魏碩 譚方利 高婭北 吳文信 李宏光 方明 宋朝鵬

摘要：【目的】分析干筋期烤煙主脈干燥特性和顏色變化，為干筋期烤煙烘烤工藝優(yōu)化提供參考?！痉椒ā恳栽茻?7中部葉為試驗材料，利用Weibull分布函數(shù)研究干筋期不同風(fēng)速（低速、中速和高速）、相對濕度（12%、18%和24%）和干球溫度（60、64、68和72 ℃）條件下煙葉主脈的干燥特性，并對烤后煙葉顏色參數(shù)值進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】干筋期煙葉主脈失水呈降速干燥，隨著干筋期風(fēng)速的增加、相對濕度的降低或干球溫度的升高，干燥速率加快。利用Weibull分布函數(shù)可很好地描述干筋期煙葉主脈水分干燥曲線，尺度參數(shù)α隨著風(fēng)速的增加、干球溫度的升高和相對濕度的降低而降低，形狀參數(shù)β受干筋條件影響較小。基于Weibull分布函數(shù)的干筋期煙葉主脈估算水分?jǐn)U散系數(shù)Dcal在1.994×10-10～4.026×10-1 m2/s，干筋期煙葉主脈干燥活化能Ea為56.57 kJ/mol。隨著干筋期風(fēng)速增加，煙葉亮度L*和正反面亮度差?L*增大，顏色偏亮黃色；隨著干筋期相對濕度的增加，煙葉L*和正反面?L*減小，而紅度a*、黃度b*和飽和度C*逐漸增大，顏色偏橘黃色；隨著干筋期干球溫度的升高，煙葉a*增大，顏色偏紅棕色。【結(jié)論】烤煙干筋期采用較高的溫濕度和較低的風(fēng)速有利于提高干筋效率、增加煙葉飽和度。

關(guān)鍵詞： Weibull函數(shù)；干筋期；干燥特性；顏色值

中圖分類號：S572 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2018）02-0333-07

Abstract：【Objective】In order to provide a theoretical reference for the optimization of curing process during stem drying stage， the changes of drying characteristics and color of tobacco midrib during stem drying stage was analyzed.【Method】In this study， the middle leaves of Yunyan 87 were used as experimental materials. Weibull distribution function was applied to analyze the drying characteristics of midrib during stem drying stage under different drying air velocities （low velocity， intermediate velocity and high velocity）， relative humidity（12%， 18% and 24%） and dry-bulb temperature（60， 64， 68 and 72 ℃），and the color parameters of flue-cured tobacco leaves were also studied. 【Result】The moisture dehydration of tobacco midrib was in a falling-rate drying process during stem drying stage， its drying rate was increased with the raise of air velocity， decrease of humidity or increase of dry bulb temperature. Weibull distribution function could well describe the drying curves of tobacco midrib during stem drying stage. It was found that the scale parameter α decreased as air velocity increased， humidity decreased and dry bulb temperature increased. And there was a lower influence on the shape parameter β under different stem drying conditions.The moisture diffusion coefficient Dcal of tobacco midrib during stem drying stage based on Weibull distribution was between 1.994×10-10 and 4.026×10-10 m2/s. The activation energy Ea for drying of tobacco midrib was 56.57 kJ/mol. The brightness value L*， the color difference between the front and back of leaves ?L* increased with the increase of air velocity， the color of tobacco leaves was bright yellow. The brightness value L* and the color difference between front and back of leaves ?L* decreased with the increase of relative humidity， while the redness value a*， yellowness value b* and color saturation C* increased gradually， the color of tobacco leaves was close to orange. In addition， the redness value a* increased with the raise of dry bulb temperature， the color of tobacco leaves was reddish brown. 【Conclusion】High temperature， high humidity and low air velocity during tobacco stem drying stage is benefit for improving the drying efficiency and increasing the color saturation of tobacco leaves.

