我國茶葉殺青機(jī)研究進(jìn)展分析*

王文明，宋志禹，陳巧敏，肖宏儒，蔣清海，張健飛

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國是茶葉生產(chǎn)和消費大國，茶園種植面積及茶葉總產(chǎn)量均具世界前列[1-5]，同時茶葉一直受國人喜愛至極，飲茶、品茶幾乎遍及每個家庭。茶葉可粗淺的分為綠茶、紅茶、白茶、黑茶、黃茶、烏龍茶，其中綠茶的品種及受眾較多，是中國較受歡迎的茶葉品種。綠茶的加工簡單的分為殺青、揉捻和干燥三個步驟，一杯好的綠茶應(yīng)具有香氣高鮮，滋味濃爽，湯色，葉底綠微黃亮，其關(guān)鍵是在殺青這個步驟，殺青的主要目的是短時間內(nèi)利用高溫破壞鮮葉中的多酚氧化酶的活性，制止多酚類酶促氧化，同時使鮮葉散發(fā)部分青氣，改變其內(nèi)含成分的部分性質(zhì)，以形成綠茶應(yīng)有的色、香、味，而且還通過蒸發(fā)部水分增加葉質(zhì)的韌性，便于揉捻造型[6]。由此可見，茶葉殺青效果對綠茶最終品質(zhì)的形成起著至關(guān)重要的作用，及時開展茶葉殺青技術(shù)與裝備方面的研究，對全面提高我國綠茶品質(zhì)與質(zhì)量具有重要意義。本文綜述了國內(nèi)外茶葉殺青機(jī)的研究發(fā)展現(xiàn)狀，對比分析了不同殺青技術(shù)及設(shè)備的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上指出了我國茶葉殺青機(jī)研究存在的不足，最后提出了我國茶葉殺青機(jī)未來的發(fā)展建議。

1 茶葉殺青機(jī)研究現(xiàn)狀

受茶葉種植面積及飲茶習(xí)慣的影響，目前國際上殺青機(jī)械化作業(yè)程度差異較大，總體來看亞洲國家機(jī)械化作業(yè)程度高于歐美國家，其原因在于歐美國家如美國、英國，其國人大多以飲紅茶為主，且其消費產(chǎn)品主要也是袋裝速泡茶。亞洲的日本以消費綠茶為主，其殺青技術(shù)起步較早，早在17世紀(jì)，日本就成功研究出蒸青綠茶加工機(jī)械，至20世紀(jì)初期，日本的加工機(jī)械基本已成熟配套，茶葉加工各環(huán)節(jié)均有配套機(jī)型可用。

我國茶葉殺青技術(shù)起源于較早，元代開始民間以廣泛應(yīng)用蒸汽殺青技術(shù)，至清代，茶區(qū)開始使用斜鍋進(jìn)行綠茶的殺青與炒制。新中國成立后，隨著茶葉生產(chǎn)的恢復(fù)，我國茶葉殺青機(jī)發(fā)展進(jìn)入快車道，一系列機(jī)型被設(shè)計制造投入到生產(chǎn)中，其中比較有代表性的如60年代研制的滾筒式殺青機(jī)，該機(jī)至今仍在我國茶區(qū)大量應(yīng)用，進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著國家科技和信息技術(shù)不斷發(fā)展，以及為滿足國內(nèi)名優(yōu)茶生產(chǎn)要求，自動化程度高、綠色環(huán)保的殺青機(jī)成為研究者和生產(chǎn)廠家關(guān)注的焦點，像微波、遠(yuǎn)紅外、電磁等綠色加熱方式被引入到殺青機(jī)設(shè)計中。目前，國內(nèi)茶葉殺青機(jī)主要有滾筒殺青機(jī)、蒸汽殺青機(jī)、微波殺青機(jī)、遠(yuǎn)紅外殺青機(jī)、熱風(fēng)殺青機(jī)和電磁殺青機(jī)等[7]，如表1所示。滾筒殺青機(jī)應(yīng)用最為廣泛，其具有操作簡單、成本低、適用性廣等優(yōu)點，但其溫度不易控制、熱能利用率較低。其可適用于品質(zhì)要求不高的中高檔茶。蒸汽殺青是利用高溫蒸汽傳導(dǎo)熱量使茶鮮葉迅速升溫，從而達(dá)到殺青的目的，其優(yōu)點是穿透性強(qiáng)、加熱均勻、不易產(chǎn)生燒焦葉。微波殺青是指利用鮮葉本身的水分通過高頻微波的震蕩作用，使得茶葉快速升溫。但其殺青作業(yè)后茶葉香氣較弱，適用于茶多酚含量較高或注重保持綠色色澤的茶葉。遠(yuǎn)紅外殺青則利用遠(yuǎn)紅外線頻率與物體分子固有頻率接近時，會被物體強(qiáng)烈吸收并加速分子的熱運動，使物體溫度迅速提高進(jìn)行殺青作業(yè)，由于其不需要加熱空氣，而直接與茶葉作用，因此加熱作業(yè)效率較高且節(jié)能環(huán)保。熱風(fēng)殺青是通過熱風(fēng)與茶鮮葉之間的熱交換，使鮮葉表面溫度迅速提高，鈍化酶活，完成殺青，其優(yōu)點是殺青葉含水量低，利于后續(xù)揉捻，適用于耐高溫或含水量較高的茶葉。電磁殺青則是利用高頻電場產(chǎn)生交變磁場，加速鐵質(zhì)容器內(nèi)的鐵原子做無規(guī)則運動，從而產(chǎn)生高溫環(huán)境實現(xiàn)殺青。其具有升溫快、易控制，無污染等優(yōu)點，但其造價較昂貴，適合大型茶廠。這些殺青技術(shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 不同殺青技術(shù)及設(shè)備的比較分析Tab. 1 Comparative analysis of different fixation technologies and equipment

