電磁內(nèi)熱滾筒殺青對(duì)茶葉品質(zhì)的影響論文
本文以滾筒殺青為突破口，通過加熱系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，研制出新型電磁內(nèi)熱滾筒殺青設(shè)備（專利號(hào)ZL201020157446.2），以制品的感官品質(zhì)、能耗成本等為指標(biāo)提出適宜的應(yīng)用技術(shù)，解決傳統(tǒng)殺青存在的諸多不足，達(dá)到名優(yōu)綠茶殺青作業(yè)工效高、能耗低、易操作、品質(zhì)優(yōu)等多重目的，為綠茶加工提供技術(shù)儲(chǔ)備和參考。
電磁內(nèi)熱滾筒殺青機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)特點(diǎn)
1結(jié)構(gòu)組成
電磁內(nèi)熱滾筒殺青機(jī)主要由進(jìn)料裝置、滾筒、加熱線圈、排濕裝置、支撐機(jī)架、出料裝置、聯(lián)動(dòng)裝置、遠(yuǎn)紅外溫度感應(yīng)裝置、電控柜、保溫外殼等部分組成，如圖1、2所示。另有直流電機(jī)隱藏在殺青機(jī)底部，作為動(dòng)力源一方面帶動(dòng)滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)，另一方面通過軸承、三角帶帶動(dòng)定位拖輪與滾筒同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。
2工作原理及技術(shù)特點(diǎn)
該設(shè)備采用電磁加熱技術(shù)對(duì)滾筒進(jìn)行加熱作業(yè)。電磁加熱主要采用磁場(chǎng)感應(yīng)渦流原理，借助高頻電流通過環(huán)行線圈，產(chǎn)生無數(shù)封閉磁場(chǎng)力，當(dāng)磁場(chǎng)的磁力線通過導(dǎo)磁物，即會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，從而使導(dǎo)磁物自行高速發(fā)熱。由于該方法是直接對(duì)滾筒加熱，減少了傳統(tǒng)電熱管先加熱空氣，再由空氣加熱滾筒的兩道熱能傳遞所導(dǎo)致的熱能損耗，能量轉(zhuǎn)換率和熱能利用率顯著提高。在電磁加熱線圈外層包裹有經(jīng)特殊處理的云母板制作的保溫層，熱能能夠盡可能消耗于滾筒，不僅可縮短預(yù)熱時(shí)間，而且能夠大大改善加工環(huán)境條件。以新型遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱電藕溫度傳感裝置，對(duì)溫度的感應(yīng)和監(jiān)測(cè)更為迅捷、敏感，精度范圍可達(dá)±1℃便于精確控制滾筒溫度，減少熱能損耗。通過對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)及輔助裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和運(yùn)用，電磁內(nèi)熱滾筒殺青設(shè)備的熱效率可達(dá)50%～60%，溫度浮動(dòng)范圍可控制在±3℃之內(nèi)。借助電磁加熱技術(shù)，遵循“高溫殺青，先高后低”的殺青優(yōu)化工藝原則[16]，將整個(gè)滾筒劃分成3個(gè)溫度區(qū)段，并配置不同功率的電磁加熱裝置及溫度監(jiān)控反饋系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)各區(qū)段殺青溫度的獨(dú)立調(diào)控。通過對(duì)各區(qū)段滾筒溫度的精準(zhǔn)控制以及殺青溫度組合的優(yōu)化，既能保證滅酶迅速、徹底，又可防止殺青葉焦化，同時(shí)促使內(nèi)含物質(zhì)適度轉(zhuǎn)化，達(dá)到殺青葉色澤鮮活嫩綠、清香四溢、滋味醇爽的品質(zhì)要求，克服傳統(tǒng)滾筒殺青品質(zhì)穩(wěn)定性差、能耗高等缺陷。
