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第 29 卷第 10 期农 业 工 程 学 报Vol.29No.10 2013年5月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringMay 2013269 乌龙茶振动做青设备研制与做青环境调控性能试验 郝志龙 1,2,陈济斌3,金心怡1,2,林清矫4,黄毅彪1 (1. 福建农林大学园艺学院,福州 350002;2. 福建农林大学茶叶研究所,福州 350002;3. 福建农林大学机电工程学 院,福州 350002;4. 福建安溪韵和机械有限公司,安溪 362400) 摘要:为了解决闽南乌龙茶传统“摇晾分置式”做青中作业姿势难适应,用工量大,能耗高的问题,该文研制 了一种集振动摇青、晾青、做青环境控制为一体的振动做青设备,该设备由动力系统、振青装置、环境控制系统 组成。并使用该设备进行了振动做青环境调控性能试验,试验表明,该设备可有效控制做青过程青叶层气流速度 0.460.64 m/s,符合 0.5 m/s 的微风要求,气温稳定在 2224,显著低于春茶自然做青环境温度;空气相对湿 度 60%80%,极显著低于春茶自然做青环境湿度;CO2体积分数 300400 L/L,极显著低于空调做青环境 CO2 体积分数。振动做青毛茶品质极显著优于传统做青方式,不舒适性为 6 级的作业姿势仅为传统做青的 1/3,节省劳 力 50%,节省能耗 50%。研究结果可为实现闽南乌龙茶连续化、清洁化、标准化初加工提供参考。 关键词:设备,控制,环境测试,振动做青,乌龙茶 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.10.036 中图分类号:S226.9文献标志码:A文章编号:1002-6819(2013)-10-0269-09 郝志龙,陈济斌,金心怡,等. 乌龙茶振动式做青设备研制与做青环境调控性能试验J. 农业工程学报,2013, 29(10):269277. Hao Zhilong, Chen Jibin, Jin Xinyi, et al. Development and performance test of fine manipulation environment control for Oolong tea vibrating fine manipulation equipmentJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(10): 269277. (in Chinese with English abstract) 0引言 近年来,以安溪铁观音为代表的清香型乌龙茶 发展迅速, 以其干茶色泽翠绿油润, 汤色蜜绿明亮, 花香馥郁高锐、滋味醇厚甘鲜的独特品质倍受广大 消费者青睐。清香型乌龙茶的独特品质与其精细的 加工工艺密切相关,其中,做青是形成乌龙茶香高 味浓优良品质的关键工序,包括摇青与晾青反复交 替的过程。在一定的做青环境下,通过调节摇青强 度、摇青次数、晾青时间等工艺参数诱导青叶内含 物发生一系列生化变化, 形成乌龙茶特有的色、 香、 味1- 2。 摇青过程青叶所受机械运动力主要提高青叶 水分和内含物的动能,促进梗中可溶性内含物向叶 面输送,减少苦涩味,协调茶汤呈味物质,具有内 在的效应;所受机械摩擦力使叶细胞损伤,酶和底 收稿日期:2012- 09- 25修订日期:2013- 03- 12 基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目资助(2007BAD07B02) ; 福建省科技厅重大项目(2012N5005) ;福建省科技厅重点项目资助 (2007N0008) ;校青年教师基金项目(07B05) 。 作者简介:郝志龙(1980) ,男,湖北宜昌人,讲师,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:。 通信作者:金心怡(1957) ,女,福建福州人,教授,博士生导师, 主要从事茶叶加工工程与机械研究。福州福建农林大学园艺学院, 350002。Email: 物结合,促进茶多酚酶促氧化,诱发香气,具有外 在的效应3- 6。金心怡等7研究认为振动做青使青叶 “轻、快、匀”地摩擦跳动,叶缘细胞适度损伤和 内含物适度酶促氧化,做青质量比滚筒摇青机有显 著提高8- 9。传统的闽南乌龙茶空调做青采用“ 摇晾 分置式” 做青方法,用机械滚筒摇青,手工摊叶, 空调间晾青,摇青均匀度较低,且摇青和晾青不 同处,人工搬叶耗工较大,劳动强度高,卫生条 件难以保证。空调做青间面积较大,环境温湿度 和气流难以分布均匀,冷量泄漏多,能耗较大。 新研制乌龙茶振动做青设备重点解决做青连续 化、清洁化,环境控制的节能性、均匀性,使环 境条件和工艺要求相协调,降低能耗,节约成本 等问题10。并对新型振动做青设备的环境调控性 能进行试验,探讨振青设备对乌龙茶做青环境要 求的适应性,以提高和稳定乌龙茶品质,提高卫 生质量,改善劳动条件,降低能耗成本,对实现 铁观音工厂化生产具有重要意义。 