普洱茶發酵罐研制及應用研究

黃云戰趙永潔李亞莉朱廣鑫黃 鶴

郝 強1吳紹帥3孫楊峰1周紅杰3

（1.云南農業大學工程技術學院，云南 昆明 650201；2.昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明 650208；3.云南農業大學普洱茶學院，云南 昆明 650201；4.云南農業大學農科實驗中心，云南 昆明 650201）

普洱茶發酵罐研制及應用研究

黃云戰1趙永潔2李亞莉3朱廣鑫3黃 鶴4

郝 強1吳紹帥3孫楊峰1周紅杰3

（1.云南農業大學工程技術學院，云南 昆明 650201；2.昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明 650208；3.云南農業大學普洱茶學院，云南 昆明 650201；4.云南農業大學農科實驗中心，云南 昆明 650201）

為實現普洱茶清潔化生產，研制普洱茶發酵罐，對發酵罐的設計原理、工藝結構進行闡述，并在普洱茶發酵過程中，利用組合試驗設計對發酵罐的3個可控因素（潮水量、菌種、翻轉周期）進行試驗研究，得出各因素在普洱茶發酵過程中的變化規律，提出普洱茶發酵罐合理工藝設計參數以及發酵過程中關鍵控制因素。

普洱茶；發酵罐；研制；應用研究

傳統的普洱茶加工過程中，在發酵初期潮水、渥堆、與翻堆多為人工完成［1］。初期潮水發酵、翻堆是人工采用相應的工具，對初期潮水和發酵了一段時間的茶葉進行翻動，或將團狀的茶葉解塊。整個翻堆的過程不僅勞動強度大，而且衛生程度差，極大程度上影響了茶葉的品質。在大規模生產中采用行車式裝置的翻堆過程機械化，可達到快速便捷，節省人力物力，并能使茶葉在翻堆過程中減少污染，實現清潔化生產，對目前多數中小茶廠來說，是今后發展的方向。為了研究普洱茶加工過程中，發酵過程與品質的形成及各因子間的關系，課題組研制出不銹鋼雙層自動濕水、旋轉式發酵罐裝置見圖1。

圖1 發酵罐結構示意圖（專利號：ZL 2009201116889）Figure 1 Physical map of Fermentation tank structure（number of the patent：ZL 2009201116889）

1 普洱茶自動發酵罐設計原理

1.1 普洱茶自動發酵罐原理

不銹鋼自動發酵罐是將集潮水、渥堆、翻堆于一體的多功能普洱茶發酵機械。發酵罐根據普洱茶發酵的時間，通過主控設備PLC同時對3組發酵罐進行控制，經變頻技術設定與普洱茶周期相對應的高、中、低的發酵罐轉速，獲得最佳的翻堆速度，產生普洱茶發酵過程中的最佳翻堆效果，實現精確定量潮水科學化、規范化［2］。實現發酵罐最佳轉速與最佳濕水量及發酵速度間的對應關系。

試驗表明在雙層不銹鋼發酵罐內發酵普洱茶具有周期短，升溫快、保濕好的特點，得出了幾個因子之間與品質的一些變化規律。自動控制普洱茶發酵罐在設計過程中采用了三維建模分析，對發酵罐攪拌機構有限元分析；發酵罐精確定量潮水裝置的研究；PLC技術對自動控制普洱茶發酵罐內的溫濕度采集研究；變頻控制技術在自動控制普洱茶發酵罐的應用，并進行了多次試驗數據綜合分析，得出了可靠的試驗參數。

