扁形绿茶自动化生产线关键加工工艺优化

桂安辉，叶飞，龚自明，高士伟，刘盼盼，王胜鹏，郑鹏程，滕靖，王雪萍，郑琳，冯琳

（湖北省农业科学院果树茶叶研究所，湖北省茶叶工程技术研究中心，湖北 武汉 430064）

我国绿茶产区广袤、品类众多，全国21个产茶省（直辖市、自治区）均有生产。根据外形的不同，可将其分为扁形绿茶、针（芽）形绿茶、卷曲形绿茶和直条形绿茶等[1]。其中，扁形绿茶外形扁平光滑、挺秀尖削，汤色嫩绿明亮或嫩黄明亮，香气嫩香或者栗香持久，滋味甘醇爽口，叶底嫩绿匀齐[2]。扁形绿茶生产分布广泛，独特的外形和优良的品质使其具有较高的市场知名度，如浙江省的龙井茶、四川省的竹叶青茶、贵州省的湄潭翠芽和湖北省的孝感龙剑茶等。

扁形茶炒制机和多功能理条机是扁形绿茶外形形成的关键设备[3-4]。其中，扁形茶炒制机是通过茶叶在U型炒锅中的软性炒茶板和条形翻叶装置的协调作用，随着茶叶失水进程逐步减小炒茶板与锅面的间隙，逐步降低相连炒锅的锅温，使茶叶从以理条做形为主到理条和压扁做形结合，再过渡到以理条做形为辅，压扁做形为主，从而达到扁形绿茶特有的扁、平、光、直的外形要求[5]。含水率较高的在制品在多功能理条机的U形槽中受热变软，外形具有一定的可塑性。当U形槽进行横向往复运动时，通过外加压力（加棒），在两侧径向推力和棒的压力共同作用下，在制品会顺着茎梗轴向收缩，随着水分的逐渐散失茶条也慢慢变直变扁[6]。然而，不同产地的扁形绿茶所采用的加工工艺和专用设备不尽相同，如龙井茶多采用扁形茶炒制机加工，竹叶青茶、湄潭翠芽多采用多功能理条机加工，而孝感龙剑茶则采用多功能理条机和扁形茶炒制机组合式进行加工。由于工艺流程不一、参数不一，使得扁形绿茶标准化加工程度低，一定程度限制了扁形绿茶产业的提档升级。

目前重点突破了扁形绿茶连续化加工关键装备瓶颈，设计并组建了自动化生产线。此生产线根据加工工艺要求，用输送带、提升机等传输设备将单机科学组合，实现了在制品全过程不间断、不落地加工。生产线的控制系统采用了基于人机界面（human machine interface，HMI）和可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）的分布式控制系统（distributed control system，DCS），既可保证生产线能全自动运行，同时又能手动控制，在遇到意外故障时能及时处理，保证生产运行，方便灵活，易于操作[7-9]。为实现生产线加工工艺的标准化，本文以扁形绿茶“扁平光直”特征形成的做形和炒干两个关键工序为对象，采用单因素试验和正交试验设计，研究投叶量、时间和温度对扁形绿茶的感官评分和主要理化指标的影响，在多评价指标条件下，确定做形和炒干工序最优工艺参数，分析优化工艺扁形绿茶加工过程中品质成分的动态变化及其与传统工艺扁形绿茶的品质差异，科学指导扁形绿茶标准化加工。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜叶：绍兴市柯桥区花坞茶叶专业合作社，2020年6月11日至13日，按照一芽二叶标准采摘的茶树新梢，鲜叶机械组中一芽一叶占比5.27%、一芽二叶占比74.58%、一芽三叶占比18.33%；其它（单片、杂物等）占比1.82%。

福林酚、蒽酮、茚三酮、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、氯化亚锡、葡萄糖：国药集团化学试剂有限责任公司；甲醇、乙腈、乙酸（均为色谱级）：美国Fisher公司；儿茶素品系、咖啡碱：美国Sigma Aldrich公司。其余均为色谱纯或分析纯试剂。

