Ⅱ型普洱茶發酵罐的改正設計與試驗分析

羅新文，黃云戰，熊同強，李貴榮 (云南農業大學機電學院，云南昆明650201)

1 普洱茶產業現狀

1．1 普洱茶概述 普洱茶是云南特有的茶葉，是以云南大葉種曬青毛茶為原料，經過發酵加工成的散茶或緊壓茶［1］。普洱茶具有獨特的加工工藝，其制茶設備與其他茶品種有很大區別。云南省年產茶17萬t，茶園面積全國排名第一，產量居全國第二。目前國內普洱茶的加工在很大程度仍然停留在傳統加工模式上，手工作坊占有很大的比重，有一定規模的大中型普洱茶生產企業也普遍存在加工設備簡陋、生產技術工人基本承襲經驗式加工的問題，同時受季節和環境條件的影響，使得普洱茶的品質穩定性差、難以滿足市場對高品質普洱茶產品的要求。但是近年來隨著自動化技術的不斷進展、普洱茶加工工藝的不斷改進，尤其是計算機技術和新的普洱茶發酵技術的應用，使得普洱茶產業的機械化和自動化也有了大幅的進展［2］。

1．2 傳統普洱茶發酵分析 目前普洱茶加工過程中，大多是批量生產，發酵翻堆工序多為人工完成。不僅勞動強度大，且對長期從事該工序的工人的健康有極大的影響。傳統的翻堆是人工采用鐵鍬和釘耙等工具，將已渥堆發酵一定時間(5～7 d)的茶葉翻動，解散因水分重力作用、微生物生長菌絲和代謝物黏結形成的團狀，按照發酵場所布局，從茶葉發酵堆的一端翻動到另一端，為做到發酵茶葉的物理特性一致，每次翻堆先把發酵堆表層15～20 cm茶葉取出置于發酵堆中心部位，并根據發酵葉屬性適當增補水分。每次翻堆時，技術人員都要根據發酵葉發酵程度，做到看茶制茶，因茶制茶，適時制茶。加工的最終要到達色、香、味、形俱佳的品質特征要求［3］。

傳統普洱茶生產中，整個翻堆的過程不僅勞動強度大，而且衛生條件差，很大程度上影響了普洱茶的品質。大規模生產中如何解決翻堆過程機械化，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，是普洱茶加工中發酵環節的技術革命，也是普洱茶加工中技術環節今后發展的方向［4］。項目組針對普洱茶生產中發酵工序的特點，結合生產中小批量發酵普洱茶水分、溫濕度、微生物等因素可控難，高價格的古樹茶發酵成本高，風險大，普洱茶風味、特色難以體現和挖掘的現狀。

2 第一代普洱茶發酵罐設計理念

2．1 設計原理 根據傳統普洱茶發酵的特性，云南農業大學普洱茶課題組周紅杰、黃云戰教授等經過分析研究，發明了第一代普洱茶發酵罐(專利號ZL2009201116889)。該普洱茶發酵罐研發是集潮水、渥堆、翻堆于一體的自動化普洱茶發酵罐，該罐具有多功能性，采用雙層不銹鋼(鎳304)制造，改變了傳統自然發酵的方式，所發酵普洱茶品質達到了預期的目的，實現了利用發酵罐發酵普洱茶品質可控，風味特色可控，衛生安全［5］。

發酵罐采用雙層不銹鋼罐體，形成保溫隔熱結構，罐體內外之間為夾層，外層罐體封閉，內層罐體上鉆有許多一定直徑小孔，達到滲水和通氣的功能，并且保證了發酵環境不受外界環境條件的影響，能夠達到普洱茶發酵時的保濕效果。支承主軸和攪拌桿為中空管徑、并開小孔，4根攪拌桿均勻分布在支承軸上，便于發酵時的通氣與濕度的調節［6］。發酵罐翻堆工作時，電機帶動內外層滾筒轉動，攪拌桿攪拌達到翻堆的效果。發酵罐自動控制系統采用PLC［7］作為控制器，并且與變頻器連接［8］。發酵罐的自動控制系統由變頻裝置、精確定量潮水裝置、溫濕度傳感器及pH傳感器等構成。利用此發酵罐發酵普洱茶，可同時實現普洱茶在發酵過程中的精確定量潮水、通風、控溫、控濕、數據采集、數據存儲、數據分析以及各個發酵階段的解塊和補水等功能控制。

