扁形綠茶自動化生產線關鍵加工工藝優(yōu)化

桂安輝，葉飛，龔自明，高士偉，劉盼盼，王勝鵬，鄭鵬程，滕靖，王雪萍，鄭琳，馮琳

（湖北省農業(yè)科學院果樹茶葉研究所，湖北省茶葉工程技術研究中心，湖北 武漢 430064）

我國綠茶產區(qū)廣袤、品類眾多，全國21個產茶省（直轄市、自治區(qū)）均有生產。根據外形的不同，可將其分為扁形綠茶、針（芽）形綠茶、卷曲形綠茶和直條形綠茶等[1]。其中，扁形綠茶外形扁平光滑、挺秀尖削，湯色嫩綠明亮或嫩黃明亮，香氣嫩香或者栗香持久，滋味甘醇爽口，葉底嫩綠勻齊[2]。扁形綠茶生產分布廣泛，獨特的外形和優(yōu)良的品質使其具有較高的市場知名度，如浙江省的龍井茶、四川省的竹葉青茶、貴州省的湄潭翠芽和湖北省的孝感龍劍茶等。

扁形茶炒制機和多功能理條機是扁形綠茶外形形成的關鍵設備[3-4]。其中，扁形茶炒制機是通過茶葉在U型炒鍋中的軟性炒茶板和條形翻葉裝置的協調作用，隨著茶葉失水進程逐步減小炒茶板與鍋面的間隙，逐步降低相連炒鍋的鍋溫，使茶葉從以理條做形為主到理條和壓扁做形結合，再過渡到以理條做形為輔，壓扁做形為主，從而達到扁形綠茶特有的扁、平、光、直的外形要求[5]。含水率較高的在制品在多功能理條機的U形槽中受熱變軟，外形具有一定的可塑性。當U形槽進行橫向往復運動時，通過外加壓力（加棒），在兩側徑向推力和棒的壓力共同作用下，在制品會順著莖梗軸向收縮，隨著水分的逐漸散失茶條也慢慢變直變扁[6]。然而，不同產地的扁形綠茶所采用的加工工藝和專用設備不盡相同，如龍井茶多采用扁形茶炒制機加工，竹葉青茶、湄潭翠芽多采用多功能理條機加工，而孝感龍劍茶則采用多功能理條機和扁形茶炒制機組合式進行加工。由于工藝流程不一、參數不一，使得扁形綠茶標準化加工程度低，一定程度限制了扁形綠茶產業(yè)的提檔升級。

目前重點突破了扁形綠茶連續(xù)化加工關鍵裝備瓶頸，設計并組建了自動化生產線。此生產線根據加工工藝要求，用輸送帶、提升機等傳輸設備將單機科學組合，實現了在制品全過程不間斷、不落地加工。生產線的控制系統采用了基于人機界面（human machine interface，HMI）和可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）的分布式控制系統（distributed control system，DCS），既可保證生產線能全自動運行，同時又能手動控制，在遇到意外故障時能及時處理，保證生產運行，方便靈活，易于操作[7-9]。為實現生產線加工工藝的標準化，本文以扁形綠茶“扁平光直”特征形成的做形和炒干兩個關鍵工序為對象，采用單因素試驗和正交試驗設計，研究投葉量、時間和溫度對扁形綠茶的感官評分和主要理化指標的影響，在多評價指標條件下，確定做形和炒干工序最優(yōu)工藝參數，分析優(yōu)化工藝扁形綠茶加工過程中品質成分的動態(tài)變化及其與傳統工藝扁形綠茶的品質差異，科學指導扁形綠茶標準化加工。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮葉：紹興市柯橋區(qū)花塢茶葉專業(yè)合作社，2020年6月11日至13日，按照一芽二葉標準采摘的茶樹新梢，鮮葉機械組中一芽一葉占比5.27%、一芽二葉占比74.58%、一芽三葉占比18.33%；其它（單片、雜物等）占比1.82%。

福林酚、蒽酮、茚三酮、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、氯化亞錫、葡萄糖：國藥集團化學試劑有限責任公司；甲醇、乙腈、乙酸（均為色譜級）：美國Fisher公司；兒茶素品系、咖啡堿：美國Sigma Aldrich公司。其余均為色譜純或分析純試劑。

