基于葉溫監(jiān)測的龍井茶機制過程關(guān)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(nóng)林大學(xué)，浙江 杭州 311300； 2.杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 茶葉研究所，浙江 杭州 310024)

名優(yōu)茶生產(chǎn)是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，扁形茶炒制機的推廣不僅大大降低了茶農(nóng)的勞動強度，而且有效緩解了茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展和勞動力緊張之間的矛盾，為茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供條件，當(dāng)下消費市場上機制茶的比例超過了99%[1-2]?，F(xiàn)有的扁形茶自動炒制機將加工時間、溫度、壓力等工藝參數(shù)編入自動控制的程序軟件，實現(xiàn)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(tài)的實時反饋基礎(chǔ)上，加工操作關(guān)鍵點的判斷仍舊嚴(yán)重依賴于加工者的經(jīng)驗，生產(chǎn)上容易造成茶葉質(zhì)量不穩(wěn)定[6]。實現(xiàn)加工過程閉環(huán)控制的關(guān)鍵在于發(fā)現(xiàn)與茶葉品質(zhì)密切相關(guān)的加工過程物理參數(shù)，該參數(shù)能實現(xiàn)實時監(jiān)控，有利于計算機反饋系統(tǒng)的建立。

葉溫是茶葉生化反應(yīng)的重要調(diào)控因素，從生理生化和熱化學(xué)反應(yīng)兩個角度決定了茶葉品質(zhì)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(nèi)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(xué)反應(yīng)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(xiàn)焦糊味。葉溫的變化直接影響著品質(zhì)成分組成及含量的變化，最終影響成品茶的感官品質(zhì)[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(tài)變化及含水量與葉溫變化之間的相關(guān)性，嘗試建立葉溫與茶葉干燥程度的關(guān)系模型，將葉溫作為判斷干燥程度的相對指標(biāo)，有望通過葉溫反饋實現(xiàn)茶葉干燥程度的閉環(huán)控制，以期為實現(xiàn)茶葉加工的自動控制、精確控制成品茶的加工品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用茶葉原料采自學(xué)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(jiān)測龍井茶的設(shè)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(nèi)側(cè)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(dǎo)熱片長度以外沿鍋壁向下伸入1.5 cm，同時金屬導(dǎo)熱片彎曲成拱形狀態(tài)，但不與鍋壁接觸，以炒制過程中茶葉經(jīng)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(tài)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(shè)定同一加工參數(shù)，同時炒制，記錄葉溫數(shù)據(jù)；同時每隔1 min取茶樣，測含水量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結(jié)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(dǎo)致葉溫急劇下降，短時(0.5 min)內(nèi)恢復(fù)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(guān)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(nèi)，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(guī)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(guān)性

3 討論

葉溫變化速率始終呈現(xiàn)“快—慢—快”的節(jié)奏，含水量在炒制過程中的變化與葉溫相反，呈現(xiàn)反S型“慢—快—慢”的節(jié)奏。茶葉含水量變化的3個階段與加工過程密切相關(guān)，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(nèi)部仍有水分，茶葉的彈塑性好，應(yīng)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(yīng)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(guān)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(nèi)，可以數(shù)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(jiān)測龍井茶加工過程發(fā)現(xiàn)葉溫與含水量變化存在一定關(guān)系，并構(gòu)建了一種通過葉溫預(yù)測含水量的數(shù)學(xué)模型。將葉溫作為判斷干燥程度的相對指標(biāo)，有望通過葉溫反饋實現(xiàn)茶葉干燥程度的閉環(huán)控制，為實現(xiàn)茶葉加工的自動控制，精確控制成品茶的加工品質(zhì)提供重要依據(jù)。