基于EDEM和RSM的紅茶發(fā)酵機參數優(yōu)化

劉麗敏，董春旺，林淑紅，石亞麗

基于EDEM和RSM的紅茶發(fā)酵機參數優(yōu)化

劉麗敏1，董春旺2,3，林淑紅3*，石亞麗2*

1. 浙江經濟職業(yè)技術學院，浙江 杭州 310018；2. 山東省農業(yè)科學院茶葉研究所，山東 濟南 250100； 3. 鉛山縣河紅茶產業(yè)發(fā)展中心，江西 上饒 334500

發(fā)酵是紅茶品質形成的關鍵工序，而發(fā)酵條件是影響發(fā)酵程度的重要因素。為優(yōu)化自行設計的滾筒式紅茶發(fā)酵機性能參數，使用離散元仿真方法（Extended distinct element method，EDEM）對柔性刮板的轉速進行3個梯度的仿真并比較其翻拌的均勻性；并以感官得分作為評價指標，采用響應面法（Response surface method，RSM）對影響發(fā)酵品質的3個關鍵因素（發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、翻拌間隔）進行優(yōu)化。結果表明，36(°)·s-1的轉速下發(fā)酵葉翻拌的均勻性最好；基于此轉速，各因素對發(fā)酵品質的影響重要性順序為發(fā)酵時間>發(fā)酵溫度>翻拌間隔，最優(yōu)工藝參數為：發(fā)酵時間230?min，發(fā)酵溫度28.5?℃，翻拌間隔20?min。

紅茶發(fā)酵；工藝參數；響應面法；EDEM分析

紅茶是世界上生產和消費量最大的茶類，發(fā)酵是紅茶品質形成關鍵工序[1-3]。紅茶發(fā)酵的本質是在適宜的環(huán)境因素條件下，氧化酶催化多酚類物質氧化形成茶黃素、茶紅素等，并偶聯氨基酸等物質轉化塑造紅茶的風味特征[4-6]。影響紅茶發(fā)酵品質的因素包括茶葉含水率、細胞破碎程度、環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度、氧氣濃度、發(fā)酵溫度和時間等因素[7-11]。發(fā)酵過程中茶葉在制品的均勻翻動和充分混合，是保證紅茶發(fā)酵順利進行，各種環(huán)境因素發(fā)揮效用的關鍵。

發(fā)酵機作為紅茶加工的關鍵設備，對保證紅茶品質，塑造風味特征具有重要的作用[12]。目前，常用的紅茶發(fā)酵設備主要分為箱式發(fā)酵機、房式發(fā)酵機和連續(xù)自動化發(fā)酵機?；诩t茶發(fā)酵原理與工藝技術，前期設計出的滾筒式紅茶發(fā)酵機，相比箱式發(fā)酵和房式發(fā)酵，解決了攤葉厚度不均、無法翻拌、濕度和氧濃度存在差異等多種問題，具有明顯的優(yōu)勢[12-14]。在前期試驗中，初步優(yōu)化了發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間和翻拌間隔等工藝參數[15]。然而，柔性刮板轉速作為勻葉裝置的重要參數，對發(fā)酵過程中茶葉在制品混合均勻度、茶葉與氧氣的接觸面積等方面均具有重要影響，其具體參數尚未明確。

