基于葉溫監測的龍井茶機制過程關鍵控制點的識別

葛貽韜，盛林鋒，高瓏瀚，朱鈺薇，唐德松，梁慧玲*，黃海濤

(1.浙江農林大學，浙江 杭州 311300； 2.杭州市農業科學研究院 茶葉研究所，浙江 杭州 310024)

名優茶生產是勞動密集型產業，扁形茶炒制機的推廣不僅大大降低了茶農的勞動強度，而且有效緩解了茶產業發展和勞動力緊張之間的矛盾，為茶產業可持續發展提供條件，當下消費市場上機制茶的比例超過了99%[1-2]。現有的扁形茶自動炒制機將加工時間、溫度、壓力等工藝參數編入自動控制的程序軟件，實現了龍井茶加工過程的自動化[3-5]。但這種加工過程控制沒有建立在對茶葉狀態的實時反饋基礎上，加工操作關鍵點的判斷仍舊嚴重依賴于加工者的經驗，生產上容易造成茶葉質量不穩定[6]。實現加工過程閉環控制的關鍵在于發現與茶葉品質密切相關的加工過程物理參數，該參數能實現實時監控，有利于計算機反饋系統的建立。

葉溫是茶葉生化反應的重要調控因素，從生理生化和熱化學反應兩個角度決定了茶葉品質的形成。生理生化研究表明，鮮葉在殺青過程中葉表溫度在短期內迅速達到60 ℃以上，并維持一定的時間，即可完全殺死多酚氧化酶的活性，制止紅變，此后尚有一個較長熱化學反應時期，初步造型、散失水分，促成茶葉的清香綠翠。如果溫度偏低，時間過長，往往會造成殺青葉紅變、暗變、水悶氣和苦澀味[7-8]，而溫度過高則會出現焦糊味。葉溫的變化直接影響著品質成分組成及含量的變化，最終影響成品茶的感官品質[9-12]。

本研究擬通過分析茶葉炒制過程中葉溫的實時變化情況、加壓炒板對葉溫變化的影響、含水量的動態變化及含水量與葉溫變化之間的相關性，嘗試建立葉溫與茶葉干燥程度的關系模型，將葉溫作為判斷干燥程度的相對指標，有望通過葉溫反饋實現茶葉干燥程度的閉環控制，以期為實現茶葉加工的自動控制、精確控制成品茶的加工品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用茶葉原料采自學校茗茶園，品種為龍井43，鮮葉嫩度為一芽一二葉，攤放后初始含水率為77%左右。

龍井茶炒制機，6CCB-HF900型；溫度測試儀，JK8UC多路溫度測試儀；電子天平，舜宇恒平電子秤。

實驗所用的K型熱電偶監測龍井茶的設備為實驗室自行組裝(圖1)，將4個熱電偶片等距離固定于名茶炒制機茶葉出口內側離鍋壁0.5 cm左右的位置，注意固定期間切記不要有雜物擋住熱電偶金屬片，熱電偶片除金屬導熱片長度以外沿鍋壁向下伸入1.5 cm，同時金屬導熱片彎曲成拱形狀態，但不與鍋壁接觸，以炒制過程中茶葉經抄板刮至直接與熱電偶接觸為宜。

圖1 K型熱電偶安裝實物

1.2 方法

茶葉炒制過程中葉溫隨時間的變化動態觀察：茶葉炒制過程中分別加壓3次(3檔)，原壓力檔炒制4 min，加壓1檔炒制3 min，再加壓1檔炒制2 min。兩臺龍井茶炒制機各裝2個熱電偶片，設定同一加工參數，同時炒制，記錄葉溫數據；同時每隔1 min取茶樣，測含水量。

1.3 數據處理

采用Excel 2016軟件對數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 茶葉炒制過程中葉溫隨時間的變化

茶葉炒制過程中葉溫隨時間的變化如圖2所示，加壓炒板導致葉溫急劇下降，短時(0.5 min)內恢復上升趨勢；按葉溫上升的不同速率可將曲線分為三個階段：第一階段(快速升溫期)，時間約3.5 min，葉溫從40 ℃上升至57 ℃；第二階段(平伏期)，時間約5 min，葉溫從57 ℃上升至67 ℃；第三階段(快速升溫期)，時間約2.5 min，葉溫從67 ℃上升至79 ℃。

圖2 炒制過程中葉溫的變化

2.2 炒制過程中含水量的變化

炒制過程中含水量隨時間的變化曲線也分為3個階段(圖3)，但其變化速率與葉溫變化相反，第一階段(平臺期)，0～2 min，含水量從60.8%降至60.1%；第二階段(快速失水期)，3～9 min，從60.1%快速下降至10.8%；第三階段(緩慢失水期)，9～10 min，從10.8%降至9.6%。

圖3 炒制過程中含水量的變化

2.3 炒制過程中含水量與溫度的相關性

含水量隨葉溫的升高而下降，變化曲線呈反向S型：50 ℃以內，含水量下降緩慢；50～70 ℃，含水量急劇下降；70 ℃以上，含水量降速隨溫度的上升而變緩。變化規律符合三次二項式方程：y=0.004 2x3-0.742x2+41.05x-661.57，其中，y為葉片含水量(%)；x為葉片溫度(℃)。

圖4 葉溫與含水量的相關性

3 討論

葉溫變化速率始終呈現“快—慢—快”的節奏，含水量在炒制過程中的變化與葉溫相反，呈現反S型“慢—快—慢”的節奏。茶葉含水量變化的3個階段與加工過程密切相關，第一階段，茶葉柔軟而具有較強的黏性，折而不斷；第二階段，表面水分減少而內部仍有水分，茶葉的彈塑性好，應在此時施加外力進行整形；第三階段，茶葉逐漸變得硬脆，易斷碎，應避免直接在茶葉上施壓。因此溫度變化速率拐點即為茶葉加壓塑形的關鍵控制點，在第一階段到第二階段拐點位置，可以開始加壓，第二階段內，可以數次加壓，而第二到第三階段的拐點位置，需要減壓以減少茶葉斷碎。

本研究通過K型熱電偶監測龍井茶加工過程發現葉溫與含水量變化存在一定關系，并構建了一種通過葉溫預測含水量的數學模型。將葉溫作為判斷干燥程度的相對指標，有望通過葉溫反饋實現茶葉干燥程度的閉環控制，為實現茶葉加工的自動控制，精確控制成品茶的加工品質提供重要依據。