(a) 滾筒殺青(b) 蒸汽殺青

(c) 微波殺青(d) 遠(yuǎn)紅外殺青

(e) 熱風(fēng)殺青(f) 電磁殺青

1.1 殺青機(jī)爐體

爐體為殺青機(jī)裝載物料的部件，其參數(shù)設(shè)計與材料選用對殺青機(jī)的設(shè)計至關(guān)重要，針對殺青機(jī)爐體設(shè)計與改造方面，蔣建祥等[8]設(shè)計了大宗茶鮮葉殺青新型高效熱風(fēng)爐，其重新設(shè)計了燃燒系統(tǒng)，并改變爐體出風(fēng)口錐度，成功研制出了熱風(fēng)達(dá)到300 ℃以上且鮮葉殺青量達(dá)到1 000 kg/h的新型熱風(fēng)爐,且比以前的熱風(fēng)爐殺青更勻更透,達(dá)到了既增加鮮葉殺青量,又可以不加重茶企負(fù)擔(dān)的目的。黎明天[9]發(fā)明了整體式茶葉殺青機(jī)，其把爐體設(shè)計成爐體上蓋及爐體下座兩個獨立部分,通過法蘭連接為整體式結(jié)構(gòu),其中爐體下座下設(shè)燃燒室并連接爐體支架，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工作可靠等優(yōu)點。牛曉飛等[10]對殺青機(jī)爐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，在爐體內(nèi)設(shè)置了不銹鋼隔離層,茶葉進(jìn)入殺青機(jī)旋轉(zhuǎn)筒進(jìn)行殺青時,不會受到旋轉(zhuǎn)筒內(nèi)表面的氧化鐵的污染,有效提高了茶葉的色、香、味等各方面指標(biāo)質(zhì)量,增加了經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 導(dǎo)葉板

導(dǎo)葉板是殺青機(jī)的關(guān)鍵部件，其作用是改變茶葉物料在爐體內(nèi)的運動方向，使其以合理的速度緩慢在殺青機(jī)爐體內(nèi)運動，導(dǎo)葉板的形狀、布置方式對茶葉殺青作業(yè)品質(zhì)影響較大。徐海衛(wèi)等[11]對滾筒式殺青機(jī)導(dǎo)葉板開展研究，分析了對數(shù)螺線的螺旋角對滾筒式殺青機(jī)生產(chǎn)均勻性的影響規(guī)律。其提出了一種分段設(shè)計導(dǎo)葉板的方法(圖2)，并基于fluent軟件對滾筒殺青機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果也進(jìn)一步驗證了分段設(shè)計導(dǎo)葉板可有效提高殺青作業(yè)效率和品質(zhì)。蔣云[12]發(fā)明了殺青機(jī)新型滾筒，其為殺青機(jī)設(shè)計了螺旋式導(dǎo)葉板，且導(dǎo)葉板入口段與滾筒本體軸斷面的夾角大于等于66°，從入口至出口各段與滾筒本體軸斷面形成的角度依次增大，這樣設(shè)計的殺青機(jī)作業(yè)效果較好，制作工藝簡單，易于控制各段導(dǎo)葉板溫度。

