优质绿茶加工过程主要物理特性变化的研究

李琛，艾仄宜，余志，陈玉琼，倪德江*

优质绿茶加工过程主要物理特性变化的研究

李琛1,2，艾仄宜1，余志1，陈玉琼1，倪德江1*

1. 华中农业大学园艺林学学院/园艺植物生物学教育部重点试验室，湖北 武汉 430070；2. 江西省蚕桑茶叶研究所，江西 南昌 330203

以茶树单芽和一芽一叶为试验材料，采用恒重法、量筒法、TPA测试和应力应变拉伸测试，研究针形名优绿茶加工过程物料容重、质构特性和拉伸等物理特性的变化规律。结果表明，在针形绿茶加工过程中，茶叶容重呈先增后减的趋势，峰值出现在揉捻叶（含水量56%~58%），做形后期、固形和干燥过程茶叶容重急剧下降。塑性也呈现先增后降的趋势，在揉捻工序达到最大值，其后在做形过程（含水量58%~23%）均维持在较高水平，而在固形和干燥阶段显著下降。弹性的变化趋势与塑性相反，呈先下降再升高的趋势，在揉捻及做形过程（含水量58%~23%）处于最低水平。加工过程柔软性的变化幅度较小。茶叶的拉伸过程经历线性阶段、非线性阶段和塑性变形到断裂阶段。随着加工的进程，最大力呈先下降后升高（含水率56%~57%）的趋势，拉伸强度则呈增加趋势，弹性模量在揉捻前变化小（含水率56%~57%），但此后显著增加。相关性分析表明，加工过程茶叶的拉伸强度与含水率呈极显著的负相关。研究结果还表明，单芽和一芽一叶的主要物理特性在加工过程的变化不尽相同。除柔软性接近外，单芽原料的容重、弹性、最大力要高于一芽一叶，但塑性、拉伸强度、弹性模量要小于一芽一叶。除了塑性和柔软性接近外，单芽在各工序的容重和弹性均高于一芽一叶，但一芽一叶的弹性模量和拉伸强度在全过程均高于单芽，最大力在揉捻后显著高于单芽。说明在机械设计原理和加工工艺的掌握方面需要注意原料的差异性。

优质绿茶；加工；含水率；容重；质构特性；拉伸特性

农业物料的物理特性包括力学特性、热学特性、电学特性和光学特性等。目前有关农业物料物理特性的研究主要集中在植物茎和秸秆拉伸、弯曲、剪切和压缩等力学特性方面，并将这些基础性数据用于农作物抗倒伏育种研究以及收割、脱粒、打捆、粉碎等相关机械的设计与生产中[1]。

茶叶是我国重要的经济作物，但物理特性研究相对滞后。罗龙新[2]测定过不同嫩度与含水量叶片的柔软性、弹性、塑性，得出叶片越嫩，其柔软性、塑性、弹性越好，变形越容易，成条就越好；含水率34%~62%范围内，尤其是40%~55%范围，柔软性和塑性最好，弹性最差，为叶片变形成条的最佳时期；林燕萍等[3]以5个不同茶叶品种鲜叶为原料，分析驻芽一、二、三叶的弹性模量、最大应力与断裂应力等力学特性及粗纤维含量，表明茶树嫩梢力学特性与粗纤维含量关系密切；曹望成等[4]研究了茶树新梢节位、截面积、品种对其剪断力、折断力等指标的影响，结果表明折断式采摘机构能有效实现选择性采茶，可克服切割式采茶机“一刀切”的弊端，并大胆提出了折断式采摘器的基本工作参数；潘周光[5]分析了茶叶梗茎剪切特性与嫩度的关系，为茶叶嫩度的客观评价提供了新方法。对于茶叶加工过程物理特性的研究，王秀萍等[6]曾对蒸青茶叶的机械强度、破坏应力、弹性模量等力学特性进行研究，为减少加工过程蒸青茶的断碎现象提供科学的指导；张哲等[7]分析了揉捻过程中茶叶物理特性的变化规律，丰富了茶叶加工的基础理论。在其他茶类方面，黄伙水等[8]分析了乌龙茶造型各阶段柔软性、塑性、弹性等物理特性的变化，初步探明闽南乌龙茶成型机理；林燕萍[9]对不同季节乌龙茶品种的包揉叶拉伸力学特性及含水率、叶位、温度等影响因素进行了分析，探明乌龙茶力学特性对包揉质量的影响，为进一步研究乌龙茶造型工艺提供了理论科学依据。此外，龚琦等[10]还采用LRC数字电桥研究了干茶叶电容值等多项电特性参数，检测茶叶综合品质的正确判别率达94%以上。

