藏茶臥式發酵機的設計和試驗

　　摘 要：為解決藏茶渥堆過程中發酵不均勻、渥堆時間長等問題，設計了一種藏茶臥式發酵機。該設備由罐體、攪拌裝置、輸送裝置、溫濕度控制系統等組成。發酵機控溫保濕，集輸送、發水、渥堆、翻堆于一體，電機帶動攪拌軸轉動罐內茶堆，由攪拌葉片實現翻堆。對罐體、輸料裝置、控制系統進行了設計，并確定罐體尺寸(4240 mm×2300 mm×3170 mm)、發酵罐尺寸(內徑×長) 1900 mm×3900 mm，總容積 11 m3 、罐體轉速 15 r/min，工作溫度 20~100 , ℃ 最大容量 1 000 kg。篩選了機械渥堆前的渥堆溫度、渥堆時間和茶坯含水量，進行渥堆試驗，最佳工藝參數為渥堆溫度 70 ℃、渥堆 110 h、茶坯含水量為 30%。發酵機制成的藏茶成茶湯色橙紅明亮，滋味醇和回甘，感官審評得分高于傳統渥堆 1.2 分，渥堆周期縮短了 24 d。

　　本文源自湖南農業大學學報(自然科學版) 2021-02-02 《湖南農業大學學報》(自然科學版)(雙月刊)創刊于1956年，是由湖南農業大學主辦的農業類學術刊物，系美國CA、俄羅斯AJ、英國CABI、日本JST、中國CSCD、中國生物學文摘、中國農業文摘來源期刊和中國學術期刊(光盤版)、中國期刊網、“萬方”、“維普”等全文上網數據庫收錄期刊;中文核心期刊、中國科技核心期刊、中國農業核心期刊、中國期刊方陣“雙百”期刊。

　　關 鍵 詞：藏茶;渥堆;發酵機;感官品質

　　雅安藏茶是四川邊茶中的名優黑茶，因銷于藏區而得名[1–2]。據中國茶葉流通協會統計，2018 年，全國黑茶產量達 31.89 萬 t，成為僅次于綠茶的第二大茶類。雅安藏茶是四川黑茶的杰出代表，占四川黑茶產量的 80%以上[3]，2016 年其品牌價值排名全國黑茶類第 5 名，在四川黑茶產業的地位舉足輕重。現下藏茶加工大多沿用傳統渥堆工藝，即自然渥堆和加溫保濕渥堆[4]，茶坯的水分、溫度和相對濕度、微生物等較難控制，以致產品品質波動較大;因此，采用設備渥堆以保證藏茶的品質至關重要。吳紹帥等[5]研發了有自動潮水、保溫保濕發酵、翻堆功能的雙層保濕轉動式普洱茶發酵罐，按 30%的潮水比例發酵 20 d 即可出罐，且品質在一定程度上優于傳統發酵，減少了制茶損耗，降低了生產成本，提高了普洱茶生產效率和效益，但罐內茶葉的溫度和水分含量無法得到精準控制。黃云戰等[6]對普洱茶發酵罐的潮水量、菌種、翻轉周期進行了試驗，得到最優組合為潮水量 27%、菌種 100 mL、翻轉周期 2 d，用發酵罐發酵普洱茶 25 d 左右即可出堆，發酵過程中茶堆最高溫度未超過 60 ℃，為微生物繁殖提供了理想溫度，隨著菌種的增加和潮水量的增多，發酵時間會更短，不能少于 22 d，但該設備影響正常翻堆，不能實現解塊。孫楊鋒等[7]改進了滾筒式普洱茶潮水機械，確定了滾筒長度和直徑分別為 1.5 m 和 1 m，轉速 28 r /min，結合單片機自動控制系統實現了茶葉潮水的連續化和自動化，但該設備體積偏大、靈活性欠佳。馬振綱等[8]構建了普洱茶發酵清潔化車間，當相對濕度在 100%時開啟風機只需要 25 s 就可以使相對濕度降到 85%，使發酵環境穩定。羅新文等[9]將普洱茶發酵罐的主軸管直徑加大到 75 mm，解塊叉桿直徑增大到 35 mm，結果表明，相對濕度穩定在 72%左右，溫度維持在 50 ℃，比較適合普洱茶的發酵要求，普洱茶品質穩定。

　　筆者吸收借鑒普洱茶發酵設備優點，設計了一種藏茶臥式發酵機。集送料、發水、渥堆、自動翻堆、溫濕度智能調控等功能于一身，可完成輸送、汽蒸、發水、渥堆、翻堆。從輸料到出堆整個過程都由專業設備作業，獲得了藏茶臥式發酵機的最佳工藝參數，以期為藏茶清潔化生產提供技術參考。

　　1 藏茶臥式發酵機的結構和工作原理

　　藏茶臥式發酵機由罐體、攪拌裝置、輸送裝置和控制系統等4部分組成，如圖1所示。罐體包括進茶口、罐身、封頭、觀察口等;攪拌裝置包括攪拌軸、攪拌葉片、電機等;輸送裝置包括電機、勻葉器、殼體、螺旋葉片、螺旋軸等;控制系統包括觸摸屏、加熱模塊、控濕模塊、通風模塊等。

