碾茶自动化生产线的设计开发与参数试验

黄剑虹，徐 伟，戴惠亮，周金亮，姜晓亮，谢佰均，彭礼云

（浙江上洋机械股份有限公司，浙江衢州324000）

0 引言

碾茶是抹茶的原料茶，抹茶生产技术虽然起源于中国，但在近代已经失传，现在中国的抹茶和碾茶生产技术是由日本引进并结合中国特点发展起来的。碾茶生产技术与传统六大类茶叶的生产有着明显的区别，主要体现在生产工艺、生产设备和评定标准等方面，碾茶对原料有着严格的要求，鲜叶必须经过覆盖栽培，生产工艺主要有蒸汽（热风）杀青、碾茶烘干、梗叶分离等，需要去除茶叶中的茶梗和叶脉，成品碾茶只保留茶叶的叶片[1]。在评定方面，碾茶要求具备特色的海苔香和翠绿颜色，形状方面只要满足茶片的特定大小即可。近年来，随着国内抹茶销量增大，作为抹茶原料茶的碾茶生产加工呈现爆炸式增长。国内相继出现了许多国产的生产加工设备和生产线，碾茶的生产加工技术发展迅速，并呈现出多样化的特点。国内的碾茶生产技术主要有以下几大类别，一是杀青环节存在蒸汽杀青、热风杀青或蒸汽热风混合杀青等类别；二是碾茶烘干环节主要存在砖砌碾茶炉烘干、远红外碾茶炉烘干、热风烘干或翻板烘干机烘干；三是梗叶分离环节存在一次梗叶分离和两次梗叶分离。以浙江上洋机械股份有限公司自主研发的SHY-400型自动化碾茶生产线为基础介绍碾茶生产技术，基于大量现场做茶试验、客户反馈，归纳总结试验参数，对碾茶生产线进行优化设计。

1 生产线工艺流程

国标GB/T 34778—2017把抹茶定义为：采用覆盖栽培的茶树鲜叶经过蒸汽（热风）杀青后，干燥制成的叶片为原料，经碾磨工艺加工而成的微粉状茶产品。从日本引进的典型的碾茶加工工艺主要为：摊青、蒸汽杀青、冷却散叶、碾茶烘干、梗叶分离，SHY-400生产线工艺路线为：摊青→鲜叶切割→除杂→蒸汽杀青→冷却散叶→增绿→碾茶烘干→梗叶分离→二次烘干→二次梗叶分离。设计生产线台时产量为400 kg（鲜叶）/h。

SHY-400型碾茶生产线主要设备见表1，SHY-400型碾茶生产线布置图见图1。

表1 SHY-400型碾茶生产线主要设备

图1 SHY-400型碾茶生产线布置图

2 关键工艺原理和关键设备

蒸汽杀青和碾茶烘干是影响碾茶生产品质的最重要的2个环节，碾茶经过蒸汽杀青和碾茶烘干后形成特有香气和口感，这是复杂的化学理化过程[2]。

2.1 原理

从水分散失角度来看，碾茶生产过程和传统六大茶类似，都是水分散失的过程，鲜叶含水量一般为75%～78%，经过摊青后损失水分5%左右，蒸汽杀青后水分增加5%～10%，冷却散叶环节散发掉5%左右，碾茶烘干结束时要求叶片含水率达到10%左右，然后经过管道输送和复烘使成品碾茶含水率达5%～8%，根据碾茶工艺要求，一般的碾茶生产过程必须遵循以上的含水率变化过程。同时，时间是另一关键参数，含水率的变化过程必须伴随适当的时间，烘干环节必须满足合理的干燥曲线，才能生产出品质好、香气足、营养物质丰富的碾茶成品。

2.1.1 蒸汽杀青

茶叶杀青主要有滚筒杀青（炒青）、高温热风杀青、蒸汽杀青等，滚筒杀青和高温热风杀青主要用于名优绿茶的杀青，其优点是杀青后茶叶的含水率一般在60%左右，相对蒸汽杀青有较高的失水率；缺点是滚筒杀青和热风杀青都会产生茶叶焦边、爆点，并且茶叶或多或少产生焦火味，而蒸汽杀青的优点是一方面不会产生焦边、爆点；另一方面茶叶的颜色是几种杀青方式中最翠绿的，并且蒸汽杀青可以使茶叶形成特定的化学物质。蒸汽杀青是形成碾茶独特品质风格的关键工序，杀青过程中，茶叶中的顺-3-已烯醇、顺-3-己烯乙酸酯和芳樟醇等氧化物大量增加，并产生大量的酮类化合物，这些成分构成了抹茶特殊的香气和口感。影响蒸青效果的主要因素有蒸汽流量、温度、鲜叶投叶量和蒸青时间。其中，蒸汽流量和温度由蒸汽锅炉、阀门控制，鲜叶投叶量可通过公式（1）计算，投叶量必须适合，过多的投叶量会引起杀青不足和不均，而投叶量不足会引起茶叶结团、杀青过度等。

