摘要:为解决藏茶渥堆过程中发酵不均匀、渥堆时间长等问题,设计了一种藏茶卧式发酵机。该设备由罐体、搅拌装置、输送装置、温湿度控制系统等组成。发酵机控温保湿,集输送、发水、渥堆、翻堆于一体,电机带动搅拌轴转动罐内茶堆,由搅拌叶片实现翻堆。对罐体、输料装置、控制系统进行了设计,并确定罐体尺寸(4240mm×2300mm×3170mm)、发酵罐尺寸(内径×长)1900mm×3900mm,总容积11m3、罐体转速15r/min,工作温度20~100℃,最大容量1000kg。筛选了机械渥堆前的渥堆温度、渥堆时间和茶坯含水量,进行渥堆试验,最佳工艺参数为渥堆温度70℃、渥堆110h、茶坯含水量为30%。发酵机制成的藏茶成茶汤色橙红明亮,滋味醇和回甘,感官审评得分高于传统渥堆1.2分,渥堆周期缩短了24d。
雅安藏茶是四川边茶中的名优黑茶,因销于藏区而得名[1,2]。据中国茶叶流通协会统计,2018年,全国黑茶产量达31.89万t,成为仅次于绿茶的第二大茶类。雅安藏茶是四川黑茶的杰出代表,占四川黑茶产量的80%以上[3],2016年其品牌价值排名全国黑茶类第5名,在四川黑茶产业的地位举足轻重。现下藏茶加工大多沿用传统渥堆工艺,即自然渥堆和加温保湿渥堆[4],茶坯的水分、温度和相对湿度、微生物等较难控制,以致产品品质波动较大;因此,采用设备渥堆以保证藏茶的品质至关重要。吴绍帅等[5]研发了有自动潮水、保温保湿发酵、翻堆功能的双层保湿转动式普洱茶发酵罐,按30%的潮水比例发酵20d即可出罐,且品质在一定程度上优于传统发酵,减少了制茶损耗,降低了生产成本,提高了普洱茶生产效率和效益,但罐内茶叶的温度和水分含量无法得到精准控制。黄云战等[6]对普洱茶发酵罐的潮水量、菌种、翻转周期进行了试验,得到最优组合为潮水量27%、菌种100mL、翻转周期2d,用发酵罐发酵普洱茶25d左右即可出堆,发酵过程中茶堆最高温度未超过60℃,为微生物繁殖提供了理想温度,随着菌种的增加和潮水量的增多,发酵时间会更短,不能少于22d,但该设备影响正常翻堆,不能实现解块。孙杨锋等[7]改进了滚筒式普洱茶潮水机械,确定了滚筒长度和直径分别为1.5m和1m,转速28r/min,结合单片机自动控制系统实现了茶叶潮水的连续化和自动化,但该设备体积偏大、灵活性欠佳。马振纲等[8]构建了普洱茶发酵清洁化车间,当相对湿度在100%时开启风机只需要25s就可以使相对湿度降到85%,使发酵环境稳定。罗新文等[9]将普洱茶发酵罐的主轴管直径加大到75mm,解块叉杆直径增大到35mm,结果表明,相对湿度稳定在72%左右,温度维持在50℃,比较适合普洱茶的发酵要求,普洱茶品质稳定。
笔者吸收借鉴普洱茶发酵设备优点,设计了一种藏茶卧式发酵机。集送料、发水、渥堆、自动翻堆、温湿度智能调控等功能于一身,可完成输送、汽蒸、发水、渥堆、翻堆。从输料到出堆整个过程都由专业设备作业,获得了藏茶卧式发酵机的最佳工艺参数,以期为藏茶清洁化生产提供技术参考。
1、藏茶卧式发酵机的结构和工作原理
藏茶卧式发酵机由罐体、搅拌装置、输送装置和控制系统等4部分组成,如图1所示。罐体包括进茶口、罐身、封头、观察口等;搅拌装置包括搅拌轴、搅拌叶片、电机等;输送装置包括电机、匀叶器、壳体、螺旋叶片、螺旋轴等;控制系统包括触摸屏、加热模块、控湿模块、通风模块等。
图1藏茶卧式发酵机的结构
