滕靖 龔自明 涂修亮 王勝鵬 劉盼盼 鄭鵬程 高士偉

摘要：以質(zhì)量130 g精品青磚茶為例，采用不同成型壓力制作樣品。樣品的外觀感官分析結(jié)果顯示當(dāng)磚面承受壓力大于6 MPa，茶磚外形較好，隨著壓力進(jìn)一步加大，成型效果進(jìn)一步優(yōu)化。外觀近紅外光譜分析結(jié)果顯示五種不同處理下成品磚外觀區(qū)分顯著;化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果顯示，隨著成型壓力增大，成品磚的總體水浸出物呈升高趨勢(shì)，在18 MPa出現(xiàn)拐點(diǎn)，兒茶素含量與壓力大小關(guān)系不顯著。綜合結(jié)果表明青磚茶較優(yōu)成型壓力為12 MPa。研究為青磚茶為成型模具設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：青磚茶;成型壓力;品質(zhì);模內(nèi)蒸制

中圖分類號(hào)：TB121? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）23-0112-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.23.024? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Mechanism of the quality and molding pressure of green brick tea based on in-mold steaming process

TENG Jing1，2，GONG Zi-ming1，TU Xiu-liang3，WANG Sheng-peng1，LIU Pan-pan1，ZHENG Peng-cheng1，GAO Shi-wei1

（1.Research Institute of Fruit Tree Tea，Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430064，China;

2.Hubei Key Laboratory of Digital Manufacturing，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China;

3.Xianning Academy of Agricultural Sciences，Xianning 437000，Hubei，China）

Abstract： Taking 130 g green brick tea as an example， samples were made under different molding pressures. The appearance sensory analysis of the samples shows that when the pressure on the brick surface is greater than 6 MPa， the shape of the tea brick is better. With the further increase of the pressure， the forming effect is further optimized. Near infrared spectroscopy analysis shows that the appearance of finished bricks was significantly different under five different treatments. The results of chemical composition analysis shows that the total water extract of finished bricks increased with the increase of molding pressure， and the inflection point appeared at 18 MPa. The relationship between catechin content and pressure was not significant. The comprehensive results show that the optimal forming pressure of high quality brick tea is 12 MPa， which provides a theoretical basis for the mould design and new products development.

Key words： green brick tea; molding pressure; quality; mold steaming

青磚茶屬黑茶類，是中國(guó)傳統(tǒng)邊銷磚茶之一，壓制是青磚茶周正外形形成的關(guān)鍵工序，傳統(tǒng)的壓制工藝主要由蒸制茶坯、液壓壓制、保壓定型等工序組成[1-4]。在傳統(tǒng)工藝中茶坯蒸制后含水率、液壓機(jī)的壓力、保壓定型時(shí)間等主要參數(shù)均依賴于制茶工人的經(jīng)驗(yàn)，難以確保磚茶外形品質(zhì)的穩(wěn)定性;同時(shí)缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)依據(jù)，磚茶壓制工藝標(biāo)準(zhǔn)化推行困難。

模內(nèi)蒸制工藝是基于精簡(jiǎn)化生產(chǎn)思路提出的一種磚茶生產(chǎn)工藝，將傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中茶坯蒸制、壓制成型工序完全集中在模具內(nèi)完成。相較于傳統(tǒng)的蒸茶爐方式，減少了蒸茶爐設(shè)備投入，蒸制效果均勻一致、產(chǎn)品轉(zhuǎn)換方便，同時(shí)杜絕了二次污染。在前期模內(nèi)蒸制設(shè)備的開發(fā)研究基礎(chǔ)上，通過(guò)分析磚茶成型時(shí)受力情況，運(yùn)用定框動(dòng)模式成型模具[5]，挑選3、6、12、18、24 MPa典型壓力值制作青磚茶成品磚，通過(guò)成品磚外形和化學(xué)成分分析比對(duì)，旨在得出130 g精品青磚茶的較優(yōu)成型壓力[6]，為高品質(zhì)青磚茶的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1? 模內(nèi)蒸制工藝設(shè)備

1.1? 設(shè)備構(gòu)成

設(shè)備由成型設(shè)備和烘制設(shè)備構(gòu)成，成型設(shè)備包含蒸汽發(fā)生器、蒸制裝置、成型模具、油壓機(jī)，如圖1所示，烘制設(shè)備為電熱型油介質(zhì)烘柜。

蒸汽發(fā)生器采用電加熱方式，出口壓力0.04 MPa，整機(jī)功率9 kW，接觸茶坯前蒸汽溫度加熱至114 ℃，試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境溫度23 ℃，氣壓0.103 MPa。

