離子風烘烤中煙葉烘烤效益分析及干燥動力學模型構建

摘要：為摸清離子風對煙葉烘烤過程中干燥特性的影響，尋求高壓電場在密集烤房內聯合熱風循環烘烤煙葉的模型，提升煙葉干燥效率，達到節能降本和提升烘烤效益的目的，以云煙87中、上部葉為對象，利用熱風與高壓電場干燥技術相結合，分析烘烤過程中煙葉干燥特性，計算有效水分擴散系數，采用7種干燥模型進行擬合，并對烘烤效益進行綜合評價。結果表明：（1） 離子風加持下烘烤能耗顯著降低，煙葉產量與產值得到提高，經濟效益提高。（2） 高壓電場下，煙葉水分散失速率隨著針電極電壓的增加遞增，針電極電壓為3、6 kV的處理烘烤時長較對照分別縮短10、16 h。（3） 在試驗條件下，[JP3]針電極電壓從0 kV升至6 kV時，有效水分擴散系數由262 μm2/s 增至377 μm2/s。（4） Wang amp; Singh和Binomial模型模擬常規烘烤水分比變化曲線、Binomial模型模擬離子風烘烤水分比變化曲線的r2均高于0.99，RMSE均小于0.05；隨機選取試驗條件進行模型驗證，其線性擬合r2值均在0.985以上。高壓電場下煙葉烘烤過程中以針電極電壓為6 kV時干燥速率最快，Deff最大，烘烤效益最高。Wang amp; Singh和Binomial模型可以很好地模擬煙葉水分比變化曲線，其中Binomial模型最適合模擬高壓電場與熱風循環條件下煙葉的干燥過程。

關鍵詞：烤煙；離子風干燥；動力學模型；節能；烘烤效益

中圖分類號：TS44+1； O441.4文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）02-0220-09

離子風是氣體在高電壓的作用下發生碰撞電離產生帶電粒子，帶電粒子在電場作用下加速，并與空氣分子碰撞引起的動量交換，在宏觀上表現出的流體運動［1］。水分在處于高壓電場下時蒸發更加迅速，同時伴隨著較低的耗能，即“淺川效應”［2］。這為離子風干燥物料提供了原理支撐。Martynenko等使用高壓電場對蘋果片的干燥研究發現，適當風速范圍內離子風對干燥速率的正向影響顯著，且隨著電壓增大而增大［3］。Yu等對馬鈴薯片在離子風下的干燥特性研究發現，離子風對馬鈴薯還原糖的含量影響較小，但淀粉損失較多［4］。丁昌江等使用離子風干燥胡蘿卜片的研究發現，與烘箱干燥相比，離子風干燥后的胡蘿卜素含量明顯較高［5］。Defraeye等認為，離子風干燥過程中產生的副產物臭氧可以消毒和殺死病原體，可以認為是對食品工業有積極作用［6］。Bai等將高壓電場與真空冷凍干燥結合，發現其他單純的電流體動力學干燥的海參質量得到了顯著提高，且縮短了干燥時間，比單純真空冷凍干燥更加節能［7］。王藝曼等在研究高壓電場聯合熱泵干燥香蕉片時發現，一定溫度下，熱對高壓電場起到強化作用［8］。以上研究表明，離子風干燥相對傳統干燥方式不僅提高了干燥效率，而且對物料內部化學成分和最終質量有一定影響，或許能應用到烤煙密集烘烤過程中。

