李琛，艾仄宜，余志，陳玉瓊，倪德江*

優(yōu)質(zhì)綠茶加工過程主要物理特性變化的研究

李琛1,2，艾仄宜1，余志1，陳玉瓊1，倪德江1*

1. 華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院/園藝植物生物學教育部重點試驗室，湖北 武漢 430070；2. 江西省蠶桑茶葉研究所，江西 南昌 330203

以茶樹單芽和一芽一葉為試驗材料，采用恒重法、量筒法、TPA測試和應力應變拉伸測試，研究針形名優(yōu)綠茶加工過程物料容重、質(zhì)構特性和拉伸等物理特性的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在針形綠茶加工過程中，茶葉容重呈先增后減的趨勢，峰值出現(xiàn)在揉捻葉（含水量56%~58%），做形后期、固形和干燥過程茶葉容重急劇下降。塑性也呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在揉捻工序達到最大值，其后在做形過程（含水量58%~23%）均維持在較高水平，而在固形和干燥階段顯著下降。彈性的變化趨勢與塑性相反，呈先下降再升高的趨勢，在揉捻及做形過程（含水量58%~23%）處于最低水平。加工過程柔軟性的變化幅度較小。茶葉的拉伸過程經(jīng)歷線性階段、非線性階段和塑性變形到斷裂階段。隨著加工的進程，最大力呈先下降后升高（含水率56%~57%）的趨勢，拉伸強度則呈增加趨勢，彈性模量在揉捻前變化?。ê?6%~57%），但此后顯著增加。相關性分析表明，加工過程茶葉的拉伸強度與含水率呈極顯著的負相關。研究結(jié)果還表明，單芽和一芽一葉的主要物理特性在加工過程的變化不盡相同。除柔軟性接近外，單芽原料的容重、彈性、最大力要高于一芽一葉，但塑性、拉伸強度、彈性模量要小于一芽一葉。除了塑性和柔軟性接近外，單芽在各工序的容重和彈性均高于一芽一葉，但一芽一葉的彈性模量和拉伸強度在全過程均高于單芽，最大力在揉捻后顯著高于單芽。說明在機械設計原理和加工工藝的掌握方面需要注意原料的差異性。

優(yōu)質(zhì)綠茶；加工；含水率；容重；質(zhì)構特性；拉伸特性

農(nóng)業(yè)物料的物理特性包括力學特性、熱學特性、電學特性和光學特性等。目前有關農(nóng)業(yè)物料物理特性的研究主要集中在植物莖和秸稈拉伸、彎曲、剪切和壓縮等力學特性方面，并將這些基礎性數(shù)據(jù)用于農(nóng)作物抗倒伏育種研究以及收割、脫粒、打捆、粉碎等相關機械的設計與生產(chǎn)中[1]。

茶葉是我國重要的經(jīng)濟作物，但物理特性研究相對滯后。羅龍新[2]測定過不同嫩度與含水量葉片的柔軟性、彈性、塑性，得出葉片越嫩，其柔軟性、塑性、彈性越好，變形越容易，成條就越好；含水率34%~62%范圍內(nèi)，尤其是40%~55%范圍，柔軟性和塑性最好，彈性最差，為葉片變形成條的最佳時期；林燕萍等[3]以5個不同茶葉品種鮮葉為原料，分析駐芽一、二、三葉的彈性模量、最大應力與斷裂應力等力學特性及粗纖維含量，表明茶樹嫩梢力學特性與粗纖維含量關系密切；曹望成等[4]研究了茶樹新梢節(jié)位、截面積、品種對其剪斷力、折斷力等指標的影響，結(jié)果表明折斷式采摘機構能有效實現(xiàn)選擇性采茶，可克服切割式采茶機“一刀切”的弊端，并大膽提出了折斷式采摘器的基本工作參數(shù)；潘周光[5]分析了茶葉梗莖剪切特性與嫩度的關系，為茶葉嫩度的客觀評價提供了新方法。對于茶葉加工過程物理特性的研究，王秀萍等[6]曾對蒸青茶葉的機械強度、破壞應力、彈性模量等力學特性進行研究，為減少加工過程蒸青茶的斷碎現(xiàn)象提供科學的指導；張哲等[7]分析了揉捻過程中茶葉物理特性的變化規(guī)律，豐富了茶葉加工的基礎理論。在其他茶類方面，黃伙水等[8]分析了烏龍茶造型各階段柔軟性、塑性、彈性等物理特性的變化，初步探明閩南烏龍茶成型機理；林燕萍[9]對不同季節(jié)烏龍茶品種的包揉葉拉伸力學特性及含水率、葉位、溫度等影響因素進行了分析，探明烏龍茶力學特性對包揉質(zhì)量的影響，為進一步研究烏龍茶造型工藝提供了理論科學依據(jù)。此外，龔琦等[10]還采用LRC數(shù)字電橋研究了干茶葉電容值等多項電特性參數(shù)，檢測茶葉綜合品質(zhì)的正確判別率達94%以上。

