不同密集烤房对烤烟烘烤能耗成本与上部叶品质的影响

张雨薇，易镇邪，周清明

(湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128)

目前，我国烤烟密集烤房以燃煤为主[1]，能耗高，且污染环境，主要体现在煤炭燃烧带来的粉尘、有害气体及煤渣排放等方面.所以，节能减排已成为烤烟密集烤房研究的重要方向.密集式烤房研究也逐步转向新能源烤房[2].近10余年来，得益于新能源产业的发展，我国有关新能源烤房的研究日渐增多.众多研究比较了新能源烤房与传统燃煤烤房的能耗与烘烤成本，聂荣邦等[3]研究认为，智能化太阳能密集烤房与对照烘烤各炕次烟叶的耗电量无显著差异，但具有节煤效果；众多研究认为[4-7]，空气能热泵烤房的烘烤成本低于传统燃煤烤房；蒋志清等[8]研究认为，生物质燃料烘烤较煤炭烘烤节本105.5元/炕.

在研究新型能源烤房烘烤成本的同时，前人针对新型能源烤房烟叶质量开展了大量研究，王娓娓等[4]比较了空气源热泵烤房与密集式烤房的烤后烟叶质量，认为空气源热泵烤房烟叶整体外观质量较好，烤后烟叶各化学成分更为适宜；潘周云等[5]认为，空气能烤房产生桔黄烟比例高，杂色烟叶比例少；黄峰等[9]认为新型能源烤房能提高烤后烟叶均价；聂荣邦等[7]认为空气能热泵密集烤房能提高烤后烟叶上等烟比例；谭波等[10]认为，热泵烤房烘烤的烟叶成熟度好、颜色鲜亮、组织结构疏松、油分足，烟叶的香气质、香气量、杂气、余味等有所改善，烟叶上中等烟比例平均提高6.39%，产值提高了3 218.5 元/hm2.许跃奇等[11]认为，太阳能烤房、热泵烤房烤后烟叶总糖、还原糖含量较高，烟碱、总氮含量偏低，更加符合优质烤烟化学成分的要求；太阳能烤房烤后烟均价及上中等烟比较均较高.但也有研究认为，生物质燃料烘烤与煤炭烘烤的烤后烟叶外观质量无差异[8].

最近2～3 a，前人针对几种新型烤房的烘烤成本进行了比较研究，黄峰等[9]认为太阳能烤房烘烤成本最低，其中能耗成本1.4 元/kg、人力成本0.26 元/kg，其次是空气能烤房，生物质能烤房与燃煤烤房相当；烤后烟叶均价均高于燃煤烤房；卫身林[12]比较了4种烤房的烘烤成本，认为空气能烤房烘烤成本最低1.75 元/kg，其中能耗成本1.67 元/kg，人工成本0.08 元/kg，其次为太阳能烤房、生物质能烤房与传统燃煤烤房.

目前，太阳能、空气能、生物质能等新型能源利用已在诸多领域获得成功，在密集烤房的应用研究上也已开展了一些研究，并被认为可以替代传统燃煤烤房，但整体上看尚未成熟，还需在设备与配套烘烤工艺上加强研究；同时，前人在何种新型能源烤房能够替代燃煤烤房上还存在不同意见，聂荣邦等[7]认为以空气能热泵烤房为好，而更多研究[13-15]则更倾向于生物质燃料烤房.整体来看，目前有关不同类型新能源烤房的综合比较研究还较少，且各地自然环境条件、生物质燃料来源与价格等均存在差异，因此，适合各地的新型能源烤房的筛选还需因地制宜开展研究.为此，本研究选用两种空气能热泵和一种生物质能源设备，对现有燃煤密集烤房进行改造，连续2 a在湖南衡阳烟区比较了4种密集烤房的烘烤能耗成本与上部叶品质，以期为当地密集烤房的改进、新能源设备在烤烟烘烤上的应用提供参考，进而实现烤烟烘烤的节能减排与提质增效.