材料與方法
1材料與試劑
茶鮮葉：品種為福鼎大白茶，嫩度為1芽1葉1芽2葉初展，對(duì)剛采下的茶鮮葉（含水率在74%±1%）及時(shí)稱量、裝袋和密封保樣處理。試劑：包括純凈水（分析純）、乙酸乙酯（分析純）、體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇、丙酮（分析純）、氯仿（分析純）等。
2主要設(shè)備與儀器
6CST-60D型電磁內(nèi)熱滾筒殺青機(jī)（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所與余姚姚江源茶葉茶機(jī)有限公司聯(lián)合研制，輸出功率110kW），6CST-40型滾筒殺青機(jī)（浙江上洋機(jī)械有限公司，電熱式，輸出功率21kW），DXCWS-15型微波殺青機(jī)（江蘇省宜興市鼎新微波設(shè)備有限公司，輸出功率21kW），6CSF-500型熱風(fēng)殺青機(jī)（浙江上洋機(jī)械有限公司，燃煤式），6CR-35型揉捻機(jī)（浙江上洋機(jī)械有限公司），6CHZ-10型燃油式熱風(fēng)烘干機(jī)（余姚姚江源茶葉茶機(jī)有限公司），SartoriusBT-124S型電子天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司，精度范圍為±0.1mg），UV-3600型分光光度計(jì)（上海彥哲儀器設(shè)備有限公司），DHG-9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司），審評(píng)茶具等。
3試驗(yàn)方法
以同一茶樹品種、同一嫩度標(biāo)準(zhǔn)的鮮葉為試驗(yàn)原料，采用相同的攤放方式、時(shí)間，隨后攤放葉按不同殺青工藝處理分別進(jìn)行殺青作業(yè)，將殺青葉分成2份，1份用于殺青葉品質(zhì)成分含量測(cè)定，重復(fù)3次，取平均值。另1份按照?qǐng)D3工藝流程制成綠茶樣品，進(jìn)行理化成分檢測(cè)以及感官品質(zhì)的評(píng)比與測(cè)分。在前期單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取前段筒溫、中段筒溫、后段筒溫以及殺青耗時(shí)等4個(gè)因素，每因素3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)及極差分析，各因素水平的試驗(yàn)安排見表1。通過對(duì)殺青葉、成品茶感官品質(zhì)審評(píng)以及主要品質(zhì)成分含量檢測(cè)，篩選出最佳的電磁內(nèi)熱滾筒殺青工藝參數(shù)。隨后將應(yīng)用最佳工藝的電磁內(nèi)熱滾筒殺青與傳統(tǒng)的滾筒殺青、微波殺青、熱風(fēng)殺青等進(jìn)行比較試驗(yàn)，并以品質(zhì)、能耗、工效為考核指標(biāo)開展綜合評(píng)價(jià)。本次試驗(yàn)以電磁內(nèi)熱滾筒殺青設(shè)備為載體研究了電磁內(nèi)熱滾筒殺青工藝對(duì)茶葉色澤、香氣、滋味等感官品質(zhì)的影響，通過殺青葉外觀評(píng)審（殺青程度、色澤、香氣和外形特征）、初制品感官審評(píng)以及主要品質(zhì)成分的檢測(cè)對(duì)殺青后的茶葉品質(zhì)進(jìn)行全面的試驗(yàn)分析，探索最佳的工藝參數(shù)；并與傳統(tǒng)殺青工藝進(jìn)行比較試驗(yàn)，驗(yàn)證電磁內(nèi)熱滾筒殺青技術(shù)的可行性、適用性和先進(jìn)性，從而為茶葉殺青作業(yè)提供新的技術(shù)和裝備。影響綠茶滋味、香氣品質(zhì)的因素較多，本試驗(yàn)著重分析了茶多酚、游離氨基酸、咖啡堿、可溶性糖、兒茶素、芳香油等關(guān)鍵成分的含量，它們一方面取決于鮮葉品質(zhì)（本試驗(yàn)采用同種原料進(jìn)行比較，可排除鮮葉品質(zhì)的影響），同時(shí)也受制茶工藝，尤其是殺青工藝的影響。