然而，烤煙烘烤過程并非簡單的干燥過程，期間進行著顏色、香氣物質轉化等化學變化，這依賴于烘烤環境中的溫濕度控制，脫水干燥的過程與傳統農作物產品干燥存在明顯的區別。關于農產品脫水干燥模型的建立，Li等使用高壓電場與熱風組合干燥蘋果片時發現，電場可促進蘋果片溫度的提升，且隨著電壓的升高而加快升溫速度，基于Logarithmic模型的水分比預測函數能更準確地預測蘋果片高壓電場干燥過程中水分比的變化［9］。Polat等研究認為，脫水大蒜片生產中，高壓電場與熱風結合可替代單一的熱風干燥技術，并認為最適合的電流體動力學（EHD）干燥模型為Diffusion Approach、Newton和Verma，et al. 模型［10］。Defraeye等曾探討過高壓電場干燥物料走向工業化道路的前景，認為適當的幾何結構的干燥設備可以高效利用離子風產生的氣流，但這要根據干燥物料的外觀條件針對性設計［6］。Ni等使用高壓電場聯合烘箱干燥枸杞的研究表明，EHD與烘箱干燥相結合，可以顯著提高干燥后期的干燥速度，從而縮短干燥時間，降低能耗，更好地保存營養成分，是一種頗具潛力的干燥技術［11］。Ciprian Foronda等認為，EHD的用途相對傳統干燥方法要廣泛的多，其干燥模型基于連續條件下的傳統干燥方式迭代，添加了電場電壓等因素，考慮溫度、濕度、時間等過程參數，從而確定工藝特性［12］。曾憲立等曾探討過太陽能、遠紅外等技術與熱風循環聯合干燥模式在煙葉烘烤中的應用前景，認為聯合干燥模式可提高烤煙生產的經濟效益［13］。鑒于此，本研究在傳統密集烘烤環境中加以針-板式高壓電場，[JP+1]組成離子風與熱風循環結合的干燥體系，與傳統密集烘烤干燥特性進行對比分析，結合7種常用的薄層物料干燥動力學模型進行擬合，并對烘烤成本與效益加以分析，以期對離子風在煙草烘烤中的應用提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗于2021—2022年在云南省臨滄市滄源縣團結煙站進行，供試烤煙品種為云煙87。選取地勢平坦、土壤肥力中等的試驗田，大田生長期間按照優質煙葉栽培生產技術進行管理，選取正常落黃、成熟度一致的中上部葉為試驗材料。

1.2試驗設計

采用烘烤比較試驗，設置3個處理，CK：按照當地烘烤工藝進行烘烤，增加離子風設備，放電針電壓0 kV；T1：增加離子風設備，放電針電壓3 kV；T2：增加離子風設備，放電針電壓6 kV。在38 ℃穩溫結束時開啟離子風機并計時，直至烘烤結束。濕球溫度根據當地烘烤工藝和煙葉在烤房中的狀態進行調整。從烘烤點火開始計時，每12 h為1個取樣節點，每次從中層中間的煙夾取6張葉片，使用麻布片填補取樣煙葉處的空隙。

1.2.1離子風烤煙設備的設計以河南農業大學設計的新型氣流上升式電烤箱（HNND-45型）作為試驗用電烤房，本設備配備烤煙控制儀和變頻風機，加熱室內部尺寸0.50 m×1.35 m×1.40 m，使用6片碳晶電熱板作為熱源，發熱功率2 kW，熱效率95%。裝煙室內部尺寸1.40 m×1.35 m×1.40 m，可裝煙12～14夾，裝鮮煙葉重150～200 kg，1 300～1 500張。配有烤煙控制儀，可根據預設烘烤工藝曲線自動調控干/濕球溫度。在此基礎上加裝離子風發生裝置（圖1），電極由接地極板和針電極板組成，針電極外接高壓電源（0～7 kV可調）和控制單元，考慮到鮮煙葉和針電極長度，為避免接觸，兩極間距設為110 cm。針電極排列方式如圖2所示，相鄰針電極間距20 cm。兩極間電勢差等于針電極電壓，高電壓在煙葉頂部生成電場，電離潮濕的空氣分子，電暈區的空氣離子被電場施加的力加速，導致空氣作為一個整體運動，產生離子風，裝煙區與電暈區空氣存在的蒸汽壓力梯度差導致水分遷移［14］。

1.2.2離子風設備在烘烤過程中的控制烘烤點火前對離子風電源進行調試，設置好各處理所需電壓，確認工作狀態正常后關閉離子風電源。控制單元面板如圖3所示，在開關開啟狀態下，按“＋”或“-”調整電壓，當前電壓等于指示燈亮個數×1 kV。烘烤階段38 ℃穩溫結束后開啟離子風電源，按照預設參數進行烘烤，直至烘烤結束（圖4）。

1.3煙葉水分相關指標的測定

濕基含水率（w）：使用DHG-9246A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）、JA-2003N千分之一精密天平（精度為1 mg，上海佑科儀器儀表有限公司），參照YC/T 31—1996《煙草及煙草制品試樣的制備和水分測定烘箱法》進行測定，按下式進行計算：