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2016～2017年在湖南省耒阳市马水镇燕中村烘烤工场进行，供试烤烟品种为‘云烟87’(耒阳市烟草公司提供).以4座砖混结构密集烤房为试验用烤房，烤房装烟室规格为2.7 m×8 m×3.6 m，装烟3层.其中3座密集烤房分别安装东莞市正旭新能源设备科技有限公司空气源热泵设备(气流上升式)、长沙鑫迪电子科技有限公司空气源热泵设备(气流下降式)、长沙鑫迪电子科技有限公司生物质颗粒燃料烘烤设备，以另1座燃煤烤房作为对照烤房(不进行改造).4座烤房分别记为T1、T2、T3、T4(CK)处理.

每一座烤房安装一个电度表，以考察耗电量.各新能源设备完成安装后，各烤房以第1炕烟进行调试，然后以第2(下部)、4(中部)、6(上部)炕烟叶进行烘烤试验，统一采用“中温中湿慢变黄”烘烤工艺，即：变黄期温度38～42 ℃，定色期48～54 ℃，干筋期65 ℃.采用编杆方式进行烘烤，所烤烟叶大田条件与施肥条件一致，均为成熟采收.其中，2016年，下部叶6月23日上午成熟采收，每个烤房装烟380杆左右；中部叶7月6日上午成熟采收，每个烤房装烟420杆左右；上部叶7月20日上午成熟采收，每个烤房装烟420杆左右.2017年，下部叶6月22日上午成熟采收，每个烤房装烟400杆左右；中部叶7月6日上午成熟采收，每个烤房装烟440杆左右；上部叶7月20日上午成熟采收，每个烤房装烟440杆左右.

1.2 测定指标与方法

考察了2016～2017年的烟叶烘烤成本与烤后烟叶经济性状，重点针对上部烟叶比较了各烤房条件下烤后烟叶的化学成分含量、外观品质与评吸质量.

1) 烘烤成本：根据各烤房所用煤、电、生物质消耗量与单价及其干烟质量，计算每千克干烟的烘烤成本(元/kg).

2) 原烟的经济性状指标：采用编杆烘烤方式进行烟叶烘烤.每个处理、每个部位烟叶在烤房内上、中、下3个层次各设观察点4个，每个点2杆烟，共计12个点，24杆烟.主要考察鲜烟质量、干烟质量、上等烟比例、上中等烟比例、青杂烟比例等指标，计算均价.

3) 上部烟叶原烟外观质量与感官质量评价：将采自同一田块的上部烟叶(B2F)，编杆48杆，每1烤房放置12杆，每4杆作为1次重复，放置于烤房内的位置基本相同.烘烤完成之后，各处理取B2F部位烟叶样品2 kg，进行烟叶外观质量和评吸质量鉴定.外观质量参照文献[16]，考察成熟度、叶片组织结构、身份、油分、色度等(评分标准见表1).评吸质量参照文献[16]，分别按香气质、香气量、浓度、刺激性、杂气、劲头、余味、燃烧性和灰色9个指标打分(评分标准见表2)，取其平均值.参照邓小华等[17]的方法，对9个指标分别赋以25%、15%、12%、10%、10%、13%、10%、2.5%和2.5%的权重，计算评吸质量总分.

4) 上部烟叶主要化学成分指标检测：将采自同一田块的上部烟叶(B2F)，编杆48杆，每一烤房放置12杆，每4杆作为1次重复，放置于烤房内的位置基本相同.烘烤完成之后，取烟叶烘干粉碎，测定淀粉、总糖、还原糖、总氮、总钾、氯、烟碱等化学成分含量.其中，氯、淀粉含量采用Skalar连续流动分析仪测定；参照文献[18]和[19]，总糖含量采用蒽酮绯比色法，还原糖含量采用DNS比色法，氮含量采用凯式定氮法，钾含量采用火焰光光度计法，烟碱含量采用紫外分光光度法.

1.3 数据分析

试验相关数据用Excel 2010软件进行处理，采用采用SPSS 22.0 软件进行统计分析.

