陳根生,袁海波,許勇泉,江用文,鄧余良,俞燎遠,余書平,尹軍峰*1.浙江大學生物系統工程與食品科學學院,浙江 杭州 10058;.中國農業科學院茶葉研究所,浙江省茶葉加工工程重點實驗室,國家茶產業工程技術研究中心,浙江 杭州 10008;.浙江省農業技術推廣中心,浙江 杭州 1000;.開化縣特產局(茶葉局),浙江 開化 00
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針芽形綠茶連續化生產線設計與工藝參數優化
陳根生1,2,袁海波2,許勇泉2,江用文2,鄧余良2,俞燎遠3,余書平4,尹軍峰2*
1.浙江大學生物系統工程與食品科學學院,浙江 杭州 310058;
2.中國農業科學院茶葉研究所,浙江省茶葉加工工程重點實驗室,國家茶產業工程技術研究中心,浙江 杭州 310008;
3.浙江省農業技術推廣中心,浙江 杭州 310020;4.開化縣特產局(茶葉局),浙江 開化 324300
摘要:根據針芽形名優綠茶品質特點及加工特性,集成運用設施攤青裝備、電磁內熱滾筒殺青機、多級連續理條機、搓葉機、遠紅外提香機等新型節能高效設備,組建一條實用性強、高效節能、品質優異的針芽形名優綠茶連續化生產線;并對生產線中攤青、殺青、理條、烘焙等關鍵工序的作業參數進行研究,提出整套針芽形綠茶連續化生產工藝技術。經研究后,得到了最佳工藝參數:攤青溫度18~25℃,相對濕度60%~90%;殺青投葉量125 kg·h(-1),溫度270℃,時長65 s;多級連續理條為240℃(38 Hz),210℃(40 Hz),180℃(45 Hz);滾筒干燥溫度40~55℃;烘焙溫度100℃,投葉量30 kg·h(-1)。
關鍵詞:針芽形名優綠茶;連續化生產;電磁內熱滾筒殺青機;遠紅外提香機;設施攤青機
針芽形綠茶是我國名優綠茶的典型代表,廣受消費者青睞,消費市場十分廣闊。針芽形綠茶以單芽或一芽一葉鮮葉為原料,經獨特加工工藝制作后,成品茶具有外形緊直挺秀、香氣馥郁持久、湯色綠潤明亮、滋味鮮醇爽口等品質特色。傳統針芽形綠茶加工以單機作業為主,隨后出現了單機簡單整合,形成間歇性連續化生產線的作業方式,然而整體上均存在設備簡陋、效率低、能耗高、質量安全隱患等多個問題,在一定程度上制約了針芽形綠茶加工技術水平的發展。基于此,本研究在充分調研傳統和新式加工設備性能的基礎上,參照原有間歇式加工工藝技術,開展關鍵做形設備及配套應用參數的研究,進行針芽形綠茶連續化生產線的設計和組建,并與傳統加工產品的品質特色進行比較,探討針芽形綠茶連續化生產線新加工技術特點與優勢[1-2]。
1.1 生產線建設目標