1结构与原理 1.1总体结构 乌 龙 茶 振 动 式 做 青 设 备 ( vibrating fine manipulation equipment,VFM)由动力系统、振青 装置和做青环境控制系统 3 部分组成。采用对称式 农业工程学报2013 年 270 柜体可拆卸结构,动力传动系统和环境调控系统置 于设备中央,两侧为振青装置。总体结构如图 1 所 示,主要技术参数如表 1 所示。 1. 静柜2. 导风板3. 进风室4. 振青框5. 回风室6. 进风管 7. 环境调控装置8. 回风管9. 传动轴10. 电动机11. 振动架 12. 偏心轮机构13. 导向装置 1. Static cabinet2. Air deflector3. Inlet air chamber4. Vibrating basket5. Return air chamber6. Inlet air pipeline7. Environment control device8. Return air pipeline9. Transmission shaft10. Motor 11. Vibrating framework12. Eccentric mechanism13. Guiding device 图 1振动做青设备结构简图 Fig.1Sketch map of vibrating fine manipulation equipment 表 1振动做青设备主要技术参数 Table 1Main technical parameters of vibrating fine manipulation equipment 技术参数 Technical parameters 参数值 Parameter value 整机质量Total weight/kg500 长Length/mm2600 宽Width/mm1300 高Height/mm1800 振频Vibrating frequency/(r min- 1)200400 振幅Amplitude/mm40 层数Layer number2 10 摊叶面积Area of tea leaves spreaded/m210 每批产量Yield of one time/kg50 温度控制范围 Range of temperature controlled/ 1728 相对湿度控制范围 Range of relative humidity controlled/% 5585 压缩机制冷量 Refrigerating capacity of compressor/kW 2.0 电机功率Motor power/kW1.1 气流输送高速档风速(以进风口计) Velocity of air conveying high gear (Tested in air inlet)/(m s- 1) 67 气流输送低速档风速(以进风口计) Velocity of air conveying low gear (Tested in air inlet)/(m s- 1) 56 振青动力采用电磁调速电机,振动源为偏心轮 滑块机构,采用导向轮、导向柱稳定振青架的上下 运动;振青装置由振青筐、振动架体和静柜组成, 抽屉式振青筐用圆销三点式锁定;环境控制系统由 温湿度调控装置和新风装置组成,通风循环装置由 风机、进风管、导风板、回风管等组成,与静柜连 接,构成半封闭式循环,保证做青环境要求11。 1.2工作原理 1.2.1设备整体工作原理 振动做青时提前开启环境控制系统,使调控好 的新鲜空气进入静柜内,将晒青适度的萎凋叶均匀 地摊放于振青筐中,锁定在振动架上。振青时,传 动轴带动偏心轮滑块机构驱动振动架体在导向装 置引导下作无水平偏移上下振动,进而驱使振青筐 内的青叶作上下翻转跳动,达到摇青刺激效应。晾 青时,振青电机停止,茶青自动平铺于振青筐内, 在静柜内良好的环境条件下发生一系列物理和生 化变化。由单片机设置振晾青时间和做青环境参 数,设备可自动完成振青、晾青工艺。静柜出风口 与蒸发器进风口相通,构成做青环境气流内循环, 新风装置实现机内与外界部分空气交换,保证空气 的新鲜度,青叶在适宜的做青环境条件下,循序渐 进地进行振青 晾青,循环反复 34 次,直至做 青结束。 1.2.2振青原理分析 振动摇青时,振青筐内的青叶发生上下跳动和 翻转运动。整个运动过程可分解为起跳、上升和下 落 3 个阶段。 1)起跳阶段 振青筐受到激振时, 底面对青叶产生一个向 上的激振作用力(F振,N),其受力分析示意图 如图 2a 所示。设青叶重力为(G,N),空气阻 力为(f空,N),青叶所受合力FFGf 合空, 方向向上,使青叶具有向上运动的加速度,青叶脱 离底面向上运动,青叶起跳。 2)上升阶段 当青叶离开振青筐底面后,在 G 和 f空的作用 下,作具有向上初速度的减速运动,表现为青叶上 升的过程,直至速度减为 0,其受力分析示意图如 图 2b 所示。但此过程并非规则的减速运动,上升 过程中还会受到青叶间不规则的相互摩擦、碰撞力 (f摩,N),使青叶产生一定角度的偏转甚至翻转, 使空气与青叶表面充分接触,促进质热交换,同时 变换青叶受力部位。 