烘烤過程中鮮煙葉干燥特性參數(shù)篩選

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

（1.河南農業(yè)大學煙草學院，鄭州 450002；2.河南中煙工業(yè)有限責任公司，鄭州 450002；3.湖北省煙草科學研究院，武漢 430030）

煙葉烘烤的實質是煙葉脫水干燥和內化生理生化變化的統(tǒng)一［1］，因而從煙葉自身參數(shù)來評價其失水特性對烘烤過程中傳熱傳質分析、烘烤工藝設計具有重要意義。煙葉的烘烤是典型的熱風干燥過程［2］，在熱風干燥過程中，通常認為物料厚度、熱風濕度對干燥速率呈負影響，物料表面積、熱風溫度、風速對干燥速率呈正影響［3-8］。采后鮮煙葉的烘烤過程與馬鈴薯、胡蘿卜切片以及木材等自身結構相對均勻的物料干燥相比，煙葉結構不均勻，煙葉的葉片、支脈、主脈三者結構存在較大差異［9］。受煙葉結構以及烘烤進程雙重影響，煙葉在烘烤中的失水過程存在階段性特征：在烘烤過程中煙葉各部失水程度為葉片＞整葉＞主脈，且烘烤進入54℃前以葉片失水為主，54℃后以主脈失水為主［10，11］。對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］在對不同開片程度的上部葉失水特性進行研究后認為，開片程度會影響煙葉組織結構密度、主脈水分占比進而影響失水特性；王傳義［14］則認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，同時煙葉失水特性可能與葉片組織結構、物質組成等有密切聯(lián)系。總體而言，當前研究多以煙葉入手，認為煙葉失水特性受葉片厚薄、組織結構疏密、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，基于煙葉自身結構的干燥特性影響因素鮮見報道。本研究以不同部位云煙87、K326、鄂烤2號為試驗材料，采用多種統(tǒng)計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系，來篩選煙葉自身干燥特性指標，為煙葉烘烤過程中的傳熱傳質分析、烘烤工藝設計提供參數(shù)指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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

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

1.2 試驗方法

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

1.3 測定項目及方法

1.3.1 含水率含水率采用烘箱法測定［20］，按公式（1）計算。

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

1.3.2 烘烤各階段失水速率按公式（2）計算［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束時的質量（單位：kg）；tn+1表示該烘烤階段的烘烤時間（含升溫時間）（單位：h）；WRn+1表示該烘烤階段實際每小時平均失水速率（單位：%）。

1.3.3 鮮煙葉相關指標葉片厚度使用厚度計測定［22］。主、支脈特征［19］：葉基部支脈使用激光測徑儀測定距主脈2～3 cm處第二支脈直徑；將主脈平均分為3段，使用激光測徑儀測定葉尖、葉中、葉基處主脈直徑；葉長、葉寬使用卷尺測定。煙葉SPAD值［23］：在葉片的葉尖、葉中、葉基3個位置主脈兩側用SPAD儀測定，計算平均SPAD值。

上述指標葉片厚度重復5次，其余指標均重復10次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理，采用Origin 2018軟件作圖，采用SPSS 22.0軟件進行描述統(tǒng)計、多重共線性診斷和相關性、逐步回歸分析，優(yōu)勢分析各指標對煙葉失水速率的平均貢獻度參照謝保國等［24］、代魯燕等［25］的方法，按公式（3）～（4）計算。

計算變量xi解釋或預測變量y的平均貢獻公式為：

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

變量xi解釋或預測變量y的總平均貢獻的計算公式為：

2 結果與分析

2.1 煙葉樣品性狀表現(xiàn)

由表1、表2所示，試驗所用煙葉各項指標變異系數(shù)在5.98%～24.33%，鮮煙葉指標中葉寬、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。煙葉烘烤過程中各階段失水速率的變異系數(shù)均在14.00%以上，說明試驗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)絕對值大于1.000外，其余各項指標偏度絕對值均小于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平均失水速率 （單位：%）

2.2 鮮煙葉指標與烘烤過程中各階段失水速率相關性分析

通過對鮮煙葉各項指標與其在烘烤各階段失水速率的相關性分析（表3），發(fā)現(xiàn)除鮮煙葉葉基主脈直徑（x3）、SPAD（x9）外，其余各項指標與烤煙烘烤各階段每小時平均失水速率均達顯著或極顯著水平。其中鮮煙葉含水率（x1）與烘烤過程中42～46℃、54℃階段失水速率存在極顯著正相關關系；葉片厚度（x2）與38、40℃階段失水速率呈極顯著負相關；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；葉尖部主脈直徑（x5）與48℃失水速率呈顯著負相關；葉基部支脈直徑（x6）與38、40、48℃失水速率呈顯著正相關；葉長（x7）與38、40℃失水速率呈顯著正相關；葉寬（x8）與38～54℃各階段失水速率均呈極顯著正相關。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、葉寬指標對其烘烤過程中的失水特性影響顯著。

