Ⅱ型普洱茶發(fā)酵罐的改正設(shè)計與試驗分析

羅新文，黃云戰(zhàn)，熊同強，李貴榮 (云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，云南昆明650201)

1 普洱茶產(chǎn)業(yè)現(xiàn)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(jīng)過發(fā)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(shè)備與其他茶品種有很大區(qū)別。云南省年產(chǎn)茶17萬t，茶園面積全國排名第一，產(chǎn)量居全國第二。目前國內(nèi)普洱茶的加工在很大程度仍然停留在傳統(tǒng)加工模式上，手工作坊占有很大的比重，有一定規(guī)模的大中型普洱茶生產(chǎn)企業(yè)也普遍存在加工設(shè)備簡陋、生產(chǎn)技術(shù)工人基本承襲經(jīng)驗式加工的問題，同時受季節(jié)和環(huán)境條件的影響，使得普洱茶的品質(zhì)穩(wěn)定性差、難以滿足市場對高品質(zhì)普洱茶產(chǎn)品的要求。但是近年來隨著自動化技術(shù)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(shù)和新的普洱茶發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用，使得普洱茶產(chǎn)業(yè)的機械化和自動化也有了大幅的進展［2］。

1．2 傳統(tǒng)普洱茶發(fā)酵分析 目前普洱茶加工過程中，大多是批量生產(chǎn)，發(fā)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(tǒng)的翻堆是人工采用鐵鍬和釘耙等工具，將已渥堆發(fā)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(jié)形成的團狀，按照發(fā)酵場所布局，從茶葉發(fā)酵堆的一端翻動到另一端，為做到發(fā)酵茶葉的物理特性一致，每次翻堆先把發(fā)酵堆表層15～20 cm茶葉取出置于發(fā)酵堆中心部位，并根據(jù)發(fā)酵葉屬性適當(dāng)增補水分。每次翻堆時，技術(shù)人員都要根據(jù)發(fā)酵葉發(fā)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(zhì)特征要求［3］。

傳統(tǒng)普洱茶生產(chǎn)中，整個翻堆的過程不僅勞動強度大，而且衛(wèi)生條件差，很大程度上影響了普洱茶的品質(zhì)。大規(guī)模生產(chǎn)中如何解決翻堆過程機械化，達到快速便捷，節(jié)省人力物力，并能使茶葉在翻堆過程中減少污染，實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，是普洱茶加工中發(fā)酵環(huán)節(jié)的技術(shù)革命，也是普洱茶加工中技術(shù)環(huán)節(jié)今后發(fā)展的方向［4］。項目組針對普洱茶生產(chǎn)中發(fā)酵工序的特點，結(jié)合生產(chǎn)中小批量發(fā)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(fā)酵成本高，風(fēng)險大，普洱茶風(fēng)味、特色難以體現(xiàn)和挖掘的現(xiàn)狀。

2 第一代普洱茶發(fā)酵罐設(shè)計理念

2．1 設(shè)計原理 根據(jù)傳統(tǒng)普洱茶發(fā)酵的特性，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)普洱茶課題組周紅杰、黃云戰(zhàn)教授等經(jīng)過分析研究，發(fā)明了第一代普洱茶發(fā)酵罐(專利號ZL2009201116889)。該普洱茶發(fā)酵罐研發(fā)是集潮水、渥堆、翻堆于一體的自動化普洱茶發(fā)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(tǒng)自然發(fā)酵的方式，所發(fā)酵普洱茶品質(zhì)達到了預(yù)期的目的，實現(xiàn)了利用發(fā)酵罐發(fā)酵普洱茶品質(zhì)可控，風(fēng)味特色可控，衛(wèi)生安全［5］。

發(fā)酵罐采用雙層不銹鋼罐體，形成保溫隔熱結(jié)構(gòu)，罐體內(nèi)外之間為夾層，外層罐體封閉，內(nèi)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(fā)酵環(huán)境不受外界環(huán)境條件的影響，能夠達到普洱茶發(fā)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(fā)酵時的通氣與濕度的調(diào)節(jié)［6］。發(fā)酵罐翻堆工作時，電機帶動內(nèi)外層滾筒轉(zhuǎn)動，攪拌桿攪拌達到翻堆的效果。發(fā)酵罐自動控制系統(tǒng)采用PLC［7］作為控制器，并且與變頻器連接［8］。發(fā)酵罐的自動控制系統(tǒng)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(gòu)成。利用此發(fā)酵罐發(fā)酵普洱茶，可同時實現(xiàn)普洱茶在發(fā)酵過程中的精確定量潮水、通風(fēng)、控溫、控濕、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析以及各個發(fā)酵階段的解塊和補水等功能控制。

