烘烤过程中鲜烟叶干燥特性参数筛选

李静浩，段卫东，马俊桃，孙光伟，白金莹，周中宇，宋朝鹏，陈振国

（1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002；2.河南中烟工业有限责任公司，郑州 450002；3.湖北省烟草科学研究院，武汉 430030）

烟叶烘烤的实质是烟叶脱水干燥和内化生理生化变化的统一［1］，因而从烟叶自身参数来评价其失水特性对烘烤过程中传热传质分析、烘烤工艺设计具有重要意义。烟叶的烘烤是典型的热风干燥过程［2］，在热风干燥过程中，通常认为物料厚度、热风湿度对干燥速率呈负影响，物料表面积、热风温度、风速对干燥速率呈正影响［3-8］。采后鲜烟叶的烘烤过程与马铃薯、胡萝卜切片以及木材等自身结构相对均匀的物料干燥相比，烟叶结构不均匀，烟叶的叶片、支脉、主脉三者结构存在较大差异［9］。受烟叶结构以及烘烤进程双重影响，烟叶在烘烤中的失水过程存在阶段性特征：在烘烤过程中烟叶各部失水程度为叶片＞整叶＞主脉，且烘烤进入54℃前以叶片失水为主，54℃后以主脉失水为主［10，11］。对于烟叶失水特性的影响因素，聂荣邦等［12］研究表明，随着烟叶由欠熟到过熟，束缚水自由水比例降低，烟叶更容易脱水；宋朝鹏等［13］在对不同开片程度的上部叶失水特性进行研究后认为，开片程度会影响烟叶组织结构密度、主脉水分占比进而影响失水特性；王传义［14］则认为不同品种烤烟失水特性的差异集中表现于失水均衡性上，同时烟叶失水特性可能与叶片组织结构、物质组成等有密切联系。总体而言，当前研究多以烟叶入手，认为烟叶失水特性受叶片厚薄、组织结构疏密、自由水束缚水比例、部位、品种、成熟度等因素影响［15-17］，也有研究指出叶脉同样是影响烟叶干燥特性的重要因素［18，19］。目前，基于烟叶自身结构的干燥特性影响因素鲜见报道。本研究以不同部位云烟87、K326、鄂烤2号为试验材料，采用多种统计方法分析不同类别烟叶自身参数与其烘烤各阶段失水速率的关系，来筛选烟叶自身干燥特性指标，为烟叶烘烤过程中的传热传质分析、烘烤工艺设计提供参数指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为云烟87、K326、鄂烤2号不同部位烟叶，种植于湖北省恩施州利川市柏杨坝镇，于2019—2020年进行试验，按照当地优质烤烟生产技术规范进行田间管理。

主要仪器设备：气流上升式试验小烤房（杨凌金叶烘干设备有限公司）、电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）、电子天平（精度0.001 g，巨鼎天衡称重设备有限公司）、ETB-05B型激光测径仪（精度0.001 mm，广州思通电子仪器厂）、SYSS05型叶片厚度测量仪（精度0.001 mm，辽宁赛亚斯科技有限公司）等。

1.2 试验方法

烘烤试验采用挂杆装烟，保持各试验处理烘烤工艺、装烟量一致。于烤前鲜烟以及烘烤过程中38、40、42、44、46、48、54℃取20片烟叶。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 含水率含水率采用烘箱法测定［20］，按公式（1）计算。

式中，FWn为取样时烟叶湿基含水率（单位：%）；mn、m0分别为取样时烟叶质量和烘干后质量，重复5次。

1.3.2 烘烤各阶段失水速率按公式（2）计算［21］。

式中，n取0，1，2，3…7，8，分别表示烟叶处于鲜样、38、40、42、44、46、48、54℃烘烤阶段，Mn表示烟叶在该烘烤阶段结束时的质量（单位：kg）；tn+1表示该烘烤阶段的烘烤时间（含升温时间）（单位：h）；WRn+1表示该烘烤阶段实际每小时平均失水速率（单位：%）。

1.3.3 鲜烟叶相关指标叶片厚度使用厚度计测定［22］。主、支脉特征［19］：叶基部支脉使用激光测径仪测定距主脉2～3 cm处第二支脉直径；将主脉平均分为3段，使用激光测径仪测定叶尖、叶中、叶基处主脉直径；叶长、叶宽使用卷尺测定。烟叶SPAD值［23］：在叶片的叶尖、叶中、叶基3个位置主脉两侧用SPAD仪测定，计算平均SPAD值。

上述指标叶片厚度重复5次，其余指标均重复10次。

1.4 数据处理

采用Excel 2019软件对试验数据进行整理，采用Origin 2018软件作图，采用SPSS 22.0软件进行描述统计、多重共线性诊断和相关性、逐步回归分析，优势分析各指标对烟叶失水速率的平均贡献度参照谢保国等［24］、代鲁燕等［25］的方法，按公式（3）～（4）计算。

计算变量xi解释或预测变量y的平均贡献公式为：

式中，Ckxi表示当变量xi加入到含有k个预测变量的子模型后，解释或预测变量y的平均贡献；Δ表示当变量xi加入到含有k个预测变量的子模型后的R2变化量；xm为排除变量xi后，包含在子模型中的k个预测变量；p为全模型中所有自变量的个数；k为子模型中所包含预测变量的个数（k=0，…，p-1）。