1.2 普洱茶自動發酵罐技術參數

（1）罐體外圓最大直徑dmax＝1 500 mm，外圓最小直徑dmin＝800 mm。

（2）罐體內外層間距s＝25～40 mm。

（3）鎳304不銹鋼板厚度δ＝2～3 mm。

（4）傳動裝置采用雙排鏈輪和擺針減速器。

（5）發酵過程中罐體最大轉速n＝36 r／min，最小轉速n＝12 r／min。

（6）發酵過程中的最佳容量：3～4級大葉種茶，大約120～150 kg；1～2級大葉種茶，大約150～250 kg。

1.3 普洱茶自動發酵罐專用變頻控制柜

普洱茶在自動發酵過程中，考慮到茶葉在發酵罐發酵過程中的翻轉調速，轉速不可能很高，基本控制在10～30 r／min左右，變頻器不能夠長時間在這樣的低速環境中工作，否則電動機會出現散熱問題，因此，采用了專用電動機，進而增加散熱功能，這樣電動機在這頻繁的工作中也不會出現故障。

變頻調速系統的逆變選擇［3］：傳統的6拍階梯波德逆變方式只能實現對頻率的控制，它是通過輸出可調頻率的電源來驅動電機運行的，不能夠對電壓進行控制，這種方式雖然能夠滿足基本的變頻調速的要求，但它的控制復雜、控制特性差、系統響應速度慢、電動機動態特性差。因此，設計中選用PWM逆變控制方式，PWM控制方式不僅能夠實現變頻同時也實現調壓，它能夠提高控制特性，系統的響應速度提高了，電動機的動態特性也得到顯著的提高［4］。

1.4 不銹鋼發酵罐體工藝設計

不銹鋼發酵罐，采用了主體是可分式、雙層發酵罐，外層和內層材料均為不銹鋼。動力裝置通過動力鏈傳動裝置將動力傳送到發酵罐上，使發酵罐旋轉運動，主軸管和攪拌管不動，形成了發酵感罐與軸管和攪拌管相對運動，潮水裝置提供發酵過程中的用水由所控制的水量從主軸管和攪拌管中的微孔中流出，對發酵罐內所發酵的茶葉進行潮水同時進行攪拌。整個裝置由穩定的支架和其他裝置配合支撐。

設計雙層不銹鋼發酵罐的目的是為了保濕、保溫，方便裝卸茶葉，并且能夠使茶葉在罐內實現均勻灑水，使各處的茶葉能夠在發酵罐內發酵的程度一樣，而且完成發酵后要實現把多余的水分放出，因此把發酵罐設計成圓筒形不適合出水，只有把發酵罐設計成有一定斜度的形狀，同時還需考慮到加工的難易程度把發酵罐設計成如圖1的形狀。茶葉發酵有弱堿性，需要發酵罐具有一定的抗腐蝕性，并且保證長期使用后不生銹，就需要把發酵罐的材料定為不銹鋼，還要考慮到受力問題，不銹鋼材料還要有一定的強度、硬度、穩定性，進行有限元分析。在罐體內層上均布開有直徑為3～5 mm，孔距離80 mm的小孔，以起到滲水和通氣的作用［5］。

考慮到發酵時茶葉的保濕性和保溫性，在內外層罐體之間有25～40 mm的夾層，夾層形成一個環流的保溫、保濕層，外層罐體為全封閉式的不銹鋼材料。同時，設計時考慮要利于發酵潮水初期及潮水后的發酵過程中能自如打開伐門，起到對流通氣的作用。在罐體的最大直徑底處開有放水和進氣伐門，用帶有內螺紋的出水孔焊接在發酵罐的底部，位置與蓋子的開口處正好相反，因為要長時間將發酵過程中溢出的水分排除，以及清洗罐內時排出的廢水等，使用頻率較高，故設計的排水孔要方便排水，焊接帶螺紋出水孔時就需要保證其焊接處剛好與發酵罐底部平齊，這樣水就能夠全部流出發酵罐，不至于有殘留的水分影響茶葉的質量。

發酵罐上進料的開口與蓋子不宜過小或過大，過大會增加門合頁和開關在運動時的動載荷，過小又不方便茶葉的進出料。因為要保證發酵罐的密封性，而且茶葉是食品類保健用品，一般的防水材料可能會有異味或者長期與水接觸后會分解出有害物質，這樣對茶葉的口感和使用者的身體都是一種傷害，所以選擇食品用的橡膠來實現密封的目的。還有發酵罐的運動方式是通過電機帶動旋轉，主軸固定不動，在此，采用鏈傳動來實現動力傳輸，最終實現設計目的。

