黄云战赵永洁李亚莉朱广鑫黄 鹤

郝 强1吴绍帅3孙杨峰1周红杰3

（1.云南农业大学工程技术学院，云南 昆明 650201；2.昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650208；3.云南农业大学普洱茶学院，云南 昆明 650201；4.云南农业大学农科实验中心，云南 昆明 650201）

普洱茶发酵罐研制及应用研究

黄云战1赵永洁2李亚莉3朱广鑫3黄 鹤4

郝 强1吴绍帅3孙杨峰1周红杰3

（1.云南农业大学工程技术学院，云南 昆明 650201；2.昆明铁道职业技术学院，云南 昆明 650208；3.云南农业大学普洱茶学院，云南 昆明 650201；4.云南农业大学农科实验中心，云南 昆明 650201）

为实现普洱茶清洁化生产，研制普洱茶发酵罐，对发酵罐的设计原理、工艺结构进行阐述，并在普洱茶发酵过程中，利用组合试验设计对发酵罐的3个可控因素（潮水量、菌种、翻转周期）进行试验研究，得出各因素在普洱茶发酵过程中的变化规律，提出普洱茶发酵罐合理工艺设计参数以及发酵过程中关键控制因素。

普洱茶；发酵罐；研制；应用研究

传统的普洱茶加工过程中，在发酵初期潮水、渥堆、与翻堆多为人工完成［1］。初期潮水发酵、翻堆是人工采用相应的工具，对初期潮水和发酵了一段时间的茶叶进行翻动，或将团状的茶叶解块。整个翻堆的过程不仅劳动强度大，而且卫生程度差，极大程度上影响了茶叶的品质。在大规模生产中采用行车式装置的翻堆过程机械化，可达到快速便捷，节省人力物力，并能使茶叶在翻堆过程中减少污染，实现清洁化生产，对目前多数中小茶厂来说，是今后发展的方向。为了研究普洱茶加工过程中，发酵过程与品质的形成及各因子间的关系，课题组研制出不锈钢双层自动湿水、旋转式发酵罐装置见图1。

图1 发酵罐结构示意图（专利号：ZL 2009201116889）Figure 1 Physical map of Fermentation tank structure（number of the patent：ZL 2009201116889）

1 普洱茶自动发酵罐设计原理

1.1 普洱茶自动发酵罐原理

不锈钢自动发酵罐是将集潮水、渥堆、翻堆于一体的多功能普洱茶发酵机械。发酵罐根据普洱茶发酵的时间，通过主控设备PLC同时对3组发酵罐进行控制，经变频技术设定与普洱茶周期相对应的高、中、低的发酵罐转速，获得最佳的翻堆速度，产生普洱茶发酵过程中的最佳翻堆效果，实现精确定量潮水科学化、规范化［2］。实现发酵罐最佳转速与最佳湿水量及发酵速度间的对应关系。

试验表明在双层不锈钢发酵罐内发酵普洱茶具有周期短，升温快、保湿好的特点，得出了几个因子之间与品质的一些变化规律。自动控制普洱茶发酵罐在设计过程中采用了三维建模分析，对发酵罐搅拌机构有限元分析；发酵罐精确定量潮水装置的研究；PLC技术对自动控制普洱茶发酵罐内的温湿度采集研究；变频控制技术在自动控制普洱茶发酵罐的应用，并进行了多次试验数据综合分析，得出了可靠的试验参数。

1.2 普洱茶自动发酵罐技术参数

（1）罐体外圆最大直径dmax＝1 500 mm，外圆最小直径dmin＝800 mm。

（2）罐体内外层间距s＝25～40 mm。

（3）镍304不锈钢板厚度δ＝2～3 mm。

（4）传动装置采用双排链轮和摆针减速器。

（5）发酵过程中罐体最大转速n＝36 r／min，最小转速n＝12 r／min。

（6）发酵过程中的最佳容量：3～4级大叶种茶，大约120～150 kg；1～2级大叶种茶，大约150～250 kg。

1.3 普洱茶自动发酵罐专用变频控制柜

普洱茶在自动发酵过程中，考虑到茶叶在发酵罐发酵过程中的翻转调速，转速不可能很高，基本控制在10～30 r／min左右，变频器不能够长时间在这样的低速环境中工作，否则电动机会出现散热问题，因此，采用了专用电动机，进而增加散热功能，这样电动机在这频繁的工作中也不会出现故障。

变频调速系统的逆变选择［3］：传统的6拍阶梯波德逆变方式只能实现对频率的控制，它是通过输出可调频率的电源来驱动电机运行的，不能够对电压进行控制，这种方式虽然能够满足基本的变频调速的要求，但它的控制复杂、控制特性差、系统响应速度慢、电动机动态特性差。因此，设计中选用PWM逆变控制方式，PWM控制方式不仅能够实现变频同时也实现调压，它能够提高控制特性，系统的响应速度提高了，电动机的动态特性也得到显著的提高［4］。

