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(shù)優(yōu)化

劉麗敏1，董春旺2,3，林淑紅3*，石亞麗2*

1. 浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018；2. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，山東 濟南 250100； 3. 鉛山縣河紅茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，江西 上饒 334500

發(fā)酵是紅茶品質(zhì)形成的關(guān)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(shè)計的滾筒式紅茶發(fā)酵機性能參數(shù)，使用離散元仿真方法（Extended distinct element method，EDEM）對柔性刮板的轉(zhuǎn)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(yīng)面法（Response surface method，RSM）對影響發(fā)酵品質(zhì)的3個關(guān)鍵因素（發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、翻拌間隔）進行優(yōu)化。結(jié)果表明，36(°)·s-1的轉(zhuǎn)速下發(fā)酵葉翻拌的均勻性最好；基于此轉(zhuǎn)速，各因素對發(fā)酵品質(zhì)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(shù)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(shù)；響應(yīng)面法；EDEM分析

紅茶是世界上生產(chǎn)和消費量最大的茶類，發(fā)酵是紅茶品質(zhì)形成關(guān)鍵工序[1-3]。紅茶發(fā)酵的本質(zhì)是在適宜的環(huán)境因素條件下，氧化酶催化多酚類物質(zhì)氧化形成茶黃素、茶紅素等，并偶聯(lián)氨基酸等物質(zhì)轉(zhuǎn)化塑造紅茶的風(fēng)味特征[4-6]。影響紅茶發(fā)酵品質(zhì)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(guān)鍵。

發(fā)酵機作為紅茶加工的關(guān)鍵設(shè)備，對保證紅茶品質(zhì)，塑造風(fēng)味特征具有重要的作用[12]。目前，常用的紅茶發(fā)酵設(shè)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。基于紅茶發(fā)酵原理與工藝技術(shù)，前期設(shè)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?cè)~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(shù)[15]。然而，柔性刮板轉(zhuǎn)速作為勻葉裝置的重要參數(shù)，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(shù)尚未明確。

近年來，離散元仿真被大量運用到農(nóng)業(yè)研究中，可以解決生產(chǎn)過程中的物質(zhì)動力學(xué)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(guān)鍵參數(shù)對其性能的影響，為滾筒設(shè)備的參數(shù)優(yōu)化及改進提供了理論基礎(chǔ)；吳超等[17]利用離散元仿真模擬探索了輸送機的參數(shù)對物料輸送效率的影響，為輸送機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)；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(nèi)隨著柔性刮板的轉(zhuǎn)動發(fā)生動態(tài)變化，采用EDEM通過模擬茶葉在發(fā)酵機內(nèi)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(chǔ)。響應(yīng)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(yīng)值間的函數(shù)關(guān)系，通過回歸方程分析得出最優(yōu)參數(shù)的一種分析方法。已逐漸應(yīng)用于茶葉加工工藝參數(shù)優(yōu)化[19-20]，因此可用于發(fā)酵機參數(shù)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(shè)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(zhuǎn)動速率為研究對象，通過離散元仿真模擬，根據(jù)不同層面茶葉的混合效果，提出最優(yōu)轉(zhuǎn)動速率。并在此基礎(chǔ)上，以感官品質(zhì)為評價指標，通過響應(yīng)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(shù)，以期為指導(dǎo)紅茶生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)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(xué)儀器（北京）有限公司。

1.2 滾筒發(fā)酵機結(jié)構(gòu)和原理

滾筒式發(fā)酵機的總體結(jié)構(gòu)與前期設(shè)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(zhuǎn)帶動物料均勻翻拌，使在制品的酶促氧化反應(yīng)更加均勻；隧道加熱系統(tǒng)連接發(fā)酵筒內(nèi)環(huán)境和外部自然環(huán)境，新鮮空氣攜霧化蒸汽流經(jīng)隧道進行適度加熱，經(jīng)氣路輸送至發(fā)酵筒內(nèi)，同時將筒內(nèi)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(xiàn)；進出料系統(tǒng)可使機身整體傾斜實現(xiàn)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(yīng)用于農(nóng)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(jié)現(xiàn)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(nèi)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(zhì)不一，因此本研究立足于設(shè)備內(nèi)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(nèi)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(xiàn)實中茶葉大小不一的情況，茶葉顆粒半徑設(shè)置為隨機值，變化范圍為0.5～1.0，離散元仿真的具體參數(shù)如表1所示。將茶葉顆粒分為上中下3層，分層生成基礎(chǔ)茶葉顆粒，每一層茶葉顆粒數(shù)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(zhuǎn)動速度設(shè)置3個梯度，36、24、18(°)·s-1，轉(zhuǎn)動圈數(shù)均為6圈。

注：1. 筒體，2. 轉(zhuǎn)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(shù)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(shè)置萎凋溫度30?℃，相對濕度60%，時間12?h，萎凋結(jié)束時鮮葉含水量約61%；萎凋結(jié)束后，將萎凋葉混勻，在55型揉捻機中進行揉捻，轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)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(yīng)面設(shè)計

