電磁內熱式綠茶毛火工藝參數優化與分析

袁海波，滑金杰，王近近，李 佳，江用文，鄧余良※，王岳梁

0 引 言

烘干是各品類茶加工的最后一道工序，包含毛火工藝和足火工藝 2部分，其中以毛火工藝更為關鍵，其作用不僅是蒸發茶在制品水分，更重要的是伴隨水分蒸發的同時發生的熱化學反應，促進品質物質的轉化和提升，促使茶葉優異香氣、滋味、色澤等品質的形成[1-3]。目前生產上應用較多的毛火技術主要有熱風毛火技術[4-5]、理條機毛火技術[6]、微波毛火技術[7-9]等，有關低溫真空干燥技術[10-11]、遠紅外干燥技術[12]、低溫真空-熱風聯合干燥[13-14]、微波-真空耦合干燥技術[15-17]、熱風-無線電頻耦合干燥技術等的研究和應用開始起步。其中，熱風毛火技術應用最為廣泛，傳統主要以煤炭、燃氣、電等為熱源，通過加熱空氣對茶樣進行烘干作業，可有效提升綠茶香氣，生產效率高，但燃煤/燃柴式毛火易產生煙氣，不易操作，這不僅會導致品質下降，同時會嚴重污染環境，現逐步被其他方式所取代，燃氣式毛火設備存在初期投資較高、溫控穩定性差等缺點，電熱式烘干設備雖具有干凈、清潔、操作方便等優勢，但其多以電熱管為熱源，熱效率低、運行成本較高，普通中小型茶葉生產企業難以承受；理條機毛火，主要通過茶樣與鍋壁的摩擦翻炒提升茶樣的香氣和滋味，然反復摩擦會導致葉綠素降解，進而葉色發黃發灰；微波毛火技術利用高頻微波的震蕩作用，使茶葉內部分子高速碰撞生熱迅速提高物料溫度，達到蒸發水分的效果，所制成茶色澤翠綠、均勻，然排濕效果差易產生水悶味，導致香氣不佳。

現有毛火技術雖可不同程度地提升茶樣香氣、滋味品質，然多存在熱效率低、溫控不精準、熱能分布不均勻、品質不佳不穩定等問題。為此本團隊在應用最廣泛的熱風毛火技術的基礎上，應用新型電磁內熱技術為熱源，同時添加余熱回收裝置和油-空氣交換器，研制出電磁內熱鏈板式烘干設備[18]（專利號CN204466786U），以期在提升茶樣香氣和滋味品質的同時，提升熱效率和生產效率，獲得穩定、優質的茶樣品質，文章在前期單因素試驗的基礎上，以毛火樣的品質成分含量和成品的感官審評得分為目標值，應用正交設計和極差分析，提出優化的電磁內熱毛火工藝參數，并與傳統的毛火技術進行性能特征比較，以期為實際綠茶毛火工藝提供技術參考。

1 電磁內熱鏈板式烘干機結構組成和技術特點

1.1 結構組成

電磁內熱鏈板式烘干機主要由烘干機主箱體構架系統、電磁加熱熱風發生系統、上料及輸送系統、電器及溫度控制系統等構成，具體如圖 1所示。烘干機主箱體構架系統包含烘干機前后支撐、保溫門板17、觀察門9、前后側門等，構建烘干機的整體構架；電磁加熱熱風發生系統包含熱油泵18、電磁加熱裝置4、油-空氣交換器5、軸流風扇3、進油管路22、風向導流條8、限流閥20等，為烘干機提供熱源，對茶樣進行烘干和提香作業，通過各組件的協同運行，提高熱能利用率；上料及輸送系統包括上料輸送帶15、勻葉裝置16、余料存儲口14、沖孔鏈板輸送層27、出料口12等，促進物料勻速、高效、均勻地進出烘干系統，沖孔鏈板有利于熱風能夠層層穿透物料，多層鏈板的設置可顯著提高工效和熱效率；電器及溫度控制系統由出油溫度傳感器 19、紅外溫度傳感器28、電磁加熱控制器25和電控柜組成，保證箱內溫度均勻分布，實現熱源溫度和物料溫度的精準監控。