蒸汽罩結(jié)構(gòu)如圖2所示，該蒸汽罩為采用Flunt仿真分析優(yōu)化后的結(jié)果，在蒸汽與茶坯接觸之間增加了環(huán)形彎道，能夠有效減緩氣體射入的速度并改變其射入的方向使其更加分散，這在蒸制茶坯時(shí)也得到了驗(yàn)證。

模具分為上模組件和下模組件兩部分，分別與壓力機(jī)活動(dòng)橫梁和下橫梁固定安裝。下模為導(dǎo)柱框架結(jié)構(gòu)，中置有活動(dòng)臺(tái)板，活動(dòng)臺(tái)板裝置有位移監(jiān)測(cè)傳感器，型號(hào)KTF200，檢測(cè)精度0.05%。模具框尺寸為87 mm×116 mm，一次成型4片。?？驕囟瓤刂圃?7 ℃，成型模板面溫度控制，溫控精度±2 ℃，模板與模具間隔熱采用玻璃纖維板，厚度5 mm。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

油壓機(jī)采用三梁四柱結(jié)構(gòu)，公稱力為1 200 kN，操作臺(tái)面1 000 mm×800 mm。油壓機(jī)含有2個(gè)執(zhí)行油缸，主油缸和副油缸，缸直徑分別為220 mm和120 mm，行程為600 mm和350 mm。油壓機(jī)主缸運(yùn)行模式分快進(jìn)、工進(jìn)、保壓和回退。副缸運(yùn)行模式分為伸出和縮回，其伸出速度可調(diào)。主缸配置有開關(guān)節(jié)點(diǎn)，負(fù)油缸無(wú)檢測(cè)點(diǎn)。管路油壓通過(guò)比例溢流閥控制，主油路設(shè)置有壓力變送器，型號(hào)HQ800，測(cè)量范圍0～30 MPa。

烘柜分為5層，承載總面積6.5 m2，熱傳遞介質(zhì)為320號(hào)導(dǎo)熱油，采用脈沖式加熱方式，測(cè)溫傳感器類型為PT100。烘柜溫度控制精度0.5 ℃，循環(huán)風(fēng)壓30 Pa，最大風(fēng)量0.6 m3/min，進(jìn)出口口徑50 mm，烘柜保溫層厚80 mm，使用玻璃棉填充。

1.2? 操控機(jī)制

壓力控制：壓力變送器結(jié)合比例溢流閥控制油路供油壓力，閾值超調(diào)比例5%。當(dāng)保壓過(guò)程中主缸壓力低于設(shè)定值10%時(shí)，啟動(dòng)油泵直至壓力恢復(fù)至設(shè)定值。

時(shí)間控制：分為蒸制時(shí)間和保壓時(shí)間，分別通過(guò)歐姆龍計(jì)時(shí)器和PLC內(nèi)置計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)。保壓過(guò)程中主油缸壓力在15 s內(nèi)減低10%以上的時(shí)間段不計(jì)入保壓時(shí)間。

2? 青磚茶壓制受力分析

假設(shè)茶坯原料是均勻一致的，內(nèi)部受壓一致，茶磚自身重力忽略不計(jì)。磚茶與304不銹鋼之間的摩擦系數(shù)取值0.68，采用簡(jiǎn)化分析方法得出茶磚壓制成型時(shí)的受力簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4中，F(xiàn)1為茶磚上表面所受壓力，F(xiàn)2為茶磚下表面所受壓力，N為茶磚側(cè)面（與?？蛳嘟佑|）所受壓力，f為?？蚺c茶磚之間摩擦力。

茶磚上表面所受壓力來(lái)自油缸推力及其相連接的結(jié)構(gòu)自身重力，G表示油缸活塞、上模和油壓機(jī)活動(dòng)橫梁重力之和（重力加速度g=9.80 m/s2），P1、P2分別表示油壓機(jī)主軸缸下行油路壓力和背壓壓力，如圖5所示，S0為活塞壓力側(cè)油腔截面積，S1為活塞背力側(cè)油腔截面積，Px為磚茶上下面（與模板相接觸）所受壓力，S2為茶磚面積之和，S3為茶磚磚茶上下面面積，α為側(cè)面壓力修正系數(shù)。油壓機(jī)活動(dòng)橫梁導(dǎo)套與立柱之間的摩擦力忽略不計(jì)[7]。

