多波長LED白茶復合式光萎凋生產線設計與關鍵模塊配置

2021-11-23 06:04:01林宏政俞少娟郝志龍金心怡林振傳邵克平孫云

中國茶葉 2021年11期

林宏政俞少娟郝志龍金心怡林振傳邵克平孫云

摘要：結合生產實踐經驗，分析了傳統白茶萎凋環境因素對白茶品質的影響，開展了多波長LED白茶復合式光萎凋生產線設計，以生產線功能模塊方式進行分析，并重點介紹了生產線關鍵模塊配置，以期為白茶光萎凋連續化生產線研究提供相關理論依據。

關鍵詞：多波長;LED;白茶;萎凋;生產線;模塊

Design and Key Module Configuration of

Multi-wavelength LED White Tea Composite

Light Withering Production Line

LIN Hongzheng1， YU Shaojuan1， HAO Zhilong1， JIN Xinyi1， LIN Zhenchuan2， SHAO Keping2， SUN Yun1*

1. College of Horticulture， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China;

2. Fujian Pinpinxiang Tea Industry Co.， Ltd.， Fuding 355200， China

Abstract： Combined with practical production experience， this paper analyzes the impact of traditional white tea

withering environmental factors on white tea quality， carries out the design of multi-wavelength LED white tea

composite light withering production line， which is analyzed in the way of production line function module. This

paper focuses on the key module configuration of the production line， in order to provide relevant theoretical research

basis for the research of white tea light withering continuous production line.

Keywords： multi-wavelength， LED， white tea， withering， production line， module

白茶是六大茶類之一，為我國特有茶類，主要產區為福建福鼎、政和、建陽、松溪、福安、柘榮、霞浦、周寧等地[1-3]。其品質特征為外形身披白毫，色澤銀白、灰綠為主;湯色淺黃或橙黃;香氣清高帶毫香;滋味鮮爽醇厚帶毫味;葉底嫩勻肥軟。近年來，白茶因其特有的抗氧化、清熱解毒等保健功能[4-7]和收藏價值備受消費者關注和喜愛，“白茶熱”持續升溫[2，8-9]。白茶加工分為萎凋（后期并篩并堆）、干燥2個工序。其中，萎凋是白茶品質形成的關鍵工序，生產中常見有日光萎凋、室內自然萎凋、復式萎凋、熱風加溫萎凋等。日光萎凋作為傳統工藝，對白茶香氣等的形成具有重要作用。袁弟順[10]研究認為，經過日光萎凋、復式萎凋的白茶香氣高、滋味醇厚，優于自然萎凋和熱風萎凋;陳濟斌等[11]將白茶節能日光萎凋房與變頻萎凋機相結合，模擬傳統復式萎凋模式，試驗結果表明設施復式萎凋白茶品質優于自然萎凋。

近年來，空氣能除濕技術和光萎凋技術在烏龍茶、紅茶、白茶、綠茶加工中開始研究和應用，白茶萎凋新技術要求實現萎凋過程連續化、清潔化、規模化。2011年福建農林大學茶葉研究所與福建品品香茶業有限公司合作，共同開發了多波長LED光萎凋白茶連續化生產線并應用于生產，取得良好效果，有助于解決因天氣、季節和生產經驗差異等因素導致白茶產品品質不穩定的難題。

一、傳統萎凋環境因素對白茶感官品質的影響

白茶萎凋過程中萎凋葉失水速度、失水均勻性和萎凋失水程度的把握對形成白茶特殊風味品質有著重要作用，而這些參數又受到溫度、相對濕度、光照、通風條件等因素的影響。早期白茶生產極易受天氣影響，民間有“天熱變紅、天冷變黑”的經驗之談。

生產經驗表明，當萎凋溫度過高，環境相對濕度過小時，則易導致萎凋葉失水速度過快，萎凋總歷時過短，鮮葉內含成分轉化不足，所制毛茶色澤多為燥綠，帶青氣，滋味澀;當萎凋溫度低，環境相對濕度大時，則萎凋葉失水速度過慢，萎凋總歷時過長，所制毛茶色澤暗黑，香氣不良（表1）。

生產過程中，遇到先晴后雨、先雨后晴、悶熱或雷雨等天氣時，傳統自然萎凋無法及時調控萎凋葉失水速率，如遇低溫高濕的陰雨天，則應在萎凋葉含水率為30% ～ 35%時，提前結束萎凋進行干燥，否則將嚴重影響白茶品質。因此，白茶生產中對環境因子的調控至關重要，一般要求萎凋環境溫度20 ～ 25 ℃，空氣相對濕度50% ～ 80%，歷時48 ～ 72 h為宜。