1.2 技術特點

該設備是在一種電磁加熱茶葉節能烘干機（專利號CN204466786U）的基礎上，采用電磁加熱技術對箱體進行加熱作業，同時進一步加強對烘干環境溫度和熱風風速等的精準調控，具有以下特點：①克服傳統燃氣/燃煤式的溫控穩定性差、電熱式熱效率低和運行成本高等問題，融入電磁加熱技術，采用移相脈寬法調節升降溫方式，保證加熱裝置在高溫下功率不下降，并在輸出回路增設電流測量回路，形成輸出保護，確保電路有效的大負載輸出，同時確定了負載線圈排列雙組布置間距及相位角布置，在機體結構及罩板設置方面解決了對外干擾和加熱裝置的自干擾，采用軸流風扇更節能，能耗和噪音小于離心風機，多個軸流風機并聯送風為全斷面送風，風壓和風量可滿足茶葉毛火和足火工藝需要，更有利于箱體內濕度降低，茶葉香氣更優異，同時箱體內風速調節更方便、均勻；②研制油-空氣交換器，采用無縫鋼管為導流體，同時疊加圓形散熱片，設計 6排散熱片的組成，油溫最高可達 320 ℃，空氣溫度范圍可達 160 ℃，可滿足茶葉烘干作業所需，此方式能夠迅速完成設備加熱，并在短時間內即可達到設定溫度，同時縮短熱風路線，采用分層進風提高對流換熱系數，減少能耗損失，熱效率較傳統電熱式烘干機大幅度提升；③在油-空氣交換器的進風端設計余熱回收裝置，采用部分熱量回收方式對余熱進行回收，利用余熱空氣加熱進風空氣來降低能耗，減少熱量散失、提升熱效率，與未采用余熱回收裝置相比加熱時間大幅縮短縮短，節能效果顯著，顯著提升生產效率；④采用優質“不銹鋼板+保溫棉+冷軋鋼板”組合保溫材料和先進的溫度測量反饋系統，反饋速度快、精度高，獲得對電磁、熱風、油泵等工序溫度的精準和穩定調控（±2 ℃內），降低溫度波動帶來的能耗損失，同時對熱風溫度和熱風風量的高可調性和穩定調控，保證不同批次茶樣品質的穩定性，提升整體品質。

圖1 電磁內熱鏈板式烘干機整機結構Fig.1 Whole structure of chain plate dryer with electromagnetic heating

2 材料與方法

2.1 試驗原料

茶鮮葉原料：福鼎大白茶品種，于余姚市姚江源茶葉茶機有限公司茶園基地采摘，采摘時間2015年8月12日，采摘標準為1芽1~2葉，含水率74%±1%。

2.2 主要儀器與設備

YJY-20S型連續攤青萎凋機，余姚姚江源茶葉茶機有限公司；YJY-GH4550-80型電磁滾筒-熱風耦合殺青機，6CH-EM-25型電磁烘干機，中國農業科學院茶葉研究所與余姚姚江源茶葉茶機有限公司聯合研制；6CR-55型組合式揉捻機，浙江上洋機械有限公司；6CMD-6018型名茶多用機，6CH-10型電熱管式茶葉烘干機，6CHW-25型燃煤式熱風茶葉烘干機，浙江綠峰機械有限公司；FTE-BTD型真空冷凍干燥機，美國 KINETIC公司；Sartorius BT 124s型分析天平，賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；島津UV-3600型紫外-可見近紅外分光光度計，LC-20AD型高效液相色譜儀，日本島津公司。

2.3 試驗方法

2.3.1 試驗設計

通過前期單因素試驗（見圖 2），選取熱風溫度（代號A）、熱風風機轉速（熱風風量，代號B）、鏈板傳動轉速（毛火時間，代號C）3個因子，每個因子3個水平進行L9(33)正交試驗和極差分析，進行電磁內熱式熱風毛火工藝參數優化試驗，各因素設計如表 1所示（其中，熱風風機轉速參數在1 350 r/min時為極限值，因風量過大導致部分茶葉被直接吹出，故在正交試驗時而棄選）。通過對毛火葉和成品茶進行品質生化成分檢測和感官審評分析，篩選出最優的電磁內熱式熱風毛火工藝參數。隨后應用最佳參數的電磁內熱式熱風烘干機與傳統的燃煤式烘干機、電熱管式烘干機、多用理條機進行比較試驗，以感官品質（毛火樣和初制品）、生化成分含量、能耗、工效等為指標進行綜合評價，驗證電磁內熱式烘干技術的適用性和先進性。