近年來，離散元仿真被大量運用到農業(yè)研究中，可以解決生產過程中的物質動力學特性問題。蘆螢螢[16]等利用離散元仿真法（Extended distinct element method，EDEM）研究玉米脫粒機關鍵參數對其性能的影響，為滾筒設備的參數優(yōu)化及改進提供了理論基礎；吳超等[17]利用離散元仿真模擬探索了輸送機的參數對物料輸送效率的影響，為輸送機的結構優(yōu)化提供了理論依據；另外，姜嘉胤等[18]在基于離散元法研制的仿生鏟具有很好的減阻效果，解決了茶園耕作時的纏繞問題。紅茶發(fā)酵葉在滾筒發(fā)酵機內隨著柔性刮板的轉動發(fā)生動態(tài)變化，采用EDEM通過模擬茶葉在發(fā)酵機內的運動狀態(tài)和變化規(guī)律，可以為發(fā)酵機性能優(yōu)化提供理論基礎。響應面分析法（Response surface method，RSM）是指采用多元二次回歸方程擬合變量與響應值間的函數關系，通過回歸方程分析得出最優(yōu)參數的一種分析方法。已逐漸應用于茶葉加工工藝參數優(yōu)化[19-20]，因此可用于發(fā)酵機參數優(yōu)化，達到精準控制紅茶適度發(fā)酵的目的。

本研究以自主設計的滾筒式紅茶發(fā)酵機為試驗平臺，以發(fā)酵機柔性刮板轉動速率為研究對象，通過離散元仿真模擬，根據不同層面茶葉的混合效果，提出最優(yōu)轉動速率。并在此基礎上，以感官品質為評價指標，通過響應面分析（RSM）進一步優(yōu)化發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間和翻拌間隔等工藝參數，以期為指導紅茶生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

6CQ-8型茶鮮葉處理平臺、6CR-35型揉捻機，長沙湘豐智能裝備股份有限公司；6CHM-901型烘干機，浙江春江茶葉機械有限公司；6CHT-16型茶葉烘焙提香機，浙江珠峰機械有限公司；MA-150C型紅外水分測定儀、RHXL3SD型溫濕度記錄儀，日本Omron公司；Sartorius Quintix224-1CN 型分析天平，賽多利斯科學儀器（北京）有限公司。

1.2 滾筒發(fā)酵機結構和原理

滾筒式發(fā)酵機的總體結構與前期設計的發(fā)酵機一致，如圖1所示，主要由發(fā)酵筒、翻拌裝置、隧道加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、進出料系統(tǒng)和支架等組成[15]。

工作原理：翻拌裝置的柔性刮板旋轉帶動物料均勻翻拌，使在制品的酶促氧化反應更加均勻；隧道加熱系統(tǒng)連接發(fā)酵筒內環(huán)境和外部自然環(huán)境，新鮮空氣攜霧化蒸汽流經隧道進行適度加熱，經氣路輸送至發(fā)酵筒內，同時將筒內發(fā)酵廢氣和多余熱量排出；發(fā)酵環(huán)境的監(jiān)控則由控制系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器（Programmable logic controller，PLC）控制空氣加熱器和超聲波霧化單元的通斷實現；進出料系統(tǒng)可使機身整體傾斜實現快速出料[15]。

1.3 滾筒式發(fā)酵機EDEM方法可行性分析

近年來，EDEM被廣泛應用于農業(yè)與工業(yè)離散粒體物料的研究[21-22]，并有著良好的效果。Hertz-Mindlin with JKR是EDEM軟件中常見的模型，較適用于顆粒之間存在相互作用的計算。紅茶發(fā)酵階段，葉片間存在黏結現象，可采用Hertz-Mindlin with JKR模型進行仿真[22]。此外，由于茶葉堆積，發(fā)酵桶內的茶葉溫度不均勻，上層的茶葉與加入的熱氣流接觸更加充分，溫度相比下層較高。發(fā)酵階段的茶葉溫度不同會影響最終成品的品質不一，因此本研究立足于設備內茶葉均勻性進行研究。

發(fā)酵桶為橫置圓柱體，直徑為0.6?m，高為1.2?m，內均勻布置3個柔性刮板，茶葉顆粒半徑為5?mm，茶葉顆粒模型如圖2所示，為模擬現實中茶葉大小不一的情況，茶葉顆粒半徑設置為隨機值，變化范圍為0.5～1.0，離散元仿真的具體參數如表1所示。將茶葉顆粒分為上中下3層，分層生成基礎茶葉顆粒，每一層茶葉顆粒數量為25?000個，共生成75?000個茶葉顆粒，初始堆積情況如圖2所示。柔性刮板的轉動速度設置3個梯度，36、24、18(°)·s-1，轉動圈數均為6圈。

