箱装烟叶高频-脉动真空杀虫防霉装备及工艺研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 02 月 06 日 作者简介：王慕昊(1973),男，汉族，河南郑州人，山东中烟工业有限责任公司，研究方向：烟草养护。-118-箱装烟叶高频-脉动真空杀虫防霉装备及工艺研究 王慕昊 戴由宗 李 昊 雷登文 李俊（通讯作者）山东中烟工业有限责任公司，山东 济南 250014 摘要：摘要：为有效防止真空环境中高频加热时出现辉光放电，避免对烟叶本身造成损害，本研究对箱装烟叶高频-脉动真空杀虫防霉装备进行重新设计。将高频加热腔体与真空腔体分段装配，二者通过辊台连接以确保可实现连续式生产，在此基础上开展装备验证试验。结果表明：烟叶温度加热 20min 后通过脉动真空辅助可有效降低烟叶水分，加热 26min 后通过脉动真空辅助可有效杀灭各形态的虫和虫卵。经感官评吸结果表明该技术处理可有效提升吸食口感，同时对外观品质无显著影响。关键词：关键词：高频；脱水防霉；杀虫；烟叶养护 中图分类号：中图分类号：TS210.4 0 引言 据国家烟草专卖局数据统计，2022 年，我国烟草行业税利总额超 1.4 万亿元1。随着烟草工业和加工的发展，对烟叶原料质量、结构和安全的要求也越来越高2。烟叶原料是关乎烟草生产安全稳定的战略性物资，我国每年储存的烟叶达 200 万吨以上3。复烤后的烟叶还需要 11.5 年的储藏醇化周期，但由于烟叶中含有碳水化合物、含氮化合物、含氮杂环化合物、有机酸、酚类化合物、色素等适宜微生物生长的营养物质，当烟叶中的水分含量较高（高于 13%）时，在温度适宜的情况下微生物开始利用烟叶中的营养物质和水分进行繁殖，最终导致烟叶发生霉变3,4,5。此外，烟叶在储藏期间极易受到烟草甲和烟草粉螟等害虫的侵袭，进而导致叶片结构受损、品质下降。为应对上述问题，研究人员和烟草生产企业采用多种物理、化学和生物手段开展防霉杀虫技术攻关。将烟叶含水率控制在安全水分以下是行之有效的防霉技术，目前以倒库、通风和套袋为主，但一定程度上影响了烟叶的醇化进程6。化学熏蒸杀虫是目前应用最广泛的烟草杀虫技术，常用的化学熏蒸药剂有磷化氢、溴甲烷等，但该技术对环境和烟叶造成不可逆的污染，并对人体造成极大的安全隐患，而害虫随时间推移产生的抗药性使得该方法逐渐失效7。考虑到微生物和害虫的生长繁衍与氧气密切相关，烟库管理人员用聚丙烯等材料的薄膜将片烟烟箱密封包裹后，通过抽真空或充入氮气8的方式有效降低烟箱内部的氧气浓度，最终抑制好氧性霉菌繁殖和害虫的存活；该方法可同步实现防霉、杀虫处理，具有操作便捷等优势而在片烟仓储防霉杀虫领域广泛应用9,10；但该方法延缓了烟叶的醇化进程，且在一定程度上。生物防治是借助天然获取或人工提取的有益菌或植物提取物实现霉菌防治，但因其具有极高的技术壁垒，该方法仅存在于实验室环境中。微波作为一种介电加热技术，在农 产品杀虫杀菌领域获得广泛的技术认可，研究人员曾将该技术应用于松散烟叶的虫害防治，当处理温度高于 65时，虫卵灭杀效果可达 100%11。由于微波杀虫为纯物理性的杀虫手段，对环境、人体均友好，在未来的烟草工业中具有极大的应用前景12，但受限于波长较短、穿透深度较低（小于 10cm），无法满足箱装烟叶的生产要求。高频加热原理与微波加热类似，但由于其具有更低的频率和更长的波长，高频能量在箱装烟叶中的穿透深度可达 1.3m 以上，因此可满足烟叶储藏醇化周期内的杀虫防霉热处理过程。项目团队已根据高频加热对片烟主要化学成分的影响规律开展初步探索，结果表明：高频加热至 45时对片烟内氮碱类、糖类和钾离子等营养物质影响较小13。在此基础上，本研究融合防霉和杀虫工艺，设计制造了一套高频-脉动真空防霉杀虫装备并开展设备性能检测试验，为该技术在烟草行业的应用提供了技术指导。1 装备设计简介 1.1 装备整机介绍 中国科技期刊数据库 工业 A-119-本研究所设计制造的片烟高频-脉动真空防霉杀虫装备为避免真空环境下极易出现的辉光放电效应，将高频加热腔体与真空腔体分离；从另一角度考虑，分离式设计可以实现多条加热线并联以提升单批次处理效率，实现防霉杀虫处理的连续式作业，从而满足实际生产需求。该设备总装机容量 60 kVA，最大输出功率 50 kW，高频发生器标称震荡频率为 13.56 MHz，极限真空度 0.009 MPa。