式中：m0為鮮煙葉重量，g；me為烘干后煙葉重量，g。

干基含水率（M）：干基含水率為煙葉內部水分與絕干物料的比值，按下式進行計算：

式中：w為煙葉濕基含水率，%；M為干基含水率，g/g。

水分比（MR）：指烘烤期間t時間點煙葉的水分比，按照下式計算：

式中：M0為煙葉初始干基含水率，g/g；Me為烘烤結束后煙葉的干基含水率，g/g；Mt為取樣時間點t的干基含水率，g/g。

干燥速率（DR）：指煙葉水分在單位時間內的散失量，計算公式如下：

式中：Mi+di為取樣時間i+di時的干基含水率，g/g；Mi為取樣時間i時的干基含水率，g/g；di表示相鄰取樣點間隔時間，h。

有效水分擴散系數（Deff）：按照陳家鼎等的方法擬合出水分比與烘烤時長之間的線性關系式，通過斜率k0計算出有效水分擴散系數［15］：

式中：L為烘烤過程中煙葉的平均厚度，m；t為烘烤時長，h。

1.4煙葉烘烤成本測定

統計各處理烘烤過程中不同階段的烘烤用時、耗電量，根據各處理烤后煙重量計算單位重量（kg）的干煙耗電量、干煙耗電成本和干煙能耗。

1.5烤后煙葉外觀質量和經濟性狀

烤后煙葉經回潮后根據GB 2635—1992《烤煙》分級標準進行分級，并分別計算不同處理中各等級結構煙葉比例和均價、烘烤收益、利潤率等。

1.6離子風烘烤煙葉干燥動力學模型的構建

1.6.1干燥動力學模型的選配煙葉烘烤過程中的干燥模型受多種因素影響，不同放電針電壓下進行烘烤時，煙葉水分下降曲線走勢有所差異，為保證離子風處理下煙葉失水狀態的數學模型的擬合準確度，在保持煙葉基本素質和烘烤工藝統一的前提下，選取了7種干燥數學模型對不同處理烘烤過程中的煙葉干燥曲線進行擬合［16］。模型數學表達式見表1。

1.6.2數學模型擬合度評價按照擬合出的模型參數計算水分比模擬值，并結合試驗實測值按照計算公式（7）、公式（8）計算決定系數（r2）和均方根誤差（RMSE），以二者的值評估數學模型擬合度，r2越接近于1，RMSE值越低，說明模型擬合度越高。

1.7數據分析

采用Microsoft Excel 2019，IBM SPSS Statistics 22進行數據處理和統計分析；采用Microsoft Powerpoint 2019和Origin 2021進行圖形繪制。

2結果與分析

2.1烘烤效益分析

2.1.1烘烤能耗分析從表2可以看出，各處理烘烤總時長表現為T2＜T1＜CK，其中T1、T2處理相較對照總烘烤時間分別縮短了10、16 h。在變黃階段，離子風機尚未介入烘烤，三者耗時表現一致；進入定色期后，T1、T2處理分別相較CK累計耗時縮短5、7 h，這與變黃期結束后，烤箱干球溫度開始由38 ℃向42 ℃升溫進入定色期，烤箱中的離子風機開啟，針極開始放電使烘烤環境中的空氣電離，增大了煙葉內部水分子動能，從而加速了煙葉內部水分向外遷移有關；定色后期至干筋初期（50～55 ℃）是煙葉香氣物質合成的關鍵時期，此階段3個處理耗時控制在11～12 h；進入干筋期后，CK耗時42 h使全爐煙葉干燥，相較T1、T2處理分別延長了6、10 h。此外，在T1、T2處理加裝了離子風設備的前提下，由于離子風機功率相對電烤箱較小，隨著烘烤時長的縮短，烘烤過程中的耗電量與烘烤時長仍呈正相關關系，T1、T2處理較CK總耗電量分別降低了6.75%、13.57%，1 kg干煙耗電量分別降低了18.70%、21.37%。以上結果表明，在烘烤過程中使用離子風輔助干燥對烘烤時長具有一定的影響，并且隨著離子風機針極電壓的增大烘烤時長呈縮短趨勢，這是由于高壓電場作用到烘烤環境中的水分子使其所受的電場力增加，運動速率加快，促進了氫鍵的斷開，進而加速了干筋期主脈脫水，有效縮短了烘烤時長，降低了烘烤能耗。

