藏茶臥式發(fā)酵機的設計和試驗

談峰，何春雷,3*，胥偉，高兆興，唐瑛蔓

(1.四川農(nóng)業(yè)大學園藝學院，四川 成都 611130；2.精制川茶四川省重點實驗室，四川 成都 611130；3.四川省藏茶產(chǎn)業(yè)工程技術研究中心，四川 雅安 625014)

雅安藏茶是四川邊茶中的名優(yōu)黑茶，因銷于藏區(qū)而得名[1–2]。據(jù)中國茶葉流通協(xié)會統(tǒng)計，2018 年，全國黑茶產(chǎn)量達31.89 萬t，成為僅次于綠茶的第二大茶類。雅安藏茶是四川黑茶的杰出代表，占四川黑茶產(chǎn)量的80%以上[3]，2016 年其品牌價值排名全國黑茶類第5 名，在四川黑茶產(chǎn)業(yè)的地位舉足輕重?，F(xiàn)下藏茶加工大多沿用傳統(tǒng)渥堆工藝，即自然渥堆和加溫保濕渥堆[4]，茶坯的水分、溫度和相對濕度、微生物等較難控制，以致產(chǎn)品品質(zhì)波動較大；因此，采用設備渥堆以保證藏茶的品質(zhì)至關重要。吳紹帥等[5]研發(fā)了有自動潮水、保溫保濕發(fā)酵、翻堆功能的雙層保濕轉(zhuǎn)動式普洱茶發(fā)酵罐，按30%的潮水比例發(fā)酵20 d 即可出罐，且品質(zhì)在一定程度上優(yōu)于傳統(tǒng)發(fā)酵，減少了制茶損耗，降低了生產(chǎn)成本，提高了普洱茶生產(chǎn)效率和效益，但罐內(nèi)茶葉的溫度和水分含量無法得到精準控制。黃云戰(zhàn)等[6]對普洱茶發(fā)酵罐的潮水量、菌種、翻轉(zhuǎn)周期進行了試驗，得到最優(yōu)組合為潮水量27%、菌種100 mL、翻轉(zhuǎn)周期2 d，用發(fā)酵罐發(fā)酵普洱茶25 d 左右即可出堆，發(fā)酵過程中茶堆最高溫度未超過60 ℃，為微生物繁殖提供了理想溫度，隨著菌種的增加和潮水量的增多，發(fā)酵時間會更短，不能少于22 d，但該設備影響正常翻堆，不能實現(xiàn)解塊。孫楊鋒等[7]改進了滾筒式普洱茶潮水機械，確定了滾筒長度和直徑分別為 1.5 m和1 m，轉(zhuǎn)速28 r /min，結合單片機自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了茶葉潮水的連續(xù)化和自動化，但該設備體積偏大、靈活性欠佳。馬振綱等[8]構建了普洱茶發(fā)酵清潔化車間，當相對濕度在 100%時開啟風機只需要25 s 就可以使相對濕度降到85%，使發(fā)酵環(huán)境穩(wěn)定。羅新文等[9]將普洱茶發(fā)酵罐的主軸管直徑加大到75 mm，解塊叉桿直徑增大到35 mm，結果表明，相對濕度穩(wěn)定在72%左右，溫度維持在50 ℃，比較適合普洱茶的發(fā)酵要求，普洱茶品質(zhì)穩(wěn)定。

筆者吸收借鑒普洱茶發(fā)酵設備優(yōu)點，設計了一種藏茶臥式發(fā)酵機。集送料、發(fā)水、渥堆、自動翻堆、溫濕度智能調(diào)控等功能于一身，可完成輸送、汽蒸、發(fā)水、渥堆、翻堆。從輸料到出堆整個過程都由專業(yè)設備作業(yè)，獲得了藏茶臥式發(fā)酵機的最佳工藝參數(shù)，以期為藏茶清潔化生產(chǎn)提供技術參考。