式中：W——投叶量，kg/h；

V——蒸筒容积，m3；

F——鲜叶容重，kg/m3；

t——鲜叶通过滚筒时间，s。

2.1.2 碾茶烘干

碾茶烘干是形成碾茶特有的炉火香或海苔香的重要环节，区别于其他传统六大类茶的烘干，碾茶的烘干需要特定的设备进行烘干，这种设备通常称为碾茶炉，目前市场上常见的碾茶炉是砖砌辐射式碾茶炉和远红外碾茶炉，传统的砖砌碾茶炉的特点为设备占地面积大、施工工作量大，需要现场基建；辐射传热，能耗很大，车间会因为碾茶炉的辐射造成车间温度过高，生产环境差；碾茶炉整体供热，内部无法实现精准控温，控温反应速度慢；多层网带结构，茶叶无法重叠，整机台时产量低。远红外碾茶炉一般采用远红外加热和热风加热相结合，网带为单层网带结构，设置翻叶机构，茶叶在网带上可以叠加，具有台时产量大、烘干效率高、能耗低等特点[3]。

碾茶烘干过程茶叶水分的变化受内部扩散和表面汽化速度的影响，并且遵循干燥曲线，茶叶干燥曲线分为直线部分和曲线部分，直线部分特点是等速干燥，即干燥速度y=a+bx；曲线部分为，其特点是随着干燥进行，干燥速度逐渐下降，也称降速干燥阶段；在等速干燥阶段，干燥机理受表面气化控制，此时的干燥速度与茶叶含水率无关，随着含水率下降，内部扩散速度赶不上表面汽化速度时，进入降速干燥阶段，干燥机理受内部扩散控制，而内部扩散速度受叶温影响，适当提高叶温可以提高干燥速度，降速干燥阶段，如果供热强度过大，叶温上升过快，则可能出现茶叶焦火、焦边。

2.2 关键设备

2.2.1 蒸汽杀青机

蒸机为滚筒式蒸汽杀青机，型号为6CZS-400，结构主要包括配套蒸汽炉（蒸汽发生器）、调压阀、流量阀、蒸筒、滚筒（筛网）、搅拌绞龙（搅拌轴）、可调式机架、传动系统、电气系统等。可调式机架结构使蒸筒倾斜角度可调，电气系统变频控制保证搅拌轴和滚筒转速可调，蒸筒倾斜角、滚筒转速、搅拌轴转速，这3个参数决定了杀青时间即茶叶通过蒸筒和滚筒的时间，实际操作时，往往三者结合起来控制，实现杀青时间的精准控制。蒸汽发生器为低压蒸汽炉，温度调节范围为100～115℃，一般情况下，通过调节蒸汽压力来调节温度，通过PLC控制燃烧机实现精准控温。蒸汽流量通过蒸汽流量阀控制，蒸汽流量计为数字显示的流量计，可切换不同的流量单位。

2.2.2 碾茶炉

采用单层网带式远红外碾茶炉，特点是远红外加热与热风加热结合，烘烤与烘干相互结合，茶叶在碾茶炉烘干的过程是其化学成分转变、热物理变化最多的过程，对碾茶特有的色、香、味、形的形成具有关键作用[4]。根据茶叶干燥曲线特点和碾茶烘干工艺，将碾茶炉分两段设计，分别为碾茶初烘炉（表1序号6）和碾茶复烘炉（表1序号7）。碾茶初烘炉顶部布置远红外辐射加热，加热板材料为陶瓷远红外加热板，底部热风加热；碾茶复烘炉底部热风加热，由配套热风发生器（表1序号8）提供热风，热风风量和温度均可调节控制。该碾茶炉最大的特点是网带上方均匀布置翻叶机构，茶叶随着网带前进，每间隔70 cm翻叶1次，翻叶机构对茶叶起到翻面和搅拌的作用，使茶叶受热均匀，翻叶板的执行机构材料是柔性的食品级橡胶，不会对茶叶造成破坏；此外，碾茶炉输送带为304不锈钢编织网带，输送带直接由滚轮带动，无牵引链条，无托档，不会对茶叶造成任何污染。

