李靜浩，段衛(wèi)東，馬俊桃，孫光偉，白金瑩，周中宇，宋朝鵬，陳振國(guó)

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002；2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，鄭州 450002；3.湖北省煙草科學(xué)研究院，武漢 430030）

煙葉烘烤的實(shí)質(zhì)是煙葉脫水干燥和內(nèi)化生理生化變化的統(tǒng)一［1］，因而從煙葉自身參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)其失水特性對(duì)烘烤過(guò)程中傳熱傳質(zhì)分析、烘烤工藝設(shè)計(jì)具有重要意義。煙葉的烘烤是典型的熱風(fēng)干燥過(guò)程［2］，在熱風(fēng)干燥過(guò)程中，通常認(rèn)為物料厚度、熱風(fēng)濕度對(duì)干燥速率呈負(fù)影響，物料表面積、熱風(fēng)溫度、風(fēng)速對(duì)干燥速率呈正影響［3-8］。采后鮮煙葉的烘烤過(guò)程與馬鈴薯、胡蘿卜切片以及木材等自身結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻的物料干燥相比，煙葉結(jié)構(gòu)不均勻，煙葉的葉片、支脈、主脈三者結(jié)構(gòu)存在較大差異［9］。受煙葉結(jié)構(gòu)以及烘烤進(jìn)程雙重影響，煙葉在烘烤中的失水過(guò)程存在階段性特征：在烘烤過(guò)程中煙葉各部失水程度為葉片＞整葉＞主脈，且烘烤進(jìn)入54℃前以葉片失水為主，54℃后以主脈失水為主［10，11］。對(duì)于煙葉失水特性的影響因素，聶榮邦等［12］研究表明，隨著煙葉由欠熟到過(guò)熟，束縛水自由水比例降低，煙葉更容易脫水；宋朝鵬等［13］在對(duì)不同開片程度的上部葉失水特性進(jìn)行研究后認(rèn)為，開片程度會(huì)影響煙葉組織結(jié)構(gòu)密度、主脈水分占比進(jìn)而影響失水特性；王傳義［14］則認(rèn)為不同品種烤煙失水特性的差異集中表現(xiàn)于失水均衡性上，同時(shí)煙葉失水特性可能與葉片組織結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成等有密切聯(lián)系。總體而言，當(dāng)前研究多以煙葉入手，認(rèn)為煙葉失水特性受葉片厚薄、組織結(jié)構(gòu)疏密、自由水束縛水比例、部位、品種、成熟度等因素影響［15-17］，也有研究指出葉脈同樣是影響煙葉干燥特性的重要因素［18，19］。目前，基于煙葉自身結(jié)構(gòu)的干燥特性影響因素鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以不同部位云煙87、K326、鄂烤2號(hào)為試驗(yàn)材料，采用多種統(tǒng)計(jì)方法分析不同類別煙葉自身參數(shù)與其烘烤各階段失水速率的關(guān)系，來(lái)篩選煙葉自身干燥特性指標(biāo)，為煙葉烘烤過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)分析、烘烤工藝設(shè)計(jì)提供參數(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為云煙87、K326、鄂烤2號(hào)不同部位煙葉，種植于湖北省恩施州利川市柏楊壩鎮(zhèn)，于2019—2020年進(jìn)行試驗(yàn)，按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行田間管理。

主要儀器設(shè)備：氣流上升式試驗(yàn)小烤房（楊凌金葉烘干設(shè)備有限公司）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、電子天平（精度0.001 g，巨鼎天衡稱重設(shè)備有限公司）、ETB-05B型激光測(cè)徑儀（精度0.001 mm，廣州思通電子儀器廠）、SYSS05型葉片厚度測(cè)量?jī)x（精度0.001 mm，遼寧賽亞斯科技有限公司）等。

1.2 試驗(yàn)方法

烘烤試驗(yàn)采用掛桿裝煙，保持各試驗(yàn)處理烘烤工藝、裝煙量一致。于烤前鮮煙以及烘烤過(guò)程中38、40、42、44、46、48、54℃取20片煙葉。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 含水率含水率采用烘箱法測(cè)定［20］，按公式（1）計(jì)算。