圖2 螺旋線及展開圖Fig. 2 Schematic diagram of spiral line and its expansion

1.3 加熱裝置

在茶葉殺青過程中，溫度對茶葉最終品質(zhì)有較大影響。茶葉殺青溫度需根據(jù)鮮葉的實際情況來定，一般情況下爐體筒壁需達(dá)到180 ℃左右，如果其溫度變化較大，易導(dǎo)致茶葉色澤變暗或燒焦，從而影響加工品質(zhì)。我國目前茶葉殺青機(jī)中應(yīng)用最廣的是電阻絲式加熱裝置，其具有安裝拆卸簡易、加熱塊、成本低等優(yōu)點，同時國內(nèi)學(xué)者也提出了一些新的技術(shù)方案，如紅外加熱裝置、電磁加熱裝置等，吳瑞梅等[13]發(fā)明了一種新型茶葉殺青機(jī)加熱裝置，其主要由工作臺、水槽、底板、加熱絲、導(dǎo)塊等組成，作業(yè)時先對水槽內(nèi)的水進(jìn)行加熱，再通過水槽將熱量傳遞至茶葉槽，完成茶葉的加熱，該種加熱方式較為溫和，避免了茶葉內(nèi)部的水分被過度蒸發(fā)。李杰等[14]發(fā)明了電熱茶葉殺青機(jī)，其通過固定在機(jī)架上的碳刷與旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒上的導(dǎo)電隔熱絕緣材料組實現(xiàn)電能的換向，實現(xiàn)內(nèi)筒體與電熱裝置熱能的直接傳遞，具有提高能源利用率和生產(chǎn)效率的積極效果。艾施榮等[15]發(fā)明了一種用于滾筒式殺青機(jī)的遠(yuǎn)紅外加熱裝置，其主要由支撐座、紅外加熱管、溫度傳感器、電機(jī)、皮帶等組成，其將紅外輻射管置于滾筒中心，通過控制風(fēng)扇電機(jī)的正反轉(zhuǎn),實現(xiàn)吹葉以及排濕的雙重效果，降低了水汽對加熱的不利影響，具有熱能利用率高、適用性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點。郝朝會[16]針對傳統(tǒng)滾筒式殺青機(jī)作業(yè)易出現(xiàn)蕉葉、糊葉等現(xiàn)象，將紅外加熱技術(shù)應(yīng)用在殺青機(jī)設(shè)計中，設(shè)計了一種滾筒式紅外茶葉殺青機(jī)。其對滾筒內(nèi)物料運動進(jìn)行理論分析及仿真驗證，優(yōu)化設(shè)計了殺青機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。詹星星等[17]設(shè)計了電磁式茶葉殺青機(jī)(圖3)，其根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用有限元分析軟件ANSYS對滾筒電磁加熱過程進(jìn)行了模擬仿真試驗，分析電流頻率、電流密度、線圈與滾筒之間的距離等參數(shù)對滾筒加熱效果的影響，結(jié)果表明: 所設(shè)計的電磁殺青機(jī)滿足預(yù)期設(shè)計要求，相比電熱式滾筒殺青機(jī)，預(yù)熱時間明顯縮短，殺青能耗大幅下降，溫度控制精度顯著提高。

圖3 電磁殺青機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of electromagnetic smashing machine1.拖輪 2.進(jìn)料口 3.控制臺 4.滾筒 5.線圈6.排濕裝置 7.出料口 8.支撐支架 9.傳動電機(jī)

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所對熱輻射殺青技術(shù)及裝備開展相關(guān)研究，設(shè)計了熱輻射殺青機(jī)(圖4)，該機(jī)通過搭建在線監(jiān)測與自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動調(diào)整投料量、輸入功率和輸送速度。生產(chǎn)效率最高可達(dá)400 kg/h，熱能利用率超過60%，可根據(jù)鮮葉量選用1～3組殺青，節(jié)能效果顯著。

圖4 熱輻射殺青機(jī)Fig. 4 Heat radiation type tea smashing machine

1.4 控制系統(tǒng)