1.2 仪器与设备

ST20红外线测温仪：美国Raytek公司；MF-50水分快速测定仪：深圳深博瑞仪器仪表有限公司；HHS型恒温水浴锅：上海博迅实业有限公司医疗设备厂；岛津UV-2550紫外-可见光分光光度计：日本岛津公司；Waters 2695高效液相色谱、2998 PDA检测器：美国Waters公司；Milli-RO PLUS 30纯水机：法国Millipore公司。

加工设备：6CTW-25X型摊青机×1台、6CL-60-13D全自动茶叶理条机×4台、6CCB-983X型扁形名茶连续化自动炒制机×6台、6CL-60-5D全自动脱毫机×2台、6CCB-980X型扁形名茶自动炒制机×16台、6CHT-62B型滚筒茶叶辉干机×1台。该套自动化生产线由中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院和浙江丰凯机械股份有限公司联合设计，所有机械设备均为浙江丰凯机械股份有限公司生产。扁形绿茶自动化生产线平面设计如图1所示。

图1 扁形绿茶自动化生产线平面设计Fig.1 Flat design drawing of flat green tea automatic continuous production line

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

自动化生产线下扁形绿茶加工工艺流程：摊青→杀青→做形→脱毫→炒干→辉锅。鲜叶进入加工车间后，在摊青机摊青（3 h～4 h），在全自动茶叶理条机中杀青（310 ℃～320 ℃、0.60 kg/次～0.70 kg/次、120 s），在扁形名茶连续化自动炒制机做形，在全自动脱毫机中脱毫（40 ℃～50 ℃、4 kg/次～6 kg/次、1.5 h），在扁形名茶自动炒制机炒干，在滚筒茶叶辉干机中辉锅（100℃～110 ℃、3 kg/次～5 kg/次、20 min）。做形和炒干工艺参数按照试验设计要求设定。其它工序工艺参数保持不变并按正常生产程序进行，温度参数均为试验设备设定值。

1.3.2 试验设计

1.3.2.1 加工工艺优化单因素试验

参照传统工艺参数，设定5个水平，依次改变影响扁形绿茶品质的做形、炒干工艺条件：投叶量、时间和温度，以外形感官评分（外观度、色泽度和成形度）为评价指标。做形工艺参数固定水平为：投叶量60 g、做形时间75 s、做形温度220℃；炒干工艺参数固定水平为：投叶量50 g、炒干时间160 s、炒干温度170℃。具体设计见表1。

表1 单因素试验因素水平Table 1 Factors and levels of single factor test

1.3.2.2 加工工艺优化正交试验

以单因素试验结果确定三因素三水平的做形、炒干工艺参数见表2、表3，根据感官评价和理化成分指标进行正交试验分析。

表2 做形工艺正交试验因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal text in the shaping process

表3 炒干工艺正交试验因素水平Table 3 Factors and levels of orthogonal text in the drying process

1.3.3 感官审评

采用定量描述分析法（quantitative descriptive analysis，QDA）分析扁形绿茶在制品的感官特性[10-11]。由具有中级评茶员以上职业资格的专业人员对扁形绿茶加工过程中样品的外观度、色泽度和成形度进行评价，采用10分制，样品综合感官评价得分S=（外观度得分+色泽度得分+成形度得分）/3。具体见表4。

表4 扁形绿茶感官评价标准Table 4 Sensory evaluation standards of flat green tea

1.3.4 容重测定

采用量筒法测定试样容重[12]。试样加料方法采用自然堆放法，手工加料，使试验样品表面基本与容器刻度线平齐，读取容积数值，称量试样质量。计算公式为：R=G/V，式中：R 为试样容重，g/L；G 为试样质量，g；V为试样所占量筒体积，L。容重是指茶叶物料单位容积的质量，从一定程度上反映了茶叶的紧结程度，一般R值越大，茶叶物理性状越优[13]。

