节能日光萎凋设施及其对白茶萎凋效果研究.pdf

第 28 卷第 19 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.19 2012 年10 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringOct. 2012171 节能日光萎凋设施及其对白茶萎凋效果研究 陈济斌 1，金心怡1，郝志龙1，江丽萍1，方守龙2，刘素惠1 （1. 福建农林大学园艺学院，福州 350002；2. 福建省银龙茶叶科技有限公司，福鼎355200） 摘要：为了稳定提高白茶品质，减少能耗和人工成本，实现白茶萎凋的机械化、连续化，该文对节能日光萎凋 房及新型变频连续萎凋机应用于白茶萎凋工艺进行研究。研究结果表明，福鼎市的白茶日光萎凋房朝向宜坐北朝 南，南偏西 5 ，采光屋面倾角为 22 ；变频连续萎凋机可实现日光萎凋和自然萎凋的反复交替，萎凋机太阳总辐 射强度和温度分布为 4 层3 层2 层1 层，总辐射强度日变化在 34695 W/m2范围，萎凋温度日变化在 17.8 32.7范围，满足白茶复式萎凋工艺要求；设施复式萎凋的白茶品质优于自然萎凋，研究结果为白茶设施复式萎 凋提供参考。 关键词：设计，设施，机械，白茶，日光萎凋房，萎凋机，萎凋环境 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.19.023 中图分类号：S625.1文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-19-0171-07 陈济斌，金心怡，郝志龙，等. 节能日光萎凋设施及其对白茶萎凋效果研究J. 农业工程学报，2012，28(19)： 171177. Chen Jibin, Jin Xinyi , Hao Zhilong, et al. Research of sunlight withering room and its withering effect on white teaJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(19): 171177. (in Chinese with English abstract) 0引言 白茶是中国的特有茶类，具有“三抗三降”的 保健功效。白茶主产于福建的福鼎、政和等地，产 量占全国白茶产量 90%以上。白茶加工工艺主要包 括萎凋和干燥，萎凋是促进茶青失水，增强叶细胞 膜透性和酶活性，使叶内含物发生缓慢水解、氧化 变化，去除青草气和苦涩味的工艺过程1，萎凋也 是白茶色香味特有品质形成的关键工序。 白茶生产上常见的萎凋方式2- 3包括室内自然 萎凋、加温萎凋和复式萎凋。室内自然萎凋由人工 将青叶薄摊， 萎凋温度 1825， 相对湿度 67% 80%，历时 3545 h，其易受不良气候影响，“天 冷变黑，天热变红”，品质不稳定；加温萎凋温度 2935， 相对湿度 65%75%， 萎凋时间 18 h 左 右，生产率较高，但白茶色泽不如自然萎凋，且能 耗较大；复式萎凋为室内自然萎凋辅以日光萎凋 12 h， 二者交替反复 34 次， 日光萎凋温度 25 收稿日期：2012- 02- 23修订日期：2012- 09- 07 基金项目：国家科技支撑计划项目“台湾优质茶加工关键装备合作创新 研究” （2007BAD07B02- 2） ；福建省科技厅项目（2007N0008） 作者简介：陈济斌（1958），男，福建连江人，副教授，主要从事农 业机械与设施环境控制研究。福州 福建农林大学机电工程学院， 350002。Email: 通信作者：金心怡（1957），福建福州人，教授，博士生导师，主 要从事茶叶加工工程研究。福州福建农林大学园艺学院，350002。 Email: 35， 相对湿度55%65%， 室内自然萎凋温度18 25，相对湿度 67%80%，复式萎凋的白茶花果 香明显，滋味醇和，品质好，但萎凋过程仍靠人工 搬运，其劳动强度大，用工成本高4。 日光温室是农业生产性建筑设施，具有透光、 保温、蓄热、避雨、挡风及节能环保等特点5- 7。