　　工作時，綠毛茶由輸送裝置從進茶口送入罐體內，攪拌軸旋轉，打散綠毛茶;溫濕度控制系統啟動，蒸汽發生器向罐體內噴灑蒸汽以提高茶堆的溫度和相對濕度，當溫度和相對濕度達到預設值時，控制蒸汽發生器會停止噴灑蒸汽，由溫度采集裝置及時顯示;若低于設定值，會進行升溫提示;若高于設定值，會反饋至控制系統，通過噴頭噴水或開啟送風口和封頭為罐內降溫、排濕。進風口裝有調節器，可調節進風速度和供氧，保證渥堆發酵所需的溫度和相對濕度。罐內茶坯含水量采用水分快速測定儀檢測。罐內密閉性較好，渥堆只需人工輔助觀察渥堆葉狀況即可。攪拌葉片連續帶動茶堆翻轉，渥堆適宜后，人工輔助打開出茶口，攪拌葉片打散和勻推茶堆，罐體底部的輸送帶勻速完成出堆，完成渥堆發酵。

　　2 主要部件的設計

　　2.1 罐體和攪拌裝置

　　依據《機械設計手冊》[10]和《茶葉加工工程》[11]，參考普洱茶發酵罐[5–6]和紅茶發酵裝置[12]設計理念，結合藏茶渥堆工藝要求，設計罐體和攪拌裝置。罐體采用符合食品安全規定的不銹鋼材質，耐用輕便無污染。罐體設有觀察口，用于觀察茶堆渥堆狀態，進茶口和出茶口分別位于罐體正上方和左下側。發酵機罐體為圓筒狀，內外罐體間設有夾層，可控溫、保濕。罐體內徑1900 mm、長3900 mm，其容積的1/2(5.5 m3 )為工作容積，以滿足渥堆時 80~100 cm的茶堆高度，裝罐容量300~600 kg。參照黃云戰等[6]對普洱茶的研究成果，結合藏茶渥堆實踐，將罐體轉速設定為15 r/min。因四川黑茶渥堆過程中茶堆溫度應維持在45~71 ℃[13]，故設定工作溫度為20~100 ℃。發酵機整體尺寸(長×寬×高) 4240 mm×2300 mm×3170 mm。

　　攪拌裝置橫向設置于罐體內，包括攪拌軸和套裝在攪拌軸外表面且沿其軸向間隔設置的攪拌葉片，攪拌軸穿過罐體側壁，其一端穿過安裝在支架上的軸承，另一端與機械傳動機構連接。攪拌葉片的截面形狀為開放式的三折線，三折線的中間線段垂直于攪拌軸的軸線，三折線兩端的線段分別向相反的方向折疊且平行。旋轉的攪拌葉片可以在茶堆發酵時用于翻堆，在出料時勻推和打散茶堆，使渥堆葉充分與氣流接觸，保證渥堆葉含水量和通氧量均勻分布。

　　2.2 輸送裝置

　　輸送裝置長4800 mm，殼體直徑600 mm，攪拌軸直徑75 mm，攪拌軸和攪拌葉片內部均為空心結構且互相連通。殼體內側焊接間距相等、方向不同的直徑為4~6 mm的噴頭，使高溫蒸汽、水分能噴灑到綠毛茶中，提高其溫度和相對濕度。輸送裝置主要由轉軸、殼體、螺旋葉片、霧化噴頭、蒸汽噴頭等構成，集發水、汽蒸、輸送于一體，為綠毛茶渥堆提供適宜且均勻的渥堆溫濕度。輸送裝置啟動后，蒸汽發生器開始預熱，打開蒸汽閥門，通過安全閥和壓力表確定蒸汽壓力。水箱中裝入食用水，打開控水閥門，通過流量計測量和水泵的調節控制流速和發水量。綠毛茶從進茶口加入，跟隨螺旋葉片移動，先經過蒸汽噴頭所在區域，進入輸送機內腔中的高溫蒸汽(130~150 ℃)對綠毛茶進行汽蒸，提升綠毛茶溫度和相對濕度并軟化條索，此時綠毛茶含水量達20%左右。綠毛茶經過霧化噴頭所在區域，進行輕度的發水，而后綠毛茶被輸送至出茶口，以重力方式進入罐內進行渥堆發酵，如圖2所示。

　　2.3 控制系統

　　藏茶渥堆對環境的要求較嚴格[4,13–14]，可通過控制溫度、時間、茶坯含水量等3個可控因素，來確保渥堆的正常進行和渥堆質量。采用PLC控制作為主控，翻堆裝置、加熱模塊、控濕模塊及通風模塊等構成控制系統，同時實現藏茶在渥堆過程中的定期翻堆、控溫、控濕、通風、數據采集和存儲。通過觀察窗口對渥堆狀態進行實時監控，并由PLC 觸摸屏對渥堆參數進行調節。其中，溫濕度控制系統可完成罐體內溫濕度信息的收集、顯示及調控，溫度的分辨率為0.1 ℃，相對濕度分辨率為3%?？刂破骺蓪崿F手動控制和自動控制。