2．2 設計要求 該發酵罐設計要求:①高效。試驗表明，使用該設備可縮短一半生產周期，同時可減少損耗，提高制茶率，降低成本。②清潔化。該設備為離地式，擯棄了傳統的地面發酵方式，過程清潔化，改善了普洱茶發酵的衛生狀況。③可控、自動化。發酵因素與品質之間的變化做到科學可控，使得發酵周期短，并且過程可控。攪拌結構代替翻堆行為為普洱茶的均勻潮水提供了保證，自動控制裝置代替人工控制實現了發酵過程的自動化［9］。

3 第一代普洱茶發酵罐應用分析

通過不斷試驗與應用，人們發現第一代普洱茶發酵罐的結構設計與應用參數有大不足之處，主要存在以下幾個方面問題:

首先，由于茶葉在翻堆的過程中是“發酵罐”在轉動，并帶動罐內的茶葉進行翻轉，同時依靠罐體中心的主軸管承擔罐體及罐內的茶葉重量，第一代普洱茶發酵罐的主軸直徑采用不銹鋼(鎳304)60 mm管，顯然剛性不足，因此，在翻堆工作中，有了撓度，影響正常的翻堆工作。

其次，與主軸直徑所連的5個解塊叉桿，功能主要是起到解塊散團的作用，第一代解塊叉桿與主軸直徑連接的方式是采用叉桿擦入主軸管單邊后焊接而成，但由于罐內的茶葉經過發酵后，塊狀比較嚴重，阻力非常大，32 mm直徑的叉桿，被扭彎直至在連接的焊接地方脫開，使罐內已經發酵的茶葉不能翻堆和解塊。

再次，第一代普洱茶發酵罐設計的變頻控制實現3種變速、3種正反轉:考慮到減少破碎率，所設計的第1級6 r/min，正反轉;第2級12 r/min，正反轉;第3級24 r/min，正反轉，但在第1級6 r/min，正反轉，阻力非常大，當發酵至18～22 d時，結塊比較嚴重，用第1級6 r/min正反轉來實現翻堆和解塊將很困難，幾乎轉不動。

4Ⅱ型普洱茶發酵罐改正設計及參數

首先，將洱茶發酵罐的主軸管直徑從原來的60 mm增加到75 mm，壁厚大于5 mm不銹鋼(鎳304)管，這樣改正后的主軸管，增加剛性和強度，減少撓度，通氧量大有利于微生物的繁殖。

其次，改變原來與主軸直徑所連的5個解塊叉桿連接方式，是采用叉桿直徑增大到35 mm，直徑的叉桿擦通主軸管雙邊后焊接而成，這樣叉桿與主軸管直徑連接牢固，可以承發酵罐內的茶葉翻堆和解塊過程中的最大阻力，即使叉桿被扭彎，也不至于脫開。

再次，改正后的第1級12 r/min，正反轉;第2級24 r/min，正反轉;第3級32 r/min，正反轉。電機功率3 kW。設備長×寬×高(1 000 mm×1 500 mm×1 850 mm);容量:對大茶葉投放150 kg左右比較合適;對極別較高的茶葉投放200～250 kg左右比較合適:發酵可升最高溫度62℃左右;發酵時間28～32 d可完成。其結構如圖1所示。

5 Ⅱ型普洱茶發酵罐的應用效果分析

5．1 Ⅱ型普洱茶發酵罐的功能 Ⅱ型普洱茶發酵罐的改正設計沿著第一代發酵罐設計思路，圍繞安全優質，降低成本，科學時尚而進行。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控制，且大大降低了工作強度，茶葉入罐以后，整個發酵過程都實現自動控制。試驗研究表明，項目組采用自動化發酵設備進行普洱茶發酵，證實能夠為普洱茶品質的提升提供可靠的理論數據。

