黑茶热泵发花干燥技术研究及应用

刘 军，吴耀森，李浩权，龙成树，涂桢楷，刘清化※

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630，2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510630）

0 引言

黑茶属于后发酵茶，是中国六大茶类中加工过程最为复杂的一大茶类[1]。黑茶的传统加工方法工艺繁琐、技术性强，而加工过程中细微的差别可导致茶品质量和风味千差万别[2]。据统计，2015年全国茶叶产量224.9万t，其中黑茶产量22.7万t，占全国茶叶产量的10.09%；其中湖南黑茶产量7.11万t，占全国黑茶产量的31.32%[3]。

在黑茶加工过程中，“发花”是在茶砖内形成“金花”（冠突散囊菌），使茶砖具有独特的“菌花香”，是决定黑茶品质最为关键的一道工序[4-6]。传统黑茶发花干燥主要以蒸汽烘房加工为主。蒸汽锅炉烘房采用蒸汽阀门与暖气片相结合，通过控制蒸汽阀门的开度来控制烘房内温度，采用开窗通风的方式控制烘房的湿度。

1 锅炉蒸汽干燥

锅炉蒸汽干燥由于自身设备的特性存在以下问题。

1.1 控制精度低，易受环境因素的影响

传统锅炉蒸汽烘房采用手动控制阀门开度来控制烘房内部温度，利用排气通风的方式控制烘房湿度，二者控制精度低，温度波动3～5℃。同时还受环境气候的影响，当环境温度或湿度高于烘房内部温度或湿度时，温度和湿度则无法受控制，如果此时正好是黑茶发花旺盛期，由于“金花”大量繁殖产生的热量无法及时散失，会导致茶砖烧心[7]。

1.2 发花程度不一，产品质量不均

在传统黑茶发花过程中，茶艺师通过感官和经验控制发花程度，难以达到统一的“发花”质量，主观因素干扰较强，而且“发花”过程还会伴随着其他霉菌的生长（黑霉菌和青霉菌），甚至无“金花”产生，导致产品质量不均匀，质量不高。

1.3 生产周期长，成本高，排放高

蒸汽烘房需要配备专门锅炉技术员和茶艺师，“发花”干燥周期长，生产效率低，运行成本高。在夏季高温高湿的气候条件下，无法正常生产，无法全天候生产。传统烘房一般通过烧煤用锅炉蒸汽加热，热效率低下，污染严重，不符合国家的节能减排、低碳环保政策。

2 热泵发花干燥技术

热泵发花技术是在原有的热泵技术基础上，根据黑茶“发花”工艺研制的专用干燥设备[8-10]。利用热泵从低温热源中吸收热量，将其在较高温度下释放热量来提高烘房温度，而在烘房温度超过黑茶发花工艺温度时，通过转换热泵制热工况为制冷工况，从烘房内吸收热量，释放于外部环境，实现烘房的降温过程。两种工况的自动转换并结合热泵的除湿工况和超声波加湿技术，可达到精确控制烘房温度和湿度的目的，满足黑茶发花的工艺要求。整个“发花”过程全程自动化控制，既可改善现有蒸汽烘房需人工控制调节温度和湿度、控制精度较低、成本较高、受季节和气候影响和生产稳定性差等问题，又可避免蒸汽烘房燃煤或者烧柴产生废气、废水、废渣等污染物，因此，采用热泵烘房技术全程自动化控温控湿，不但控制精度高，而且能耗低、生产成本低。

3 黑茶热泵发花试验研究

3.1 试验物料

实验物料均由湖南黑美人茶业股份有限公司提供。

机压砖：茶砖质量约1 kg，初始水分含量约24%～28%，物料铺放密度为360片/茶架。

手筑砖：茶砖质量约1.2 kg，茶砖尺寸为24 cm×15 cm×4 cm，初始水分含量约26%～28%，有包装纸，物料铺放密度为360片/茶架。

3.2 试验设备

HWHS60型黑茶热泵发花干燥机，由广东弘科农业机械研究开发有限公司研制，结构图如图1。主要技术参数：干燥温度25～45℃，可调；干燥湿度20%～95%，可调；加工能力3 600～6 000片/批。

3.3 试验方法

在制茶师指导下，参考紧压茶国家标准[11,12]中的第3部分茯砖茶，结合预实验，设定除湿工艺，每天取样记录茶砖质量，观察茶砖内部水分变化和金花生长情况，不断调整工艺参数，最终得出机压砖和手筑砖的热泵发花工艺参数，见表1—2。

图1 HWHS型黑茶热泵发花干燥设备结构图

表1 黑茶机压砖热泵发花工艺参数设置

表2 黑茶手筑砖热泵发花工艺参数设置

3.4 试验结果分析

3.4.1 不同茶砖对热泵发花干燥的影响

图2表明，机压砖质量与干燥时间的变化曲线基本呈线性关系，即是“发花”过程中失水速率基本一致；手筑砖质量变化前期速率较快，后期逐渐变慢，即“发花”过程失水速率先增加，后减小，最后达到稳定状态。手筑砖“发花”干燥时间较机压砖发花干燥时间短1 d；机压砖表面没有包装覆盖，循环空气直接与茶砖接触，且结构致密，水分蒸发较慢、较均匀；手筑茶砖结构较机压茶砖结构松散，水分容易蒸发，同时包装纸有利于水分均匀扩散，加速了前期茶砖的失水速率。

3.4.2 不同工艺下设备运行曲线对比

图2 不同种类茶砖的干燥曲线

图3 机压砖工艺设备运行曲线

图3表明机压砖设备运行过程中送风温度、回风温度基本与设定温度一致，回风湿度与设定湿度基本一致，但存在一定的偏差，这是因为湿度控制与温度控制相关，湿度控湿惯性大于温度，控制波动范围大于温度，升温过程和降温过程都会伴随湿度下降，而除湿过程会导致温度升高。图4 表明，手筑砖工艺设备送风温度、回风温度运行曲线基本与设定温度一致，同机压砖运行曲线相似，但湿度曲线偏离设定曲线比机压砖曲线大，可能是因为手筑砖失水速率较快，导致湿度控制曲线偏离程度较大。

3.4.3 黑茶热泵发花效果分析

实验过程中，热泵发花无霉变和烧心现象，发花品质较高。机压砖发花较为均匀，但发花量少于手筑砖，见图5。手筑砖发花集中在茶砖中心，茶砖表面1～2 cm金花生数量不明显，见图6，可能是因为机压砖失水速率均匀，而手筑砖前期失水较快，导致表层湿度过低，无法为后期金花生长提供适宜的湿度，所以表层以下1～2 cm金花数量较少。

图4 手筑砖工艺设备运行曲线

图5 机压砖产品效果图

图6 手筑砖产品效果图

4 结论

试验结果表明，热泵发花干燥技术在茯砖茶发花干燥生产中可行。采用热泵发花干燥技术手筑砖发花干燥时间为19 d，机压砖发花干燥时间为18 d，相比传统发花干燥时间24 d，缩短20%以上。采用热泵控温控制技术，能够为“金花”生长提供适宜的温度和湿度，有利于提高发花质量，且烘房内部温湿度不受外界气候条件的影响，可实现全年全天候生产。同时发花干燥过程自动化控制，可节约劳动力，进一步降低生产成本。据企业测算，热泵发花成本约0.8元/片，蒸汽烘房成本为1.5元/片，可节省成本50%以上。

黑茶热泵发花技术存在设备投资成本较高，但设备运行节能，且无污染排放，可实现企业连续生产需求，具有广阔的应用前景，黑茶热泵发花工艺有待进一步优化。