表1 烤后烟叶外观质量评价指标及赋分标准

表2 烤烟评吸质量评价指标及赋分标准

2 结果与分析

2.1 不同热源密集烤房烤烟烘烤能耗成本比较

2.1.1 2016年烘烤能耗成本比较 表3为不同热源密集烤房2016年烟叶烘烤能耗成本.由表可见，各处理不同部位烟叶单位烘烤能耗成本(元/kg)均表现下部烟叶>中部烟叶>上部烟叶的趋势；各部位烟叶平均单位烘烤能耗成本(元/kg)表现T4>T3>T2>T1的趋势，其中，T4显著高于T3和T2处理，T3和T2处理显著高于T1处理.可见，相较于传统燃煤密集烤房(T4)，3种新型热源密集烤房均可显著降低烘烤能耗成本，尤以广东华天成新能源科技股份有限公司的空气热泵(气流上升式)密集烤房节本效果最好.

2.1.2 2017年烘烤能耗成本比较 表4为不同热源密集烤房2017年烟叶烘烤能耗成本.由表可见，各处理不同部位烟叶单位烘烤能耗成本(元/kg)与2016年表现趋势一致；各部位烟叶平均单位烘烤能耗成本(元/kg)表现T3>T4>T2>T1的趋势，其中，前3个处理间无显著差异，但均显著高于T1处理.可见，相较于传统密集烤房，空气热泵密集烤房可以降低烘烤能耗成本，其中，长沙鑫迪电子科技有限公司空气热泵(气流下降式)密集烤房节本效果一般(降低4.8%)，而广东华天成新能源科技股份有限公司的空气热泵(气流上升式)密集烤房节本效果显著(P<0.05).

与2016年比较，2017年各处理单位烟叶烘烤能耗成本均有所上升，尤其以T2、T3、T4处理上升明显，主要原因是单位烟叶烘烤耗电量提高、生物质燃料与煤球价格上涨.将两年数据平均后发现，各处理单位烟叶烘烤能耗成本表现T4(1.56 元/kg)>T3(1.51 元/kg)>T2(1.45 元/kg)>T1(1.09 元/kg)的趋势.可见，2 a平均结果表明，生物燃料密集烤房节本效果一般，而空气热泵密集烤房节本效果较好，尤以广东华天成新能源科技股份有限公司的空气热泵(气流上升式)密集烤房节本效果显著.

2.2 不同热源密集烤房烤后烟叶经济性状比较

表5为2016年不同热源密集烤房所有烤后烟叶经济性状比较结果.由表可见，T1、T2、T3处理上中等烟比例均高于对照，但差异不显著；T1、T2、T3处理青杂烟比例均低于对照，其中T2处理下降显著(P<0.05)；均价表现T2>T3>T1>CK处理，其中T2、T3处理显著高于对照(P<0.05).可见，新型能源密集烤房有利于改善烤烟经济性状，其中以T2处理表现最好.2017年针对各处理不同部位烟叶分别统计了当地收购烟叶的均价、上等烟比例和中上等烟比例(表6)，由表可见，各部位烟叶均价一般以T1处理最高，CK处理最低，处理间差异以下部烟叶表现最明显；中部烟叶上等烟比例表现T1>T3>T2>T4处理趋势，T3和T1处理显著高于T4处理(P<0.05)；上部烟叶上等烟比例表现T3>T1>T2>T4处理趋势，T3和T1处理显著高于CK处理(P<0.05).可见，新型能源密集烤房有利于提高烟叶均价与上等烟比例，综合来看以T1处理表现最好.

表3 不同密集烤房烟叶烘烤能耗成本(2016年)

电价0.54元/(kW·h)，生物质燃料0.9元/kg，煤球0.57元/个.同列数据不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

Electry price 0.54 yuan/kW·h,biomass fuel 0.9 Yuan/kg,coal ball 0.57 Uuan.Different lowercase letters in same column represented significant difference (P<0.05).

表4 不同密集烤房烟叶烘烤能耗成本(2017年)

电价0.54元/(kW·h)，生物质燃料1.2元/kg，煤球0.75元/个.同列数据不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

Electry price 0.54 Yuan/(kW·h),biomass fuel 1.2 Yuan/kg,coal ball 0.75 yuan.Different lowercase letters in same column represented significant difference (P<0.05).

