基于農業物料力學特性的烏龍茶造型技術研究進展

張 妍, 周泳鋒, 林宏政,3, 徐邢燕, 黃儀鵬, 金心怡,3

(1.福建農林大學園藝學院，福建 福州 350002；2.福建農林大學茶葉研究所，福建 福州 350002；3.茶學福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002)

福建省為我國烏龍茶最大產區，主打閩北烏龍和閩南烏龍兩大品牌[1-3]。閩南烏龍茶以顆粒型烏龍茶為代表，其獨特的外形與造型過程直接相關，主要通過揉搓擠壓扭轉綜合作用力配合烘焙工序，塑造出卷曲緊實的外形[4]。閩南烏龍茶發展經歷了從傳統的人工腳踏布包造型到20世紀七八十年代臺灣引入的“速包+平板”機械造型，直至目前的新型烏龍茶包揉機，但包揉壓縮力與烏龍茶葉片內部力學特性(應力—應變特性、應力松弛特性)、葉片受力變形時微觀細胞組織形態變化、葉內化學成分轉化等因素的相關性尚需探明。本文擬通過分析力學特性在糧食作物、果蔬產品以及茶葉加工上的應用，獲得參考借鑒，以探明烏龍茶造型力學特性及其包揉機理，為烏龍茶包揉技術和改進包揉設備提供依據。

1 力學特性在作物、果蔬物料上的應用研究

農業物料包括動植物與以其為原料加工的成品、半成品等各種農產物料[5-6]。力學特性屬于農業物料物理特性研究中重要的組成部分。開展力學特性包括物料的應力應變、應力松弛、蠕變特性、屈服強度、流動特性等研究，對生產加工、運輸、存儲及相關設備的研制和優化提供了科學依據和技術手段[7]。

1.1 糧食作物

作物莖稈、果實等固體物料在農業物料中占比較大[8]，圍繞小麥、水稻、玉米等開展的研究應用非常廣泛，包括測定拉伸強度、剪切強度、彈性模量、壓縮性能等力學指標，技術手段較為成熟[9]。屠鵬等[10]測定了小麥莖稈力學指標，結果表明，彈性模量變化引起的頻率變化可顯著改變莖稈各節自由振動和受風載荷的位移量。趙多佳等[11]測定了自然干燥狀態下不同含水率的小麥莖稈拉力，認為小麥莖稈的彈性模量以及強度極限都與含水率呈負相關。陳爭光等[12]測定了含水率、取樣高度以及剪切速度三因素對玉米秸稈皮拉伸和剪切特性的影響，認為隨著取樣高度的增加玉米秸稈皮抗拉強度反而遞減，對拉伸強度影響較顯著；含水率、剪切速度對剪切性能影響顯著。Kronbergs[13]測定了小麥秸稈的極限拉伸強度[(118.7±8.63) N·mm-2]、剪切力強度[(8.47±0.56) N·mm-2]、彈性模量[(13.1±1.34) GPa]和剪切模量[(0.643±0.043) GPa]，并探討了小麥秸稈的壓實方法。Ince et al[14]測定了向日葵莖稈的彎曲應力、彈性模量、剪切應力等力學指標，結果表明，彎曲應力和彎曲彈性模量隨著含水率的提高而降低，剪切應力隨著含水率的提高而提高，并且莖的下部區域剪切應力和特定的剪切能量都較高。向波[15]測定了5個抗倒性較強的水稻品種稻稈節間的彈性模量和拉伸強度極限，發現不同品種莖稈同一節間的彈性模量和拉伸極限強度在品種之間存在差異，并且節間位置、遺傳特性和發育時期在品種之間的差異顯著；節間的彈性模量和拉伸強度與節間莖粗、橫截面積、節間莖壁厚呈負相關。綜上所述，糧食作物的力學參數受作物本身材料性能的影響，包括含水率、品種以及部位，同時也與力的作用速度和強度緊密相關。