1.4 不锈钢发酵罐体工艺设计

不锈钢发酵罐，采用了主体是可分式、双层发酵罐，外层和内层材料均为不锈钢。动力装置通过动力链传动装置将动力传送到发酵罐上，使发酵罐旋转运动，主轴管和搅拌管不动，形成了发酵感罐与轴管和搅拌管相对运动，潮水装置提供发酵过程中的用水由所控制的水量从主轴管和搅拌管中的微孔中流出，对发酵罐内所发酵的茶叶进行潮水同时进行搅拌。整个装置由稳定的支架和其他装置配合支撑。

设计双层不锈钢发酵罐的目的是为了保湿、保温，方便装卸茶叶，并且能够使茶叶在罐内实现均匀洒水，使各处的茶叶能够在发酵罐内发酵的程度一样，而且完成发酵后要实现把多余的水分放出，因此把发酵罐设计成圆筒形不适合出水，只有把发酵罐设计成有一定斜度的形状，同时还需考虑到加工的难易程度把发酵罐设计成如图1的形状。茶叶发酵有弱碱性，需要发酵罐具有一定的抗腐蚀性，并且保证长期使用后不生锈，就需要把发酵罐的材料定为不锈钢，还要考虑到受力问题，不锈钢材料还要有一定的强度、硬度、稳定性，进行有限元分析。在罐体内层上均布开有直径为3～5 mm，孔距离80 mm的小孔，以起到渗水和通气的作用［5］。

考虑到发酵时茶叶的保湿性和保温性，在内外层罐体之间有25～40 mm的夹层，夹层形成一个环流的保温、保湿层，外层罐体为全封闭式的不锈钢材料。同时，设计时考虑要利于发酵潮水初期及潮水后的发酵过程中能自如打开伐门，起到对流通气的作用。在罐体的最大直径底处开有放水和进气伐门，用带有内螺纹的出水孔焊接在发酵罐的底部，位置与盖子的开口处正好相反，因为要长时间将发酵过程中溢出的水分排除，以及清洗罐内时排出的废水等，使用频率较高，故设计的排水孔要方便排水，焊接带螺纹出水孔时就需要保证其焊接处刚好与发酵罐底部平齐，这样水就能够全部流出发酵罐，不至于有残留的水分影响茶叶的质量。

发酵罐上进料的开口与盖子不宜过小或过大，过大会增加门合页和开关在运动时的动载荷，过小又不方便茶叶的进出料。因为要保证发酵罐的密封性，而且茶叶是食品类保健用品，一般的防水材料可能会有异味或者长期与水接触后会分解出有害物质，这样对茶叶的口感和使用者的身体都是一种伤害，所以选择食品用的橡胶来实现密封的目的。还有发酵罐的运动方式是通过电机带动旋转，主轴固定不动，在此，采用链传动来实现动力传输，最终实现设计目的。

1.5 潮水、解块装置的设计

普洱茶在发酵过程中由于水分、微生物等作用会出现结块现象，在发酵开始至结束的搅拌过程均采用发酵罐以最佳频率转动，轴管不转动的工作方式，及时地将结块的茶叶进行解块。潮水、解块装置由主轴管、搅拌管构成，主轴管长度为2 030 mm，直径75 mm，主轴和搅拌棒内部均为空心结构且互相连通，考虑到轴管的刚度与强度及发酵过程中茶叶不能掉进轴管内，故在直径上钻3～6 mm的通气、通水小孔。设计并焊接上间距相等方向不同的搅拌管，搅拌管上所开小孔的直径为4～6 mm，使水、空气能通过主轴和搅拌管进入到发酵罐的内部，达到潮水和换气的效果。初期作用使普洱茶潮水均匀，后期作用使普洱茶解块。为了实现自动潮水，在发酵罐的主轴上采用一端封闭，一端开口，在开口端连接进水管及其相应的精确定量潮水装置，潮水后，将一端的盖打开，进行通风。设计轴管采用无缝不锈钢管连接。

2 普洱茶自动发酵罐的应用效果分析

2.1 发酵过程中茶堆温度的变化

茶堆温度是普洱茶固态发酵过程中的主要控制因子，最低温度不能低于28℃，最高温度不能高于65℃，当前生产中的堆温高低主要通过翻堆来调控。温度在普洱茶有益菌固态发酵过程主要有以下几方面的作用：① 促使发酵叶中产生多种物质的化学变化；② 提高酶的活性，促进发酵叶的系列变化，一般渥堆叶的温度保持在符合有益菌生长的范围内，有益菌大量滋生，有益菌分泌酶的活性也得到了加强，并保持高效的催化活性；③ 适宜的温度还能抑制有害杂菌的生长［6］。

