新型可控葉溫紅茶發酵設備的研制和應用

鄧余良，袁海波，滑金杰，王近近，吳榮梅，余書平

1.中國農業科學院茶葉研究所，310008；2.開化縣特產局，324300

工夫紅茶是我國特有的茶類，也是傳統出口產品。近年來，國內茶葉市場對紅茶的需求量持續增長，對全國各產茶省形成刺激，2005年以來，我國紅茶產業再次進入振興發展的新階段，紅茶生產保持持續增長的態勢。紅茶產量超過1 000 t的地區從2012年的13個省（市、自治區）增加到2016年14個省（市、自治區）；超過5 000 t的地區從2012年7個省（市、自治區）增加到2016年10個省（市、自治區）；超過1萬t的地區從2012年的4個省（市、自治區）增加到2016年有5個省（市、自治區）。2016年紅茶產量達到21.8萬t，比2011年增長91.82%；紅茶產量占茶葉總產量的比重也逐年增加，由2011年的7.02%提高到2016年的9.06%。主要以工夫紅茶為主的內銷量逐年快速增加，2016年達到18.49萬t，占紅茶產量的84.8%，較2011年增長136.7%。

一、紅茶發酵機現狀與存在的不足

隨著工夫紅茶產量和銷量的增長，對紅茶的重要加工設備——紅茶發酵機的需求也越來越大，要求也越來越高，然而市場上的紅茶發酵機基本都存在以下不足。

1.紅茶發酵時，葉溫過高易導致發酵過度，茶葉產生酸餿味。目前市場上銷售的紅茶發酵機在溫度控制方面，只能加溫，不能降溫，更不能顯示和控制茶葉的葉溫。在夏季高溫條件下加工茶葉，葉溫就會過高，無法使用。如需降溫則要將茶葉取出翻動，費工費力，還會因監控疏忽導致葉溫過高，影響工夫紅茶的品質。

2.目前市場上銷售的紅茶發酵機，其濕度傳感器性能差或控制方式不合理，造成在高濕條件下，由于濕度傳感器加濕滯后，濕度過低，影響茶葉加工品質。

3.為保持發酵過程有充足氧氣，通常紅茶發酵機都配置間歇通風裝置，但此裝置的頻繁通風會導致發酵環境濕度過低，影響發酵質量和效率。

二、紅茶發酵的技術要求

1.紅茶發酵原理

紅茶發酵的原理是在以多酚氧化酶為主體的酶催化下，利用空氣中的氧，使多酚類化合物產生一系列的氧化作用，生成茶黃素、茶紅素等多種氧化產物。與此同時，其他物質在多酚類化合物氧化、還原的推動下進行比較復雜的化學變化，從而形成紅茶特有的色香味品質。紅茶發酵過程中，多酚類化合物的氧化，包括酶性氧化和非酶性氧化兩種，所謂的“發酵”實際是“氧化”。

2.溫度

溫度是化學反應的重要條件，紅茶發酵需要一定的溫度才能順利進行，溫度越高氧化反應越快，反之則越慢，但如果發酵溫度過高，容易發酵過度產生酸餿味，溫度過低，則會導致發酵時間太長，生產效率降低，一般發酵葉溫度控制在28～30℃比較合適。

3.濕度

紅茶發酵需要一定水分，水分是化學反應的重要介質，含水率過高，水膜包裹茶葉，茶葉含氧量降低，影響發酵，茶葉含水率太低，缺少水分，也會降低氧化反應速度，降低產品品質和生產效率，一般要求發酵機內空氣相對濕度為90%～95%。

4.氧氣

氧氣直接參與紅茶發酵過程，充足的氧氣才能保證氧化反應的進行，如果氧氣含量過低，多酚類物質氧化不充分，會影響紅茶發酵質量。

三、新型紅茶發酵機的研制思路

新型紅茶發酵機主要應用對象為加工中高檔工夫紅茶的企業，每次可發酵80～100 kg的揉捻葉（55型揉捻機2次揉捻的量），造價適中，使用簡單、方便。該發酵機既能升溫也能降溫，以滿足初春低溫和夏季高溫季節的使用要求，并能在線監測、控制茶葉溫度，發酵機濕度穩定保持90%～96%，濕度傳感器脫濕響應時間短，可避免顯示非真實參數，延誤加濕模塊工作，影響發酵。