3)下降阶段 当上升速度减为 0 时, 青叶开始在重力的作 用下开始下落,同样受到 f空和 f摩的作用,作不 规则翻转下落运动,其受力分析示意图如图 2c 所示,直到落回振青筐底面,完成青叶的一次运 动历程。 当青叶再次碰触筐底时,再次受到向上激振力 作用而起跳。在振青过程中,青叶受到摩擦力、碰 撞力和激振力等作用力,叶细胞受到一定程度的机 械损伤。在青叶上升和下落时,伴随着青叶自身翻 转运动和“轻、快、匀”的跳动,产生青叶之间、 青叶与筐壁之间、青叶与空气之间的摩擦碰撞,达 到乌龙茶摇青刺激效应。 第 10 期郝志龙等:乌龙茶振动式做青设备研制与做青环境调控性能试验 271 a. 青叶起跳阶段 a. Take- off stage of tea leaf b. 青叶上升阶段 b. Rising stage of tea leaf c. 青叶下落阶段 c. Fall- down stage of tea leaf 注:F振为激振作用力,N;G 为重力,N;f空为空气阻力,N;F合为青叶所受合力,N;f摩为青叶间相互摩擦、碰撞力,N。虚线箭头表示青叶可能 的运动路径或趋势,实线箭头表示青叶受力方向。 Note: F振is excitation force, N. G is gravity, N. f空is air resistance, N. F合is resultant force of tea leaf, N. f摩is friction and collision force between tea leaves, N. Dashed line with arrow express the possible motion path or tend of tea leaf,solid line with arrow express the loading direction of tea leaf. 图 2振青叶运动与受力分析示意图 Fig.2Schematic diagram of force and movement to tea leaf of vibrating fine manipulation 2主要结构部件设计与分析 2.1动力系统 从工艺要求、结构的平稳性和经济性方面综合 考虑,选择能提供往复振动动力的偏心轮滑块机构 作振动源2,驱使振青筐上下往复运动,为青叶跳 动提供驱动力,偏心轮滑块机构偏心距 20 mm,偏 心轮直径 40 mm。选用电磁调速电机为动力输入, 可通过频率调控而调节振青强度。振动式做青设备 振动频率 f200400 r/min,振幅 H40 mm。传 动系统采用降速比 I=2 的 2 级带传动,因带传动具 有结构简单, 传递距离远、 吸振性好、传动噪音小、 费用低和过载保护功能等特点12。 2.2振青装置 2.2.1振青筐 为减轻振动架体总质量,装青叶的振青筐 (n=20 个)用不锈钢冲孔网做成,有利于茶叶通风 透气。振青筐底面积(S,m2) m S Cnb 式中,m 为最大摊叶量,取设计值 50 kg;b 为摊叶 厚度,根据实际生产情况取值 50 mm;C 为乌龙茶 青叶容重,kg/m3,取经验值 70 kg/m3,经计算 S=0.7143 m2。 为使振青框高度保证青叶在向上弹跳时不被 抛出框外,振青框高度设计为摊叶厚度的 2 倍即 100 mm, 考虑操作人员在搬运振青框时双臂间的用 力距离,宽度设计为 650 mm,根据面积要求,最 终确定振青筐长度为 1 100 mm。框体固定要求紧 固、装卸方便,选用三点圆销式锁定。 2.2.2振动架体 振动架体主要承载振青框,本着“ 减轻整机重 质量,降低振动惯性” 的原则,振动架体以 2.5 号角 钢连接而成,根据振青框尺寸将架体设计为总高 1 300 mm,宽 700 mm,长 1 100 mm。由滑轮与无 缝钢管组成导向装置,使架体振动时不产生横向偏 移。滑轮用工程塑料(聚四氟乙烯)制成,其摩擦 小,噪音低。振动架体的托架设计为 10 层,每层 高 120 mm。振动架体底部通过动轴与连杆机构小 端连接,整个架体在振动源的驱动下和无缝钢管的 导向作用下,作无偏移上下振动。 2.2.3密封静柜 静柜骨架用 2.5 号角钢连接而成,外部覆盖 1 层 0.4 mm 厚镀锌板,镀锌板内壁贴厚度 10 mm 的 聚苯乙烯泡沫板隔热层。因做青时静柜内需有流动 气流,层间气流速度要求在 0.5 m/s 左右,故静柜 两侧配有气室、导风装置、进风管和回风管,使各 青叶层气流速度均匀,柜内气流形成内部循环,通 过配套环境控制系统,调节静柜内的做青环境。 2.3环境控制系统 2.3.1制冷除湿装置 制冷除湿装置主要由压缩机、冷凝器、毛细管 (或膨胀阀)和蒸发器 4 个基本件组成,压缩机是 制冷除湿装置的核心部件,其制冷量的大小直接决 定了装置的环境调控能力,因此需要根据乌龙茶振 青设备的要求选配适当的压缩机,以充分发挥其调 控能力,避免能耗浪费。乌龙茶做青总耗冷量计算 如下4,13- 14。 