利 用日光温室特点，与自动萎凋设备相配套，进行白 茶设施复式萎凋是一个新思路，该研究目前少见报 道。本文拟对白茶日光萎凋设施主结构参数以及变 频连续萎凋机结构进行探讨，探明新萎凋设施对太 阳总辐射强度、温度、相对湿度等白茶萎凋环境因 子及白茶品质的影响8，以期为白茶设施复式萎凋 工艺提供参考。 1白茶日光萎凋房主结构参数 1.1白茶萎凋对日光萎凋房性能要求 要求日光萎凋房具有白茶复式萎凋采光、保 温、避雨的环境效应，白天日光萎凋房采光面的光 透过率高，满足鲜叶光化学反应的日光需求和理化 变化需要；夜晚萎凋房具有阻止红外线长波辐射透 出功能，保持萎凋房内温度高于室外9- 13；雨天防 止雨水淋湿茶青。 1.2白茶日光萎凋房的朝向设计 日光萎凋房覆盖材料为 PC（聚碳酸酯）板， 厚度 15 mm， 透光率 80%以上14， 可在温度60 120条件下长期使用，使用寿命 10 a 左右15。 农业工程学报2012 年 172 日光萎凋房的朝向影响透光率和热环境16。该 日光萎凋房建在福建省福鼎市，地处北回归线以 北，中午太阳光线均从其天顶南面入射。为了能够 接收更多日光，使萎凋房充分采光集热，日光萎凋 房宜采取坐北朝南。在实际应用时，萎凋房需进行 适当的偏角设计，以使萎凋房的采光角度和太阳高 度角的峰值相错开，延长最佳采光时间。考虑到生 产中一般是上午采茶、下午萎凋，为充分利用午后 光照进行萎凋，日光萎凋房设计朝向宜为南偏西 5 。 1.3日光萎凋房的屋面设计 1.3.1日光萎凋房的屋面结构 屋面倾角影响温室的采光性能17- 18。为了最大 限度地让日光透过 PC 板屋面进入萎凋房，并降低 萎凋房造价，萎凋房的屋面采用单坡面采光。 1.3.2日光萎凋房的屋面倾角计算 日光萎调房的屋面倾角与当地太阳高度角有 关。当地太阳高度角计算公式如下19 )(90 s s h（1） 式中，hs为太阳高度角，( )；为地理纬度，( )； 日光萎凋房建于福建省福鼎市， 地理纬度为 27.15 ； s为太阳赤纬角，( )。 白茶加工季节主要在春分到秋分之间，春分、 秋分日太阳赤纬角 s=0 ，夏至日太阳赤纬角 s=23.45 。代入（1）得出，春分日和夏至日中午 的太阳高度角分别为 62.85 和 86.30 。 采光屋面倾角指萎凋房的采光屋面与水平面 之间夹角19。 屋面倾角=90 ( +hs)（2） 式中，为日光入射角，( )；取 =0 10 ，在该范 围内的日光透射率较高1；hs为太阳高度角，( )； 为保证春季萎凋光照，将春分日的太阳高度角代入 （2）式得： 屋面倾角=17 27 根据计算结果，日光萎凋房的屋面倾角取均值 22 。 1.4日光萎凋房通风系统设计 根据温室通风技术要求20- 21，在萎凋房的南北 两面各设置 7 扇平开窗，每扇窗户长 3.0 m，高 1.25 m，组成自然通风系统；萎凋房东面的 2 m 高 度位置并列安装上海应达风机股份有限公司的直 径为 350 mm 的轴流风机 4 台，风量 4 426 m3/h， 功率 0.55 kW，组成进气通风系统强制通风，促进 萎凋层青叶散发水蒸汽。 2变频式连续萎凋机 萎凋机由动力系统、传动链、链轨、萎凋帘、 吊篮等组成（如图 1）。工作原理：茶青从第 2 层 萎凋帘开始摊放，传动链带动吊篮上的萎凋帘沿着 箭头方向作缓慢移动， 经过 2 层3 层4 层1 层 2 层，各萎凋层的太阳辐射强度相应由较弱较 强强弱较弱，循环反复，茶青自动运行于不 同温度区域，从而实现反复交替的日光萎凋和自然 萎凋。萎凋时可根据实际日光幅射强度变频调节电 动机转速，控制萎凋机运行速度在 0.020.04 m/s 范围。 图 1变频式连续萎凋机工作原理图 Fig.1Schematic diagram of variable- frequency continuous withering machine 2.1动力系统 动力传动线路：三相电动机 一级链减速（速 比 i=4） 二级链减速（速比 i=4） 萎凋机传动链 轮（15432） 吊篮 萎凋帘。 电动机最大功率： Pmax=FVmax=1670.04=0.3 kW 式中，F 为传动链摩擦阻力，N；吊篮共 167 个， 每个吊篮质量（含萎凋帘和茶青）22.9 kg，摩擦系 数取 0.2；Vmax为萎凋机最大移动速度，m/s； Vmax=0.04 m/s。 