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

为合理优化烟叶烘烤工艺参数,运用物联网技术采集了河南3个产烟区烘烤温湿度数据,分析烘烤过程的历时和温湿度指标,并结合国内外烘烤工艺进行对比分析。结果表明:(1)中部和上部烟叶烘烤总时长分别集中在6.5～8.0 d和7.0～8.5 d,上部烟叶烘烤过程中湿球温度的波动相对较大。(2)豫西和豫南烟区变黄期、定色期和干筋期时长占烘烤总时长的比例约为40%、35%和25%,豫中烟区变黄期历时明显较长(占烘烤总时长55%左右)。(3)各烟区变黄期、定色期和干筋期的主要稳温阶段分别在40～42℃、43～48℃和61℃以上,变黄后期至干筋期的湿球温度较三段式工艺低1～2℃。(4)相关分析结果显示,变黄后期～定色中期湿球温度调控与烘烤进程密切相关。结合国内外烘烤工艺,可适当延长变黄期38℃和定色期54℃的稳温时间,合理调控变黄后期至定色期的湿球温度,避免大幅度波动,以促进烘烤过程中烟叶内在化学成分的合理转化。     

散叶密集烘烤烟叶外观与主要化学成分变化规律初探

对散叶密集烘烤过程中烟叶外观与主要化学成分的变化规律进行了研究.结果表明,散叶密集烘烤因装烟方式与常规挂竿烘烤不同,烤房内温湿度环境及烟叶的外观形态特征发生了改变,影响烟叶质量形成的主要变化因素为变黄后期烟叶失水速度较快,定色阶段烟叶失水速度较慢,所需定色时间相应较长.采用变黄后期提前少量排湿、适当延长定色阶段烘烤时间的烘烤方法可以有效解决因高温高湿对烟叶烘烤质量的影响.此外,散叶密集烘烤与常规挂竿烘烤烟叶化学成分变化没有明显差异.     

引进烤烟品种KRK26烘烤特性研究

为摸清津巴布韦特色烤烟品种KRK26 烘烤特性,以烤烟品种云烟97 为对照,研究了暗箱条件下和烘烤过程中KRK26上部烟叶变黄和失水变化规律及烤后烟叶经济性状。结果表明,暗箱条件下KRK26 变黄速度快,失水速度稍慢,易发生褐变;烘烤过程中KRK26 叶绿素降解速度快且彻底,类胡萝卜素降解相对较慢,类叶比大,变黄速度快,易变黄,变黄特性好,但也易于变褐,不耐烤;烘烤变黄前期和干筋期失水速度快,变黄后期和定色期失水相对稍慢,失水特性中等;KRK26失水速度相对落后于变黄速度,二者协调性稍差,烤后烟叶青杂烟比例较高,易烤性和耐烤性均略差。变黄期采用低温变黄的方法,变黄前期降低干湿球差控制烟叶失水,变黄后期和定色前期增加排湿力度,可调节烟叶失水和变黄协调性,有利于提高KRK26 烘烤质量。     

基于机器学习的密集烘烤过程烟叶失水率预测模型对比

为准确预测密集烘烤过程烟叶失水率,以精准调控烘烤工艺参数,基于机器学习建立烟叶失水率预测模型。以翠碧一号中部叶为材料,实时采集烘烤过程中烟叶图像和失水率; 利用图像处理技术提取烟叶的10种颜色特征和10种纹理特征,通过变量聚类和皮尔逊相关性分析优选出2种颜色特征(a*/b*、R)和2种纹理特征(梯度熵、梯度分布不均匀性); 将训练集图像的4种优选特征和烟叶失水率作为输入变量,分别对建立的网格式支持向量机(GS-SVM)、遗传算法优化的BP神经网络(GA-BP)、极限学习机(ELM)3种预测模型进行训练。利用3种预测模型对测试集图像进行烟叶失水率预测并与实际失水率比较。结果表明,3种预测模型均能够较为准确地预测密集烘烤过程烟叶失水率(均方根误差RMSE≤0.014 0,决定系数R2≥0.996 1),对变黄期(0~40 h)和定色期(40~100 h)的预测误差小于干筋期(100~140 h)。该技术可为烟叶烘烤智能调控系统的研发提供支持。      