綠茶是我國茶葉生產(chǎn)的主體茶類，其中名優(yōu)茶又是綠茶中最重要的茶類，其產(chǎn)值占總產(chǎn)值的70%以上，對于茶區(qū)茶農(nóng)增收致富起到良好的帶動作用。然而，由于名優(yōu)綠茶種類多、加工工藝復雜，機械化加工落后，連續(xù)化和自動化加工也剛起步，如何開發(fā)性能優(yōu)良的加工機械一直是茶產(chǎn)業(yè)研究的重要領域。本文以我國生產(chǎn)范圍廣泛的針形名優(yōu)茶為試驗對象，研究優(yōu)質(zhì)綠茶加工過程茶葉容重、質(zhì)構特性和拉伸特性等主要物理特性的變化，旨在為優(yōu)質(zhì)綠茶加工機械的設計以及工藝參數(shù)的制定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用茶葉采自湖北省咸寧市汪大珍茶業(yè)發(fā)展有限公司茶園，茶樹品種為福鼎大毫，采摘標準為單芽和一芽一葉。

1.2 處理

針形綠茶加工工藝流程為：鮮葉→攤放→殺青→揉捻→做形→固形→干燥[11]。鮮葉進廠后進行室內(nèi)自然攤放，攤?cè)~厚度3?cm左右，攤放時間為4?h。殺青在6CST-50型滾筒連續(xù)殺青機中進行（距進料口和鍋底各30?cm處空氣溫度120~140℃，殺青葉含水量60%左右）。殺青葉經(jīng)過30~60?min回潮后在6CR-45型揉捻機中揉捻（加壓輕-重-輕，時間約40?min）。做形在11槽6CLZ-60型往復式理條機進行[鍋底槽壁溫度100~110℃，投葉量1.5?kg，含水量(20±2)%]，固形在6CZG-60型固形機中進行，干燥在烘焙機中進行（進風口溫度80℃，時間34?min）。所有設備廠家為浙江綠峰機械有限公司。在攤放、殺青、揉捻工序結(jié)束后取樣，做形過程取3次樣，固形結(jié)束、干燥結(jié)束后分別取樣，取樣后充分冷卻回潮，用密封袋裝好，立即進行物理特性測試，測定時間不超過1?h。

1.3 分析方法

1.3.1 茶葉含水率

按照國標法（GB/T 8304—2013）進行，使用DHG-9246型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）對加工過程中茶葉的水分進行測定，每個樣本3次重復。

1.3.2 茶葉容重

采用量筒法測定茶葉容重[9]。本試驗采用振實法，將茶葉輕輕加入容器內(nèi)，加料操作時，對相互勾掛的茶葉采用手工加料，使茶葉表面基本和量筒刻度線平齊，稱取茶葉質(zhì)量，按公式γ=(/)×103計算容重（—茶葉質(zhì)量/g；—茶葉所占量筒體積/mL），每個樣本3次重復。