Key words： Weibull function； stem drying stage； drying characteristic； color parameter

0 引言

【研究意義】干筋期是烤煙烘烤的最后一個時期，也是其品質(zhì)形成和固定的關(guān)鍵時期之一。干筋前期，煙葉青雜味消失、香味變濃，色度增加、逐漸轉(zhuǎn)為桔黃色，品質(zhì)逐漸達(dá)到最優(yōu)，但隨著時間的推移，顏色變暗，香氣物質(zhì)揮發(fā)損失，易造成品質(zhì)下降（宮長榮，2010；王愛華等，2010）。因此，研究干筋期烤煙主脈的干燥和品質(zhì)變化特性對進(jìn)一步優(yōu)化烘烤工藝具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】干筋期是煙葉主脈水分的散失過程，溫度、濕度和風(fēng)速是影響煙葉干燥速率的主要因素（樊軍輝等，2010；詹軍等，2011c；武勁草等，2017），為深入研究煙葉干燥過程，Lewis、Page、Modified Page、Henderson-Pabis、Logarithmic和Midilli等經(jīng)驗或半經(jīng)驗?zāi)Ｐ捅粡V泛用于描述煙絲干燥過程（黃鋒等，2014，2015），但模型中各參數(shù)的研究意義往往不很明確，對干燥過程的解析相對有限（林喜娜和王相友，2010；尹曉峰等，2017）；與之相比，Weibull分布函數(shù)具有較好的適用性和兼容性，尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β具有一定的物理意義，可與干燥工藝、效率等進(jìn)行有效結(jié)合，利于深入分析干燥過程（白竣文等，2013），近年來被廣泛應(yīng)用于普通農(nóng)產(chǎn)品干燥動力學(xué)研究（曾目成等，2015；張衛(wèi)鵬等，2015；尹慧敏等，2016），取得了相應(yīng)的研究進(jìn)展。干筋期溫度、濕度、風(fēng)速還與烤后煙葉質(zhì)量密切相關(guān)，樊軍輝等（2010，2011）、詹軍等（2011c）的研究結(jié)果表明，干筋期采用較低的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、較高的濕球溫度和適宜的干球溫度可改善煙葉的外觀質(zhì)量、化學(xué)成分協(xié)調(diào)性、評吸質(zhì)量和香氣質(zhì)量?？竞鬅熑~外觀顏色是評價其外觀質(zhì)量及等級的重要指標(biāo)，色差計可實現(xiàn)對煙葉外觀顏色參數(shù)進(jìn)行量化，減小常規(guī)眼觀評判帶來的主觀性誤差，已應(yīng)用于煙葉的烤中狀態(tài)和烤后質(zhì)量分析（賀帆等，2014；詹軍等，2015）?！颈狙芯壳腥朦c】目前關(guān)于Weibull分布函數(shù)在煙葉烘烤干燥領(lǐng)域的應(yīng)用尚不多見?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用Weibull分布函數(shù)對不同干球溫度、相對濕度和風(fēng)速下煙葉主脈干燥特性進(jìn)行模擬分析，并對不同干筋條件烤后煙葉顏色值變化進(jìn)行檢測，為揭示煙葉主脈干燥特性及優(yōu)化烘烤工藝提供參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

試驗于2016年在湖南省郴州市桂陽縣進(jìn)行。供試品種為云煙87，試驗田土壤肥力中等，株行距50 cm×110 cm，按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范統(tǒng)一管理。煙葉成熟時，采收正常落黃、葉片大小相對一致的中部10～11位煙葉，用電熱式多功能智能烤煙箱（福州興東輝自動化科技有限公司）烘烤。

1. 2 試驗設(shè)計

變黃期和定色期按照常規(guī)三段式烘烤工藝進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，干筋期干球溫度分別設(shè)定為60、64、68和72 ℃，相對濕度分別設(shè)定為12%、18%和24%；通過變頻風(fēng)機(jī)調(diào)控風(fēng)速，分別設(shè)定為低速、中速和高速。每隔3 h取樣1次，每個取樣點3次重復(fù)，取平均值作為結(jié)果，當(dāng)煙葉主脈水含率低于8%時停止試驗（宮長榮，2010）。干筋過程中利用日本KANOMAX電子風(fēng)速儀測定低速、中速和高速條件下烤箱煙葉葉間風(fēng)速分別為0.10±0.03、0.26±0.05和0.41±0.06 m/s。