在殺青機(jī)作業(yè)過程中，需要控制爐體轉(zhuǎn)速、殺青溫度、茶葉喂入量、殺青時間等，這些參數(shù)對茶葉殺青的質(zhì)量有重要影響，合理的控制作業(yè)參數(shù)會大大提高殺青作業(yè)效率和質(zhì)量。目前國內(nèi)殺青機(jī)自動化水平并不高，很多作業(yè)參數(shù)調(diào)節(jié)仍需人工經(jīng)驗去調(diào)節(jié)，針對上述問題，郝朝會[16]設(shè)計了一種殺青機(jī)自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AT89S51為核心控制器，配備了高精度紅外溫度傳感器，采用模糊PID算法，實時更新PWM控制輸出參數(shù)，控制可控硅的通斷時間，實現(xiàn)對溫度的高精度控制，此控制系統(tǒng)控溫準(zhǔn)確、及時，能較好的保持恒溫，保證殺青機(jī)作業(yè)效果良好。潘玉成等[18]針對滾筒式殺青機(jī)溫控系統(tǒng)具有時變不確定非線性的特點，利用模糊控制的良好收斂性和對模糊量的運算優(yōu)勢，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的特性，將常規(guī)PID控制與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，提出一種基于模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制策略，實現(xiàn)了對PID參數(shù)的實時在線整定。基于MATLAB軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制，系統(tǒng)具有更好的動靜態(tài)特性和抗干擾性能，溫度控制誤差在±2 ℃范圍內(nèi)，能很好地滿足茶葉殺青工藝對溫度的控制要求，保證了茶葉的殺青質(zhì)量。虞文俊等[19]以Arduino為下位機(jī)，LABVIEW為上位機(jī)開發(fā)了茶葉紅外殺青機(jī)控制系統(tǒng)，樣機(jī)殺青實驗驗證結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，殺青均勻，具有良好的殺青效果。

1.5 殺青作業(yè)過程仿真分析研究

隨著國內(nèi)計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多學(xué)者采用計算機(jī)模擬法分析殺青機(jī)作業(yè)過程以及其內(nèi)部顆粒場、溫度場分布情況，其中有限元法及離散元法應(yīng)用較多。虞文俊等[20]基于Fluent-EDEM耦合技術(shù)對茶葉紅外殺青機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，通過求解計算得到殺青機(jī)滾筒內(nèi)流場溫度分布和殺青葉升溫曲線(圖5)，并與同型號的電加熱滾筒內(nèi)流場模擬結(jié)果進(jìn)行比較。模擬結(jié)果表明，電加熱結(jié)構(gòu)的溫度流場在滾筒內(nèi)均勻分布，熱能利用率低；而紅外殺青機(jī)滾筒內(nèi)流場溫度分布主要集中在滾筒右部及底部，能將大部分熱能直接輻射到殺青葉上，熱能利用率高，該殺青裝置能使殺青葉在短時間內(nèi)快速升溫，從而快速鈍化酶的活性，提高茶葉品質(zhì)。何磊等[21]以滾筒殺青機(jī)為研究對象，基于離散元分析技術(shù)的PFC3D法，對殺青過程的各相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，如滾筒轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉板數(shù)量、布局、傾角及結(jié)構(gòu)，滾筒傾角與壁溫等對殺青效果的影響。結(jié)果表明：滾筒殺青時，存在最佳轉(zhuǎn)速，滾筒前段布置較多的導(dǎo)葉板，有利于殺青葉溫度的迅速提高，適當(dāng)增加導(dǎo)葉板傾角和采用“L”型導(dǎo)葉板，將提高茶葉在筒壁上的散度，有利于殺青葉溫度的均勻。

(a) 電加熱

(b) 紅外加熱

2 存在問題

茶葉殺青機(jī)作為茶葉初制加工工序中重要的加工機(jī)械，近幾年雖然發(fā)展迅速，取得了較大進(jìn)步，一系列機(jī)型已被投入到生產(chǎn)實踐中，但仍存在較多不足，其具體如下。

1) 缺乏相關(guān)政策支持、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)滯后。我國目前的農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策主要針對主要農(nóng)作物的田間生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)，茶園作業(yè)環(huán)節(jié)尚有少許資金支持，而茶葉加工目前沒有支持政策和資金，這大大制約了我國茶葉加工機(jī)械的發(fā)展和應(yīng)用，同時茶葉殺青機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定起步比較晚，還不成熟有待完善。我國茶機(jī)制造企業(yè)規(guī)模普遍較小，研發(fā)力量薄弱，能投入的技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新資金有限，產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性方面都有待提高，同時由于生產(chǎn)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，機(jī)械模塊與零件之間不能通用和互換，這都增加了生產(chǎn)和使用成本，給后期維修和改進(jìn)也帶來了許多麻煩。

