机采茶鲜叶分类分级技术及相关设备研究进展

唐小林，李文萃，范起业

（1.中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院，浙江杭州310016；2.浙江省茶资源跨界应用技术重点实验室，浙江杭州310016）

鲜叶是茶叶品质的物质基础，鲜叶原料的质量优劣基本决定着茶叶品质的高低。随着茶产业机械化、工业化进程的不断推进，劳动力的日益短缺，以及劳动成本的不断上涨，为适应茶叶的规模化加工，茶鲜叶原料的机械化采摘技术和相应装备已日趋成熟，逐步取代了传统手工采摘。可以说，茶鲜叶机械化采摘已成为一种趋势，不仅能降低劳动成本，还可以提高生产效益。然而，受到茶园管理水平、茶树品种、地形地貌、设备等因素的影响，现有的机采技术和采茶设备不能满足鲜叶原料和成品茶高质量的需求，短期内无法实现技术突破，机采茶鲜叶往往存在长短不齐、老嫩不均、匀净度低、茎梗含量高等问题[1]，以此为原料的工艺技术也未标准化，制成的成品茶品质较低。因此，对机采茶鲜叶原料进行分类分级后再分级付制很有必要，同时，行业也迫切需要针对机采鲜叶的特定分级装备。鉴于此，本文总结了近年来机采茶鲜叶分类分级技术及相关设备的研究现状，以期提高机采茶品质，并为机采茶分级技术和分级设备的不断完善提供依据。

1 机采茶鲜叶分类分级技术研究

1.1 基于物理特征的鲜叶分级技术

我国对机采茶分级的研究起步较晚，而日本在七十年代末已经在该领域展开研究。根据机采茶鲜叶的物理特征进行分级的方法主要有滚筛分级、圆筛分级和风选分级等，这些方法可以使机采鲜叶原料在一定程度上按大小归类，不同方法分级差异较大。

为了使机采茶鲜叶更好地适应现有的加工技术，提高成茶品质，谭和平等[2]根据嫩度不同鲜叶重量（实为单位体积鲜叶容重）也不同，通过调节风力大小对机采鲜叶进行风选分级，效果较好，分别加工后得到的成品茶嫩度一致，品质优良。张兰兰等[3]通过比较分析不同分级方法对机采茶鲜叶的分级效果，发现滚筛分级得到的标准芽叶最多，且相对整齐；圆筛分级难以将标准芽叶与其他芽叶分离，鲜叶易受损，且挂网现象明显，分级效率低；风选处理可以较好地分离碎片，但难以区分标准芽叶与粗老芽叶；而滚筛与风选组合的分级效果较好，机采鲜叶经滚筛后再进行风选分级，标准芽叶比例提高了16%，碎片比例下降了23%，有效地减少了标准芽叶和其他碎片叶的混杂。

1.2 基于计算机评价的现代分级技术

茶鲜叶的质量评级最早以感官评定方法为主，芽叶组成分析是其中的一部分，这种方法准确性差、干扰因素较多。随着科学技术的不断进步，计算机技术越来越多地应用于农业生产当中，茶鲜叶质量近红外评价技术的引进以及人工神经网络与图形分析技术对茶鲜叶分级技术的深入研究提供了新思路。

利用近红外光谱分析仪，有学者建立了茶鲜叶的近红外光谱与鲜叶内含成分之间的关系模型，得到了鲜叶的质量系数，该系数越大，鲜叶的质量越好[4]。还有研究利用近红外光谱技术与偏最小二乘法，对幼嫩芽叶的组成性质和质量等级进行评价，效果较好[5]。陈怡群等[6]研究发现，采用人工神经网络技术和图像分析技术对茶鲜叶进行分类的正确率达90%以上，该技术是将茶叶图像中与茶叶分类相关性较大的茶叶形状、颜色、纹理特征等参数作为输入向量，分类结果作为输出向量，然后建立人工神经网络，并采集有代表性的茶叶图像样本进行训练，最后用训练后的神经网络进行茶鲜叶分类。之后，常春等[7]又对该方法进行了优化，选择BP神经网络以及面积、周长、凸壳面积、凸壳周长、长轴长度、短轴长度、对比度、平滑度等8个特征作为茶叶分类的特征值，取得了较好的分类效果，分类准确率同样达到90%以上。