注：1. 筒體，2. 轉軸，3. 柔性刮片，4. 刮板，5. 進料口，6. 隧道加熱系統(tǒng)，7. 排氣口，8. 取料口，9. 出料門，10. 傾斜氣缸

注：1. 上層茶葉顆粒，2. 中層茶葉顆粒，3. 下層茶葉顆粒

1.4 滾筒發(fā)酵機紅茶加工

采用武夷山菜茶群體種一芽二葉鮮葉原料，按照鉛山河紅茶工藝進行加工，基本工序為萎凋、揉捻、發(fā)酵、干燥。具體工藝參數及試驗處理如下：鮮葉50?kg，均勻攤放在可控溫控濕的萎凋室中進行萎凋，設置萎凋溫度30?℃，相對濕度60%，時間12?h，萎凋結束時鮮葉含水量約61%；萎凋結束后，將萎凋葉混勻，在55型揉捻機中進行揉捻，轉速35?r·min-1，程序加壓（空揉10?min，輕揉5?min，中揉10?min，重揉5?min），循環(huán)1次，揉捻時間60?min；揉捻結束后，將揉捻葉解塊，置于滾筒式發(fā)酵機中進行發(fā)酵處理。發(fā)酵結束采用毛火120?℃、20?min，足火90?℃、60?min烘干，制得成品河紅茶，并進行感官評價。

1.5 響應面設計

在單因素試驗基礎上，依據中心組合理論，以感官評分作為響應值，對發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、翻拌間隔等因素進行響應面試驗研究。利用3因素二次回歸試驗設計方案，對影響發(fā)酵品質的3個主要參數組合完成優(yōu)化。試驗因素及水平設計見表1。

表1 試驗因素及水平設計

1.6 感官評價方法

茶葉樣品的感官審評小組由5名經過專業(yè)機構培訓和認證并從事茶葉感官審評5年以上的評茶員（3名男性和2名女性）組成。審評標準按照GB/T 23776—2018茶葉感官審評方法，評價紅茶外形、湯色、香氣、滋味、葉底5項，各審評因子的權重分別為25%、10%、25%、30%、10%。對評茶員感官評審的打分匯總計算均值，作為茶葉樣品感官審評結果。

1.7 數據分析

采用Design Expert 13.0（美國Stat-Ease公司）進行試驗設計、數據處理與統(tǒng)計分析；利用Matlab 2014b（美國Math works公司）運行算法；通過SPSS軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同柔性刮板轉速下EDEM分析

各轉速下，發(fā)酵機翻拌過程仿真最終時刻的茶葉顆粒狀態(tài)如圖3所示，發(fā)酵階段茶葉主要集中于發(fā)酵桶下半部分，因此在論證均勻性時主要分析發(fā)酵桶的下半部分，將發(fā)酵桶的下半部分分為3個不同的區(qū)域（下層區(qū)域、中層區(qū)域和上層區(qū)域），以方差作為評價指標，分析不同轉速對翻拌混合均勻性的影響，每層的高度為0.1?m，統(tǒng)計在不同柔性刮板轉速情況下各區(qū)域中各類型茶葉顆粒的數量，計算結果如表2所示。由方差計算結果可知，柔性刮板轉速在36(°)·s-1時計算所得的標準差、方差數值最小，分別為295和87?121，表明翻拌后茶葉顆粒的分布均勻性最好，與圖3中混合后的可視化結果相同。此外，經前期試驗發(fā)現，當柔性刮板轉動速度超過36(°)·s-1時，發(fā)酵葉會在滾筒內形成團塊，緊結的團塊結構導致內部茶葉缺失氧氣而發(fā)酵不足，影響茶葉品質，因此選擇36(°)·s-1作為柔性刮板旋轉速度的上限進行下一步的工藝參數優(yōu)化。