四、材料的選擇

1.箱體材料

工夫紅茶發酵機工作時，機體內外最大溫差一般不會超過25℃，所以對材料的保溫性能要求不需要很高。穩態導熱系數≤0.5 W/(m·K)的材料都能滿足要求，包括金屬夾心發泡或保溫棉、木材、PE板、CPP板、有機玻璃板、玻璃鋼等。

2.制冷單元

紅茶發酵機制冷時，降溫幅度一般不超過10℃，中大型發酵設備采用普通冷媒空氣調節設備，小型紅茶發酵設備也可采用半導體制冷設備，內循環制冷，冷風出口必須在發酵機上部，制冷量≥100 W/m3。

3.制熱單元

制熱時，升溫幅度可達25℃，所以制熱量需適當放大，但制熱量過大會導致溫度波動幅度太大，可采用防水石英紅外管安裝在發酵機下部，自然內循環加熱，制熱量≥200～250 W/m3；溫度傳感器選用精度≤0.5℃的防水熱電偶。

4.濕度調節單元

發酵機一般都在相對濕度90%～95%高濕狀態下工作，只要停止加濕即可降低濕度，所以只需配置加濕設備即可，加濕設備一般采用超聲波霧化設備，每立方米加濕量≥1 500 mL/h；溫濕度傳感器要求：當相對濕度超過95%時，電阻式濕度傳感器的濕敏膜會因濕潤而溶解，厚度會發生變化，如反復結露和潮解，會導致傳感器失效；當相對濕度超過80%時，電容式傳感器在結露和潮解狀態時也不能正常檢測。所以采用的濕度傳感器要求線性度強、抗污染能力強、測量量程0～100%、響應速度快、精度±3%。

五、新型紅茶發酵機性能檢測與應用

首批制造的新型發酵機容積約為1.3 m3，箱體采用的金屬夾聚氨酯發泡板，發泡厚度3 cm；制熱原件采用功率1 000 W石英紅外發熱管；制冷單元采用1臺制冷量為220 W的制冷機，采用R410a制冷劑；加濕模塊采用1 500 mL/h超聲波霧化換能板；空氣溫濕度傳感器采用量程為0～100%的一體式傳感器；葉溫傳感器采用精度為±0.1℃的K型不銹鋼防水熱電偶，采用低溫空氣降溫，發酵筐采用打孔直徑2 mm不銹鋼板加工。

隨機選取1臺新型發酵機檢測其性能，試驗時間：2018年5月8日；茶樹品種：鳩坑20；茶鮮葉嫩度：一芽二葉。鮮葉進行常規萎凋和揉捻后投入發酵機，設置發酵4 h、發酵機內溫度28℃、發酵機內相對濕度95%、茶葉限高溫度30℃，在整個發酵過程中每0.5 h記錄機內空氣溫濕度和含氧量、茶葉溫度、室溫等參數，結果如圖1、圖2。由圖可見，室溫基本穩定的條件下，在4 h的發酵過程中，發酵機內的含氧量始終保持在21%，非常充足；發酵0.5 h時，發酵機內的溫度、濕度都已達到設計需求參數，且穩定性好；發酵筐內的茶葉溫度，在穩定的發酵環境條件下，多酚類的氧化反應非常順利，發酵2.5 h就已達到最佳發酵溫度，發酵至3.5 h達到限高值30℃后一直保持在30℃。由此可見，新型可控葉溫紅茶發酵機運行狀態良好，完全達到設計的要求，是一臺使用方便、狀態穩定、功能人性化、完全符合茶葉加工技術要求的紅茶發酵設備。

圖1 紅茶發酵過程中室溫、機內空氣溫度、茶葉溫度變化

圖2 紅茶發酵過程中機內濕度和含氧量變化