二、多波長LED白茶復合式光

萎凋生產線模塊設計

多波長LED白茶復合式光萎凋生產線的設計思路是將篩選出的合適的特異光譜LED光與節能型空氣能技術相結合，采用清潔能源（電加熱）來代替傳統的燃料（煤、木柴）燃燒供熱，鮮葉從茶園采摘到儲青室再到生產線，全程不落地，從而真正達到白茶的清潔化、自動化、模式化、現代化標準生產，人工模擬晴天日光萎凋條件，改變傳統“看天做茶”的受限模式，解決春季陰雨天白茶萎凋問題。

多波長LED白茶復合式光萎凋生產線根據功能拆分進行模塊化設計，主要包括：溫控模塊、濕控模塊、光控模塊、風控模塊、自動化攤青作業模塊、氧循環模塊、環境參數采集模塊、遠程實時監控模塊、降塵除塵模塊等。生產線主體設備結構（圖1）包括：獨立萎凋房、上青勻葉斜輸裝置、網帶式多層萎凋床、LED光組合燈帶、空氣能除濕機、降塵芯、輔熱裝置、負壓軸流風機、環境參數采集器、排氣扇、遠程實時監控器、總控制系統等部分。

1. 溫控模塊

白茶全年產量高峰期主要集中在春茶、夏茶、秋茶3季，其中春茶產量約占全年產量的50%。而春季制茶生產時常遇低溫高濕天氣，如梅雨時節，不利于萎凋葉水分散失，且嚴重影響白茶的品質。目前，茶廠主要采用熱風爐（燃煤、燃柴、燃生物顆粒、燃油等方式）加熱輸送干燥熱風來控制萎凋房的溫度，常采用單邊單向熱風管道輸送熱風來提高萎凋房溫度，但此方式易造成萎凋葉上下層、遠近位置之間的溫度不勻，導致單批次毛茶的萎凋程度不一致，影響產品質量。LED復合式光萎凋生產線溫控模塊是優先采用清潔化能源新技術，如電、碳纖維、空氣能加熱等，要求溫度在20 ～ 35 ℃內精準可調，確保供熱穩定，受熱均勻。同時，獨立萎凋房具備良好的保溫性能，可明顯減少熱量損失，提高熱效應。

2. 濕控模塊

根據生產經驗可知，當鮮葉萎凋失水率為55%左右時，即達到白茶萎凋適度。一般白茶萎凋過程的失水速率控制在每小時1% ～ 3%，不可過快或過慢。以單批生產量為1 500 ～ 2 500 kg鮮葉的LED復合式光萎凋生產線為例，要達到萎凋適度，鮮葉總失水量為825 ～ 1 375 kg，按初制生產1輪次24 h計算，平均萎凋每小時失水量34 ～ 57 kg。傳統生產上常用吊頂式風扇或壁掛式搖頭風扇，這些方式極易造成萎凋房局部溫濕度不均勻。復合式光萎凋生產線濕控模塊是通過節能型空氣能除濕機+負壓軸流風機+萎凋房頂排汽排濕等綜合工程技術，將萎凋房相對濕度精準調控在50% ～ 80%，要求在保證熱量不過度損失的前提下，排濕排汽穩定迅速，從而達到萎凋所需的濕度要求。

3. 光控模塊

傳統日光萎凋、復式萎凋的白茶品質較好，但易受自然天氣條件所限，人力消耗大，萎凋歷時較長，難以達到穩定的規模化生產;用萎凋槽加溫萎凋工藝加工白茶，雖然萎凋歷時短，但制優率不高，且產品常出現色澤青綠、干茶帶青氣，茶湯色淡如水、味薄且有生青味等現象。近年來，人工光補償技術逐漸在茶葉生產中試驗應用，比如日光燈、白熾燈、離子燈、鏑燈、紅外燈等人工光源的應用，不同光源、光質、光強對茶葉風味品質影響是近年來研究的熱點。新型復式萎凋生產線光控模塊采用多波長、低耗能型LED光源，模擬白茶“日光萎凋”所需的光譜與光照強度等條件，解決陰雨天時生產中無法進行日光萎凋或光照不足的難題，并可實現全天隨時模擬日光穩定生產。本研究以早晚弱陽光萎凋強度25 ～ 50 μmol/（m2·s）為參考依據，通過系列篩選試驗，將LED黃光、LED藍光、LED白光進行組合，合理配置燈具間距，使其達到白茶光萎凋所需的光強度、均勻度。

