基于物联网数据采集技术的河南烟叶烘烤工艺大数据分析

过伟民，赵 虎，郑劲民，张艳玲，刘剑君，张仕祥，王建伟，王爱国，蔡宪杰，许成悦，郑 丰

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院 烟草行业生态环境与烟叶质量重点实验室，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

2.西南大学工程技术学院，重庆市北碚区天生路2 号 400700

3.河南省烟草公司，郑州市郑东新区商务外环路15 号 450001

4.上海烟草集团有限责任公司，上海市杨浦区长阳路717 号 200082

5.安徽中烟工业有限责任公司，合肥市高新区黄山路606 号 230000

烘烤是烟叶品质形成的关键阶段。大田收获后的鲜烟叶需要人为给予一定的温湿度条件和持续时间，使烟叶含水率由85%左右到接近干燥、颜色由绿黄色变为橘黄色，促使烟叶内在大分子物质降解和致香物质形成等。烘烤阶段的划分与温湿度管理是烘烤工艺的核心。我国于20 世纪90年代提出烤烟三段式烘烤工艺［1］，1996 年出台行业标准［2］，将烟叶烘烤过程划分为变黄期、定色期和干筋期3 个阶段，并提出不同阶段的主要技术要点［3］。近年来随着密集烤房的逐渐普及，针对烤房装烟量大、排湿快等特点，又相继提出“五段五对应”［4］、“八点式”［5］、“三段六步式”［6］等烘烤工艺。并在三段式烘烤工艺基础上，对烘烤阶段进行了更为精细的划分，同时也开展了不同烘烤阶段工艺参数优化研究［7-10］，提高了烟叶烘烤环节的精准控制水平。

我国不同生态区烟叶采烤季节的气象条件和鲜烟叶素质差异较大，使烟叶的烘烤工艺、烘烤设施和控制系统等均存在不同程度的差异。前人曾对烟叶烘烤过程数据采集与控制系统进行了研究［11-12］，但由于烟叶产区分散、烘烤数据采集方法不成熟、烘烤控制系统不兼容等问题，尚难以全面分析烘烤过程中温湿度数据及烘烤工艺中存在的问题，这在一定程度上制约了烟叶品质的进一步提高。为此，利用烘烤物联网数据采集装置［13］，连续2 年在河南3 个烟区采集烘烤过程温湿度数据，分析了不同烘烤阶段的时长和湿球温度等指标，明确了各烟区烘烤工艺的主要特点，并与国内外烘烤工艺进行对比分析，旨在为河南烟叶烘烤工艺的优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 烘烤过程温湿度数据采集

2018—2019 年采用烤房控制仪加装烘烤物联网数据采集装置，在试验区域（表1）跟踪采集中部和上部烟叶烘烤过程中的温湿度数据6 891套。所采集数据涵盖河南产区3 个烟草种植二级区的9 个地级市［14］。

表1 数据采集区域及数量Tab.1 Area and quantity of data acquisition

1.2 分析方法

以GB/T 23219—2008［15］烘烤三阶段划分为基础，提取每套烘烤数据的变黄期、定色期和干筋期的时长。参考国内外烘烤工艺［4-6,16］的烘烤阶段及温度段划分，每个烘烤阶段又进一步细化为35 ℃以下（预变黄期）、36～37 ℃（变黄前期）、38 ℃（变黄中期）、39～40 ℃（变黄中后期）、41～42 ℃（变黄后期）、43～48 ℃（定色前期）、49～51 ℃（定色中期）、52～54 ℃（定色后期）、55～60 ℃（干筋前期）和61 ℃以上（干筋后期）等不同时期，提取湿球温度中位值等指标。

1.3 数据处理

采用OFFICE 2016 箱型图分析不同烟区烘烤工艺指标的差异，采用SPSS V 19.0 数据处理模块分析不同烟区烘烤工艺指标的相似性,采用相关分析研究烘烤工艺指标间的相关性。

2 结果与分析

2.1 烘烤工艺指标数据分析

不同烘烤阶段时长分布见图1。中部烟叶烘烤总时长中位值168 h，接近2/3 数据分布在156～192 h，上部烟叶中位值较中部叶增加9 h，集中分布在168～204 h。中部烟叶变黄期时长集中分布在48～84 h，中位值71 h，上部烟叶60～96 h 的占比接近50%，中位值81 h，少量数据（10%左右）变黄期时长超过120 h。中部和上部烟叶的定色期和干筋期时长差异不大，定色期时长中位值55 h 左右，集中分布在36～72 h，干筋期时长中位值在34 h左右，集中分布在24～48 h。总体来看，上部烟叶烘烤总时长较中部烟叶多9 h 左右，变黄期时长差异较大，定色期和干筋期时长相近。

图1 烘烤总时长及变黄期、定色期和干筋期三阶段时长的分布Fig.1 Distributions of total flue-curing time and durations of three stages (yellowing,color-fixing and stem-drying)