1.3.3 茶葉柔軟性、塑性和彈性

采用TMS-PRO型質(zhì)構儀（美國FTC公司）測定。將試樣裝入透明圓筒容器中，不震動不壓實，待茶葉表面與容器邊緣平齊時，放在質(zhì)構儀的載物板上，采用38.1?mm的圓柱擠壓探頭進行質(zhì)構分析（Texture profile analysis，TPA）試驗。質(zhì)構儀可直接測出茶葉樣品的彈性（BC）、樣品高度（A點）及探頭第一次循環(huán)結(jié)束脫離樣品時的高度（B點）等，柔軟性和塑性分別由圖1示意計算得出，每個樣本3次重復。

1.3.4 茶葉拉伸特性

采用UTM2000型電子萬能實驗機（深圳三思公司）測定，并對夾具進行改進。選取100?N傳感器和定制的拉伸夾具（夾具一傳感器一體化，夾持面經(jīng)過處理，以防茶葉斷碎；邊角磨平，另外還粘了膠面材料），起始力為1?N，拉伸試驗過程中通過力傳感器采集數(shù)據(jù)。電子萬能試驗機配備軟件Material Test 4.0，能夠?qū)崟r動態(tài)的顯示力、變形、位移、加載速度及變化曲線。每個樣本隨機取20個茶條進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶葉含水率的變化

加工過程茶葉含水率的變化如表1所示。隨著加工的進行，茶葉含水率呈下降趨勢，其中殺青和做形過程茶葉失水最多，含水率下降最快。單芽和一芽一葉含水率的變化趨勢一致。

2.2 茶葉容重的變化

茶葉容重是指茶葉物料單位容積的質(zhì)量，從一定程度上反映了茶葉的緊結(jié)程度。由表2可知，隨加工的進行，不同嫩度原料，茶葉容重均呈先增后減的趨勢，峰值出現(xiàn)在揉捻葉（單芽：683.93?kg·m-3，一芽一葉：524.51?kg·m-3）；做形后期以及固形、干燥過程茶葉容重急劇下降。圖2反映出加工過程茶葉容重隨含水率的變化趨勢。總體來看，隨含水量的減少，茶葉容重也呈先增后減的趨勢，茶葉含水量在56%~58%范圍容重最大。從成熟度來看，一芽一葉比單芽要老一些，形態(tài)上表現(xiàn)為更大和更長一點，這可能是導致一芽一葉容重比單芽小的原因。

圖1 塑性、彈性和柔軟性測定示意圖

表1 針形綠茶加工過程茶葉含水率的變化

注：Ⅰ：單芽；Ⅱ：一芽一葉。下同

Note: Ⅰ: One bud. Ⅱ:One bud with one leaf. The same as follow

表2 針形綠茶加工過程茶葉容重的變化

注：同行不同小字母表示差異顯著，P<0.05

Note: Different small letters in the same line indicated the difference at 0.05level. The same as follow

圖2 針形綠茶加工過程茶葉容重隨含水率的變化結(jié)果

2.3 茶葉塑性、彈性和柔軟性的變化

塑性是指茶葉物料產(chǎn)生塑性變形或永久變形的能力。表3結(jié)果表明，不同嫩度原料，針形名優(yōu)茶加工過程塑性呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在揉捻工序達到最大值，其后在做形過程均維持在這個水平，固形和干燥階段顯著下降。

從圖3可以看出，含水量約在58%~23%范圍，塑性值均維持在較高水平。一芽一葉與單芽相比，鮮葉塑性值為36.75%，顯著高于單芽的31.63%，但隨著加工的進行，兩者的差距逐漸縮小，尤其是在揉捻以及做形過程幾乎無顯著差異。

彈性是指茶葉物料產(chǎn)生彈性變形或者恢復變形的能力。由表3可以看出，針形名優(yōu)茶加工過程彈性的變化趨勢與塑性相反，呈現(xiàn)先下降再升高的趨勢，在揉捻及做形過程（含水量58%～23%）處于最低水平（圖3）。一芽一葉與單芽相比，單芽鮮葉彈性值為25.13%，顯著高于一芽一葉的20.93%，但隨著加工的進行，兩者的差距也逐漸縮小，但在做形后期、固形及干燥過程單芽的彈性值要高于一芽一葉。