式中，F(xiàn)Wn為取樣時(shí)煙葉濕基含水率（單位：%）；mn、m0分別為取樣時(shí)煙葉質(zhì)量和烘干后質(zhì)量，重復(fù)5次。

1.3.2 烘烤各階段失水速率按公式（2）計(jì)算［21］。

式中，n取0，1，2，3…7，8，分別表示煙葉處于鮮樣、38、40、42、44、46、48、54℃烘烤階段，Mn表示煙葉在該烘烤階段結(jié)束時(shí)的質(zhì)量（單位：kg）；tn+1表示該烘烤階段的烘烤時(shí)間（含升溫時(shí)間）（單位：h）；WRn+1表示該烘烤階段實(shí)際每小時(shí)平均失水速率（單位：%）。

1.3.3 鮮煙葉相關(guān)指標(biāo)葉片厚度使用厚度計(jì)測(cè)定［22］。主、支脈特征［19］：葉基部支脈使用激光測(cè)徑儀測(cè)定距主脈2～3 cm處第二支脈直徑；將主脈平均分為3段，使用激光測(cè)徑儀測(cè)定葉尖、葉中、葉基處主脈直徑；葉長(zhǎng)、葉寬使用卷尺測(cè)定。煙葉SPAD值［23］：在葉片的葉尖、葉中、葉基3個(gè)位置主脈兩側(cè)用SPAD儀測(cè)定，計(jì)算平均SPAD值。

上述指標(biāo)葉片厚度重復(fù)5次，其余指標(biāo)均重復(fù)10次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用Origin 2018軟件作圖，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)、多重共線性診斷和相關(guān)性、逐步回歸分析，優(yōu)勢(shì)分析各指標(biāo)對(duì)煙葉失水速率的平均貢獻(xiàn)度參照謝保國(guó)等［24］、代魯燕等［25］的方法，按公式（3）～（4）計(jì)算。

計(jì)算變量xi解釋或預(yù)測(cè)變量y的平均貢獻(xiàn)公式為：

式中，Ckxi表示當(dāng)變量xi加入到含有k個(gè)預(yù)測(cè)變量的子模型后，解釋或預(yù)測(cè)變量y的平均貢獻(xiàn)；Δ表示當(dāng)變量xi加入到含有k個(gè)預(yù)測(cè)變量的子模型后的R2變化量；xm為排除變量xi后，包含在子模型中的k個(gè)預(yù)測(cè)變量；p為全模型中所有自變量的個(gè)數(shù)；k為子模型中所包含預(yù)測(cè)變量的個(gè)數(shù)（k=0，…，p-1）。

變量xi解釋或預(yù)測(cè)變量y的總平均貢獻(xiàn)的計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 煙葉樣品性狀表現(xiàn)

由表1、表2所示，試驗(yàn)所用煙葉各項(xiàng)指標(biāo)變異系數(shù)在5.98%～24.33%，鮮煙葉指標(biāo)中葉寬、SPAD的變異系數(shù)較大，分別為18.58%、15.32%，均為中度變異；含水率變異系數(shù)最小，為5.98%，較為穩(wěn)定。煙葉烘烤過(guò)程中各階段失水速率的變異系數(shù)均在14.00%以上，說(shuō)明試驗(yàn)所用煙葉的失水特性變化較大。從偏度上看，除葉基部主脈直徑（x3）的偏度系數(shù)絕對(duì)值大于1.000外，其余各項(xiàng)指標(biāo)偏度絕對(duì)值均小于1.000，接近正態(tài)分布，可供下一步分析。

表1 供試煙葉樣品性狀表現(xiàn)