開展物料力學性能的研究對農作物加工設備研制具有指導意義。張洪霞[16]測定了不同含水率的稻米籽粒應力松弛特性，獲得松弛模量、松弛時間等力學指標，并發現松弛模量與含水率呈負相關，建立了應力松弛指標與含水率關系的數學模型，為稻米加工裝置研發提供了理論依據。郭磊[17]對4種不同秸稈原料進行應力松弛試驗，結果表明，應力松弛發生于壓縮結束瞬間，外力撤去后殘留應力在1 min內迅速衰減，建議物料的保壓時間應控制在1 min以上；施力越大，應力松弛的殘余應力值越大，不利于保持秸稈壓塊的穩定性，為壓縮腔體力值范圍和成型技術提供了依據。樊琦等[18]對玉米苞葉和葉鞘拉伸測定表明，苞葉和葉鞘含量與揉碎機破節率、絲化率、揉碎率呈正相關，為秸稈力學特性測試范圍、揉碎機理和揉碎機優化提供理論基礎。沈曉陽等[19]測定了棉稈莖干應力應變等參數，發現順紋壓縮的應力應變在彈性階段呈線性關系，平均強度極限為21.26 MPa，提出設計棉稈的壓塊、磨碎等機械設備時應確保作用力大于順紋壓縮的平均強度值。雷軍樂等[20]對完整稻稈卷壓過程中應力松弛的測定表明，當稻稈含水率為65%、干物質質量為17 kg、鋼輥轉速為257 r·min-1、喂入速度為1.6 kg·s-1時，應力松弛時間和平衡彈性模量的最佳參數值分別達到17.08 s和4.01 kPa。該研究結果為圓型打捆機的卷壓工藝參數優化和壓縮機理探明提供理論與技術支持。綜上所述，糧食作物的力學特性主要通過壓塊或剪切改變初始物理狀態，應用于加工存儲裝置方面。

1.2 果蔬產品

果蔬產品的力學特性研究多集中在硬度及壓縮試驗，如對蘋果、葡萄、獼猴桃、番茄等測定壓力與變形度以及加載速度等對材料的損傷情況[21]。謝軍海等[22]對大棗整果進行應力松弛試驗表明，橫向壓縮的松弛應力無論何時都小于縱向壓縮，壓縮變形量隨著平衡應力變大而增大，并且根據建立的模型得出彈性模量之間存在顯著相關。馬秋成等[23]對蓮仁試樣進行了彈性模量和抗壓強度測試，發現蓮仁的擠壓極限載荷與含水率存在負相關，若蓮仁的含水率一致，側壓施力相較平壓施力更易于導致蓮仁破碎。員貝貝等[24]測定了馬鈴薯的壓縮力學特性，認為不同加載方向對破裂影響顯著，不同加載速率對破裂影響極顯著。陳燕等[25]研究表明，荔枝在不同方向下的抗擠壓能力具有差異，同等壓力條件下水平方向所承受壓力和變形均小于垂直方向。Wu et al[26]測定了6個成熟番茄果肉的硬度和應力松弛特性，并建立了Maxwell應力松弛數學模型表示松弛參數與儲藏、品質之間的關聯性，認為松弛參數對貯藏時間的響應取決于番茄的初始成熟度。方媛等[27]測定了‘紅富士’蘋果的蠕變特性與營養成分含量，認為蠕變特性與VC含量、可溶性固形物含量、可滴定酸度、硬度和耐咀性存在極顯著的相關關系，利用蠕變參數可預測硬度和耐咀嚼性。綜上所述，果蔬產品的力學特性研究主要探究外力對果蔬產品耐壓縮性和耐沖擊性的品質影響，多應用于加工、儲藏、運輸等方面。

2 力學特性在茶葉加工上的應用研究

茶葉力學特性包括摩擦特性、機械力學特性、流動特性等[28]。在茶葉加工過程中，根據鮮葉嫩度、含水率、葉位和在制葉力學特性差異確定不同的加工工藝，能充分發揮鮮葉的利用價值以及促進茶葉造型。