1 藏茶臥式發(fā)酵機的結構和工作原理

藏茶臥式發(fā)酵機由罐體、攪拌裝置、輸送裝置和控制系統(tǒng)等4部分組成，如圖1所示。罐體包括進茶口、罐身、封頭、觀察口等；攪拌裝置包括攪拌軸、攪拌葉片、電機等；輸送裝置包括電機、勻葉器、殼體、螺旋葉片、螺旋軸等；控制系統(tǒng)包括觸摸屏、加熱模塊、控濕模塊、通風模塊等。

圖1 藏茶臥式發(fā)酵機的結構Fig.1 The structure of horizontal fermentation machine for Tibetan tea

工作時，綠毛茶由輸送裝置從進茶口送入罐體內(nèi)，攪拌軸旋轉(zhuǎn)，打散綠毛茶；溫濕度控制系統(tǒng)啟動，蒸汽發(fā)生器向罐體內(nèi)噴灑蒸汽以提高茶堆的溫度和相對濕度，當溫度和相對濕度達到預設值時，控制蒸汽發(fā)生器會停止噴灑蒸汽，由溫度采集裝置及時顯示；若低于設定值，會進行升溫提示；若高于設定值，會反饋至控制系統(tǒng)，通過噴頭噴水或開啟送風口和封頭為罐內(nèi)降溫、排濕。進風口裝有調(diào)節(jié)器，可調(diào)節(jié)進風速度和供氧，保證渥堆發(fā)酵所需的溫度和相對濕度。罐內(nèi)茶坯含水量采用水分快速測定儀檢測。罐內(nèi)密閉性較好，渥堆只需人工輔助觀察渥堆葉狀況即可。攪拌葉片連續(xù)帶動茶堆翻轉(zhuǎn)，渥堆適宜后，人工輔助打開出茶口，攪拌葉片打散和勻推茶堆，罐體底部的輸送帶勻速完成出堆，完成渥堆發(fā)酵。

2 主要部件的設計

2.1 罐體和攪拌裝置

依據(jù)《機械設計手冊》[10]和《茶葉加工工程》[11]，參考普洱茶發(fā)酵罐[5–6]和紅茶發(fā)酵裝置[12]設計理念，結合藏茶渥堆工藝要求，設計罐體和攪拌裝置。罐體采用符合食品安全規(guī)定的不銹鋼材質(zhì)，耐用輕便無污染。罐體設有觀察口，用于觀察茶堆渥堆狀態(tài)，進茶口和出茶口分別位于罐體正上方和左下側(cè)。發(fā)酵機罐體為圓筒狀，內(nèi)外罐體間設有夾層，可控溫、保濕。罐體內(nèi)徑1900 mm、長3900 mm，其容積的1/2(5.5 m3)為工作容積，以滿足渥堆時80～100 cm的茶堆高度，裝罐容量300～600 kg。參照黃云戰(zhàn)等[6]對普洱茶的研究成果，結合藏茶渥堆實踐，將罐體轉(zhuǎn)速設定為15 r/min。因四川黑茶渥堆過程中茶堆溫度應維持在45～71 ℃[13]，故設定工作溫度為20～100 ℃。發(fā)酵機整體尺寸(長×寬×高) 4240 mm×2300 mm×3170 mm。

攪拌裝置橫向設置于罐體內(nèi)，包括攪拌軸和套裝在攪拌軸外表面且沿其軸向間隔設置的攪拌葉片，攪拌軸穿過罐體側(cè)壁，其一端穿過安裝在支架上的軸承，另一端與機械傳動機構連接。攪拌葉片的截面形狀為開放式的三折線，三折線的中間線段垂直于攪拌軸的軸線，三折線兩端的線段分別向相反的方向折疊且平行。旋轉(zhuǎn)的攪拌葉片可以在茶堆發(fā)酵時用于翻堆，在出料時勻推和打散茶堆，使渥堆葉充分與氣流接觸，保證渥堆葉含水量和通氧量均勻分布。