烘烤过程中烟叶颜色变化与主要化学成分的关系

以烤烟NC89中部叶为试验材料,对密集烘烤过程中烤烟烟叶亮度值L、红度值a、黄度值b、饱和度C、色相角H°、色泽比H和色差值?E的变化规律及其与主要化学成分的关系进行了研究。结果表明,烘烤过程中烟叶正面与背面L、a、b、C、H°和H值的变化趋势基本一致;其均在鲜烟叶至42℃结束时变化剧烈,42℃结束之后变化幅度趋缓。烟叶正背面色差值的变化则相对平稳,从鲜烟叶至42℃开始略有上升,在54℃稳温结束时略有下降。相关分析表明,烘烤过程中烟叶各颜色参数与淀粉、还原糖、叶绿素、类胡萝卜素、蛋白质、氨基酸和含水量之间相关性明显,大部分都达到了显著或极显著水平。通过对烟叶颜色参数与化学成分的回归分析,建立了烟叶颜色参数与主要化学成分动态变化的预测方程;除叶绿素外,烘烤过程中烤烟烟叶其他主要化学成分预测值与实测值符合程度较好,预测精度高。通过色差计量化烘烤过程中的烟叶颜色参数,从而建立烘烤过程中主要化学成分的预测模型,进行快速准确的预测,提高烘烤操作的准确性。      

密集烘烤过程中烤烟电特性和主要化学成分变化

为探索利用烟叶的电特性实现烘烤过程中烟叶含水率与化学成分的实时无损快速检测,进而科学调控烘烤温湿度,采用电容仪、电桥仪和常规理化分析方法对烘烤过程中烟叶的电容值、电阻值以及主要化学成分进行了测定。结果表明,烘烤过程中随着烟叶内大分子物质的降解转化和水分的散失,在干球温度38℃至48℃结束时,烟叶电容值呈迅速下降的趋势,48℃之后呈极缓慢下降的趋势;电阻值的变化整体上呈上升趋势,在干球温度36℃至42℃的烟叶变黄期升高趋势较为平缓,且3个温度点烟叶电阻值间差异不显著(P0.05),进入定色期(干球温度42℃之后),烟叶电阻值呈急速骤升的趋势。相关分析表明,烟叶电容值和电阻值与主要化学成分间具有明显的相关性;电容值与含水率间的相关性达到极显著水平,与总糖、总氮、蛋白质、β-胡萝卜素、叶黄质、新黄质和可溶性果胶间相关性达到显著水平;电阻值与含水率和化学成分间存在一定相关性,但没有达到显著水平。     

充分发育烟叶失水特性及烘烤失水调控初报

对成熟烟叶采收后失水基本规律及烘烤过程失水与品质研究表明,烟叶失水干燥特征曲线表现出“近等速—减速—再减速”特征,烟叶失水明显减慢的临界含水率在３００％～３５０％区域。烘烤过程失水环境不同,烟叶失水速度可在４．３～２６．８ｇ．ｋｇ－１．ｈ－１之间变异。在皖北烟区若依靠自然通风进行排湿烘烤充分发育烟叶,绑竿密度以每标准竿６０～８０片为宜,而且采用低温低湿烘烤利于烤房内不同棚次烟叶协调失水。在变黄期,烤房底棚烟叶失水量下、中、上三个部位分别以占鲜烟重４０％、３０％、２７％为宜,失水速度平均值下、中、上三个部位可按１１．０、７．５、６．８ｇ．ｋｇ－１．ｈ－１左右调控。若变黄期烟叶失水适宜,定色期失水速度调控的关键是在升温适宜条件下将湿球温度控制在３７～３８℃。     

烟叶烘烤过程中不同变黄和定色温度下主要化学组成变化的研究

采用电热式温湿度自控烤箱,研究了不同烘烤条件下烤烟叶片中主要化学组成的变化。研究结果表明：在烘烤过程中,烟叶的失水速度呈变黄期小,定色期大,干筋期小的规律性,干物质的烘烤的前半段损失多,中后期烤时间延长,烟叶内淀粉、蛋白质、不溶性氮、烟碱含量下降,还原糖、总氨基酸和Ａｍａｄｏｒｉ氨基酸含量上升;低温变黄快速定色条件下,烟叶失水速度较慢,干物质损失量较多,淀粉、蛋白质等降解充分,还原糖、总氨基酸、Ａｍａｄｏｒｉ氨基酸含量较高,而且变黄温度对烟叶主要化学成分含量的影响效应比定色期升温速度对其影响效应大。     