圖2 單因素試驗結果Fig.2 Single factor test results

茶樣中茶多酚[19-20]、氨基酸[21]、可溶性糖[22]、兒茶素[23-24]、咖啡堿[25]等物質含量的高低直接影響滋味、湯色、香氣等內在品質，葉綠素[26]含量直接影響外觀色澤和葉底品質，這些物質是茶葉重要的功能和品質成分，故本試驗中著重分析了這些物質，同時結合初制品的感官品質進行電磁內熱式毛火工藝參數的優化，以期獲得高含量品質成分的同時，制作品質較優的綠茶。

2.3.2 制茶工藝流程及取樣

制茶流程如圖3所示，以1芽1~2葉的福鼎大白品種鮮葉為試驗原料，采用相同的攤放方式攤放 12 h，攤放溫度20 ℃、相對濕度65%，待含水率達到約70%后進行殺青作業[15]（滾筒溫度270 ℃+250 ℃+190 ℃，熱風溫度105 ℃，熱風風機轉速920 r/min），殺青耗時2.0 min。回潮2.0 h后，進行揉捻工藝，而后將揉捻葉等分為9份，每份10 kg，進行正交試驗設計的電磁內熱毛火工藝（具體見表2），攤葉厚度采用生產中常用的參數，約2 cm，毛火結束后將毛火葉分成2份：1份置于液氮冷凍固樣，然后低溫冷凍干燥（低溫–30 ℃，高溫20 ℃），用于品質生化成分含量測定，重復3次，取平均值；另1份按照圖 3的工藝流程進行足火，制成綠茶樣品，進行生化成分檢測及感官品質的評定。

表1 正交試驗因素水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

圖3 綠茶加工工藝流程Fig.3 Processing of green tea

2.3.3 傳統毛火工藝參數

結合前期試驗和文獻資料[6,27-29]，與現有生產上應用較多的毛火工藝進行對比試驗，各工藝的毛火參數如下：

燃煤式熱風毛火工藝：設置溫度 110 ℃，熱風風機轉速 1 100 r/min，鏈板傳動轉速 1 100 r/min，毛火時間7 min，攤葉厚度約2 cm。

理條機毛火工藝：設置溫度 250 ℃，傳動轉速1 000 r/min，理條毛火時間10 min。

電熱管式熱風毛火工藝：設置溫度110℃，熱風風機轉速 1 100 r/min，鏈板傳動轉速 1 100 r/min，毛火時間7 min，攤葉厚度約2 cm。

2.4 檢測方法

茶多酚，福林酚試劑比色法（GB/T 8313—2008）；游離氨基酸總量，茚三酮比色法（GB/T 8314—2002）；可溶性糖，蒽酮比色法；葉綠素，乙醇提取分光光度比色法；兒茶素組分和咖啡堿含量，高效液相色譜（High Performance Liquid Chromatography）法[30]。

品質感官評審：參照 GB/T 23776-2009，取約 50 g茶樣，把盤、評外形，后稱取3 g茶樣，加入150 mL沸水沖泡5 min后進行密碼審評，采用評語與百分制打分相結合評定外形、香氣、湯色、滋味，每項 100分，感官總分=香氣得分×30%+滋味得分×30%+外形得分×20%+湯色得分×20%。

品質成分加權總值（quality material weighted values，QMWV）=茶多酚含量×25%+氨基酸含量×25%+可溶性糖含量×15%+兒茶素含量×15%+咖啡堿含量×10%+葉綠素含量×10%。

生產能力Vpc=M/T。其中M為單個制茶日能處理的毛火茶葉質量，kg；T為單個制茶日的工作時間，h。

能耗成本 Vec=VefP1t1/(Vpct1)。其中 Vef為電費，元/(kW?h)；P1為輸入功率，kW；t1為加熱時間，h；Vpc為生產能力，kg/h。

熱效率 ηs=Q輸出/Q輸入×100%=cmΔt/(P2t2)×100%。其中Q輸出為有效輸出能量，J；Q輸入為輸入能量，J；c為比熱容，J/(kg?℃)；m為質量，kg；Δt為溫差，℃；P2為輸入功率，W；t2為加熱時間，s。

2.5 數據處理

試驗數據采用SPSS22.0軟件進行正交設計和極差分析，試驗重復3次，結果以3個重復的均值表示。

3 結果與分析

3.1 電磁內熱鏈板式毛火工藝參數優化

以前期單因素試驗結果為基礎，采用正交設計優化電磁內熱毛火工藝的熱風溫度、熱風風機轉速、鏈板傳動轉速 3個參數，具體試驗設計、生化成分檢測和感官評定結果如表2所示。

