风机变频调速对烤后烟叶质量的影响研究进展

陈家鼎 王爱霞 段宏群 李成刚 冯俊升 王 宏 葛国峰 孙占伟*

（1河南农业大学烟草学院，河南郑州 450002；2河南中烟工业有限责任公司，河南郑州 450016；3河南省烟草公司洛阳市公司，河南洛阳 471000）

随着智能化和自动化的不断发展，我国烟叶烘烤技术已形成一个完善的体系，为整个烟草行业发展作出了非常大的贡献。风作为烘烤过程中温度和湿度的载体，通过风机变频调速技术精准控制送风量对于调节烘烤各时期的叶间隙风速、提升烤房干湿球控制精度、促进烤房内环境均一化等具有重要意义。刘光辉[1]通过对比烤房空载时变级调速和变频调速下的风速分布，发现烤房内的风速分布与风机频率成明显正相关。李昱霖等[2]基于响应面法研究了烤烟低风速段、高风速段和装烟密度与烤后烟叶质量、烘烤时长之间的相互作用关系，发现低风速段对烤后烟叶质量和烘烤时长影响显著，高风速段对提升烘烤效率具有显著作用，并提出了2个风速段的具体风机频率参数。不同烘烤阶段烟叶的失水速率不同，体积收缩程度有明显差异，对叶间隙风速大小的要求也不相同，仅凭高、低2个风机频率无法很好地满足烟叶烘烤需求。同时，在烘烤转火时，风速过大或过小很容易导致升温过猛或升温滞后，影响后续烟叶状态变化。基于此，本文对近年来风机变频调速对烟叶烘烤的影响研究进行了分析归纳，以期为后续通过风机变频调速提高烟叶质量、提升烘烤效率提供一定参考。

1 变频调速的作用机理

变频调速直接影响烤房内风速场的分布。变频调速对于烟叶烘烤的影响主要通过改变烤房内的风速及温湿度来实现。

1.1 风速

烤房内环境是实现烟叶内环境与外界环境湿热交换的过渡场所，直接影响到烟叶的烘烤效率。风是实现这一转换的重要载体，大小适宜、分布均匀的风速在保证烟叶黄软协调的同时可以促进烟叶状态均一化。有相关研究表明，高风速下烤后烟叶颜色多以柠檬黄为主，香气量不足，杂气偏重，刺激性大，辛辣味重；低风速下烤后烟叶颜色黯淡，香吃味浓郁[3]。变频对烤房内风速大小和分布的影响是同步的。常剑波等[4]强调烟叶表面的水分汽化要与烤房通风排湿相契合。王建安等[5]研究表明，叶间隙风速0.12 m/s有利于烟叶物理性状和化学成分的形成。刘闯[6]提出叶间层风速在变黄期0.22 m/s、定色期0.35 m/s、干筋期0.4 m/s时烟叶外观质量较优。在整个烘烤过程中，垂直风速在烤房径向的分布差异不如平面风速明显[7]。同一风机频率下，随着烘烤过程的进行，烟叶体积收缩，叶间隙变大，叶间隙风速呈变大趋势；同一烟叶状态下，风机频率与烤房内风速大小变化成明显正相关关系[1]。刘兆宇等[8]对烘烤干筋期密集烤房内部气流场进行了系统的数值模拟，发现热空气进入装烟室后，气流在装烟室顶部水平流动，流速逐渐减小；进入烟叶堆积区域后气流速度最小，风速较均匀；在出风口速度变化较大。杨宸裕[9]在改变风量情况下对烤房内空气流速进行仿真测试，发现距离烤房顶部0.5～3.0 m处流速较为稳定，其余位置流速与进风口风量成正相关。风机转速一定时，通过改变风机功率同样可以改变烤房进风量，且烤房内各点处的风速随功率的增大明显增大[7]。