烘烤不同时期的湿球温度分布见图2。变黄中期的湿球温度集中分布在35.5～37.4 ℃，中部和上部烟叶差异较小，中位值均为36.4 ℃。变黄中后期的湿球温度集中分布在35.5～38.4 ℃，中部和上部烟叶差异不大，中位值均为36.9 ℃。变黄后期中部烟叶的湿球温度主要分布在35.5～37.4 ℃，中位值36.7 ℃，上部烟叶湿球温度的分布相对分散，34.4 ℃以下、35.5～36.4 ℃、36.5～37.4 ℃的占比均接近或超过1/5，中位值36.2 ℃。定色前期湿球温度的分布规律与变黄后期相似，中部烟叶主要分布在35.5～37.4 ℃，中位值36.4 ℃，上部烟叶1/3数据的湿球温度在34.4 ℃以下，中位值35.6 ℃。定色后期中部烟叶湿球温度明显提高，集中分布在36.5～39.4 ℃，中位值接近38 ℃，上部烟叶湿球温度略有回升，但仍有近1/3 数据低于35.4 ℃。干筋后期中部烟叶湿球温度集中分布在38.5～42.4 ℃，中位值40.1 ℃，上部烟叶的分布相对分散，中位值较中部烟叶低1 ℃。总体来看，中部烟叶烘烤过程湿球温度随干球温度升高呈先稳定后上升的趋势，上部烟叶变黄后期至定色期的湿球温度出现较明显波动，湿球温度总体较低，干湿差较大。

图2 不同烘烤时期湿球温度中位值的分布Fig.2 Distributions of median value for wet bulb temperature at different flue-curing stages

2.2 不同烟区烘烤工艺指标分析

2.2.1 烘烤三阶段时长分析

由图3 看出，不同烟区烟叶的烘烤总时长存在差异，豫中和豫西烟区的烘烤总时长较长，中部和上部烟叶的中间50%数据分布在155～190 h，豫南烟区的烘烤总时长相对较短，中间50%数据分布在150～180 h。不同烟区烟叶烘烤三阶段的时长存在较明显差异，豫中烟区的变黄期时长明显较长，中部和上部烟叶的中位值分别接近90 h 和超过100 h，豫西烟区两部位烟叶的中位值在70～80 h之间，豫南烟区变黄期时长明显较短，两部位的中位值均在70 h 以下。不同烟区烘烤定色期时长的差异相对小于变黄期，豫西、豫南烟区相对较长，两部位的中位值在60 h 左右，豫中烟区两部位的中位值在50 h 左右。不同烟区烘烤干筋期时长的差异特点与定色期表现相似，豫西、豫南烟区中位值在35～40 h，豫中烟区相对较短，中位值在30 h左右。

图3 不同烟区烟叶烘烤三阶段的时长比较Fig.3 Duration of each flue-curing stage in different areas

以变黄期、定色期和干筋期时长为变量，对不同烟区进行系统聚类分析的结果见图4。由图4及表2 可以看出，各烟区中部和上部烟叶均可归为同一类。豫西、豫南烟区烘烤各阶段时长的分配基本一致，变黄期、定色期和干筋期时长占烘烤总时长的比例约为40%、35%和25%。豫中烟区变黄期大幅度延长，三阶段的时长占比约为55%、30%和15%。

表2 不同烟区烘烤三阶段时长占烘烤总时长的比例Tab.2 Proportions of durations for three flue-curing stages to total flue-curing time in different areas

图4 不同烟区烟叶烘烤时长的聚类分析树状图Fig.4 Cluster tree analysis for tobacco curing time in different areas

2.2.2 烘烤工艺拟合曲线分析

利用干湿球温度数据拟合不同烟区的烘烤工艺曲线（图5）显示，中部和上部烟叶的规律基本一致。豫中烟区烘烤工艺的主要特点:中高温（干球40～42 ℃）中高湿（湿球36～37 ℃）主变黄，低温（干球45 ℃左右）低湿（湿球35 ℃）主定色；豫南烟区的主要特点:中高温（干球40～42 ℃）高湿（湿球37 ℃左右）主变黄，低温（干球45 ℃左右）中湿（湿球36 ℃）主定色；豫西烟区的主要特点:中高温（干球40～42 ℃）中高湿（湿球36～37 ℃）主变黄，低温（干球45 ℃左右）中湿（湿球36.5 ℃）主定色。

图5 不同烟区烘烤工艺大数据拟合曲线Fig.5 Big data fitting curve of flue-curing process in each area

2.3 烘烤工艺指标间的相关分析

烘烤过程湿球温度与烘烤各阶段时长的相关分析结果见表3。从表3 可看出，变黄后期湿球温度与变黄期时长呈极显著负相关，与定色期时长呈极显著正相关，不同烟区表现基本一致。由于烟叶含水率较高的烘烤前期，湿球温度近似等于叶片温度，变黄后期湿球温度提高，烟叶内生理生化反应相对加快，可较快完成变黄，进而相对缩短变黄期时长。定色前期湿球温度与变黄期时长呈极显著负相关，即存在变黄期越长，进入定色期湿球温度越低的趋势，这可能与变黄期延长时间烟叶变黄充分，定色前期降低湿球温度，增大干湿差加速叶片干燥的烘烤工艺有关。此外，定色前期至定色中期的湿球温度与干筋期时长呈极显著正相关，定色期降低湿球温度，烟叶失水干燥速度加快，使干筋期时长相应缩短。

