多波长LED白茶复合式光萎凋生产线设计与关键模块配置

2021-11-23林宏政俞少娟郝志龙金心怡林振传邵克平孙云

中国茶叶 2021年11期

关键词：白茶生产线模块

林宏政俞少娟郝志龙金心怡林振传邵克平孙云

摘要：结合生产实践经验，分析了传统白茶萎凋环境因素对白茶品质的影响，开展了多波长LED白茶复合式光萎凋生产线设计，以生产线功能模块方式进行分析，并重点介绍了生产线关键模块配置，以期为白茶光萎凋连续化生产线研究提供相关理论依据。

关键词：多波长;LED;白茶;萎凋;生产线;模块

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

白茶是六大茶类之一，为我国特有茶类，主要产区为福建福鼎、政和、建阳、松溪、福安、柘荣、霞浦、周宁等地[1-3]。其品质特征为外形身披白毫，色泽银白、灰绿为主;汤色浅黄或橙黄;香气清高带毫香;滋味鲜爽醇厚带毫味;叶底嫩匀肥软。近年来，白茶因其特有的抗氧化、清热解毒等保健功能[4-7]和收藏价值备受消费者关注和喜爱，“白茶热”持续升温[2，8-9]。白茶加工分为萎凋（后期并筛并堆）、干燥2个工序。其中，萎凋是白茶品質形成的关键工序，生产中常见有日光萎凋、室内自然萎凋、复式萎凋、热风加温萎凋等。日光萎凋作为传统工艺，对白茶香气等的形成具有重要作用。袁弟顺[10]研究认为，经过日光萎凋、复式萎凋的白茶香气高、滋味醇厚，优于自然萎凋和热风萎凋;陈济斌等[11]将白茶节能日光萎凋房与变频萎凋机相结合，模拟传统复式萎凋模式，试验结果表明设施复式萎凋白茶品质优于自然萎凋。

近年来，空气能除湿技术和光萎凋技术在乌龙茶、红茶、白茶、绿茶加工中开始研究和应用，白茶萎凋新技术要求实现萎凋过程连续化、清洁化、规模化。2011年福建农林大学茶叶研究所与福建品品香茶业有限公司合作，共同开发了多波长LED光萎凋白茶连续化生产线并应用于生产，取得良好效果，有助于解决因天气、季节和生产经验差异等因素导致白茶产品品质不稳定的难题。

一、传统萎凋环境因素对白茶感官品质的影响

白茶萎凋过程中萎凋叶失水速度、失水均匀性和萎凋失水程度的把握对形成白茶特殊风味品质有着重要作用，而这些参数又受到温度、相对湿度、光照、通风条件等因素的影响。早期白茶生产极易受天气影响，民间有“天热变红、天冷变黑”的经验之谈。

生产经验表明，当萎凋温度过高，环境相对湿度过小时，则易导致萎凋叶失水速度过快，萎凋总历时过短，鲜叶内含成分转化不足，所制毛茶色泽多为燥绿，带青气，滋味涩;当萎凋温度低，环境相对湿度大时，则萎凋叶失水速度过慢，萎凋总历时过长，所制毛茶色泽暗黑，香气不良（表1）。

生产过程中，遇到先晴后雨、先雨后晴、闷热或雷雨等天气时，传统自然萎凋无法及时调控萎凋叶失水速率，如遇低温高湿的阴雨天，则应在萎凋叶含水率为30% ～ 35%时，提前结束萎凋进行干燥，否则将严重影响白茶品质。因此，白茶生产中对环境因子的调控至关重要，一般要求萎凋环境温度20 ～ 25 ℃，空气相对湿度50% ～ 80%，历时48 ～ 72 h为宜。

二、多波长LED白茶复合式光

萎凋生产线模块设计

多波长LED白茶复合式光萎凋生产线的设计思路是将筛选出的合适的特异光谱LED光与节能型空气能技术相结合，采用清洁能源（电加热）来代替传统的燃料（煤、木柴）燃烧供热，鲜叶从茶园采摘到储青室再到生产线，全程不落地，从而真正达到白茶的清洁化、自动化、模式化、现代化标准生产，人工模拟晴天日光萎凋条件，改变传统“看天做茶”的受限模式，解决春季阴雨天白茶萎凋问题。

多波长LED白茶复合式光萎凋生产线根据功能拆分进行模块化设计，主要包括：温控模块、湿控模块、光控模块、风控模块、自动化摊青作业模块、氧循环模块、环境参数采集模块、远程实时监控模块、降尘除尘模块等。生产线主体设备结构（图1）包括：独立萎凋房、上青匀叶斜输装置、网带式多层萎凋床、LED光组合灯带、空气能除湿机、降尘芯、辅热装置、负压轴流风机、环境参数采集器、排气扇、远程实时监控器、总控制系统等部分。