表5 不同密集烤房烤后烟叶主要经济性状比较(2016)

表6 不同热源密集烤房烤后烟叶主要经济性状比较(2017)

2.3 不同热源密集烤房烤后上部烟叶感官质量比较

2.3.1 外观质量 比较了各密集烤房烤后烟叶(B2F等级烟叶)的外观质量(表7)，发现3种新型能源密集烤房烤后烟叶的外观质量差异不大，但各新型能源密集烤房烤后烟叶外观质量指标均优于对照，除2016年T3处理烟叶成熟度和T2处理发育状况外，其他指标均表现显著提高趋势.从合计得分来看，各处理间2016年表现T1>T2>T3>CK处理趋势，2017年表现T2>T1>T3>CK处理趋势，T1、T2、T3处理均显著(P<0.05)高于CK.可见，3种新型能源密集烤房均有利于提高烤烟烤后烟叶外观质量.

表7 不同热源密集烤房烤后上部烟叶外观质量比较

2.3.2 评吸质量 以B2F等级烟叶比较了各处理的烤后烟叶评吸质量(表8)，结果表明，2016年各处理烤后烟叶评吸质量均处于较好水平；3种新型能源密集烤房的烟叶评吸质量差异不大，但多数指标均好于对照处理，其中，3个处理香气量得分与总分均显著(P<0.05)高于对照，T2和T3杂气得分显著(P<0.05)高于对照，T1处理劲头得分显著(P<0.05)高于对照；2 a结果基本一致.可见，3种新型能源密集烤房均能改善烤后烟叶评吸质量，主要表现在香气量增加与杂气减少.

表8 不同密集烤房烤后上部烟叶评吸质量比较

2.4 不同热源密集烤房烤后上部烟叶化学成分含量比较

比较了各处理的烤后上部烟叶的化学成分含量(表9)，2016年，各处理烤后烟叶氯含量差异不大；淀粉含量表现CK>T3>T1>T2处理趋势，其中CK处理显著(P<0.05)高于另3个处理；总糖含量表现T1>T3>CK>T2处理趋势，T1处理显著(P<0.05)高于CK处理；还原糖含量以T1较高，另3个处理差异不大，且均显著(P<0.05)低于T1处理；烟碱含量以T3较高，CK处理次之，两者均显著(P<0.05)高于T1和T2处理；总氮含量以CK最低，另3个处理差异不大，且均显著(P<0.05)高于CK处理.2017年处理间规律与2016年基本一致.整体来看，与对照相比，3种新型能源密集烤房改善了烤后烟叶化学品质，其中以T2处理表现最好，主要表现为淀粉与烟碱含量显著降低.

表9 不同密集烤房烤后上部烟叶化学成分含量比较

3 讨论

3.1 新型能源密集烤房对烘烤成本与烤后烟叶品质的影响

近年来，对烤烟的传统烘烤能源—煤炭的替代研究较多[3-6].各种新能源设备在烤烟烘烤上能否应用，其烘烤成本是必须考虑的一个重要因素.对此问题，前人已经开展了大量新型烤房的能耗成本研究.聂荣邦等[3]认为，智能化太阳能密集烤房与对照烘烤各炕次烟叶的耗电量无显著差异，但具有节煤效果；大量研究[4-7]认为，空气能热泵烤房的烘烤成本低于传统燃煤烤房；蒋志清等[8]研究认为，生物质燃料烘烤较煤炭烘烤节本105.5 元/炕.本研究选择广东华天成新能源科技股份有限公司气流上升式空气热泵密集烤房(T1)、长沙鑫迪电子科技有限公司气流下降式空气热泵密集烤房(T2)、长沙鑫迪电子科技有限公司生物质能源设备密集烤房(T3)供试，比较研究了其与燃煤密集烤房(CK)的烘烤能耗成本，发现生物燃料密集烤房有一定节本效果，而空气热泵密集烤房节本效果较好，尤以广东华天成新能源科技股份有限公司的空气热泵(气流上升式)密集烤房节本效果显著，2 a平均来看，其单位烟叶烘烤能耗成本下降30.1%.可见，新型能源烤房具有的节能减排效果已经得到一致认可.