2.2 輸送裝置

輸送裝置長4800 mm，殼體直徑600 mm，攪拌軸直徑75 mm，攪拌軸和攪拌葉片內(nèi)部均為空心結構且互相連通。殼體內(nèi)側(cè)焊接間距相等、方向不同的直徑為4～6 mm的噴頭，使高溫蒸汽、水分能噴灑到綠毛茶中，提高其溫度和相對濕度。輸送裝置主要由轉(zhuǎn)軸、殼體、螺旋葉片、霧化噴頭、蒸汽噴頭等構成，集發(fā)水、汽蒸、輸送于一體，為綠毛茶渥堆提供適宜且均勻的渥堆溫濕度。輸送裝置啟動后，蒸汽發(fā)生器開始預熱，打開蒸汽閥門，通過安全閥和壓力表確定蒸汽壓力。水箱中裝入食用水，打開控水閥門，通過流量計測量和水泵的調(diào)節(jié)控制流速和發(fā)水量。綠毛茶從進茶口加入，跟隨螺旋葉片移動，先經(jīng)過蒸汽噴頭所在區(qū)域，進入輸送機內(nèi)腔中的高溫蒸汽(130～150 ℃)對綠毛茶進行汽蒸，提升綠毛茶溫度和相對濕度并軟化條索，此時綠毛茶含水量達20%左右。綠毛茶經(jīng)過霧化噴頭所在區(qū)域，進行輕度的發(fā)水，而后綠毛茶被輸送至出茶口，以重力方式進入罐內(nèi)進行渥堆發(fā)酵，如圖2所示。

圖2 輸送裝置Fig.2 Feeding device

2.3 控制系統(tǒng)

藏茶渥堆對環(huán)境的要求較嚴格[4,13–14]，可通過控制溫度、時間、茶坯含水量等3個可控因素，來確保渥堆的正常進行和渥堆質(zhì)量。采用PLC控制作為主控，翻堆裝置、加熱模塊、控濕模塊及通風模塊等構成控制系統(tǒng)，同時實現(xiàn)藏茶在渥堆過程中的定期翻堆、控溫、控濕、通風、數(shù)據(jù)采集和存儲。通過觀察窗口對渥堆狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并由PLC觸摸屏對渥堆參數(shù)進行調(diào)節(jié)。其中，溫濕度控制系統(tǒng)可完成罐體內(nèi)溫濕度信息的收集、顯示及調(diào)控，溫度的分辨率為0.1 ℃，相對濕度分辨率為3%?？刂破骺蓪崿F(xiàn)手動控制和自動控制。

3 發(fā)酵機渥堆試驗

渥堆試驗于2018年5月至7月在四川農(nóng)業(yè)大學進行。三級綠毛茶由四川雅安西康藏茶集團提供。根據(jù)劉婷婷等[13]、熊元元[14]、胥偉[15]和夏濤等[4]的研究成果和前期預試驗，選取渥堆溫度(A)、渥堆時間(B)和茶坯含水量(C)為影響因素，以渥堆溫度50、60、70 ℃，渥堆時間70、90、110 h，茶坯含水量25%、30%、35%進行三因素三水平正交試驗。每次渥堆綠毛茶用量100 kg。獲取設備渥堆的最優(yōu)參數(shù)組合。

使用500 kg綠毛茶，按優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)進行發(fā)酵機渥堆。

使用5000 kg綠毛茶，渥堆葉含水量30%～35%，扎堆后渥堆，適時翻堆，每次翻堆后及時補水，進行傳統(tǒng)方法渥堆。

采用國標方法[16–19]測定藏茶的水浸出物、茶多酚、兒茶素總量、氨基酸、咖啡堿含量；采用蒽酮比色法[20]測定可溶性糖含量；采用系統(tǒng)分析法[21]測定茶色素含量；采用丙酮–乙醇混合液比色法[22]測定葉綠素總量。

參照GB/T 23776—2018對藏茶進行感官審評。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel軟件和SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計和分析。

4 結果與分析

4.1 臥式發(fā)酵機渥堆工藝優(yōu)化結果

結合前期預試驗，采用正交設計優(yōu)化渥堆溫度、渥堆時間、茶坯含水量3個參數(shù)。發(fā)酵機渥堆藏茶品質(zhì)成分含量和感官審評結果列于表1。

表1 臥式發(fā)酵機渥堆藏茶品質(zhì)成分含量和感官評分Table 1 The quality components and sensory evaluation of Tibetan tea by horizontal fermentation machine