考虑两级链传动减速，万向联轴器，轴承等传 动效率及必要的功率贮备，选用淮安浩宇机械制造 有限公司的 YDS 系列超低速谐波电动机，功率 P=0.75 kW，转速 32 r/min。 2.2连续萎凋机 萎凋机总长 36 m，宽 5 m，双列 4 层结构。萎 第 19 期陈济斌等：节能日光萎凋设施及其对白茶萎凋效果研究 173 凋帘长 2 500 mm，宽 800 mm，竹篾编制，每个萎 凋帘摊放茶青 1.82 kg，共 334 个萎凋帘，最大容 叶量668 kg茶青。 吊篮为专利结构22， 长5 040 mm， 宽 500 mm，材料 Q235 钢，共 167 个，每个吊篮支 承和带动 2 个萎凋帘移动，并保持萎凋过程茶青不 翻动； 吊篮两端分别悬挂于萎凋机的 2 条传动链上， 通过万向联轴器保持同步运行。 3材料与方法 3.1试验材料与设备 供试材料为福鼎大白茶茶树品种，鲜叶为一芽 二叶，含水率为 75%，试验时间为 2008 年春季， 试验地点：福鼎市银龙茶叶有限公司的白茶日光萎 凋房。 萎凋设备：自行研制的白茶变频连续萎凋机, 长宽=36 m5 m，功率 P=0.75 kW，速度 0.02 0.04 m/s。 测定仪器： 锦州阳光科技发展有限公司的 TQS D1 太阳总辐射仪；群特科技股份有限公司的 CENTER310 型温湿度计（温度精度0.1，相对 湿度精度3%）；华盛昌机械实业有限公司的 DT- 8812 型远红外测温仪（精度1）。 3.2试验方法 根据温室采光性能评价指标23以及白茶的工艺 要求，对日光萎凋房的太阳总辐射强度、温度和相 对湿度及其在萎凋房的分布均匀性进行测定24- 27。 1）太阳总辐射强度测定：每隔 2 h 测定萎凋机 各层 9 个测定点（如图 2）的平均太阳总辐射强度， 取平均值。 图 2白茶萎凋机萎凋环境测定点简图 Fig.2Schematic diagram of test points of withering condition in withering machine 2）萎凋环境温湿度测定：每隔 2 h 测定萎凋房 温度，并测定各层的 9 个测定点温度和相对湿度， 重复测定 3 次取平均值。 3）日光萎凋房太阳入射率测定4：日光萎凋房 室内与室外太阳平均总辐射强度的比值。 4）白茶品质感官审评2：采用评语法与加权百 分法，由福建省茶叶质量检验中心进行密码感官审 评。各因子评分权重：外形 40%，汤色 10%，香气 20%，滋味 20%，叶底 10%。 3.3数据处理方法 采用 DPS 数据处理系统、EXCEL2003 软件。 4结果与分析 4.1萎凋机不同层间太阳总辐射强度 日光萎凋房热量主要来源于太阳的直接辐射 和间接辐射28- 29（即太阳总辐射强度），其直接影 响到萎凋房获取的热量与萎凋房温度的高低。萎凋 机不同层间的太阳总辐射强度日变化见表 1。 表 1萎凋机不同层间太阳总辐射强度 Table 1Solar radiation intensity of different layer of withering machine 不同时刻太阳辐射强度/(W m- 2) 萎凋层 8:0010:0012:0014:0016:0018:00平均值 1 层34 d 94 c 112 c 132 c 60 d 58 b 82 c 2 层82 c 310 b 447 b 454 b 164 c 79 b 256b 3 层120 b 512 a 639 a 645 a 375 b 353 a 441 a 4 层203 a 576 a 695 a 692 a 434 a 419 a 503 a 室外247705849852529435603 注：1. 表 1 和图 3 的测定日期同为 2008- 03- 29，当日天气晴。 2. 小写英文字母表示在 P=0.05 水平上差异显著。 表 1 表明，萎凋机不同层间的太阳平均总辐射 强度分布为：4 层3 层2 层1 层，太阳总辐射强 度在 34695 W/m2范围变化，由于太阳辐射强度 受到萎凋帘茶青遮挡而逐层降低。