绿茶是我国茶叶生产的主体茶类，其中名优茶又是绿茶中最重要的茶类，其产值占总产值的70%以上，对于茶区茶农增收致富起到良好的带动作用。然而，由于名优绿茶种类多、加工工艺复杂，机械化加工落后，连续化和自动化加工也刚起步，如何开发性能优良的加工机械一直是茶产业研究的重要领域。本文以我国生产范围广泛的针形名优茶为试验对象，研究优质绿茶加工过程茶叶容重、质构特性和拉伸特性等主要物理特性的变化，旨在为优质绿茶加工机械的设计以及工艺参数的制定提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用茶叶采自湖北省咸宁市汪大珍茶业发展有限公司茶园，茶树品种为福鼎大毫，采摘标准为单芽和一芽一叶。

1.2 处理

针形绿茶加工工艺流程为：鲜叶→摊放→杀青→揉捻→做形→固形→干燥[11]。鲜叶进厂后进行室内自然摊放，摊叶厚度3 cm左右，摊放时间为4 h。杀青在6CST-50型滚筒连续杀青机中进行（距进料口和锅底各30 cm处空气温度120~140℃，杀青叶含水量60%左右）。杀青叶经过30~60 min回潮后在6CR-45型揉捻机中揉捻（加压轻-重-轻，时间约40 min）。做形在11槽6CLZ-60型往复式理条机进行[锅底槽壁温度100~110℃，投叶量1.5 kg，含水量(20±2)%]，固形在6CZG-60型固形机中进行，干燥在烘焙机中进行（进风口温度80℃，时间34 min）。所有设备厂家为浙江绿峰机械有限公司。在摊放、杀青、揉捻工序结束后取样，做形过程取3次样，固形结束、干燥结束后分别取样，取样后充分冷却回潮，用密封袋装好，立即进行物理特性测试，测定时间不超过1 h。

1.3 分析方法

1.3.1 茶叶含水率

按照国标法（GB/T 8304—2013）进行，使用DHG-9246型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）对加工过程中茶叶的水分进行测定，每个样本3次重复。

1.3.2 茶叶容重

采用量筒法测定茶叶容重[9]。本试验采用振实法，将茶叶轻轻加入容器内，加料操作时，对相互勾挂的茶叶采用手工加料，使茶叶表面基本和量筒刻度线平齐，称取茶叶质量，按公式γ=(/)×103计算容重（—茶叶质量/g；—茶叶所占量筒体积/mL），每个样本3次重复。

1.3.3 茶叶柔软性、塑性和弹性

采用TMS-PRO型质构仪（美国FTC公司）测定。将试样装入透明圆筒容器中，不震动不压实，待茶叶表面与容器边缘平齐时，放在质构仪的载物板上，采用38.1 mm的圆柱挤压探头进行质构分析（Texture profile analysis，TPA）试验。质构仪可直接测出茶叶样品的弹性（BC）、样品高度（A点）及探头第一次循环结束脱离样品时的高度（B点）等，柔软性和塑性分别由图1示意计算得出，每个样本3次重复。

1.3.4 茶叶拉伸特性

采用UTM2000型电子万能实验机（深圳三思公司）测定，并对夹具进行改进。选取100 N传感器和定制的拉伸夹具（夹具一传感器一体化，夹持面经过处理，以防茶叶断碎；边角磨平，另外还粘了胶面材料），起始力为1 N，拉伸试验过程中通过力传感器采集数据。电子万能试验机配备软件Material Test 4.0，能够实时动态的显示力、变形、位移、加载速度及变化曲线。每个样本随机取20个茶条进行测定。

2 结果与分析

2.1 茶叶含水率的变化

加工过程茶叶含水率的变化如表1所示。随着加工的进行，茶叶含水率呈下降趋势，其中杀青和做形过程茶叶失水最多，含水率下降最快。单芽和一芽一叶含水率的变化趋势一致。

2.2 茶叶容重的变化

茶叶容重是指茶叶物料单位容积的质量，从一定程度上反映了茶叶的紧结程度。由表2可知，随加工的进行，不同嫩度原料，茶叶容重均呈先增后减的趋势，峰值出现在揉捻叶（单芽：683.93 kg·m-3，一芽一叶：524.51 kg·m-3）；做形后期以及固形、干燥过程茶叶容重急剧下降。图2反映出加工过程茶叶容重随含水率的变化趋势。总体来看，随含水量的减少，茶叶容重也呈先增后减的趋势，茶叶含水量在56%~58%范围容重最大。从成熟度来看，一芽一叶比单芽要老一些，形态上表现为更大和更长一点，这可能是导致一芽一叶容重比单芽小的原因。