1.2 温湿度

干湿球温度是烟叶烘烤的核心要素，直接影响烟叶的变黄和脱水速率，对烘烤质量起决定性作用。密集烤房多为气流上升式和气流下降式，热源和排湿口通常设置在烤房一侧，以达到烤房内循环的效果，但垂直距离的存在导致烤房内温湿度空间分布出现差异。刘光辉[1]通过试验证明风机变频调速下实际干湿球温度更贴近设定值，且升温曲线平滑，波动幅度明显降低。杨芳等[10]研究发现，在相同装烟密度下，风机频率的增大使烤房内的平面温差、垂直温差和湿度差减小，但从烤后烟叶的实际情况判断出风机频率的选择存在上限。低频处理下烤房垂直温差在变黄期、定色期、干筋期都明显增大，且始终高于平面温差，湿度的变化趋势与温差具有高度相似性[7]。说明变频调速应在维持烤房温湿度向设定值靠近的基础上，尽可能减小烤房内温湿度差值。

2 变频调速对烤后烟叶质量的影响

2.1 外观质量

外观质量是评价烟叶烘烤质量的首要因素，烘烤过程中烟叶外观质量与风机频率息息相关，而传统双速电机烤后青杂烟现象严重。变黄期叶间隙风速过大，会使烟叶局部含青[11]。定色期叶间隙风速过大时，叶表面水汽饱和层状态被打破，色度难以得到很好固定，烤后烟叶颜色偏暗，油分明显欠缺；叶间隙风速过小时，烤房横向和径向的烟叶变黄失水状态存在明显差异，不能保证烟叶质量均一化。李旭华等[12]通过适当降低变黄期风机频率，延长变黄时间，使烤后烟叶色度和橘黄烟比例得到明显提升。在此基础上，通过在定色期和干筋期设置不同的风机转速处理，发现不同处理间烤后烟叶组织结构、油分、成熟度差异不显著，当定色期（42～54℃）风机频率50 Hz、干筋期（54～68℃）风机频率 24 Hz时烤后烟叶身份适中、色度强、外观质量最优[13]。此外，风机功率的大小要与装烟密度相匹配。常剑波等[4]研究发现，低风机功率、高装烟密度和高风机功率、低装烟密度时烟叶外观质量明显变差。

2.2 化学成分

烟叶的内在化学成分主要包括常规化学成分、中性香气物质、有机酸等，是反映烟叶内在品质的主要指标，与调制方法息息相关[14-16]。烘烤过程中风机频率的大小直接影响烟叶的生理生化反应，进而影响烤后烟叶化学成分的均衡性。已有研究表明干筋期过大的叶间隙风速会导致烟叶香气物质散失[12]。与全程固定风机频率相比，变频调速在42℃左右适当延长烘烤时间，可以促进含氮化合物的代谢和淀粉的进一步降解[1]，烤后烟叶的总糖含量提高1.1%、还原糖含量提高3%、淀粉含量下降0.7%，整体协调性有所提升。张树堂等[17]研究发现，烤烟下部叶淀粉、总糖、还原糖的含量随风机功率和风机转速的增大而下降，上部叶的淀粉含量也呈相似趋势，但总糖和还原糖的含量呈先下降后上升的趋势。詹军等[18]研究发现，变频烘烤的烤后烟叶总糖和石油醚提取物含量显著增高，总氮、蛋白质、氯含量有所降低，促进了烟叶内在品质的提高。干筋期适当降低风机频率可以显著提高质体色素降解产物总量、叶绿素降解产物（新植二烯）含量、棕色化反应产物香气类物质总量、苯丙氨酸类香气物质总量、类西柏烷类香气物质总量以及酮类、醇类、杂环类、酚类和芳香族类化合物含量[19-21]，极显著提升具有花香味的苯甲醇类物质和具有新鲜胡萝卜香味的茄酮类物质含量。许齐等[22]研究发现，干筋前期采用中等风机频率、干筋后期采用较低风机频率，烤后烟叶施木克值、糖碱比、氮碱比、蛋氮比均在优质烟叶指标范围内。按烟叶烘烤进程进行多温度段风机转速精准控制后[23]，发现烤后烟叶有机酸含量明显升高，苹果酸含量显著增高，柠檬酸含量略有降低，有利于平衡烟叶燃吸酸碱度。研究发现，采用三速变频循环风机在变黄期可以维持酶活性，促进叶绿素a、叶绿素b、β-胡萝卜素和类胡萝卜素降解；在定色期能够使主脉叶绿素充分降解[24-26]，增加类胡萝卜素类香气物质的含量。王柱石等[27]对风机频率与烤后烟叶潜香物质含量之间的相关性进行了补充研究，并提出变黄期风机频率35～40 Hz、定色期风机频率35～50 Hz、干筋期风机频率25 Hz时烤后烟叶潜香物质含量显著提升。因此，在烟叶烘烤过程中风机频率对烤后烟叶糖类、含氮化合物、生物碱及各种香味物质的含量具有显著影响。