工作时,绿毛茶由输送装置从进茶口送入罐体内,搅拌轴旋转,打散绿毛茶;温湿度控制系统启动,蒸汽发生器向罐体内喷洒蒸汽以提高茶堆的温度和相对湿度,当温度和相对湿度达到预设值时,控制蒸汽发生器会停止喷洒蒸汽,由温度采集装置及时显示;若低于设定值,会进行升温提示;若高于设定值,会反馈至控制系统,通过喷头喷水或开启送风口和封头为罐内降温、排湿。进风口装有调节器,可调节进风速度和供氧,保证渥堆发酵所需的温度和相对湿度。罐内茶坯含水量采用水分快速测定仪检测。罐内密闭性较好,渥堆只需人工辅助观察渥堆叶状况即可。搅拌叶片连续带动茶堆翻转,渥堆适宜后,人工辅助打开出茶口,搅拌叶片打散和匀推茶堆,罐体底部的输送带匀速完成出堆,完成渥堆发酵。
2、主要部件的设计
2.1罐体和搅拌装置
依据《机械设计手册》[10]和《茶叶加工工程》[11],参考普洱茶发酵罐[5,6]和红茶发酵装置[12]设计理念,结合藏茶渥堆工艺要求,设计罐体和搅拌装置。罐体采用符合食品安全规定的不锈钢材质,耐用轻便无污染。罐体设有观察口,用于观察茶堆渥堆状态,进茶口和出茶口分别位于罐体正上方和左下侧。发酵机罐体为圆筒状,内外罐体间设有夹层,可控温、保湿。罐体内径1900mm、长3900mm,其容积的1/2(5.5m3)为工作容积,以满足渥堆时80~100cm的茶堆高度,装罐容量300~600kg。参照黄云战等[6]对普洱茶的研究成果,结合藏茶渥堆实践,将罐体转速设定为15r/min。因四川黑茶渥堆过程中茶堆温度应维持在45~71℃[13],故设定工作温度为20~100℃。发酵机整体尺寸(长×宽×高)4240mm×2300mm×3170mm。
搅拌装置横向设置于罐体内,包括搅拌轴和套装在搅拌轴外表面且沿其轴向间隔设置的搅拌叶片,搅拌轴穿过罐体侧壁,其一端穿过安装在支架上的轴承,另一端与机械传动机构连接。搅拌叶片的截面形状为开放式的三折线,三折线的中间线段垂直于搅拌轴的轴线,三折线两端的线段分别向相反的方向折叠且平行。旋转的搅拌叶片可以在茶堆发酵时用于翻堆,在出料时匀推和打散茶堆,使渥堆叶充分与气流接触,保证渥堆叶含水量和通氧量均匀分布。
2.2输送装置
输送装置长4800mm,壳体直径600mm,搅拌轴直径75mm,搅拌轴和搅拌叶片内部均为空心结构且互相连通。壳体内侧焊接间距相等、方向不同的直径为4~6mm的喷头,使高温蒸汽、水分能喷洒到绿毛茶中,提高其温度和相对湿度。输送装置主要由转轴、壳体、螺旋叶片、雾化喷头、蒸汽喷头等构成,集发水、汽蒸、输送于一体,为绿毛茶渥堆提供适宜且均匀的渥堆温湿度。输送装置启动后,蒸汽发生器开始预热,打开蒸汽阀门,通过安全阀和压力表确定蒸汽压力。水箱中装入食用水,打开控水阀门,通过流量计测量和水泵的调节控制流速和发水量。绿毛茶从进茶口加入,跟随螺旋叶片移动,先经过蒸汽喷头所在区域,进入输送机内腔中的高温蒸汽(130~150℃)对绿毛茶进行汽蒸,提升绿毛茶温度和相对湿度并软化条索,此时绿毛茶含水量达20%左右。绿毛茶经过雾化喷头所在区域,进行轻度的发水,而后绿毛茶被输送至出茶口,以重力方式进入罐内进行渥堆发酵,如图2所示。
图2输送装置
2.3控制系统
藏茶渥堆对环境的要求较严格[4,13,14],可通过控制温度、时间、茶坯含水量等3个可控因素,来确保渥堆的正常进行和渥堆质量。采用PLC控制作为主控,翻堆装置、加热模块、控湿模块及通风模块等构成控制系统,同时实现藏茶在渥堆过程中的定期翻堆、控温、控湿、通风、数据采集和存储。通过观察窗口对渥堆状态进行实时监控,并由PLC触摸屏对渥堆参数进行调节。其中,温湿度控制系统可完成罐体内温湿度信息的收集、显示及调控,温度的分辨率为0.1℃,相对湿度分辨率为3%。控制器可实现手动控制和自动控制。
3、发酵机渥堆试验