2.1.2烤后煙葉經濟性狀對比由表3可知，不同處理間產量與產值由高到低依次為T2＞T1＞CK，其中T2處理相對CK產值提高了27.26%，產量提高了4.59%；T1處理較CK產值提高了10.29%，產量提高了2.76%。對于CK、T1、T2各處理，C1F、C2F和C3F等級總和占的比例分別為93.91%、91.99%、95.29%，B1F、B2F和B3F等級總和占的比例分別為84.42%、90.05%、96.77%，中上部煙葉均為T2處理獲得的高等級質量煙葉比例最多，雜色煙葉最少。由此體現出適當針極電壓的離子風烘烤可以使煙葉獲得較好的等級質量和經濟效益。

2.1.3烘烤效益綜合評價根據當年烤煙收購價格（二價區，云煙87品種）和定級標準，計算得出本試驗烘烤效益。從表4可以看出，除烘烤成本外所有指標按照CK、T1、T2的順序均呈依次升高趨勢，烘烤成本則反之。其中，T1、T2處理上等煙比例分別較CK高出4.56、10.17百分點，中上等煙比例T2比CK高出5.21百分點，T1與CK中上等煙比例相差不大，這是當地上部葉烘烤工藝在低電壓電場與熱風循環的復合烘烤環境中不適配導致的。分別根據不同處理的產值與產量之商得出均價，采用離子風烘烤的處理T1、T2較對照分別提升了2.16、6.39元/kg；離子風2個處理烘烤收益較對照分別提升了3.44、7.85元/kg，利潤率較對照分別提高了5.63、8.20百分點。結合各處理烘烤時長與能耗可知，T1、T2處理烘烤成本較CK分別節約了1.28、1.46元/kg，二者差距不甚明顯，這是離子風機高電壓運作增加功耗導致的，但得益于烘烤時長的縮短，離子風烘烤成本依然低于傳統熱風烘烤。由此可見，有離子風參與烘烤的高壓電場與熱風復合干燥體系，可有效減工降本，對于烤后煙綜合收益具有顯著提升作用，這對于提高烤后煙葉的工業可用性，增加廣大煙農收入具有重要意義。

2.2干燥特性分析與動力學模型構建

2.2.1離子風對煙葉干燥特性的影響由圖5-A和圖 5-B可知，煙葉的干基含水率和水分比在烘烤過程中逐步降低，干燥所需的總時間隨著放電針電壓的增加而減少，二者的變化趨勢一致。60 h之前3個處理水分比與干基含水率差異較小，這是由于前期煙葉變黃階段需要保濕低溫慢烤，離子風機在38 ℃穩溫結束時介入所致。60 h后對照與處理間干基含水率和水分比變化趨勢出現明顯區別，CK、T1、T2處理的煙葉干燥達到平衡的時間分別為168、156、144 h。這是由于傳統熱風干燥體系在強電場的加持下，針電極尖端放電引起離子風，隨著電壓的升高，產生的離子風量也隨之增加，對煙葉內部水分向外擴散起到兩點作用，一是帶電粒子沉積在煙葉表面增大了煙葉的導熱速率，二是煙葉表面和內部水分子吸收了空氣離子攜帶的能量導致動能增加，從而加速了煙葉水分散失，顯著提高干燥速度，縮短了烘烤時間［17］。

不同電壓下煙葉的干燥速率曲線如圖6所示，隨著放電針電壓的增大，相同干基含水率的煙葉干燥速率也隨之增大，3個處理在干基含水率4.8～5.1 g/g間達到峰值，這是初始階段煙葉攜帶的外界水分迅速蒸發，葉內水蒸氣壓急需與外界達到平衡導致的。CK在干基含水率1.2～2.4 g/g階段呈現先升后降的趨勢，這是由于煙葉進入定色期后加強了排濕功率，破壞了原本煙葉內外水分平衡狀態，使干燥速率升高。T1、T2處理在干基含水率2.4～3.1 g/g 間干燥速率再次回升，而CK回升幅度明顯較低，這與煙葉變黃期結束后T1、T2處理烤箱中離子風機開始工作，增大了煙葉導熱速率和內部組織水分子動能有關。烘烤后期，干基含水率自1.5 g/g再下降階段， 同一干基含水率下2個處理的干燥速率與對照的差異逐漸縮小，這是由于烘烤前期煙葉內部易散失水分大部分已散失，且總水分揮發逾半，煙葉內外的水分梯度減小，水分遷移速率降低。