此研究在參考全國各地綠茶機械化加工的基礎上,依據針芽形綠茶以單芽或一芽一葉為原料及其獨特工藝,使用新型、綠色、節能的國產茶機,開發出一條操作簡便、功能實用、環保節能的新型針芽形綠茶連續化生產線。整條生產線可以實現茶葉加工參數精準控制,加工過程中可根據鮮葉實際情況作出工藝方案的微調。
1.2 生產線組成和功能設計
針芽形綠茶連續化生產線由39臺設備和9個PLC控制臺組成(表1),該生產線鮮葉加工能力為125 kg·h-1。整體控制構架由9個主要功能模塊和相關輔助設備構成(圖1),9個功能模塊既可以連續使用,也可以單獨或組合使用。在實際生產中,整條連續化生產線具有可控性強,實用性高,產品質量優良的特性。
1.2.1 茶鮮葉設施攤青模塊
茶鮮葉攤放是針芽形綠茶制作的重要技術環節。科學研究和實際生產過程均證實了鮮葉適度攤放對綠茶的色、香、味、形等風味品質有明顯的增進作用[3-5]。攤青模塊的技術難點在于如何精確地調控攤放環境。經過詳細調研國內攤青現狀,發現現存的攤青方式有以下不足之處:一是傳統敞開式攤青,攤放環境參數無法控制;二是全自動攤青設備過于封閉,空氣對流不夠順暢,局部鮮葉的呼吸受抑制,失水速率較為緩慢且不均勻,攤放后期鮮葉失水速率加快,易產生水悶味[6]。針對以上問題,本研究團隊經多次實驗研究,將原封閉式單機結構調整為半開放式的設施攤青系統,采用PLC中央控制器連接控溫、控濕等設備及對應的感應原件,完成數據采集、信號變送、自動調節等功能,自動控制攤放環境溫度18~25℃、相對濕度60%~90%、二氧化碳質量濃度410~450 mg·L-1;采用設施攤青系統對茶葉的感官品質具有顯著的改善效果[7]。
1.2.2 自動稱量上樣、電磁內熱與微波聯合殺青模塊、快速風冷模塊
此模塊的技術特點主要是殺青加熱方式的創新與殺青方式的混合集成。目前,滾筒殺青是綠茶加工最主要的殺青方式之一,滾筒殺青熱能源于石化燃料的燃燒,以線接觸傳導和對流傳導兩種導熱方式為主,在熱轉效率和溫控穩定性方面有所不足,造成了熱能的浪費,生產環境污染,殺青葉焦邊、爆點等問題。蒸汽殺青和微波殺青雖能快速抑制氧化酶的活性,但蒸汽殺青熱作用大,破壞葉綠素結構,造成殺青葉色澤暗淡,湯色混濁,葉質脆弱等缺陷;微波殺青處理,殺青葉含水量高,因濕熱作用促使多酚化合物發生非酶促氧化,易黃變且影響香氣品質。針對上述問題,本研究運用電磁加熱系統和紅外溫控技術相結合研制了電磁內熱滾筒殺青設備[8],該設備熱能轉化效率大于60%,溫度波動在±3℃,無煙排放,改善了生產作業環境。采用微波補殺,進一步促進氧化酶的鈍化和失活,保持殺青葉色澤翠綠、鮮活。補殺葉經快速風冷,避免殺青葉因濕熱而黃變[9]。