1. 温控模块

白茶全年产量高峰期主要集中在春茶、夏茶、秋茶3季，其中春茶产量约占全年产量的50%。而春季制茶生产时常遇低温高湿天气，如梅雨时节，不利于萎凋叶水分散失，且严重影响白茶的品质。目前，茶厂主要采用热风炉（燃煤、燃柴、燃生物颗粒、燃油等方式）加热输送干燥热风来控制萎凋房的温度，常采用单边单向热风管道输送热风来提高萎凋房温度，但此方式易造成萎凋叶上下层、远近位置之间的温度不匀，导致单批次毛茶的萎凋程度不一致，影响产品质量。LED复合式光萎凋生产线温控模块是优先采用清洁化能源新技术，如电、碳纤维、空气能加热等，要求温度在20 ～ 35 ℃内精准可调，确保供热稳定，受热均匀。同时，独立萎凋房具备良好的保温性能，可明显减少热量损失，提高热效应。

2. 湿控模块

根据生产经验可知，当鲜叶萎凋失水率为55%左右时，即达到白茶萎凋适度。一般白茶萎凋过程的失水速率控制在每小时1% ～ 3%，不可过快或过慢。以单批生产量为1 500 ～ 2 500 kg鲜叶的LED复合式光萎凋生产线为例，要达到萎凋适度，鲜叶总失水量为825 ～ 1 375 kg，按初制生产1轮次24 h计算，平均萎凋每小时失水量34 ～ 57 kg。传统生产上常用吊顶式风扇或壁挂式摇头风扇，这些方式极易造成萎凋房局部温湿度不均匀。复合式光萎凋生产线湿控模块是通过节能型空气能除湿机+负压轴流风机+萎凋房顶排汽排湿等综合工程技术，将萎凋房相对湿度精准调控在50% ～ 80%，要求在保证热量不过度损失的前提下，排湿排汽稳定迅速，从而达到萎凋所需的湿度要求。

3. 光控模块

传统日光萎凋、复式萎凋的白茶品质较好，但易受自然天气条件所限，人力消耗大，萎凋历时较长，难以达到稳定的规模化生产;用萎凋槽加温萎凋工艺加工白茶，虽然萎凋历时短，但制优率不高，且产品常出现色泽青绿、干茶带青气，茶汤色淡如水、味薄且有生青味等现象。近年来，人工光补偿技术逐渐在茶叶生产中试验应用，比如日光灯、白炽灯、离子灯、镝灯、红外灯等人工光源的应用，不同光源、光质、光强对茶叶风味品质影响是近年来研究的热点。新型复式萎凋生产线光控模块采用多波长、低耗能型LED光源，模拟白茶“日光萎凋”所需的光谱与光照强度等条件，解决阴雨天时生产中无法进行日光萎凋或光照不足的难题，并可实现全天随时模拟日光稳定生产。本研究以早晚弱阳光萎凋强度25 ～ 50 μmol/（m2·s）为参考依据，通过系列筛选试验，将LED黄光、LED蓝光、LED白光进行组合，合理配置灯具间距，使其达到白茶光萎凋所需的光强度、均匀度。

4. 风控模块

白茶萎凋环境三要素“温度、相对湿度、气流”中，气流是最易被忽略的因素。气流对萎凋房内生产线的温度、相对湿度、氧气等因素起直接调节作用，气流的风量、风速要依白茶生产线的容叶量、失水量、萎凋时间等因素适时调整参数。本研究在对白茶萎凋风速的研究中发现，生产线萎凋层间的平均风速控制在0.5 ～ 1.0 m/s时有利于白茶优良品质的形成，无风或风速过大对白茶萎凋品质不利，且不同萎凋时期风速不同，前期可适当增大风速以加快鲜叶失水，萎凋后期要适当减小风速以减缓萎凋失水速率。气流控制不仅直接影响萎凋失水速率，更影响萎凋的均匀性，因此，各轴流风机的导风板换向角度与频率至关重要，风控模块可实现风速、换向角度、换向频率的调节功能。

5. 自动化摊青作业模块

在传统白茶生产中，人工摊青、并筛、下叶劳动强度大且不均匀，如将单批次2 000 kg鲜叶摊青、并筛、下叶收堆，需要24名工人，若每名工人薪资为150 元/d，则萎凋用工成本为3 600 元/d。为降低人工成本，提高各生产批次茶叶品质的一致性，应用复合式光萎凋生产线可减少80%以上用工量，一般只需3 ～ 4人，其中1人负责生产线运行操控，1 ～ 2人负责储青室喂料上叶，1人辅助匀叶。這要求生产线具备自动上叶、自动匀叶、自动摊叶、自动下叶等节省人力的功能。萎凋生产线需达到清洁化生产要求，以食品级不锈钢为结构材料，生产线采用全自动多层网带式萎凋机，网带采用聚酯网带，需符合食品安全要求。

