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)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

黑茶屬于后發(fā)酵茶，是中國六大茶類中加工過程最為復雜的一大茶類[1]。黑茶的傳統(tǒng)加工方法工藝繁瑣、技術(shù)性強，而加工過程中細微的差別可導致茶品質(zhì)量和風味千差萬別[2]。據(jù)統(tǒng)計，2015年全國茶葉產(chǎn)量224.9萬t，其中黑茶產(chǎn)量22.7萬t，占全國茶葉產(chǎn)量的10.09%；其中湖南黑茶產(chǎn)量7.11萬t，占全國黑茶產(chǎn)量的31.32%[3]。

在黑茶加工過程中，“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，通過控制蒸汽閥門的開度來控制烘房內(nèi)溫度，采用開窗通風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控制閥門開度來控制烘房內(nèi)部溫度，利用排氣通風的方式控制烘房濕度，二者控制精度低，溫度波動3～5℃。同時還受環(huán)境氣候的影響，當環(huán)境溫度或濕度高于烘房內(nèi)部溫度或濕度時，溫度和濕度則無法受控制，如果此時正好是黑茶發(fā)花旺盛期，由于“金花”大量繁殖產(chǎn)生的熱量無法及時散失，會導致茶磚燒心[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)花過程中，茶藝師通過感官和經(jīng)驗控制發(fā)花程度，難以達到統(tǒng)一的“發(fā)花”質(zhì)量，主觀因素干擾較強，而且“發(fā)花”過程還會伴隨著其他霉菌的生長（黑霉菌和青霉菌），甚至無“金花”產(chǎn)生，導致產(chǎn)品質(zhì)量不均勻，質(zhì)量不高。

1.3 生產(chǎn)周期長，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，生產(chǎn)效率低，運行成本高。在夏季高溫高濕的氣候條件下，無法正常生產(chǎn)，無法全天候生產(chǎn)。傳統(tǒng)烘房一般通過燒煤用鍋爐蒸汽加熱，熱效率低下，污染嚴重，不符合國家的節(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]。利用熱泵從低溫熱源中吸收熱量，將其在較高溫度下釋放熱量來提高烘房溫度，而在烘房溫度超過黑茶發(fā)花工藝溫度時，通過轉(zhuǎn)換熱泵制熱工況為制冷工況，從烘房內(nèi)吸收熱量，釋放于外部環(huán)境，實現(xiàn)烘房的降溫過程。兩種工況的自動轉(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“發(fā)花”過程全程自動化控制，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)花試驗研究

3.1 試驗物料

實驗物料均由湖南黑美人茶業(yè)股份有限公司提供。

機壓磚：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 試驗設(shè)備

HWHS60型黑茶熱泵發(fā)花干燥機，由廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(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 試驗方法

在制茶師指導下，參考緊壓茶國家標準[11,12]中的第3部分茯磚茶，結(jié)合預實驗，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情況，不斷調(diào)整工藝參數(shù)，最終得出機壓磚和手筑磚的熱泵發(fā)花工藝參數(shù)，見表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 試驗結(jié)果分析

3.4.1 不同茶磚對熱泵發(fā)花干燥的影響

圖2表明，機壓磚質(zhì)量與干燥時間的變化曲線基本呈線性關(guān)系，即是“發(fā)花”過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”過程失水速率先增加，后減小，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)。手筑磚“發(fā)花”干燥時間較機壓磚發(fā)花干燥時間短1 d；機壓磚表面沒有包裝覆蓋，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)較機壓茶磚結(jié)構(gòu)松散，水分容易蒸發(fā)，同時包裝紙有利于水分均勻擴散，加速了前期茶磚的失水速率。

3.4.2 不同工藝下設(shè)備運行曲線對比

圖2 不同種類茶磚的干燥曲線

圖3 機壓磚工藝設(shè)備運行曲線

圖3表明機壓磚設(shè)備運行過程中送風溫度、回風溫度基本與設(shè)定溫度一致，回風濕度與設(shè)定濕度基本一致，但存在一定的偏差，這是因為濕度控制與溫度控制相關(guān)，濕度控濕慣性大于溫度，控制波動范圍大于溫度，升溫過程和降溫過程都會伴隨濕度下降，而除濕過程會導致溫度升高。圖4 表明，手筑磚工藝設(shè)備送風溫度、回風溫度運行曲線基本與設(shè)定溫度一致，同機壓磚運行曲線相似，但濕度曲線偏離設(shè)定曲線比機壓磚曲線大，可能是因為手筑磚失水速率較快，導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

實驗過程中，熱泵發(fā)花無霉變和燒心現(xiàn)象，發(fā)花品質(zhì)較高。機壓磚發(fā)花較為均勻，但發(fā)花量少于手筑磚，見圖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，見圖6，可能是因為機壓磚失水速率均勻，而手筑磚前期失水較快，導致表層濕度過低，無法為后期金花生長提供適宜的濕度，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)備運行曲線

圖5 機壓磚產(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)花干燥時間為19 d，機壓磚發(fā)花干燥時間為18 d，相比傳統(tǒng)發(fā)花干燥時間24 d，縮短20%以上。采用熱泵控溫控制技術(shù)，能夠為“金花”生長提供適宜的溫度和濕度，有利于提高發(fā)花質(zhì)量，且烘房內(nèi)部溫濕度不受外界氣候條件的影響，可實現(xiàn)全年全天候生產(chǎn)。同時發(fā)花干燥過程自動化控制，可節(jié)約勞動力，進一步降低生產(chǎn)成本。據(jù)企業(yè)測算，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)備運行節(jié)能，且無污染排放，可實現(xiàn)企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)需求，具有廣闊的應用前景，黑茶熱泵發(fā)花工藝有待進一步優(yōu)化。