黑茶熱泵發(fā)花干燥技術(shù)研究及應(yīng)用

劉 軍，吳耀森，李浩權(quán)，龍成樹，涂楨楷，劉清化※

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630，2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

黑茶屬于后發(fā)酵茶，是中國(guó)六大茶類中加工過(guò)程最為復(fù)雜的一大茶類[1]。黑茶的傳統(tǒng)加工方法工藝繁瑣、技術(shù)性強(qiáng)，而加工過(guò)程中細(xì)微的差別可導(dǎo)致茶品質(zhì)量和風(fēng)味千差萬(wàn)別[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全國(guó)茶葉產(chǎn)量224.9萬(wàn)t，其中黑茶產(chǎn)量22.7萬(wàn)t，占全國(guó)茶葉產(chǎn)量的10.09%；其中湖南黑茶產(chǎn)量7.11萬(wàn)t，占全國(guó)黑茶產(chǎn)量的31.32%[3]。

在黑茶加工過(guò)程中，“發(fā)花”是在茶磚內(nèi)形成“金花”（冠突散囊菌），使茶磚具有獨(dú)特的“菌花香”，是決定黑茶品質(zhì)最為關(guān)鍵的一道工序[4-6]。傳統(tǒng)黑茶發(fā)花干燥主要以蒸汽烘房加工為主。蒸汽鍋爐烘房采用蒸汽閥門與暖氣片相結(jié)合，通過(guò)控制蒸汽閥門的開(kāi)度來(lái)控制烘房?jī)?nèi)溫度，采用開(kāi)窗通風(fēng)的方式控制烘房的濕度。

1 鍋爐蒸汽干燥

鍋爐蒸汽干燥由于自身設(shè)備的特性存在以下問(wèn)題。

1.1 控制精度低，易受環(huán)境因素的影響

傳統(tǒng)鍋爐蒸汽烘房采用手動(dòng)控制閥門開(kāi)度來(lái)控制烘房?jī)?nèi)部溫度，利用排氣通風(fēng)的方式控制烘房濕度，二者控制精度低，溫度波動(dòng)3～5℃。同時(shí)還受環(huán)境氣候的影響，當(dāng)環(huán)境溫度或濕度高于烘房?jī)?nèi)部溫度或濕度時(shí)，溫度和濕度則無(wú)法受控制，如果此時(shí)正好是黑茶發(fā)花旺盛期，由于“金花”大量繁殖產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散失，會(huì)導(dǎo)致茶磚燒心[7]。

1.2 發(fā)花程度不一，產(chǎn)品質(zhì)量不均

在傳統(tǒng)黑茶發(fā)花過(guò)程中，茶藝師通過(guò)感官和經(jīng)驗(yàn)控制發(fā)花程度，難以達(dá)到統(tǒng)一的“發(fā)花”質(zhì)量，主觀因素干擾較強(qiáng)，而且“發(fā)花”過(guò)程還會(huì)伴隨著其他霉菌的生長(zhǎng)（黑霉菌和青霉菌），甚至無(wú)“金花”產(chǎn)生，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不均勻，質(zhì)量不高。

1.3 生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，排放高

蒸汽烘房需要配備專門鍋爐技術(shù)員和茶藝師，“發(fā)花”干燥周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，運(yùn)行成本高。在夏季高溫高濕的氣候條件下，無(wú)法正常生產(chǎn)，無(wú)法全天候生產(chǎn)。傳統(tǒng)烘房一般通過(guò)燒煤用鍋爐蒸汽加熱，熱效率低下，污染嚴(yán)重，不符合國(guó)家的節(jié)能減排、低碳環(huán)保政策。

2 熱泵發(fā)花干燥技術(shù)

熱泵發(fā)花技術(shù)是在原有的熱泵技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)黑茶“發(fā)花”工藝研制的專用干燥設(shè)備[8-10]。利用熱泵從低溫?zé)嵩粗形諢崃浚瑢⑵湓谳^高溫度下釋放熱量來(lái)提高烘房溫度，而在烘房溫度超過(guò)黑茶發(fā)花工藝溫度時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)換熱泵制熱工況為制冷工況，從烘房?jī)?nèi)吸收熱量，釋放于外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)烘房的降溫過(guò)程。兩種工況的自動(dòng)轉(zhuǎn)換并結(jié)合熱泵的除濕工況和超聲波加濕技術(shù)，可達(dá)到精確控制烘房溫度和濕度的目的，滿足黑茶發(fā)花的工藝要求。整個(gè)“發(fā)花”過(guò)程全程自動(dòng)化控制，既可改善現(xiàn)有蒸汽烘房需人工控制調(diào)節(jié)溫度和濕度、控制精度較低、成本較高、受季節(jié)和氣候影響和生產(chǎn)穩(wěn)定性差等問(wèn)題，又可避免蒸汽烘房燃煤或者燒柴產(chǎn)生廢氣、廢水、廢渣等污染物，因此，采用熱泵烘房技術(shù)全程自動(dòng)化控溫控濕，不但控制精度高，而且能耗低、生產(chǎn)成本低。

3 黑茶熱泵發(fā)花試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)物料

實(shí)驗(yàn)物料均由湖南黑美人茶業(yè)股份有限公司提供。

機(jī)壓磚：茶磚質(zhì)量約1 kg，初始水分含量約24%～28%，物料鋪放密度為360片/茶架。

手筑磚：茶磚質(zhì)量約1.2 kg，茶磚尺寸為24 cm×15 cm×4 cm，初始水分含量約26%～28%，有包裝紙，物料鋪放密度為360片/茶架。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