2) 機(jī)器振動、噪音較大，熱能利用率低。由于設(shè)計、加工工藝粗糙等原因，現(xiàn)有的茶葉殺青機(jī)作業(yè)時機(jī)器噪音及振動均較大。傳統(tǒng)的加熱方式其傳熱較慢、人能利用率低，同時溫度難以控制，爐體內(nèi)溫度波動較大，使茶葉受熱不均勻，大大降低了茶葉品質(zhì)。

3) 自動化程度較低，上下料仍需人工完成。目前我國茶葉殺青機(jī)自動化、智能化程度普遍較低，很多作業(yè)仍然依靠人工完成，如茶葉上下料、滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、爐內(nèi)溫度調(diào)節(jié)等。還無法實現(xiàn)根據(jù)茶葉喂入量自主實時調(diào)節(jié)與匹配滾筒轉(zhuǎn)速與爐內(nèi)溫度。

3 發(fā)展趨勢

茶葉殺青機(jī)在茶葉初制工序中發(fā)揮了重要作用，特別是對我國茶量較大的綠茶來說，是不可或缺的加工設(shè)備。針對我國茶葉殺青機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與特點，提出茶葉殺青機(jī)未來的發(fā)展趨勢如下。

1) 以政府為主導(dǎo)，完善相關(guān)補(bǔ)貼政策，加強(qiáng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，促進(jìn)行業(yè)協(xié)調(diào)化發(fā)展。目前我國茶葉殺青作業(yè)難以完全標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，產(chǎn)品品質(zhì)質(zhì)量不一致。其原因主要為各地作業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)不一致，同時各茶機(jī)制造企業(yè)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此未來應(yīng)注重殺青機(jī)標(biāo)準(zhǔn)方面建設(shè)，可借鑒現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)與茶機(jī)有效結(jié)合，詳細(xì)的記錄茶葉殺青過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)與茶葉品質(zhì)變化相關(guān)數(shù)據(jù)，為茶機(jī)制造提供參考，促進(jìn)茶葉殺青作業(yè)信息化及標(biāo)準(zhǔn)化形成。

2) 完善茶葉殺青機(jī)相關(guān)技術(shù)研發(fā)，加強(qiáng)模塊化、綠色化、智能化設(shè)計。以節(jié)能、綠色為目標(biāo)，引進(jìn)借鑒工業(yè)上新型高導(dǎo)熱節(jié)能材料設(shè)計和改造殺青機(jī)爐體，同時推進(jìn)遠(yuǎn)紅外殺青、電磁殺青等新型加熱技術(shù)的研發(fā)，以進(jìn)一步降低能耗，實現(xiàn)綠色化茶葉加工生產(chǎn)，全面提升制茶品質(zhì)。加強(qiáng)理論研究，掌握茶葉基本參數(shù)與熱力學(xué)特性，通過試驗得到喂入量、滾筒轉(zhuǎn)速及溫度之間的響應(yīng)關(guān)系，以優(yōu)化殺青機(jī)作業(yè)參數(shù)。加強(qiáng)自動化、智能化設(shè)計，設(shè)計全自動上下料設(shè)備，采用自適應(yīng)控制等工業(yè)上成熟技術(shù)，實現(xiàn)茶葉殺青作業(yè)實時調(diào)溫、調(diào)速，形成智能、連續(xù)的茶葉殺青作業(yè)機(jī)組，以全面提升殺青作業(yè)質(zhì)量和效益。

4 結(jié)語

近年來，隨著我國工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，茶葉加工綜合機(jī)械化水平不斷提高，茶葉殺青技術(shù)與設(shè)備發(fā)展迅速，一系列機(jī)型被研發(fā)制造投入生產(chǎn)實踐中，提高了我國茶葉殺青作業(yè)的效率和質(zhì)量，但仍存在機(jī)器振動、噪音較大，熱能利用率不高，自動化程度較低等不足，為進(jìn)一步促進(jìn)我國茶葉殺青技術(shù)與設(shè)備高速、可持續(xù)發(fā)展，未來應(yīng)以政府為主導(dǎo)，加強(qiáng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，同時還應(yīng)完善殺青機(jī)相關(guān)技術(shù)研究，朝模塊化、綠色化、智能化方向發(fā)展。