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

表1 試驗因素及水平設(shè)計

1.6 感官評價方法

茶葉樣品的感官審評小組由5名經(jīng)過專業(yè)機構(gòu)培訓(xùn)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(quán)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(jié)果。

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用Design Expert 13.0（美國Stat-Ease公司）進行試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)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(jié)果與分析

2.1 不同柔性刮板轉(zhuǎn)速下EDEM分析

各轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速情況下各區(qū)域中各類型茶葉顆粒的數(shù)量，計算結(jié)果如表2所示。由方差計算結(jié)果可知，柔性刮板轉(zhuǎn)速在36(°)·s-1時計算所得的標準差、方差數(shù)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(jié)果相同。此外，經(jīng)前期試驗發(fā)現(xiàn)，當柔性刮板轉(zhuǎn)動速度超過36(°)·s-1時，發(fā)酵葉會在滾筒內(nèi)形成團塊，緊結(jié)的團塊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致內(nèi)部茶葉缺失氧氣而發(fā)酵不足，影響茶葉品質(zhì)，因此選擇36(°)·s-1作為柔性刮板旋轉(zhuǎn)速度的上限進行下一步的工藝參數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)平均值。根據(jù)不同區(qū)域中不同種類的茶葉顆粒數(shù)量，計算出該區(qū)域茶葉顆粒的算數(shù)平均值。

（2）計算方差。根據(jù)不同種類的茶葉顆粒的數(shù)量與該層區(qū)域茶葉顆粒數(shù)量的算數(shù)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(shù)量表

2.2 發(fā)酵性能參數(shù)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(jié)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(yīng)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(shù)2值為0.964?6，表明模型的擬合度較高，即模型的預(yù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yù)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(yù)測分布圖（B）

表3 試驗設(shè)計方案及響應(yīng)值結(jié)果

表4 感官審評多種回歸模型方差分析

表5 響應(yīng)面方差分析結(jié)果

注：*表示對結(jié)果影響顯著（＜0.05），**表示對結(jié)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(jù)方差分析結(jié)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(zhì)，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(yīng)值的影響存在明顯的交互作用（表5）。

雙因素交互效應(yīng)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(yīng)，作出響應(yīng)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(xiàn)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(jié)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(jù)響應(yīng)面結(jié)果提出的最優(yōu)工藝參數(shù)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(shù)驗證

結(jié)合加工過程中操作實際，將優(yōu)化工藝參數(shù)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(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)進行紅茶加工，以傳統(tǒng)發(fā)酵為對照，感官審評結(jié)果如表6所示。結(jié)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(shù)對提升紅茶感官品質(zhì)具有良好效果。

圖5 各因素對感官評分的響應(yīng)曲面

表6 優(yōu)化發(fā)酵工藝參數(shù)驗證結(jié)果

3 結(jié)論

本研究通過EDEM分析柔性刮板不同轉(zhuǎn)速下茶葉顆粒的均勻性，經(jīng)方差分析發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)動圈數(shù)相同時，轉(zhuǎn)速36(°)·s-1下發(fā)酵茶葉分布的均勻性最好?；?6(°)·s-1的轉(zhuǎn)速，通過RSM分析優(yōu)化滾筒式紅茶發(fā)酵機的工藝參數(shù)。結(jié)果表明，發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、翻拌間隔等參數(shù)均可以顯著影響紅茶的感官品質(zhì)，且除了發(fā)酵時間與翻拌間隔外，3個參數(shù)之間具有明顯的交互作用；各因素對紅茶品質(zhì)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(shù)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(zhuǎn)速、發(fā)酵工藝等參數(shù)的明確，將對河紅茶提質(zhì)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(lǐng)域仍處于推廣應(yīng)用階段，在環(huán)境溫度較低的情況下，易出現(xiàn)發(fā)酵效果不理想、連續(xù)化生產(chǎn)產(chǎn)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(nèi)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(jié)構(gòu)，增設(shè)保溫模塊，如添加性能良好的保溫材料，實現(xiàn)增溫增濕與保溫保濕相結(jié)合，節(jié)約加熱功率，達到恒溫節(jié)能的效果，降低生產(chǎn)成本。同時可通過增設(shè)自動化生產(chǎn)線實現(xiàn)紅茶動態(tài)發(fā)酵，實現(xiàn)物料自動運輸和發(fā)酵，提高連續(xù)化生產(chǎn)產(chǎn)量，以期達到紅茶連續(xù)化生產(chǎn)的同時實現(xiàn)品質(zhì)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(diào)控技術(shù)研究進展[J]. 中國農(nóng)學(xué)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(lián)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(xué), 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(shè)計及試驗研究[J]. 茶葉科學(xué), 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(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)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(shè)計中的應(yīng)用研究[J]. 中國農(nóng)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(nóng)機化學(xué)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(xué), 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(zhì)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(yīng)面法優(yōu)化黑毛茶渥堆工藝及其品質(zhì)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(jié)模型離散元仿真參數(shù)標定方法研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)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(yīng)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(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程項目（CXGC2023F18）、江西省科技合作專項（20212BDH80025）、浙江省領(lǐng)雁計劃項目（2023C02043）

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