电磁内热式绿茶毛火工艺参数优化与分析

袁海波，滑金杰，王近近，李 佳，江用文，邓余良※，王岳梁

0 引 言

烘干是各品类茶加工的最后一道工序，包含毛火工艺和足火工艺 2部分，其中以毛火工艺更为关键，其作用不仅是蒸发茶在制品水分，更重要的是伴随水分蒸发的同时发生的热化学反应，促进品质物质的转化和提升，促使茶叶优异香气、滋味、色泽等品质的形成[1-3]。目前生产上应用较多的毛火技术主要有热风毛火技术[4-5]、理条机毛火技术[6]、微波毛火技术[7-9]等，有关低温真空干燥技术[10-11]、远红外干燥技术[12]、低温真空-热风联合干燥[13-14]、微波-真空耦合干燥技术[15-17]、热风-无线电频耦合干燥技术等的研究和应用开始起步。其中，热风毛火技术应用最为广泛，传统主要以煤炭、燃气、电等为热源，通过加热空气对茶样进行烘干作业，可有效提升绿茶香气，生产效率高，但燃煤/燃柴式毛火易产生烟气，不易操作，这不仅会导致品质下降，同时会严重污染环境，现逐步被其他方式所取代，燃气式毛火设备存在初期投资较高、温控稳定性差等缺点，电热式烘干设备虽具有干净、清洁、操作方便等优势，但其多以电热管为热源，热效率低、运行成本较高，普通中小型茶叶生产企业难以承受；理条机毛火，主要通过茶样与锅壁的摩擦翻炒提升茶样的香气和滋味，然反复摩擦会导致叶绿素降解，进而叶色发黄发灰；微波毛火技术利用高频微波的震荡作用，使茶叶内部分子高速碰撞生热迅速提高物料温度，达到蒸发水分的效果，所制成茶色泽翠绿、均匀，然排湿效果差易产生水闷味，导致香气不佳。

现有毛火技术虽可不同程度地提升茶样香气、滋味品质，然多存在热效率低、温控不精准、热能分布不均匀、品质不佳不稳定等问题。为此本团队在应用最广泛的热风毛火技术的基础上，应用新型电磁内热技术为热源，同时添加余热回收装置和油-空气交换器，研制出电磁内热链板式烘干设备[18]（专利号CN204466786U），以期在提升茶样香气和滋味品质的同时，提升热效率和生产效率，获得稳定、优质的茶样品质，文章在前期单因素试验的基础上，以毛火样的品质成分含量和成品的感官审评得分为目标值，应用正交设计和极差分析，提出优化的电磁内热毛火工艺参数，并与传统的毛火技术进行性能特征比较，以期为实际绿茶毛火工艺提供技术参考。

1 电磁内热链板式烘干机结构组成和技术特点

1.1 结构组成

电磁内热链板式烘干机主要由烘干机主箱体构架系统、电磁加热热风发生系统、上料及输送系统、电器及温度控制系统等构成，具体如图 1所示。烘干机主箱体构架系统包含烘干机前后支撑、保温门板17、观察门9、前后侧门等，构建烘干机的整体构架；电磁加热热风发生系统包含热油泵18、电磁加热装置4、油-空气交换器5、轴流风扇3、进油管路22、风向导流条8、限流阀20等，为烘干机提供热源，对茶样进行烘干和提香作业，通过各组件的协同运行，提高热能利用率；上料及输送系统包括上料输送带15、匀叶装置16、余料存储口14、冲孔链板输送层27、出料口12等，促进物料匀速、高效、均匀地进出烘干系统，冲孔链板有利于热风能够层层穿透物料，多层链板的设置可显著提高工效和热效率；电器及温度控制系统由出油温度传感器 19、红外温度传感器28、电磁加热控制器25和电控柜组成，保证箱内温度均匀分布，实现热源温度和物料温度的精准监控。