2.3 其他主要设备单元

2.3.1 摊青机组

摊青机采用单层链板式摊青机，额定储青产量为3～6 t，根据生产线产能定制，该生产线配套摊青机组设计鲜叶储存量4 t，主要包括鲜叶上料机、送叶平输机、摊叶平输机、出叶振动槽、吹风冷却系统、电气控制系统等。该摊青机的优点是储存量大、自动上料、自动摊叶、自动出料、自动吹风加湿，茶叶在储青机内摊放均匀，出料口处设置匀叶机构，保证出料均匀、定量。该机结构稳定、控制简单，实现了鲜叶的清洁化、自动化储存、摊晾，特别对于碾茶采摘季节多雨水的特点，有很好的去除雨水叶表面水的作用。

2.3.2 鲜叶切割机组

碾茶原料是经覆盖栽培的茶叶，其茶叶长度较长，一般需要对碾茶鲜叶进行切割，切割环节必须在储青之后杀青工艺之前，鲜叶切割主要解决的问题：①因机采叶大小不一致可能造成的杀青不均匀等问题；②过长的茶叶梗不利于后续的梗叶分离工艺，容易造成堵茶；③茶叶大小均匀利于烘干；④利于输送，如立输、管道输送等。切断后茶叶长度一般为3～5 cm。生产线配套的切割机由2台切割机构成机组，2台上下布置，可以左右移动，这样做的好处是可以选择1台切，也可以选择2台切（即切2次），2台切割机原理不同，分别是竖切和横切，竖切机刀片是圆刀片，两组圆刀片交错布置，转向都往中间方向转动，刀片为锯齿状；横切机刀片为横刀片，横刀片4组圆周方向均匀布置，配合橡胶滚轮和一组圆刀片，三者相互啮合。该切叶机组特点是切叶效率高，切叶出来的茶叶长度一致性高，且碎茶率小。

2.3.3 冷却散茶机

蒸汽杀青后茶叶含水率相对鲜叶会有所增加，并且茶叶表面会或多或少附着表面水，杀青后茶叶叶温较高，如果不能快速冷却，会影响茶叶色泽，所以在蒸汽杀青后需对茶叶进行快速冷却。冷却散茶机采用风送和风冷却相结合的方式，利用鼓风机产生的冷风将杀青后的叶片吹起3～5次，茶叶在网罩内不断吹起降落，散发掉表面水分，降低叶温，网罩高度一般为6～8 m（根据厂房条件），网罩材料采用聚酯网带，不会出现粘叶问题，采用这种风送、风冷相结合的冷却方式具有冷却效果好、设备成本低、结构简单、维修清理方便等特点[5]。

2.3.4 梗叶分离机

经过碾茶炉烘烤的茶叶叶片含水率一般为8%～10%，茶梗含水率为20%～30%，两者含水率不一样，茶梗和叶片形状存在差异，梗叶分离机即利用了该原理，分离碾茶的梗（包括部分叶脉）和叶片。

梗叶分离机采用滚筒与筛网的相互配合，茶叶在滚筒和筛网的摩擦、挤压下叶片破碎掉落，梗和部分叶脉从叶片上剥离出来，再经过分选机实现叶片和梗的分离；滚筒表面布置螺旋形状的螺旋片，起着输送、挤压茶叶的作用，筛网网孔为间隔13 mm×13 mm，筛网为编织的不锈钢网带，形状为“U”形，底部与螺旋片间隙为4～7 mm，间隙可根据茶叶干湿度、茶叶大小等做出调整。该梗叶分离机的特点是工作效率高、不易堵茶、间隙可调整，适合不同原料的碾茶、分离效果好，能去除70%以上的茶梗，剩余不能去除的茶梗可以从筛网末端导出。

3 参数试验

3.1 做茶试验

重点对蒸汽杀青和碾茶烘干环节进行参数对比分析试验，以茶叶的色泽、香气、汤味、形状等为考核点，对杀青和烘干效果进行评分。

试验一：蒸汽杀青试验。

分别设定投叶量为300，350，400，450 kg/h；设定杀青时间为13，15，17，20 s；蒸汽温度设定为101，103，105，107℃；根据这些参数设置杀青机倾角、滚筒转速、搅拌轴转速；记录试验结果，测定蒸青叶含水率并进行杀青效果评分（满分10分），得出最佳杀青效果时的数据参数。