1.3.5 色差测定

色差法（红绿色度a值、黄蓝色度b值）测定（光源D65，角度4°），对扁形绿茶样品茶汤进行色差值检测。取3 g茶叶加150 mL沸纯净水冲泡5 min，过滤后用专用比色皿测定[14]。综合红绿色度a值、黄蓝色度b值，计算色相-b/a值作为扁形绿茶茶汤色泽的评价指标，一般-b/a值越大，则茶汤色泽品质越优[15-16]。

1.3.6 主要化学成分含量测定

水浸出物含量测定：参照GB/T 8305—2013《茶水浸出物测定》[17]；茶多酚含量测定：参照GB/T 8313—2018《茶叶中茶多酚和儿茶素含量的检测方法》中福林-酚法[18]；游离氨基酸总量测定：参照GB/T 8314—2013《茶游离氨基酸总量测定》茚三酮比色法[19]；可溶性总糖的测定采用蒽酮-硫酸法[20]；儿茶素组分以及咖啡碱含量采用高效液相色谱法[21]，流动相为2%乙酸和乙腈，色谱条件：检测波长为280 nm，流速：1 mL/min，柱温：40℃，进样量：10μL。儿茶素品质指数[22]=（EGCG+ECG）/EGC×100，式中：EGCG为表没食子儿茶素没食子酸酯（epigallocatechin gallate）；ECG为表儿茶素没食子酸酯（epicatechin gallate）；EGC为表没食子儿茶素（epigallocatechin）。一般儿茶素品质指数越大，则茶汤滋味品质越优。

1.4 数据分析

试验均平行测定3次，采用SAS 9.4软件进行相关统计分析。

2 结果与讨论

2.1 扁形绿茶加工工艺优化单因素试验分析

加工条件对扁形绿茶外形品质影响见表5。

由表5可知，随着做形、炒干工序的投叶量、时间和温度的增加，扁形绿茶在制品外形综合感官评价得分呈先升高后降低趋势。在做形工序单因素试验中，投叶量 30 g（6.50分）、90 g（6.33分），做形时间 45 s（6.73分）、105 s（7.30分），做形温度 200℃（6.27分）、240℃（6.70分）水平下在制品综合感官评价得分较低，外形品质较差。投叶量90 g、做形时间105 s因素水平下，在制品出现结块，外观度差；投叶量30 g、做形温度240℃因素水平下，在制品出现爆点，甚至焦叶，色泽度差；做形时间45 s、做形温度200℃因素水平下，在制品只有少量达到扁平挺直要求，成形度差。因此，综合比较选择投叶量 45 g～75 g、时间 60 s～90 s、温度210℃～230℃为做形工艺正交试验参数范围。在炒干工序单因素试验中，投叶量 30 g（6.60 分）、40 g（7.23分），炒干时间 120 s（6.47分）、200 s（6.57分），炒干温度150℃（6.33分）、190℃（6.30分）因素水平下在制品综合感官评价得分较低，外形品质较差。炒干温度150℃/190℃因素水平下，在制品出现结块；投叶量30 g/40 g、炒干时间120 s因素水平下，在制品扁平挺直程度不够；炒干时间200 s、炒干温度190℃因素水平下，在制品出现焦叶。因此，综合比较选择投叶量50 g～70 g、时间 140 s～180 s、温度 160 ℃～180 ℃为炒干正交试验参数范围。做形、炒干工艺条件对扁形绿茶的外形品质有重要影响，直接决定在制品综合感官评价得分。试验表明在制品的外观度（结块程度）受时间和投叶量影响较大，投叶量越大、时间越长，结块程度越明显；在制品色泽度（黄绿程度）在高温、长时间炒制条件下较差；而在制品成形度（扁平程度）在低温、短时炒制条件下较差。

表5 加工条件对扁形绿茶外形品质影响Table 5 Effect of processing conditions on the shape quality of flat green tea