4. 風控模塊

白茶萎凋環境三要素“溫度、相對濕度、氣流”中，氣流是最易被忽略的因素。氣流對萎凋房內生產線的溫度、相對濕度、氧氣等因素起直接調節作用，氣流的風量、風速要依白茶生產線的容葉量、失水量、萎凋時間等因素適時調整參數。本研究在對白茶萎凋風速的研究中發現，生產線萎凋層間的平均風速控制在0.5 ～ 1.0 m/s時有利于白茶優良品質的形成，無風或風速過大對白茶萎凋品質不利，且不同萎凋時期風速不同，前期可適當增大風速以加快鮮葉失水，萎凋后期要適當減小風速以減緩萎凋失水速率。氣流控制不僅直接影響萎凋失水速率，更影響萎凋的均勻性，因此，各軸流風機的導風板換向角度與頻率至關重要，風控模塊可實現風速、換向角度、換向頻率的調節功能。

5. 自動化攤青作業模塊

在傳統白茶生產中，人工攤青、并篩、下葉勞動強度大且不均勻，如將單批次2 000 kg鮮葉攤青、并篩、下葉收堆，需要24名工人，若每名工人薪資為150 元/d，則萎凋用工成本為3 600 元/d。為降低人工成本，提高各生產批次茶葉品質的一致性，應用復合式光萎凋生產線可減少80%以上用工量，一般只需3 ～ 4人，其中1人負責生產線運行操控，1 ～ 2人負責儲青室喂料上葉，1人輔助勻葉。這要求生產線具備自動上葉、自動勻葉、自動攤葉、自動下葉等節省人力的功能。萎凋生產線需達到清潔化生產要求，以食品級不銹鋼為結構材料，生產線采用全自動多層網帶式萎凋機，網帶采用聚酯網帶，需符合食品安全要求。

6. 氧循環模塊

白茶是微發酵茶，如果在過度密閉空間內萎凋，加工成的白茶色澤枯黃綠，香氣悶氣顯，湯色橙黃較暗，滋味淡薄欠鮮爽，葉底花雜不勻。因此，生產過程中在盡量減少萎凋房內熱損耗，保證熱平衡的前提下，通過萎凋房頂部和底部相應的排氣扇對萎凋車間進行間歇性的排碳輸氧，即適當輸入新鮮氧氣，排出過量的CO2，使在制葉在緩慢的萎凋失水過程中進行微發酵，有利于白茶鮮爽風味品質的形成。氧循環模塊要求具備手動模式、自動定時模式、智能識別模式，以達到自動化智能化的生產要求。

7. 環境參數采集模塊

春季鮮葉含水量較高，受空間場地限制和白茶萎凋歷時長的影響，在相對密閉的萎凋房常易出現高溫、高濕環境。此外，由于加工廠房高度較高，易造成局部環境溫濕度分布不均勻的情況。在白茶萎凋過程中，要求萎凋溫度相對平穩，當出現溫濕度異常時，要能及時警報，并反饋系統進行自動或手動調控參數。此外，還需對萎凋環境的PM2.5、PM10、CO2、相對濕度等進行監測，嵌入總控制系統中，設置警報閾值，過高時自動開啟除塵、換氣裝置。綜上，環境參數采集器要求具備抗高溫、抗高濕、防茶塵等性能，要求能全覆蓋、均勻地采集生產線前、中、后，萎凋房上、中、下層各區域環境參數，為其他模塊動態精準調控提供基礎保障。

8. 遠程實時監控模塊

遠程實時監控模塊包括環境參數采集模塊的各項指標顯示監控系統和生產車間實時監控系統。白茶萎凋過程耗時較長，為保證系統正常運行及操作工人安全，要求在車間安裝遠程監控系統，避免出現上葉傾落、進出料口堵塞等生產事故，同時也可通過高清動態監控系統，減少人員跑動巡視，節省人力。要求對生產線的上青口、攤青層、輸送帶前后拐點、出茶口、兩側軸流風機等區域全覆蓋監控。遠程實時監控系統要求具有實時性、安全性、可擴展性、穩定性、易操作性的特點。