内部设置有两块垂直极板，配备有光纤温度传感器，单批次处理量 2 箱。1.2 结构与功能 该设备结构与功能详细介绍如下：加热腔体：防霉处理时，高频电磁场根据物料含水率选择性地加热受潮部位烟叶，在相同处理时间内使该部分烟叶温度显著高于烟叶含水率较低部位；杀虫处理时，由于虫害常爆发于水分含量较高的部位，因此可有效加热该部位。腔体内两块竖直安置的极板分别设于两侧，另一端则与射频输出模块相连，用于向待加热烟箱提供高频电磁场。真空腔体：防霉处理时，真空腔体内压力脉动变化的真空环境可高效作用于加热后的整箱烟叶，使得受潮部位多余的水分被快速脱除；杀虫处理时，真空环境可有效抑制成虫和幼虫的呼吸作用，并脱除虫卵内用于生长繁殖的水分；真空腔体内压力由真空泵组提供。真空泵组：为满足真空腔体处理效率和真空度要求，选择水环式真空泵与罗茨泵构成真空泵组，以-0.07 MPa 为界，低于该真空度后罗茨泵启动。输送辊台：前存储辊台和导向辊台用于将烟叶从上料位置输送至加热腔体，中间存储辊台用于将加热后的烟叶从加热腔体输送至真空腔体。2 材料与方法 2.1 试验材料 试验所用箱装烟叶由山东中烟工业济南卷烟厂提供，为验证设备防霉处理效果，选择库中由于梅雨季节、长途运输等外界因素而局部受潮的烟叶，烟箱尺寸为 1136 mm725 mm720 mm（长宽高）。杀虫试验所用烟草甲（Lasioderma serricorne）成虫、幼虫和虫卵由郑州烟草研究院提供。2.2 防霉试验流程 根据山东中烟工业有限公司济南卷烟厂气候环境和仓储烟叶贮存情况，制定本次试验防霉处理工艺：综合考虑烟叶品质和脱水速度，防霉试验时烟箱内加热最高温度分别设置为 40、45、50 和 55，当受潮部位烟叶温度到达设定温度后辅以脉动真空处理：先行降压至-0.095MPa 时停止降压，保持 23min 后升至-0.04MPa,保持 23min 后降压再至-0.095MPa，如此循环 23 次后停止真空处理，卸压、开门、卸料。2.3 杀虫试验流程 烟箱中的虫害主要爆发于箱盖一侧，由表面向下30 cm 范围内。为贴合实际生产情况，将成虫、幼虫和虫卵各 5 头装入编织袋后放置在烟叶表层向下 1530cm 处（光纤传感器探头位置与之对应），每组试验设置 2 组重复。综合考虑烟草甲致死温度和沸点情况，采用 45、50、55 和 60作为杀虫目标温度，当虫害部位烟叶温度到达设定温度后辅以脉动真空处理：先行降压至-0.095MPa 时停止降压，保持 23min 后升至-0.04MPa，保持 23min 后降压再至-0.095MPa，如此循环 23 次后停止真空处理，充压、开门、卸料。处理后于烟箱自然冷却 2 小时后取出害虫，虫卵经 7d 培育后观察害虫灭杀情况。2.4 烟叶品质与感官品吸 处理前后在烟箱内取样后，烟叶含水率采用烘干法测定；对比分析样品处理前后的外观品质，包括颜色纯正度、油分、饱满度、均匀度、明亮度等；感官品吸则邀请 5 位专家进行单料烟感官质量评吸，分别从香气质、香气量、杂气、余味、香型、劲头、浓度、刺激性、燃烧性、灰色等 10 个单项进行打分14。3 结果与分析 3.1 箱装烟叶高频加热效率 图 1 防霉、杀虫过程中高频加热段物料温升曲线 中国科技期刊数据库 工业 A-120-(a)(b)图 2 防霉(a)、杀虫(b)过程中真空段物料温升和腔体压力变化曲线 图 2 为加热腔体内高频加热时物料的温升曲线，由图可知，高频交变电场可有效穿透整箱烟叶，从而实现烟叶快速升温。防霉处理时，受潮部位的物料温度可自仓库温度在 20 min 内上升至 45，杀虫处理时26 min 即可将虫害部位的烟叶加热至 55。由于虫害部位烟叶的水分含量更高，在相同的功率和装载量条件下，该部位的烟叶会吸收更多的高频能量，因此其温升速率更快。待物料上升至预设温度后，烟箱被传送至真空腔体内开展脱水防霉、杀虫处理。在真空泵组作用下，真空腔体内压力随预设工艺呈规律性的脉动变化。由于水的沸点在真空环境下随真空度的降低而显著降低（真空度为-0.09 MPa 时，水的沸点为43.79）。在脉动真空的作用下，烟叶温度呈下降趋势。由于杀虫处理组烟叶温度更高，水分蒸发量更大使得烟箱内水分蒸发潜热消耗更多，因此温度下降幅度更大（图 2）。上述结果表明：结合脉动真空环境时，高频加热可有效脱烟叶中的水分，从而在后续仓储过程中降低霉变的可能性。