6. 氧循环模块

白茶是微发酵茶，如果在过度密闭空间内萎凋，加工成的白茶色泽枯黄绿，香气闷气显，汤色橙黄较暗，滋味淡薄欠鲜爽，叶底花杂不匀。因此，生产过程中在尽量减少萎凋房内热损耗，保证热平衡的前提下，通过萎凋房顶部和底部相应的排气扇对萎凋车间进行间歇性的排碳输氧，即适当输入新鲜氧气，排出过量的CO2，使在制叶在缓慢的萎凋失水过程中进行微发酵，有利于白茶鲜爽风味品质的形成。氧循环模块要求具备手动模式、自动定时模式、智能识别模式，以达到自动化智能化的生产要求。

7. 环境参数采集模块

春季鲜叶含水量较高，受空间场地限制和白茶萎凋历时长的影响，在相对密闭的萎凋房常易出现高温、高湿环境。此外，由于加工厂房高度较高，易造成局部环境温湿度分布不均匀的情况。在白茶萎凋过程中，要求萎凋温度相对平稳，当出现温湿度异常时，要能及时警报，并反馈系统进行自动或手动调控参数。此外，还需对萎凋环境的PM2.5、PM10、CO2、相对湿度等进行监测，嵌入总控制系统中，设置警报阈值，过高时自动开启除尘、换气装置。综上，环境参数采集器要求具备抗高温、抗高湿、防茶尘等性能，要求能全覆盖、均匀地采集生产线前、中、后，萎凋房上、中、下层各区域环境参数，为其他模块动态精准调控提供基础保障。

8. 远程实时监控模块

远程实时监控模块包括环境参数采集模块的各项指标显示监控系统和生产车间实时监控系统。白茶萎凋过程耗时较长，为保证系统正常运行及操作工人安全，要求在车间安装远程监控系统，避免出现上叶倾落、进出料口堵塞等生产事故，同时也可通过高清动态监控系统，减少人员跑动巡视，节省人力。要求对生产线的上青口、摊青层、输送带前后拐点、出茶口、两侧轴流风机等区域全覆盖监控。远程实时监控系统要求具有实时性、安全性、可扩展性、稳定性、易操作性的特点。

9. 降尘除尘模块

茶叶生产中产生的粉尘颗粒微小易悬浮，而一定浓度的茶叶粉尘会影响生产人员身体健康（主要为肺部和呼吸道疾病）、生产车间的美观度、照明度和清洁度。白茶生产中鲜叶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树品种为主，萎凋前期鲜叶本身夹带非茶类夹杂物，如粉尘、细泥沙、微生物、其他植物茸毛等，非茶类夹杂物随水分散失，在风力作用下发生飘浮和扩散;萎凋后期，由于水分散失，茶叶柔软度逐渐下降，在萎凋过程中需要并筛、并堆，因此受到摩擦、挤压、下落碰撞等内外部机械力作用，茶毫易脱落。此外，车间人员走动、设备吹风等也是茶尘形成的原因之一[13]。因此，要求生产车间及密闭的萎凋房内，配置除尘收集装置，同时排气通道外接粉尘回收装置，空气能、除湿机等需要定期进行粉尘清理。为方便清理并提高效率，可配置压缩空气喷嘴进行灰尘定期清扫。

三、多波长LED白茶复合式光萎凋生产线关键模块配置

以单批次最大生产量为1 500 ～ 2 500 kg鲜叶（因制白毫银针、白牡丹、寿眉的鲜叶原料等级不同，投叶量有差异）的生产线为例，生产线实际加工鲜叶投叶量为3.5 ～ 6.0 kg/m2，萎凋房长、宽、高分别为38.00 m、7.00 m、3.50 m，墙体要阻燃保温;上青匀叶斜输装置为1层聚酯网带，长、宽、高为7 m、3 m、3 m;萎凋机主体由6层聚酯萎凋床组成，长、宽、高为23 m、3 m、3 m。

1. 多波长LED光控模块配置

单质光萎凋对茶叶品质调控效果影响的试验结果表明，LED黄光>LED蓝光>LED白光[14-15]。LED黄光萎凋效果较好，但LED黄光灯的生产技术难度较大，光效很低。若复合光组合中LED黄光比例较高，则灯带的成本极高。通过实际测定发现，在一定光辐射强度下，LED蓝光、LED白光的光效比LED黄光高3～5倍。所以，提高组合光中LED蓝光灯、LED白光灯的比例可使设备综合投入成本明显降低。俞少娟[16]开展不同光质及光强时间组合对白茶萎凋品质调控试验研究，结果表明，选择黄光（595 nm）∶蓝光（460 nm）∶白光（410 ～ 730 nm）灯带组合比为1∶2∶3，光辐射强度为40 μmol/（m2·s）的模式下，生产的白茶综合品质相对其他组合处理更好。

