我国茶叶加工机械研究进展

甘宁 ， 孙长应 *， 张正竹

（1.安徽农业大学茶与食品科技学院，安徽合肥 230036；2.安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室，安徽合肥 230036）

中国是茶的故乡，是世界最大的产茶国和消费国。19世纪之前，中国在世界茶叶贸易上一直占据主导地位。然而，1780年才开始种茶的印度由于受到工业革命的影响[1]，茶叶机械大量涌现，带动了茶叶品质和生产效率的快速提升，其茶叶产量和出口量很快追赶上中国，直到本世纪初，我国再次成为世界最大的产茶国，可见茶叶机械在茶叶产业中扮演着极为重要的角色。我国茶叶加工机械化起步于20世纪50年代，随着中国科技的进步，茶叶机械行业迅速发展，适应并推动了茶产业发展的需求。到2000年，我国的大宗茶和大部分名优茶加工已基本实现了机械化；2000年以后，为了适应茶叶生产加工的新需求和茶产业发展的新常态[2]，新技术和新能源不断应用于茶叶机械，茶叶生产的连续化、清洁化、标准化和自动化成为发展主流。文章总结了近年来有关我国茶叶加工机械的论文、专利等科研成果，重点综述了我国茶叶杀青、做形、摊青、萎凋、做青、发酵和烘干等加工机械的研究进展，对比过去机械的不足和最新设备的优势，分析了目前茶机研究仍然存在的问题，并提出了我国茶机未来发展的方向。

1 茶叶初加工机械

我国茶叶初加工机械相比于精加工机械，研究发展速度较快。当前已研制出系列化茶叶初加工机械、连续化衔接设备和自动化控制装置，将这些机械有机衔接组合成多种连续化茶叶加工生产线。目前国内六大茶类都已实现连续化生产，基本实现清洁化，但离实现完全自动化和标准化生产还有很大距离。未来将以单机模块研制为基础，多功能一体机发展为导向，标准自动连续化生产线为目标，为全面实现茶叶生产的规范化、标准化创造条件。

1.1 杀青机械

目前使用最广泛的杀青机是滚筒杀青机，其操作简单，投入成本较低，适用性广泛，但其杀青稳定性差，温度不易控制，热能利用率低。为了追求更高效节能的杀青机械，不断有学者提出将其它先进的加热技术应用到杀青机械中，比如蒸汽杀青、热风杀青、电磁杀青、微波杀青和远红外杀青等。蒸汽杀青[3]是指高温蒸汽与茶鲜叶接触，通过蒸汽导热，使杀青叶迅速升温，达到杀青目的；热风杀青[4]是依靠发生炉里产生的热风与鲜叶热交换，由于温差很大，鲜叶迅速吸热，温度迅速升高，钝化酶活，完成杀青；微波杀青[5]是指利用鲜叶本身的水分通过高频微波的震荡作用，茶叶快速升温，实现杀青；远红外杀青[6-7]是指当远红外线的频率与被其照射到的物体的分子固有频率相一致时，物体就会强烈吸收远红外线，并将其转化为分子的热运动，使物体温度迅速提高，进行杀青；电磁杀青[8-9]是指流过线圈的高频交流电流会产生高频的交变磁场，使铁质容器的体内产生无数的小涡流，铁原子进行高速无规则运动，碰撞摩擦生热，从而产生一个高温环境。文章在前人研究的基础上，将这些杀青技术的优缺点、传热方式、成茶品质和适用建议进行了归纳整理，如表1所示。

表1 杀青机械不同杀青方式的比较分析Table 1 Comparison and analysis of different fixation methods of fixation machinery

2017年，湖北天池机械股份公司[10]研发了一种新型电磁杀青机，该机特点在于整合了上述的电磁杀青技术和热风杀青技术的工艺优点，其滚筒内部增加热风管，外部缠绕电磁线圈，而且还配套了红外测温仪和智能温控仪，提高了杀青效率和热效率，并且相较于单电磁杀青机而言，使用成本降低。在此之前，早已出现多种杀青方式技术组合的研究，比如蒸汽热风组合[11]、电磁热风组合[12]、微波热风组合[13]、微波远红外组合[14]和电磁微波组合[15]等，各杀青技术取长补短，是未来杀青机发展趋势之一，但也必将会出现新的问题，比如组合后造价将更加昂贵，技术更加复杂。表2将各杀青技术组合后的优势和问题进行了分析。

表2 不同杀青组合方式的优劣分析Table 2 Analysis of the advantages and disadvantages of different combination methods of fixation

这种“二合一”组合方式进行杀青，多半是以杀青滚筒为基础，加入其它两种杀青技术进行杀青，由此可以推想“三合一”方式组合杀青，甚至“四合一”方式组合杀青，比如微波杀青时间极短，可以与其它杀青技术连成一体，用于补杀作用，在这些方面国内研究较少，有待进一步深化。