2.2 扁形绿茶加工工艺优化正交试验分析

对做形、炒干工艺正交试验制得的扁形绿茶，以感官评分、容重、茶汤-b/a值、儿茶素品质指数为评价指标，分析加工工艺对扁形绿茶感官品质及主要理化成分的影响，成分检测和极差分析结果见表6、表7。

表6 做形工艺正交试验结果Table 6 Results of orthogonal experiment in the shaping process

表7 炒干工艺正交试验结果Table 7 Results of orthogonal experiment in the drying process

由表6可知，在做形工序，对感官评分影响的主次关系是做形温度（R=0.80）＞投叶量（R=0.53）＞做形时间（R=0.50），根据k值的大小，对感官评分的最佳工艺组合是A3B2C1，即投叶量75 g、时间75 s、温度210℃。对容重影响的主次关系是做形时间（R=16.00）＞投叶量（R=4.66）＞做形温度（R=4.00），根据 k值的大小，对容重的最佳工艺组合是A3B3C2，即投叶量75 g、时间90 s、温度220℃。对茶汤-b/a值影响的主次关系是投叶量（R=0.29）＞做形温度（R=0.19）＞做形时间（R=0.12），根据k值的大小，对茶汤-b/a值的最佳工艺组合是A3B1C3，即投叶量75 g、做形时间 60 s、做形温度230℃。对儿茶素品质指数影响的主次关系是投叶量（R=119.33）＞做形时间（R=44.67）＞做形温度（R=27.00），根据k值的大小，对儿茶素品质指数的最佳工艺组合是A3B2C2，即投叶量75 g、时间75 s、温度220℃。综合考虑4项评价指标，扁形绿茶做形工序最佳工艺参数为：投叶量75 g、时间75 s、温度220℃。

由表7可知，在炒干工序，对感官评分影响的主次关系是投叶量（R=1.87）＞炒干温度（R=1.03）＞炒干时间（R=0.10），根据k值的大小，对感官评分的最佳工艺组合是X2Y2Z2和X2Y3Z2，考虑生产效率和经济效益，选择炒干时间短的X2Y2Z2为最佳工艺组合，即投叶量60 g、时间160 s、温度160℃。对容重影响的主次关系是做形时间（R=9.33）＞投叶量（R=8.67）＞做形温度（R=6.66），根据k值的大小，对容重的最佳工艺组合是X2Y3Z1，即投叶量60 g、时间180 s、温度160℃。对茶汤-b/a值影响的主次关系是投叶量（R=0.40）＞炒干温度（R=0.32）＞炒干时间（R=0.14），根据 k值的大小，对茶汤-b/a值的最佳工艺组合是X2Y2Z1，即投叶量60 g、时间160 s、温度160℃。对儿茶素品质指数影响的主次关系是投叶量（R=181.33）＞炒干温度（R=107.67）＞炒干时间（R=98.00），根据k值的大小，对儿茶素品质指数的最佳工艺组合是X1Y3Z3，即投叶量50 g、炒干时间180 s、炒干温度180℃。综合考虑4项评价指标，加之生产效率和经济效益，扁形绿茶炒干工序最佳工艺参数为：投叶量60 g、时间160 s、温度160℃。

2.3 扁形绿茶加工过程中理化成分变化分析

扁形绿茶加工过程理化成分的变化见表8。

由表8可知，在制品的含水率逐渐下降，从摊青工序的68.23%下降到辉锅工序的4.83%。不同加工工序前后的含水率变化幅度明显不同，其中做形工序前后的含水率下降幅度最大，达到33.02%，杀青工序前后的在制品含水率下降幅度达到13.43%，炒干工序前后的在制品含水率下降幅度也较大，达到10.21%，而在脱毫、辉锅工序，在制品含水率降幅相对较小。由此可见，做形、杀青和炒干是扁形绿茶加工含水率下降的关键工序。有学者研究表明，在制品在加工过程，形态的变化主要与含水率变化以及受热、受力等有关[23-24]，含水率变化的幅度往往与设备温度以及加工时间成正相关。