2.2 发酵罐发酵普洱茶试验

2.2.1 试验材料 每罐用勐库大叶种晒青毛茶（9级）100 kg，按照表1中所设计的条件处理，每5 d取1次样，样品采用自然阴干，每天中午13：00～14：00测茶堆温度，当堆温升到50℃以上时每天补水1 kg（在测温度后），记录数据。做好样品的保存。

另用南涧混合大叶种晒青毛茶（3级）100 kg，按潮水量30%的比例进行潮水后，用自动化发酵罐进行发酵，在发酵过程中，每5 d翻堆1次。分别取原料和每次翻堆时、发酵完成时的茶样，将样品晾干备用。

2.2.2 茶坯含水量计算公式

2.2.3 组合试验设计 2011年1～5月，对自动发酵罐发酵普洱茶进行了综合试验，9次试验采用了表1中的组合试验方式进行研究分析。

由表1和图2分析可以看出，在发酵罐内影响温度变化的因素首先是菌种，其次是潮水量，最后是翻转周期。

普洱茶经过处理后，得出不同的黄酮含量见表2。黄酮作为普洱熟茶中的功能成分，应该是越多越好，从表1、图2、表2中的数据可以得出，发酵罐发酵普洱茶最优组合为潮水量27%、菌种100 m L、翻转周期2 d。

图2 发酵罐发酵普洱茶各阶段温度变化Figure 2 The temperature change of fermentation tank in each stage fermented tea

表2 发酵罐发酵普洱茶黄酮含量变化表Table 2 The variation of flavone during fermentation－tank of pu－erh tea ／（mg·g－1）

3 发酵罐试验的效果分析

3.1 发酵罐发酵的效果

（1）从图2中看出发酵罐中茶堆温度上升很快，都是急剧上升，到第8天温度已经超过40℃，到第12天时达到最高57℃，在（12～18 d）温度可保持在最高温度范围内，18 d后温度就开始逐渐下降，到25 d后出堆时降到最低28℃左右。

（2）发酵过程中，茶堆的最高温度都没有超过60℃，是微生物繁殖的理想温度。

（3）设计离地式的发酵罐打破了传统的地面发酵方式，改善了普洱茶发酵的卫生状况，搅拌机构为普洱茶的均匀潮水提供了保证，自动控制装置不仅实现了发酵过程的自动化，而且大大的降低了工作强度，茶叶入罐以后，整个发酵过程都实现自动控制。

（4）采用自动发酵罐发酵普洱茶，罐内环境（温度、湿度、空气质量交换）对有益菌的大量繁殖创造最佳的生存条件。湿水量得到严格控制且均匀，每2 d对茶叶内部发酵变化程度进行自动检测，为茶叶再次均匀潮水、茶叶翻动，提供相应的理论依据。罐内每层都在自动控制及检测的情况下具有透气、通氧，保温、保湿、厚度均匀等，避免因堆放过厚、温度过高、水分过重无法监测等导致烧心、霉变品质下降的不良后果。

（5）发酵罐发酵改变传统普洱茶发酵人工湿水、搅拌，带来的搅拌不均匀性，避免人工翻送致使茶叶碎化等。发酵过程中实现自动控制对生产的普洱茶进行科学鉴定，确保生产最佳品质的普洱茶。

说明采用自动化发酵设备进行普洱茶发酵，能够为普洱茶的品质提升提供可靠的理论数据。

3.2 发酵罐发酵普洱茶与常规大生产发酵普洱茶比较分析

由表3、表4可知，在常规大生产发酵与发酵罐中发酵黄酮含量的变化情况。

表3 常规大生产发酵普洱茶各成分变化Table 3 The ingredients changes in conventional production fermentation puer tea

表4 发酵罐发酵普洱茶各成分变化Table 4 The ingredients changes of puer tea in fermentation－tank

（1）在普洱茶发酵过程中，随着发酵时间的延长，发酵罐和常规发酵黄酮含量都是先降低后升高，但常规发酵从一翻开始到六翻，黄酮含量的变化比较平缓。

（2）发酵罐中，黄酮含量在三翻时降到最低，降幅达36.26%，以后逐渐增加，出堆时黄酮含量比原料高19.91%。

（3）常规发酵中，黄酮含量在一翻时降到最低，降幅达20.87%，到六翻时急剧升高，出堆时比原料高5.55%。

3.2.1 发酵罐发酵普洱茶的工艺流程

晒青毛茶→潮水→发酵→翻堆→出堆［7］

3.2.2 发酵罐发酵普洱茶合理参数

（1）晒青毛茶投入量：云南大叶种晒青毛茶3～4级（100 kg）；云南大叶种晒青毛茶1～2级（150～250 kg）

（2）初期潮水量：潮水量27%～33%，云南大叶种晒青毛茶3～4级初期潮水量33%，以后适量补水，云南大叶种晒青毛茶1～2级初期潮水量27%，以后适量补水，添加菌种时水量适当减少，不加菌种时水量适当增加。