2.1 初加工技術上的應用

茶葉初加工涉及的力學特性包括摩擦特性(休止角、內摩擦角、滑動摩擦角)和機械力學特性(應力—應變、彈性模量、柔軟性、彈性、塑性)。陳嘉真等[29]比較了不同加工狀態的在制葉(鮮葉、萎凋葉、揉捻葉、揉切葉)休止角，結果表明，鮮葉和萎凋葉的休止角隨葉片大小和萎凋程度而變化，初制各工序中的休止角在45°～58°之間變化，其中殺青葉和精揉葉的休止角最大。張哲等[30]研究表明，綠茶做形過程中在制葉含水率下降顯著，茶葉卷曲成形使體積減小，容重增加；揉捻經做形后，變成細圓直的長條，彼此間勾掛現象明顯，孔隙率增大，同時休止角減小。整個加工過程中，休止角在50°～60°之間變化。李兵[31]測定了‘六安瓜片’在制葉的物理特性，發現殺青葉、揉捻葉、理條葉的含水率分別為59.4%、58.9%、28.3%，呈下降趨勢；殺青葉、揉捻葉容重分別為86.3、209.8 kg·m-3，休止角分別為50.7°、59.6°，兩者隨著揉捻而增大。滑金杰等[32-33]研究表明，萎凋過程中茶葉的柔軟性、塑性隨著含水率下降先升高后降低，彈性則先下降后升高，28 ℃下柔軟性、塑性最高，彈性最低；光照強度6 000 lx下，柔軟性、彈性較好，塑性則相反。馮呈艷[34]研究表明，大葉種茶鮮葉相較于小葉種茶柔軟性、塑性較好，易于造型；新梢不同部位隨著成熟度增加，最大拉力和彈性模量增大。徐翔等[35]測定了青磚散茶壓制過程的力學特性，表明青磚壓制緊實后的彈性模量約48 MPa，回彈量與壓制時間呈正相關，增量與壓制時間呈負相關，初始回彈量與最大壓力呈正相關，末期回彈量與最大壓力呈負相關；彈性變形和壓力呈正相關，保壓初期回彈量增大，末期壓力大的茶磚回彈量反而較小。

2.2 精、深加工技術上的應用

根據茶葉力學特性(物理性狀、外形)合理配置茶葉精加工機械。比如篩分中，圓篩、抖篩和飄篩等不同的篩分方式要參考茶葉物料特點以及空氣動力學特性等。茶葉深加工則主要對茶粉的流動性展開研究，根據不同粒徑物料的流動性對相關機械設備進行研發。潘祖躍等[36]測定了眉茶的毛茶與白鐵皮間壁面的摩擦角，結果表明，摩擦角與茶葉級別呈正相關，取值范圍在30.36°～32.05°之間，相關系數為0.92。張永華等[37]測定了不同等級曬青毛茶的休止角、靜摩擦角等指標，得到休止角在52.3°～55.2°之間，等級越低，靜滑動摩擦角、抗剪強度越大，并且休止角均大于內摩擦角。王林[38]采用固定圓錐法測定紅茶粉體休止角，結果表明，當休止角<30°時，粉體流動性好，<40°時可滿足生產中的流動性要求，>40°時流動性表現則較差。舒陽等[39]測定了綠茶粉體流動性，發現隨著研磨時間延長，粉徑減小，粉體的休止角、堆積密度也減小。

2.3 烏龍茶造型技術上的應用

林燕萍[40]測定了烏龍茶包揉葉在不同含水率、葉位、葉溫下的力學特性，認為隨著含水率降低，應力與彈性模量增加，應變呈“低—高—低”變化，彈性模量在5 068.62～22 841.84 kPa之間，最大應力在1 003.47～2 715.60 kPa之間，斷裂應力在824.66～1 724.60 kPa之間，最大應變在14.18%～28.06%之間，斷裂應變在3.78%～29.46%之間；隨著葉位順序增加，應力、彈性模量增加，應變降低；隨著葉溫升高，應力、彈性模量降低，應變增加。說明造型前期應該控制造型力，嫩葉需要更小力；造型中期和后期結合烘焙工序而提高葉溫有利于加快變形。劉偉[41]對比了包揉和壓揉工藝下在制葉的力學特性，結果表明，茶葉拉伸過程經歷了線性階段、非線性階段、塑性變形階段到斷裂階段。初造型時，壓揉工藝在制葉彈性模量和應力高于包揉，葉片此刻容易“屈服”，易于造型；復造型時，壓揉工藝在制葉應力與應變均高于包揉，可塑性高于包揉；再造型時，兩種工藝彈性模量、最大應力增加，但此時應變降低到最低，應該控制造型力度，避免產生過多碎末。張妍等[42]研究了不同力模型下烏龍茶在制葉力學特性，結果表明，搓揉力+壓力模型造型是個循序漸進的過程，純壓力模型下高強度壓縮力造型使在制葉初期容易屈服，易于造型。兩種模型在制葉平均最大應變值分別為31.27%、34.12%,達到顯著差異。造型末期，純壓力模型的最大應變大幅下降，塑性更差。