图1 塑性、弹性和柔软性测定示意图

表1 针形绿茶加工过程茶叶含水率的变化

注：Ⅰ：单芽；Ⅱ：一芽一叶。下同

Note: Ⅰ: One bud. Ⅱ:One bud with one leaf. The same as follow

表2 针形绿茶加工过程茶叶容重的变化

注：同行不同小字母表示差异显著，P<0.05

Note: Different small letters in the same line indicated the difference at 0.05level. The same as follow

图2 针形绿茶加工过程茶叶容重随含水率的变化结果

2.3 茶叶塑性、弹性和柔软性的变化

塑性是指茶叶物料产生塑性变形或永久变形的能力。表3结果表明，不同嫩度原料，针形名优茶加工过程塑性呈现先增后降的趋势，在揉捻工序达到最大值，其后在做形过程均维持在这个水平，固形和干燥阶段显著下降。

从图3可以看出，含水量约在58%~23%范围，塑性值均维持在较高水平。一芽一叶与单芽相比，鲜叶塑性值为36.75%，显著高于单芽的31.63%，但随着加工的进行，两者的差距逐渐缩小，尤其是在揉捻以及做形过程几乎无显著差异。

弹性是指茶叶物料产生弹性变形或者恢复变形的能力。由表3可以看出，针形名优茶加工过程弹性的变化趋势与塑性相反，呈现先下降再升高的趋势，在揉捻及做形过程（含水量58%～23%）处于最低水平（图3）。一芽一叶与单芽相比，单芽鲜叶弹性值为25.13%，显著高于一芽一叶的20.93%，但随着加工的进行，两者的差距也逐渐缩小，但在做形后期、固形及干燥过程单芽的弹性值要高于一芽一叶。

表3 针形绿茶加工过程茶叶质构特性的变化

图3 针形绿茶加工过程茶叶塑性、弹性和柔软性随含水率的变化结果

柔软性指茶叶物料变形的难易程度。无论单芽还是一芽一叶原料，针形茶加工过程柔然性值变化幅度较小，单芽的变幅为54.29%~59.52%，一芽一叶的为52.32%~59.52%。

2.4 茶叶拉伸特性的变化

茶叶的拉伸过程经历3个阶段（图4）：一是线性阶段。位于应力-应变曲线的前半段，应力应变呈现线性关系，应力应变成正比，服从胡克定律。二是非线性阶段。位于应力-应变曲线的中段，此时阶段应力与应变为非线性关系，拉伸继续到叶片应力达到曲线最高点，即最大应力点，该点也是叶片保持细胞结构完整性的允许应力，也称强度极限，最大应力点对应的应变为最大应力点应变。三是塑性变形到断裂阶段。位于应力-应变曲线的下半段，即曲线下降阶段。当应力达到最高点后，叶片产生塑性变形，由于叶组织细胞结构严重破坏，使内应力明显下降；继续拉伸则使叶片发生断裂，该点称为断裂应力，对应的应变为断裂应变。

最大力是指茶叶试样在屈服阶段之后能抵抗的最大应力。表4分析结果表明，随着加工的进程，最大力呈现先下降后升高的趋势，由鲜叶的3.15 N下降到揉捻的0.91 N，在做形过程中又逐渐升高。茶叶干燥后一上夹具就断碎，很难测出力学参数。一芽一叶原料与单芽相比，从鲜叶到摊放过程，最大力均小于单芽，但揉捻后各工序最大力都高于单芽。

图4 茶叶拉伸的应力-应变图

表4 针形绿茶加工过程茶叶拉伸特性的变化

拉伸强度是指茶叶产生最大均匀塑性变形的力，为最大力与受力截面积的比值，反映物料的抗拉能力。由表4可知，从鲜叶到揉捻工序拉伸强度增加较少，但之后显著增加。一芽一叶各工序拉伸强度大于单芽，但从鲜叶到揉捻变化幅度略有不同，单芽鲜叶、摊放、杀青、揉捻分别为0.57、0.61、0.62、0.61 MPa，而一芽一叶鲜叶、摊放、杀青、揉捻则分别为1.18、1.40、2.76、2.27 MPa。由图5可以看出，单芽与一芽一叶变化趋势差异最大的是从含水率75%下降到57%范围。

弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度。单芽的弹性模量呈现先下降后升高的趋势（表4），杀青工序最小，为2.17 MPa。一芽一叶鲜叶和摊放变化小，随后显著增加。与拉伸强度一样，随含水量的变化，一芽一叶弹性模量值均高于单芽。但到固形工序（含水量12%~14%），该值异常升高，分别达到143.1 MPa和132.81 MPa。

断裂标称应变是试样在有屈服的情况下，夹具间距离的单位原始长度的增量，也就是断裂伸长率，反映了茶叶塑性能力的大小。在加工过程中，从鲜叶到摊放，断裂标称应变值变化小，但到杀青工序极显著升高，揉捻工序时又下降，其后做形工序升高，且相对稳定。与弹性模量值相似，到固形（含水量12%~14%），该值异常下降，单芽和一芽一叶分别降到5.82%和12.30%。

图5 针形绿茶加工过程茶叶拉伸参数随含水率的变化结果

2.5 相关性分析

分析加工过程各参数间的相关性，结果如表5和表6所示。从表可知，茶叶的拉伸强度与含水率呈极显著的负相关。经Excel拟合，得出单芽拉伸强度与含水率的关系为：y=0.000 32－0.066 7＋3.965 5，决定系数2=0.925；一芽一叶拉伸强度与含水率的关系为：y=–0.000 72＋0.002 5＋4.563 6，决定系数2=0.958。拟合曲线见图6。

3 讨论

茶叶加工过程形态的变化主要与含水量变化以及受力情况有关。一方面由于热的作用促进水分散失，鲜叶含水率从的75%左右下降到干茶的5%以下，茶叶由完全舒展形态逐渐收缩，变得弯曲、皱折，体积缩小。另一方面，由于机械力的作用，茶叶由原始形态变成针形、扁形、卷曲、珠形、条形等不同形态。

茶叶的容重和“三性”随形态而变化。鲜叶摊放时间一般5~8 h，此过程水分缓慢散失，主要受空气温度和相对湿度的影响，含水率下降，减重11%左右，因而茶叶体积有所收缩，容重增加；又因茶叶内聚性（内部结合紧密程度）减小，因此塑性增强，但弹性下降[12]。在杀青过程高温（叶温80℃）的作用下，茶叶水分显著下降，降至60%左右，茶叶减重20%左右，同时在滚筒的转动过程中茶叶受自重力、摩擦力的作用，体积进一步收缩，内聚性减小，容重显著提高，塑性和柔软性增强[2]。在揉捻过程，茶叶主要受扭曲力、摩擦力、挤压力、拉力等作用，由自然卷缩状变成紧细的条状，体积收缩，容重明显增加[13]。在做形过程，茶叶在理条机中往复运动，受挤压、碰撞、摩擦力的作用以及热作用，茶条变成紧细似针的外形，由于水分的下降，茶条逐渐由柔软变粗硬，容重下降，弹性和柔软性前期下降，后期升高[14]。在固形过程，由于热作用，茶叶含水量下降46%，且受自重力、摩擦力的作用，针形体积进一步收缩挺直，容重、塑性和柔软性显著下降，弹性增强[15]。在烘干过程，茶叶主要受热作用，含水量降至5%以下，茶叶变得硬脆，除塑性变化不大外，各指标均继续下降[16]。

表5 针形单芽茶各参数间相关性分析

注：**：在0.01水平（双侧）上显著相关。*：在0.05水平（双侧）上显著相关。下同

Note: **: Significantly correlated at 0.01 level (both sides) *: Significantly correlated at 0.05 level (both sides). The same as follow

表6 针形一芽一叶茶各参数间相关性分析

图6 针形绿茶加工过程茶叶拉伸强度与含水率关系拟合曲线

茶叶拉伸特性与也随茶条形态而变化。从鲜叶到杀青过程，茶叶形态只是逐渐收缩，皱折，最大力有减小的趋势。但揉捻后茶汁挤出，茶叶成条形，叶细胞破损，茶叶一拉就断，承受的最大力下降。之后随着做形过程的进行，茶叶含水率降低，茶条变得紧结，抗拉能力增强，最大力有一个增大的过程。干茶的最大力骤降是因为此时的茶叶含水率已经很低，茶叶很容易碎，稍微用力就发生断裂。拉伸强度与最大力以及茶条的截面积变化相关。加工过程截面积是逐渐减小的，尤其是揉捻后的做形过程，茶条随水分的散失以及外力的作用更加紧结，内应力增大，拉伸强度提高[17-18]。