1.5 潮水、解塊裝置的設計

普洱茶在發酵過程中由于水分、微生物等作用會出現結塊現象，在發酵開始至結束的攪拌過程均采用發酵罐以最佳頻率轉動，軸管不轉動的工作方式，及時地將結塊的茶葉進行解塊。潮水、解塊裝置由主軸管、攪拌管構成，主軸管長度為2 030 mm，直徑75 mm，主軸和攪拌棒內部均為空心結構且互相連通，考慮到軸管的剛度與強度及發酵過程中茶葉不能掉進軸管內，故在直徑上鉆3～6 mm的通氣、通水小孔。設計并焊接上間距相等方向不同的攪拌管，攪拌管上所開小孔的直徑為4～6 mm，使水、空氣能通過主軸和攪拌管進入到發酵罐的內部，達到潮水和換氣的效果。初期作用使普洱茶潮水均勻，后期作用使普洱茶解塊。為了實現自動潮水，在發酵罐的主軸上采用一端封閉，一端開口，在開口端連接進水管及其相應的精確定量潮水裝置，潮水后，將一端的蓋打開，進行通風。設計軸管采用無縫不銹鋼管連接。

2 普洱茶自動發酵罐的應用效果分析

2.1 發酵過程中茶堆溫度的變化

茶堆溫度是普洱茶固態發酵過程中的主要控制因子，最低溫度不能低于28℃，最高溫度不能高于65℃，當前生產中的堆溫高低主要通過翻堆來調控。溫度在普洱茶有益菌固態發酵過程主要有以下幾方面的作用：① 促使發酵葉中產生多種物質的化學變化；② 提高酶的活性，促進發酵葉的系列變化，一般渥堆葉的溫度保持在符合有益菌生長的范圍內，有益菌大量滋生，有益菌分泌酶的活性也得到了加強，并保持高效的催化活性；③ 適宜的溫度還能抑制有害雜菌的生長［6］。

2.2 發酵罐發酵普洱茶試驗

2.2.1 試驗材料 每罐用勐庫大葉種曬青毛茶（9級）100 kg，按照表1中所設計的條件處理，每5 d取1次樣，樣品采用自然陰干，每天中午13：00～14：00測茶堆溫度，當堆溫升到50℃以上時每天補水1 kg（在測溫度后），記錄數據。做好樣品的保存。

另用南澗混合大葉種曬青毛茶（3級）100 kg，按潮水量30%的比例進行潮水后，用自動化發酵罐進行發酵，在發酵過程中，每5 d翻堆1次。分別取原料和每次翻堆時、發酵完成時的茶樣，將樣品晾干備用。

2.2.2 茶坯含水量計算公式

2.2.3 組合試驗設計 2011年1～5月，對自動發酵罐發酵普洱茶進行了綜合試驗，9次試驗采用了表1中的組合試驗方式進行研究分析。

由表1和圖2分析可以看出，在發酵罐內影響溫度變化的因素首先是菌種，其次是潮水量，最后是翻轉周期。

普洱茶經過處理后，得出不同的黃酮含量見表2。黃酮作為普洱熟茶中的功能成分，應該是越多越好，從表1、圖2、表2中的數據可以得出，發酵罐發酵普洱茶最優組合為潮水量27%、菌種100 m L、翻轉周期2 d。

圖2 發酵罐發酵普洱茶各階段溫度變化Figure 2 The temperature change of fermentation tank in each stage fermented tea

表2 發酵罐發酵普洱茶黃酮含量變化表Table 2 The variation of flavone during fermentation－tank of pu－erh tea ／（mg·g－1）