1.2 儀器與設備

ST20紅外線測溫儀：美國Raytek公司；MF-50水分快速測定儀：深圳深博瑞儀器儀表有限公司；HHS型恒溫水浴鍋：上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；島津UV-2550紫外-可見光分光光度計：日本島津公司；Waters 2695高效液相色譜、2998 PDA檢測器：美國Waters公司；Milli-RO PLUS 30純水機：法國Millipore公司。

加工設備：6CTW-25X型攤青機×1臺、6CL-60-13D全自動茶葉理條機×4臺、6CCB-983X型扁形名茶連續(xù)化自動炒制機×6臺、6CL-60-5D全自動脫毫機×2臺、6CCB-980X型扁形名茶自動炒制機×16臺、6CHT-62B型滾筒茶葉輝干機×1臺。該套自動化生產線由中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院和浙江豐凱機械股份有限公司聯合設計，所有機械設備均為浙江豐凱機械股份有限公司生產。扁形綠茶自動化生產線平面設計如圖1所示。

圖1 扁形綠茶自動化生產線平面設計Fig.1 Flat design drawing of flat green tea automatic continuous production line

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

自動化生產線下扁形綠茶加工工藝流程：攤青→殺青→做形→脫毫→炒干→輝鍋。鮮葉進入加工車間后，在攤青機攤青（3 h～4 h），在全自動茶葉理條機中殺青（310 ℃～320 ℃、0.60 kg/次～0.70 kg/次、120 s），在扁形名茶連續(xù)化自動炒制機做形，在全自動脫毫機中脫毫（40 ℃～50 ℃、4 kg/次～6 kg/次、1.5 h），在扁形名茶自動炒制機炒干，在滾筒茶葉輝干機中輝鍋（100℃～110 ℃、3 kg/次～5 kg/次、20 min）。做形和炒干工藝參數按照試驗設計要求設定。其它工序工藝參數保持不變并按正常生產程序進行，溫度參數均為試驗設備設定值。

1.3.2 試驗設計

1.3.2.1 加工工藝優(yōu)化單因素試驗

參照傳統工藝參數，設定5個水平，依次改變影響扁形綠茶品質的做形、炒干工藝條件：投葉量、時間和溫度，以外形感官評分（外觀度、色澤度和成形度）為評價指標。做形工藝參數固定水平為：投葉量60 g、做形時間75 s、做形溫度220℃；炒干工藝參數固定水平為：投葉量50 g、炒干時間160 s、炒干溫度170℃。具體設計見表1。

表1 單因素試驗因素水平Table 1 Factors and levels of single factor test

1.3.2.2 加工工藝優(yōu)化正交試驗

以單因素試驗結果確定三因素三水平的做形、炒干工藝參數見表2、表3，根據感官評價和理化成分指標進行正交試驗分析。

表2 做形工藝正交試驗因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal text in the shaping process

表3 炒干工藝正交試驗因素水平Table 3 Factors and levels of orthogonal text in the drying process

1.3.3 感官審評

采用定量描述分析法（quantitative descriptive analysis，QDA）分析扁形綠茶在制品的感官特性[10-11]。由具有中級評茶員以上職業(yè)資格的專業(yè)人員對扁形綠茶加工過程中樣品的外觀度、色澤度和成形度進行評價，采用10分制，樣品綜合感官評價得分S=（外觀度得分+色澤度得分+成形度得分）/3。具體見表4。

表4 扁形綠茶感官評價標準Table 4 Sensory evaluation standards of flat green tea

1.3.4 容重測定

采用量筒法測定試樣容重[12]。試樣加料方法采用自然堆放法，手工加料，使試驗樣品表面基本與容器刻度線平齊，讀取容積數值，稱量試樣質量。計算公式為：R=G/V，式中：R 為試樣容重，g/L；G 為試樣質量，g；V為試樣所占量筒體積，L。容重是指茶葉物料單位容積的質量，從一定程度上反映了茶葉的緊結程度，一般R值越大，茶葉物理性狀越優(yōu)[13]。

