茶葉智能化加工技術(shù)的創(chuàng)新思考

董春旺

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，310008

茶產(chǎn)業(yè)是我國傳統(tǒng)特色產(chǎn)業(yè)，是“一帶一路”倡議中的傳統(tǒng)優(yōu)勢特色外向型產(chǎn)業(yè)，其以突出的比較效益，成為涉茶地區(qū)2020年全面實現(xiàn)小康社會的脫貧攻堅產(chǎn)業(yè)[1]。茶葉加工是茶葉品質(zhì)形成的重要階段，對茶葉品質(zhì)等級起決定作用。目前，我國茶葉生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小，加工以單機作業(yè)為主，通過手工操作和經(jīng)驗制茶，造成產(chǎn)品質(zhì)量、風(fēng)格的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性差，并引入諸多質(zhì)量安全不穩(wěn)定因素[2]。以紅茶加工為例，其近年在國內(nèi)發(fā)展迅速，幾乎國內(nèi)所有茶葉加工企業(yè)開始涉入紅茶加工領(lǐng)域，但普遍存在制茶經(jīng)驗不足、加工技術(shù)和裝備落后、設(shè)備與工藝配套性差、標(biāo)準(zhǔn)化水平低的情況[3]。目前我國茶機的最高自動化水平為生產(chǎn)線中央控制系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，線路故障與否、設(shè)備運行的實時顯示和統(tǒng)計，仍缺乏在制品品質(zhì)性狀的在線數(shù)字化感知，以及品質(zhì)的智能化定向調(diào)控技術(shù)，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨眾多挑戰(zhàn)[4-5]。

隨著茶產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的深入，圍繞“降產(chǎn)能、去庫存，降成本、去杠桿，調(diào)結(jié)構(gòu)、補短板”的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和市場需求，茶葉加工技術(shù)和裝備正處于更新、升級轉(zhuǎn)型中，工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化和智能化的生產(chǎn)是未來發(fā)展的趨勢[6-9]，而實現(xiàn)新型工業(yè)信息化時代背景下的傳承工藝數(shù)字化和智能化的產(chǎn)業(yè)技術(shù)需求，還面臨諸多共性技術(shù)問題。

一、智能化加工面臨的產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)問題

1.傳承工藝的數(shù)字化問題

品質(zhì)的在線感知是茶葉數(shù)字化、智能化加工的基礎(chǔ)。在鮮葉原料、攤青、萎凋、殺青和干燥等關(guān)鍵工序中，水分、顏色、香氣和外觀紋理等物理特征、物料特性均發(fā)生變化，這些指標(biāo)與最終的成茶品質(zhì)密切相關(guān)[10]。由于缺少對品質(zhì)相關(guān)的關(guān)鍵物料理化特性的快速檢測、感知和監(jiān)控技術(shù)，導(dǎo)致對生產(chǎn)線上茶葉加工品質(zhì)的控制，基本靠人的經(jīng)驗如“一看二聞三摸”，或基于時間、溫濕度等簡單工藝參數(shù)的過程控制，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，自動化和可控性差，遠(yuǎn)未實現(xiàn)真正意義上的“機器換人”和自動化加工生產(chǎn)[11-12]。

2.關(guān)鍵加工裝備制造無規(guī)范、裝配無標(biāo)準(zhǔn)

裝備的可靠性是工藝標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)。日本茶葉機械化、連續(xù)化、清潔化和自動化普及程度較高，無論單機或流水線均配有較完善的檢測和控制功能的制御盤，因得益于規(guī)范的制造、加工和裝配標(biāo)準(zhǔn)，高質(zhì)量的傳感器，合理的布控檢測點及布線，保證了茶機較高的穩(wěn)定性、可靠性、互換性和控制精度[9]。此外，工業(yè)制造業(yè)（如汽車、航空）有嚴(yán)格的行業(yè)規(guī)范、認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)，如汽車的可靠性，取決于其傳感器檢測和控制系統(tǒng)的完善、布局及精度，顯然較拖拉機其行駛的可靠性、穩(wěn)定性更高[12]。

縱觀綠茶、紅茶等茶機裝備，設(shè)備結(jié)構(gòu)、傳感器型號、精度、用工用料、布控安裝位置、采集點、布設(shè)方法等均不統(tǒng)一，直接導(dǎo)致同一茶機性能相去甚遠(yuǎn)，工藝參數(shù)無法推廣。設(shè)定參數(shù)與實際參數(shù)誤差較大，機器制茶仍需工人經(jīng)驗把握，做茶“省力，不省心”，與工業(yè)領(lǐng)域的自動化標(biāo)準(zhǔn)相去甚遠(yuǎn)。