2.2.2離子風對煙葉有效水分擴散系數的影響有效水分擴散系數指水分在介質中的擴散速度，應用于煙葉烘烤時，可用于量化煙葉內水分擴散情況［15］。通過繪制CK、T1、T2等3個處理烘烤過程中的ln（MR）-t散點圖，再經線性擬合后可得出3個處理煙葉ln（MR）與烘烤時間t的線性回歸方程。根據公式（5）、公式（6） 計算得到煙葉的有效水分擴散系數，從表5可以看出，烘烤過程中離子風機放電針電壓為6 kV時的煙葉有效水分擴散系數是常規烘烤的1.4倍左右，這表明適當針電極電壓產生的離子風可以有效促進煙葉水分脫出。這是由于針極端產生高壓，使針極周圍空氣電離，產生的帶電空氣離子向板極端運動，產生離子風，從而加速了煙葉內水分向外擴散，隨著電壓的增大，針極尖端放電加強，空氣的離子數量增多，形成的離子風加強，加快了煙葉表面水分的蒸發和內部水分的向外擴散，導致有效水分擴散系數增大。

2.2.3不同電壓下煙葉干燥的動力學模型7種薄層物料干燥數學模型對CK、T1、T2煙葉水分比變化的擬合曲線分別見圖7-A、 圖7-B、圖7-C，其擬合結果如表6所示。由表6可以看出，所有模型的r2均在0.900以上水平，部分模型的r2值達到0.990以上水平，說明離子風加持下烘烤過程中的煙葉適用于多種干燥動力學模型。其中CK以Wang amp; Singh模型和Binomial模型的擬合程度最好，r2均為0.993，RMSE均為0.026；其次是Diffusion Approach模型，r2為0.991，RMSE為0.028。T1處理以Binomial模型的r2最大，為0.997，RMSE最小，為0.035，擬合程度最好，其余模型的r2均在0.990水平以下。與T1處理類似，T2處理也是以Binomial模型擬合程度最好，r2為0.994，RMSE為0.040，其余模型r2均在0.990水平以下，RMSE在0.040以上。綜合不同頻率下的干燥模型擬合結果來看，Binomial模型是離子風介入密集烘烤后預測煙葉水分變化的最佳選擇。

2.3數學模型驗證

為驗證所得數學模型公式的準確性，從建模數據之外的相同試驗條件下水分比數據中隨機挑選1組，以MR實測值為橫軸，MR的Binomial模擬值為縱軸，對其實測值與模型模擬值進行比較。擬合曲線如圖8所示，其中圖8-a為常規烘烤過程中Wang amp; Singh模型的擬合結果，圖8-b為常規烘烤過程中Binomial模型的擬合結果，圖8-c為3 kV放電針電壓下烘烤過程中Binomial模型的擬合結果，圖8-d為6 kV放電針電壓下烘烤過程中Binomial模型的擬合結果，可以發現以試驗中各處理水分比實測值為橫坐標， 以分別篩選出的模型模擬值為縱坐標的點基本分布于y=x直線，實測值與模擬曲線幾乎完全重合，線性擬合系數均接近于1，說明Wang amp; Singh模型可較好地模擬常規烘烤過程中中上部葉的干燥狀況，Binomial模型可較好地模擬不同放電針電壓下離子風烘烤過程中云煙87中上部葉的干燥狀況。