表2 烤煙烘烤各階段每小時(shí)平均失水速率 （單位：%）

2.2 鮮煙葉指標(biāo)與烘烤過(guò)程中各階段失水速率相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)鮮煙葉各項(xiàng)指標(biāo)與其在烘烤各階段失水速率的相關(guān)性分析（表3），發(fā)現(xiàn)除鮮煙葉葉基主脈直徑（x3）、SPAD（x9）外，其余各項(xiàng)指標(biāo)與烤煙烘烤各階段每小時(shí)平均失水速率均達(dá)顯著或極顯著水平。其中鮮煙葉含水率（x1）與烘烤過(guò)程中42～46℃、54℃階段失水速率存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；葉片厚度（x2）與38、40℃階段失水速率呈極顯著負(fù)相關(guān)；葉中部主脈直徑（x4）與38、40、46、48℃階段失水速率呈顯著或極顯著正相關(guān)；葉尖部主脈直徑（x5）與48℃失水速率呈顯著負(fù)相關(guān)；葉基部支脈直徑（x6）與38、40、48℃失水速率呈顯著正相關(guān)；葉長(zhǎng)（x7）與38、40℃失水速率呈顯著正相關(guān)；葉寬（x8）與38～54℃各階段失水速率均呈極顯著正相關(guān)。由此得出，鮮煙葉的含水率、葉片厚度、葉中部主脈直徑、葉尖部主脈直徑、葉基部支脈直徑、葉長(zhǎng)、葉寬指標(biāo)對(duì)其烘烤過(guò)程中的失水特性影響顯著。

表3 鮮煙葉指標(biāo)與烘烤過(guò)程中各階段失水速率相關(guān)性分析

鮮煙葉指標(biāo)之間也存在顯著的相關(guān)性，如含水率與SPAD，主、支脈特征與葉片長(zhǎng)、寬等，在煙葉成熟的過(guò)程中，SPAD、含水率值逐漸降低，葉長(zhǎng)、葉寬逐漸升高［26］，從而使各項(xiàng)指標(biāo)間存在相關(guān)性，屬于正?，F(xiàn)象。但這些現(xiàn)象的存在也預(yù)示著鮮煙葉各項(xiàng)指標(biāo)間可能存在多重共線性，因此，有必要對(duì)各解釋變量進(jìn)行共線性診斷。

2.3 鮮煙葉指標(biāo)間多重共線性診斷

由表4可知，僅第1個(gè)主成分的特征值較大，條件指數(shù)較小，其余9個(gè)主成分的特征值均接近0，其中第4、5、6、7、8、9、10個(gè)主成分的條件指數(shù)大于30.000；含水率（x1）第10主成分方差比例為89.3%，葉中主脈直徑（x4）第9主成分方差比例為75.9%，葉尖主脈直徑（x5）第5主成分方差比例為88.2%，葉長(zhǎng)（x7）、葉寬（x8）的第10主成 分方差比例分別為70.6%、72.5%，這些參數(shù)的方差比例均在70.0%以上，說(shuō)明這5項(xiàng)指標(biāo)之間存在一定程度的共線性，可采用逐步回歸消除多重共線性的影響。

表4 鮮煙葉指標(biāo)間多重共線性診斷

2.4 逐步回歸分析

為消除多重共線性、量綱、數(shù)量級(jí)對(duì)各自變量貢獻(xiàn)程度的影響，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并進(jìn)行逐步回歸分析。

由表5可知，烘烤過(guò)程中各階段失水速率與其鮮煙葉各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的逐步回歸模型擬合較好，R2均在0.800以上。結(jié)果表明，鮮煙葉葉片厚度（x2）、葉基部支脈直徑（x6）、葉尖部主脈直徑（x5）、葉中部主脈直徑（x4）、葉寬（x8）分別與烘烤過(guò)程中38～42℃、42～46℃、46～54℃、54℃、38～54℃的失水速率的回歸模型達(dá)顯著水平。即模型篩選出鮮煙葉的葉片厚度、葉基部支脈直徑、葉尖部主脈直徑、葉中部主脈直徑、葉寬作為與煙葉烘烤過(guò)程中各階段失水速率相關(guān)的主要鮮煙葉指標(biāo)。