（3）翻堆时间：当茶叶入罐内3～5 d，温度开始升高，到50℃后，每2 d翻堆1次，翻堆的速度为转速n＝24 r／min，每次翻堆转10圈。

（4）出堆时间：发酵过程中茶坯变化，在第5天时出现酵香，茶坯仍然呈绿色；到第10天时出现醇香，茶坯呈黄绿色；到第15天时酵香明显，茶坯呈黄红色；到第20天时开始具有普洱茶熟茶的特征，茶坯呈红褐色。发酵25～28 d即可。

3.2.3 采用发酵罐发酵普洱茶的最佳效果 自动发酵罐发酵普洱茶，考虑各因素得出的最优组合：潮水量27%～30%、翻转周期3～4 d，每次投茶量，视茶叶等级而定，一般3～4级茶叶，投茶量在150 kg以下，1～2级茶叶不宜超过200 kg。

4 结论

普洱茶发酵影响因素很多，但通过分析比较可以看出，普洱茶发酵过程中，普洱茶品质的形成需要茶堆达到一定的温度并维持这个温度一定的时间。从多次的试验分析发现，采用发酵罐发酵普洱茶，起到了保湿、保温的作用，为普洱茶发酵创造了较好的环境条件，明显缩短了发酵时间，用发酵罐发酵普洱茶25 d左右即可出堆，且清洁化达到了食品卫生要求。通过对试验数据的分析发现发酵罐发酵普洱茶的发酵时间除受保湿、保温的环境条件影响外，也受菌种数量和潮水量的影响，随着菌种的增加和潮水量的增多，发酵时间会更短，但不能少于22 d。

1 Huang Yun－zhan，Zhou Hong－jie，Zhao Yong－jie，et al.The research and development on Pu'er tea fermentation automatic control technology and key equipment［C］／／Yi Hang，Wen Desheng，Parvinder S Sandhu.Proceedings of 2010 3rdIEEE International conference on Computer Science and Information Technology.Beijing：Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc.，2010：555～559.

2 MA Zhen－gang，Huang Yun－zhan，Zhou Hong－jie，et al.Lift－off type pu’er tea fermentation pot’s design and Automatic control research［C］／／ Wen Desheng，Wang Ruofeng ，Xie Yi.2010 3rd International conference on Advanced Computer Theory Engineering Chengdu，Chine.Chengdu：Institute of Electrical and E－lectroning Engineers，Inc，2010：566～570.

3 陈忠华.可编程序控制器与工业自动化系统［M］.北京：机械工业出版社，2006：33～38.

4 刘锴，周海，杨光，等.深入浅出西门子S7－300PLC［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008：175～177.

5 Wu Xiaoqiang，Huang Yun－zhan，Zhou Hong－jie，et al.Pu－Er Tea Automated fermentation System Based on PLC and WINCC［C］／／V Mahadevan，Zhou Jianhong.2010 The 2nd International Conference on Computer and Automation Engineering Singapore.Printed in Singapore：Institute of Electronnics Engineers，Inc.，2010：406～409.

6 马振纲，黄云战，周红杰，等.基于PLC在普洱茶发酵车间的应用分析与研究［J］.安徽农业科学，2010，38（19）：10 276～10 278.

7 马振纲，黄云战，周红杰，等.普洱茶发酵清洁化车间的设计及环境湿度的控制［J］.云南农业大学学报，2011，26（5）：395～399.

Study on application an development of fermentation tank for puer tea

HUANG Yun－zhan1ZH AO Yong－jie2LI Ya－li3ZHU Guang－xin3HUANG He4

HAO Qiang1WU Shao－shuai3SUN Yang－feng1ZHOU Hong－jie3

（1.College of Engineering and Technology，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan650201，China；2.Kunming Institute of Railway Technology College，Kunming，Yunnan650208，China；3.College of Pu'er tea，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan650201，China；4.Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan650201，China）

To achieve clean production of puer tea，the fermentation tank was developed，and described the principles and process structure.Meanwhile，the orthogonal experiment was used during the fermentation for 3 controlled factors（tidal water，strains，flip cycle）.The rules were gotten during the fermentation，and put forward the reasonable process design parameters and the key controlling factor in fermentation process.

puer tea；fermentation tank；research；applied research

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.029

国家科技部“十一五”国家科技支撑计划项目（编号：2007BAD58B02）；云南省发改委2008年度产业重大关键技术开发项目（编号：［2008］1657－20）；云南省自然科学基金重点项目（编号：2009CC005）

黄云战（1953－），男，云南农业大学教授，硕士生导师。E－mail：ystyh＠163.com

周红杰

2011－11－01