1)振青机围护结构的耗冷量(Q1,kJ/h) 121 QKA tt(1) 1112 1 11 jj K (2) 式中,K 为维护结构传热系数,kJ/(h m2 );A 为 维护结构面积,m2;t1、t2分别为柜内、外温度, 取设定柜内温度值 t1=20,取夏季柜外最高温度 t2=35;1、2j分别为各层隔热板厚度,聚苯 乙烯泡沫板 10 mm;1、2j分别为各层隔热板导 农业工程学报2013 年 272 热系数,聚苯乙烯泡沫板取中值 0.15 kJ/(h m2 ); 1、2分别为外壁、 内壁对流放热系数, kJ/(h m2 ), 一般为 31.441.9,取中值 12364。 经计算,K=8.18kJ/(h m2 );A7.65m2; t=15;Q1939 kJ/h。 2)做青机通风换气所需的耗能量(Q2,kJ/h) 21 30%QQ(3) 经计算,Q2282 kJ/h。 3)青叶降温所需的耗能量(Q3,kJ/h) l123 /hTTEmQ(4) 式中,E 为青叶比热,E3.4 kJ/ 4;T 1、T2分别为 做青前后空气温度,T2T1=t=15;m 为青 叶质量,m 取设计值 50 kg;h1为降温时间,包括 预冷时间,取较大经验值 h1=1 h。 经计算,Q32 550 kJ/h。 4)青叶失水所需的耗能量(Q4,kJ/h) hW TWWm Q 2 21 4 1 4 . 25002 叶 (5) 式中,W1为做青前萎凋叶含水率,取较大经验值 W1=72%;W2为做青叶含水率,取较小经验值 W2=60%;T叶为青叶叶温,取经验值 T叶20;h 为做青总时间,取较大经验值 h=20 h。 经计算,Q41 839 kJ/h。 5)总耗冷量(Q,kJ/h) 4321 QQQQDQ(6) 式中, D 为储备系数, 取较大经验值D=1.3, 无量纲。 经计算,Q7 332 kJ/h2 038 W(注: 1 kJ/h=0.278 W)。 因此,所选配压缩机制冷量(Qy,kJ/h) y QQ(7) 故选用功率 2 kW 的压缩机可满足振动式做青 设备的制冷量需求。 2.3.2增温、增湿装置 在制冷除湿装置的出风口安装一电热器,由控 制电路控制,当温度低于设定值时启动,维持静柜 做青环境温度恒定。在蒸发器离心风机出风口安装 一超声波加湿器,当静柜环境湿度过低时,将蒸发 器处冷凝收集的水雾化,被离心风机吸入送进密封 静柜,起加湿作用。 2.3.3换新风装置 在冷凝器靠近回流气体一侧有一降湿循环风 扇,将部分机内回流的空气吹经冷凝器排向外界。 在冷凝器出风口有一微型电机控制的风门,当湿度 过高时,风门开启,让经过冷凝器后的干热空气进 入静柜中,达到升温除湿效果,同时机内气体与外 界气体交换。 通风管中配置调速风机保证柜体内气流要求, 据做青要求气流速度 v0.5 m/s,总通风截面积 Sf 1.8 m2,计算风机风量(q,m3/h) f qvS(8) 经计算,q3 240 m3/h。系统选配最大风量约 3 500 m3/h 的调速风机即可满足设备对气流的要求。 2.3.4单片机控制装置 控制装置由单片机控制电路和 SHT11 温湿度传 感器组成,单片机选用 STM32F103RBT6,支持 IIC 接口连接,传感器位于蒸发器的回流进风口,与单片 机连接,实时反馈机内做青环境参数15。控制电路与 振动电机、 压缩机、 加热器、 雾化器、 微型电机连接, 单片机接受人为指令和传感器检测信息, 通过控制电 路对各执行元件发出指令,实现控制目标。 3环境调控性能试验 3.1试验设备与方法 3.1.1 试验仪器设备 振动式做青设备(自行研制);DT- 8812 型红外 线测温仪(郑州南北仪器,200以内精度 0.1); CENTER310 型数位空气温湿度仪 (台湾群特, 相对湿 度 0100%时分辩率为 0.1%,温度- 2060时分辩 率为0.1);GMW22D 型CO2气体分析仪(维萨拉 公司, 体积分数02000 L/L范围内精度 1%(满量 程)+1.5%(读数)) ; AVM- 01 型电子风速计 (台湾宝华, 风速0.345.0 m/s 时分辨率为0.1m/s)。 3.1.2试验方法 环境参数试验: 影响乌龙茶做青环境因子主 要有温度、相对湿度和气流(CO2体积分数)。 试验主要测定振动做青设备环境调控效果, 做青 环境参数设定参考前人研究结果(温度 19 24,相对湿度 60%80%)16。选择春茶和暑 茶两季铁观音品种进行振动做青(ZQ)环境参 数调控试验,振青设定温度 20,湿度 65%, 振青选择气流输送高速档, 晾青选择气流输送低 速档,以现行闽南乌龙茶摇晾分置式做青(CK) 环境为对照,空调做青时设定温度 18,湿度 60%,每季重复 3 次。 测定方法:振青机内气流入口处速度测定通风 面上 5 个点(如图 3)的气流速度取平均值;振动 做青过程中青叶层气流速度测定对象为第 2、5、8 层振青筐,测定方法同通风面气流速度测定。青叶 层空气温度、 相对湿度和 CO2体积分数测定方法同 青叶层气流速度测定,做青前期每隔 45 min 测定 1 次,做青后期(三晾阶段)每隔 120 min 测定一次。 传统做青环境参数测定对象为晾青架上第 2、5、8 层晾青筛,方法同振青。 