1.3.5 色差測定

色差法（紅綠色度a值、黃藍色度b值）測定（光源D65，角度4°），對扁形綠茶樣品茶湯進行色差值檢測。取3 g茶葉加150 mL沸純凈水沖泡5 min，過濾后用專用比色皿測定[14]。綜合紅綠色度a值、黃藍色度b值，計算色相-b/a值作為扁形綠茶茶湯色澤的評價指標，一般-b/a值越大，則茶湯色澤品質越優(yōu)[15-16]。

1.3.6 主要化學成分含量測定

水浸出物含量測定：參照GB/T 8305—2013《茶水浸出物測定》[17]；茶多酚含量測定：參照GB/T 8313—2018《茶葉中茶多酚和兒茶素含量的檢測方法》中福林-酚法[18]；游離氨基酸總量測定：參照GB/T 8314—2013《茶游離氨基酸總量測定》茚三酮比色法[19]；可溶性總糖的測定采用蒽酮-硫酸法[20]；兒茶素組分以及咖啡堿含量采用高效液相色譜法[21]，流動相為2%乙酸和乙腈，色譜條件：檢測波長為280 nm，流速：1 mL/min，柱溫：40℃，進樣量：10μL。兒茶素品質指數[22]=（EGCG+ECG）/EGC×100，式中：EGCG為表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate）；ECG為表兒茶素沒食子酸酯（epicatechin gallate）；EGC為表沒食子兒茶素（epigallocatechin）。一般兒茶素品質指數越大，則茶湯滋味品質越優(yōu)。

1.4 數據分析

試驗均平行測定3次，采用SAS 9.4軟件進行相關統計分析。

2 結果與討論

2.1 扁形綠茶加工工藝優(yōu)化單因素試驗分析

加工條件對扁形綠茶外形品質影響見表5。

由表5可知，隨著做形、炒干工序的投葉量、時間和溫度的增加，扁形綠茶在制品外形綜合感官評價得分呈先升高后降低趨勢。在做形工序單因素試驗中，投葉量 30 g（6.50分）、90 g（6.33分），做形時間 45 s（6.73分）、105 s（7.30分），做形溫度 200℃（6.27分）、240℃（6.70分）水平下在制品綜合感官評價得分較低，外形品質較差。投葉量90 g、做形時間105 s因素水平下，在制品出現結塊，外觀度差；投葉量30 g、做形溫度240℃因素水平下，在制品出現爆點，甚至焦葉，色澤度差；做形時間45 s、做形溫度200℃因素水平下，在制品只有少量達到扁平挺直要求，成形度差。因此，綜合比較選擇投葉量 45 g～75 g、時間 60 s～90 s、溫度210℃～230℃為做形工藝正交試驗參數范圍。在炒干工序單因素試驗中，投葉量 30 g（6.60 分）、40 g（7.23分），炒干時間 120 s（6.47分）、200 s（6.57分），炒干溫度150℃（6.33分）、190℃（6.30分）因素水平下在制品綜合感官評價得分較低，外形品質較差。炒干溫度150℃/190℃因素水平下，在制品出現結塊；投葉量30 g/40 g、炒干時間120 s因素水平下，在制品扁平挺直程度不夠；炒干時間200 s、炒干溫度190℃因素水平下，在制品出現焦葉。因此，綜合比較選擇投葉量50 g～70 g、時間 140 s～180 s、溫度 160 ℃～180 ℃為炒干正交試驗參數范圍。做形、炒干工藝條件對扁形綠茶的外形品質有重要影響，直接決定在制品綜合感官評價得分。試驗表明在制品的外觀度（結塊程度）受時間和投葉量影響較大，投葉量越大、時間越長，結塊程度越明顯；在制品色澤度（黃綠程度）在高溫、長時間炒制條件下較差；而在制品成形度（扁平程度）在低溫、短時炒制條件下較差。

表5 加工條件對扁形綠茶外形品質影響Table 5 Effect of processing conditions on the shape quality of flat green tea