9. 降塵除塵模塊

茶葉生產中產生的粉塵顆粒微小易懸浮，而一定濃度的茶葉粉塵會影響生產人員身體健康（主要為肺部和呼吸道疾病）、生產車間的美觀度、照明度和清潔度。白茶生產中鮮葉原料主要以福鼎大毫茶、福鼎大白茶、福安大白茶、政和大白茶等多毫茶樹品種為主，萎凋前期鮮葉本身夾帶非茶類夾雜物，如粉塵、細泥沙、微生物、其他植物茸毛等，非茶類夾雜物隨水分散失，在風力作用下發生飄浮和擴散;萎凋后期，由于水分散失，茶葉柔軟度逐漸下降，在萎凋過程中需要并篩、并堆，因此受到摩擦、擠壓、下落碰撞等內外部機械力作用，茶毫易脫落。此外，車間人員走動、設備吹風等也是茶塵形成的原因之一[13]。因此，要求生產車間及密閉的萎凋房內，配置除塵收集裝置，同時排氣通道外接粉塵回收裝置，空氣能、除濕機等需要定期進行粉塵清理。為方便清理并提高效率，可配置壓縮空氣噴嘴進行灰塵定期清掃。

三、多波長LED白茶復合式光萎凋生產線關鍵模塊配置

以單批次最大生產量為1 500 ～ 2 500 kg鮮葉（因制白毫銀針、白牡丹、壽眉的鮮葉原料等級不同，投葉量有差異）的生產線為例，生產線實際加工鮮葉投葉量為3.5 ～ 6.0 kg/m2，萎凋房長、寬、高分別為38.00 m、7.00 m、3.50 m，墻體要阻燃保溫;上青勻葉斜輸裝置為1層聚酯網帶，長、寬、高為7 m、3 m、3 m;萎凋機主體由6層聚酯萎凋床組成，長、寬、高為23 m、3 m、3 m。

1. 多波長LED光控模塊配置

單質光萎凋對茶葉品質調控效果影響的試驗結果表明，LED黃光>LED藍光>LED白光[14-15]。LED黃光萎凋效果較好，但LED黃光燈的生產技術難度較大，光效很低。若復合光組合中LED黃光比例較高，則燈帶的成本極高。通過實際測定發現，在一定光輻射強度下，LED藍光、LED白光的光效比LED黃光高3～5倍。所以，提高組合光中LED藍光燈、LED白光燈的比例可使設備綜合投入成本明顯降低。俞少娟[16]開展不同光質及光強時間組合對白茶萎凋品質調控試驗研究，結果表明，選擇黃光（595 nm）∶藍光（460 nm）∶白光（410 ～ 730 nm）燈帶組合比為1∶2∶3，光輻射強度為40 μmol/（m2·s）的模式下，生產的白茶綜合品質相對其他組合處理更好。

目前生產上LED燈常見為燈帶和燈板，兩種形式各有優缺點，LED燈板均勻性比燈帶好，但燈板易發熱，需單獨配置散熱裝置，體積龐大且生產成本高，成本是燈帶的2 ～ 5倍。LED燈帶生產成本低，無散熱問題，安裝簡便，其均勻性問題可通過調整燈帶間距解決。綜合考慮萎凋生產線各層間距、LED燈安裝的可操作性、設備投資成本等因素，多波長LED光組合燈帶更適合白茶萎凋生產線。LED光源采用電子繼電器智能控制，可任意設置萎凋階段的LED燈開關、時長等參數，實現人工模擬“日光萎凋”的光補償作業。

在設計LED燈帶布局時，需注意光萎凋的均勻性，調整好LED燈帶與對應層輸送帶之間的距離，使其能達到日光萎凋所需的強度;考慮相鄰LED燈帶的燈光角度、光色衰及光疊加影響兩燈帶中間區域的燈光強度，在保證白茶光萎凋品質的前提下，調節相鄰LED燈帶至合理的距離，使LED燈帶性能達到最優，降低投入成本。

2. 控溫控濕模塊配置

根據目標產量需求，該生產線需配備7 ～ 9臺除濕機（額定除濕量10 kg/h），布置于生產線一側，同時除濕機的上方配置7 ～ 9臺具備可自動左右換向導風板的負壓軸流風機，這樣便于將除濕機產生的干熱空氣均勻地輸送到中上部萎凋層;生產線另一側中下部配置相同數量的大風量自動換向負壓軸流風機，該風機的出風口導風板前可獨立配置電輔熱裝置，萎凋過程中，若萎凋溫度太低，可開啟該加熱裝置額外輔助提高萎凋環境溫度。由此，生產線循環風機形成上、中、下層和左右兩側均勻的空氣對流。同時，萎凋房頂部需獨立配置6 ～ 8臺排氣扇，萎凋房底部也相應配置排氣扇或百葉式進氣口;各萎凋層均勻配置9 ～ 12套環境參數采集器，以便實現白茶萎凋環境的均勻、自動調控。