表2 正交設計和極差分析優化毛火工藝參數試驗結果Table 2 Results of first-drying process parameter optimization by orthogonal design and range analysis

由表2中極差分析獲得的Rj可以看出，不同毛火工藝參數對毛火樣品質不同的物質含量的影響能力不同，其中影響茶多酚、氨基酸、可溶性糖、葉綠素等物質含量的因子順序為 C＞B＞A，即傳動轉速（毛火時間）對毛火樣茶多酚、氨基酸、可溶性糖、葉綠素等物質含量的影響最大，即在一定的高溫環境下，毛火處理時間對茶在制品的上述成分影響更顯著，最佳工藝參數組合則不同，分別為 A2B2C3、A2B2C2、A3B2C1、A1B3C2/A1B3C3；影響兒茶素和咖啡堿物質含量的因子順序為 B＞C＞A，即熱風風機轉速對毛火樣兒茶素和咖啡堿物質含量的影響最為顯著，最佳工藝參數組合均為 A1B1C3。可以看出不同品質成分對應的最佳工藝組合略有不同，而不同品質成分對成品茶的外形色澤、湯色、滋味、香氣、葉底等屬性影響巨大，根據試驗目標值“望大特性”的要求，借鑒前期試驗[30-31]的研究方法，以成品茶感官評各分屬性的權重為依據，設定品質成分加權總值（Quality material weighted values /QMWV）這一參數代表茶葉的品質，將 6大品質物質統籌考慮進行電磁內熱毛火工藝優化，同時以不同工藝組合下所獲得的成品樣感官總分為目標值進行綜合分析，結果如表 2所示，可以看出影響品質成分加權總值和感官總分的因子順序較為一致，即QMWV值可較好地代表成品樣的整體感官品質，影響因子順序均為 B＞A＞C，即熱風風機轉速對毛火樣的品質加權總值和感官品質的影響最大，熱風溫度次之，鏈板傳動轉速的影響最低，最佳工藝參數組合分別為 A1B2C3（熱風溫度85 ℃，熱風風機轉速1 050 r/min，鏈板傳動轉速1 200 r/min）和A3B3C2（熱風溫度115 ℃，熱風風機轉速1 200 r/min，鏈板傳動轉速1 050 r/min）。

為此，以上述獲得的 2組優化工藝參數進行對比試驗，試驗結果見表 3。可以看出，相對于 A1B2C3因素水平組合，A3B3C2組合獲得的毛火樣中氨基酸、葉綠素、咖啡堿等含量略高，可溶性糖和品質物質加權總值略低，但未達到顯著性，而茶多酚和兒茶素含量顯著較低，而所獲毛火樣的感官審評和成品的感官品質得分顯著較高，色澤較潤，香氣高長，即高溫毛火下有利于茶多酚和兒茶素等苦澀味物質的降解轉換，高熱風風速下可加快水汽的蒸發，防止悶味的形成。通過對毛火樣感官描述和生化內質檢測，以及對成品樣的感官審評等綜合分析，最終確定電磁內熱鏈板式毛火工藝的最佳工藝水平組合為 A3B3C2，即熱風溫度 115℃，熱風風機轉速1 200 r/min，鏈板傳動轉速1 050 r/min。

3.2 與傳統毛火方式性能特征及效果的比較

3.2.1 不同毛火方式的毛火效果及技術特征的比較

以燃煤式熱風毛火、理條機毛火、電熱管式熱風毛火等現有生產中常用的毛火設備型號為對照，電磁內熱式熱風毛火采用上述所得的最佳工藝參數，進行毛火樣生化成分和設備性能特征 2方面的效果比較，試驗結果見表4。

表3 不同工藝參數毛火效果的比較Table 3 Effect comparison of different first-drying process combination

表4 不同毛火方式毛火效果的比較Table 4 Effect comparison of different frist-dring process

品質化學成分檢測的結果顯示，不同毛火方式對不同生化成分含量影響顯著不同，4種毛火方式下葉綠素含量無顯著差異，而氨基酸、茶多酚、可溶性糖、兒茶素等含量均以電磁內熱式熱風毛火處理顯著高于其他 3個常規毛火，以理條機毛火處理相對最低，咖啡堿含量則以理條機毛火處理顯著最高，品質物質加權總值以電磁內熱式熱風毛火工藝顯著最高，然與燃煤式和電熱管式熱風毛火無顯著差異。即 4種毛火方式相比，以電磁內熱式熱風毛火工藝最有利于品質物質的累積，可為提升茶樣色、香、味等品質奠定最佳物質基礎，而理條機毛火因茶在制作時直接與理條槽長時高溫接觸，導致內含生化成分因受熱降解而含量較低。