茶多酚含量：福林酚試劑比色法（GB/8313-2008）；游離氨基酸含量：茚三酮比色法（GB/T8314-2002）；咖啡堿含量：紫外分光光度法（GB/8312-2002）；可溶性糖含量：硫酸-蒽酮法；葉綠素含量：分光光度法；兒茶素含量：高效液相色譜（HPLC）法，W2469高效液相色譜儀，VWD檢測(cè)器，色譜柱：ZORBAXSB-C18ODS，5μm，4.6mm×150mm；流動(dòng)相：A為0.5%甲酸，B為乙腈，流速1mL/min，柱溫40℃，檢測(cè)波長(zhǎng)280nm，進(jìn)樣量：5μL，梯度洗脫，流動(dòng)相B在16min內(nèi)由6.5%線性梯度變化到25%，25min回到初始狀態(tài)，平衡10min。所有測(cè)定重復(fù)3次，取3次結(jié)果的平均值。品質(zhì)感官審評(píng)：按GB/T13063-1992方法，取3g茶樣，加入150mL沸水沖泡5min后進(jìn)行密碼評(píng)審。評(píng)定外形色澤、湯色、香氣、滋味、葉底，每項(xiàng)滿分100分，總分采用加權(quán)法，品質(zhì)總分＝外觀×0.20+湯色×0.20+香氣×0.25×+滋味×0.25+葉底×0.10。筆者結(jié)合前期研究結(jié)果以及文獻(xiàn)資料[6,10,17]，提出以下殺青工藝技術(shù)參數(shù)。電熱管滾筒殺青：設(shè)置溫度280～300℃，中間筒壁溫度160～180℃，總耗時(shí)70s左右，投葉量50～60kg/h。微波殺青：微波頻率2450MHz，微波輸出功率21kW，時(shí)間160s，處理量60kg/h左右。高溫?zé)犸L(fēng)殺青：設(shè)置溫度280～320℃，中間筒壁溫度180～200℃，單周期總耗時(shí)150s左右，投葉量200kg/h。
結(jié)果與分析
1電磁內(nèi)熱滾筒殺青適宜工藝參數(shù)確定
以前期單因素試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，針對(duì)電磁內(nèi)熱殺青技術(shù)階段溫度、單周期耗時(shí)等因素的正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)本試驗(yàn)要求，茶多酚、氨基酸、可溶性總糖、兒茶素、葉綠素等品質(zhì)成分含量以高為好[14,18]。由表2中的Rj可知，殺青葉中茶多酚、氨基酸、可溶性總糖等品質(zhì)成分所對(duì)應(yīng)的四因素主次順序有所不同，其中茶多酚含量的影響因子A＞B＞C＞D，即鮮葉殺青前段溫度高低對(duì)茶多酚含量影響最為重要，最佳組合為A1B2C1D1；氨基酸含量影響因子的主次順序?yàn)锳＞B＞D＞C，同樣以最初階段的滾筒溫度為主要影響因子，最佳組合為A2B3C1D2；可溶性總糖、兒茶素、葉綠素等則以殺青單周期耗時(shí)為影響其含量的最關(guān)鍵因素，最佳組合分別為A3B3C1D1、A2B3C2D3、A2B1C1D1。因上述成分同成品茶的外觀、湯色、香氣、滋味、葉底等品質(zhì)指標(biāo)密切相關(guān)，本文借鑒成品茶審評(píng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，提出茶多酚、氨基酸、可溶性總糖、兒茶素、葉綠素等在正交分析中的權(quán)重系數(shù)分別是25%、25%、20%、20%、10%，經(jīng)綜合分析初步確定電磁內(nèi)熱滾筒殺青最佳因素水平組合為A2B3C1D1，即前段筒溫270℃、中段筒溫280℃、后段筒溫190℃，總殺青耗時(shí)控制為90s。然而該組合中段與后段筒溫的溫差過大，因熱脹冷縮原理易導(dǎo)致滾筒變形，進(jìn)而影響溫控均勻性和設(shè)備使用年限。為有效兼顧殺青葉感官品質(zhì)和設(shè)備機(jī)械性能，對(duì)最佳組合進(jìn)行微調(diào)，提出A2B2C1D2的因素水平組合，并開展對(duì)比試驗(yàn)（2種組合均未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)中）。