2．2 設(shè)計要求 該發(fā)酵罐設(shè)計要求:①高效。試驗表明，使用該設(shè)備可縮短一半生產(chǎn)周期，同時可減少損耗，提高制茶率，降低成本。②清潔化。該設(shè)備為離地式，擯棄了傳統(tǒng)的地面發(fā)酵方式，過程清潔化，改善了普洱茶發(fā)酵的衛(wèi)生狀況。③可控、自動化。發(fā)酵因素與品質(zhì)之間的變化做到科學(xué)可控，使得發(fā)酵周期短，并且過程可控。攪拌結(jié)構(gòu)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(xiàn)了發(fā)酵過程的自動化［9］。

3 第一代普洱茶發(fā)酵罐應(yīng)用分析

通過不斷試驗與應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)第一代普洱茶發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用參數(shù)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(fā)酵罐”在轉(zhuǎn)動，并帶動罐內(nèi)的茶葉進行翻轉(zhuǎn)，同時依靠罐體中心的主軸管承擔(dān)罐體及罐內(nèi)的茶葉重量，第一代普洱茶發(fā)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(nèi)的茶葉經(jīng)過發(fā)酵后，塊狀比較嚴(yán)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(nèi)已經(jīng)發(fā)酵的茶葉不能翻堆和解塊。

再次，第一代普洱茶發(fā)酵罐設(shè)計的變頻控制實現(xiàn)3種變速、3種正反轉(zhuǎn):考慮到減少破碎率，所設(shè)計的第1級6 r/min，正反轉(zhuǎn);第2級12 r/min，正反轉(zhuǎn);第3級24 r/min，正反轉(zhuǎn)，但在第1級6 r/min，正反轉(zhuǎn)，阻力非常大，當(dāng)發(fā)酵至18～22 d時，結(jié)塊比較嚴(yán)重，用第1級6 r/min正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)翻堆和解塊將很困難，幾乎轉(zhuǎn)不動。

4Ⅱ型普洱茶發(fā)酵罐改正設(shè)計及參數(shù)

首先，將洱茶發(fā)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(fā)酵罐內(nèi)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(zhuǎn);第2級24 r/min，正反轉(zhuǎn);第3級32 r/min，正反轉(zhuǎn)。電機功率3 kW。設(shè)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(fā)酵可升最高溫度62℃左右;發(fā)酵時間28～32 d可完成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

5 Ⅱ型普洱茶發(fā)酵罐的應(yīng)用效果分析

5．1 Ⅱ型普洱茶發(fā)酵罐的功能 Ⅱ型普洱茶發(fā)酵罐的改正設(shè)計沿著第一代發(fā)酵罐設(shè)計思路，圍繞安全優(yōu)質(zhì)，降低成本，科學(xué)時尚而進行。離地式的發(fā)酵罐，打破了傳統(tǒng)的地面發(fā)酵方式，改善了普洱茶發(fā)酵的衛(wèi)生狀況，攪拌機構(gòu)為普洱茶的均勻潮水提供了保證，自動控制裝置不僅實現(xiàn)了發(fā)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(fā)酵過程都實現(xiàn)自動控制。試驗研究表明，項目組采用自動化發(fā)酵設(shè)備進行普洱茶發(fā)酵，證實能夠為普洱茶品質(zhì)的提升提供可靠的理論數(shù)據(jù)。

5．2 Ⅱ型普洱茶發(fā)酵罐試驗分析 普洱茶發(fā)酵自動控制及監(jiān)測研究與分析，以普洱茶原料為試驗對象，對車間外部環(huán)境條件(溫度、濕度)進行監(jiān)測、數(shù)據(jù)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(fā)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(zhuǎn)，到第5天溫度不斷上升至39℃，第11天時溫度穩(wěn)定在52℃，第18天時溫度最高58℃，此時普洱茶特征成分、風(fēng)味成分及品質(zhì)變化已經(jīng)形成，色澤、香氣等已經(jīng)有明顯的變化，到第24天溫度穩(wěn)定在52℃，第27天溫度在40℃，及時調(diào)控與普洱茶品質(zhì)形成有關(guān)的參數(shù)。此次試驗周期為29 d，至此就完成了發(fā)酵。每天詳細(xì)記錄試驗數(shù)據(jù)，包括發(fā)酵室的溫濕度、渥堆內(nèi)溫度、發(fā)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(fā)酵按30%渥堆前潮水比例，48 h溫度已經(jīng)達到51℃，現(xiàn)在第4天溫度不斷上升，已經(jīng)到53℃，可望20 d就可以出罐［10］。