2.3 感官质量

烟叶的化学成分是烟叶质量形成的物质基础，而烟叶感官质量又是烟叶质量的判定标准。现有研究表明，风机变频调速对于烟叶感官质量的影响主要是通过影响烟叶外观质量、调控烟叶内在化学成分来实现。樊军辉等[28]研究表明，烘烤过程中高风机频率会使烤后烟叶香气不足、辛辣味重、刺激性大，低风机频率使烤后烟叶表现出较为浓郁的香气和吃味。李俊鹏等[29]在对循环风机转速进行精准控制后，发现变频调控处理的烤后烟叶在香气质、浓度、余味、燃烧性和灰分等方面评吸得分比未变频调控处理的烤后烟叶平均高0.5分，综合评吸得分提高2～3分，使用价值明显提升。经风机变频处理的南江3号中部叶烤后感官质量表现为浓度中上、劲头适中、余味舒适、细腻、燃烧性强且灰色发白[22]。这与风机变频调速可以提高烟叶外观质量、提升化学成分协调性具有高度一致性，可能是二者共同作用的结果。

3 变频调速对烘烤经济性状的影响

烘烤的经济成本和烤后烟叶的经济效益共同构成了烘烤经济性状，风机变频调速技术对于烘烤经济性状的影响主要体现在缩短烘烤时间、提高烟叶等级方面。一方面，高风机频率可以加快烘烤进程，减少能源消耗时间，但同时单位时间内能源消耗量有所上升；另一方面，仅通过提高风机频率以提高烘烤效率会对烟叶质量产生很大影响，降低上等烟比例。因此，变频调速对于烘烤经济性状的影响不能单从成本和收益2个方面考虑，应结合烘烤过程中烟叶的生理生化反应、变黄失水情况综合考虑，在最大程度提升烤后烟叶质量、增加经济收益的基础上，找到与烟叶烘烤全过程相契合的最适宜风机变频参数，做到收益最大化、成本最小化。

刘闯等[13]对风机不同变频处理下的烘烤经济性状进行统计对比发现，虽然全程低频处理下的烘烤经济成本最低，但经定色期高频处理后的烤后烟叶均价最高，综合经济效益最好。何传国等[30]通过对传统密集烤房加装风机变频器进行对比试验发现，烤后烟叶鲜干比无明显变化，但经变频处理的烤房烤后烟叶上等烟比例提高3.9个百分点，烟叶均价提高0.6元/kg，说明变频处理与烟叶干物质消耗无明显相关性，但能够提升烟叶质量，提高烘烤经济效益。姜鹏超等[31]研究发现，经风机变频自控系统控制的烤后烟叶耗电量减少114 kW·h，干烟叶产出量提高104.4 kg/hm2，平均增值2 820.15元/hm2。两者在烤后干烟重量上的差异可能由烤烟品种及变频处理导致，还需进一步开展试验研究。

4 结语

近年来，随着变频技术的发展，传统双速风机已发展成三速、四速风机。烟叶的生命代谢活动具有连续性，烤房的环境应随着烟叶的分解代谢程度、烟叶颜色变化程度、烟叶失水程度的变化而变化，而档位式的风机只有固定的几个转速，不能满足烟叶烘烤需要[32]。现有的风机变频器具有无级调速功能，可以提高烘烤设备与烘烤工艺的吻合度。

然而，目前国内对烘烤过程中的风机变频调速研究多集中在关键温度点的稳温阶段，对烘烤过渡温度点及升温区间的风机变频调速研究尚未开展。此外，因地区、品种差异无法建立国内广泛适用的烟叶烘烤技术体系，未来有望通过风机变频调速技术进一步优化烘烤工艺，为我国烟叶烘烤提质增效提供新的途径。