表5 鮮煙葉指標(biāo)與烘烤過(guò)程中各階段失水速率逐步回歸分析

2.5 優(yōu)勢(shì)分析

優(yōu)勢(shì)分析法（DA）是Budescu［27］提出的一種評(píng)估線性模型中自變量相對(duì)重要性的統(tǒng)計(jì)方法，該方法可通過(guò)計(jì)算各自變量在所有可能的子模型下解釋因變量方差的貢獻(xiàn)比例來(lái)估計(jì)自變量的相對(duì)重要性。

從分析結(jié)果（圖1）上看，篩選出的鮮煙葉各項(xiàng)參數(shù)對(duì)其烘烤各階段的影響存在差異，在38～54℃烘烤期間，葉寬對(duì)煙葉失水速率的影響相對(duì)較大，影響程度呈先上升后下降的趨勢(shì)。其余各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)煙葉失水速率的影響程度則隨著烘烤進(jìn)行呈逐漸下降或先升后降的趨勢(shì)。

圖1 各指標(biāo)在不同烘烤階段對(duì)失水速率的平均貢獻(xiàn)度

除葉寬外，在38～42℃階段，鮮煙葉葉片厚度對(duì)煙葉失水速率的貢獻(xiàn)較大，在42～46℃階段，影響煙葉失水速率的主要鮮煙葉指標(biāo)由葉片厚度變?yōu)槿~基部支脈直徑，進(jìn)入46℃烘烤階段由葉基部支脈直徑逐漸變?yōu)槿~尖部主脈直徑，進(jìn)入54℃后，由葉尖部主脈直徑逐漸變?yōu)槿~中部主脈直徑。

3 討論

從測(cè)定的鮮煙葉9項(xiàng)參數(shù)來(lái)看，變異范圍在5.98%～18.58%，說(shuō)明所選煙葉樣品素質(zhì)差別明顯，同時(shí)所選煙葉在烘烤過(guò)程中各階段失水速率的變異范圍在14.55%～24.33%，說(shuō)明其在烘烤過(guò)程中的失水特性表現(xiàn)出較大差異。

煙葉的外觀特征是烘烤工作人員設(shè)計(jì)其相應(yīng)烘烤工藝的直接因素。本研究的簡(jiǎn)單相關(guān)分析表明，鮮煙葉的含水率、葉片厚度、主支脈特征、葉長(zhǎng)、葉寬等指標(biāo)與其烘烤過(guò)程中的失水速率均存在一定的相關(guān)關(guān)系，但鮮煙葉各項(xiàng)指標(biāo)間也存在顯著的相關(guān)性。因此，不能根據(jù)受到多重共線性影響的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)來(lái)反映鮮煙葉各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)失水速率的影響，所以，為探尋鮮煙葉指標(biāo)與失水速率的真實(shí)關(guān)聯(lián)，采用逐步回歸的方法來(lái)消除多重共線性的影響，建立回歸方程，經(jīng)檢驗(yàn)均達(dá)顯著水平，篩選出鮮煙葉葉片厚度、葉寬、葉基部支脈直徑以及葉中、尖部主脈直徑是影響煙葉烘烤過(guò)程中失水速率的主要指標(biāo)。其中，鮮煙葉葉寬對(duì)失水速率呈正影響，即在相同的烘烤條件下，較寬的煙葉失水較快；葉片厚度、主脈直徑、支脈直徑對(duì)失水速率呈負(fù)影響，即葉片較厚、主脈、支脈較為粗大的煙葉，失水較難。

通過(guò)優(yōu)勢(shì)分析法，計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)煙葉烘烤各階段失水速率的平均貢獻(xiàn)程度，鮮煙葉葉寬在變黃期、定色期對(duì)失水速率的貢獻(xiàn)度均在60%以上；除葉寬外，主要貢獻(xiàn)指標(biāo)變黃期為葉片厚度，定色前期為葉基部支脈直徑，定色中期為葉尖部主脈直徑，定色后期為葉中部主脈直徑。

