易造成樣品表面溫度高內(nèi)部低，這種加熱方式不利于水分迅速蒸發(fā)。而微波干燥法是在樣品內(nèi)部和外部一起加熱，同時因樣品表面散熱較快，故樣品在加熱過程中內(nèi)部溫度高于外部［26］，但因微波爐沒有恒溫控制功能，被加熱樣品在微波爐中的加熱溫度受微波加熱功率大小、加熱時長、被加熱樣品重量及含水量綜合決定［27］，因此用微波爐測定煙葉的水分含量，微波爐加熱檔位、干燥時間的選擇較為重要，決定試驗的干燥效果。功率太高樣品易焦煳，功率太低，加熱時間較長。經(jīng)多次組合試驗表明，試驗使用微波爐測定的功率為中高火，間歇加熱4次，單次加熱時間90 s時獲得的煙葉相對含水率與烘箱干燥法獲得的含水率間不存在顯著差異。同時，使用微波法和烘箱干燥法在煙葉含水率測定上不存在顯著差異，但在試驗耗費時間和耗能上看，微波法較烘箱干燥法存在一定優(yōu)勢。對于單個樣本，微波法測定煙樣含水率總耗時30 min，而使用烘箱干燥法則需要100 min，微波法消耗能量也遠低于烘箱干燥法的耗能。

本試驗使用的是日常家用微波爐，利用家用微波爐測定煙葉相對含水率的最佳條件，可能會因微波爐的型號、稱量樣品的質量等條件的不同而變化，在實際運用時，應根據(jù)微波爐的功率探索合適的加熱功率和間歇加熱時間等試驗條件，要建立微波爐測定煙葉含水率的統(tǒng)一應用標準，還需進一步探索研究。另外，微波法對操作人員的要求比烘箱法要求高，且微波法一次僅能檢測一個樣本，如進行大量樣本水分檢測時，還是傳統(tǒng)的烘箱檢測法更省力。

（責任編輯：胡吉鳳）

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Study on Rapid Determination of Moisture Content in Tobacco Leaves by Microwave Drying Method

Yan Xiufang1，2，Wang Guangwei2，Bin Jun2，Mo Ruxuan2*

（1.Journal Editorial Department， Guizhou University， Guiyang 550025， Guizhou， China；2.College of Tobacco/ Guizhou Key Laboratory for Tobacco Quality Research， Guizhou University， Guiyang 550025， Guizhou， China）

Abstract：For the purpose of precisely determining the moisture content of tobacco leaves，minimizing energy usage，and enhancing measurement efficiency，a standard household microwave oven was employed as a microwave drying device in this study.The objective was to investigate and refine the experimental parameters to swiftly determine the moisture content of tobacco samples.The experimental results showed that there was no significant difference in the moisture content of tobacco samples when measured using the tobacco industry standard method （oven drying method） compared to the results obtained from the microwave drying method.The microwave drying method involved intermittent heating at medium and high power levels，with 4 heating cycles lasting 90 seconds each.Despite traditional oven drying methods being commonly used，microwave drying offered a more energy-efficient and time-saving alternative.In fact，for a single sample，microwave drying could complete the determination process in just 30 minutes，compared to the 100 minutes required by oven drying.Furthermore，microwave drying only consumed 0.12 kWh of energy，whereas oven drying consumed 2.67 kWh.To sum up，the use of microwave drying method for measuring the moisture content of tobacco leaves yields results that were comparable to the tobacco industry standard method （oven drying method）.Nonetheless，the microwave drying method offered the benefits of quicker processing time and lower energy usage when compared to the traditional oven drying method.

Keywords：microwave drying method; oven drying method; moisture content of tobacco leaves; moisture measurement