1.2 技术特点

该设备是在一种电磁加热茶叶节能烘干机（专利号CN204466786U）的基础上，采用电磁加热技术对箱体进行加热作业，同时进一步加强对烘干环境温度和热风风速等的精准调控，具有以下特点：①克服传统燃气/燃煤式的温控稳定性差、电热式热效率低和运行成本高等问题，融入电磁加热技术，采用移相脉宽法调节升降温方式，保证加热装置在高温下功率不下降，并在输出回路增设电流测量回路，形成输出保护，确保电路有效的大负载输出，同时确定了负载线圈排列双组布置间距及相位角布置，在机体结构及罩板设置方面解决了对外干扰和加热装置的自干扰，采用轴流风扇更节能，能耗和噪音小于离心风机，多个轴流风机并联送风为全断面送风，风压和风量可满足茶叶毛火和足火工艺需要，更有利于箱体内湿度降低，茶叶香气更优异，同时箱体内风速调节更方便、均匀；②研制油-空气交换器，采用无缝钢管为导流体，同时叠加圆形散热片，设计 6排散热片的组成，油温最高可达 320 ℃，空气温度范围可达 160 ℃，可满足茶叶烘干作业所需，此方式能够迅速完成设备加热，并在短时间内即可达到设定温度，同时缩短热风路线，采用分层进风提高对流换热系数，减少能耗损失，热效率较传统电热式烘干机大幅度提升；③在油-空气交换器的进风端设计余热回收装置，采用部分热量回收方式对余热进行回收，利用余热空气加热进风空气来降低能耗，减少热量散失、提升热效率，与未采用余热回收装置相比加热时间大幅缩短缩短，节能效果显著，显著提升生产效率；④采用优质“不锈钢板+保温棉+冷轧钢板”组合保温材料和先进的温度测量反馈系统，反馈速度快、精度高，获得对电磁、热风、油泵等工序温度的精准和稳定调控（±2 ℃内），降低温度波动带来的能耗损失，同时对热风温度和热风风量的高可调性和稳定调控，保证不同批次茶样品质的稳定性，提升整体品质。

图1 电磁内热链板式烘干机整机结构Fig.1 Whole structure of chain plate dryer with electromagnetic heating

2 材料与方法

2.1 试验原料

茶鲜叶原料：福鼎大白茶品种，于余姚市姚江源茶叶茶机有限公司茶园基地采摘，采摘时间2015年8月12日，采摘标准为1芽1~2叶，含水率74%±1%。

2.2 主要仪器与设备

YJY-20S型连续摊青萎凋机，余姚姚江源茶叶茶机有限公司；YJY-GH4550-80型电磁滚筒-热风耦合杀青机，6CH-EM-25型电磁烘干机，中国农业科学院茶叶研究所与余姚姚江源茶叶茶机有限公司联合研制；6CR-55型组合式揉捻机，浙江上洋机械有限公司；6CMD-6018型名茶多用机，6CH-10型电热管式茶叶烘干机，6CHW-25型燃煤式热风茶叶烘干机，浙江绿峰机械有限公司；FTE-BTD型真空冷冻干燥机，美国 KINETIC公司；Sartorius BT 124s型分析天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；岛津UV-3600型紫外-可见近红外分光光度计，LC-20AD型高效液相色谱仪，日本岛津公司。

2.3 试验方法

2.3.1 试验设计

通过前期单因素试验（见图 2），选取热风温度（代号A）、热风风机转速（热风风量，代号B）、链板传动转速（毛火时间，代号C）3个因子，每个因子3个水平进行L9(33)正交试验和极差分析，进行电磁内热式热风毛火工艺参数优化试验，各因素设计如表 1所示（其中，热风风机转速参数在1 350 r/min时为极限值，因风量过大导致部分茶叶被直接吹出，故在正交试验时而弃选）。通过对毛火叶和成品茶进行品质生化成分检测和感官审评分析，筛选出最优的电磁内热式热风毛火工艺参数。随后应用最佳参数的电磁内热式热风烘干机与传统的燃煤式烘干机、电热管式烘干机、多用理条机进行比较试验，以感官品质（毛火样和初制品）、生化成分含量、能耗、工效等为指标进行综合评价，验证电磁内热式烘干技术的适用性和先进性。