茶叶物理特性的变化对于加工工艺以及设备的改进有重要意义。由于单芽鲜叶和摊放叶的容重大于一芽一叶，在设计与生产鲜叶输送带时要注意输送带带齿和匀叶器的设计要有区别，适宜于单芽杀青的带齿要低，匀叶器与皮带的距离能达到最小调节；相反，适宜于一芽一叶杀青的带齿要高一些。生产上最好配置两个输送带为宜，否则杀青效果不好。在理条做形时，每锅槽一芽一叶的量要增加，或者前期量少以利于透气保色，后期增加叶量有利于提高条索的紧结度。在揉捻工序，一芽一叶的塑性和弹性要低于单芽，要求加压要适当增加才有利于紧条。目前国内的全自动揉捻机组可全程实现开盖、加料、加压、下料，在实际生产中，不仅可以根据原料的老嫩来控制揉捻的工艺参数，还可根据不同茶类对揉捻程度的要求不同来进行调整。在做形前期（含水量43.8%~33.0%），一芽一叶的弹性明显高于单芽，说明理条时可以适当采用加压棒加压理条，有利于形成紧细的条索，但到做形后期茶叶弹性下降较快，应该及时减轻加压，否则会造成断碎。固形是针形茶加工重要的工序，无论是单芽还是一芽一叶，塑性均较好，需要利用一定的湿热作用，在固形力作用小的条件下进一步固定形状，此阶段温度不宜太高[11]。无论是单芽还是一芽一叶，杀青后揉捻过程茶条承受的最大拉力以及拉伸强度都较低，要求揉捻时加压力度一定要掌握适度。如果压力过大（尤其是后期）就会引起断碎，减少正茶率，影响经济效益。同时可以看出，叶的最大拉力以及拉伸强度都显著高于芽，这就要求在揉捻机自动加压程序设计时注意单芽的加压要轻。

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Research on Main Physical Properties of Tea Leaves in High-quality Green Tea Processing

LI Chen1,2, AI Zeyi1, YU Zhi1, CHEN Yuqiong1, NI Dejiang1*

1. College of Horticulture and Forestry Sciences Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Horticultural Plant Biology, Ministry of Education, Wuhan 430070, China; 2. Jiangxi Sericulture And Tea Research Institute, Nanchang 330203, China

Taking one bud and one bud with one leaf of tea as the test materials, the variations of physical properties of tea leaves such as bulk density, texture and tensile properties in needle-shaped green tea processing were studied by the method of constant weight and graduated cylinder, TPA and stress-strain tensile test. As a result, the bulk density of tea leaves was first increased and then decreased, with the peak in the rolled leaves (water content 56%-58%). it was sharply decreased during the post-forming, fixing and drying processes. The plasticity presented the same trend with the maximum appeared in the rolling process.It then remained a high level in the forming process (water content 58%-23%), and declined significantly during the fixing and drying processes. The trend of elasticity was opposite to the plasticity, with the lowest level in the rolling and forming processes(water content58%-23%). Less variation was observed in flexibility during the whole processing. The tensile process of tea leaves undergoed linear, nonlinear and plastic deformation to fracture stages. The trend of maximum force was decreased first and then increased (water content 56%-57%).The tensile strength was increased during the whole processing.The elastic modulus varied a little before the rolling process and then increased significantly. The correlation analysis shows that the tensile strength of tea leaves was significantly and negatively correlated with water content in the processing, and the diversification of main physical properties of one bud and one bud with one leaf in processing were not exactly the same. Besides the similar level of plasticity and flexibility, the bulk density, elasticity and maximum force of one bud were higher than that of one bud with one leaf.While the plasticity, tensile strength and elastic modulus showed an opposite trend. In the whole processing, apart from the similar level of plasticity and flexibility, the bulk density and elasticity of one bud in each process were higher than that of one bud with one leaf, but the elastic modulus and tensile strength showed an opposite trend. the maximum force of one bud with one leaf was significantly higher than that of one bud after the rolling process. In conclusion, the differences in raw materials should be emphasized in the principles of mechanical design and processing techniques.

high-quality green tea,process,water content,bulk density,texture properties,tensile properties

TS272.3

A

1000-369X(2019)06-705-10

2019-01-24

2019-02-27

国家重点研发计划（2018YFD0700505）

李琛，女，助理研究员，主要从事茶叶加工方面的研究，hanwuji1110@126.com。