密集烘烤过程中烤烟上部叶质地和色度变化研究

研究上部烟叶叶片、主脉在密集烘烤中质地和色度随干湿球温度变化的规律,为烘烤工艺的优化和完善提供理论依据。分别应用质构仪质地分析试验法和色差计研究了烘烤中烟叶硬度、回复性、粘聚性、咀嚼性4个质地参数和L*、a*、b*三个色度参数及水分的变化情况。结果表明:烘烤中烟叶叶片质地和色度各参数在变黄期38℃前后发生了明显的变化;主脉各参数主要在42℃之后,尤其是48~54℃。烘烤中烟叶TPA(texture profile analysis)测试评价参数硬度、回复性、咀嚼性曲线图的动态变化更为直观。烘烤中烟叶色度各参数差异性均极显著（P<0.01）,且a*值差异显著性好于b*值;叶片色度的差异显著性比主脉的更直观。相关分析表明,烘烤中烟叶叶片TPA测试参数硬度、粘聚性、咀嚼性的相关性较好（0.952~0.992）,是评价烟叶质地变化的可靠性指标;粘聚性和回复性可以灵敏地反映烟叶主脉的质地变化。相对于主脉,叶片色度的各参数的相关性更好（0.852~0.962）,呈显著或极显著正相关。色度各参数的相关分析表明,L*与a*的相关性明显好于L*与b*的相关性。      

不同烤烟品种的烘烤特性研究

对红花大金元、Ｋ３２６、Ｇ－２８和云烟８５、３１７等５个新品种（系）的烘烤特性进行了研究，测定了这些品种（系）的烟叶在烘烤过程中的变黄速度、色素含量变化及失水干燥速度。结果表明：红花大金元在烘烤过程中变黄慢，失水快，难于烘烤；云烟８５和Ｇ－２８的烘烤特性相近，变黄稍快，失水适中，较为好烤；３１７等４个品系和Ｋ３２６相近，变黄速度居中，失水平缓，较易烘烤。结果还表明：变黄过程中类胡萝卜素和叶绿素降解后的比值，在很大程度上决定了烟叶的黄色程度。因此可用单位时间内二者的比值平均增值表示变黄速度的快慢。     

气流上升式密集烤房温湿度场分布及其对烟叶质量的影响

为明确烟叶烘烤过程烤房的温湿度场分布差异及其对烟叶质量的影响,通过在烤房内均匀放置温湿度传感器采集烘烤过程的环境温湿度数据,从垂直和水平角度分析气流上升式烤房的温湿度分布规律,并研究了烤房不同区位烟叶的烘烤质量差异。结果表明：(1)烤房垂直和水平方向的温湿度均存在显著差异,变黄前期至变黄中期差异较小,变黄后期至定色前期差异增大,定色中期至干筋后期差异减小,且烤房垂直方向的温湿度差异大于水平方向。(2)对烤房烘烤过程的温湿度时序数据进行聚类分析,可将烤房18个区位较好地分为3类,即高温低湿区域、中温中湿区域和低温高湿区域。(3)在鲜烟素质一致的条件下,烤后烟叶样品烘烤损失、上等烟比例、主要化学成分和外观评价得分整体上均没有显著性差异。(4)总糖、还原糖和淀粉含量在垂直方向有上层<中层<下层的趋势,水平方向有前端>中端>后端的趋势,两糖比值分布规律与之相反;垂直方向下层烟叶存在颜色纯正度、柔软度和油润感得分较高的趋势,水平方向中端烟叶存在颜色纯正度、光泽度、柔软度和油润感得分较高的趋势。基于烤房温湿度分布规律研究,有助于为烤房合理分类装烟和烘烤工艺仿真提供数据支撑。     

烤烟晾制变黄时间对烟叶烘烤效果的影响

为深入研究烤烟晾制变黄时间对烟叶烘烤效果的影响,试验设置了24、48、72和96 h等4个晾制时间梯度,与采收后直接烘烤相对比,对烘烤过程中烟叶变化情况、能耗及烤后烟叶经济性状、外观质量、化学成分、感官质量进行了分析。结果表明,烤烟晾制变黄可缩短烤房内变黄时间,降低烘烤能耗,对烤后烟叶的烟叶外观质量、经济性状、化学成分、评吸质量也有一定的改善作用,其效果随晾制变黄时间的延长,呈先升高后下降的趋势。综合比较,烤烟晾制变黄48 h效果最好,可节省烤房内变黄时间20 h,有效缩短烤房使用周期,节约烘烤能耗15%,外观质量好,上中等烟比例提高5%,化学成分协调。     