2 机采茶鲜叶原料分级设备研究

对机采茶鲜叶原料进行分级，可有效提高成品茶的外形和内在品质。若要适应大规模的生产加工，提高生产效率，鲜叶分级必须要依靠相应的分级设备。目前，我国对机采茶鲜叶分级机的研制还处在初步阶段，现有可用于鲜叶分级的设备主要有鲜叶分级机、风选机以及圆筛机，如6CXF-70型大宗茶鲜叶分级机、MCF自制名优茶鲜叶分级机、春江浙茶精766茶叶平面圆筛机、FX450型茶叶风选机等。其中，平面圆筛机常常对鲜叶造成一定损伤，在分级过程中，也会出现挂网现象，分级效率低，不适用于名优茶鲜叶原料分级；风选机单独使用时效果不理想，若投叶量较多时，小芽叶较难被分离；不同分级设备组合使用，虽然分级效果提高，但耗时过长，投入劳动力较大，鲜叶经多次分级易损伤，不符合实际生产要求[8]。以下主要对鲜叶分级机的研究现状进行介绍。

2.1 名优茶鲜叶原料分级机

由于名优绿茶鲜叶原料的精细化程度高，因此对分级设备也有较高要求。目前，名优茶鲜叶分级设备主要有滚筒式分级机和往复振动式分级机，部分已在茶叶生产中得到应用。为了适应名优茶机械化生产需要，骆耀平等[9]在前期研究基础上，自制了名优茶鲜叶原料分级机MCF-Ⅰ、改良型MCF-Ⅰ和MCF-Ⅱ，均以滚筒筛分法为主。

MCF-Ⅰ型名优茶鲜叶原料分级机的筒身结构主要由3个不同孔径区段组成，筒身整长210 cm，各区段长度分别为 60 cm、90 cm、60 cm，该设计可使鲜叶在筒内运动时间加长，能够较好地散开，利于分级。其中，第一网孔能较好地分离出单芽和一芽一叶，第二网孔能分离出一芽一叶、一芽二叶及其对夹叶，第三网孔主要分离出一芽三叶及其以上的鲜叶原料。改良型MCF-Ⅰ名优茶鲜叶原料分级机在筒身结构前端增设了一个孔径更小的网孔，用于分离出单芽，整个筒身长度不变，被设计成4个区段，各区段长度分别为45 cm、30 cm、65 cm、70 cm。改良型MCF-Ⅰ在各区段中能够分离出较高比例的目标芽叶，如第一区段获得的单芽比例达到50%左右，第二区段获得的一芽一叶比例在61%左右，效果均优于MCF-Ⅰ，但依然存在细嫩芽叶被延迟分离，出现在大孔区段的现象。MCF-Ⅱ型名优茶鲜叶原料分级机为最终定型设备，是在改良型MCF-Ⅰ的结构基础上，适当加长细嫩芽叶分隔距离，缩小各级网孔孔径，调整后筒身的4个区段长度分别是60 cm、50 cm、60 cm、50 cm，并在第二区段的落叶处加设风扇装置，解决了主要原料中出现较多碎叶的问题。鲜叶经分级后，第一区段内单芽比例为90%左右，第二区段内单芽和一芽一叶的比例基本在40%左右，该设备能较好地分选出加工优质茶的鲜叶原料。

为了解决传统竹制滚筒式分级机的挂叶、红变及分级效果不明显等问题，袁海波等[8]研究开发了“一种茶鲜叶筛分机 （专利号：ZL200820169045.1）”，采用前后往复振动的形式带动鲜叶运动，鲜叶经过筛网上的孔径掉落到支撑板，从而实现鲜叶分级。鲜叶前进速度可通过改变振动频率和振动面角度进行调节，筛网大小和筛孔形状可根据鲜叶原料大小进行更换，也可采用多层筛网对鲜叶进行多次分级处理。该设备的分级效果主要与筛网孔径大小、筛网倾斜角度及其振动频率有关，生产中可根据实际情况进行调节。

此外，由中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院主持完成的“十二五”国家科技支撑计划课题“茶叶现代化加工与资源增值关键技术升级及新产品研发示范”研究任务一——针芽形名优绿茶连续化自动化加工关键技术及设备研究与示范（2011BAD01B03－1）（中国农业科学院茶叶研究所主持完成）对名优茶鲜叶分级机进行了研究，研制出实验型鲜叶分级设备样机，该设备以筛分为主要技术手段，根据鲜叶大小选择多层具有不同筛孔的特殊筛网，通过调节分级机振动面高度、振动频率，使鲜叶均匀分布，逐层分级，最终实现鲜叶的有效分离。在此基础上，课题组成员以设备的实用、平稳、高效以及大处理量等为目的，系统开展筛网材料、震动方式、运动模式等方面的改进，研制出“一种生产型茶鲜叶分级机”[10]（专利号：ZL201320064553.4），该设备在外观、结构、稳定性等方面进行了提升，增加了鲜叶的处理量，降低了设备噪音，同时也提出了设备的应用技术参数。

