藏茶卧式发酵机的设计和试验

2021-02-05谈峰何春雷胥伟高兆兴唐瑛蔓

湖南农业大学学报（自然科学版） 2021年1期

谈峰，何春雷,3*，胥伟，高兆兴，唐瑛蔓

(1.四川农业大学园艺学院，四川成都 611130；2.精制川茶四川省重点实验室，四川成都 611130；3.四川省藏茶产业工程技术研究中心，四川雅安 625014)

雅安藏茶是四川边茶中的名优黑茶，因销于藏区而得名[1–2]。据中国茶叶流通协会统计，2018 年，全国黑茶产量达31.89 万t，成为仅次于绿茶的第二大茶类。雅安藏茶是四川黑茶的杰出代表，占四川黑茶产量的80%以上[3]，2016 年其品牌价值排名全国黑茶类第5 名，在四川黑茶产业的地位举足轻重。现下藏茶加工大多沿用传统渥堆工艺，即自然渥堆和加温保湿渥堆[4]，茶坯的水分、温度和相对湿度、微生物等较难控制，以致产品品质波动较大；因此，采用设备渥堆以保证藏茶的品质至关重要。吴绍帅等[5]研发了有自动潮水、保温保湿发酵、翻堆功能的双层保湿转动式普洱茶发酵罐，按30%的潮水比例发酵20 d 即可出罐，且品质在一定程度上优于传统发酵，减少了制茶损耗，降低了生产成本，提高了普洱茶生产效率和效益，但罐内茶叶的温度和水分含量无法得到精准控制。黄云战等[6]对普洱茶发酵罐的潮水量、菌种、翻转周期进行了试验，得到最优组合为潮水量27%、菌种100 mL、翻转周期2 d，用发酵罐发酵普洱茶25 d 左右即可出堆，发酵过程中茶堆最高温度未超过60 ℃，为微生物繁殖提供了理想温度，随着菌种的增加和潮水量的增多，发酵时间会更短，不能少于22 d，但该设备影响正常翻堆，不能实现解块。孙杨锋等[7]改进了滚筒式普洱茶潮水机械，确定了滚筒长度和直径分别为 1.5 m和1 m，转速28 r /min，结合单片机自动控制系统实现了茶叶潮水的连续化和自动化，但该设备体积偏大、灵活性欠佳。马振纲等[8]构建了普洱茶发酵清洁化车间，当相对湿度在 100%时开启风机只需要25 s 就可以使相对湿度降到85%，使发酵环境稳定。罗新文等[9]将普洱茶发酵罐的主轴管直径加大到75 mm，解块叉杆直径增大到35 mm，结果表明，相对湿度稳定在72%左右，温度维持在50 ℃，比较适合普洱茶的发酵要求，普洱茶品质稳定。

笔者吸收借鉴普洱茶发酵设备优点，设计了一种藏茶卧式发酵机。集送料、发水、渥堆、自动翻堆、温湿度智能调控等功能于一身，可完成输送、汽蒸、发水、渥堆、翻堆。从输料到出堆整个过程都由专业设备作业，获得了藏茶卧式发酵机的最佳工艺参数，以期为藏茶清洁化生产提供技术参考。

1 藏茶卧式发酵机的结构和工作原理

藏茶卧式发酵机由罐体、搅拌装置、输送装置和控制系统等4部分组成，如图1所示。罐体包括进茶口、罐身、封头、观察口等；搅拌装置包括搅拌轴、搅拌叶片、电机等；输送装置包括电机、匀叶器、壳体、螺旋叶片、螺旋轴等；控制系统包括触摸屏、加热模块、控湿模块、通风模块等。

图1 藏茶卧式发酵机的结构Fig.1 The structure of horizontal fermentation machine for Tibetan tea