变量xi解释或预测变量y的总平均贡献的计算公式为：

2 结果与分析

2.1 烟叶样品性状表现

由表1、表2所示，试验所用烟叶各项指标变异系数在5.98%～24.33%，鲜烟叶指标中叶宽、SPAD的变异系数较大，分别为18.58%、15.32%，均为中度变异；含水率变异系数最小，为5.98%，较为稳定。烟叶烘烤过程中各阶段失水速率的变异系数均在14.00%以上，说明试验所用烟叶的失水特性变化较大。从偏度上看，除叶基部主脉直径（x3）的偏度系数绝对值大于1.000外，其余各项指标偏度绝对值均小于1.000，接近正态分布，可供下一步分析。

表1 供试烟叶样品性状表现

表2 烤烟烘烤各阶段每小时平均失水速率 （单位：%）

2.2 鲜烟叶指标与烘烤过程中各阶段失水速率相关性分析

通过对鲜烟叶各项指标与其在烘烤各阶段失水速率的相关性分析（表3），发现除鲜烟叶叶基主脉直径（x3）、SPAD（x9）外，其余各项指标与烤烟烘烤各阶段每小时平均失水速率均达显著或极显著水平。其中鲜烟叶含水率（x1）与烘烤过程中42～46℃、54℃阶段失水速率存在极显著正相关关系；叶片厚度（x2）与38、40℃阶段失水速率呈极显著负相关；叶中部主脉直径（x4）与38、40、46、48℃阶段失水速率呈显著或极显著正相关；叶尖部主脉直径（x5）与48℃失水速率呈显著负相关；叶基部支脉直径（x6）与38、40、48℃失水速率呈显著正相关；叶长（x7）与38、40℃失水速率呈显著正相关；叶宽（x8）与38～54℃各阶段失水速率均呈极显著正相关。由此得出，鲜烟叶的含水率、叶片厚度、叶中部主脉直径、叶尖部主脉直径、叶基部支脉直径、叶长、叶宽指标对其烘烤过程中的失水特性影响显著。

表3 鲜烟叶指标与烘烤过程中各阶段失水速率相关性分析

鲜烟叶指标之间也存在显著的相关性，如含水率与SPAD，主、支脉特征与叶片长、宽等，在烟叶成熟的过程中，SPAD、含水率值逐渐降低，叶长、叶宽逐渐升高［26］，从而使各项指标间存在相关性，属于正常现象。但这些现象的存在也预示着鲜烟叶各项指标间可能存在多重共线性，因此，有必要对各解释变量进行共线性诊断。

2.3 鲜烟叶指标间多重共线性诊断

由表4可知，仅第1个主成分的特征值较大，条件指数较小，其余9个主成分的特征值均接近0，其中第4、5、6、7、8、9、10个主成分的条件指数大于30.000；含水率（x1）第10主成分方差比例为89.3%，叶中主脉直径（x4）第9主成分方差比例为75.9%，叶尖主脉直径（x5）第5主成分方差比例为88.2%，叶长（x7）、叶宽（x8）的第10主成 分方差比例分别为70.6%、72.5%，这些参数的方差比例均在70.0%以上，说明这5项指标之间存在一定程度的共线性，可采用逐步回归消除多重共线性的影响。

表4 鲜烟叶指标间多重共线性诊断

2.4 逐步回归分析

为消除多重共线性、量纲、数量级对各自变量贡献程度的影响，对各指标进行标准化处理，并进行逐步回归分析。

由表5可知，烘烤过程中各阶段失水速率与其鲜烟叶各项参数指标的逐步回归模型拟合较好，R2均在0.800以上。结果表明，鲜烟叶叶片厚度（x2）、叶基部支脉直径（x6）、叶尖部主脉直径（x5）、叶中部主脉直径（x4）、叶宽（x8）分别与烘烤过程中38～42℃、42～46℃、46～54℃、54℃、38～54℃的失水速率的回归模型达显著水平。即模型筛选出鲜烟叶的叶片厚度、叶基部支脉直径、叶尖部主脉直径、叶中部主脉直径、叶宽作为与烟叶烘烤过程中各阶段失水速率相关的主要鲜烟叶指标。

表5 鲜烟叶指标与烘烤过程中各阶段失水速率逐步回归分析

2.5 优势分析

优势分析法（DA）是Budescu［27］提出的一种评估线性模型中自变量相对重要性的统计方法，该方法可通过计算各自变量在所有可能的子模型下解释因变量方差的贡献比例来估计自变量的相对重要性。

从分析结果（图1）上看，筛选出的鲜烟叶各项参数对其烘烤各阶段的影响存在差异，在38～54℃烘烤期间，叶宽对烟叶失水速率的影响相对较大，影响程度呈先上升后下降的趋势。其余各项指标对烟叶失水速率的影响程度则随着烘烤进行呈逐渐下降或先升后降的趋势。