干燥是一種復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程［28］，煙葉在烘烤中的失水過(guò)程也是如此，根據(jù)傳熱公式，干燥介質(zhì)與物料間傳熱受兩者之間的溫差、傳熱系數(shù)、傳熱面積呈正相關(guān)［29］。研究表明，對(duì)流傳熱系數(shù)與物料的尺寸（如切片厚度）呈負(fù)相關(guān)；傳熱面積與物料的表面積、表面風(fēng)速呈正相關(guān)［30］。而煙葉在烘烤條件下的干燥部位由葉片逐漸轉(zhuǎn)為主脈，干燥部位的尺寸也由葉片厚度逐漸變?yōu)橹}、主脈直徑，進(jìn)而導(dǎo)致煙葉與烤房熱空氣間的傳熱系數(shù)下降，受熱減少、失水速率降低，本研究對(duì)鮮煙葉干燥特性參數(shù)的篩選結(jié)果也表明，隨著烘烤進(jìn)行，影響煙葉失水速率的主要鮮煙指標(biāo)（除葉寬外）由葉片厚度變?yōu)橹}直徑，再變?yōu)橹髅}直徑。煙葉長(zhǎng)寬與表面積呈正相關(guān)［22］，因此理論上葉長(zhǎng)、葉寬均對(duì)煙葉受熱、失水存在較大影響，而本研究只篩選出葉寬作為干燥特性參數(shù)，這可能是由于所選品種煙葉樣品中，葉長(zhǎng)（變異系數(shù)7.16%）變異較小，而葉寬（18.58%）變異較大導(dǎo)致。

同時(shí)研究表明，隨烘烤的進(jìn)行，葉寬對(duì)煙葉失水速率的影響呈先增后降的趨勢(shì)，原因可能是定色期較高的風(fēng)機(jī)擋位致使葉間隙風(fēng)速加快，煙葉與熱空氣的傳熱面積增加，致使葉寬對(duì)煙葉失水的貢獻(xiàn)率上升；煙葉在烘烤過(guò)程中的橫向收縮造成鮮煙葉的葉寬逐漸無(wú)法替代煙葉的真實(shí)葉寬，葉片逐漸失水導(dǎo)致葉片部分的所受熱量難以傳遞到主脈中，從而造成葉寬對(duì)煙葉失水貢獻(xiàn)率下降。

總體而言，煙葉結(jié)構(gòu)的不均勻、烘烤條件非恒定致使難以通過(guò)單個(gè)鮮煙指標(biāo)來(lái)描述其失水特性；同時(shí)煙葉的生長(zhǎng)發(fā)育中，各項(xiàng)指標(biāo)間具有多重共線性，成熟度、部位與含水率、SPAD、葉片厚度、葉長(zhǎng)、葉寬［31］等指標(biāo)均呈顯著相關(guān)關(guān)系。本研究運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，避免了多重共線性的影響，并篩選出烘烤各階段的鮮煙葉干燥特性參數(shù)，可為基于鮮煙葉素質(zhì)的失水模型提供參數(shù)指導(dǎo)。

若將鮮煙葉參數(shù)作為影響煙葉失水特性的內(nèi)因，烘烤過(guò)程中煙葉的失水特性也存在外因的影響，例如溫濕度、風(fēng)機(jī)擋位、裝煙密度、裝煙方式等［16，32，33］，因此，探尋多方面因素對(duì)煙葉失水特性的影響有待進(jìn)一步研究。

4 小結(jié)

在烘烤條件一致的情況下，鮮煙葉的葉片厚度、葉基部支脈直徑、葉尖部主脈直徑、葉中部主脈直徑、葉寬共同作用于烘烤過(guò)程中煙葉的失水速率，篩選結(jié)果符合干燥原理，是基于鮮煙葉自身的干燥特性指標(biāo)，可為煙葉烘烤過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)分析、構(gòu)建基于鮮煙葉素質(zhì)的失水速率模型提供參數(shù)指導(dǎo)。