試驗(yàn)結(jié)果顯示（見表3），相比較A2B2C1D2因素水平組合，A2B3C1D1參數(shù)組合殺青葉的茶多酚、氨基酸、可溶性總糖等含量均稍高（僅咖啡堿略低），但殺青葉感官審評(píng)差異不大，僅在香型上略有不同，A2B3C1D1組合偏重于高香，A2B2C1D2組合則側(cè)重于清香。通過對(duì)茶葉殺青效果（理化成分含量）、作業(yè)效率（殺青耗時(shí)）及經(jīng)濟(jì)效益等綜合分析，最終確定電磁內(nèi)熱滾筒殺青的適宜因素水平組合為A2B2C1D2。
2同傳統(tǒng)殺青方式技術(shù)特征及效果的比較
以目前生產(chǎn)上常用的電加熱滾筒殺青、微波殺青、燃煤式高溫?zé)犸L(fēng)殺青等方式及其工藝參數(shù)為對(duì)照，電磁內(nèi)熱殺青采用上述最佳技術(shù)參數(shù)，所開展的不同殺青方式效果比較結(jié)果見表4。從表4中可以看出，電磁內(nèi)熱滾筒殺青處理在制品色澤嫩綠、鮮活，清香四溢，較電加熱滾筒和高溫?zé)犸L(fēng)殺青具有更好的外觀色澤和鮮活度，香氣品質(zhì)則明顯好于微波殺青處理。化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果顯示，電磁內(nèi)熱滾筒殺青葉的氨基酸、葉綠素含量在4種殺青處理中最高，茶多酚、可溶性總糖的含量略低于微波殺青處理，較電熱管滾筒殺青和熱風(fēng)殺青顯著要高，為后續(xù)作業(yè)提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，進(jìn)而保證了成茶香氣、色澤等品質(zhì)的優(yōu)異。設(shè)備性能和能耗成本方面，傳統(tǒng)滾筒殺青設(shè)備采用電熱管二次制熱，先加熱空氣，再由熱空氣加熱滾筒的作業(yè)方式，熱效率僅為20%～30%。電磁內(nèi)熱殺青因采用了磁場(chǎng)渦流感應(yīng)技術(shù)，由加熱線圈直接對(duì)滾筒進(jìn)行加熱，熱效率有較大提升。據(jù)檢測(cè)，電磁內(nèi)熱殺青作業(yè)單位產(chǎn)能約為146kg/h（1芽1葉～1芽2葉初展鮮葉原料），平均耗電55.5kWh，即每公斤殺青葉耗電約為0.38kWh，作業(yè)耗能成本大抵與燃煤相當(dāng)（0.38元/kg），略低于微波殺青，顯著低于電熱管滾筒殺青。此外，與其他殺青技術(shù)相比，電磁內(nèi)熱滾筒殺青預(yù)熱時(shí)間短，熱能外耗小，可有效改善作業(yè)環(huán)境。不同殺青處理綠茶感官品質(zhì)審評(píng)結(jié)果如表5所示。由于電磁內(nèi)熱殺青技術(shù)對(duì)殺青溫度、作業(yè)過程的調(diào)控更為精準(zhǔn)、精細(xì)，在后續(xù)工藝相同的條件下，其試驗(yàn)茶樣的感官得分明顯高于其他殺青方式。外觀色澤和湯色明顯好于電熱管滾筒和高溫?zé)犸L(fēng)殺青，香氣、滋味等內(nèi)質(zhì)風(fēng)味方面則與高溫?zé)犸L(fēng)殺青相當(dāng)，顯著要好于微波和電熱管滾筒殺青。
討論
殺青是通過高溫作用鈍化鮮葉酶活，制止多酚類的酶促氧化，并促使蛋白質(zhì)、可溶性總糖等品質(zhì)成分進(jìn)行有益轉(zhuǎn)變[19]。理化成分的差異是決定不同殺青工藝處理樣品質(zhì)特色的內(nèi)在影響因素，如陳玉瓊通過殺青工藝比較制得低氟青磚茶[20]，白喜婷等利用微波殺青獲得高綠原酸含量的杜仲綠茶[21]；其對(duì)傳統(tǒng)綠茶化學(xué)成分及感官品質(zhì)的影響尤為顯著，如蒸汽、汽熱殺青因蒸汽的穿透力強(qiáng)，殺青時(shí)間短，茶多酚保留較多，水解產(chǎn)物增加較少，滋味爽口而欠醇厚；微波殺青同樣具有較強(qiáng)穿透力，滅酶迅速，葉綠素破壞少，色澤綠，且由于其熱傳遞的方向和水分散失方向一致，物質(zhì)轉(zhuǎn)化相對(duì)較蒸汽、汽熱殺青充分，口感也相對(duì)較醇[6-8,18,22-24]。