图1 各指标在不同烘烤阶段对失水速率的平均贡献度

除叶宽外，在38～42℃阶段，鲜烟叶叶片厚度对烟叶失水速率的贡献较大，在42～46℃阶段，影响烟叶失水速率的主要鲜烟叶指标由叶片厚度变为叶基部支脉直径，进入46℃烘烤阶段由叶基部支脉直径逐渐变为叶尖部主脉直径，进入54℃后，由叶尖部主脉直径逐渐变为叶中部主脉直径。

3 讨论

从测定的鲜烟叶9项参数来看，变异范围在5.98%～18.58%，说明所选烟叶样品素质差别明显，同时所选烟叶在烘烤过程中各阶段失水速率的变异范围在14.55%～24.33%，说明其在烘烤过程中的失水特性表现出较大差异。

烟叶的外观特征是烘烤工作人员设计其相应烘烤工艺的直接因素。本研究的简单相关分析表明，鲜烟叶的含水率、叶片厚度、主支脉特征、叶长、叶宽等指标与其烘烤过程中的失水速率均存在一定的相关关系，但鲜烟叶各项指标间也存在显著的相关性。因此，不能根据受到多重共线性影响的简单相关系数来反映鲜烟叶各项指标对失水速率的影响，所以，为探寻鲜烟叶指标与失水速率的真实关联，采用逐步回归的方法来消除多重共线性的影响，建立回归方程，经检验均达显著水平，筛选出鲜烟叶叶片厚度、叶宽、叶基部支脉直径以及叶中、尖部主脉直径是影响烟叶烘烤过程中失水速率的主要指标。其中，鲜烟叶叶宽对失水速率呈正影响，即在相同的烘烤条件下，较宽的烟叶失水较快；叶片厚度、主脉直径、支脉直径对失水速率呈负影响，即叶片较厚、主脉、支脉较为粗大的烟叶，失水较难。

通过优势分析法，计算出各项指标对烟叶烘烤各阶段失水速率的平均贡献程度，鲜烟叶叶宽在变黄期、定色期对失水速率的贡献度均在60%以上；除叶宽外，主要贡献指标变黄期为叶片厚度，定色前期为叶基部支脉直径，定色中期为叶尖部主脉直径，定色后期为叶中部主脉直径。

干燥是一种复杂的传热、传质过程［28］，烟叶在烘烤中的失水过程也是如此，根据传热公式，干燥介质与物料间传热受两者之间的温差、传热系数、传热面积呈正相关［29］。研究表明，对流传热系数与物料的尺寸（如切片厚度）呈负相关；传热面积与物料的表面积、表面风速呈正相关［30］。而烟叶在烘烤条件下的干燥部位由叶片逐渐转为主脉，干燥部位的尺寸也由叶片厚度逐渐变为支脉、主脉直径，进而导致烟叶与烤房热空气间的传热系数下降，受热减少、失水速率降低，本研究对鲜烟叶干燥特性参数的筛选结果也表明，随着烘烤进行，影响烟叶失水速率的主要鲜烟指标（除叶宽外）由叶片厚度变为支脉直径，再变为主脉直径。烟叶长宽与表面积呈正相关［22］，因此理论上叶长、叶宽均对烟叶受热、失水存在较大影响，而本研究只筛选出叶宽作为干燥特性参数，这可能是由于所选品种烟叶样品中，叶长（变异系数7.16%）变异较小，而叶宽（18.58%）变异较大导致。

同时研究表明，随烘烤的进行，叶宽对烟叶失水速率的影响呈先增后降的趋势，原因可能是定色期较高的风机挡位致使叶间隙风速加快，烟叶与热空气的传热面积增加，致使叶宽对烟叶失水的贡献率上升；烟叶在烘烤过程中的横向收缩造成鲜烟叶的叶宽逐渐无法替代烟叶的真实叶宽，叶片逐渐失水导致叶片部分的所受热量难以传递到主脉中，从而造成叶宽对烟叶失水贡献率下降。

总体而言，烟叶结构的不均匀、烘烤条件非恒定致使难以通过单个鲜烟指标来描述其失水特性；同时烟叶的生长发育中，各项指标间具有多重共线性，成熟度、部位与含水率、SPAD、叶片厚度、叶长、叶宽［31］等指标均呈显著相关关系。本研究运用统计学方法，避免了多重共线性的影响，并筛选出烘烤各阶段的鲜烟叶干燥特性参数，可为基于鲜烟叶素质的失水模型提供参数指导。

若将鲜烟叶参数作为影响烟叶失水特性的内因，烘烤过程中烟叶的失水特性也存在外因的影响，例如温湿度、风机挡位、装烟密度、装烟方式等［16，32，33］，因此，探寻多方面因素对烟叶失水特性的影响有待进一步研究。

4 小结

在烘烤条件一致的情况下，鲜烟叶的叶片厚度、叶基部支脉直径、叶尖部主脉直径、叶中部主脉直径、叶宽共同作用于烘烤过程中烟叶的失水速率，筛选结果符合干燥原理，是基于鲜烟叶自身的干燥特性指标，可为烟叶烘烤过程中的传热传质分析、构建基于鲜烟叶素质的失水速率模型提供参数指导。