2.2 大宗茶鲜叶原料分级机

随着国家政策的引导和消费者消费理念的转变，大宗茶的市场占有率不断上升，对其品质要求也有所提高。大宗茶鲜叶原料往往通过机械采摘获得，制得的茶叶品质较低，因此研究大宗茶鲜叶原料分级设备很有必要。

针对大宗茶鲜叶分级设备的发展现状，由中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院主持承担并实施的“十二五”国家科技支撑计划课题研究任务四——优质茶现代加工模式转型关键工艺装备研发与示范（2011BAD01B03-4）研制出一种抛掷式机采茶鲜叶分级机，该设备主要由动力部分、传动部分、分级槽体和机架等部分组成，采用独特的腰圆形网孔，以抛掷的方式进行鲜叶分级。其工作原理是：电机带动曲轴摇杆机构，使摇杆作往复摆动，槽体与各摇杆铰接构成平行四边形机构，促使槽体往复平动，槽体中的茶鲜叶受槽体斜向抛力作用，不断向前运动，当孔径大于茶鲜叶的尺寸时，茶鲜叶便会从孔中落下，传送至下一工序的接茶口。为了解决分级机在鲜叶分级过程中出现的挂网、厚度不均等问题，防止细嫩芽叶提前或滞后出现，对该设备进行了改进，增加了“一种用于振动式茶鲜叶分级机的挂叶清扫装置”[11]，获国发明专利授权（专利号：ZL 201210325145.X），得到的成型设备可有序地分离断碎、粗老芽叶与中间段质量较好的优质原料，试验发现，当投叶量为5 kg/min、振动频率为50 Hz时，分级机的平均分净率达79.04%，能较好地实现机采大宗茶鲜叶的分级。

2.3 其它分级设备

依据人工神经网络技术和图像分析的原理，常春等[7]设计了一台用于茶鲜叶分级的智能茶叶分选机，该设备主要由水平转盘、茶叶测位器、单片机控制箱、PC计算机、摄像头、光电感应器、分拣器及分类茶叶容器等结构组成。该机在工作时，茶叶被逐片投在水平转盘上，经过茶叶测位器时被定位，结合单片机将茶叶到达摄像位置的时间通知给PC计算机，摄像机采集的茶叶图像通过神经网络图像分析程序进行种类识别，分选机的执行装置接收到计算结果后，将茶叶送至分类茶叶容器，从而完成分级。当智能茶叶分选机的运行参数为转盘转速2.58 r/min，茶叶运动的线速度约65 mm/s，茶叶投放速度约0.5片/s时，可有效地将全芽、叶包芽、一芽一叶和一芽二叶等四种类别的茶鲜叶分开，分级准确率最高可达97.9%，最低为90.3%。该设备的成功研制，表明采用图像识别技术对茶鲜叶进行智能分级是可行的。

3 展望

对机采茶鲜叶原料进行分级，不仅能提高名优茶和大宗优质茶原料生产比例及质量，改善茶叶品质，还能避免加工过程中的能源浪费问题，适应了茶鲜叶机械化采摘的发展趋势。机采茶鲜叶分级设备的研究与开发，可进一步提高鲜叶的分级效果，有助于推进茶产业的规模化与标准化。然而，现有的分级设备与分级技术，仍存在一定问题，在同一分级结果中会出现一定比例的不同展叶状态芽叶，分级效率低，同时目前大多用于鲜叶分类分级设备在工作时都对芽叶有不同程度的损伤，不利于茶叶品质的提高，在鲜叶自动输送和连续分级等方面还需进行深入研究。随着科学技术的迅猛发展，计算机技术在水果、蔬菜等农产品的品质鉴别与分类分级方面的应用已比较成熟，有研究表明，利用计算机视觉自动检测果实表面着色度并进行分级，计算机视觉分级与人工分级的一致度在88%以上[12]；还有研究利用计算机视觉研究绿橙表面缺陷的分级检测技术，结果对绿橙4个质量等级的正确分级率均达到90%以上[13]。若将此技术运用到茶鲜叶分级研究当中，将会大幅提高鲜叶的分级效率，降低鲜叶嫩度的误判率，从而实现机采鲜叶的有效分级。因此，利用计算机技术进行鲜叶分级和相应分级设备的研发将成为今后的研究重点方向。

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