第 10 期郝志龙等:乌龙茶振动式做青设备研制与做青环境调控性能试验 273 a 通风面、振青框测定点 a. Test points of vibrating basket and ventilating plate b 晾青筛测定点 b. Test points of airing sieve 图 3做青环境参数测定点简图 Fig.3Schematic diagram of test points of fine manipulation environment parameters 品质试验:用春、暑、秋三季铁观音品种进行 10 批次的振动做青与传统做青对比试验, 除做青方 式不同外,其余工艺均按相同的乌龙茶加工方法制 成毛茶。振动做青为振青选择气流输送高速档,晾 青选择气流输送低速档, 设定温度 20, 湿度 65%。 传统做青春、秋茶为自然环境,暑茶为空调做青, 空调设定温度 18, 湿度 60%。青叶层环境参数测 定同上。由 5 位茶叶专家对各茶样密码审评,总分 为 100 分,其中外形权重为 0.2,香气权重为 0.3, 滋味权重为 0.3,汤色权重为 0.1,叶底权重为 0.1, 以加权方式计算品质得分17。 3.2结果与分析 3.2.1振动做青环境参数分析 1)振动做青设备内气流速度 振动做青设备内气流入口处气流速度与青叶 层气流速度测定结果如表 2 所示。 由表 2 可知,振动式做青设备选择气流输送低 速档时,入口处气流速度 5.59 m/s;高速档时为 6.30 m/s,均在设计值范围内。青叶层气流速度在 低速档时为 0.46 m/s, 在高速档时 0.64 m/s, 而低速 档时变异系数大于高速档,因为设备的导风板、青 叶层等都会给气流带来阻力,气流速度较小时,这 种阻力作用表现越明显,气流均匀性较差;而气流 速度大时,阻力虽然增大,但因风量增加,使各处 风速趋于均匀,变异系数减小。 表 2振动式做青设备内气流速度 Table2Velocityofairflowinvibrating fine manipulation equipment 测定位置 Test position 气流输送 档位 Gear of air conveying 实测气流速度 Velocity of airflow tested/(m s- 1) 变异系数 Variation coefficient cv/% 气流输入口 Air input port 低速档 Low gear 5.590.2010.64 高速档 High gear 6.300.2713.07 青叶层 Tea layers 低速档 Low gear 0.460.1258.74 高速档 High gear 0.640.1243.64 气流对做青环境因子有重要的影响作用,气流 速度在 0.40 m/s 以下时,叶面边界层的厚度与阻力 均增大,而在 0.501.00 m/s 微风条件下,叶面边 界层的阻力、厚度显著降低,有利于 CO2、水汽分 子的逸出和青叶的有氧呼吸作用18- 21。 由表 2 可知, 振动做青设备青叶层气流速度在 0.460.64 m/s 间,符合 0.50 m/s 的微风要求,能有效降低青叶层 空气 CO2体积分数和相对湿度,改善做青环境。 2)青叶层空气温度 做青环境温度对乌龙茶香气和滋味形成具有 重要影响,从表 3 看出,春茶振动做青叶层气温与 自然环境(23.52)做青差异显著(P0.05), 平均气温比对照低 0.42,而与暑茶空调做青温度 (22.99)差异不显著(P0.05)。表明振动式做 青设备调控的青叶层气温稳定于有利于乌龙茶做 青环境温度 23左右22。 表 3振动式做青与对照处理环境参数配对数据 t 检验 Table 3T test to data in pairs of the environment parameters during vibrating and traditional fine manipulation process 处理 Treatment 青叶层环境参数 Environment parameters of air between tea layers 振动做青 Vibrating fine manipulation (ZQ) 传统做青 Traditional fine manipulation (CK) 差值平均值 Mean of difference 自由度 Degree of freedom df 概率值 Probability value P 春茶 In spring 气温 Air temperature/23.10 0.2523.52 0.360.42 0.1890.04* 湿度 Relative humidity/%62.61 0.9698.97 0.6636.36 1.3690.001* CO2体积分数 CO2 volume fraction/( L L- 1) 411.00 14.10418.30 8.127.30 18.6490.70 暑茶 In summer 气温 Air temperature/23.03 0.1722.99 0.33- 0.04 0.30110.89 湿度 Relative humidity/%74.23 1.0266.75 2.18- 7.48 2.05110.001* CO2体积分数 CO2volume fraction/( L L- 1) 361.25 8.80430.17 19.1968.92 16.17110.001* 注:振动做青(ZQ)设定温度20,湿度65%。