电磁内热滚筒杀青对茶叶品质的影响论文
本文以滚筒杀青为突破口，通过加热系统和温控系统的技术创新，研制出新型电磁内热滚筒杀青设备（专利号ZL201020157446.2），以制品的感官品质、能耗成本等为指标提出适宜的应用技术，解决传统杀青存在的诸多不足，达到名优绿茶杀青作业工效高、能耗低、易操作、品质优等多重目的，为绿茶加工提供技术储备和参考。
电磁内热滚筒杀青机的结构、工作原理及技术特点
1结构组成
电磁内热滚筒杀青机主要由进料装置、滚筒、加热线圈、排湿装置、支撑机架、出料装置、联动装置、远红外温度感应装置、电控柜、保温外壳等部分组成，如图1、2所示。另有直流电机隐藏在杀青机底部，作为动力源一方面带动滚筒运转，另一方面通过轴承、三角带带动定位拖轮与滚筒同时运转。
2工作原理及技术特点
该设备采用电磁加热技术对滚筒进行加热作业。电磁加热主要采用磁场感应涡流原理，借助高频电流通过环行线圈，产生无数封闭磁场力，当磁场的磁力线通过导磁物，即会产生无数的小涡流，从而使导磁物自行高速发热。由于该方法是直接对滚筒加热，减少了传统电热管先加热空气，再由空气加热滚筒的两道热能传递所导致的热能损耗，能量转换率和热能利用率显著提高。在电磁加热线圈外层包裹有经特殊处理的云母板制作的保温层，热能能够尽可能消耗于滚筒，不仅可缩短预热时间，而且能够大大改善加工环境条件。以新型远红外测温仪代替传统的热电藕温度传感装置，对温度的感应和监测更为迅捷、敏感，精度范围可达±1℃便于精确控制滚筒温度，减少热能损耗。通过对整机结构及辅助装置的创新设计和运用，电磁内热滚筒杀青设备的热效率可达50%～60%，温度浮动范围可控制在±3℃之内。借助电磁加热技术，遵循“高温杀青，先高后低”的杀青优化工艺原则[16]，将整个滚筒划分成3个温度区段，并配置不同功率的电磁加热装置及温度监控反馈系统，可实现各区段杀青温度的独立调控。通过对各区段滚筒温度的精准控制以及杀青温度组合的优化，既能保证灭酶迅速、彻底，又可防止杀青叶焦化，同时促使内含物质适度转化，达到杀青叶色泽鲜活嫩绿、清香四溢、滋味醇爽的品质要求，克服传统滚筒杀青品质稳定性差、能耗高等缺陷。
材料与方法
1材料与试剂
茶鲜叶：品种为福鼎大白茶，嫩度为1芽1叶1芽2叶初展，对刚采下的茶鲜叶（含水率在74%±1%）及时称量、装袋和密封保样处理。试剂：包括纯净水（分析纯）、乙酸乙酯（分析纯）、体积分数为95%乙醇、丙酮（分析纯）、氯仿（分析纯）等。
2主要设备与仪器
6CST-60D型电磁内热滚筒杀青机（中国农业科学院茶叶研究所与余姚姚江源茶叶茶机有限公司联合研制，输出功率110kW），6CST-40型滚筒杀青机（浙江上洋机械有限公司，电热式，输出功率21kW），DXCWS-15型微波杀青机（江苏省宜兴市鼎新微波设备有限公司，输出功率21kW），6CSF-500型热风杀青机（浙江上洋机械有限公司，燃煤式），6CR-35型揉捻机（浙江上洋机械有限公司），6CHZ-10型燃油式热风烘干机（余姚姚江源茶叶茶机有限公司），SartoriusBT-124S型电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司，精度范围为±0.1mg），UV-3600型分光光度计（上海彦哲仪器设备有限公司），DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司），审评茶具等。
3试验方法
以同一茶树品种、同一嫩度标准的鲜叶为试验原料，采用相同的'摊放方式、时间，随后摊放叶按不同杀青工艺处理分别进行杀青作业，将杀青叶分成2份，1份用于杀青叶品质成分含量测定，重复3次，取平均值。另1份按照图3工艺流程制成绿茶样品，进行理化成分检测以及感官品质的评比与测分。在前期单因素试验的基础上选取前段筒温、中段筒温、后段筒温以及杀青耗时等4个因素，每因素3个水平进行正交试验及极差分析，各因素水平的试验安排见表1。通过对杀青叶、成品茶感官品质审评以及主要品质成分含量检测，筛选出最佳的电磁内热滚筒杀青工艺参数。随后将应用最佳工艺的电磁内热滚筒杀青与传统的滚筒杀青、微波杀青、热风杀青等进行比较试验，并以品质、能耗、工效为考核指标开展综合评价。