目前生产上LED灯常见为灯带和灯板，两种形式各有优缺点，LED灯板均匀性比灯带好，但灯板易发热，需单独配置散热装置，体积庞大且生产成本高，成本是灯带的2 ～ 5倍。LED灯带生产成本低，无散热问题，安装简便，其均匀性问题可通过调整灯带间距解决。综合考虑萎凋生产线各层间距、LED灯安装的可操作性、设备投资成本等因素，多波长LED光组合灯带更适合白茶萎凋生产线。LED光源采用电子继电器智能控制，可任意设置萎凋阶段的LED灯开关、时长等参数，实现人工模拟“日光萎凋”的光补偿作业。

在设计LED灯带布局时，需注意光萎凋的均匀性，调整好LED灯带与对应层输送带之间的距离，使其能达到日光萎凋所需的强度;考虑相邻LED灯带的灯光角度、光色衰及光叠加影响两灯带中间区域的灯光强度，在保证白茶光萎凋品质的前提下，调节相邻LED灯带至合理的距离，使LED灯带性能达到最优，降低投入成本。

2. 控温控湿模块配置

根据目标产量需求，该生产线需配备7 ～ 9台除湿机（额定除湿量10 kg/h），布置于生产线一侧，同时除湿机的上方配置7 ～ 9台具备可自动左右换向导风板的负压轴流风机，这样便于将除湿机产生的干热空气均匀地输送到中上部萎凋层;生产线另一侧中下部配置相同数量的大风量自动换向负压轴流风机，该风机的出风口导风板前可独立配置电辅热装置，萎凋过程中，若萎凋温度太低，可开启该加热装置额外辅助提高萎凋环境温度。由此，生产线循环风机形成上、中、下层和左右两侧均匀的空气对流。同时，萎凋房顶部需独立配置6 ～ 8台排气扇，萎凋房底部也相应配置排气扇或百叶式进气口;各萎凋层均匀配置9 ～ 12套环境参数采集器，以便实现白茶萎凋环境的均匀、自动调控。

该模块系统原理是利用空气能除湿机在高效除湿模式下热泵产生的干燥热风，通过负压风机输送到萎凋层进行循环利用。当遇春季低温阴雨天气或雨水青时，环境相对湿度大，空气能除湿机无法快速满足萎凋濕度要求，则可再单独开启排风扇将萎凋房内高湿空气迅速排出。当萎凋房的相对湿度达到或低于设定值时，排风扇自动关闭，以此节约能量。

3. 自动化摊青作业模块配置

自动化摊青作业光萎凋生产线结构见图2。该全自动摊青作业生产线工作流程为鲜叶采摘—运输—进厂称重—储青—上料—匀叶输送—萎凋床逐层摊青—出茶。在上青输送装置的进叶端处设置可调高度的匀叶轮及限厚装置，以保证摊青均匀度;鲜叶从顶层开始逐层掉落至下一层网带直至铺满最后一层，各层聚酯输送带转动方向、速度要独立可控，当最底层铺满青叶后，要停止作业，依次由下往上停止摊青，直至全部完成。相邻的两层输送带分别做正反向运动，为保证上层输送带的茶青能准确传输到下层输送带上，下层输送带的接叶端一头位置要长于上层输送带掉叶端位置。

四、小结

通过对白茶萎凋过程中环境调控关键参数对品质的影响进行分析，设计多波长LED白茶复合式光萎凋生产线，融合多光谱LED光补偿技术、节能型空气能升温除湿、清洁化电加温辅助升温、高效率负压循环风机气流控制、低耗能快速排气通氧等综合技术，实现白茶萎凋环境的“温、湿、光、风”等关键因子调控，确保生产线在萎凋温度20 ～ 35 ℃、相对湿度50% ～ 80%的范围内精准调控;其中，黄-蓝-白多光谱复合式LED灯组实现了“人工日光萎凋”和“室内萎凋”模式的无缝仿真切换。以单批次最大生产量1 500 ～ 2 500 kg鲜叶生产线为例，萎凋总历时24 h，生产效率为16.50 ～ 27.50 kg/h白毛茶。该复合式生产线与传统萎凋方式相比，不仅极大解决了茶叶生产季节人力紧缺问题，提高了生产效率，而且提升了产品品质和产品稳定性，便于后续精加工。

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