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        藏茶臥式發(fā)酵機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

        2021-02-05 07:41:56談峰何春雷胥偉高兆興唐瑛蔓
        關(guān)鍵詞:綠毛渥堆臥式

        談峰,何春雷,3*,胥偉,高兆興,唐瑛蔓

        (1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,四川 成都 611130;2.精制川茶四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611130;3.四川省藏茶產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)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(jì),2018 年,全國黑茶產(chǎn)量達(dá)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(jià)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(dòng)較大;因此,采用設(shè)備渥堆以保證藏茶的品質(zhì)至關(guān)重要。吳紹帥等[5]研發(fā)了有自動(dòng)潮水、保溫保濕發(fā)酵、翻堆功能的雙層保濕轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǔn)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(jìn)行了試驗(yàn),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(shí)間會更短,不能少于22 d,但該設(shè)備影響正常翻堆,不能實(shí)現(xiàn)解塊。孫楊鋒等[7]改進(jìn)了滾筒式普洱茶潮水機(jī)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(jié)合單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了茶葉潮水的連續(xù)化和自動(dòng)化,但該設(shè)備體積偏大、靈活性欠佳。馬振綱等[8]構(gòu)建了普洱茶發(fā)酵清潔化車間,當(dāng)相對濕度在 100%時(shí)開啟風(fēng)機(jī)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(jié)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(shè)備優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種藏茶臥式發(fā)酵機(jī)。集送料、發(fā)水、渥堆、自動(dòng)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(gè)過程都由專業(yè)設(shè)備作業(yè),獲得了藏茶臥式發(fā)酵機(jī)的最佳工藝參數(shù),以期為藏茶清潔化生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

        1 藏茶臥式發(fā)酵機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

        藏茶臥式發(fā)酵機(jī)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(jìn)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(jī)等;輸送裝置包括電機(jī)、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(fēng)模塊等。

        圖1 藏茶臥式發(fā)酵機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of horizontal fermentation machine for Tibetan tea

        工作時(shí),綠毛茶由輸送裝置從進(jìn)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(dòng),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(dāng)溫度和相對濕度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),控制蒸汽發(fā)生器會停止噴灑蒸汽,由溫度采集裝置及時(shí)顯示;若低于設(shè)定值,會進(jìn)行升溫提示;若高于設(shè)定值,會反饋至控制系統(tǒng),通過噴頭噴水或開啟送風(fēng)口和封頭為罐內(nèi)降溫、排濕。進(jìn)風(fēng)口裝有調(diào)節(jié)器,可調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)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(dòng)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(shè)計(jì)

        2.1 罐體和攪拌裝置

        依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)理念,結(jié)合藏茶渥堆工藝要求,設(shè)計(jì)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(shè)有觀察口,用于觀察茶堆渥堆狀態(tài),進(jìn)茶口和出茶口分別位于罐體正上方和左下側(cè)。發(fā)酵機(jī)罐體為圓筒狀,內(nèi)外罐體間設(shè)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(shí)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(jié)合藏茶渥堆實(shí)踐,將罐體轉(zhuǎn)速設(shè)定為15 r/min。因四川黑茶渥堆過程中茶堆溫度應(yīng)維持在45~71 ℃[13],故設(shè)定工作溫度為20~100 ℃。發(fā)酵機(jī)整體尺寸(長×寬×高) 4240 mm×2300 mm×3170 mm。

        攪拌裝置橫向設(shè)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(shè)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(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(shí)用于翻堆,在出料時(shí)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(dòng)后,蒸汽發(fā)生器開始預(yù)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(jì)測量和水泵的調(diào)節(jié)控制流速和發(fā)水量。綠毛茶從進(jìn)茶口加入,跟隨螺旋葉片移動(dòng),先經(jīng)過蒸汽噴頭所在區(qū)域,進(jìn)入輸送機(jī)內(nèi)腔中的高溫蒸汽(130~150 ℃)對綠毛茶進(jìn)行汽蒸,提升綠毛茶溫度和相對濕度并軟化條索,此時(shí)綠毛茶含水量達(dá)20%左右。綠毛茶經(jīng)過霧化噴頭所在區(qū)域,進(jìn)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(jìn)入罐內(nèi)進(jìn)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(yán)格[4,13–14],可通過控制溫度、時(shí)間、茶坯含水量等3個(gè)可控因素,來確保渥堆的正常進(jìn)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(fēng)模塊等構(gòu)成控制系統(tǒng),同時(shí)實(shí)現(xiàn)藏茶在渥堆過程中的定期翻堆、控溫、控濕、通風(fēng)、數(shù)據(jù)采集和存儲。通過觀察窗口對渥堆狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并由PLC觸摸屏對渥堆參數(shù)進(jìn)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?shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。

        3 發(fā)酵機(jī)渥堆試驗(yàn)

        渥堆試驗(yàn)于2018年5月至7月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行。三級綠毛茶由四川雅安西康藏茶集團(tuán)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(yù)試驗(yàn),選取渥堆溫度(A)、渥堆時(shí)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(shí)間70、90、110 h,茶坯含水量25%、30%、35%進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。每次渥堆綠毛茶用量100 kg。獲取設(shè)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(jìn)行發(fā)酵機(jī)渥堆。

        使用5000 kg綠毛茶,渥堆葉含水量30%~35%,扎堆后渥堆,適時(shí)翻堆,每次翻堆后及時(shí)補(bǔ)水,進(jìn)行傳統(tǒng)方法渥堆。

        采用國標(biāo)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(jìn)行感官審評。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件和SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

        4 結(jié)果與分析

        4.1 臥式發(fā)酵機(jī)渥堆工藝優(yōu)化結(jié)果

        結(jié)合前期預(yù)試驗(yàn),采用正交設(shè)計(jì)優(yōu)化渥堆溫度、渥堆時(shí)間、茶坯含水量3個(gè)參數(shù)。發(fā)酵機(jī)渥堆藏茶品質(zhì)成分含量和感官審評結(jié)果列于表1。

        表1 臥式發(fā)酵機(jī)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(jié)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(shí)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(shí)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(shí)間、茶坯含水量、渥堆溫度,即渥堆時(shí)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(guān)的參數(shù)組合略有不同,而且就某個(gè)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(shí)對不同渥堆處理得到的成品茶感官審評進(jìn)行綜合篩選,確定臥式發(fā)酵機(jī)的最佳渥堆工藝參數(shù),結(jié)果影響感官審評得分的因素大小依次為渥堆溫度、渥堆時(shí)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(shí)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(shí)間110 h,茶坯含水量30%。

        表2 臥式發(fā)酵機(jī)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(shí)間次之,而茶坯含水量的影響最小。

        表3 臥式發(fā)酵機(jī)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(jī)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(jìn)行發(fā)酵機(jī)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(jī)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(dòng)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(jié)束后,茶樣的化學(xué)成分測定結(jié)果列于表 4。

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

        結(jié)果表明,發(fā)酵機(jī)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(jī)進(jìn)行渥堆,渥堆時(shí)間大大縮短。

        從審評結(jié)果(表5)看,發(fā)酵機(jī)渥堆藏茶與傳統(tǒng)渥堆藏茶品質(zhì)無明顯差異,發(fā)酵機(jī)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(dá)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(jī)渥堆藏茶的感官品質(zhì)Table 5 Sensory quality of piling Tibetan tea by fermentation machine

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