2.2 扁形綠茶加工工藝優(yōu)化正交試驗分析

對做形、炒干工藝正交試驗制得的扁形綠茶，以感官評分、容重、茶湯-b/a值、兒茶素品質指數為評價指標，分析加工工藝對扁形綠茶感官品質及主要理化成分的影響，成分檢測和極差分析結果見表6、表7。

表6 做形工藝正交試驗結果Table 6 Results of orthogonal experiment in the shaping process

表7 炒干工藝正交試驗結果Table 7 Results of orthogonal experiment in the drying process

由表6可知，在做形工序，對感官評分影響的主次關系是做形溫度（R=0.80）＞投葉量（R=0.53）＞做形時間（R=0.50），根據k值的大小，對感官評分的最佳工藝組合是A3B2C1，即投葉量75 g、時間75 s、溫度210℃。對容重影響的主次關系是做形時間（R=16.00）＞投葉量（R=4.66）＞做形溫度（R=4.00），根據 k值的大小，對容重的最佳工藝組合是A3B3C2，即投葉量75 g、時間90 s、溫度220℃。對茶湯-b/a值影響的主次關系是投葉量（R=0.29）＞做形溫度（R=0.19）＞做形時間（R=0.12），根據k值的大小，對茶湯-b/a值的最佳工藝組合是A3B1C3，即投葉量75 g、做形時間 60 s、做形溫度230℃。對兒茶素品質指數影響的主次關系是投葉量（R=119.33）＞做形時間（R=44.67）＞做形溫度（R=27.00），根據k值的大小，對兒茶素品質指數的最佳工藝組合是A3B2C2，即投葉量75 g、時間75 s、溫度220℃。綜合考慮4項評價指標，扁形綠茶做形工序最佳工藝參數為：投葉量75 g、時間75 s、溫度220℃。

由表7可知，在炒干工序，對感官評分影響的主次關系是投葉量（R=1.87）＞炒干溫度（R=1.03）＞炒干時間（R=0.10），根據k值的大小，對感官評分的最佳工藝組合是X2Y2Z2和X2Y3Z2，考慮生產效率和經濟效益，選擇炒干時間短的X2Y2Z2為最佳工藝組合，即投葉量60 g、時間160 s、溫度160℃。對容重影響的主次關系是做形時間（R=9.33）＞投葉量（R=8.67）＞做形溫度（R=6.66），根據k值的大小，對容重的最佳工藝組合是X2Y3Z1，即投葉量60 g、時間180 s、溫度160℃。對茶湯-b/a值影響的主次關系是投葉量（R=0.40）＞炒干溫度（R=0.32）＞炒干時間（R=0.14），根據 k值的大小，對茶湯-b/a值的最佳工藝組合是X2Y2Z1，即投葉量60 g、時間160 s、溫度160℃。對兒茶素品質指數影響的主次關系是投葉量（R=181.33）＞炒干溫度（R=107.67）＞炒干時間（R=98.00），根據k值的大小，對兒茶素品質指數的最佳工藝組合是X1Y3Z3，即投葉量50 g、炒干時間180 s、炒干溫度180℃。綜合考慮4項評價指標，加之生產效率和經濟效益，扁形綠茶炒干工序最佳工藝參數為：投葉量60 g、時間160 s、溫度160℃。

2.3 扁形綠茶加工過程中理化成分變化分析

扁形綠茶加工過程理化成分的變化見表8。

由表8可知，在制品的含水率逐漸下降，從攤青工序的68.23%下降到輝鍋工序的4.83%。不同加工工序前后的含水率變化幅度明顯不同，其中做形工序前后的含水率下降幅度最大，達到33.02%，殺青工序前后的在制品含水率下降幅度達到13.43%，炒干工序前后的在制品含水率下降幅度也較大，達到10.21%，而在脫毫、輝鍋工序，在制品含水率降幅相對較小。由此可見，做形、殺青和炒干是扁形綠茶加工含水率下降的關鍵工序。有學者研究表明，在制品在加工過程，形態(tài)的變化主要與含水率變化以及受熱、受力等有關[23-24]，含水率變化的幅度往往與設備溫度以及加工時間成正相關。