渥堆试验于2018年5月至7月在四川农业大学进行。三级绿毛茶由四川雅安西康藏茶集团提供。根据刘婷婷等[13]、熊元元[14]、胥伟[15]和夏涛等[4]的研究成果和前期预试验,选取渥堆温度(A)、渥堆时间(B)和茶坯含水量(C)为影响因素,以渥堆温度50、60、70℃,渥堆时间70、90、110h,茶坯含水量25%、30%、35%进行三因素三水平正交试验。每次渥堆绿毛茶用量100kg。获取设备渥堆的最优参数组合。
使用500kg绿毛茶,按优化后的最佳工艺参数进行发酵机渥堆。
使用5000kg绿毛茶,渥堆叶含水量30%~35%,扎堆后渥堆,适时翻堆,每次翻堆后及时补水,进行传统方法渥堆。
采用国标方法[16,17,18,19]测定藏茶的水浸出物、茶多酚、儿茶素总量、氨基酸、咖啡碱含量;采用蒽酮比色法[20]测定可溶性糖含量;采用系统分析法[21]测定茶色素含量;采用丙酮–乙醇混合液比色法[22]测定叶绿素总量。
参照GB/T23776—2018对藏茶进行感官审评。
试验数据采用Excel软件和SPSS22.0软件进行统计和分析。
4、结果与分析
4.1卧式发酵机渥堆工艺优化结果
结合前期预试验,采用正交设计优化渥堆温度、渥堆时间、茶坯含水量3个参数。发酵机渥堆藏茶品质成分含量和感官审评结果列于表1。
表1卧式发酵机渥堆藏茶品质成分含量和感官评分
极差分析结果(表2)表明,影响水浸出物、茶多酚、氨基酸、叶绿素、茶褐素含量的因素大小依次为渥堆温度、渥堆时间、茶坯含水量,即渥堆温度对藏茶水浸出物、茶多酚、氨基酸、叶绿素、茶褐素含量的影响最大,渥堆温度对于上述藏茶成分的影响更显著,最佳参数分别为A3B3C1、A1B2C1、A1B1C2、A1B1C3、A3B3C2。影响儿茶素、可溶性糖含量的因素大小依次为渥堆温度、茶坯含水量、渥堆时间,即渥堆温度对儿茶素、可溶性糖含量的影响最大,最佳参数分别为A1B1C2、A1B1C3。影响咖啡碱含量的因素大小依次为渥堆时间、茶坯含水量、渥堆温度,即渥堆时间对藏茶咖啡碱含量的影响最大,最佳参数为A1B1C3。不同品质成分相关的参数组合略有不同,而且就某个单一的成分含量的优化条件也无法确定最佳工艺组合,所以同时对不同渥堆处理得到的成品茶感官审评进行综合筛选,确定卧式发酵机的最佳渥堆工艺参数,结果影响感官审评得分的因素大小依次为渥堆温度、渥堆时间、茶坯含水量,与茶多酚、氨基酸、茶褐素等主要滋味物质影响因素的顺序一致,说明渥堆温度对成品藏茶感官评分的影响最大,渥堆时间次之,茶坯含水量的影响最小。综上,最佳工艺参数为A3B3C2,即渥堆温度70℃,渥堆时间110h,茶坯含水量30%。
表2卧式发酵机渥堆藏茶品质成分和感官评分的极差分析
由极差分析和方差分析(表3)可知,渥堆温度对藏茶品质的影响最大,渥堆时间次之,而茶坯含水量的影响最小。
表3卧式发酵机渥堆因素与藏茶品质方差分析
4.2发酵机渥堆与传统渥堆藏茶品质的比较
以获得的最佳工艺参数进行发酵机渥堆,以传统渥堆为对照,比较2种渥堆方式的藏茶的品质差异。发酵机渥堆过程中,罐内茶堆温度和相对湿度上升较快,且处于动态慢速发酵状态,故不需翻堆。传统渥堆翻堆间隔为6d,翻堆4次,30d出堆。
渥堆结束后,茶样的化学成分测定结果列于表4。
表4发酵机渥堆藏茶的化学成分
结果表明,发酵机渥堆与传统渥堆对比,藏茶咖啡碱、茶褐素、叶绿素含量减少,可溶性糖、水浸出物、茶多酚、氨基酸、儿茶素含量升高。2种渥堆方法的藏茶品质相近,但利用发酵机进行渥堆,渥堆时间大大缩短。
从审评结果(表5)看,发酵机渥堆藏茶与传统渥堆藏茶品质无明显差异,发酵机渥堆的藏茶汤色橙红明亮、滋味醇和回甘、香气陈浓。感官评分达92.95分,汤色、香气、滋味得分均高于传统渥堆工艺的。
表5发酵机渥堆藏茶的感官品质
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