本次试验以电磁内热滚筒杀青设备为载体研究了电磁内热滚筒杀青工艺对茶叶色泽、香气、滋味等感官品质的影响，通过杀青叶外观评审（杀青程度、色泽、香气和外形特征）、初制品感官审评以及主要品质成分的检测对杀青后的茶叶品质进行全面的试验分析，探索最佳的工艺参数；并与传统杀青工艺进行比较试验，验证电磁内热滚筒杀青技术的可行性、适用性和先进性，从而为茶叶杀青作业提供新的技术和装备。影响绿茶滋味、香气品质的因素较多，本试验着重分析了茶多酚、游离氨基酸、咖啡碱、可溶性糖、儿茶素、芳香油等关键成分的含量，它们一方面取决于鲜叶品质（本试验采用同种原料进行比较，可排除鲜叶品质的影响），同时也受制茶工艺，尤其是杀青工艺的影响。茶多酚含量：福林酚试剂比色法（GB/8313-2008）；游离氨基酸含量：茚三酮比色法（GB/T8314-2002）；咖啡碱含量：紫外分光光度法（GB/8312-2002）；可溶性糖含量：硫酸-蒽酮法；叶绿素含量：分光光度法；儿茶素含量：高效液相色谱（HPLC）法，W2469高效液相色谱仪，VWD检测器，色谱柱：ZORBAXSB-C18ODS，5μm，4.6mm×150mm；流动相：A为0.5%甲酸，B为乙腈，流速1mL/min，柱温40℃，检测波长280nm，进样量：5μL，梯度洗脱，流动相B在16min内由6.5%线性梯度变化到25%，25min回到初始状态，平衡10min。所有测定重复3次，取3次结果的平均值。品质感官审评：按GB/T13063-1992方法，取3g茶样，加入150mL沸水冲泡5min后进行密码评审。评定外形色泽、汤色、香气、滋味、叶底，每项满分100分，总分采用加权法，品质总分＝外观×0.20+汤色×0.20+香气×0.25×+滋味×0.25+叶底×0.10。笔者结合前期研究结果以及文献资料[6,10,17]，提出以下杀青工艺技术参数。电热管滚筒杀青：设置温度280～300℃，中间筒壁温度160～180℃，总耗时70s左右，投叶量50～60kg/h。微波杀青：微波频率2450MHz，微波输出功率21kW，时间160s，处理量60kg/h左右。高温热风杀青：设置温度280～320℃，中间筒壁温度180～200℃，单周期总耗时150s左右，投叶量200kg/h。
结果与分析
1电磁内热滚筒杀青适宜工艺参数确定
以前期单因素试验结果为基础，针对电磁内热杀青技术阶段温度、单周期耗时等因素的正交试验结果如表2所示。根据本试验要求，茶多酚、氨基酸、可溶性总糖、儿茶素、叶绿素等品质成分含量以高为好[14,18]。由表2中的Rj可知，杀青叶中茶多酚、氨基酸、可溶性总糖等品质成分所对应的四因素主次顺序有所不同，其中茶多酚含量的影响因子A＞B＞C＞D，即鲜叶杀青前段温度高低对茶多酚含量影响最为重要，最佳组合为A1B2C1D1；氨基酸含量影响因子的主次顺序为A＞B＞D＞C，同样以最初阶段的滚筒温度为主要影响因子，最佳组合为A2B3C1D2；可溶性总糖、儿茶素、叶绿素等则以杀青单周期耗时为影响其含量的最关键因素，最佳组合分别为A3B3C1D1、A2B3C2D3、A2B1C1D1。因上述成分同成品茶的外观、汤色、香气、滋味、叶底等品质指标密切相关，本文借鉴成品茶审评指标的权重系数，提出茶多酚、氨基酸、可溶性总糖、儿茶素、叶绿素等在正交分析中的权重系数分别是25%、25%、20%、20%、10%，经综合分析初步确定电磁内热滚筒杀青最佳因素水平组合为A2B3C1D1，即前段筒温270℃、中段筒温280℃、后段筒温190℃，总杀青耗时控制为90s。然而该组合中段与后段筒温的温差过大，因热胀冷缩原理易导致滚筒变形，进而影响温控均匀性和设备使用年限。为有效兼顾杀青叶感官品质和设备机械性能，对最佳组合进行微调，提出A2B2C1D2的因素水平组合，并开展对比试验（2种组合均未出现在正交试验中）。试验结果显示（见表3），相比较A2B2C1D2因素水平组合，A2B3C1D1参数组合杀青叶的茶多酚、氨基酸、可溶性总糖等含量均稍高（仅咖啡碱略低），但杀青叶感官审评差异不大，仅在香型上略有不同，A2B3C1D1组合偏重于高香，A2B2C1D2组合则侧重于清香。通过对茶叶杀青效果（理化成分含量）、作业效率（杀青耗时）及经济效益等综合分析，最终确定电磁内热滚筒杀青的适宜因素水平组合为A2B2C1D2。
2同传统杀青方式技术特征及效果的比较