春茶CK 为自然环境做青,暑茶CK 为空调做青,空调设定温度18,湿度60%。*表示在0.05 水平下差异显 著,*表示在0.01 水平下差异显著。 Note: Environment temperature was set at 20, humidity at 65% during vibrating fine manipulation (ZQ) process. CK was natural environment fine manipulation in spring, air- conditioning environment in summer,and air- conditioning temperature was set at 18, humidity at 60%. * Significant difference under 0.05 level,* Significant difference under 0.01 level. 农业工程学报2013 年 274 由图 4a 可知, 春茶振动做青设备能将青叶层 气温调控在 2224之间,气温变化较小,即做 青过程中气温较为稳定,而自然环境做青叶层气 温变化范围较大,表现不稳定,这是因为自然环 境夜间气温下降较大所致。可见振动式做青设备 能有效调控做青过程中青叶层气温,使温度处于 对乌龙茶做青品质有利的范围内,尤其是在夜晚 降温时,由于振动式做青设备具有恒温功能,使 环境温度保持在较适宜范围,从而满足乌龙茶做 青工艺要求。 a. 春茶青叶层气温 a. Temperature of air between tea layers in spring b. 春茶青叶层湿度 b. Relative humidity of air between tea layers in spring c. 暑茶青叶层 CO2体积分数 c. CO2volume fraction of air between tea layers in summer 注:振动做青(ZQ)设定温度 20,湿度 65%,振青选择气流输入高速 档,晾青选择气流输入低速档; CK 为传统做青,春茶 CK 为自然环境 做青,暑茶 CK 为空调做青,空调设定温度 18,湿度 60%。小写字 母表示在 0.05 水平下差异显著, 大写字母表示在 0.01 水平下差异显著。 Note: Environment temperature was set at 20, humidity at 65% during vibrating fine manipulation (ZQ) process. Vibrating selected air conveying high gear, and airing at low. CK was traditional fine manipulation. CK was natural environment fine manipulation in spring, air- conditioning environment in summer,and air- conditioning temperature was set at 18, humidity at 60%. Small letters showed significant difference under 0.05 level, capital letters showed significant difference under 0.01 level. 图 4振动做青过程青叶层环境参数比较 Fig.4Comparison of environment parameters between tea layers during vibrating fine manipulation process 3)青叶层空气相对湿度 春茶振动做青叶层空气相对湿度(62.61%) 极显著低于自然环境做青(P0.001),比春茶 青叶层空气相对湿度(98.85%)平均低 36.36%。 相反, 暑茶振动做青要极显著高于空调间做青 (P 0.001),平均值分别为 74.23%和 66.75%,都 在符合乌龙茶做青环境要求的 60%80%。从图 4b 可以看出,春茶自然环境做青叶层空气相对湿 度接近 100%, 做青各阶段均极显著高于振动做青 叶层空气相对湿度值。而春茶青叶含水率较高, 高湿环境阻碍乌龙茶做青过程中青叶的正常“ 走 水” ,不利于乌龙茶的品质形成,需要低湿环境促 进青叶失水。暑茶青叶含水率低,加上高温低湿 的气候条件下,需要将做青环境调控在低温、中 湿的范围内,通过降温保湿措施,利于青叶保水, 缓慢地使青叶内含物质充分转化23- 25。可见,振 动做青设备能够根据不同气候条件将做青环境湿 度有效地控制在适宜范围内,为乌龙茶做青过程 提供适宜环境。 4)青叶层空气 CO2体积分数 做青间 CO2体积分数是做青环境空气新鲜 度的重要因子,CO2体积分数高会降低呼吸作 用,造成有机酸积累,抑制某些酶(如细胞色素 氧化酶)的活性,严重时会使细胞中毒而死26。 