該模塊系統原理是利用空氣能除濕機在高效除濕模式下熱泵產生的干燥熱風，通過負壓風機輸送到萎凋層進行循環利用。當遇春季低溫陰雨天氣或雨水青時，環境相對濕度大，空氣能除濕機無法快速滿足萎凋濕度要求，則可再單獨開啟排風扇將萎凋房內高濕空氣迅速排出。當萎凋房的相對濕度達到或低于設定值時，排風扇自動關閉，以此節約能量。

3. 自動化攤青作業模塊配置

自動化攤青作業光萎凋生產線結構見圖2。該全自動攤青作業生產線工作流程為鮮葉采摘—運輸—進廠稱重—儲青—上料—勻葉輸送—萎凋床逐層攤青—出茶。在上青輸送裝置的進葉端處設置可調高度的勻葉輪及限厚裝置，以保證攤青均勻度;鮮葉從頂層開始逐層掉落至下一層網帶直至鋪滿最后一層，各層聚酯輸送帶轉動方向、速度要獨立可控，當最底層鋪滿青葉后，要停止作業，依次由下往上停止攤青，直至全部完成。相鄰的兩層輸送帶分別做正反向運動，為保證上層輸送帶的茶青能準確傳輸到下層輸送帶上，下層輸送帶的接葉端一頭位置要長于上層輸送帶掉葉端位置。

四、小結

通過對白茶萎凋過程中環境調控關鍵參數對品質的影響進行分析，設計多波長LED白茶復合式光萎凋生產線，融合多光譜LED光補償技術、節能型空氣能升溫除濕、清潔化電加溫輔助升溫、高效率負壓循環風機氣流控制、低耗能快速排氣通氧等綜合技術，實現白茶萎凋環境的“溫、濕、光、風”等關鍵因子調控，確保生產線在萎凋溫度20 ～ 35 ℃、相對濕度50% ～ 80%的范圍內精準調控;其中，黃-藍-白多光譜復合式LED燈組實現了“人工日光萎凋”和“室內萎凋”模式的無縫仿真切換。以單批次最大生產量1 500 ～ 2 500 kg鮮葉生產線為例，萎凋總歷時24 h，生產效率為16.50 ～ 27.50 kg/h白毛茶。該復合式生產線與傳統萎凋方式相比，不僅極大解決了茶葉生產季節人力緊缺問題，提高了生產效率，而且提升了產品品質和產品穩定性，便于后續精加工。

參考文獻

[1] 陳志輝，游小妹，林鄭和，等. 福建省白茶品種遺傳多樣性分析[J]. 茶葉學報， 2017， 58（3）： 108-114.

[2] 李鑫磊，林宏政，郝志龍，等. 白茶壓餅過程理化指標與感官品質的動態變化[J]. 福建農業學報， 2017， 32（12）： 1365-1369.

[3] 劉菲，孫威江. 白茶品質研究進展[J]. 食品工業科技， 2015， 36（10）： 365-368.

[4] 林秋香. 白茶抗氧化及消減LO2細胞脂質作用研究[D]. 福州：福建農林大學， 2018.

[5] 曾琪，任發政，雷新根，等. 白茶體外抗氧化與體內抗衰老作用的研究[J]. 茶葉科學， 2018， 38（6）： 615-624.

[6] 戴偉東，解東超，林智. 白茶功能性成分及保健功效研究進展[J]. 中國茶葉， 2021， 43（4）： 1-8.

[7] 劉犀靈，任發政，雷新根，等. 白茶對糖尿病模型小鼠降血糖作用的研究[J]. 中國食物與營養， 2018， 24（4）： 56-61.

[8] 周子維，李磊磊，孫云. 白茶加工工藝及其新品種適制性研究進展[J]. 中國茶葉加工， 2016（2）： 64-68.

[9] 潘玉華. 福建省白茶產業發展現狀[J]. 茶葉科學技術， 2007（4）： 24-25.

[10] 袁弟順. 自然萎凋白茶的品質形成機理研究[C]//中國茶葉學會. 2008茶學青年科學家論壇論文集. 2008.

[11] 陳濟斌，金心怡，郝志龍，等. 節能日光萎凋設施及其對白茶萎凋效果研究[J]. 農業工程學報， 2012， 28（19）： 171-177.