圖1 針芽形綠茶連續化生產線自動控制結構圖Fig.1 The control structure of continuous production line of needle-type green tea
1.2.3 鮮葉自動提升、回潮模塊
回潮是名優綠茶加工必不可少的工序,耗時也最長。回潮促使殺青葉水分重新均勻分布,有助茶葉加工塑形,避免茶葉的斷碎。冷卻后的殺青葉通過斜式平輸機和立式輸送機輸送至網式回潮機,在網式回潮機中進行回潮。該模塊的關鍵點在于殺青葉的攤涼回潮厚度控制和回潮機中的通風狀況,回潮時,回潮葉厚度在4 cm左右,葉溫低于25℃,相對濕度(85±5)%。
1.2.4 自動提升勻葉、三級連續理條模塊
現有的針芽形名優綠茶理條做形大多數廠家采用自動理條機組。自動理條機組性能單一,不能同時控制變溫和變頻工序,投葉量和理條時間全憑操作者的經驗,隨意性大,且每位操作者最多只能控制兩臺自動理條機組,因此不同批次理條葉的成條率和含水量存在較大差異。
采用立式提升機自動投葉,時常出現投葉不勻的情況,設計添加“勻葉器”后解決了提升機和理條機的銜接問題,回潮葉提升至勻葉板上,通過調節勻葉齒的轉角,使回潮葉均勻地散落在理條機的“U”型槽內[10]。
本研究使用三級連續理條機組,以加熱溫度、往復頻率、傾斜角度3個不同影響因素分別控制理條葉的含水量、緊直度和理條時間,提高了理條做形的穩定性,節省了勞動成本。通過相關試驗證實,經本試驗機組處理,理條葉成條率達到80%以上。
1.2.5 搓葉、風選模塊
經三級理條后,仍有部分理條葉有彎曲、條索欠緊直、芽葉無法收攏等問題;現存的解決方案是通過成品茶的篩選、剔除,需耗費大量的時間和人力。該連續生產線首次使用搓葉機,其原理是理條葉在帶有直條紋的凹槽中進行往復式摩擦、加壓揉搓。一方面,將未收攏的葉片進一步搓緊、魚葉和鱗片剝離,提升理條葉緊直度;另一方面,搓葉還帶有揉捻功能,使滋味更醇厚。搓葉后,套用風選原理[11],有效地分離出碎葉、碎芽,確保理條葉的成條率在85%以上。
1.2.6 自動回潮攤涼模塊
風選后的理條葉采用自動提升機送至翻板式回潮機進行二次回潮。理條葉回潮相比殺青葉回潮時間要長,攤放厚度在5~10 cm。回潮過程中,水分由理條葉內部向葉表轉移,伴隨著內質成分轉化,最終保證理條葉之間的水分一致,避免在后期加工過程中出現葉色花雜和焦味的產生。
1.2.7 單級理條干燥、滾筒干燥、脫毫模塊
回潮之后,理條葉會有軟化情況產生,需在單級理條機中進行二次干燥,防止回潮葉加熱收縮變形。理條工藝參數相對殺青葉的理條溫度要低,溫度控制在180℃,往復震動頻率在45 Hz左右,干燥到一定程度,為減少初制茶的斷碎,換成瓶式炒干機進行干燥,桶壁的溫度設定在40~55℃,并且在桶壁的摩擦作用下一并完成了脫毫工序。
1.2.8 焙火模塊
以往茶葉烘焙提香,常用炭火、熱風和加熱炒制。炭火以紅外線熱輻射的形式,耗費時間較長,在操作過程中需要有豐富的經驗;熱風提香是以熱空氣為媒介對茶樣進行烘焙處理,香氣以清香為主;炒制提香是將初制茶在熱筒壁(鍋壁)反復滾炒,使茶葉具有栗香、高香、火香等多種類型,炒制程度不易掌控,批次間的差異突顯。多方面的考量后,該生產線配備了遠紅外提香設備[12],遠紅外提香則是通過特定裝置發射出遠紅外熱能作用于茶葉,促使茶葉香氣前體物質發生轉變,形成特定的香氣品質。遠紅外提香有著生產效率高、產品品質好、穩定性適宜等優點。
結合已有的研究成果,對新型針芽形綠茶連續化生產線中的攤青、殺青、理條、烘焙等關鍵工藝參數進行進一步研究,提出一套適合我國針芽形綠茶的自動化連續化加工標準工藝參數。
2.1 材料與方法
2.1.1 實驗材料
試驗原料為一芽一葉的小葉福鼎種鮮葉實驗,由浙江省開化縣名茶開發公司提供,試驗于2014~2015年在該公司十里鋪生產基地完成。
2.1.2 茶樣感官質量審評與理化成分檢測
茶樣感官品評參考國家標準(GB/T 23776 —2009)[13],名優綠茶審評系統,總分為100分,各項指標權重分別為:外形25%、湯色10%、香氣25%、滋味30%、葉底10%。
茶多酚的檢測方法為GB/T 8313—2008福林酚試劑比色法;游離氨基酸測定采用GB/T 8314—2002茚三酮比色法;可溶性蛋白測定為考馬斯亮藍染色法;可溶性總糖測定為硫酸-蒽酮法;水浸出物測定采用GB/T 8305 —2013恒重法;咖啡堿含量測定采用高效液相色譜法[14]。
2.2 設施攤青工序的研究
2.2.1 設施攤青的作用與效果