变黄期温湿度及持续时间对上部烟叶呼吸速率和化学成分的影响

研究了变黄期温湿度及持续时间对上部烟叶呼吸速率及常规化学成分、中性致香物质含量的影响.结果表明:烘烤过程中,变黄期不同温湿度及持续时间处理的上部烟叶呼吸速率均呈现两个高峰,烘烤44 h时出现第一个高峰,64～68 h出现第二个高峰.变黄期干球温度40～42℃,湿球温度37.5℃,持续24 h的处理有利于烟叶保持较高的呼吸速率,烟叶内含物质转化充分,烤后烟叶淀粉含量降低,中性致香物质含量提高.     

低场核磁共振法测定烘烤过程中烤烟主脉的水分

为了准确掌握烘烤过程中烟叶主脉水分变化情况,利用低场核磁共振法测定了烘烤过程中烤烟主脉含水率及水分状态,并与烘箱干燥法含水率检测结果进行对比分析。结果表明:(1)鲜烟叶及烘烤过程中烟叶主脉含有结合水T_(21)(1~10 ms)和自由水T_(22)(100~1 000 ms);随着烘烤进程的推进,自由水信号幅值M_(22)与水分总信号幅值M_(20)呈现降低趋势,结合水信号幅值M_(21)呈现先升高后降低趋势。(2)线性回归分析表明,反演谱曲线总信号幅值分别与主脉水分质量、干基含水率呈极显著线性正相关(决定系数分别为R~2=0.997 9,R~2=0.998 3,P0.01),由回归方程可得到烘烤干燥过程中主脉含水率。(3)与烘箱法相比,低场核磁共振法检测结果稳定性较好,适用于烘烤过程中烟叶主脉含水率的快速、准确检测。     

烘烤过程中烟叶颜色特征参数与色素含量的关系

为了明确烟叶颜色特征与色素含量的关系,以红花大金元品种不同成熟度烟叶为试验材料,研究了烘烤过程中颜色特征参数和色素含量的变化以及二者间的关系.结果表明,在整个烘烤进程中,烟叶图像的3个颜色特征参数的大小依次为R(彩色数字图像中红色的亮度值)＞G(彩色数字图像中绿色的亮度值)＞B(彩色数字图像中蓝色的亮度值);不同成熟度烟叶R、G、B分量的平均值均表现为过熟＞适熟＞尚熟.烘烤过程中成熟度低的烟叶叶绿素降解速度较快,降解量明显大于成熟度高的烟叶;尚熟烟叶的类胡萝卜素含量在变黄和定色期大量降解,直到定色期结束时与适熟和过熟烟叶的类胡萝卜素含量接近,而过熟烟叶的类胡萝卜素含量下降幅度较小.R值与烟叶叶绿素含量间呈极显著负相关,B值与烟叶类胡萝卜素含量间存在显著负相关;R,G组合和r,g值(颜色分量)均与色素含量有较好的相关性;H(色调)值与烟叶叶绿素和类胡萝卜素含量间均存在极显著的正相关.选取与烟叶色素含量均具有显著相关关系的8个颜色特征参数,即H,g,r-g,G-R,G/R,G/(R+B),(G-R)/(G+R)和(R-G)/(R+G+B)值,建立了对烟叶色素含量的逐步回归方程,经F测验达到极显著水平.因此,烘烤中不同成熟度烟叶颜色特征参数和色素含量的相关性明显,可以用颜色特征参数作为辅助指标来判断烟叶色素含量.     