設備性能特征方面進行比較，可以看出傳統的燃煤式熱風毛火以煤炭為熱源，升溫慢，溫度波動范圍大，能耗高，熱效率低，僅20%～25%，且操作不當易產生煙味，有損品質；市售電熱管式熱風毛火設備多為10型，功率達180 kW，通過計算獲得25型電熱管式熱風毛火設備功率高達540 kW，一般茶廠很難達到此功率，故電熱管式僅適應于小型烘干機，生產效率較低，僅33.0 kg/h，且電熱管做為熱源生產成本較高，達2.82元/kg，熱效率較低；理條機毛火通過電熱管加熱理條槽進而作用于茶在制品，溫度分布不均勻，且因多為單機化作業，生產效率極低，僅 22.0 kg/h，不可連續化作業；而電磁內熱式熱風毛火采用電磁加熱方式，并結合油-空氣交換管式加熱，升溫迅速，功率僅120 kW，顯著低于電熱管式，預熱時間僅 10.0 min，較傳統燃煤燃柴毛火方式提升50.0%以上，合理的熱風回路設計，使得溫度分布均勻、穩定性高，同時余熱回收裝置可顯著提高熱效率，熱能利用率提升 50%以上，降低生產成本，較電熱管式減少1.50元/kg，減少約70%，優質的保溫材料和溫度探頭，將溫度浮動控制在2.0℃以內，熱能外耗顯著減少，生產效率高，達150.0 kg/h，較傳統電熱管式提升3倍以上，同時可連續化作業，操作簡單。

3.2.2 不同毛火方式對成品感官品質影響的比較

不同毛火工藝所制成品綠茶的感官評審結果如表 5所示。燃煤式熱風毛火所制成茶產生了煙味，直接拉低了滋味和香氣得分，影響整體品質；理條機毛火下茶樣長時與高溫槽體接觸，導致葉色發黃發灰，湯色偏黃；電熱管式熱風毛火整體品質尚可，但溫控的不精準導致湯色和滋味略差于電磁內熱式熱風毛火；電磁內熱式熱風毛火溫控精準、溫度分布均勻、穩定性高，所制成品茶樣，感官總分達 86.4，外形、湯色、滋味、香氣等品質均顯著高于其他 3個毛火工藝，即電磁內熱式熱風毛火工藝可獲得較優的綠茶感官品質。

表5 不同毛火工藝制得綠茶感官品質比較Table 5 Comparison of sensory quality of green tea with different first-drying proless

4 結 論

1）由正交設計試驗與極差分析結果可以看出，整體上電磁內熱式熱風毛火工藝中對毛火樣品質生化成分含量和感官品質影響最為顯著的因素是熱風風機轉速B，熱風溫度A和傳動轉速C對不同生化成分影響的顯著性不同。經過對毛火效果和經濟效益的綜合分析，最終確定電磁內熱式熱風毛火的最佳工藝組合：熱風溫度115 ℃，熱風風機轉速1 200 r/min，鏈板傳動轉速1 050 r/min；在此毛火參數下所制毛火樣的品質物質加權值為7.66%，所制成茶的感官品質得分為86.40。

2）對不同毛火方式毛火效果的比較分析表明，電磁內熱式熱風毛火工藝下所制毛火樣的氨基酸、茶多酚、葉綠素、可溶性糖、兒茶素等物質含量均高于其他 3個毛火處理，品質物質加權總值顯著最高，達7.66%；感官評審得分達 86.4，外觀、湯色、滋味、香氣等均不同程度地高于其他 3個毛火工藝，即電磁內熱式熱風毛火工藝可顯著提升茶樣整體品質。

3）對不同毛火方式性能特征進行比較分析可知，電磁內熱式熱風毛火工藝具有操作簡單、升溫快、控溫精準、溫度分布均勻、參數穩定性高、能耗成本低、生產效率高、熱能利用率高等特點，預熱時間較傳統熱源（煤、柴等）減少 50%以上，生產效率較電熱管式毛火提高 3倍，電磁加熱方式和余溫回收裝置的設計顯著提升了熱能利用率，能耗成本減少約70%，熱效率提升50%以上，實現對毛火作業的精準、節能、高效調控。

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