1.2 做形机械

1.2.1 冷做形（揉捻）机械

我国茶叶加工的揉捻作业早已实现机械化[16]，但是传统揉捻机存在揉捻质量不稳定，效率不高，自动化水平有待提高等问题。为提升效率和减轻劳动强度，国内已陆续研制出多台组装式揉捻机组和全自动揉捻机组，可全程实现自动开盖、称重加料、关盖、加压、下料，也可调节工艺参数，使揉捻质量更具可控性。为实现生产线中的连续化揉捻，2011年，钟应富等[17]设计了一种6CRK-40X型行车式茶叶自动揉捻机组，利用PLC自动控制技术，并采用多台联动的形式揉捻，实现了多台投料和揉捻循环作业的连续自动化加工。但此揉捻机组还是必须经历停机投叶和下叶，只是实现了间歇式连续揉捻。为此，安徽三九农业装备科技股份有限公司[18-19]突破传统，自主研发出6CRZJ系列自动加料连续揉捻机，真正地突破了揉捻工序在连续化生产线上的瓶颈，该设备改进了加料方式，茶叶在揉盘处加入，随圆周运动从揉桶和揉盘接合处进入揉桶内，先进先揉、后进后揉，并使用加压气缸自动下移压盖加压，边揉边压，还采用了4台连体组合，实现不间断上下料。该揉捻机的成功研制为连续化生产线的组建提供有力保障。

1.2.2 热做形机械

理条工艺是许多名优茶塑造外形的关键工艺，目前最常见的理条机是往复振动式理条机[20]，但传统往复式理条机有耗能高、能源利用率低、自动化程度低等问题。为实现连续化生产，周忠等[21]提出将多个往复式理条单机以一定的倾斜角，组装成阶梯连续式理条机组，理条叶会随着振动从一端自动滑到另一端，这也是目前连续化生产线上比较实用的理条机组。但传统理条机的热源设在槽锅下方，还要通过加热金属棒传递热量，不仅热能利用率低，受热不均匀，还存在安全隐患，为此，张小福等[22]提出远红外上加热方式的新型理条机设计思路，并取消了传统理条机的曲柄滑块机构，而是利用气缸作为传动机构，减小振动，降低噪音。除此之外，张祖德等[23]开发了一种水平式茶叶连续理条机组，对上料、压棒、出料和送风加热等系统实现自动化控制，同时设计触摸屏系统，方便用户简单操作，减轻劳动强度，提升工作效率。上述理条机组都是基于往复振动式理条机研制而成，但往复振动式存在一个弊端，茶叶滚动的方向不是始终一个方向，而是来回滚动，原理如图1所示，这样就导致刚卷紧的茶条朝反方向滚动而又变松，致使茶条不紧细。因此，解决理条不紧细的问题将可能是今后的重点研究内容。

图1 往复振动理条机示意图Fig.1 The schematic diagram of reciprocating carding machine

另外，扁茶做形机也在不断改进研制中，过去扁形茶机械制法，主要是在往复式理条机的锅槽中加入压棒[24]，使理直后的茶条通过压棒不断滚压最终形成扁平茶条，但此工艺的磨光和透气性较差，易造成茶条光滑程度和色泽亮度都不够，难以达到高品质扁形茶的要求。针对这些不足，国内研制出一种长板式扁形茶炒制机，该机在炒制过程中实现了抖、压、捺、磨等工序，保证了与手工炒制的品质相近。为了提升生产率，杭州千岛湖丰凯实业有限公司[25]将4台长板式炒制机串联组装，各台负责杀青、压扁、磨光等功能，成功研制出可完成扁形茶炒制全过程的连续长板式扁形茶炒制机，后来又以此为基础，研发出连续化扁形茶生产线，填补了扁形茶缺少生产线的空白。

1.3 茶鲜叶前处理机械

1.3.1 摊青、萎凋机械

随着茶叶生产的不断实践，发现鲜叶的适当摊放不仅可以延长保鲜时间，还可以提升成茶品质[26]。此前，茶叶一般摊放于地面或竹匾上，易受天气温湿度影响，缺少可控性。为了改变此现状，国内研制出固定通风贮青槽、贮青车等设备，但这类设备易导致鲜叶积压，时常需要人工翻拌，环境可控性依然不高。为此，郑鹏程等[27]研制了一款新型鲜叶摊青机，装有温湿度传感器、PLC控制器、制冷式风机、超声波加湿器等，具有自动上下叶、占地面积小、环境可控、连线生产等优点。萎凋也易受环境温湿度和光照变化的影响，目前多用室内萎凋槽进行萎凋，但鲜叶量大时，萎凋槽的摊放厚度会受到限制，且对厂房占地面积要求较高。依据摊放和萎凋具有相似的工艺，中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院[28]研制出6CQCL-50型多功能茶鲜叶前处理机，该机主要有机械传动系统、翻叶装置、通风、加热和加湿系统等组成，实现了一机三用，即摊青、萎凋和做青作业。