表2 不同攤青處理茶樣感官審評結果Table 2 The sensory evaluation results of tea samples under different spreading treatments

圖2 正常鮮葉保鮮處理Fig.2 Retaining freshness processing of normal fresh leaves
設施攤青是通過調節攤放環境參數來控制攤青時長和鮮葉的新鮮度,鮮葉攤放溫度18~25℃,相對濕度60%~90%,二氧化碳質量濃度410~450 mg·L-1。依據鮮葉實際狀況,特設定了正常鮮葉常規攤青與保鮮攤青,雨水鮮葉常規攤青和快速脫水攤青兩組試驗,兩組常規攤青分別作為對照。根據兩組試驗中攤青葉含水量變化(圖2、圖3)、以及相同工藝連續化加工的干茶感官審評結果(表2)表明,設施攤青系統對鮮葉管理有明顯效果:對正常鮮葉的保鮮攤青,16 h后仍能保持較好的新鮮度,與初始含水量相比僅下降了7.89%,干茶有栗香、口感更醇,感官得分也高于常規攤青成品茶;雨水鮮葉快速脫水處理,6 h后含水量由最初的79.2%降至70.1%,下降了11.49%,而雨水葉常規攤放僅下降了3.66%,在感官品質方面,雨水鮮葉快速脫水攤青效果明顯優于常規攤青,總分相差6.3分。雨水葉快速脫水攤青的干茶品質稍遜于正常鮮葉的常規攤青,但完全滿足企業的生產需要。
2.2.2 設施攤青程度對茶葉品質的影響
茶鮮葉初始含水量為78%,攤放環境18~25℃,相對濕度60%~90%;設置攤放葉含水量為攤放程度參數指標,通過連續化生產線將攤放葉制作成干茶,并以茶樣的品質質量作為評判。研究結果(表3)表明,鮮葉攤放至含水量68%~70%的處理樣感官品質得分較高,滋味清爽、香氣清香,特作為攤放工序的最佳含水量控制指標,此結果與傳統的經驗值[15]較為接近。
2.3 殺青溫度、時間對殺青葉品質的影響
根據前期試驗研究確定攤青葉的含水量在68%~70%,殺青投葉量為125 kg·h-1,電磁內熱滾筒殺青溫度(210、240、270、300℃)和時間(45、65、85 s)全交互組合試驗,優化針芽形名優綠茶殺青工藝參數。感官審評結果(表4)表明,電磁內熱滾筒殺青溫度在210℃或殺青時間為45 s的處理,都存在殺青程度不足的情況,葉底出現了紅梗、紅莖,香氣成分前體物質轉化不充分帶有生青氣,滋味有不同程度的生澀味等情況;溫度在300℃時,易產生高火味,干茶外形帶有爆點。上述處理樣的主要品質成分含量檢測結果(表5)表明,殺青溫度和時間是水浸出物、茶多酚、氨基酸含量的關鍵因素,此結論和潘周光[16]的研究結果基本一致。全交互試驗的各個處理之間,8號處理樣品的水浸出物含量、氨基酸含量相對較高,分別為46.54%、4.30%,而茶多酚含量則相對較低(33.34%),酚氨比也較低(7.75)。通過感官審評和理化成分測定結果篩選出電磁內熱滾筒殺青的最佳溫度和時間組合為270℃、65 s。

圖3 雨水鮮葉快速脫水處理Fig.3 Rapid dehydration processing of fresh leaves with rain water

表3 不同含水量的攤青葉對干茶感官品質的影響Table 3 Effect of spreading leaves with different water contents on the organoleptic quality of dry tea