HWHS60型黑茶熱泵發(fā)花干燥機(jī)，由廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開(kāi)發(fā)有限公司研制，結(jié)構(gòu)圖如圖1。主要技術(shù)參數(shù)：干燥溫度25～45℃，可調(diào)；干燥濕度20%～95%，可調(diào)；加工能力3 600～6 000片/批。

3.3 試驗(yàn)方法

在制茶師指導(dǎo)下，參考緊壓茶國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[11,12]中的第3部分茯磚茶，結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)定除濕工藝，每天取樣記錄茶磚質(zhì)量，觀察茶磚內(nèi)部水分變化和金花生長(zhǎng)情況，不斷調(diào)整工藝參數(shù)，最終得出機(jī)壓磚和手筑磚的熱泵發(fā)花工藝參數(shù)，見(jiàn)表1—2。

圖1 HWHS型黑茶熱泵發(fā)花干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

表1 黑茶機(jī)壓磚熱泵發(fā)花工藝參數(shù)設(shè)置

表2 黑茶手筑磚熱泵發(fā)花工藝參數(shù)設(shè)置

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 不同茶磚對(duì)熱泵發(fā)花干燥的影響

圖2表明，機(jī)壓磚質(zhì)量與干燥時(shí)間的變化曲線基本呈線性關(guān)系，即是“發(fā)花”過(guò)程中失水速率基本一致；手筑磚質(zhì)量變化前期速率較快，后期逐漸變慢，即“發(fā)花”過(guò)程失水速率先增加，后減小，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。手筑磚“發(fā)花”干燥時(shí)間較機(jī)壓磚發(fā)花干燥時(shí)間短1 d；機(jī)壓磚表面沒(méi)有包裝覆蓋，循環(huán)空氣直接與茶磚接觸，且結(jié)構(gòu)致密，水分蒸發(fā)較慢、較均勻；手筑茶磚結(jié)構(gòu)較機(jī)壓茶磚結(jié)構(gòu)松散，水分容易蒸發(fā)，同時(shí)包裝紙有利于水分均勻擴(kuò)散，加速了前期茶磚的失水速率。

3.4.2 不同工藝下設(shè)備運(yùn)行曲線對(duì)比

圖2 不同種類茶磚的干燥曲線

圖3 機(jī)壓磚工藝設(shè)備運(yùn)行曲線

圖3表明機(jī)壓磚設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中送風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度基本與設(shè)定溫度一致，回風(fēng)濕度與設(shè)定濕度基本一致，但存在一定的偏差，這是因?yàn)闈穸瓤刂婆c溫度控制相關(guān)，濕度控濕慣性大于溫度，控制波動(dòng)范圍大于溫度，升溫過(guò)程和降溫過(guò)程都會(huì)伴隨濕度下降，而除濕過(guò)程會(huì)導(dǎo)致溫度升高。圖4 表明，手筑磚工藝設(shè)備送風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度運(yùn)行曲線基本與設(shè)定溫度一致，同機(jī)壓磚運(yùn)行曲線相似，但濕度曲線偏離設(shè)定曲線比機(jī)壓磚曲線大，可能是因?yàn)槭种u失水速率較快，導(dǎo)致濕度控制曲線偏離程度較大。

3.4.3 黑茶熱泵發(fā)花效果分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熱泵發(fā)花無(wú)霉變和燒心現(xiàn)象，發(fā)花品質(zhì)較高。機(jī)壓磚發(fā)花較為均勻，但發(fā)花量少于手筑磚，見(jiàn)圖5。手筑磚發(fā)花集中在茶磚中心，茶磚表面1～2 cm金花生數(shù)量不明顯，見(jiàn)圖6，可能是因?yàn)闄C(jī)壓磚失水速率均勻，而手筑磚前期失水較快，導(dǎo)致表層濕度過(guò)低，無(wú)法為后期金花生長(zhǎng)提供適宜的濕度，所以表層以下1～2 cm金花數(shù)量較少。

圖4 手筑磚工藝設(shè)備運(yùn)行曲線

圖5 機(jī)壓磚產(chǎn)品效果圖

圖6 手筑磚產(chǎn)品效果圖

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，熱泵發(fā)花干燥技術(shù)在茯磚茶發(fā)花干燥生產(chǎn)中可行。采用熱泵發(fā)花干燥技術(shù)手筑磚發(fā)花干燥時(shí)間為19 d，機(jī)壓磚發(fā)花干燥時(shí)間為18 d，相比傳統(tǒng)發(fā)花干燥時(shí)間24 d，縮短20%以上。采用熱泵控溫控制技術(shù)，能夠?yàn)椤敖鸹ā鄙L(zhǎng)提供適宜的溫度和濕度，有利于提高發(fā)花質(zhì)量，且烘房?jī)?nèi)部溫濕度不受外界氣候條件的影響，可實(shí)現(xiàn)全年全天候生產(chǎn)。同時(shí)發(fā)花干燥過(guò)程自動(dòng)化控制，可節(jié)約勞動(dòng)力，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。據(jù)企業(yè)測(cè)算，熱泵發(fā)花成本約0.8元/片，蒸汽烘房成本為1.5元/片，可節(jié)省成本50%以上。

黑茶熱泵發(fā)花技術(shù)存在設(shè)備投資成本較高，但設(shè)備運(yùn)行節(jié)能，且無(wú)污染排放，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)需求，具有廣闊的應(yīng)用前景，黑茶熱泵發(fā)花工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化。