几个烤烟品种成熟期及采后的色素和水分含量变化

为了探索采收至烘烤环节烟叶品质发生变化和红大品种较难烘烤的原因,通过对不同烤烟品种鲜烟叶跟踪检测的方法,测定了鲜烟叶色素和水分含量的变化。结果表明,红大叶绿素a、叶绿素b含量均较高,导致烟叶烘烤前期变黄较快,但较难彻底变黄,需延长凋萎期时间;自由水和总水分含量较高,烘烤过程中易失水烤青或失水过少发生烤糊,束缚水含量较少,导致定色期缓冲能力较弱,难以定色。烟叶采后未及时进烤,导致烤后品质降低的主要原因是离体烟叶内部所发生的剧烈生物学反应,烟叶内有利于品质形成的色素前体物质提前降解。     

应用动态水分吸附法比较不同烟丝解湿过程的差异

为比较不同烟丝解湿过程的差异,应用SPSx动态水分吸附仪分析了不同原料烟丝在干燥解湿过程中含水率变化差异,考察了烟丝质量对含水率变化率和平衡时间的影响;对10种烟丝干燥解湿过程中含水率变化曲线进行了数学拟合,量化比较了不同烟丝间的差异。结果表明:(1)烟丝质量对含水率变化率和平衡时间均有影响,优化确定的SPSx动态水分分析仪适宜的烟丝质量为0.8 g;(2)烟丝在干燥解湿过程中的含水率变化曲线可用非线性指数方程进行拟合;拟合方程解析和推导结果显示,在实验范围内,不同类型烟丝的理论平衡含水率高低顺序为烤烟白肋烟晒黄烟;(3)与烟叶部位相比,烤烟产地对理论平衡含水率的影响更加显著;(4)烟丝失水比例的平均变化速率大小顺序为白肋烟晒黄烟烤烟;相对于产地,烤烟部位对失水比例的平均变化速率影响较显著,下部烟叶比中部和上部烟叶变化快,而中部与上部烟叶差异不显著。     

烟叶硝酸还原酶活性在烘烤过程中的变化

研究了不同品种、不同部位烟叶在不同烘烤方式、不同烘烤条件下,烟叶硝酸还原酶（ＮＲ）活性在烘烤过程中的变化。结果表明,在烘烤过程中ＮＲ活性随烟叶的失水干燥而下降,失水干燥快,ＮＲ活性下降也快。在不同品种间,红花大金元的ＮＲ活性下降比Ｋ３２６的下降稍快。不同烘烤方式、不同变黄温湿度对ＮＲ活性变化也有影响,在密集烘烤和较高的变黄湿度条件下,ＮＲ活性下降最慢,酶活性保持的时间较长。     

烤烟成熟过程中鲜烟颜色值与色素含量变化及相关分析

为研究烤烟成熟过程中鲜烟叶颜色值与色素含量的变化以及相关性,测定了各部位4 个成熟度鲜烟叶的颜色值和色素含量,并进行了相关性分析.结果表明,在烟叶成熟过程中,各部位烟叶的亮度值L＊、红度值a＊、黄度值b＊均不断增大,且各部位烟叶不同成熟度间各颜色值差异显著性不同,颜色值变化趋势存在差异,其中,中、上部叶红度a＊值变化较大,增幅显著.各部位烟叶叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、类胡萝卜素含量均逐渐减小,类叶比值不断增大.下、上部叶类叶比值增幅基本保持不变,而中部烟叶黄绿面积在70%～80%到80%～90%时类叶比值增幅较大.各颜色值均与各色素含量、类叶比值呈显著或极显著性相关关系.表明成熟过程中烤烟叶片颜色值与色素含量关系密切,叶片颜色值变化可以指示烟叶各色素含量的变化,可以将色差计作为判断烟叶成熟度的辅助工具.     

不同成熟度烟叶烘烤过程中生理生化变化研究

对不同成熟度的鲜烟叶在烘烤过程中主要生理生化变化规律及其烤后质量进行了系统的研究.结果表明,不同成熟度烟叶在烘烤过程中淀粉酶活性的变化规律均呈双峰曲线,变黄前、中期各处理烟叶淀粉酶活性的升高和淀粉相对降解量呈动态正相关,但后期相关性不高,说明淀粉的降解与多种因素有关,不仅仅受淀粉酶的影响.烟叶淀粉和色素的降解规律一致,均在变黄期(45℃以前,含水量30%以上)快速降解,特别是烘烤的前48 h降解量最大,之后变缓.淀粉和叶绿素含量随成熟度的提高而明显降低.在烘烤过程中,成熟度适宜的烟叶SOD和POD等保护酶活性较高,而PPO活性较低,棕色化发应不容易发生.适熟鲜烟叶淀粉含量较高,烘烤中降解较快,烤后烟叶外观质量较好,淀粉含量低而糖含量高,主要化学成分比较协调,感官评吸质量较理想.