表3 針形綠茶加工過程茶葉質(zhì)構特性的變化

圖3 針形綠茶加工過程茶葉塑性、彈性和柔軟性隨含水率的變化結(jié)果

柔軟性指茶葉物料變形的難易程度。無論單芽還是一芽一葉原料，針形茶加工過程柔然性值變化幅度較小，單芽的變幅為54.29%~59.52%，一芽一葉的為52.32%~59.52%。

2.4 茶葉拉伸特性的變化

茶葉的拉伸過程經(jīng)歷3個階段（圖4）：一是線性階段。位于應力-應變曲線的前半段，應力應變呈現(xiàn)線性關系，應力應變成正比，服從胡克定律。二是非線性階段。位于應力-應變曲線的中段，此時階段應力與應變?yōu)榉蔷€性關系，拉伸繼續(xù)到葉片應力達到曲線最高點，即最大應力點，該點也是葉片保持細胞結(jié)構完整性的允許應力，也稱強度極限，最大應力點對應的應變?yōu)樽畲髴c應變。三是塑性變形到斷裂階段。位于應力-應變曲線的下半段，即曲線下降階段。當應力達到最高點后，葉片產(chǎn)生塑性變形，由于葉組織細胞結(jié)構嚴重破壞，使內(nèi)應力明顯下降；繼續(xù)拉伸則使葉片發(fā)生斷裂，該點稱為斷裂應力，對應的應變?yōu)閿嗔褢儭?/p>

最大力是指茶葉試樣在屈服階段之后能抵抗的最大應力。表4分析結(jié)果表明，隨著加工的進程，最大力呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，由鮮葉的3.15?N下降到揉捻的0.91?N，在做形過程中又逐漸升高。茶葉干燥后一上夾具就斷碎，很難測出力學參數(shù)。一芽一葉原料與單芽相比，從鮮葉到攤放過程，最大力均小于單芽，但揉捻后各工序最大力都高于單芽。

圖4 茶葉拉伸的應力-應變圖

表4 針形綠茶加工過程茶葉拉伸特性的變化

拉伸強度是指茶葉產(chǎn)生最大均勻塑性變形的力，為最大力與受力截面積的比值，反映物料的抗拉能力。由表4可知，從鮮葉到揉捻工序拉伸強度增加較少，但之后顯著增加。一芽一葉各工序拉伸強度大于單芽，但從鮮葉到揉捻變化幅度略有不同，單芽鮮葉、攤放、殺青、揉捻分別為0.57、0.61、0.62、0.61?MPa，而一芽一葉鮮葉、攤放、殺青、揉捻則分別為1.18、1.40、2.76、2.27?MPa。由圖5可以看出，單芽與一芽一葉變化趨勢差異最大的是從含水率75%下降到57%范圍。

彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度。單芽的彈性模量呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢（表4），殺青工序最小，為2.17?MPa。一芽一葉鮮葉和攤放變化小，隨后顯著增加。與拉伸強度一樣，隨含水量的變化，一芽一葉彈性模量值均高于單芽。但到固形工序（含水量12%~14%），該值異常升高，分別達到143.1?MPa和132.81?MPa。

斷裂標稱應變是試樣在有屈服的情況下，夾具間距離的單位原始長度的增量，也就是斷裂伸長率，反映了茶葉塑性能力的大小。在加工過程中，從鮮葉到攤放，斷裂標稱應變值變化小，但到殺青工序極顯著升高，揉捻工序時又下降，其后做形工序升高，且相對穩(wěn)定。與彈性模量值相似，到固形（含水量12%~14%），該值異常下降，單芽和一芽一葉分別降到5.82%和12.30%。

圖5 針形綠茶加工過程茶葉拉伸參數(shù)隨含水率的變化結(jié)果

2.5 相關性分析

分析加工過程各參數(shù)間的相關性，結(jié)果如表5和表6所示。從表可知，茶葉的拉伸強度與含水率呈極顯著的負相關。經(jīng)Excel擬合，得出單芽拉伸強度與含水率的關系為：y=0.000?32－0.066?7＋3.965?5，決定系數(shù)2=0.925；一芽一葉拉伸強度與含水率的關系為：y=–0.000?72＋0.002?5＋4.563?6，決定系數(shù)2=0.958。擬合曲線見圖6。