以目前生产上常用的电加热滚筒杀青、微波杀青、燃煤式高温热风杀青等方式及其工艺参数为对照，电磁内热杀青采用上述最佳技术参数，所开展的不同杀青方式效果比较结果见表4。从表4中可以看出，电磁内热滚筒杀青处理在制品色泽嫩绿、鲜活，清香四溢，较电加热滚筒和高温热风杀青具有更好的外观色泽和鲜活度，香气品质则明显好于微波杀青处理。化学成分检测结果显示，电磁内热滚筒杀青叶的氨基酸、叶绿素含量在4种杀青处理中最高，茶多酚、可溶性总糖的含量略低于微波杀青处理，较电热管滚筒杀青和热风杀青显著要高，为后续作业提供了良好的物质基础，进而保证了成茶香气、色泽等品质的优异。设备性能和能耗成本方面，传统滚筒杀青设备采用电热管二次制热，先加热空气，再由热空气加热滚筒的作业方式，热效率仅为20%～30%。电磁内热杀青因采用了磁场涡流感应技术，由加热线圈直接对滚筒进行加热，热效率有较大提升。据检测，电磁内热杀青作业单位产能约为146kg/h（1芽1叶～1芽2叶初展鲜叶原料），平均耗电55.5kWh，即每公斤杀青叶耗电约为0.38kWh，作业耗能成本大抵与燃煤相当（0.38元/kg），略低于微波杀青，显著低于电热管滚筒杀青。此外，与其他杀青技术相比，电磁内热滚筒杀青预热时间短，热能外耗小，可有效改善作业环境。不同杀青处理绿茶感官品质审评结果如表5所示。由于电磁内热杀青技术对杀青温度、作业过程的调控更为精准、精细，在后续工艺相同的条件下，其试验茶样的感官得分明显高于其他杀青方式。外观色泽和汤色明显好于电热管滚筒和高温热风杀青，香气、滋味等内质风味方面则与高温热风杀青相当，显著要好于微波和电热管滚筒杀青。
讨论
杀青是通过高温作用钝化鲜叶酶活，制止多酚类的酶促氧化，并促使蛋白质、可溶性总糖等品质成分进行有益转变[19]。理化成分的差异是决定不同杀青工艺处理样品质特色的内在影响因素，如陈玉琼通过杀青工艺比较制得低氟青砖茶[20]，白喜婷等利用微波杀青获得高绿原酸含量的杜仲绿茶[21]；其对传统绿茶化学成分及感官品质的影响尤为显著，如蒸汽、汽热杀青因蒸汽的穿透力强，杀青时间短，茶多酚保留较多，水解产物增加较少，滋味爽口而欠醇厚；微波杀青同样具有较强穿透力，灭酶迅速，叶绿素破坏少，色泽绿，且由于其热传递的方向和水分散失方向一致，物质转化相对较蒸汽、汽热杀青充分，口感也相对较醇[6-8,18,22-24]。从本试验结果看，采用滚筒模式作业的电磁内热杀青通过创新性分段处理，前段先以高温快速灭酶，制止鲜叶内的酶促氧化作用，随后逐步降低后段的筒温，不仅可防止持续高温杀青造成焦边焦叶和苦涩口感（可溶性黄烷醇增多[25]），而且有利于氨基酸、可溶性糖、芳香物质等色香味品质成分的形成，使得杀青叶色泽嫩绿、鲜活，清香四溢，所制绿茶色泽绿润、香气清高、滋味鲜爽，内质风味好于微波杀青，外观色泽好于高温热风和电管热滚筒杀青。
相比较已有杀青技术，电磁内热滚筒杀青的特点在于一方面较好地保持了传统滚筒杀青在品质上的优势，另一方面通过有机整合电磁加热和红外控温等现代技术，使得热效率较传统电加热滚筒杀青提高50%以上，温度浮动控制在±3℃之内，达到缩短预热时间、降低生产成本的目的。此外，电磁内热杀青采用数字化控制系统，不仅杀青均匀、稳定，且可实现自动上叶、连续化生产，可有效减少劳动用工。而随着科学技术的发展，除了不断在杀青工艺中融入高频电磁波、红外光波[13]等高新制热技术外，运用现代控制技术，引入PLC和模糊控制相接合的智能控制设计思想，使整个操控实现自动化和标准化作业也将是杀青工艺今后发展的必然趋势[26-27]。
结论
1）由正交试验与极差分析结果可知，电磁内热滚筒杀青技术影响杀青叶品质成分含量的因素以前段滚筒温度和单周期总耗时较为重要。经过对茶叶杀青效果和经济效益综合分析，提出电磁内热滚筒杀青在投叶量约为150kg/h时的适宜工艺参数为：前段筒温270℃、中段筒温250℃、后段筒温190℃，总杀青耗时控制为105s。
2）对杀青叶及绿茶样的感官审评显示，电磁内热滚筒杀青处理在制品色泽嫩绿、鲜活，清香四溢，所制绿茶色泽绿润、香气清高、滋味鲜爽，内质风味好于微波杀青，外观色泽好于高温热风和电管热滚筒杀青。化学成分检测表明，相比较传统杀青，电磁内热滚筒杀青叶的氨基酸、叶绿素、茶多酚、可溶性总糖等含量略高，可为后续加工提供良好的物质保证。
3）试验表明，电磁内热滚筒杀青具有热效高、升温快、成本低等优点，预热时间较电热管滚筒杀青和燃煤式高温热风杀青缩短13～20min，作业成本与燃煤式高温热风杀青相近；同时通过与远红外测温、分段控温技术的结合，可实现杀青作业温度和过程的精准调控。
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