3 發酵罐試驗的效果分析

3.1 發酵罐發酵的效果

（1）從圖2中看出發酵罐中茶堆溫度上升很快，都是急劇上升，到第8天溫度已經超過40℃，到第12天時達到最高57℃，在（12～18 d）溫度可保持在最高溫度范圍內，18 d后溫度就開始逐漸下降，到25 d后出堆時降到最低28℃左右。

（2）發酵過程中，茶堆的最高溫度都沒有超過60℃，是微生物繁殖的理想溫度。

（3）設計離地式的發酵罐打破了傳統的地面發酵方式，改善了普洱茶發酵的衛生狀況，攪拌機構為普洱茶的均勻潮水提供了保證，自動控制裝置不僅實現了發酵過程的自動化，而且大大的降低了工作強度，茶葉入罐以后，整個發酵過程都實現自動控制。

（4）采用自動發酵罐發酵普洱茶，罐內環境（溫度、濕度、空氣質量交換）對有益菌的大量繁殖創造最佳的生存條件。濕水量得到嚴格控制且均勻，每2 d對茶葉內部發酵變化程度進行自動檢測，為茶葉再次均勻潮水、茶葉翻動，提供相應的理論依據。罐內每層都在自動控制及檢測的情況下具有透氣、通氧，保溫、保濕、厚度均勻等，避免因堆放過厚、溫度過高、水分過重無法監測等導致燒心、霉變品質下降的不良后果。

（5）發酵罐發酵改變傳統普洱茶發酵人工濕水、攪拌，帶來的攪拌不均勻性，避免人工翻送致使茶葉碎化等。發酵過程中實現自動控制對生產的普洱茶進行科學鑒定，確保生產最佳品質的普洱茶。

說明采用自動化發酵設備進行普洱茶發酵，能夠為普洱茶的品質提升提供可靠的理論數據。

3.2 發酵罐發酵普洱茶與常規大生產發酵普洱茶比較分析

由表3、表4可知，在常規大生產發酵與發酵罐中發酵黃酮含量的變化情況。

表3 常規大生產發酵普洱茶各成分變化Table 3 The ingredients changes in conventional production fermentation puer tea

表4 發酵罐發酵普洱茶各成分變化Table 4 The ingredients changes of puer tea in fermentation－tank

（1）在普洱茶發酵過程中，隨著發酵時間的延長，發酵罐和常規發酵黃酮含量都是先降低后升高，但常規發酵從一翻開始到六翻，黃酮含量的變化比較平緩。

（2）發酵罐中，黃酮含量在三翻時降到最低，降幅達36.26%，以后逐漸增加，出堆時黃酮含量比原料高19.91%。

（3）常規發酵中，黃酮含量在一翻時降到最低，降幅達20.87%，到六翻時急劇升高，出堆時比原料高5.55%。

3.2.1 發酵罐發酵普洱茶的工藝流程

曬青毛茶→潮水→發酵→翻堆→出堆［7］

3.2.2 發酵罐發酵普洱茶合理參數

（1）曬青毛茶投入量：云南大葉種曬青毛茶3～4級（100 kg）；云南大葉種曬青毛茶1～2級（150～250 kg）

（2）初期潮水量：潮水量27%～33%，云南大葉種曬青毛茶3～4級初期潮水量33%，以后適量補水，云南大葉種曬青毛茶1～2級初期潮水量27%，以后適量補水，添加菌種時水量適當減少，不加菌種時水量適當增加。

（3）翻堆時間：當茶葉入罐內3～5 d，溫度開始升高，到50℃后，每2 d翻堆1次，翻堆的速度為轉速n＝24 r／min，每次翻堆轉10圈。

（4）出堆時間：發酵過程中茶坯變化，在第5天時出現酵香，茶坯仍然呈綠色；到第10天時出現醇香，茶坯呈黃綠色；到第15天時酵香明顯，茶坯呈黃紅色；到第20天時開始具有普洱茶熟茶的特征，茶坯呈紅褐色。發酵25～28 d即可。