图2 单因素试验结果Fig.2 Single factor test results

茶样中茶多酚[19-20]、氨基酸[21]、可溶性糖[22]、儿茶素[23-24]、咖啡碱[25]等物质含量的高低直接影响滋味、汤色、香气等内在品质，叶绿素[26]含量直接影响外观色泽和叶底品质，这些物质是茶叶重要的功能和品质成分，故本试验中着重分析了这些物质，同时结合初制品的感官品质进行电磁内热式毛火工艺参数的优化，以期获得高含量品质成分的同时，制作品质较优的绿茶。

2.3.2 制茶工艺流程及取样

制茶流程如图3所示，以1芽1~2叶的福鼎大白品种鲜叶为试验原料，采用相同的摊放方式摊放 12 h，摊放温度20 ℃、相对湿度65%，待含水率达到约70%后进行杀青作业[15]（滚筒温度270 ℃+250 ℃+190 ℃，热风温度105 ℃，热风风机转速920 r/min），杀青耗时2.0 min。回潮2.0 h后，进行揉捻工艺，而后将揉捻叶等分为9份，每份10 kg，进行正交试验设计的电磁内热毛火工艺（具体见表2），摊叶厚度采用生产中常用的参数，约2 cm，毛火结束后将毛火叶分成2份：1份置于液氮冷冻固样，然后低温冷冻干燥（低温–30 ℃，高温20 ℃），用于品质生化成分含量测定，重复3次，取平均值；另1份按照图 3的工艺流程进行足火，制成绿茶样品，进行生化成分检测及感官品质的评定。

表1 正交试验因素水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

图3 绿茶加工工艺流程Fig.3 Processing of green tea

2.3.3 传统毛火工艺参数

结合前期试验和文献资料[6,27-29]，与现有生产上应用较多的毛火工艺进行对比试验，各工艺的毛火参数如下：

燃煤式热风毛火工艺：设置温度 110 ℃，热风风机转速 1 100 r/min，链板传动转速 1 100 r/min，毛火时间7 min，摊叶厚度约2 cm。

理条机毛火工艺：设置温度 250 ℃，传动转速1 000 r/min，理条毛火时间10 min。

电热管式热风毛火工艺：设置温度110℃，热风风机转速 1 100 r/min，链板传动转速 1 100 r/min，毛火时间7 min，摊叶厚度约2 cm。

2.4 检测方法

茶多酚，福林酚试剂比色法（GB/T 8313—2008）；游离氨基酸总量，茚三酮比色法（GB/T 8314—2002）；可溶性糖，蒽酮比色法；叶绿素，乙醇提取分光光度比色法；儿茶素组分和咖啡碱含量，高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography）法[30]。

品质感官评审：参照 GB/T 23776-2009，取约 50 g茶样，把盘、评外形，后称取3 g茶样，加入150 mL沸水冲泡5 min后进行密码审评，采用评语与百分制打分相结合评定外形、香气、汤色、滋味，每项 100分，感官总分=香气得分×30%+滋味得分×30%+外形得分×20%+汤色得分×20%。

品质成分加权总值（quality material weighted values，QMWV）=茶多酚含量×25%+氨基酸含量×25%+可溶性糖含量×15%+儿茶素含量×15%+咖啡碱含量×10%+叶绿素含量×10%。

生产能力Vpc=M/T。其中M为单个制茶日能处理的毛火茶叶质量，kg；T为单个制茶日的工作时间，h。

能耗成本 Vec=VefP1t1/(Vpct1)。其中 Vef为电费，元/(kW⋅h)；P1为输入功率，kW；t1为加热时间，h；Vpc为生产能力，kg/h。

热效率 ηs=Q输出/Q输入×100%=cmΔt/(P2t2)×100%。其中Q输出为有效输出能量，J；Q输入为输入能量，J；c为比热容，J/(kg⋅℃)；m为质量，kg；Δt为温差，℃；P2为输入功率，W；t2为加热时间，s。

2.5 数据处理

试验数据采用SPSS22.0软件进行正交设计和极差分析，试验重复3次，结果以3个重复的均值表示。

3 结果与分析

3.1 电磁内热链板式毛火工艺参数优化

以前期单因素试验结果为基础，采用正交设计优化电磁内热毛火工艺的热风温度、热风风机转速、链板传动转速 3个参数，具体试验设计、生化成分检测和感官评定结果如表2所示。