5．3 Ⅱ型普洱茶發(fā)酵罐應(yīng)用效果 改正后的普洱茶發(fā)酵罐發(fā)酵普洱茶，罐內(nèi)環(huán)境條件(溫度、濕度、空氣質(zhì)量交換)可為有益菌的大量繁殖創(chuàng)造最佳的生存條件。濕水量得到嚴(yán)格控制且均勻，每2 d內(nèi)，對茶堆內(nèi)部發(fā)酵變化程度所對應(yīng)的指標(biāo)進行自動檢測，為茶葉再次均勻潮水、茶葉翻動提供相應(yīng)的理論依據(jù)。罐內(nèi)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?zé)o法監(jiān)測等導(dǎo)致燒心、霉變而使品質(zhì)下降的不良后果。發(fā)酵罐發(fā)酵改變傳統(tǒng)普洱茶發(fā)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(wèi)生條件差等劣勢［7］。發(fā)酵過程中實現(xiàn)自動控制對生產(chǎn)的普洱茶進行科學(xué)鑒定，確保生產(chǎn)最佳品質(zhì)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(shù)據(jù)可以看出，相比自然環(huán)境下發(fā)酵的茶，利用自動控制發(fā)酵罐發(fā)酵，濕度穩(wěn)定在72%左右，溫度維持在50℃，比較適合普洱茶發(fā)酵的要求。②從均方差角度。從試驗數(shù)據(jù)的方差計算中，利用發(fā)酵罐發(fā)酵普洱茶，溫度的均方差比自然環(huán)境下的發(fā)酵過程中溫度均方差低50%，濕度的均方差更是比傳統(tǒng)發(fā)酵的低一個數(shù)量級以上，這說明，該試驗利用自動控制發(fā)酵罐發(fā)酵普洱茶更能夠?qū)貪穸确€(wěn)定在普洱茶發(fā)酵需要的溫濕度，從而提高的發(fā)酵效率，使得普洱茶的發(fā)酵周期大大縮短。

綜上所述，采用Ⅱ型發(fā)酵罐生產(chǎn)普洱茶，實現(xiàn)了普洱茶在發(fā)酵過程中的環(huán)境因子可控，所生產(chǎn)的普洱茶其品質(zhì)穩(wěn)定，特色鮮明，風(fēng)味獨特。且使用該機械設(shè)備具有操作簡便，加工周期縮短，生產(chǎn)成本降低，效益提高的特點。

6 結(jié)語

普洱茶發(fā)酵過程自動控制技術(shù)、清潔化生產(chǎn)和自動發(fā)酵罐發(fā)酵普洱茶等多項成果，將對普洱茶加工規(guī)?；?，清潔化生產(chǎn)，降低工人勞動強度，提高普洱茶質(zhì)量和衛(wèi)生，提高普洱茶行業(yè)的經(jīng)濟效益，提升普洱茶產(chǎn)業(yè)，促進技術(shù)進步等有著十分重要的意義。這些成果也是對傳統(tǒng)發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新和革新。為實現(xiàn)普洱茶加工過程柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，提供更加完善的理論依據(jù)，繼續(xù)完善普洱茶自動發(fā)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(fā)酵罐發(fā)酵過程的精確定量自動潮水、無線監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制、自動翻拋等全自動化生產(chǎn)，實現(xiàn)普洱茶自動發(fā)酵罐系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)。

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

［2］劉洪波，黃云戰(zhàn)．普洱茶加工裝備現(xiàn)代化的發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)對策研究［J］．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，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(zhàn)，周紅杰，等．普洱茶發(fā)酵清潔化車間的設(shè)計及環(huán)境濕度的控制［J］．云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，26(3):395-399．

［5］馬振綱．普洱茶自動控制發(fā)酵罐的研究與實驗［D］．昆明:云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011．

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

［7］周玉國．普洱茶清潔化技術(shù)的研究與應(yīng)用［D］．昆明:云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009．

［8］馬振綱，黃云戰(zhàn)，劉大鵬，等．基于PLC在普洱茶發(fā)酵車間的應(yīng)用分析與研［J］．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(19):10276-10278．

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

［10］劉大鵬．普洱茶發(fā)酵車間功能設(shè)計及控制技術(shù)的研究［D］．昆明:云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009．