3.2 防霉、杀虫处理效果分析 图 3 高频-脉动真空防霉养护处理后烟叶含水率变化 高频-脉动真空防霉养护处理前后烟叶含水率随处理温度的变化如图 3 所示，值得说明的是：图中数据为烟箱内部多点采样后所得的平均值。由于 40、45处理组烟叶的初始含水率较低，处理结束后出现含水率有所提升，这可能是因为高频加热后使得烟叶水分蒸发为水蒸汽并在烟箱孔隙内流动，在脉动真空的作用下快速迁移，遇到温度较低的烟叶迅速冷凝，这一过程有助于提升烟箱内部的水分分布均匀性，采样时避免了采集到过干的样品。此外，该效应有利于提升后续的贮藏醇化效果。当温度超过 50后，由于烟箱内烟叶的初始含水率更高，在相同的脉动真空条件下，烟箱内的平均含水率显著下降，表明该装备可有效降低并平衡烟箱内部的水分，从而抑制霉变发生。图 4 高频-脉动真空杀虫处理对烟箱内害虫存活数和死亡率的影响 由于成虫、幼虫和虫卵的形态不同，其热抗性有所差异。由图 4 可知，在相同的处理条件下，幼虫的灭杀效果最优，这是因为幼虫为肉虫，在高频-脉动真空条件下极易脱水；成虫具有坚硬的外壳，其灭杀效果不及幼虫，但二者均在 55时被完全灭杀。虫卵的耐热性极强，能对抗较为恶劣的外界环境，在试验过程中灭杀难度最高；此外，虫卵个体本身较小，对高频电磁波的吸收能力较弱，温度依赖于烟叶提供，但真空环境对其作用较大，经杀虫处理后虫卵表观结构被破坏，孵化能力被削减。试验结果表明，当烟叶温度达到 55时，虫卵可被有效灭杀（图 5）。图 5 杀虫处理后虫卵表观结构被破坏 中国科技期刊数据库 工业 A-121-表 1 高频-脉动真空处理对烟叶外观品质的影响 处理条件 颜色深浅 颜色 纯正度 油分 饱满度 均匀度 明亮度 闻香 40处理前 浅桔红 5.5 6.5 5.5 5.5 5.5 5.5 40处理后 浅桔红 5.5 6.5 5.5 5.5 5.5 5.5 45处理前 桔红 6 6 6 6 6 6 45处理后 桔红 6 6 6 6 6 6 50处理前 桔红 5.5 6 6 5.5 6 6 50处理后 桔红 5.5 6 6 5.5 6 6 55处理前 浅桔红 6 6.5 6 6 6 5.5 55处理后 浅桔红 6 6.5 6 6 6 6 60处理前 桔红 6 6.5 6 6 6 6 60处理后 桔红 6 6 6 6 6 6.5 3.3 烟叶感官评价 在所有处理组中，除浓度、香型和燃烧性外，其他指标均随温度呈波动变化。处理前的烟叶中枯焦气明显，吸食喉部干刺感明显；处理后的烟叶枯焦气、木质气、生青气显著削弱，刺激性减弱、杂气变小，品吸时烟气稍显纯净、柔和，吸食时喉部干刺感有所削减。综上所述，高频-脉动真空防霉杀虫养护处理一定程度上可以提升烟叶的感官评吸品质。此外，对烟叶外观品质分析可知：防霉杀虫处理过程对烟叶色泽、油分和饱满度等特性基本无影响（表 1）。4 结论与讨论 将射频加热腔体与真空腔体分离装配可实现在避免真空环境下产生辉光放电的同时，确保加热与脱水防霉、杀虫工艺的连续进行。在启用现有装机容量的50%功率时，20min 内可将烟叶温度加热至 45，26min内可将烟叶温度加热至 55，辅以压力脉动变化的真空环境可分别实现脱水防霉和杀虫（卵）的效果，其中，烟叶水分在 50后显著下降，成虫、幼虫和虫卵在 55后死亡率达到 100%。经感官评吸和外观品质检测分析可知，高频-脉动真空防霉杀虫处理可优化烟叶的吸食口感，对外观品质则基本无显著影响。参考文献 1宋海乐.TH 烟草公司绩效考核体系优化研究D.河南:郑州大学,2021.2罗丽琼,夏玉珍,张天顺,鲁绍坤,王毅,李正风.储烟霉变原因及其防控技术研究进展J.贵州农业科学,2015,43(08):118-121.3罗云,陈斌,郭绍坤,杨延鹏,杨磊,洪波,周继来,徐兴阳.仓储烟叶霉变防治研究进展J.昆明学院学报,2021,43(3):11-15.4彭清云,易图永.烟叶霉变的原因及其防治研究进展J.中国农学通报,2007(11):146-150.5罗云,陈晓伟,陈斌,罗宏鸣,郭绍坤,徐兴阳.原烟储存中烟垛内部温度与烟叶霉变的关系研究J.昆明学院学报,2019,41(06):7-11.6陈颐,杨佳玫,王玉平,杨虹琦,严永旺,辛顺佳.不同仓贮环境对片烟相对含水率与 pH 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