3、4 层的太阳平 均辐射强度较高， 1、 2 层的太阳平均辐射强度较低。 方差分析和 Tukey 法多重比较表明，萎凋机不同层 间太阳总辐射强度的差异显著 （P0.05） ， 其中 1、 2 层与 3、4 层之间的差异显著（P0.05），而 3 层与 4 层之间差异不显著（P0.05），因此，3、4 层相当于日光萎凋，1、2 层相当于室内自然萎凋。 表 1 还表明，萎凋房的太阳总辐射强度随时间 呈现“低高低”变化趋势，与太阳入射角日变 化“高低高”有关；日光萎凋房（4 层）太阳 总辐射强度平均值为 503 W/m2，室外平均值为 603 W/m2，该萎凋房的太阳入射率为 83.41%。 4.2日光萎凋房温度日变化规律 日光萎凋房室内外温度日变化（如图 3）表明， 白天（8:0018:00）萎凋房温度在 20.332.7 范围变化，平均温度 25.2；夜间（20:00次日 6:00）萎凋房内温度在 17.820.7范围变化， 平均温度 19.1，比室外温度高 1.7，两者差异 显著（P0.05），说明 PC 板围成的萎凋房在夜间 具有保温效果。 农业工程学报2012 年 174 图 3 萎凋房室内外温度日变化 Fig.3Temperature change inside and outside withering room 4.3萎凋机各层的温度 萎凋温度直接影响白茶萎凋过程的生理生化 变化。在相同时间的条件下，萎凋机各层的温度变 化如表 2。 表 2 萎凋机不同层间的温度 Table 2Temperature in different layers of withering machine 测定点温度/ 萎凋层 123456789平均值 1 层22.6 c 22.7 c 23.6 c 23.5 c 23.8 b 23.0 c 21.4 c 21.0 c 23.0 c 22.7 c 2 层22.7 c 22.9 c 23.7 c 23.8 c 24.0 b 23.2 c 21.8 c 21.4 c 23.0 c 22.9 c 3 层23.8 b 24.5 b 25.0 b 24.7 b 24.2 b 24.8 b 23.6 b 23.8 b 24.7 b 24.3 b 4 层26.7 a 26.9a28.6a28.7a30.2a27.6a26.3a25.6a27.3a27.5 a 平均值 24.024.324.723.323.024.5 24.4 注：1. 测定日期 2008- 4- 10，时间 11：00，天气晴。 2. 小写英文字母表示在 P=0.05 水平上差异显著。 表 2 表明，萎凋机不同层间的温度分布规律与 太阳总辐射强度相同：4 层3 层2 层1 层，各层 温度变化范围在 21.030.2之间。方差分析及多 重比较表明， 不同层间的温度差异显著 （P0.05） ， 其中，4 层与 1、2、3 层及 3 层与 1、2 层的温度差 异显著（P0.05），说明萎凋过程茶青运行于不同 温度区域，实现了复式萎凋。 4.4萎凋机各层的相对湿度 萎凋相对湿度影响白茶萎凋失水速率。在相同 时间的条件下， 萎凋机不同层间的相对湿度如表 3。 表 3萎凋机不同层间的相对湿度 Table 3Relative humidity in different layers of withering machine 测定点相对湿度/% 萎凋层 123456789平均值 1 层55.6 a 55.4 a 53.0 a 52.6 a 53.8 a 54.6 b 56.4 a 56.4 a 56.7 a 54.9 a 2 层54.8 a 55.3 a 53.5 a 52.3 a 54.2 a 56.8 a 57.3 a 56.8 a 57.4 a 55.4 a 3 层55.7 a 56.0 a 53.7 a 52.8 a 54.9 a 56.6a57.4 a 57.0 a 57.9 a 55.8 a 4 层53.1 b 52.7 b 49.2 b 51.3 b 51.4 b53.2C53.4b 53.4 b 54.6 b 52.5 b 平均值 54.854.952.452.353.655.356.155.956.7 54.7 注：1. 