1.3.2 做青机械

做青是乌龙茶制茶工艺中决定品质风味的关键工序[29]，由晾青和摇青反复交替进行，完成整个做青过程。过去用水筛手工摇青劳动强度大、效率低，摇青品质易受天气、人为因素影响。为实现机械化，国内研制出滚筒式摇青机、旋抛式摇青机和振动式做青机[30]。滚筒式摇青机早在上世纪五六十年代就已出现，由竹笼简单制成，只有单一转速，上下叶还需人工操作，到如今已研制出不锈钢材质，可无级变速，温湿度可控，可自动上下叶，实现萎凋、晾青和摇青多功能的滚筒式摇青机。滚筒式摇青机是目前国内最为常用的摇青机，但其摇青品质难以与手工摇青相比，易出现摇青不匀，叶缘破坏程度过大等问题。为此，福建省农业机械化研究所[31]模仿手工摇青的旋抛动作，研制出SPY-100型旋抛式摇青机，比手工摇青质量更加均匀稳定，每台可代替3名摇青师傅进行作业，大大降低劳动强度，但该机需要人工下叶进行晾青，难以实现连续化。振动摇青是利用高频振动源的上下往复运动代替手工的旋转运动，摇青时青叶在振动筛筐上“轻、快、匀”的摩擦跳动，达到摇青目的。郝志龙等[32]利用此原理研制出振动式摇青机，由振动装置、动力系统和环境控制系统等三部分组成，实现了晾青、摇青和做青环境控制一体化，不仅提升了摇青品质，也解决了做青的连续化和清洁化。

1.4 发酵机械

发酵是红茶加工的关键工艺[33]，传统发酵往往是将茶叶放进发酵筐或发酵篓中，使其置于发酵室内进行发酵作业，其发酵程度难以控制，还需人工定时翻拌，生产效率低，发酵程度不稳定。发酵设备的出现，大大提高了生产率，减轻了劳动强度，但发酵槽、发酵车和自动链板式发酵机等传统发酵设备仍存在发酵品质不匀、供氧不充分、温湿度不易控制、难翻拌等问题。基于此，董春旺等[34]设计了一种工夫红茶可视化富氧发酵机，基于超声雾化隧道加热技术，采用回转搅拌与柔性刮板结构，可以进行可视化触屏操作，实时观察发酵状态，自动控制温湿度变化和进出料系统，很好地解决了传统发酵设备存在的一系列问题。针对同样问题，陈加友[35]设计红茶一体化全自动发酵机组，由输送装置、匀堆装置、红外传感装置、气动装置、蒸汽发生器装置、超声波雾化器等组成，采用多层网带式输送以增加产量，可自动控制温湿度和排氧换气来创造良好的发酵环境，而且拥有自动上下料装置。

1.5 烘干机械

传统的烘干机分为三类，手拉百叶式、半自动手拉百叶式和自动链板式。前两种不能连续化生产，在规模化加工中逐渐被淘汰，自动链板式可用于连续化生产线，是目前使用最广泛的烘干机。特别是6CH型系列链板式烘干机[36]已经使用了30多年，虽然不断被改进，但其结构变化不大，依然存在能源消耗大等问题。为降低能源损耗，一些学者提出回收利用废气热量的思路，烘干机的废气温度一般在90℃左右，如果把这份热量转化为有效热量，可以降低能源损耗。吴泽球等[37]利用管壳式热交换器进行废气余热的回收利用，试验结果表明可以将空气初始温度提高20～25℃。在绿茶加工过程中，揉捻后的茶条易结块，若直接进入传统烘干机，会造成脱水不匀，影响色泽品质，为解决此问题，国内多家茶叶机械公司已研制出动态式茶叶烘干机，其中浙江上洋机械有限公司研制的一种茶叶动态烘干机[38]，可实现茶叶处于动态、悬浮状态下进行烘干，提高了滚筒空间和热能的利用率，保证了茶叶色泽香气的品质。除此之外，远红外辐射技术也可应用到烘干机中，李兵等[39]针对六安瓜片拉老火的工艺特点，设计出远红外烘焙机来代替炭火烘焙工序，进而消除木炭灰尘污染，实现清洁化。