其中，方差是在概率論和統(tǒng)計方差衡量隨機變量或一組數據時離散程度的度量，常用于論證樣本的均勻性。其計算公式如下：

（1）計算算數平均值。根據不同區(qū)域中不同種類的茶葉顆粒數量，計算出該區(qū)域茶葉顆粒的算數平均值。

（2）計算方差。根據不同種類的茶葉顆粒的數量與該層區(qū)域茶葉顆粒數量的算數平均值，求得該層的方差。

式中，2為方差。

注：A. 36(°)·s-1最終時刻圖，B. 24(°)·s-1最終時刻圖，C. 18(°)·s-1最終時刻圖

Note: A. final time of 36(°)·s-1, B. final time of 24(°)·s-1, C. final time of 18(°)·s-1

圖3 最終時刻茶葉分布圖

Fig. 3 The final tea distribution map

表2 各層茶葉分布數量表

2.2 發(fā)酵性能參數優(yōu)化

以發(fā)酵溫度（1）、發(fā)酵時間（2）和翻拌間隔（3）為自變量，以感官審評得分（）為因變量（表3）建立的不同種類回歸模型進行對比分析，表4為各種回歸模型的方差分析。由表可知，采用二次方程模型擬合的<0.000?1，說明二次方程模型擬合準確度高，與實際試驗結果較為一致。因此，得到感官評分的二階回歸方程為：

-40.39875+6.055751+0.3617502+0.2739443-0.00516712-0.00350013-0.00051923-0.08445012-0.00045032-0.001388123·········································（3）

回歸方程中各變量對指標影響的顯著性由檢驗判定，概率值越小則相應變量的顯著性越高?；貧w方程的方差分析如表5所示，其回歸方程達到極顯著水平（<0.01），且失擬項不顯著（>0.05），決定系數2值為0.964?6，表明模型的擬合度較高，即模型的預測值和實際值擬合較好。由圖4A可知，標準化殘差的正態(tài)概率分布數據點基本在直線附近且分布近似為一條直線，誤差較??；由圖4B可知，數據點分布較為分散，沒有異常點。綜上所述，紅茶感官得分的回歸模型極顯著，可以用于進一步預測分析。

圖4 感官評分標準化殘差的正態(tài)分布概率圖（A）及感官評分殘差與預測分布圖（B）

表3 試驗設計方案及響應值結果

表4 感官審評多種回歸模型方差分析

表5 響應面方差分析結果

注：*表示對結果影響顯著（＜0.05），**表示對結果影響極顯著（＜0.01）

Note: * indicates that factors behaved significant influence against results (<0.05). ** indicates that factors behaved extremely significant influence against result (<0.01)

根據方差分析結果，發(fā)酵溫度（1）、發(fā)酵時間（2）和翻拌間隔（3）均可以顯著影響紅茶的感官品質，且影響由大到小為發(fā)酵時間>發(fā)酵溫度>翻拌間隔。發(fā)酵溫度（1）和翻拌間隔（3）的交互項（13）的大于0.05，說明其交互項不顯著，除此以外其他各項的檢驗均顯著，說明，各個試驗因素對響應值的影響存在明顯的交互作用（表5）。

雙因素交互效應分析，即任意固定某個因素在0水平，研究其余2個因素間的交互效應，作出響應曲面圖（圖5）。由圖5可知，當固定翻拌間隔時，紅茶感官得分隨發(fā)酵溫度（25～35?℃）上升而呈現先增后降的變化趨勢，隨發(fā)酵時間（150～240?min）延長而呈逐漸增加趨勢；當發(fā)酵時間固定時，紅茶感官得分隨發(fā)酵溫度（25～35?℃）上升而呈先增后降的變化趨勢，隨翻拌間隔增（0～60?min）加呈先增后降的變化趨勢；當發(fā)酵溫度固定時，紅茶感官得分隨發(fā)酵時間（150～240?min）上升而逐漸增加，隨翻拌間隔增加而呈先增后降的變化趨勢。結果表明，適度的發(fā)酵溫度，發(fā)酵時間和翻拌間隔可以提升紅茶的感官得分。