3.2.3 采用發酵罐發酵普洱茶的最佳效果 自動發酵罐發酵普洱茶，考慮各因素得出的最優組合：潮水量27%～30%、翻轉周期3～4 d，每次投茶量，視茶葉等級而定，一般3～4級茶葉，投茶量在150 kg以下，1～2級茶葉不宜超過200 kg。

4 結論

普洱茶發酵影響因素很多，但通過分析比較可以看出，普洱茶發酵過程中，普洱茶品質的形成需要茶堆達到一定的溫度并維持這個溫度一定的時間。從多次的試驗分析發現，采用發酵罐發酵普洱茶，起到了保濕、保溫的作用，為普洱茶發酵創造了較好的環境條件，明顯縮短了發酵時間，用發酵罐發酵普洱茶25 d左右即可出堆，且清潔化達到了食品衛生要求。通過對試驗數據的分析發現發酵罐發酵普洱茶的發酵時間除受保濕、保溫的環境條件影響外，也受菌種數量和潮水量的影響，隨著菌種的增加和潮水量的增多，發酵時間會更短，但不能少于22 d。

1 Huang Yun－zhan，Zhou Hong－jie，Zhao Yong－jie，et al.The research and development on Pu'er tea fermentation automatic control technology and key equipment［C］／／Yi Hang，Wen Desheng，Parvinder S Sandhu.Proceedings of 2010 3rdIEEE International conference on Computer Science and Information Technology.Beijing：Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc.，2010：555～559.

2 MA Zhen－gang，Huang Yun－zhan，Zhou Hong－jie，et al.Lift－off type pu’er tea fermentation pot’s design and Automatic control research［C］／／ Wen Desheng，Wang Ruofeng ，Xie Yi.2010 3rd International conference on Advanced Computer Theory Engineering Chengdu，Chine.Chengdu：Institute of Electrical and E－lectroning Engineers，Inc，2010：566～570.

3 陳忠華.可編程序控制器與工業自動化系統［M］.北京：機械工業出版社，2006：33～38.

4 劉鍇，周海，楊光，等.深入淺出西門子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008：175～177.

5 Wu Xiaoqiang，Huang Yun－zhan，Zhou Hong－jie，et al.Pu－Er Tea Automated fermentation System Based on PLC and WINCC［C］／／V Mahadevan，Zhou Jianhong.2010 The 2nd International Conference on Computer and Automation Engineering Singapore.Printed in Singapore：Institute of Electronnics Engineers，Inc.，2010：406～409.

6 馬振綱，黃云戰，周紅杰，等.基于PLC在普洱茶發酵車間的應用分析與研究［J］.安徽農業科學，2010，38（19）：10 276～10 278.

7 馬振綱，黃云戰，周紅杰，等.普洱茶發酵清潔化車間的設計及環境濕度的控制［J］.云南農業大學學報，2011，26（5）：395～399.

Study on application an development of fermentation tank for puer tea

HUANG Yun－zhan1ZH AO Yong－jie2LI Ya－li3ZHU Guang－xin3HUANG He4

HAO Qiang1WU Shao－shuai3SUN Yang－feng1ZHOU Hong－jie3

（1.College of Engineering and Technology，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan650201，China；2.Kunming Institute of Railway Technology College，Kunming，Yunnan650208，China；3.College of Pu'er tea，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan650201，China；4.Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan650201，China）

To achieve clean production of puer tea，the fermentation tank was developed，and described the principles and process structure.Meanwhile，the orthogonal experiment was used during the fermentation for 3 controlled factors（tidal water，strains，flip cycle）.The rules were gotten during the fermentation，and put forward the reasonable process design parameters and the key controlling factor in fermentation process.

puer tea；fermentation tank；research；applied research

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.029

國家科技部“十一五”國家科技支撐計劃項目（編號：2007BAD58B02）；云南省發改委2008年度產業重大關鍵技術開發項目（編號：［2008］1657－20）；云南省自然科學基金重點項目（編號：2009CC005）

黃云戰（1953－），男，云南農業大學教授，碩士生導師。E－mail：ystyh＠163.com

周紅杰

2011－11－01