表8 扁形綠茶加工過程理化成分的變化Table 8 Physical and chemical changes during the processing of flat green tea%

扁形綠茶加工過程中，在制品的品質成分也發(fā)生了一系列變化，水浸出物、茶多酚和咖啡堿含量呈不斷減少趨勢，游離氨基酸總量呈先減少后不斷增加趨勢，在殺青工序含量最低，可溶性糖含量呈先增加后減少趨勢，在炒干工序含量最高。兒茶素是茶多酚的主體，占70%～80%，具有抗氧化特性[25]。兒茶素在濕熱作用下會發(fā)生異構化和熱裂解作用，總量會減少，其中主要表現為EGCG、ECG等酯型兒茶素的減少，可能轉化為C、EC等非酯型兒茶素[26]，這可能是茶多酚含量減少的原因，而且酯型兒茶素適量減少，有利于綠茶滋味的醇和爽口。兒茶素在高溫、濕熱、有氧的條件下，還可發(fā)生氧化聚合反應，如若結合殘留多酚氧化酶，氧化聚合更快，生成橙黃色的聚合物。當氨基酸、蛋白質存在時，這些氧化聚合物可隨機聚合形成有色物質，是形成綠茶葉底黃綠的成分，使葉底呈現黃綠色，從而改善品質[27]?？Х葔A的含量總體有所下降，咖啡堿含量的減少可能與其做形、炒干時受熱溫度有關，溫度越高，越容易升華，從而導致含量減低[28]。在攤青工序，由于呼吸作用，使在制品的部分蛋白質水解，游離氨基酸含量增加，提高了茶葉滋味的鮮爽度。而在殺青工序，受濕熱的影響，游離氨基酸參與多種化學反應，含量下降[29-30]，但在做形、炒干工序又有所上升，脫毫工序變化不大。殺青、做形和炒干工序，可溶性糖的總量有所增加，這可能是因為部分多糖會水解，水解成可溶性糖類，有利于茶湯滋味的形成[31]。

2.4 優(yōu)化工藝扁形綠茶與傳統工藝扁形綠茶品質比較分析

將優(yōu)化工藝扁形綠茶樣品（試驗組）與同一批次傳統工藝扁形綠茶樣品（對照組）的品質進行比較分析，其感官品質及主要理化指標如表9所示。

由表9可知，試驗組感官品質優(yōu)于對照組，感官評分提高了2.27分，茶葉容重增加10.84%，茶湯色澤有明顯改善，兒茶素品質指數上升。表明優(yōu)化后的做形、炒干工藝參數在實際生產中具有較好的應用性。

表9 優(yōu)化工藝扁形綠茶與傳統工藝扁形綠茶品質比較分析Table 9 Comparison and analysis of quality between optimized process flat green tea and traditional process flat green tea

3 結論

以外觀度、色澤度和成形度為評價指標開展單因素試驗，以感官評分、容重、茶湯-b/a值、兒茶素品質指數為評價指標開展正交試驗，對自動化生產線下扁形綠茶做形、炒干工藝進行優(yōu)化，確定了做形工序最佳工藝參數：投葉量75 g、時間75 s、溫度220℃；炒干工序最佳工藝參數：投葉量60 g、時間160 s、溫度160℃。在此條件下制成的扁形綠茶外形扁平挺直，湯色黃綠明亮，香氣高，滋味濃醇，綜合品質達到最優(yōu)。扁形綠茶在加工過程中理化成分發(fā)生了一系列變化，在制品的含水率、水浸出物、茶多酚和咖啡堿含量呈不斷減少趨勢；游離氨基酸總量呈先減少后不斷增加趨勢，在殺青工序含量最低；可溶性糖含量呈先增加后減少趨勢，在炒干工序含量最高。通過對采用優(yōu)化工藝扁形綠茶與傳統工藝扁形綠茶品質進行對比分析，發(fā)現試驗組感官品質優(yōu)于對照組，感官評分提高了2.27分，茶葉容重增加10.84%，茶湯色澤有明顯改善，兒茶素品質指數上升，為扁形綠茶標準化工藝的制定提供了數據支撐。