根據響應面結果提出的最優(yōu)工藝參數為發(fā)酵溫度28.499?℃，發(fā)酵時間226.598?min，翻拌間隔20.443?min。

2.3 發(fā)酵機優(yōu)化工藝參數驗證

結合加工過程中操作實際，將優(yōu)化工藝參數修改為發(fā)酵溫度28.5?℃，發(fā)酵時間230?min，翻拌間隔20?min。根據優(yōu)化的工藝參數進行紅茶加工，以傳統(tǒng)發(fā)酵為對照，感官審評結果如表6所示。結果表明，采取優(yōu)化工藝加工的紅茶湯色、香氣、滋味均有一定提升，感官審評得分高于傳統(tǒng)工藝，這表明優(yōu)化后的紅茶發(fā)酵機工藝參數對提升紅茶感官品質具有良好效果。

圖5 各因素對感官評分的響應曲面

表6 優(yōu)化發(fā)酵工藝參數驗證結果

3 結論

本研究通過EDEM分析柔性刮板不同轉速下茶葉顆粒的均勻性，經方差分析發(fā)現，在轉動圈數相同時，轉速36(°)·s-1下發(fā)酵茶葉分布的均勻性最好?；?6(°)·s-1的轉速，通過RSM分析優(yōu)化滾筒式紅茶發(fā)酵機的工藝參數。結果表明，發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、翻拌間隔等參數均可以顯著影響紅茶的感官品質，且除了發(fā)酵時間與翻拌間隔外，3個參數之間具有明顯的交互作用；各因素對紅茶品質影響的重要性排序為：發(fā)酵時間>發(fā)酵溫度>翻拌間隔，最優(yōu)工藝參數為發(fā)酵溫度28.5?℃，發(fā)酵時間230?min，翻拌間隔20?min。本研究柔性刮板轉速、發(fā)酵工藝等參數的明確，將對河紅茶提質增效具有重要的理論價值和實踐意義。

目前滾筒式發(fā)酵機在紅茶加工領域仍處于推廣應用階段，在環(huán)境溫度較低的情況下，易出現發(fā)酵效果不理想、連續(xù)化生產產量低等問題，本研究中的滾筒發(fā)酵機基于隧道加熱系統(tǒng)持續(xù)向桶內輸送霧化蒸汽，以達到發(fā)酵適宜溫度，后續(xù)可進一步優(yōu)化筒壁結構，增設保溫模塊，如添加性能良好的保溫材料，實現增溫增濕與保溫保濕相結合，節(jié)約加熱功率，達到恒溫節(jié)能的效果，降低生產成本。同時可通過增設自動化生產線實現紅茶動態(tài)發(fā)酵，實現物料自動運輸和發(fā)酵，提高連續(xù)化生產產量，以期達到紅茶連續(xù)化生產的同時實現品質精準控制的目的。

[1] Zhao D Y, Nagendra S. Antiradical and tea polyphenol-stabilizing ability of functional fermented soymilk-tea beverage [J]. Food Chemistry, 2014, 158(8): 262-269.

[2] An T, Yu H, Yang C S, et al. Black tea withering moisture detection method based on convolution neural network confidence [J]. Journal of Food Process Engineering, 2020, 43(6): 1-10.

[3] Ma C H, Hung Y C. Effect of brewing conditions using a single-serve coffee maker on black tea (Lapsang Souchong) quality [J]. Food Science & Nutritiong, 2020, 8(8): 4379-4387.

