藏茶卧式发酵机的设计和试验

　　摘 要：为解决藏茶渥堆过程中发酵不均匀、渥堆时间长等问题，设计了一种藏茶卧式发酵机。该设备由罐体、搅拌装置、输送装置、温湿度控制系统等组成。发酵机控温保湿，集输送、发水、渥堆、翻堆于一体，电机带动搅拌轴转动罐内茶堆，由搅拌叶片实现翻堆。对罐体、输料装置、控制系统进行了设计，并确定罐体尺寸(4240 mm×2300 mm×3170 mm)、发酵罐尺寸(内径×长) 1900 mm×3900 mm，总容积 11 m3 、罐体转速 15 r/min，工作温度 20~100 , ℃ 最大容量 1 000 kg。筛选了机械渥堆前的渥堆温度、渥堆时间和茶坯含水量，进行渥堆试验，最佳工艺参数为渥堆温度 70 ℃、渥堆 110 h、茶坯含水量为 30%。发酵机制成的藏茶成茶汤色橙红明亮，滋味醇和回甘，感官审评得分高于传统渥堆 1.2 分，渥堆周期缩短了 24 d。

　　本文源自湖南农业大学学报(自然科学版) 2021-02-02 《湖南农业大学学报》(自然科学版)(双月刊)创刊于1956年，是由湖南农业大学主办的农业类学术刊物，系美国CA、俄罗斯AJ、英国CABI、日本JST、中国CSCD、中国生物学文摘、中国农业文摘来源期刊和中国学术期刊(光盘版)、中国期刊网、“万方”、“维普”等全文上网数据库收录期刊;中文核心期刊、中国科技核心期刊、中国农业核心期刊、中国期刊方阵“双百”期刊。

　　关 键 词：藏茶;渥堆;发酵机;感官品质

　　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。

　　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。

　　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。

　　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%。

　　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。

　　4.2 发酵机渥堆与传统渥堆藏茶品质的比较

　　以获得的最佳工艺参数进行发酵机渥堆，以传统渥堆为对照，比较2种渥堆方式的藏茶的品质差异。发酵机渥堆过程中，罐内茶堆温度和相对湿度上升较快，且处于动态慢速发酵状态，故不需翻堆。传统渥堆翻堆间隔为6 d，翻堆4次，30 d出堆。

　　渥堆结束后，茶样的化学成分测定结果列于表 4。

　　结果表明，发酵机渥堆与传统渥堆对比，藏茶咖啡碱、茶褐素、叶绿素含量减少，可溶性糖、水浸出物、茶多酚、氨基酸、儿茶素含量升高。2种渥堆方法的藏茶品质相近，但利用发酵机进行渥堆，渥堆时间大大缩短。

　　从审评结果(表5)看，发酵机渥堆藏茶与传统渥堆藏茶品质无明显差异，发酵机渥堆的藏茶汤色橙红明亮、滋味醇和回甘、香气陈浓。感官评分达92.95 分，汤色、香气、滋味得分均高于传统渥堆工艺的。