1. 3 試驗參數(shù)計算方法

1. 3. 1 干燥動力學(xué) 利用烘箱法測定煙葉水分，根據(jù)公式計算干基水含率（M）、水分比（MR）和失水速率（DR）（白竣文等，2013）。

1. 3. 2 利用Weibull函數(shù)擬合干燥曲線 Weibull分布函數(shù)表達(dá)式如下所示（白竣文等，2013；尹慧敏等，2016）：

1. 3. 3 水分有效擴(kuò)散系數(shù)和活化能計算 水分有效擴(kuò)散系數(shù)可衡量試驗材料的水分遷移特點，其計算常由簡化的菲克第二定律表示（張衛(wèi)鵬等，2015），計算公式如下：

式中，Deff為干燥過程中的水分有效擴(kuò)散系數(shù)（m2/h）；L為物料厚度，由于煙葉主脈近似長條形的圓錐，故其等效半徑為重心位置直徑的一半，主脈重心為距離葉基1/4葉長處，利用廣州市一思通電子儀器廠ETB-05B激光測徑儀測定為6.482×10-3 m，則L為3.241×10-3 m；t為干燥時間（s）。

水分?jǐn)U散系數(shù)的估算公式如下（白竣文等，2013）：

式中，Dcal為干燥過程中的估算水分?jǐn)U散系數(shù)（m2/s）；r為煙葉主脈的等效半徑，此處為3.241×10-3 m。

Dcal和Deff之間的關(guān)系由公式（7）表示：

式中，Rg是一個與物料幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)，球形物料為18.6，圓柱形物料為9.5，平板形物料為13.1（Marabi et al.，2003）。

物料Deff與干燥溫度的關(guān)系可用阿倫烏斯公式（白竣文等，2013；張衛(wèi)鵬等，2015）表示：

式中，D0為物料擴(kuò)散基數(shù)，為定值（m2/s）；Ea為物料的干燥活化能（kJ/mol）；R為氣體摩爾常數(shù)，其值為8.314 J/mol·K；T為干燥溫度（℃）。

將公式（7）帶入公式（8）中，并對兩邊取自然對數(shù)可得：

通過該式可知Deff的自然對數(shù)lnDeff與1/（T+273.15）呈線性關(guān)系，其斜率為?Ea/R，可計算活化能。

1. 3. 4 煙葉顏色值測定 北京光學(xué)儀器廠WSC-3型測色色差計測量煙葉正反面的顏色參數(shù)，包括亮度L*、紅度a*、黃度b*、飽和度C*；測定時，每次取12片煙葉，每片煙葉在主脈左右由葉基部至葉尖部均勻讀取6個值，取均值代表該片煙葉的顏色參數(shù)；煙葉正面與背面顏色參數(shù)差的絕對值分別由?L*、?a*、?b*和?C*表示（霍開玲等，2011）。

1. 4 統(tǒng)計分析

利用Origin 2016制圖，利用MatlabR 2014a及SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同干筋條件下煙葉主脈失水干燥特性

2. 1. 1 不同風(fēng)速煙葉主脈失水干燥動力學(xué)曲線 煙葉干筋期不同風(fēng)速（低速、中速和高速）處理的主脈干燥曲線如圖1-A所示，在干球溫度68 ℃、相對濕度18%的條件下，隨著風(fēng)速的增大，煙葉主脈失水干燥所需干筋時間逐漸縮短，分別為27、24和21 h，其中高速條件下干筋時間相比低速條件縮短22.2%。由圖1-B可知，不同風(fēng)速下主脈失水干燥為降速干燥，干筋前期隨著風(fēng)速的增大，煙葉主脈失水干燥速率增加，干燥后期不同風(fēng)速下主脈失水干燥速率逐漸接近。

2. 1. 2 不同相對濕度煙葉主脈失水干燥動力學(xué)曲線

煙葉干筋期不同相對濕度（12%、18%和24%）處理的主脈干燥曲線如圖2-A所示，在干球溫度68 ℃、風(fēng)速中速的條件下，隨著相對濕度的增大，煙葉主脈失水干燥所需時間逐漸延長，分別為21、24和30 h，煙葉主脈在相對濕度12%下干筋時間相比相對濕度24%縮短30.0%，與相對濕度18%的干筋時間相差不明顯。煙葉干筋期不同相對濕度處理的主脈干燥速率曲線如圖2-B所示，從圖中可知不同相對濕度下主脈失水整體表現(xiàn)為降速干燥，干筋前中期隨著相對濕度的減小，煙葉主脈失水干燥速率增加，干燥后期干燥速率相差不明顯。

