烤烟回潮特性及其动力学模型

张保全+陈小翔+马留军+崔庆伟+郑登峰+曹廷茂+代昌明+蒋明贵+刘琼

摘 要：为研究不同条件下烟叶的回潮规律，对烤烟的回潮特性进行分析，并构建烤烟回潮的动力学模型。结果表明：烤烟回潮过程中烟叶的含水率呈对数增长趋势，且各处理均能达到回潮效果，45 ℃与55 ℃时回潮效率较高；烟叶回潮的动力学模型为Page干燥模型，各处理的拟合参数不同，均达到0.000 1的极显著水平，其中烟叶回潮的动力学模型为MR=exp[ （1.965 58-0.118 8×T+0.001 17×T2） ×t1.852 15-0.011 3×T]。在生产过程中可以利用烟叶回潮模型对烟叶的回潮效率进行精准控制，该结果可为烟叶回潮的研究提供一定的参考。

关键词：烤烟；回潮特性；动力学模型

中图分类号：S573 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.08.022

Abstract：In order to study the resurgence law of tobacco leaves under different conditions， resurgence characteristics of flue-cured tobacco were analyzed， and a dynamic model was built. The results showed that the water content of leaf had a logarithmic growth trend， and all treatments could reach the dampening effect， and at 45 ℃and 55 ℃ the resurgence had high efficiency. The dynamic model of a resurgence of tobacco was page drying model， and the fitting parameters of different treatment were different， but all reach a significant level at 0.000 1， the model was MR=exp[ （1.9655 8-0.118 8×T+0.001 17×T2） ×t1.852 15-0.011 3×T]. During the process of production， use of tobacco moisture the model could be used to control the tobacco leaf dampening efficiency.

Key words：flue-cured tobacco； resurgence characteristics； dynamic mode

回潮作为烘烤过程中的重要环节，其效率的高低对烟叶烘烤周期以及烟农的经济收益有着重要影响[1-9]，尤其是在外界天气持续干燥少雨以及烘烤旺季烤房数量不足的情况下表现更加明显[10]。烟叶的回潮是一个与周围空气的水分平衡过程，烟叶与周围空气的含水量水分梯度越大，回潮效率就越高。黄锋等[11]、张宗盛等[12]、周学政等[13]对制丝加工过程中烟叶回潮特性以及烟叶质量进行了研究，结果表明回潮温度对烟叶吸湿速率以及烟叶质量有较大影响。谢已书等[14]针对烤后烟回潮难的问题利用研制的回潮机对烤后烟叶进行回潮，结果表明密集烤房烤后烟叶加湿回潮的适宜温度为50～55 ℃。但对于烤烟回潮时回潮特性的研究鲜见报道。水分动力学是研究农作物回潮干燥特性的重要手段，国内外学者通过一些水分动力学干燥模型对农作物干燥过程中的水分含量变化进行了试验研究[15-19]，并取得了重要成果。基于此，笔者采用水分干燥动力学模型对烟叶会回潮过程中水分的变化进行拟合研究分析，以期为烤烟回潮的研究提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2015—2016年在贵州毕节威宁云贵基地进行，供试烤房为气流上升式热泵烟夹烤房，供试品种为云烟87，试验所用回潮机由郑州格润加湿器配件销售有限公司生产，试验所用干燥箱由上海精宏公司生产，试验所用天平为上海卓精千分之一BSM电子分析天平。

1.2 试验设计

试验设置4个处理： T1，停火后干球温度降至65 ℃时开始进行回潮；T2，干球温度降至55 ℃时开始回潮；T3，干球温度降至45 ℃时开始回潮；T4，干球温度降至35 ℃时开始回潮。