表5 殺青工藝優化處理后生化成分含量分析Table 5 Chemical components analysis of tea processed under improved fixing parameters
2.4 連續理條溫度對干茶成條率的影響
在先前的理條試驗研究中確定了3個理條機組的往復震動頻率分別為38、40、45 Hz,設置3組不同溫度處理方案:
處理一(高溫處理):一級理條270℃,二級理條240℃,三級理條210℃;
處理二(中溫處理):一級理條240℃,二級理條210℃,三級理條180℃;
處理三(低溫處理):一級理條220℃,二級理條190℃,三級理條160℃。
根據3組不同處理結果(圖4)顯示,理條溫度越高,失水率越大,成條率高,兩者成負相關。在一級、二級理條處理時,高溫理條的成條率明顯高于中溫、低溫處理,但經過第三級理條處理之后,高溫處理的成條率相比中溫處理僅高出了0.85%,差異較小,而中溫處理的成條率相對低溫處理超出7.42%,差異較為明顯。理條溫度和理條級數對成條率主體間效應的檢驗分析結果顯示(表6),理條溫度對成條率有顯著性影響,理條級數對成條率有極顯著影響,綜合考慮含水量和能效問題,中溫處理為優選。

圖4 不同處理的成條率及含水量變化Fig.4 Change of rolled twing rate and water content of leaves under different processing

表6 理條溫度和理條級數對成條率主體效應的檢驗Table 6 Tests of the major effects of Shaping temperatures and Shaping phases of twing rate
2.5 烘焙工藝參數的研究
依據前期試驗的基礎,選用瓶式炒干機,溫度為50℃,炒制的干茶樣作為對照樣;設置茶葉遠紅外恒溫提香機輸送帶轉速為450 r·min-1(投葉量約30 kg·h-1),采用3個不同的烘焙溫度(90、100、110℃)作為試驗樣。對烘焙處理針芽形綠茶樣品感官評定[13],評定結果表明(表7):3個烘焙處理樣品的香氣分別側重于清香、栗香、高火香,滋味均偏醇;烘焙溫度為100℃和110℃時,針芽形干茶的外觀色澤油潤性增強;但110℃時,湯色偏黃;因此,烘焙溫度100℃較為適宜。對各烘焙處理茶樣進行理化成分檢測,結果顯示(表8),烘焙處理茶樣的茶多酚含量、氨基酸含量、可溶性蛋白含量較對照樣減少,烘焙處理(平均值)與對照樣相比分別降低了5.08%,9.89%,12.24%,可能在高溫條件下,美拉德反應加速,促使化學活性較強的成分發生快速轉化;提香處理樣品中的水浸出物含量和可溶性總糖的含量則有所上升,可能與高溫處理后不溶性氮素物質分解成可溶性成分有關。

表7 遠紅外烘焙處理針芽形名優綠茶感官品質比較Table 7 Comparison on sensory quality of needle-type tea with far infrared baking treatments

表8 遠紅外烘焙處理針芽形茶理化成分Table 8 Physical-chemical components of needle-type tea with far infrared baking treatments
2.6 總結
基于傳統加工模式建立的針芽形綠茶連續化示范生產線,結合設施攤青的輔助,日加工鮮葉可達到1 000 kg以上。在針芽形綠茶連續化生產線平臺上,對攤青、殺青、理條、提香等工藝參數進行了研究,初步提出適合我國針芽形連續化生產標準化工藝參數,通過溫濕度調節攤青葉含水量為68%~70%;電磁內熱滾筒殺青投葉量為125 kg·h-1,溫度為270℃,時間65 s;理條參數為一級理條240℃(38 Hz),二級理條210℃(40 Hz),三級理條180℃(45 Hz);提香溫度100℃,轉速450 r·min-1(投葉量約30 kg·h-1)。上述參數根據各省消費習慣、種植地區、茶樹品種、采摘時節的不同,相關工藝參數需進一步修正和優化。本實驗中將連續化生產的針芽形綠茶和傳統工藝生產的針芽綠茶進行了比較,結果顯示,(圖5)在色澤綠潤度和外形緊直度等方面均優于傳統加工工藝。