表8 扁形绿茶加工过程理化成分的变化Table 8 Physical and chemical changes during the processing of flat green tea%

扁形绿茶加工过程中，在制品的品质成分也发生了一系列变化，水浸出物、茶多酚和咖啡碱含量呈不断减少趋势，游离氨基酸总量呈先减少后不断增加趋势，在杀青工序含量最低，可溶性糖含量呈先增加后减少趋势，在炒干工序含量最高。儿茶素是茶多酚的主体，占70%～80%，具有抗氧化特性[25]。儿茶素在湿热作用下会发生异构化和热裂解作用，总量会减少，其中主要表现为EGCG、ECG等酯型儿茶素的减少，可能转化为C、EC等非酯型儿茶素[26]，这可能是茶多酚含量减少的原因，而且酯型儿茶素适量减少，有利于绿茶滋味的醇和爽口。儿茶素在高温、湿热、有氧的条件下，还可发生氧化聚合反应，如若结合残留多酚氧化酶，氧化聚合更快，生成橙黄色的聚合物。当氨基酸、蛋白质存在时，这些氧化聚合物可随机聚合形成有色物质，是形成绿茶叶底黄绿的成分，使叶底呈现黄绿色，从而改善品质[27]。咖啡碱的含量总体有所下降，咖啡碱含量的减少可能与其做形、炒干时受热温度有关，温度越高，越容易升华，从而导致含量减低[28]。在摊青工序，由于呼吸作用，使在制品的部分蛋白质水解，游离氨基酸含量增加，提高了茶叶滋味的鲜爽度。而在杀青工序，受湿热的影响，游离氨基酸参与多种化学反应，含量下降[29-30]，但在做形、炒干工序又有所上升，脱毫工序变化不大。杀青、做形和炒干工序，可溶性糖的总量有所增加，这可能是因为部分多糖会水解，水解成可溶性糖类，有利于茶汤滋味的形成[31]。

2.4 优化工艺扁形绿茶与传统工艺扁形绿茶品质比较分析

将优化工艺扁形绿茶样品（试验组）与同一批次传统工艺扁形绿茶样品（对照组）的品质进行比较分析，其感官品质及主要理化指标如表9所示。

由表9可知，试验组感官品质优于对照组，感官评分提高了2.27分，茶叶容重增加10.84%，茶汤色泽有明显改善，儿茶素品质指数上升。表明优化后的做形、炒干工艺参数在实际生产中具有较好的应用性。

表9 优化工艺扁形绿茶与传统工艺扁形绿茶品质比较分析Table 9 Comparison and analysis of quality between optimized process flat green tea and traditional process flat green tea

3 结论

以外观度、色泽度和成形度为评价指标开展单因素试验，以感官评分、容重、茶汤-b/a值、儿茶素品质指数为评价指标开展正交试验，对自动化生产线下扁形绿茶做形、炒干工艺进行优化，确定了做形工序最佳工艺参数：投叶量75 g、时间75 s、温度220℃；炒干工序最佳工艺参数：投叶量60 g、时间160 s、温度160℃。在此条件下制成的扁形绿茶外形扁平挺直，汤色黄绿明亮，香气高，滋味浓醇，综合品质达到最优。扁形绿茶在加工过程中理化成分发生了一系列变化，在制品的含水率、水浸出物、茶多酚和咖啡碱含量呈不断减少趋势；游离氨基酸总量呈先减少后不断增加趋势，在杀青工序含量最低；可溶性糖含量呈先增加后减少趋势，在炒干工序含量最高。通过对采用优化工艺扁形绿茶与传统工艺扁形绿茶品质进行对比分析，发现试验组感官品质优于对照组，感官评分提高了2.27分，茶叶容重增加10.84%，茶汤色泽有明显改善，儿茶素品质指数上升，为扁形绿茶标准化工艺的制定提供了数据支撑。