从表 3 看出, 春茶振动做青叶层 CO2体积分数与 自然环境做青之间差异不显著(P0.05),表 明振动做青环境空气新鲜度能达到自然环境水 平。 但是暑茶振动做青叶层 CO2体积分数均值比 空调间做青环境低 68.92 l/L,差异达极显著水 平(P0.001),因为空调间做青间相对封闭, 没有新鲜空气补充。由图 4c 可知,暑茶空调间 做青叶层 CO2体积分数在 350500 L/L,振动 做青设备在 300400 L/L,振动做青设备调控 的做青环境 CO2体积分数低于不具有新风功能 的空调做青间, 设备的新风装置能保证振动做青 环境空气的新鲜度。 空调做青叶层 CO2体积分数 随着做青的进行呈上升趋势, 在三晾阶段显著高 于振动做青。 3.2.2做青品质分析 品质试验过程青叶层环境参数测定均值为振 动做青叶层气温 23.05,空气相对湿度 69.52%, CO2体积分数 396.08 L/L;传统做青叶层气温 23.43,空气相对湿度 79.82%,CO2体积分数 422.86 L/L。对试验茶样品质得分进行配对数据 t 检验, 分析 2 种做青方式之间毛茶感官品质的差异, 结果如表 4 所示。 第 10 期郝志龙等:乌龙茶振动式做青设备研制与做青环境调控性能试验 275 表 4振动做青与传统做青毛茶感官品质配对数据 t 检验 Table 4Test to data in pairs of tasting results about raw Oolong tea made by vibrating and traditional fine manipulation 处理 Treatment 品质得分 Quality score 差值平均值 Mean of difference 自由度 Degree of freedom df 概率值 Probability value P 振动做青 Vibrating fine manipulation (ZQ) 84.702.204.530.9290.001* 传统做青 Traditional fine manipulation (CK) 80.172.05 注:振动做青(ZQ)设定温度 20,湿度 65%。春茶 CK 为自然环境做青,暑茶 CK 为空调做青,空调设定温度 18,湿度 60%,* 表示在0.05 水平下差异 显著,* 表示在0.01水平下差异显著。 Note: Environment temperature was set at 20, humidity at 65% during vibrating fine manipulation (ZQ) process. CK was natural environment fine manipulation in spring, air- conditioning environment in summer,and air- conditioning temperature was set at 18, humidity at 60%. * Significant difference under 0.05 level,* Significant difference under 0.01 level. 表 4 中结果表明振动做青与传统摇晾分置 式做青毛茶感官品质差异达极显著水平(P 0.001),振动做青毛茶品质平均分比传统做青 高 4.53 分。 3.2.3做青作业姿势舒适度分析 为分析方便,均以每批生产量 m=50 kg 鲜叶计 算。传统做青采用滚筒摇青至少 3 次,每次摇青要 上下叶及摊叶晾青,需要 1 个人工,其中弯腰、筛 青等动作都属于人体难适应姿势,按照孔令等27- 28 的作业姿势舒适性评价方法,上下青叶作业姿势代 码为 2115,摊青作业姿势代码为 1313,不舒适级 别均为 6 级。振动做青减少了上下叶及摊青的繁重 工序,仅要 0.5 个人工,只有 1 次不舒适级别为 6 级的上下叶及摊放青叶姿势。由此可见,振动做青 不舒适级别为 6 级的作业姿势仅为传统做青的 1/3, 作业姿势更舒适轻松,降低了劳动强度,同时节省 人工 50%。 3.2.4做青能耗分析 根据乌龙茶做青工艺要求,能耗主要由摇青动 力和晾青阶段环境调控所产生。单位质量毛茶做青 能耗计算公式10,29- 30 / mhhyy QWtWtM(9) 式中,Qm为生产 1 kg 干茶做青耗电量,kW h;Wh 为做青环境控制功率, kW; Wy为摇青机功率, kW; th为环境调控时间,h;ty为摇青时间,h;M 为每 批生产干茶质量,kg。 根据调查及测定数据,摇晾分置式空调做青: Wh=3 kW,Wy=0.5 kW,th=30 h,ty=0.5 h,M=9 kg, 经计算, 生产 1 kg 干茶采用传统摇晾分置式空调做 青的耗电量 Qmk=10.028 (kW h)/kg。 振动做青:Wh=2 kW,Wy=1.1 kW(含循环风 机等耗电),th=24 h,ty=5/12 h,M=9 kg,经计算, 生 产 1kg 干 茶 采 用 振 动 做 青 的 耗 电 量 : Qmz=5.38 (kW h)/kg。 