表3 烘烤过程中湿球温度与三阶段时长的相关性Tab.3 Correlation of wet bulb temperature and durations of three stages

综合各烟区烟叶烘烤特点，变黄后期至定色中期，湿球温度的调控与烘烤进程密切相关。提高变黄后期湿球温度，变黄期时长相对缩短，定色期时长相对增加；降低变黄后期湿球温度，变黄期时长会相对增加，但定色前期湿球温度降低、干湿差增大可使叶片干燥加速，定色期和干筋期的时长也相应缩短。

3 讨论

本试验中大数据分析结果发现，上部烟叶烘烤过程的调控与中部叶存在差异，一方面体现在变黄期时长和烘烤总时长增加，另一方面体现在湿球温度调控上，上部烟叶在变黄后期至定色期存在降低湿球温度、增大干湿差进而加速叶片干燥的烘烤特点。综合目前烘烤工艺，孙福山等［4］和汪伯军等［6］对烘烤各阶段的时长提出了建议范围，虽然具体划分阶段和每阶段时长数值不尽相同，但变黄期（42 ℃以前）、定色期（43～54 ℃）和干筋期（55～68 ℃）时长占烘烤总时长的比例约为40%～45%、35%左右和20%～25%。对比本试验中结果，豫南和豫西烟区烘烤三阶段的时长分配与此基本吻合，豫中烟区变黄期时长相对增加（占比55%），定色期和干筋期时长相对缩短。多数对烘烤工艺的研究提出，在变黄期38 ℃和42 ℃延长时间，分别完成大部分烟叶的变黄和适度失水（支脉变黄），定色期45～48 ℃和52～54 ℃分别延长时间，完成主脉的变黄（进一步失水）和致香物质充分转化（叶片干燥），干筋期65～68 ℃完成主脉干燥［4-6，15］，也有学者提出60 ℃适当延长时间可减少香气物质挥发［6］。“美式三段式”“菲莫工艺”［16］等国外烟叶烘烤工艺也基本以38 ℃、40～42 ℃、54 ℃左右、68～70 ℃为主要稳温点。结合本试验结果，各烟区均以38 ℃左右为烘烤起始温度，40～42 ℃延长时间完成烟叶变黄，主要定色时间均在43～48 ℃，52～54 ℃温度段的时间相对较短，可能影响致香物质的形成。

烘烤过程中的湿球温度控制与内在品质转化密切相关［7］。一般认为，烘烤前期湿球温度与叶片温度相当，决定了烟叶内在生理生化反应的程度，烘烤后期湿球温度调控则与烟叶的色泽深浅、光泽度和叶片结构等［17］密切相关。国内外多数烘烤工艺［4，6，16］提出烘烤过程湿球温度随干球温度升高而逐渐升高，“八点式”工艺［5］提出提高主变黄期湿球温度（37～38 ℃）可促进烟叶中物质转化，降低定色前期湿球温度（36～38 ℃）可减少挂灰、黑糟烟的烘烤理念。结合本试验结果，多数烟区烘烤过程湿球温度的变化趋势与已报道的烘烤工艺接近，但定色期至干筋期湿球温度相对低1～2 ℃（上部烟叶更明显），可能对烟叶颜色的深浅和色度产生影响。豫中烟区湿球温度呈相对特殊的“N”形变化，定色前期湿球温度由变黄期的36～37 ℃下降至35 ℃以下，湿球温度长时间大幅度下降，可能造成烟叶在定色前期过早过快干燥，烤后烟叶颜色偏浅，致香物质转化不充分。此外，也有学者认为烘烤过程中湿球温度的“N”形调控易引起烟叶挂灰而影响其品质［4］。

烘烤工艺指标的相关分析显示，变黄后期至定色中期湿球温度的调控与烘烤进程密切相关。降低变黄后期湿球温度，变黄期延长，且定色前期存在湿球温度持续降低而加快叶片干燥的趋势，定色期和干筋期时长相对缩短。具体来看，豫中产区存在较明显的烟叶变黄后期湿球温度下降→变黄期延长→定色前期湿球温度下降→定色和干筋期缩短的规律。而在结合鲜烟素质、烘烤工艺和烤后烟叶品质的数据采集与分析，以及更有针对性地进行烘烤工艺优化方面还有待于进一步研究。

4 结论

河南烟区中部和上部烟叶烘烤总时长分别集中分布在6.5～8.0 d 和7.0～8.5 d，上部烟叶烘烤过程湿球温度的波动大于中部烟叶。豫西和豫南烟区烘烤三阶段时长占烘烤总时长的比例接近40%、35%和25%，豫中烟区变黄期明显延长。与三段式等烘烤工艺相比，各烟区变黄期38 ℃和定色期54 ℃时间相对较短，变黄后期至干筋期湿球温度相对偏低，个别烟区湿球温度存在“N”形变化趋势。结合大数据分析与国内外烘烤工艺，可适当延长变黄期38 ℃和定色期54 ℃的时间，合理调控变黄后期至定色期湿球温度以避免其大幅度波动。