3 討論

茶葉加工過程形態(tài)的變化主要與含水量變化以及受力情況有關。一方面由于熱的作用促進水分散失，鮮葉含水率從的75%左右下降到干茶的5%以下，茶葉由完全舒展形態(tài)逐漸收縮，變得彎曲、皺折，體積縮小。另一方面，由于機械力的作用，茶葉由原始形態(tài)變成針形、扁形、卷曲、珠形、條形等不同形態(tài)。

茶葉的容重和“三性”隨形態(tài)而變化。鮮葉攤放時間一般5~8?h，此過程水分緩慢散失，主要受空氣溫度和相對濕度的影響，含水率下降，減重11%左右，因而茶葉體積有所收縮，容重增加；又因茶葉內(nèi)聚性（內(nèi)部結(jié)合緊密程度）減小，因此塑性增強，但彈性下降[12]。在殺青過程高溫（葉溫80℃）的作用下，茶葉水分顯著下降，降至60%左右，茶葉減重20%左右，同時在滾筒的轉(zhuǎn)動過程中茶葉受自重力、摩擦力的作用，體積進一步收縮，內(nèi)聚性減小，容重顯著提高，塑性和柔軟性增強[2]。在揉捻過程，茶葉主要受扭曲力、摩擦力、擠壓力、拉力等作用，由自然卷縮狀變成緊細的條狀，體積收縮，容重明顯增加[13]。在做形過程，茶葉在理條機中往復運動，受擠壓、碰撞、摩擦力的作用以及熱作用，茶條變成緊細似針的外形，由于水分的下降，茶條逐漸由柔軟變粗硬，容重下降，彈性和柔軟性前期下降，后期升高[14]。在固形過程，由于熱作用，茶葉含水量下降46%，且受自重力、摩擦力的作用，針形體積進一步收縮挺直，容重、塑性和柔軟性顯著下降，彈性增強[15]。在烘干過程，茶葉主要受熱作用，含水量降至5%以下，茶葉變得硬脆，除塑性變化不大外，各指標均繼續(xù)下降[16]。

表5 針形單芽茶各參數(shù)間相關性分析

注：**：在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關。*：在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關。下同

Note: **: Significantly correlated at 0.01 level (both sides) *: Significantly correlated at 0.05 level (both sides). The same as follow

表6 針形一芽一葉茶各參數(shù)間相關性分析

圖6 針形綠茶加工過程茶葉拉伸強度與含水率關系擬合曲線

茶葉拉伸特性與也隨茶條形態(tài)而變化。從鮮葉到殺青過程，茶葉形態(tài)只是逐漸收縮，皺折，最大力有減小的趨勢。但揉捻后茶汁擠出，茶葉成條形，葉細胞破損，茶葉一拉就斷，承受的最大力下降。之后隨著做形過程的進行，茶葉含水率降低，茶條變得緊結(jié)，抗拉能力增強，最大力有一個增大的過程。干茶的最大力驟降是因為此時的茶葉含水率已經(jīng)很低，茶葉很容易碎，稍微用力就發(fā)生斷裂。拉伸強度與最大力以及茶條的截面積變化相關。加工過程截面積是逐漸減小的，尤其是揉捻后的做形過程，茶條隨水分的散失以及外力的作用更加緊結(jié)，內(nèi)應力增大，拉伸強度提高[17-18]。