由此可见 Qmk2Qmz,即振动做青能耗仅为传 统摇晾分置式做青的 50%,节约能源 50%。 4结论 1)本文设计的乌龙茶振动做青设备以偏心轮 机构作为振动源,配有 2 kW 制冷量的半封闭式环 境调控系统,单机鲜叶容量 50 kg,用振青代替滚 筒摇青,能自动完成振青、晾青和环境调控作业, 减少了加工过程中不必要的人、茶接触。 2)对乌龙茶振动做青设备进行做青环境调控性 能试验,结果表明能有效控制做青青叶层气流速度 0.460.64 m/s,气温 2224,温度稳定,空气相 对湿度60%80%,CO2体积分数300400 L/L。 3)振动做青具有品质好,作业姿势舒适,节 省成本等优势,其毛茶品质极显著优于传统做青, 平均分高 4.53 分, 不舒适级别为 6 级的作业姿势仅 为传统做青的 1/3,省工 50%,节省能耗 50%。 参考文献 1游小妹,钟秋生,陈常颂. 丹桂 乌龙茶不同做青环境 主要生化成分的变化J. 中国农学通报, 2011, 27(11): 7073. YouXiaomei,ZhongQiusheng,ChenChangsong. Effects of different environment of fine manipulation on the main biochemistry components of dangui Oolong teaJ. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(11): 7073. (in Chinese with English abstract) 2钟秋生,陈常颂,游小妹,等. 不同做青环境对丹桂 秋季乌龙茶香气品质的影响J. 福建农业学报,2010, 25(4):468474. Zhong Qiusheng, Chen Changsong, You Xiaomei, et al. Effect of processing conditions on flavor of Dangui oolong teaJ. Fujian Journal of Agricultural Sciences, 2010, 25(4): 468 474. (in Chinese with English abstract) 3林学诗. 乌龙茶可控环境做青工艺研究J. 茶叶科学 简报,1990(1):510. 4金心怡,陈济斌,吉克温. 茶叶加工工程学M. 北京: 中国农业出版社,2003:6974,150166. 5吕鉴唐. 试论铁观音做青工艺与气候因子的关系J. 福建茶叶,1991(4):2528. 6南京工学院, 西安交通大学主编. 理论力学(下)M. 北 京:人民教育出版社,1979:3487. 7金心怡,吉克温,郭雅玲. 乌龙茶的机械振动摇青J. 茶叶科学,1994,14(2):149154. 农业工程学报2013 年 276 Jin Xinyi,JiKewen,Guo Yaling.Application of mechanical vibration in the rocking process of Oolong teaJ. Journal of Tea Science, 1994, 14(2): 149154. (in Chinese with English abstract) 8黄福平. 青茶振青可行性探讨D. 福州:福建农林大 学,1990:812. Huang Fuping. Feasibility Study on Vibrating Tea Leaves for Oolong TeaD. Fuzhou: Fujian Agriculture and Forestry University, 1990: 812. (in Chinese with English abstract) 9潘崇忠. 振动摇青代替手工摇青的可行性探讨D. 福 州:福建农林大学,1992:611. Pan Congzhong. Study on Feasibility of Vibrating Instead of Rocking Tea Leaves by PeopleD. Fuzhou: Fujian Agriculture and Forestry University, 1992: 611. (in Chinese with English abstract) 10 金心怡,郝志龙,陈济斌,等. 振动式乌龙茶做青新技术 及其效益研究J. 中国茶叶,2006,28(3):2425. Jin Xinyi, Hao Zhilong, Chen Jibin, et al. Study on the new technology of vibration used in withering and fermentation procedure of Oolong tea manufacture and its economic resultsJ. China Tea, 2006, 28(3): 2425. (in Chin

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