從本試驗(yàn)結(jié)果看，采用滾筒模式作業(yè)的電磁內(nèi)熱殺青通過創(chuàng)新性分段處理，前段先以高溫快速滅酶，制止鮮葉內(nèi)的酶促氧化作用，隨后逐步降低后段的筒溫，不僅可防止持續(xù)高溫殺青造成焦邊焦葉和苦澀口感（可溶性黃烷醇增多[25]），而且有利于氨基酸、可溶性糖、芳香物質(zhì)等色香味品質(zhì)成分的形成，使得殺青葉色澤嫩綠、鮮活，清香四溢，所制綠茶色澤綠潤(rùn)、香氣清高、滋味鮮爽，內(nèi)質(zhì)風(fēng)味好于微波殺青，外觀色澤好于高溫?zé)犸L(fēng)和電管熱滾筒殺青。
相比較已有殺青技術(shù)，電磁內(nèi)熱滾筒殺青的特點(diǎn)在于一方面較好地保持了傳統(tǒng)滾筒殺青在品質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)，另一方面通過有機(jī)整合電磁加熱和紅外控溫等現(xiàn)代技術(shù)，使得熱效率較傳統(tǒng)電加熱滾筒殺青提高50%以上，溫度浮動(dòng)控制在±3℃之內(nèi)，達(dá)到縮短預(yù)熱時(shí)間、降低生產(chǎn)成本的目的。此外，電磁內(nèi)熱殺青采用數(shù)字化控制系統(tǒng)，不僅殺青均勻、穩(wěn)定，且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上葉、連續(xù)化生產(chǎn)，可有效減少勞動(dòng)用工。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，除了不斷在殺青工藝中融入高頻電磁波、紅外光波[13]等高新制熱技術(shù)外，運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)，引入PLC和模糊控制相接合的智能控制設(shè)計(jì)思想，使整個(gè)操控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)也將是殺青工藝今后發(fā)展的必然趨勢(shì)[26-27]。
結(jié)論
1）由正交試驗(yàn)與極差分析結(jié)果可知，電磁內(nèi)熱滾筒殺青技術(shù)影響殺青葉品質(zhì)成分含量的因素以前段滾筒溫度和單周期總耗時(shí)較為重要。經(jīng)過對(duì)茶葉殺青效果和經(jīng)濟(jì)效益綜合分析，提出電磁內(nèi)熱滾筒殺青在投葉量約為150kg/h時(shí)的適宜工藝參數(shù)為：前段筒溫270℃、中段筒溫250℃、后段筒溫190℃，總殺青耗時(shí)控制為105s。
2）對(duì)殺青葉及綠茶樣的感官審評(píng)顯示，電磁內(nèi)熱滾筒殺青處理在制品色澤嫩綠、鮮活，清香四溢，所制綠茶色澤綠潤(rùn)、香氣清高、滋味鮮爽，內(nèi)質(zhì)風(fēng)味好于微波殺青，外觀色澤好于高溫?zé)犸L(fēng)和電管熱滾筒殺青�；瘜W(xué)成分檢測(cè)表明，相比較傳統(tǒng)殺青，電磁內(nèi)熱滾筒殺青葉的氨基酸、葉綠素、茶多酚、可溶性總糖等含量略高，可為后續(xù)加工提供良好的物質(zhì)保證。
3）試驗(yàn)表明，電磁內(nèi)熱滾筒殺青具有熱效高、升溫快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)熱時(shí)間較電熱管滾筒殺青和燃煤式高溫?zé)犸L(fēng)殺青縮短13～20min，作業(yè)成本與燃煤式高溫?zé)犸L(fēng)殺青相近；同時(shí)通過與遠(yuǎn)紅外測(cè)溫、分段控溫技術(shù)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)殺青作業(yè)溫度和過程的精準(zhǔn)調(diào)控。
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