2 茶叶精加工机械

从20世纪50年代到80年代中后期，我国已具备较为完善的大宗红茶、绿茶精制机械，并研制出了众多的茶叶精制连续生产线及立体精制车间[40]。但随着市场经济替代计划经济体制，消费结构变化带动名优茶产业快速发展，名优茶机械研发力度增大，而精制机械研发投入大大减小，导致精制机械发展停滞不前。当前，国内茶叶精制机械也有了部分改进和优化，比如创新了圆筛机和抖筛机的自动刮筛结构，研制出了高效率、国产化的光电色选机，并且使初制机械与精制机械有机衔接，实现初精加工全程连续化作业等。但是大部分精制设备创新程度还不高，大多还是沿用传统机型或在传统机型上局部调整优化，依然存在噪音大、难调控、多粉尘、低工效等问题。

针对传统精制机械在筛分时容易出现毛茶挂网、噪音和粉尘污染等问题，浙江上洋机械有限公司[41]设计了几款平面圆筛机和抖筛机，平面圆筛机的筛网底部设计了一对平行的无杆气缸，其活塞上固定塑料刮刀，当活塞做往复运动时带动刮刀，实现刮去挂网的茶条，并且采用了弹性万向接头和摆杆增加了承受质量，降低了噪音，同时整机密封，减少了粉尘外泄；抖筛机在其两层筛网之间安装弹球，在运作时，弹球会击打上筛网使挂网的茶条重新抖落，并且采用橡胶摇杆式驱动机构，运行平稳，噪音减小，同时也整机密封，粉尘减少。

拣剔设备分为阶梯式拣梗机、静电拣梗机和色选机。前两种选别率低、误拣率高，难以满足精确拣剔需求。合肥美亚光电股份有限公司等单位开发的国产化茶叶光电色选机的推广应用，使拣剔效率和质量大幅提高。为了追求更高的效率和质量，光电色选机也在不断的改进中，其中安徽捷讯光电技术有限公司研发了一种云智能茶叶色选机，采用了全球首创的鹰眼技术、云技术相机、云图像采集处理和光谱分析技术等，可以深度识别普通色选机不能识别的微小杂质，并且可以对茶叶条形大小、长短、粗细、单芽、一芽一叶、一芽两叶、一芽三叶等精细分级；另外，还联用物联网技术和云处理系统，实时在线监测，创造出全新色选大数据时代[42-43]。

3 我国茶机行业存在的问题和发展趋势

近几年我国茶叶机械研究取得了较大的进步，但茶叶机械技术仍然是制约茶产业继续高速发展的一个重要因素，我国在茶叶机械研究发展中依然存在着一些问题。首先，国内还没有平台和技术力量雄厚的茶叶机械技术研究中心，科研投入少将直接影响茶叶机械设计的创新和产品的更新换代，比如烘干机械一直延用过去链板式烘干机，只是部分改进，能耗问题仍未得到有效解决，创新的缺乏限制了机械的提升；其次，茶机研究发展不平衡，相对于茶叶初制机械，精制机械研究匮乏，依然存在噪音大、粉层多等问题，精制车间的恶劣环境给工作人员造成巨大压力；再者，我国在茶机制造和茶叶生产上一直存在争论，到底是“茶理”服务于“机理”，还是“机理”服务于“茶理”？许多做形机械的研制只为塑形，而忽视了内质的重要性，许多生产线为提高效率，而缺少足够的回潮工序，归根结底是对茶叶品质形成机理不清，农机与农艺融合仍然是茶产业必须认真面对的科学命题；最后，大多研发机构只专注于茶叶机械自身的研究，缺少对新兴技术的洞察，光、电、气等领域的高新技术与茶叶机械有效嫁接是茶叶机械未来发展的必要条件。

针对当前我国茶叶生产特点和未来茶产业发展要求，未来茶叶机械研究将遵循以下发展趋势。一是能源与环境是必须重视的两大问题，茶机能源损耗的降低可以有效节省成本，清洁的茶叶加工过程可保障消费者的安全卫生，应积极研发基于清洁化能源的节能装备，在茶叶生产中实现全程清洁化和节能化；二是我国茶叶加工暂时难以达到完全标准化生产，产品品质无法保证一致，这不仅归结于各地工艺标准不一致，也归结于各茶机制造厂缺乏统一的制机行规，未来可利用物联网、云平台等信息技术与茶机有机结合，全程记录茶叶加工过程中的工艺参数与茶叶品质的相互性数据，通过互联网进行数据共享，由数据的确定性达到生产的可控性，使茶叶产品质量更加稳定，进而实现茶叶加工的信息化和标准化；三是我国目前已研制出多条连续化生产线，但离完全自动化还有很大距离，具体表现在加工环节中易出现机械卡叶、粘叶、不流畅和缺乏缓冲等问题，导致茶叶生产成本中劳动力占比依然很大，通过对高强度作业工序进行连续化自动化改造，配套相应智能控制系统实现数字化智能化，创建出真正意义上不用“手帮忙”的完全自动化生产线，来降低茶叶生产成本，提升生产效率。总之，茶叶机械未来发展将着重于能源、品质和效益三方面，终极目标将是追求茶叶生产的“数字化”。