圖5 不同工藝加工的干茶圖像Fig.5 Tea image of different process
目前,我國的名優綠茶加工已向著“標準化、清潔化、連續化、智能化”的方向發展,加工新方法、新技術在茶葉加工中不斷地得到了應用,并正已快速地發展,一小部分名優綠茶加工企業業已實現了連續化生產作業,在提高名優綠茶加工效率的同時也達到了對茶葉品質提升的目的,為標準化、規模化生產的建立,營造了良好基礎[17]。茶葉加工設備的不斷更新、升級,在一定程度上提高了我國茶葉產業化水平。如本研究中的新型茶機有設施攤青設備、電磁內熱滾筒殺青機、自動化連續理條機、遠紅外提香機,串聯成連續化流水作業,電磁內熱滾筒殺青機利用電磁對流加熱和保溫,實現了高效的熱能轉化,使殺青勻整、無焦邊、葉溫恒定[9],遠紅外提香設備提高了生產效率,降低能耗,并且對茶葉香氣的提升和潤色有明顯效果[12]。本研究結果發現,干茶在通過遠紅外提香處理后,雖然在湯色和葉底色澤兩項得分均有所下降,但在干茶色澤潤度,茶葉的香氣、滋味方面都有明顯的提升。搓葉機首次被應用到針芽形茶連續化生產線上,此工藝的增加對理條工藝有著重要作用,尤其是對理條葉的勻整度和滋味方面有非常明顯的效果。
本實驗中,連續化生產線中的生產設備和控制組件較多,PLC控制器較為分散,在后期的工藝改進研究過程中,可以根據設備的特性和現有的生產數據,借鑒相關食品加工生產線,建立計算機中控系統,以實現真正意義的電控一體化,對生產情況可實現實時監控和數據保存。
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Design and Process Optimization of a Continuous Production Line on Needle-type Premium Green Tea
CHEN Gensheng1,2,YUAN Haibo2,XU Yongquan2,JIANG Yongwen2,DENG Yuliang2,YU Liaoyuan3,YU Shuping4,YIN Junfeng2*
1.College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China; 2.Tea Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Key Laboratory of Tea Processing Engineering of Zhejiang Province,National Engineering Technology Research Center of Tea Industry,Hangzhou 310008,China; 3.Zhejiang Agricultural Technology Extension Center,Hangzhou 310020,China; 4.Kaihua Special Local Product(Tea)Bureau,Kaihua 324300,China
Abstract:According to the quality and processing characteristics of needle-type premium green tea,a strongly practicable,energy-efficient and highly qualified needle-type premium green tea continuous production line which consisted of the fresh tea leaves artificial spreading machine,electromagnetic heat roller fixation machine,multiphase continuous fixation-shaping machine,rubbing machine,far-infrared raising fragrant machine and other energy efficient facilities was organized.The processing procedures of the continuous production line including spreading,fixation,fixation-shaping and baking were investigated and a complete set of processing technology about the line on needle-typepremium green tea was proposed.The results showed that the best process parameters were:temperature at 18-25℃ and humidity at 60%-90% for fresh tea leaves spreading,the leaf weight of 125 kg·h(-1),baking temperature at 270℃ and time of 65 second for the fixing,240℃(38 Hz),210℃(40 Hz)and 180℃(45 Hz)for the multiphase continuous fixation-shaping,and drying temperature at 40-55℃,baking temperature at 100℃,speed of 30 kg·h(-1)for the rotary continuous drying.
Keywords:needle-typepremium green tea,continuous production,electromagnetic heat roller fixation machine,far-infrared raising fragrant machine,artificial spreading of fresh tea leaves mechanical
作者簡介:陳根生,男,碩士研究生,主要從事茶葉化學與食品工程方面的研究。*通訊作者:yinjf@tricaas.com
基金項目:科技部農業科技成果轉化項目(2011GB23260012)、浙江省分析測試基金(2015C37073)、科技協作計劃項目(2014016)。
收稿日期:2015-11-30
修訂日期:2016-01-29
中圖分類號:TS272.3
文獻標識碼:A
文章編號:1000-369X(2016)02-139-10