目前對烏龍茶包揉葉力學特性研究主要側重于在制葉的拉伸性能。烏龍茶造型需要多類型外力綜合作用，尤其是對壓縮力條件下的包揉在制葉力學特性以及茶葉粘彈性材料性質仍需要進一步研究。

3 討論與展望

3.1 烏龍茶造型技術發展及存在問題

閩南烏龍茶的造型早期是傳統手工包揉，依賴布包束縛，手腳配合施力反復包揉，耗時費力。20世紀40年代，張開福先生創制了我國第一臺手推式揉茶機(也稱“9·18揉茶機”)，使茶葉造型技術開始朝機械化方向發展[6]；20世紀70年代末研發6CB-23型包揉機，但作業效率仍較低；20世紀80年代中期，福建茶機企業從臺灣引進并仿制速包機、平板包揉機、松包機等，使顆粒型烏龍茶包揉從繁重的手工中解脫出來，大大提升烏龍茶造型機械化水平[43-44]，但由于該機組還是單機作業水平，速包過程仍需人工輔助，使包揉過程“速包—平板—解塊”需要20多次循環反復，耗時費工。2010年，安溪縣茶區出現壓揉機，以純壓力模型進行高強度造型，其壓揉作用力強度跨越了茶葉彈性變形階段，直接進入茶葉塑性變化階段，縮短了烏龍茶包揉時間，但其品質備受爭議。近來該壓揉機被取締。

近年隨著烏龍茶產業發展的需要，為提高閩南烏龍茶加工機械化、自動化、連續化、智能化水平，加工工藝及設備的研發一直在更新換代。2007年以來，福建農林大學聯合福建省多家規模化茶機企業開展烏龍茶包揉技術及配套設備研究。2008—2010年，第一代無布包揉樣機基本能夠完成各工序動作，但成球效果尚不理想。2010—2017年先后試制出6CWBR-54型烏龍茶全自動無布包揉機，改進型烏龍茶無布包揉機，烏龍茶全自動包揉機，第一、二代多輥烏龍茶成型機和抓斗式無布包揉機。2017年研制的6CX15型烏龍茶自動包揉機正處于生產試驗和完善階段。

3.2 展望

茶葉力學特性是農業物料力學工程的重要分支，也是茶葉造型設備創新的重要依據。新一代烏龍茶造型設備應考慮茶葉造型、彈性變形、塑性變化與茶葉葉細胞損傷破裂及生化成分變化的相關性，這是烏龍茶包揉過程力學特性研究的關鍵。具體表現在對包揉機理的研究可從以下幾點開展:(1)從多類型力切入，探究橫向、縱向等多方面力作用于葉子的變形情況；(2)從不同力值出發，探究最適造型力范圍；(3)茶葉在力作用下內部微觀結構與品質成分之間的變化關系。烏龍茶造型設備也將建立在包揉機理的基礎上，對其壓力設置、揉盤、棱骨設計進一步改進，以及探求能代替布包包揉的無布包揉造型技術。目前閩南烏龍茶的包揉工藝仍處于半自動機械化水平，因此烏龍茶加工自動化連續化生產仍是今后烏龍茶機械研發的重點，只有使原來斷續作業的包揉單機實現了連續化作業，烏龍茶造型工藝的機械化、自動化及連續化生產線開發才能真正適應大生產。