测定日期 2008- 4- 10，时间 11：00，天气晴。 2. 小写英文字母表示在 P=0.05 水平上差异显著。 表 3 表明，日光萎凋房不同层间相对湿度分布 规律为：3 层2 层1 层4 层，相对湿度变化范围 在 49.2%57.9%之间。方差分析及多重比较表明， 4 层与 1、2、3 层的相对湿度差异显著（P0.05）， 而 1、 2、 3 层之间的相对湿度差异不显著 （P0.05） ， 空气相对湿度分布较均匀，说明该日光萎凋房的通 风系统设计较合理，通风性能良好，达到萎凋工艺 要求。 4.5萎凋叶的含水率与毛茶品质 设施复式萎凋历经 3540 h，比自然萎凋的 48 h 缩短时间 813 h，萎凋叶含水率达到 16%， 萎凋叶色泽转深绿，叶缘垂卷，香气显露，萎凋适 度达到标准。设施复式萎凋与人工自然萎凋的白毛 茶感官品质比较结果见表 4。 表 42 种萎凋方式的白茶感官评分 Table 4Sensory evaluation of white tea in two withering modes 萎凋方式外形（40 分）评分汤色（10 分）评分 香气（20 分）评分滋味（20 分）评分叶底（10 分）评分总分 设施复式 萎凋 一芽二叶开展， 匀润，灰绿 34.8橙黄清澈9.0鲜爽毫香显18.5鲜爽醇厚18.5明亮匀整9.189.9 自然萎凋 （对照） 一芽二叶开展， 尚匀润，灰绿 34.2橙黄清澈9.0鲜爽有香毫17.5鲜爽尚醇厚17.5 毫芽连枝 明亮匀整 9.087.2 表 4 表明，设施复式萎凋制得的毛茶外观叶理 连枝，匀润，香气鲜爽，滋味鲜醇，外观品质和风 味品质达到人工复式萎凋的要求，比室内自然萎凋 的白茶品质得分高 2.7 分，表明节能日光萎凋设施 适用于白茶萎凋，有利于白茶优良品质的形成。 4.6节能日光萎凋设施成本与应用前景 4.6.1 节能日光萎凋设施成本比较 据测算30， 本节能设施的总投资154 980.00元， 年折旧费 19 109.03 元/a，电费 1 489.60 元/a，用工 费 2 400 元/a，白茶年产量 6 600 kg/a；白茶加温萎 凋设施的总投资 63 100.00 元，年折旧费 7 780.23 元/a，电费 10 654 元/a，燃煤费用 30 240 元/a，用 工费 32 000 元/a，白茶年产量 13 200kg/a。设施复 式萎凋和加温萎凋的成本分别为 3.49 元/kg 和 6.11 元/kg，前者比后者节约生产成本 43%。 4.6.2 应用前景 设施复式萎凋比室内自然萎凋缩短了萎凋时 间，避免了因室内湿度过高、萎凋时间过长而导致 第 19 期陈济斌等：节能日光萎凋设施及其对白茶萎凋效果研究 175 的白茶色泽乌暗甚至霉变，比加温萎凋节能环保， 节约用工成本，劳动强度低，生产批量较大，实现 了白茶萎凋规模化、连续化和清洁化，白茶的外观 品质和风味品质达到人工复式萎凋的要求，因此， 该技术在生产上具有应用推广价值。 5结论 1）白茶节能日光萎凋房充分利用太阳能，福 鼎市的日光萎凋房朝向宜坐北朝南且南偏西 5 ， 采 光屋面倾角为 22 ，适用于福建白茶萎凋。 2）研制的白茶变频连续萎凋机与节能日光萎 凋房相配套，实现白茶萎凋连续化，清洁化，节能 环保，省工省力。萎凋机使茶青在“2 层3 层4 层1 层2 层”循环运行，萎凋日光强度随之由 较弱较强强弱较弱；萎凋机不同层间太阳 总辐射强度分布：4 层3 层2 层1 层，不同层间 的差异显著（P3 层2 层1 层，温度日变化在 17.832.7范围，不同层 间温度差异显著（P0.05），茶青运行于不同的温 度区域，达到白茶复式萎凋的温度要求；萎凋机不 同层间的相对湿度分布为：3 层2 层1 层4 层， 各层空气相对湿度分布较均匀，该日光萎凋房通风 性能良好。 4）试验表明,设施复式萎凋的萎凋叶含水率达 到16%， 制得的白茶品质得分比室内自然萎凋高2.7 分，节约生产成本 43%，综合效益高。 参考文献 1蔡华春. 白茶品质形成研究概述J. 茶叶科学技术， 2012(1)：35. 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