表2 正交设计和极差分析优化毛火工艺参数试验结果Table 2 Results of first-drying process parameter optimization by orthogonal design and range analysis

由表2中极差分析获得的Rj可以看出，不同毛火工艺参数对毛火样品质不同的物质含量的影响能力不同，其中影响茶多酚、氨基酸、可溶性糖、叶绿素等物质含量的因子顺序为 C＞B＞A，即传动转速（毛火时间）对毛火样茶多酚、氨基酸、可溶性糖、叶绿素等物质含量的影响最大，即在一定的高温环境下，毛火处理时间对茶在制品的上述成分影响更显著，最佳工艺参数组合则不同，分别为 A2B2C3、A2B2C2、A3B2C1、A1B3C2/A1B3C3；影响儿茶素和咖啡碱物质含量的因子顺序为 B＞C＞A，即热风风机转速对毛火样儿茶素和咖啡碱物质含量的影响最为显著，最佳工艺参数组合均为 A1B1C3。可以看出不同品质成分对应的最佳工艺组合略有不同，而不同品质成分对成品茶的外形色泽、汤色、滋味、香气、叶底等属性影响巨大，根据试验目标值“望大特性”的要求，借鉴前期试验[30-31]的研究方法，以成品茶感官评各分属性的权重为依据，设定品质成分加权总值（Quality material weighted values /QMWV）这一参数代表茶叶的品质，将 6大品质物质统筹考虑进行电磁内热毛火工艺优化，同时以不同工艺组合下所获得的成品样感官总分为目标值进行综合分析，结果如表 2所示，可以看出影响品质成分加权总值和感官总分的因子顺序较为一致，即QMWV值可较好地代表成品样的整体感官品质，影响因子顺序均为 B＞A＞C，即热风风机转速对毛火样的品质加权总值和感官品质的影响最大，热风温度次之，链板传动转速的影响最低，最佳工艺参数组合分别为 A1B2C3（热风温度85 ℃，热风风机转速1 050 r/min，链板传动转速1 200 r/min）和A3B3C2（热风温度115 ℃，热风风机转速1 200 r/min，链板传动转速1 050 r/min）。

为此，以上述获得的 2组优化工艺参数进行对比试验，试验结果见表 3。可以看出，相对于 A1B2C3因素水平组合，A3B3C2组合获得的毛火样中氨基酸、叶绿素、咖啡碱等含量略高，可溶性糖和品质物质加权总值略低，但未达到显著性，而茶多酚和儿茶素含量显著较低，而所获毛火样的感官审评和成品的感官品质得分显著较高，色泽较润，香气高长，即高温毛火下有利于茶多酚和儿茶素等苦涩味物质的降解转换，高热风风速下可加快水汽的蒸发，防止闷味的形成。通过对毛火样感官描述和生化内质检测，以及对成品样的感官审评等综合分析，最终确定电磁内热链板式毛火工艺的最佳工艺水平组合为 A3B3C2，即热风温度 115℃，热风风机转速1 200 r/min，链板传动转速1 050 r/min。

3.2 与传统毛火方式性能特征及效果的比较

3.2.1 不同毛火方式的毛火效果及技术特征的比较

以燃煤式热风毛火、理条机毛火、电热管式热风毛火等现有生产中常用的毛火设备型号为对照，电磁内热式热风毛火采用上述所得的最佳工艺参数，进行毛火样生化成分和设备性能特征 2方面的效果比较，试验结果见表4。

表3 不同工艺参数毛火效果的比较Table 3 Effect comparison of different first-drying process combination

表4 不同毛火方式毛火效果的比较Table 4 Effect comparison of different frist-dring process

品质化学成分检测的结果显示，不同毛火方式对不同生化成分含量影响显著不同，4种毛火方式下叶绿素含量无显著差异，而氨基酸、茶多酚、可溶性糖、儿茶素等含量均以电磁内热式热风毛火处理显著高于其他 3个常规毛火，以理条机毛火处理相对最低，咖啡碱含量则以理条机毛火处理显著最高，品质物质加权总值以电磁内热式热风毛火工艺显著最高，然与燃煤式和电热管式热风毛火无显著差异。即 4种毛火方式相比，以电磁内热式热风毛火工艺最有利于品质物质的累积，可为提升茶样色、香、味等品质奠定最佳物质基础，而理条机毛火因茶在制作时直接与理条槽长时高温接触，导致内含生化成分因受热降解而含量较低。