　　3 發酵機渥堆試驗

　　渥堆試驗于2018年5月至7月在四川農業大學進行。三級綠毛茶由四川雅安西康藏茶集團提供。根據劉婷婷等[13]、熊元元[14]、胥偉[15]和夏濤等[4] 的研究成果和前期預試驗，選取渥堆溫度(A)、渥堆時間(B)和茶坯含水量(C)為影響因素，以渥堆溫度 50、60、70 ℃，渥堆時間70、90、110 h，茶坯含水量25%、30%、35%進行三因素三水平正交試驗。每次渥堆綠毛茶用量100 kg。獲取設備渥堆的最優參數組合。

　　使用500 kg綠毛茶，按優化后的最佳工藝參數進行發酵機渥堆。

　　使用5000 kg綠毛茶，渥堆葉含水量30%~35%，扎堆后渥堆，適時翻堆，每次翻堆后及時補水，進行傳統方法渥堆。

　　采用國標方法[16–19]測定藏茶的水浸出物、茶多酚、兒茶素總量、氨基酸、咖啡堿含量;采用蒽酮比色法[20]測定可溶性糖含量;采用系統分析法[21] 測定茶色素含量;采用丙酮–乙醇混合液比色法[22] 測定葉綠素總量。

　　參照GB/T 23776—2018對藏茶進行感官審評。

　　試驗數據采用Excel軟件和SPSS 22.0軟件進行統計和分析。

　　4 結果與分析

　　4.1 臥式發酵機渥堆工藝優化結果

　　結合前期預試驗，采用正交設計優化渥堆溫度、渥堆時間、茶坯含水量3個參數。發酵機渥堆藏茶品質成分含量和感官審評結果列于表1。

　　極差分析結果(表2)表明，影響水浸出物、茶多酚、氨基酸、葉綠素、茶褐素含量的因素大小依次為渥堆溫度、渥堆時間、茶坯含水量，即渥堆溫度對藏茶水浸出物、茶多酚、氨基酸、葉綠素、茶褐素含量的影響最大，渥堆溫度對于上述藏茶成分的影響更顯著，最佳參數分別為A3B3C1、A1B2C1、 A1B1C2、A1B1C3、A3B3C2。影響兒茶素、可溶性糖含量的因素大小依次為渥堆溫度、茶坯含水量、渥堆時間，即渥堆溫度對兒茶素、可溶性糖含量的影響最大，最佳參數分別為A1B1C2、A1B1C3。影響咖啡堿含量的因素大小依次為渥堆時間、茶坯含水量、渥堆溫度，即渥堆時間對藏茶咖啡堿含量的影響最大，最佳參數為A1B1C3。不同品質成分相關的參數組合略有不同，而且就某個單一的成分含量的優化條件也無法確定最佳工藝組合，所以同時對不同渥堆處理得到的成品茶感官審評進行綜合篩選，確定臥式發酵機的最佳渥堆工藝參數，結果影響感官審評得分的因素大小依次為渥堆溫度、渥堆時間、茶坯含水量，與茶多酚、氨基酸、茶褐素等主要滋味物質影響因素的順序一致，說明渥堆溫度對成品藏茶感官評分的影響最大，渥堆時間次之，茶坯含水量的影響最小。綜上，最佳工藝參數為 A3B3C2，即渥堆溫度70 ℃，渥堆時間110 h，茶坯含水量30%。

　　由極差分析和方差分析(表3)可知，渥堆溫度對藏茶品質的影響最大，渥堆時間次之，而茶坯含水量的影響最小。

　　4.2 發酵機渥堆與傳統渥堆藏茶品質的比較

　　以獲得的最佳工藝參數進行發酵機渥堆，以傳統渥堆為對照，比較2種渥堆方式的藏茶的品質差異。發酵機渥堆過程中，罐內茶堆溫度和相對濕度上升較快，且處于動態慢速發酵狀態，故不需翻堆。傳統渥堆翻堆間隔為6 d，翻堆4次，30 d出堆。

　　渥堆結束后，茶樣的化學成分測定結果列于表 4。

　　結果表明，發酵機渥堆與傳統渥堆對比，藏茶咖啡堿、茶褐素、葉綠素含量減少，可溶性糖、水浸出物、茶多酚、氨基酸、兒茶素含量升高。2種渥堆方法的藏茶品質相近，但利用發酵機進行渥堆，渥堆時間大大縮短。

　　從審評結果(表5)看，發酵機渥堆藏茶與傳統渥堆藏茶品質無明顯差異，發酵機渥堆的藏茶湯色橙紅明亮、滋味醇和回甘、香氣陳濃。感官評分達92.95 分，湯色、香氣、滋味得分均高于傳統渥堆工藝的。