表3 鮮煙葉指標與烘烤過程中各階段失水速率相關性分析

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

2.3 鮮煙葉指標間多重共線性診斷

由表4可知，僅第1個主成分的特征值較大，條件指數(shù)較小，其余9個主成分的特征值均接近0，其中第4、5、6、7、8、9、10個主成分的條件指數(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（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，說明這5項指標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)量級對各自變量貢獻程度的影響，對各指標進行標準化處理，并進行逐步回歸分析。

由表5可知，烘烤過程中各階段失水速率與其鮮煙葉各項參數(shù)指標的逐步回歸模型擬合較好，R2均在0.800以上。結果表明，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）分別與烘烤過程中38～42℃、42～46℃、46～54℃、54℃、38～54℃的失水速率的回歸模型達顯著水平。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程中各階段失水速率相關的主要鮮煙葉指標。

表5 鮮煙葉指標與烘烤過程中各階段失水速率逐步回歸分析

2.5 優(yōu)勢分析

優(yōu)勢分析法（DA）是Budescu［27］提出的一種評估線性模型中自變量相對重要性的統(tǒng)計方法，該方法可通過計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比例來估計自變量的相對重要性。

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

圖1 各指標在不同烘烤階段對失水速率的平均貢獻度

除葉寬外，在38～42℃階段，鮮煙葉葉片厚度對煙葉失水速率的貢獻較大，在42～46℃階段，影響煙葉失水速率的主要鮮煙葉指標由葉片厚度變?yōu)槿~基部支脈直徑，進入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

從測定的鮮煙葉9項參數(shù)來看，變異范圍在5.98%～18.58%，說明所選煙葉樣品素質差別明顯，同時所選煙葉在烘烤過程中各階段失水速率的變異范圍在14.55%～24.33%，說明其在烘烤過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計其相應烘烤工藝的直接因素。本研究的簡單相關分析表明，鮮煙葉的含水率、葉片厚度、主支脈特征、葉長、葉寬等指標與其烘烤過程中的失水速率均存在一定的相關關系，但鮮煙葉各項指標間也存在顯著的相關性。因此，不能根據(jù)受到多重共線性影響的簡單相關系數(shù)來反映鮮煙葉各項指標對失水速率的影響，所以，為探尋鮮煙葉指標與失水速率的真實關聯(lián)，采用逐步回歸的方法來消除多重共線性的影響，建立回歸方程，經檢驗均達顯著水平，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程中失水速率的主要指標。其中，鮮煙葉葉寬對失水速率呈正影響，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、支脈直徑對失水速率呈負影響，即葉片較厚、主脈、支脈較為粗大的煙葉，失水較難。

通過優(yōu)勢分析法，計算出各項指標對煙葉烘烤各階段失水速率的平均貢獻程度，鮮煙葉葉寬在變黃期、定色期對失水速率的貢獻度均在60%以上；除葉寬外，主要貢獻指標變黃期為葉片厚度，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。

干燥是一種復雜的傳熱、傳質過程［28］，煙葉在烘烤中的失水過程也是如此，根據(jù)傳熱公式，干燥介質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［29］。研究表明，對流傳熱系數(shù)與物料的尺寸（如切片厚度）呈負相關；傳熱面積與物料的表面積、表面風速呈正相關［30］。而煙葉在烘烤條件下的干燥部位由葉片逐漸轉為主脈，干燥部位的尺寸也由葉片厚度逐漸變?yōu)橹}、主脈直徑，進而導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，本研究對鮮煙葉干燥特性參數(shù)的篩選結果也表明，隨著烘烤進行，影響煙葉失水速率的主要鮮煙指標（除葉寬外）由葉片厚度變?yōu)橹}直徑，再變?yōu)橹髅}直徑。煙葉長寬與表面積呈正相關［22］，因此理論上葉長、葉寬均對煙葉受熱、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（變異系數(shù)7.16%）變異較小，而葉寬（18.58%）變異較大導致。

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

總體而言，煙葉結構的不均勻、烘烤條件非恒定致使難以通過單個鮮煙指標來描述其失水特性；同時煙葉的生長發(fā)育中，各項指標間具有多重共線性，成熟度、部位與含水率、SPAD、葉片厚度、葉長、葉寬［31］等指標均呈顯著相關關系。本研究運用統(tǒng)計學方法，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的失水模型提供參數(shù)指導。

若將鮮煙葉參數(shù)作為影響煙葉失水特性的內因，烘烤過程中煙葉的失水特性也存在外因的影響，例如溫濕度、風機擋位、裝煙密度、裝煙方式等［16，32，33］，因此，探尋多方面因素對煙葉失水特性的影響有待進一步研究。

4 小結

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程中煙葉的失水速率，篩選結果符合干燥原理，是基于鮮煙葉自身的干燥特性指標，可為煙葉烘烤過程中的傳熱傳質分析、構建基于鮮煙葉素質的失水速率模型提供參數(shù)指導。