新能源设备在烤烟烘烤上能否应用，还需考虑的另一个重要因素是烤后烟叶的品质变化问题.前人研究认为，空气源热泵烤房可改善烟叶整体外观质量与烤后烟叶各化学成分[4]，桔黄烟比例高、杂色烟叶比例少[5]，上等烟比例提高[7]；谭波等[10]认为，热泵烤房烘烤的烟叶成熟度好、颜色鲜亮、组织结构疏松、油分足，烟叶的香气质、香气量、杂气、余味等有所改善，烟叶上中等烟比例提高.许跃奇等[11]认为，太阳能烤房、热泵烤房烤后烟叶总糖、还原糖含量较高，烟碱、总氮含量偏低，更加符合优质烤烟化学成分的要求.本研究比较了几种烤房的烤后烟叶外观品质、评吸品质和化学品质，发现3种新型能源密集烤房烤后烟叶外观质量与烟叶评吸质量差异不大，但3者的外观质量总得分与评吸质量合计得分均显著高于对照处理，其中，评吸质量的改善主要表现在香气量较足与杂气较少，与前人[10]研究结果较一致；与对照相比，3种新型能源密集烤房烤后烟叶化学品质得到了改善，主要表现为淀粉与烟碱含量显著降低，与许跃奇等[11]研究结果较一致，其中以T2处理表现最好.

目前，有关不同新型能源烤房对烟叶品质影响的机理研究罕见报道，还应从烤房内环境与烟叶水分与物质含量动态变化角度加强研究.

3.2 新型能源密集烤房的应用前景分析

目前，就何种新型能源烤房能够替代燃煤烤房，前人存在不同意见，有人认为以空气能热泵烤房为好[7]，也有人倾向于生物质燃料烤房[13-15].各种新型能源烤房各有利弊，其适用性需要因地制宜开展研究.

本研究通过2 a的应用研究发现，空气源热泵设备性能稳定，配套技术逐步完善，表现出了良好的节本、提质效果，值得大力推广应用.但是，该设备成本较高，前期投入大，每套设备价格近6万元，另外改造费用在3 000～4 000元，且设备额定功率均在10 kW以上，受目前电力条件限制，需进行电网改造.因此，空气源热泵设备在密集烤房上的应用必须因地制宜，在条件成熟的烟区可以率先对传统燃煤烤房进行改造.

生物质颗粒燃料烘烤设备采用生物质颗粒为燃料，技术已比较成熟.该设备自动化程度高，安全可靠，具有自动点火、自动送料、火力可控、自动除渣、缺料报警等功能，实现了烟叶烘烤干球温度的精准控制，保障装烟室升温灵敏、稳温持续，有利于烘烤工艺的落实到位；排放量较小，排放物主要为二氧化碳，有利于环保；操作简单，易于掌握，加料方便且每烤次仅需3次左右，减少了劳动强度及劳动用工；燃料适应性广，所有生物质都可以制作颗粒燃料，既可以缓解能源危机，又有利于环保，同时，该产品通用型较强，移动方便，有利于产区转移的重复使用和非烘烤季节其他烘烤供热；设备成本较低，一般在7 000元左右.但是，目前生物质颗粒供方市场不够成熟，没有稳定的生物质颗粒燃料的供应链，同时，生物质燃料容易受潮，影响燃烧效率.因此，其推广应用需解决生物质燃料的来源、价格与干燥保存问题.

烤烟烤后烟叶品质与烘烤工艺密切相关，而理想的烘烤工艺的目的即在于改善烘烤环境，利于烟叶均匀变黄与干燥.前人就密集烤房的烘烤工艺[20-21]和烘烤环境条件[22]开展了大量研究.但是，目前国内有关新型能源密集烤房的研究尚处于应用效果评价阶段，其烘烤工艺优化研究极少，亟待加强.同时，新型能源密集烤房的推广应用还有待因地制宜完善相关研究，如新型能源设备的选择、燃料的选择与保存及采烤烟叶条件(营养条件、成熟度等)的匹配等.

4 结论

综合烤烟烘烤成本与烟叶品质结果，本研究认为供试3种新型能源密集烤房均有降低烘烤能耗成本、提升烟叶品质的效果，可以在湖南衡阳烟区推广应用，其中节本效果以T1处理最好，提质效果以T2处理最好.新型能源密集烤房的适用性、烘烤效果及其对烟叶品质的影响机制还需因地制宜加强研究.