經(jīng)受力分析，得到如下算式：

F1=G+P1S0-P2S1? ? （1）

F1=F2+f? ?（2）

f=μN(yùn)S2? （3）

F2=PxS3? （4）

N=αPx? （5）

由（1）、（2）、（3）、（4）、（5）建立方程組，得出

Px=

該設(shè)備式中各參數(shù)具體值為G=7.43 kN，P2=2 MPa，S0=45 239 mm2，S1=7 226 mm2，S3=40 368 mm2。通過(guò)采用磚茶上模板及?？虬惭b應(yīng)變片方式，試驗(yàn)分析得α為0.28，同時(shí)對(duì)該值進(jìn)行工程驗(yàn)證，其驗(yàn)證模具結(jié)構(gòu)如圖6所示[8]。

側(cè)面尺寸及與之相對(duì)應(yīng)的壓力設(shè)置對(duì)照如表1所示。

3? 試驗(yàn)處理

3.1? 原料

試驗(yàn)材料為復(fù)制后的中茶108青磚茶原料，取自赤壁某廠自然渥堆發(fā)酵倉(cāng)庫(kù)，取樣量300 kg。

3.2? 處理

蒸制后茶坯含水率22%左右，磚面承受壓力設(shè)置分為3、6、12、18、24 MPa，保壓時(shí)間300 s，每個(gè)樣品制作40片。

4? 結(jié)果與分析

4.1? 青磚茶外形分析

4.1.1? 外形感官評(píng)判? 感官評(píng)判采用打分方式，分值以成品磚烘干后為主，壓制完成時(shí)評(píng)判為參考[9]，結(jié)果見表2。壓制完成時(shí)，3 MPa處理茶磚較為松散，當(dāng)磚面承受壓力大于6 MPa，茶磚外形較好，隨著壓力進(jìn)一步加大，成型效果進(jìn)一步優(yōu)化。樣品烘干后，12、18、24 MPa處理的茶磚較優(yōu)。

4.1.2? 外形近紅外分析? 近紅外光譜分析作為快速無(wú)損檢測(cè)手段在茶葉加工中的運(yùn)用逐漸受到重視[10-12]。青磚茶樣品制作完成后，采用美國(guó)賽默飛世爾AntarisII型傅里葉近紅外光譜儀進(jìn)行光譜采樣，波長(zhǎng)4 000～10 000 cm-1，如圖7所示。圖8為聚類分析，3、6、12、18、24 MPa分別對(duì)應(yīng)樣品可以明顯區(qū)分。

4.2? 化學(xué)成分分析

水浸出物含量的測(cè)定采用恒溫干燥法;茶多酚含量的測(cè)定采用福林酚試劑比色法;氨基酸含量的測(cè)定采用茚三酮比色法;可溶性總糖的測(cè)定采用蒽酮-硫酸法;黃酮化合物含量的測(cè)定采用三氯化鋁法。兒茶素、沒(méi)食子酸及咖啡堿含量的測(cè)定采用高效液相色譜法（HPLC），色譜條件：檢測(cè)波長(zhǎng)為278 nm，流速為1 mL/min，柱溫為25 ℃，進(jìn)樣量為10 μL，流動(dòng)相梯度洗脫[13]。

由表3和表4所示，隨著成型壓力增大，成品磚的總體水浸出物呈升高趨勢(shì)，在18 MPa出現(xiàn)拐點(diǎn);兒茶素含量與壓力大小關(guān)系不顯著。

5? 小結(jié)與討論

在試驗(yàn)過(guò)程中，過(guò)高的成型壓力會(huì)造成一部分茶汁外溢，這與成品磚理化成分分析結(jié)果是相契合的，同時(shí)茶坯與模具外框會(huì)出現(xiàn)擠出黏結(jié)現(xiàn)象。以外觀和理化成分分析，成型壓力以12～18 MPa為宜，結(jié)合考慮壓力機(jī)負(fù)載率和生產(chǎn)效率兩大因素，建議成型壓力設(shè)置為12 MPa。青磚茶樣品近紅外光譜掃描結(jié)果顯示，3、6、12、18、24 MPa處理所得樣品區(qū)分顯著，可用作青磚茶生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量管控的輔助檢測(cè)手段。

對(duì)青磚茶成型時(shí)受力情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，其驗(yàn)證局限于成品磚側(cè)面面積與上下面面積比介于0.16～0.40，隨磚茶側(cè)面面積與上下面面積比值進(jìn)一步增大，采用的簡(jiǎn)化受力分析圖與實(shí)際成型過(guò)程中受力情形之間的差異程度需要進(jìn)行評(píng)估和測(cè)量，待后續(xù)開展相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

致謝：試驗(yàn)期間得到了武漢理工大學(xué)先進(jìn)材料制造裝備與技術(shù)研究院提供的技術(shù)支持，在此表示感謝！

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