工作时，绿毛茶由输送装置从进茶口送入罐体内，搅拌轴旋转，打散绿毛茶；温湿度控制系统启动，蒸汽发生器向罐体内喷洒蒸汽以提高茶堆的温度和相对湿度，当温度和相对湿度达到预设值时，控制蒸汽发生器会停止喷洒蒸汽，由温度采集装置及时显示；若低于设定值，会进行升温提示；若高于设定值，会反馈至控制系统，通过喷头喷水或开启送风口和封头为罐内降温、排湿。进风口装有调节器，可调节进风速度和供氧，保证渥堆发酵所需的温度和相对湿度。罐内茶坯含水量采用水分快速测定仪检测。罐内密闭性较好，渥堆只需人工辅助观察渥堆叶状况即可。搅拌叶片连续带动茶堆翻转，渥堆适宜后，人工辅助打开出茶口，搅拌叶片打散和匀推茶堆，罐体底部的输送带匀速完成出堆，完成渥堆发酵。

2 主要部件的设计

2.1 罐体和搅拌装置

依据《机械设计手册》[10]和《茶叶加工工程》[11]，参考普洱茶发酵罐[5–6]和红茶发酵装置[12]设计理念，结合藏茶渥堆工艺要求，设计罐体和搅拌装置。罐体采用符合食品安全规定的不锈钢材质，耐用轻便无污染。罐体设有观察口，用于观察茶堆渥堆状态，进茶口和出茶口分别位于罐体正上方和左下侧。发酵机罐体为圆筒状，内外罐体间设有夹层，可控温、保湿。罐体内径1900 mm、长3900 mm，其容积的1/2(5.5 m3)为工作容积，以满足渥堆时80～100 cm的茶堆高度，装罐容量300～600 kg。参照黄云战等[6]对普洱茶的研究成果，结合藏茶渥堆实践，将罐体转速设定为15 r/min。因四川黑茶渥堆过程中茶堆温度应维持在45～71 ℃[13]，故设定工作温度为20～100 ℃。发酵机整体尺寸(长×宽×高) 4240 mm×2300 mm×3170 mm。

搅拌装置横向设置于罐体内，包括搅拌轴和套装在搅拌轴外表面且沿其轴向间隔设置的搅拌叶片，搅拌轴穿过罐体侧壁，其一端穿过安装在支架上的轴承，另一端与机械传动机构连接。搅拌叶片的截面形状为开放式的三折线，三折线的中间线段垂直于搅拌轴的轴线，三折线两端的线段分别向相反的方向折叠且平行。旋转的搅拌叶片可以在茶堆发酵时用于翻堆，在出料时匀推和打散茶堆，使渥堆叶充分与气流接触，保证渥堆叶含水量和通氧量均匀分布。

2.2 输送装置

输送装置长4800 mm，壳体直径600 mm，搅拌轴直径75 mm，搅拌轴和搅拌叶片内部均为空心结构且互相连通。壳体内侧焊接间距相等、方向不同的直径为4～6 mm的喷头，使高温蒸汽、水分能喷洒到绿毛茶中，提高其温度和相对湿度。输送装置主要由转轴、壳体、螺旋叶片、雾化喷头、蒸汽喷头等构成，集发水、汽蒸、输送于一体，为绿毛茶渥堆提供适宜且均匀的渥堆温湿度。输送装置启动后，蒸汽发生器开始预热，打开蒸汽阀门，通过安全阀和压力表确定蒸汽压力。水箱中装入食用水，打开控水阀门，通过流量计测量和水泵的调节控制流速和发水量。绿毛茶从进茶口加入，跟随螺旋叶片移动，先经过蒸汽喷头所在区域，进入输送机内腔中的高温蒸汽(130～150 ℃)对绿毛茶进行汽蒸，提升绿毛茶温度和相对湿度并软化条索，此时绿毛茶含水量达20%左右。绿毛茶经过雾化喷头所在区域，进行轻度的发水，而后绿毛茶被输送至出茶口，以重力方式进入罐内进行渥堆发酵，如图2所示。

图2 输送装置Fig.2 Feeding device

2.3 控制系统

藏茶渥堆对环境的要求较严格[4,13–14]，可通过控制温度、时间、茶坯含水量等3个可控因素，来确保渥堆的正常进行和渥堆质量。采用PLC控制作为主控，翻堆装置、加热模块、控湿模块及通风模块等构成控制系统，同时实现藏茶在渥堆过程中的定期翻堆、控温、控湿、通风、数据采集和存储。通过观察窗口对渥堆状态进行实时监控，并由PLC触摸屏对渥堆参数进行调节。其中，温湿度控制系统可完成罐体内温湿度信息的收集、显示及调控，温度的分辨率为0.1 ℃，相对湿度分辨率为3%。控制器可实现手动控制和自动控制。