设备性能特征方面进行比较，可以看出传统的燃煤式热风毛火以煤炭为热源，升温慢，温度波动范围大，能耗高，热效率低，仅20%～25%，且操作不当易产生烟味，有损品质；市售电热管式热风毛火设备多为10型，功率达180 kW，通过计算获得25型电热管式热风毛火设备功率高达540 kW，一般茶厂很难达到此功率，故电热管式仅适应于小型烘干机，生产效率较低，仅33.0 kg/h，且电热管做为热源生产成本较高，达2.82元/kg，热效率较低；理条机毛火通过电热管加热理条槽进而作用于茶在制品，温度分布不均匀，且因多为单机化作业，生产效率极低，仅 22.0 kg/h，不可连续化作业；而电磁内热式热风毛火采用电磁加热方式，并结合油-空气交换管式加热，升温迅速，功率仅120 kW，显著低于电热管式，预热时间仅 10.0 min，较传统燃煤燃柴毛火方式提升50.0%以上，合理的热风回路设计，使得温度分布均匀、稳定性高，同时余热回收装置可显著提高热效率，热能利用率提升 50%以上，降低生产成本，较电热管式减少1.50元/kg，减少约70%，优质的保温材料和温度探头，将温度浮动控制在2.0℃以内，热能外耗显著减少，生产效率高，达150.0 kg/h，较传统电热管式提升3倍以上，同时可连续化作业，操作简单。

3.2.2 不同毛火方式对成品感官品质影响的比较

不同毛火工艺所制成品绿茶的感官评审结果如表 5所示。燃煤式热风毛火所制成茶产生了烟味，直接拉低了滋味和香气得分，影响整体品质；理条机毛火下茶样长时与高温槽体接触，导致叶色发黄发灰，汤色偏黄；电热管式热风毛火整体品质尚可，但温控的不精准导致汤色和滋味略差于电磁内热式热风毛火；电磁内热式热风毛火温控精准、温度分布均匀、稳定性高，所制成品茶样，感官总分达 86.4，外形、汤色、滋味、香气等品质均显著高于其他 3个毛火工艺，即电磁内热式热风毛火工艺可获得较优的绿茶感官品质。

表5 不同毛火工艺制得绿茶感官品质比较Table 5 Comparison of sensory quality of green tea with different first-drying proless

4 结 论

1）由正交设计试验与极差分析结果可以看出，整体上电磁内热式热风毛火工艺中对毛火样品质生化成分含量和感官品质影响最为显著的因素是热风风机转速B，热风温度A和传动转速C对不同生化成分影响的显著性不同。经过对毛火效果和经济效益的综合分析，最终确定电磁内热式热风毛火的最佳工艺组合：热风温度115 ℃，热风风机转速1 200 r/min，链板传动转速1 050 r/min；在此毛火参数下所制毛火样的品质物质加权值为7.66%，所制成茶的感官品质得分为86.40。

2）对不同毛火方式毛火效果的比较分析表明，电磁内热式热风毛火工艺下所制毛火样的氨基酸、茶多酚、叶绿素、可溶性糖、儿茶素等物质含量均高于其他 3个毛火处理，品质物质加权总值显著最高，达7.66%；感官评审得分达 86.4，外观、汤色、滋味、香气等均不同程度地高于其他 3个毛火工艺，即电磁内热式热风毛火工艺可显著提升茶样整体品质。

3）对不同毛火方式性能特征进行比较分析可知，电磁内热式热风毛火工艺具有操作简单、升温快、控温精准、温度分布均匀、参数稳定性高、能耗成本低、生产效率高、热能利用率高等特点，预热时间较传统热源（煤、柴等）减少 50%以上，生产效率较电热管式毛火提高 3倍，电磁加热方式和余温回收装置的设计显著提升了热能利用率，能耗成本减少约70%，热效率提升50%以上，实现对毛火作业的精准、节能、高效调控。

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