3討論

本研究發現，高壓電場與熱風循環復合干燥體系可顯著縮短烘烤時間，降低烘烤能耗，提升烘烤效益，其主要因素在于烘烤時長的縮短，短烘烤時長避免了美拉德反應過度導致煙葉顏色暗淡［18］。且離子風烘烤煙葉排濕較為均勻，細胞破損程度較輕，葉片不易出現褐變，從而減小了出現掛灰雜色的概率。也可能是空氣中的帶電粒子和電離副產物如臭氧與煙葉內部化學反應產生關聯影響了烘烤質量。本試驗判斷EHD干燥物料的質量好壞主要參考物理指標，如顏色、煙葉等級等［19］，EHD對煙葉功能成分如總糖、煙堿或香氣物質的影響，以及對微生物群落豐度和多樣性的額外影響，仍有待深入研究。其次，受試驗條件限制，本研究中針電極電壓梯度為0、3、6 kV等3個，繼續升高電壓或可得出平衡能耗與烘烤質量的最適宜電壓參數范圍。此外，本研究中所用烤箱能耗指標以耗電量為主，只能作為煙葉烘烤過程總耗能的參考，故離子風在燃料供熱型密集烤房應用中的節能表現還需要具體的試驗去驗證。

關于離子風的干燥機制有3種較為合理的解釋，即離子風的外部吹動作用、能量沉積與電荷交換效應作用、介電泳力作用［20-23］。本研究中使用了高壓電場與熱風循環復合干燥體系，由于在煙草烘烤領域為初次探索，故針極電壓、極距方面指標設計較為保守，產生的離子風力微弱，空氣對流加快煙葉蒸發失水方面主要依靠熱風循環，因此干燥速率增加的原因更傾向于后2項。本研究發現，高壓電場與熱風循環復合干燥體系下，隨著針電極電壓的升高，煙葉干基含水率和水分比下降速度加快，有效水分擴散系數增大，這與多種物料在高壓電場聯合干燥下的研究結果［11，24-26］類似。但與Paul等的研究中循環氣流會阻滯水分蒸發的結果［27］有所出入，這或許是氣流方向與離子風方向不一致造成的，也可能與本研究中的循環氣流經過加熱有關。有研究認為針電極密度和排列方式與電荷轉移強相關，不同放電結構產生的離子風與外部氣流可產生疊加效應增強傳熱，也會相互抵消產生反作用，在一定離子風流下存在最佳的外部氣流速度值，可獲得最大的干燥性能［28-31］。因此在應用到實際生產之前，離子風設備的針極排列方式與極間距、針極電壓以及與循環風機轉速之間的最佳匹配組合等還需要針對性開發和進一步試驗。

煙葉烘烤是一個復雜的生理生化變化過程，干燥速率受烘烤工藝、熱源、煙葉自身素質等多方面因素的影響，難以構建高度吻合的干燥模型。Cao等成功用Logarithmic模型預測了高壓電場干燥過程中超聲波預處理馬鈴薯切片的含水率［26］；丁昌江等發現Weibull分布函數能夠很好地模擬薄層牛肉的電流體動力學干燥過程［32］；王云龍發現Midilli amp; Kucuk模型是最適合花椒高壓電場干燥的模型［33］。上述研究表明，物料不同，其高壓電場干燥模型也不同。本研究使用7種常見的薄層物料干燥模型對高壓電場與熱風循環條件下煙葉的干燥過程進行了模擬，發現Wang amp; Singh和Binomial模型最適合模擬常規烘烤條件下煙葉水分比變化曲線，Binomial模型最適合模擬高壓電場與熱風循環條件下煙葉的干燥過程。Taghian Dinani等使用3個參數的新方程（MR=a exp{-［（t-b）/c］2}）可以很好地擬合蘑菇切片在熱空氣與電場聯合干燥下的水分變化［34］；Kudra等認為，干燥模型的進一步理論發展包括電場強度和水分子極化2個因素［35］。這為探索本研究中模型參數具體與烘烤過程中哪些因素相關提供了思路，或可使用新的模型方程來擬合煙葉在電場與熱風聯合烘烤過程中的水分變化，并賦予參數實際意義。

4結論

常規密集烘烤環境中裝配針-板式高壓電場可以有效省工節能，增進烤后煙葉質量，提高經濟收益。隨著針電極電壓的升高，明顯提高了煙葉烘烤過程中的干燥速率，增大了煙葉有效水分擴散系數，以針電極電壓為6 kV時干燥速率最快，Deff最大。Wang amp; Singh和Binomial模型可以很好地模擬煙葉水分比變化曲線，其中Binomial模型最適合模擬高壓電場與熱風循環條件下煙葉的干燥過程。

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