3 发酵机渥堆试验

渥堆试验于2018年5月至7月在四川农业大学进行。三级绿毛茶由四川雅安西康藏茶集团提供。根据刘婷婷等[13]、熊元元[14]、胥伟[15]和夏涛等[4]的研究成果和前期预试验，选取渥堆温度(A)、渥堆时间(B)和茶坯含水量(C)为影响因素，以渥堆温度50、60、70 ℃，渥堆时间70、90、110 h，茶坯含水量25%、30%、35%进行三因素三水平正交试验。每次渥堆绿毛茶用量100 kg。获取设备渥堆的最优参数组合。

使用500 kg绿毛茶，按优化后的最佳工艺参数进行发酵机渥堆。

使用5000 kg绿毛茶，渥堆叶含水量30%～35%，扎堆后渥堆，适时翻堆，每次翻堆后及时补水，进行传统方法渥堆。

采用国标方法[16–19]测定藏茶的水浸出物、茶多酚、儿茶素总量、氨基酸、咖啡碱含量；采用蒽酮比色法[20]测定可溶性糖含量；采用系统分析法[21]测定茶色素含量；采用丙酮–乙醇混合液比色法[22]测定叶绿素总量。

参照GB/T 23776—2018对藏茶进行感官审评。

试验数据采用Excel软件和SPSS 22.0软件进行统计和分析。

4 结果与分析

4.1 卧式发酵机渥堆工艺优化结果

结合前期预试验，采用正交设计优化渥堆温度、渥堆时间、茶坯含水量3个参数。发酵机渥堆藏茶品质成分含量和感官审评结果列于表1。

表1 卧式发酵机渥堆藏茶品质成分含量和感官评分Table 1 The quality components and sensory evaluation of Tibetan tea by horizontal fermentation machine

极差分析结果(表2)表明，影响水浸出物、茶多酚、氨基酸、叶绿素、茶褐素含量的因素大小依次为渥堆温度、渥堆时间、茶坯含水量，即渥堆温度对藏茶水浸出物、茶多酚、氨基酸、叶绿素、茶褐素含量的影响最大，渥堆温度对于上述藏茶成分的影响更显著，最佳参数分别为A3B3C1、A1B2C1、A1B1C2、A1B1C3、A3B3C2。影响儿茶素、可溶性糖含量的因素大小依次为渥堆温度、茶坯含水量、渥堆时间，即渥堆温度对儿茶素、可溶性糖含量的影响最大，最佳参数分别为A1B1C2、A1B1C3。影响咖啡碱含量的因素大小依次为渥堆时间、茶坯含水量、渥堆温度，即渥堆时间对藏茶咖啡碱含量的影响最大，最佳参数为A1B1C3。不同品质成分相关的参数组合略有不同，而且就某个单一的成分含量的优化条件也无法确定最佳工艺组合，所以同时对不同渥堆处理得到的成品茶感官审评进行综合筛选，确定卧式发酵机的最佳渥堆工艺参数，结果影响感官审评得分的因素大小依次为渥堆温度、渥堆时间、茶坯含水量，与茶多酚、氨基酸、茶褐素等主要滋味物质影响因素的顺序一致，说明渥堆温度对成品藏茶感官评分的影响最大，渥堆时间次之，茶坯含水量的影响最小。综上，最佳工艺参数为A3B3C2，即渥堆温度70 ℃，渥堆时间110 h，茶坯含水量30%。

表2 卧式发酵机渥堆藏茶品质成分和感官评分的极差分析Table 2 Range analysis of quality components and sensory evaluation of Tibetan tea produced by horizontal fermentation machine

由极差分析和方差分析(表3)可知，渥堆温度对藏茶品质的影响最大，渥堆时间次之，而茶坯含水量的影响最小。