[4] Ulf W S, Blauth N, Steffi N, et al. Investigation of processes in black tea manufacture through model fermentation (oxidation) experiments [J]. Journal of Agricultural & Food Chemistry, 2014, 62(31): 7854-7861.

[5] Nikolai K, Michael N C, Muller A. Oxidative cascade reactions yielding polyhydroxy-theaflavins and theacitrins in the formation of black tea thearubigins: evidence by tandem LC-MS [J]. Food & Function, 2010, 1(2): 180-199.

[6] 俞露婷, 袁海波, 王偉偉, 等. 紅茶發(fā)酵過程生理生化變化及調控技術研究進展[J]. 中國農學通報, 2015, 31(22): 263-269. Yu L T, Yuan H B, Wang W W, et al. Research progress of physiological and biochemical changes and new techniques in fermentation of black tea [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(22): 263-269.

[7] Hua J J, Xu Q, Yuan H B, et al. Effects of novel fermentation method on the biochemical components change and quality formation of Congou black tea [J]. Journal of Food Composition and Analysis, 2021, 96: 103751. doi: 10.1016/j.jfca.2020.103751.

[8] Qu F F, Zeng W C, Tong X, et al. The new insight into the influence of fermentation temperature on quality and bioactivities of black tea [J]. LWT, 2020, 117: 108646. doi: 10.1016/j.lwt.2019.108646.

[9] Xue J J, Yin P, Zhang J Y, et al. Research progress on quality-related chemical components and processing technology of Congou black tea [J]. Food Research and Development, 2020, 41(18): 219-224.

[10] 潘科, 馮林, 陳娟, 等. HS-SPME-GC-MS聯用法分析不同通氧發(fā)酵加工工藝紅茶香氣成分[J]. 食品科學, 2015, 36(8): 181-186. Pan K, Feng L, Chen J, et al. Analysis of aroma compounds in black tea ventilated with oxygen for different durations during the fermentation process by head space-solid phase micro-extraction coupled with gas chromatography-mass spectrometry [J]. Food Science, 2015, 36: 181-186.

[11] Chen L, Liu F, Yang Y F, et al. Oxygen-enriched fermentation improves the taste of black tea by reducing the bitter and astringent metabolites [J]. Food Research International, 2021(148): 110613. doi: 10.1016/j.foodres.2021.110613.

[12] 董春旺, 葉陽, 江用文, 等. 工夫紅茶可視化富氧發(fā)酵機設計及試驗研究[J]. 茶葉科學, 2015, 35(4): 370-376.Dong C W, Ye Y, Jiang Y W, et al. Design and experimental investigation of congou black tea visual aerobic fermentation machine [J]. Journal of Tea Science, 2015, 35(4): 370-376.

[13] Muthumani T, Kumar R S. Influence of fermentation time on the development of compounds responsible for quality in black tea [J]. Food Chemistry, 2007, 101(1): 98-102.

[14] Obanda M, Owuor P O, Mang'oka R. Changes in the chemical and sensory quality parameters of black tea due to variations of fermentation time and temperature [J]. Food Chemistry, 2001, 75(4): 395-404.

[15] 董春旺, 趙杰文, 朱宏凱, 等. 基于RSM和BP-AdaBoost-GA的紅茶發(fā)酵性能參數優(yōu)化[J]. 農業(yè)機械學報, 2017, 48(5): 335-342. Dong C W, Zhao J W, Zhu H K, et al. Parameter optimization of black tea fermentation machine based on RSM and BP-AdaBoost-GA [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(5): 335-342.

[16] 蘆螢螢. 散元法在玉米脫粒機優(yōu)化設計中的應用研究[J]. 中國農機化, 2012(3): 93-95, 103. LU Yingying. Application study on the optimal design of corn thresher discrete element method [J]. China Agricultural Mechanization, 2012(3): 93-91, 103.