5．2 Ⅱ型普洱茶發酵罐試驗分析 普洱茶發酵自動控制及監測研究與分析，以普洱茶原料為試驗對象，對車間外部環境條件(溫度、濕度)進行監測、數據采集(圖 2、3、4)，按25%～33%渥堆前潮水比例、自動控制精確定量潮水，接入不同發酵劑進行普洱茶加工試驗。普洱茶原料入罐后，每隔3 d進行一次自動控制翻轉，到第5天溫度不斷上升至39℃，第11天時溫度穩定在52℃，第18天時溫度最高58℃，此時普洱茶特征成分、風味成分及品質變化已經形成，色澤、香氣等已經有明顯的變化，到第24天溫度穩定在52℃，第27天溫度在40℃，及時調控與普洱茶品質形成有關的參數。此次試驗周期為29 d，至此就完成了發酵。每天詳細記錄試驗數據，包括發酵室的溫濕度、渥堆內溫度、發酵葉相變化、感官審評色、香、味變化等都非常理想。第2罐的發酵按30%渥堆前潮水比例，48 h溫度已經達到51℃，現在第4天溫度不斷上升，已經到53℃，可望20 d就可以出罐［10］。

5．3 Ⅱ型普洱茶發酵罐應用效果 改正后的普洱茶發酵罐發酵普洱茶，罐內環境條件(溫度、濕度、空氣質量交換)可為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內，對茶堆內部發酵變化程度所對應的指標進行自動檢測，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、厚度均勻等特點，避免因堆放過厚、溫度過高、水分過重無法監測等導致燒心、霉變而使品質下降的不良后果。發酵罐發酵改變傳統普洱茶發酵人工濕水、翻堆的不均勻性，避免人工翻送致使茶葉碎化、清潔衛生條件差等劣勢［7］。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。

5．4 試驗效果分析 ①從平均值角度。從以上分析數據可以看出，相比自然環境下發酵的茶，利用自動控制發酵罐發酵，濕度穩定在72%左右，溫度維持在50℃，比較適合普洱茶發酵的要求。②從均方差角度。從試驗數據的方差計算中，利用發酵罐發酵普洱茶，溫度的均方差比自然環境下的發酵過程中溫度均方差低50%，濕度的均方差更是比傳統發酵的低一個數量級以上，這說明，該試驗利用自動控制發酵罐發酵普洱茶更能夠將溫濕度穩定在普洱茶發酵需要的溫濕度，從而提高的發酵效率，使得普洱茶的發酵周期大大縮短。

綜上所述，采用Ⅱ型發酵罐生產普洱茶，實現了普洱茶在發酵過程中的環境因子可控，所生產的普洱茶其品質穩定，特色鮮明，風味獨特。且使用該機械設備具有操作簡便，加工周期縮短，生產成本降低，效益提高的特點。

6 結語

普洱茶發酵過程自動控制技術、清潔化生產和自動發酵罐發酵普洱茶等多項成果，將對普洱茶加工規?；?，清潔化生產，降低工人勞動強度，提高普洱茶質量和衛生，提高普洱茶行業的經濟效益，提升普洱茶產業，促進技術進步等有著十分重要的意義。這些成果也是對傳統發酵生產技術的創新和革新。為實現普洱茶加工過程柔性生產系統，提供更加完善的理論依據，繼續完善普洱茶自動發酵罐的第二代和第三代的改造研制工作，量化普洱茶自動發酵罐發酵過程的精確定量自動潮水、無線監測及遠程控制、自動翻拋等全自動化生產，實現普洱茶自動發酵罐系列化、標準化、規模化生產。

［1］黃云戰，周紅杰，趙永潔，等．普洱茶發酵罐研制及應用研究［J］．食品與機械，2012(1):115-118．

［2］劉洪波，黃云戰．普洱茶加工裝備現代化的發展現狀及開發對策研究［J］．安徽農業科學，2012，40(15):8773-8775．

［3］周紅杰，龔加順，趙明，等．普洱茶與微生物［M］．昆明:云南科技出版社，2012:224-236．

［4］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(3):395-399．

［5］馬振綱．普洱茶自動控制發酵罐的研究與實驗［D］．昆明:云南農業大學，2011．

［6］周紅杰，黃云戰，吳曉強，等．雙層保濕轉動式普洱茶發酵罐:中國，ZL2009201116889［P］．2010-05-12．

［7］周玉國．普洱茶清潔化技術的研究與應用［D］．昆明:云南農業大學，2009．

［8］馬振綱，黃云戰，劉大鵬，等．基于PLC在普洱茶發酵車間的應用分析與研［J］．安徽農業科學，2010，38(19):10276-10278．

［9］趙永潔，黃云戰，周紅杰，等．普洱茶發酵車間測控系統的設計與實現［J］．食品與機械，2012(2):89-101．

［10］劉大鵬．普洱茶發酵車間功能設計及控制技術的研究［D］．昆明:云南農業大學，2009．