1.3 水分测定

1.4 回潮温度的控制

回潮温度通过热泵进行稳定控制，回潮风机转速为960 r·min-1。

1.5 干燥模型

干燥模型采用Page模型与Henderson and Pabis模型。

1.6 数据处理

数据处理采用Mathematica 10.0进行。

2 结果与分析

2.1 不同处理烤烟的回潮特性

由图1（a）可知，回潮前期烟叶含水率随回潮时间增加上升较快，回潮后期上升较慢，回潮时间最短的为45 ℃与55 ℃，最长的为65 ℃，但不同处理回潮过程水分的吸收均呈对数规律上升。图1（b）为烟叶回潮的水分比曲线，从图中可以看出，前期烟叶回潮的MR降低较快，后期较慢。不同处理差异较大的时间出现在回潮的1.5～2.5 h之间，35 ℃回潮的烟叶前期MR值較大，后期较小，65 ℃的烟叶回潮的MR值表现为前期较小后期较大，但整个回潮过程烟叶的水分比呈指数规律下降。图1（c）为烟叶的回潮速率，由图可知，35 ℃的烟叶回潮吸湿速率在整个回潮过程中最小，65 ℃烟叶的回潮吸湿速率降低幅度较大，可能是由于回潮温度过高所致。烟叶的回潮速率分为两个快速阶段与慢速阶段，在回潮初期烟叶的含水量较低，当烤房内空气湿度增加时，烟叶与空气的水分梯度较大，吸湿速率急速上升；随着回潮的推移，烟叶的水分含量不断增加，二者的水分梯度降低，烟叶的吸湿的动能减少，回潮速率减小。

2.2 烤烟的回潮动力学模型

2.2.1 回潮模型的选取 烟叶作为一种多孔介质，薄层材料，其干燥吸湿过程符合热动力学规律。因此，本文选用Fick第二定律中普适性较好的Page模型与Henderson and Pabis模型。

2.2.2 回潮模型的验证 随机选取50 ℃烤房回潮过程中烟叶的水分参数的试验值与理论值进行验证。由图3可知，Page模型的理论值与实际值的拟合度很高，R2达到0.957 3，即当回潮温度可知时，可以预测回潮过程中任意时刻的烟叶含水量比，若已知烟叶的平衡含水率与初始含水率就可以计算烟叶的含水率。

3 结论与讨论

烤烟的回潮特性试验表明，各处理均能达到较好的回潮效果。不同处理回潮过程烟叶的含水率变化呈对数规律上升，而烟叶的含水量比呈指数减少趋势，尤其是在45 ℃与55 ℃进行回潮时，烟叶达到平衡含水率的时间较短，效率较高，这与谢已书等[14]的研究结果基本一致。就回潮效率而言，65 ℃烟叶回潮效率较低，主要是65 ℃烤房的温度较高使得烟叶水分的蒸发效率相对较高，使得烟叶净吸水量较少，回潮速率较低[9]。而35 ℃时烟叶的回潮效率相对较低，尤其是烟叶的吸湿速率在前期很低，则可能是由于温度较低，烤房空气内的绝对含湿量相对较低，烟叶与烤房空气的水分梯度较小，吸收的动能较弱[9]，使得烟叶从空气中吸收的水分相对较少，烟叶的回潮效率较低[9]。

本试验效果较好缩短了烟叶回潮的时间，回潮后的烟叶表现为叶片回潮效果较好，但主脉的回潮基本不明显，烟叶出房时会有一定程度的造碎，因此，对主脉的回潮还需进一步的研究。再者，强制回潮与自然回潮对烟叶质量有哪些影响未曾涉及，还需在后续研究中给与一定的关注。

通過运用干燥模型对烤烟回潮进行模拟可知，Page干燥模型表达时参数少拟合度高，能够准确地反映烤烟回潮的水分动态，而这也是回潮设备设计、参数优化的重要依据。在实际生产中可以利用此模型预测并控制烤烟的回潮效果，从而优化烤烟回潮方式与方法，减少用电用水能耗，提高生产效率，降低劳动成本。

随着大数据时代的到来[19]，烟叶生产将会向着高效化、智能化发展[8]。回潮作为烟叶生产的重要环节，随着对烟叶回潮的研究不断深入，优化算法日益完善，将来会成为对烟叶回潮的重要研究对策，回潮模型的构建更可以在一定程度上加速对烟叶回潮研究的进程。

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