極差分析結果(表2)表明，影響水浸出物、茶多酚、氨基酸、葉綠素、茶褐素含量的因素大小依次為渥堆溫度、渥堆時間、茶坯含水量，即渥堆溫度對藏茶水浸出物、茶多酚、氨基酸、葉綠素、茶褐素含量的影響最大，渥堆溫度對于上述藏茶成分的影響更顯著，最佳參數(shù)分別為A3B3C1、A1B2C1、A1B1C2、A1B1C3、A3B3C2。影響兒茶素、可溶性糖含量的因素大小依次為渥堆溫度、茶坯含水量、渥堆時間，即渥堆溫度對兒茶素、可溶性糖含量的影響最大，最佳參數(shù)分別為A1B1C2、A1B1C3。影響咖啡堿含量的因素大小依次為渥堆時間、茶坯含水量、渥堆溫度，即渥堆時間對藏茶咖啡堿含量的影響最大，最佳參數(shù)為A1B1C3。不同品質(zhì)成分相關的參數(shù)組合略有不同，而且就某個單一的成分含量的優(yōu)化條件也無法確定最佳工藝組合，所以同時對不同渥堆處理得到的成品茶感官審評進行綜合篩選，確定臥式發(fā)酵機的最佳渥堆工藝參數(shù)，結果影響感官審評得分的因素大小依次為渥堆溫度、渥堆時間、茶坯含水量，與茶多酚、氨基酸、茶褐素等主要滋味物質(zhì)影響因素的順序一致，說明渥堆溫度對成品藏茶感官評分的影響最大，渥堆時間次之，茶坯含水量的影響最小。綜上，最佳工藝參數(shù)為A3B3C2，即渥堆溫度70 ℃，渥堆時間110 h，茶坯含水量30%。

表2 臥式發(fā)酵機渥堆藏茶品質(zhì)成分和感官評分的極差分析Table 2 Range analysis of quality components and sensory evaluation of Tibetan tea produced by horizontal fermentation machine

由極差分析和方差分析(表3)可知，渥堆溫度對藏茶品質(zhì)的影響最大，渥堆時間次之，而茶坯含水量的影響最小。

表3 臥式發(fā)酵機渥堆因素與藏茶品質(zhì)方差分析Table 3 Analysis of variance between piling factors of horizontal fermentation machine and quality of Tibetan tea

4.2 發(fā)酵機渥堆與傳統(tǒng)渥堆藏茶品質(zhì)的比較

以獲得的最佳工藝參數(shù)進行發(fā)酵機渥堆，以傳統(tǒng)渥堆為對照，比較2種渥堆方式的藏茶的品質(zhì)差異。發(fā)酵機渥堆過程中，罐內(nèi)茶堆溫度和相對濕度上升較快，且處于動態(tài)慢速發(fā)酵狀態(tài)，故不需翻堆。傳統(tǒng)渥堆翻堆間隔為6 d，翻堆4次，30 d出堆。

渥堆結束后，茶樣的化學成分測定結果列于表 4。

表4 發(fā)酵機渥堆藏茶的化學成分Table 4 The chemical composition of Tibetan tea by fermentation machine

結果表明，發(fā)酵機渥堆與傳統(tǒng)渥堆對比，藏茶咖啡堿、茶褐素、葉綠素含量減少，可溶性糖、水浸出物、茶多酚、氨基酸、兒茶素含量升高。2種渥堆方法的藏茶品質(zhì)相近，但利用發(fā)酵機進行渥堆，渥堆時間大大縮短。

從審評結果(表5)看，發(fā)酵機渥堆藏茶與傳統(tǒng)渥堆藏茶品質(zhì)無明顯差異，發(fā)酵機渥堆的藏茶湯色橙紅明亮、滋味醇和回甘、香氣陳濃。感官評分達92.95分，湯色、香氣、滋味得分均高于傳統(tǒng)渥堆工藝的。

表5 發(fā)酵機渥堆藏茶的感官品質(zhì)Table 5 Sensory quality of piling Tibetan tea by fermentation machine