茶葉物理特性的變化對于加工工藝以及設備的改進有重要意義。由于單芽鮮葉和攤放葉的容重大于一芽一葉，在設計與生產(chǎn)鮮葉輸送帶時要注意輸送帶帶齒和勻葉器的設計要有區(qū)別，適宜于單芽殺青的帶齒要低，勻葉器與皮帶的距離能達到最小調(diào)節(jié)；相反，適宜于一芽一葉殺青的帶齒要高一些。生產(chǎn)上最好配置兩個輸送帶為宜，否則殺青效果不好。在理條做形時，每鍋槽一芽一葉的量要增加，或者前期量少以利于透氣保色，后期增加葉量有利于提高條索的緊結(jié)度。在揉捻工序，一芽一葉的塑性和彈性要低于單芽，要求加壓要適當增加才有利于緊條。目前國內(nèi)的全自動揉捻機組可全程實現(xiàn)開蓋、加料、加壓、下料，在實際生產(chǎn)中，不僅可以根據(jù)原料的老嫩來控制揉捻的工藝參數(shù)，還可根據(jù)不同茶類對揉捻程度的要求不同來進行調(diào)整。在做形前期（含水量43.8%~33.0%），一芽一葉的彈性明顯高于單芽，說明理條時可以適當采用加壓棒加壓理條，有利于形成緊細的條索，但到做形后期茶葉彈性下降較快，應該及時減輕加壓，否則會造成斷碎。固形是針形茶加工重要的工序，無論是單芽還是一芽一葉，塑性均較好，需要利用一定的濕熱作用，在固形力作用小的條件下進一步固定形狀，此階段溫度不宜太高[11]。無論是單芽還是一芽一葉，殺青后揉捻過程茶條承受的最大拉力以及拉伸強度都較低，要求揉捻時加壓力度一定要掌握適度。如果壓力過大（尤其是后期）就會引起斷碎，減少正茶率，影響經(jīng)濟效益。同時可以看出，葉的最大拉力以及拉伸強度都顯著高于芽，這就要求在揉捻機自動加壓程序設計時注意單芽的加壓要輕。

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Research on Main Physical Properties of Tea Leaves in High-quality Green Tea Processing

LI Chen1,2, AI Zeyi1, YU Zhi1, CHEN Yuqiong1, NI Dejiang1*

1. College of Horticulture and Forestry Sciences Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Horticultural Plant Biology, Ministry of Education, Wuhan 430070, China; 2. Jiangxi Sericulture And Tea Research Institute, Nanchang 330203, China

Taking one bud and one bud with one leaf of tea as the test materials, the variations of physical properties of tea leaves such as bulk density, texture and tensile properties in needle-shaped green tea processing were studied by the method of constant weight and graduated cylinder, TPA and stress-strain tensile test. As a result, the bulk density of tea leaves was first increased and then decreased, with the peak in the rolled leaves (water content 56%-58%). it was sharply decreased during the post-forming, fixing and drying processes. The plasticity presented the same trend with the maximum appeared in the rolling process.It then remained a high level in the forming process (water content 58%-23%), and declined significantly during the fixing and drying processes. The trend of elasticity was opposite to the plasticity, with the lowest level in the rolling and forming processes(water content58%-23%). Less variation was observed in flexibility during the whole processing. The tensile process of tea leaves undergoed linear, nonlinear and plastic deformation to fracture stages. The trend of maximum force was decreased first and then increased (water content 56%-57%).The tensile strength was increased during the whole processing.The elastic modulus varied a little before the rolling process and then increased significantly. The correlation analysis shows that the tensile strength of tea leaves was significantly and negatively correlated with water content in the processing, and the diversification of main physical properties of one bud and one bud with one leaf in processing were not exactly the same. Besides the similar level of plasticity and flexibility, the bulk density, elasticity and maximum force of one bud were higher than that of one bud with one leaf.While the plasticity, tensile strength and elastic modulus showed an opposite trend. In the whole processing, apart from the similar level of plasticity and flexibility, the bulk density and elasticity of one bud in each process were higher than that of one bud with one leaf, but the elastic modulus and tensile strength showed an opposite trend. the maximum force of one bud with one leaf was significantly higher than that of one bud after the rolling process. In conclusion, the differences in raw materials should be emphasized in the principles of mechanical design and processing techniques.

high-quality green tea,process,water content,bulk density,texture properties,tensile properties

TS272.3

A

1000-369X(2019)06-705-10

2019-01-24

2019-02-27

國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0700505）

李琛，女，助理研究員，主要從事茶葉加工方面的研究，hanwuji1110@126.com。