[17] 吳超, 吳努, 胡志超. 基于DEM的螺旋輸送機模擬仿真[J]. 中國農機化學報, 2015, 36(2): 92-94. Wu C, Wu N, Hu Z C. Simulation of the screw conveyor based on the DEM [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2015, 36(2): 92-94.

[18] 姜嘉胤, 董春旺, 倪益華, 等. 基于離散元法的茶園仿生鏟減阻性能研究[J]. 茶葉科學, 2022, 42(6): 791-805. Jiang J Y, Dong C W, Ni Y H, et al. Research on drag reduction performance of tea garden bionic shovel based on discrete element method [J]. Journal of Tea Science, 2022, 42(6): 791-805.

[19] 劉金鑫, 李曉潔, 李建華, 等. 高茶黃素速溶紅茶的酶促氧化工藝優(yōu)化及品質分析[J]. 食品工業(yè)科技, 2023, 44(5): 185-194.Liu J X, Li X J, Li J H, et al. Optimization of enzymatic oxidation process and quality analysis of high-theaflavins instant black tea [J]. Science and Technology of Food Industry, 2023, 44(5): 185-194.

[20] 趙熙, 黃浩, 鐘妮, 等. 響應面法優(yōu)化黑毛茶渥堆工藝及其品質評價[J]. 茶葉通訊, 2020, 47(2): 275-281. Zhao X, Huang H, Zhong N, et al. Optimization of pile-fermentation process for dark green tea by response surface methodology and evaluation of its quality [J]. Journal of Tea Communication, 2020, 47(2): 275-281.

[21] 張榮芳, 周紀磊, 劉虎, 等. 玉米顆粒粘結模型離散元仿真參數標定方法研究[J]. 農業(yè)機械學報, 2022, 53(s1): 69-77. Zhang R F, Zhou J L, Liu H, et al. Determination of interspecific contact parameters of corn and simulation calibration of discrete of discrete element [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2022, 53(s1): 69-77.

[22] 董晨希, 武甜, 呂興坤. 基于EDEM對振動攪拌的仿真分析[J]. 機械研究與應用, 2017, 30(1): 38-41. Dong C X, Wu T, lü X K. Simulation analysis of vibratory mixing based on the EDEM [J]. Mechanical Research & Application, 2017, 30(1): 38-41.

Parameter Optimization of Black Tea Fermentation Machine Based on EDEM and RSM

LIU Limin1, DONG Chunwang2,3, LIN Shuhong3*, SHI Yali2*

1. Zhejiang Technical Institute of Economics, Hangzhou 310018, China; 2. Tea Research Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China; 3. The Industrial Development Center of Hehong Tea of Yanshan, Shangrao 334500, China

Fermentation is a key process for the formation of black tea quality, and the fermentation conditions are the important factors affecting the degree of fermentation. In order to optimize the parameters of a self-designed roller fermentation machine, the extended distinctelement method (EDEM) was used to simulate three distinct gradients of the rotational speed of the flexible scraper, and compare the degree of uniformity. With sensory score as evaluation index, response surface method (RSM) was applied for optimizing three key factors affecting fermentation quality (fermentation temperature, fermentation time, stirring interval). The results indicate that the uniformity of fermentation was the best at a rotation speed of 36(°)·s-1. Based on this rotational speed, the order of importance of each factor on fermentation quality was: fermentation time, fermentation temperature, stirring interval. The optimal process parameters were as follows: fermentation time, 230?min, fermentation temperature, 28.5?℃, and stirring interval, 20?min.

black tea fermentation, technological parameter, response surface method, extended distinct element method

S571.1；TS272.4

A

1000-369X(2023)05-681-10

2023-05-08

2023-08-30

山東省農業(yè)科學院創(chuàng)新工程項目（CXGC2023F18）、江西省科技合作專項（20212BDH80025）、浙江省領雁計劃項目（2023C02043）

劉麗敏，女，副教授，主要從事現代農業(yè)機械設計研究，jhllm@126.com。*通信作者：linshuhong@163.com；shiyali97@163.com