3.關(guān)鍵加工裝備與工藝需求不匹配

制茶工藝與裝備的匹配性是茶葉高質(zhì)化加工的基礎(chǔ)。由于茶葉加工工序及品質(zhì)形成的復(fù)雜性，通用加工設(shè)備在使用中并不理想[12]。以工夫紅茶萎凋為例，在熱風(fēng)和抽濕萎凋中，由于熱空氣密度較小，無論熱空氣或抽濕氣流從萎凋室的任何部位接入，熱空氣都會迅速向上部運動，造成萎凋室上部空間溫度較高，下部空間溫度較低[13-14]。同時，萎凋葉揮發(fā)水分逐層傳遞積累升高，使不同層的茶鮮葉溫度、濕度出現(xiàn)差異，失水速率不同，從而導(dǎo)致鮮葉萎凋不均勻，易產(chǎn)生紅葉、焦葉或萎凋不足等現(xiàn)象，影響了鮮葉萎凋質(zhì)量。

此外，現(xiàn)有發(fā)酵設(shè)備的設(shè)計理念也參照了萎凋、干燥設(shè)備，多為箱式結(jié)構(gòu)、框架式多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，上下層間溫濕度有一定差異，同時各層攤放厚度不均，且不具備適時翻葉功能，致使發(fā)酵葉酶促氧化程度不統(tǒng)一[3]。茶葉加工裝備與工藝需求的匹配性，決定了制茶品質(zhì)、工業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化程度。

二、對策與展望

1. 突破更寬范圍的在制品性狀信號的數(shù)字化，實現(xiàn)茶葉裝備向更高階段發(fā)展

現(xiàn)代食品生產(chǎn)線的高度自動化，除包括加工工藝自動化外，還含質(zhì)量檢測調(diào)整自動化（品質(zhì)、探傷、去雜、理化成分等質(zhì)量要素），是以高生產(chǎn)率及減少生產(chǎn)人員為基本特征，也是現(xiàn)代食品加工企業(yè)食品品質(zhì)在線檢測、過程控制和分級定價系統(tǒng)的要求，正是我國食品工業(yè)所缺失的[15]。

同時，控制的根本在于控制信號的數(shù)字化和反饋控制[16]，但現(xiàn)有茶葉生產(chǎn)中，除設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)（溫度、濕度、時間、轉(zhuǎn)速、流量和重量等）外，和茶葉品質(zhì)息息相關(guān)的原料特性（嫩度、含水率、生化成分）、物料物理及質(zhì)構(gòu)特性（光、電、力、摩擦、彈性、塑形、質(zhì)感、手感）、化學(xué)特性（pH、介電、電導(dǎo)）和感官特性（色、香、味、形）等信息尚未實現(xiàn)數(shù)字化。無人機、無人車等無人駕駛技術(shù)，其取決于對道路光、聲、電、圖像等多源信息的智能識別、融合、決策和駕駛執(zhí)行機構(gòu)的處理能力。因此，通過現(xiàn)代食品在線檢測技術(shù)[16]，建立相關(guān)品質(zhì)信息的智能感知技術(shù)，形成工藝控制的專家決策數(shù)據(jù)庫，是突破茶葉智能化加工技術(shù)瓶頸的必要理論基礎(chǔ)和有效途徑。

2.制訂茶機材料、檢測和控制系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建茶葉標(biāo)準(zhǔn)化工藝技術(shù)體系

針對現(xiàn)有綠茶、紅茶的茶機及生產(chǎn)線的控制單元，開展傳感器的性能評估、篩選、布控優(yōu)化研究，建立規(guī)范統(tǒng)一的傳感器、茶機材料（熱力學(xué)性能、厚度、規(guī)格）使用標(biāo)準(zhǔn)，以獲取茶葉加工中全面可靠的控制信號信息，是當(dāng)前茶產(chǎn)業(yè)智能化進程中首要解決的問題。

3.強化工藝與裝備技術(shù)融合，創(chuàng)新研發(fā)和優(yōu)化專用制茶設(shè)備

通過仿生學(xué)、虛擬樣機、有限元、計算流體力學(xué)等現(xiàn)代機械設(shè)計方法[18]，結(jié)合工藝性能實驗，研究關(guān)鍵裝備的溫度場、濕度場、流場時空分布規(guī)律和多體動力學(xué)特性，對茶機進行原始創(chuàng)新和集成優(yōu)化設(shè)計。提升攤青、萎凋、殺青、發(fā)酵和干燥等關(guān)鍵裝備的結(jié)構(gòu)、供熱方式、通風(fēng)方式和控制算法，優(yōu)化相關(guān)機械結(jié)構(gòu)、傳動方式及運動學(xué)參數(shù)，形成茶葉專用，以適應(yīng)自動化、智能化生產(chǎn)的硬件要求。

綜上，茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將更加依賴于科技進步和科技創(chuàng)新，現(xiàn)代食品工程、機械電子、信息工程和人工智能等更多交叉學(xué)科的新技術(shù)、新理念，將傳播、滲透到傳統(tǒng)茶葉加工業(yè)，促進現(xiàn)有茶機及茶技向精準(zhǔn)化、數(shù)字化和智能化的升級。