2. 1. 3 不同干球溫度煙葉主脈失水干燥動力學(xué)曲線

煙葉干筋期不同干球溫度（60、64、68和72 ℃）處理的主脈干燥曲線如圖3-A所示，在相對濕度18%、風(fēng)速中速的條件下，隨著干球溫度的升高，煙葉主脈失水干燥所需時間逐漸縮短，分別為39、30、24和21 h，煙葉主脈在72 ℃干球溫度下的干筋時間相比68、64和60 ℃分別縮短12.5%、30.0%和46.2%。由圖2-B可知，不同干球溫度下主脈失水整體表現(xiàn)為降速干燥，干筋前中期隨著干球溫度的升高，煙葉主脈干燥速率增加，干燥后期不同干球溫度下主脈失水干燥速率逐漸接近。

2. 2 基于Weibull分布函數(shù)的干燥曲線模擬分析結(jié)果

2. 2. 1 基于α和β對煙葉干筋過程的判斷 由表1可知，R2在0.9949～0.9997，RMSE在0.0048～0.0100，χ2處于2.3×10-5～1.0×10-4；因此，Weibull分布函數(shù)能夠很好地模擬不同干筋條件下煙葉主脈的干燥曲線，為利用Weibull分布函數(shù)對煙葉主脈失水干燥過程的進(jìn)一步分析提供條件。

Weibull分布函數(shù)中的α表示干燥過程的速率常數(shù)，其值約等于干燥過程完成63%所需時間（張衛(wèi)鵬等，2015）。從表1可看出，隨著干筋期風(fēng)速由低速增至高速，α由10.090 h減小至7.311 h；隨著干筋期相對濕度由24%降低至12%，α由10.690 h減小到7.447 h；隨著干筋期干球溫度由60 ℃升高至72 ℃，α由14.630 h減小到7.248 h。由此可見，增大風(fēng)速、降低相對濕度或提高干球溫度可縮短干筋時間、提高干筋效率，與上述不同干筋條件下煙葉主脈MR變化曲線表述一致。

參數(shù)β與物料的水分遷移干燥機(jī)理相關(guān)，在0.3～1.0時，表示物料的干燥是由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制的，呈降速干燥；β大于1.0時，表示物料在干燥前期存在延滯階段，即在干燥前期出現(xiàn)干燥速率先升高后降低態(tài)勢（白竣文等，2013）。從表1可看出，不同干筋條件下煙葉主脈β均小于1.0，即表明煙葉主脈干筋期失水干燥速率為降速干燥，與上述不同干筋條件下煙葉主脈失水干燥速率曲線表述一致；β與干燥方式有關(guān)，不同干筋條件下β處于0.9629～0.9949，變化較小，也說明基于熱風(fēng)干燥的干球溫度、相對濕度和風(fēng)速對其形態(tài)變化影響較小。

2. 2. 2 不同干筋條件下煙葉主脈水分?jǐn)U散系數(shù) 物料的水分遷移干燥是一個十分復(fù)雜的過程，通常由毛細(xì)管流動、滲透擴(kuò)散等多種因素共同作用，而干燥過程中的Deff可綜合考量這些影響因素，對描述物料干燥特征具有重要意義（白竣文等，2013；尹慧敏等，2016）。由表1可知，基于Weibull分布函數(shù)的干筋過程煙葉主脈Dcal在1.994×10-10～4.026×10-10 m2/s，隨著干筋期風(fēng)速的增加、相對濕度的降低和干球溫度的升高，煙葉主脈Dcal呈增大趨勢；基于菲克第二定律的干筋過程煙葉主脈Deff在2.107×10-11～4.093×10-11 m2/s，與Dcal呈相同的變化趨勢。幾何參數(shù)Rg是一個與尺寸有關(guān)的參數(shù)（Marabi et al.，2003），主脈Rg在9.465～10.002范圍內(nèi)，表明其近似于圓柱形物料，與主脈的形狀較符合。