（1）以投叶量350 kg/h，杀青时间15 s为定参数，调整蒸汽温度。

杀青效果与蒸汽温度关系见图2。

图2 杀青效果与蒸汽温度关系

（2）以投叶量350 kg/h，蒸汽温度105℃为定参数，调整杀青时间，观察杀青效果。

杀青效果与杀青时间关系见图3。

图3 杀青效果与杀青时间关系

（3）以蒸汽温度为105℃，杀青时间15 s为定参数，调整投叶量，观察杀青效果。

投叶量与杀青效果关系见图4。

图4 投叶量与杀青效果关系

试验二：碾茶烘干试验（投叶量400 kg/h）。

（1）碾茶的初烘时间设定为5 min，热风风量设定为6 000 m3/h，热风温度170℃，调整远红外加热温度，观察初烘效果和茶叶失水率。

碾茶初烘炉远红外温度与烘干效果、失水率关系见图5。

图5 碾茶初烘炉远红外温度与烘干效果、失水率关系

（2）碾茶复烘时间设定为5 min，热风风量设定为12 000 m3/h，调整热风温度，观察复烘效果与茶叶失水率。

碾茶复烘热风温度与烘干效果、失水率关系见图6。

图6 碾茶复烘热风温度与烘干效果、失水率关系

（3）碾茶初烘、复烘的远红外温度、热风温度、风量等都恒定，设置不同的烘干时间，观察烘干效果、茶叶失水率。

碾茶烘干效果与烘干时间关系见图7，最佳试验数据表2。

图7 碾茶烘干效果与烘干时间关系

3.2 蒸汽杀青

表2 最佳试验数据

杀青时间在16 s左右杀青效果最好，随着杀青时间增加，叶片含水率增加，表面水增加，杀青叶颜色偏红，出现“闷叶”现象；蒸汽流量（蒸发量）在180 kg/h左右杀青效果最好，流量过大则出现水分过多，杀青颜色偏红；投叶量400 kg/h，蒸汽温度105℃时，杀青效果达到最优，温度过高，茶叶杀得过透，影响香气，投叶量过大，茶叶部分杀不透，投叶量过少，杀青效果不匀。

3.3 碾茶初烘

热风风量越大，烘干颜色越好，但是香气下降，烘干脱水效率高，所以碾茶初烘炉风量不宜过大，10 000 M3/h较为适宜。随着热风温度增高，茶叶颜色偏黄，因此热风温度170℃左右最佳；随着远红外加热功率增加，茶叶产生焦边，茶叶边缘偏黄等现象，说明远红外加热功率不宜过大，远红外加热温度280℃时，烘干效果最佳；烘干时间越长，失水率越大，但是茶叶颜色值下降，试验表明4.5 min左右的初烘时间是最佳烘干时间。

3.4 碾茶复烘

风量越大，烘干效率和烘干效果越好，茶叶颜色值越好，热风风量在16 000 m3/h，烘干时间在5.5 min左右最佳；热风温度不宜过低，否则茶叶烘干效率低。温度过高，也会影响香气和色泽，一般在110℃左右最佳。

3.5 翻板烘干

翻板烘干是在第一次梗叶分离与第二次梗叶分离之间，主要目的是一方面对部分未分离的茶梗进行烘干；另一方面起到进一步烘干提香的作用，碾茶在翻板烘干机复烘时应该“低温慢烘”，但过长时间会影响茶叶色泽和含水率，试验表明在烘干时间9 min，烘干温度68℃时，烘干的色泽、香味最佳。

4 结论

随着碾茶生产技术在国内的推广和发展，市场对于碾茶生产线的要求越来越高，在满足制茶工艺的同时，生产线必须在节能、清洁化、自动化等方面有很好的表现，上洋公司研发的SHY-400型自动化碾茶生产线能够很好地解决以上问题，尤其是单层网带式远红外碾茶炉的应用，相对传统的砌砖碾茶炉节能20%以上，台时产能是传统碾茶炉的2倍以上，大大提高了碾茶生产线的产能，有效降低了单位能耗。

碾茶烘干理论上存在等速干燥和降速干燥2个阶段，但是实际的干燥工艺并不能完全遵守，根据制茶工艺的特点，需要在等速干燥结束前，同时加快降速干燥的进程，以缩短整体烘干时间，增加烘干效率；一般这个节点的含水率为38%～40%，这是碾茶炉分段设计的主要出发点，低于这个数值，等速干燥时间过长，会延长整体烘干时间，茶叶颜色会受影响，高于这个数值，等速干燥时间过短，一方面造成能源浪费；另一方面影响远红外加热对茶叶特定香气形成和特殊化学物质的形成。

碾茶实际生产时，鲜叶摊青、鲜叶切割、风送散叶等环节会对茶叶含水率和茶叶品质产生影响，尤其是梗叶分离环节直接影响碾茶的形状和品质。另外，鲜叶投叶量和鲜叶的品种等也是影响制茶效果的重要因素，在研究中未做详细说明。