2. 2. 3 煙葉主脈干燥活化能 干燥活化能表示干燥過程中脫除單位摩爾水分所需的啟動能量，其值越大，表明物料越難干燥（白竣文等，2013；張衛(wèi)鵬等，2015）。由圖4中的直線回歸方程可求出干筋期煙葉主脈Ea為56.57 kJ/mol，說明干筋過程中從煙葉主脈中去除1 mol水分所需的最低能量為56.57 kJ。

2. 3 不同干筋條件下煙葉顏色值變化

從表2可看出，干球溫度、相對濕度和風(fēng)速對干筋過程煙葉顏色值有一定影響。干球溫度和相對濕度一定時，隨著干筋期風(fēng)速的增加，L*及正反面亮度差?L*和黃度差?b*增大，而a*、b*和C*減小，即干筋期風(fēng)速增加，煙葉顏色偏淡，但較為鮮亮；干球溫度和風(fēng)速一定時，隨著干筋期相對濕度的增加，煙葉L*和正反面?L*減小，而a*、b*、C*及正反面紅度差?a*增大，即干筋期相對濕度增加，煙葉顏色加深、偏橘色；相對濕度和風(fēng)速一定時，隨著干筋期干球溫度的升高，煙葉a*和正反面?a*增大，即干筋期干球溫度升高，煙葉顏色偏紅棕色，尤其是72 ℃煙葉紅度值明顯較大，造成煙葉烤紅。

3 討論

干筋期煙葉葉片大部分已經(jīng)干燥，主脈水分主要由內(nèi)部向表面及兩側(cè)葉片遷移而散失，隨著干燥程度的增加，葉片與主脈的干濕界面逐漸移至主脈兩側(cè)，此時主脈向葉片的遷移效率逐漸降低（宋朝鵬等，2017），其干燥過程表現(xiàn)為降速干燥，與本研究結(jié)果一致，Weibull分布函數(shù)的形狀參數(shù)β可指示煙葉主脈的干燥過程變化。

本研究中，煙葉主脈水分有效擴(kuò)散系數(shù)（2.107×10-11～4.093×10-11 m2/s）大于黃鋒等（2015）的研究結(jié)果，同時基于Weibull分布函數(shù)估算的煙葉主脈水分?jǐn)U散系數(shù)與水分有效擴(kuò)散系數(shù)呈相同的變化趨勢，可能是由煙絲與主脈的形態(tài)結(jié)構(gòu)差異引起，煙絲相比主脈疏松多孔，較容易失水干燥，也使得片煙增濕后的干燥活化能和煙絲干燥活化能均小于煙葉主脈活化能（張合明等，2011；黃鋒等，2014）。

烘烤過程中通風(fēng)與煙葉的干燥關(guān)系密切，葉間風(fēng)速過大則容易打破葉表水汽飽和層的狀態(tài)，加快煙葉的失水干燥。本研究結(jié)果表明，隨著干筋期風(fēng)速的增加，烤后煙葉顏色值顯示煙葉偏淡黃色，造成煙葉等級質(zhì)量下降，與樊軍輝等（2010）、詹軍等（2011b）研究干筋期不同風(fēng)速條件下煙葉外觀色度評價的結(jié)果一致。在干筋期主脈干燥主要受干球溫度影響，適當(dāng)提高干球溫度可加快主脈失水干燥，而降低溫度對促進(jìn)主脈失水速率變化相對較小，同時還會造成烤房內(nèi)外氣體交換頻繁，使煙葉表面形成的部分油分排出烤房，導(dǎo)致煙葉的油分和色度變差（詹軍等，2011a），而且在煙葉完全脫水干燥前其生命活動并未停止，仍存在微弱的代謝活動和生化反應(yīng)，較低的風(fēng)速和較高的濕度可以適當(dāng)減緩煙葉干燥速度，有利于改善煙葉的外觀顏色。

4 結(jié)論

煙葉主脈失水干燥受干球溫度、濕度和風(fēng)速的影響，干筋期煙葉主脈水分整體呈降速干燥，干燥速率與干球溫度關(guān)系較大，引入Weibull分布函數(shù)，實現(xiàn)了對煙葉主脈干燥特性的深入研究；不同干筋條件下烤后煙葉顏色值變化遵循一定規(guī)律。干筋期采用較高的溫濕度和較低的風(fēng)速有利于提高干筋效率、增加煙葉飽和度。

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（責(zé)任編輯 羅 麗）