基于农业物料力学特性的乌龙茶造型技术研究进展

张 妍, 周泳锋, 林宏政,3, 徐邢燕, 黄仪鹏, 金心怡,3

(1.福建农林大学园艺学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学茶叶研究所，福建 福州 350002；3.茶学福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)

福建省为我国乌龙茶最大产区，主打闽北乌龙和闽南乌龙两大品牌[1-3]。闽南乌龙茶以颗粒型乌龙茶为代表，其独特的外形与造型过程直接相关，主要通过揉搓挤压扭转综合作用力配合烘焙工序，塑造出卷曲紧实的外形[4]。闽南乌龙茶发展经历了从传统的人工脚踏布包造型到20世纪七八十年代台湾引入的“速包+平板”机械造型，直至目前的新型乌龙茶包揉机，但包揉压缩力与乌龙茶叶片内部力学特性(应力—应变特性、应力松弛特性)、叶片受力变形时微观细胞组织形态变化、叶内化学成分转化等因素的相关性尚需探明。本文拟通过分析力学特性在粮食作物、果蔬产品以及茶叶加工上的应用，获得参考借鉴，以探明乌龙茶造型力学特性及其包揉机理，为乌龙茶包揉技术和改进包揉设备提供依据。

1 力学特性在作物、果蔬物料上的应用研究

农业物料包括动植物与以其为原料加工的成品、半成品等各种农产物料[5-6]。力学特性属于农业物料物理特性研究中重要的组成部分。开展力学特性包括物料的应力应变、应力松弛、蠕变特性、屈服强度、流动特性等研究，对生产加工、运输、存储及相关设备的研制和优化提供了科学依据和技术手段[7]。

1.1 粮食作物

作物茎秆、果实等固体物料在农业物料中占比较大[8]，围绕小麦、水稻、玉米等开展的研究应用非常广泛，包括测定拉伸强度、剪切强度、弹性模量、压缩性能等力学指标，技术手段较为成熟[9]。屠鹏等[10]测定了小麦茎秆力学指标，结果表明，弹性模量变化引起的频率变化可显著改变茎秆各节自由振动和受风载荷的位移量。赵多佳等[11]测定了自然干燥状态下不同含水率的小麦茎秆拉力，认为小麦茎秆的弹性模量以及强度极限都与含水率呈负相关。陈争光等[12]测定了含水率、取样高度以及剪切速度三因素对玉米秸秆皮拉伸和剪切特性的影响，认为随着取样高度的增加玉米秸秆皮抗拉强度反而递减，对拉伸强度影响较显著；含水率、剪切速度对剪切性能影响显著。Kronbergs[13]测定了小麦秸秆的极限拉伸强度[(118.7±8.63) N·mm-2]、剪切力强度[(8.47±0.56) N·mm-2]、弹性模量[(13.1±1.34) GPa]和剪切模量[(0.643±0.043) GPa]，并探讨了小麦秸秆的压实方法。Ince et al[14]测定了向日葵茎秆的弯曲应力、弹性模量、剪切应力等力学指标，结果表明，弯曲应力和弯曲弹性模量随着含水率的提高而降低，剪切应力随着含水率的提高而提高，并且茎的下部区域剪切应力和特定的剪切能量都较高。向波[15]测定了5个抗倒性较强的水稻品种稻秆节间的弹性模量和拉伸强度极限，发现不同品种茎秆同一节间的弹性模量和拉伸极限强度在品种之间存在差异，并且节间位置、遗传特性和发育时期在品种之间的差异显著；节间的弹性模量和拉伸强度与节间茎粗、横截面积、节间茎壁厚呈负相关。综上所述，粮食作物的力学参数受作物本身材料性能的影响，包括含水率、品种以及部位，同时也与力的作用速度和强度紧密相关。

开展物料力学性能的研究对农作物加工设备研制具有指导意义。张洪霞[16]测定了不同含水率的稻米籽粒应力松弛特性，获得松弛模量、松弛时间等力学指标，并发现松弛模量与含水率呈负相关，建立了应力松弛指标与含水率关系的数学模型，为稻米加工装置研发提供了理论依据。郭磊[17]对4种不同秸秆原料进行应力松弛试验，结果表明，应力松弛发生于压缩结束瞬间，外力撤去后残留应力在1 min内迅速衰减，建议物料的保压时间应控制在1 min以上；施力越大，应力松弛的残余应力值越大，不利于保持秸秆压块的稳定性，为压缩腔体力值范围和成型技术提供了依据。樊琦等[18]对玉米苞叶和叶鞘拉伸测定表明，苞叶和叶鞘含量与揉碎机破节率、丝化率、揉碎率呈正相关，为秸秆力学特性测试范围、揉碎机理和揉碎机优化提供理论基础。沈晓阳等[19]测定了棉秆茎干应力应变等参数，发现顺纹压缩的应力应变在弹性阶段呈线性关系，平均强度极限为21.26 MPa，提出设计棉秆的压块、磨碎等机械设备时应确保作用力大于顺纹压缩的平均强度值。雷军乐等[20]对完整稻秆卷压过程中应力松弛的测定表明，当稻秆含水率为65%、干物质质量为17 kg、钢辊转速为257 r·min-1、喂入速度为1.6 kg·s-1时，应力松弛时间和平衡弹性模量的最佳参数值分别达到17.08 s和4.01 kPa。该研究结果为圆型打捆机的卷压工艺参数优化和压缩机理探明提供理论与技术支持。综上所述，粮食作物的力学特性主要通过压块或剪切改变初始物理状态，应用于加工存储装置方面。

1.2 果蔬产品

果蔬产品的力学特性研究多集中在硬度及压缩试验，如对苹果、葡萄、猕猴桃、番茄等测定压力与变形度以及加载速度等对材料的损伤情况[21]。谢军海等[22]对大枣整果进行应力松弛试验表明，横向压缩的松弛应力无论何时都小于纵向压缩，压缩变形量随着平衡应力变大而增大，并且根据建立的模型得出弹性模量之间存在显著相关。马秋成等[23]对莲仁试样进行了弹性模量和抗压强度测试，发现莲仁的挤压极限载荷与含水率存在负相关，若莲仁的含水率一致，侧压施力相较平压施力更易于导致莲仁破碎。员贝贝等[24]测定了马铃薯的压缩力学特性，认为不同加载方向对破裂影响显著，不同加载速率对破裂影响极显著。陈燕等[25]研究表明，荔枝在不同方向下的抗挤压能力具有差异，同等压力条件下水平方向所承受压力和变形均小于垂直方向。Wu et al[26]测定了6个成熟番茄果肉的硬度和应力松弛特性，并建立了Maxwell应力松弛数学模型表示松弛参数与储藏、品质之间的关联性，认为松弛参数对贮藏时间的响应取决于番茄的初始成熟度。方媛等[27]测定了‘红富士’苹果的蠕变特性与营养成分含量，认为蠕变特性与VC含量、可溶性固形物含量、可滴定酸度、硬度和耐咀性存在极显著的相关关系，利用蠕变参数可预测硬度和耐咀嚼性。综上所述，果蔬产品的力学特性研究主要探究外力对果蔬产品耐压缩性和耐冲击性的品质影响，多应用于加工、储藏、运输等方面。

2 力学特性在茶叶加工上的应用研究

茶叶力学特性包括摩擦特性、机械力学特性、流动特性等[28]。在茶叶加工过程中，根据鲜叶嫩度、含水率、叶位和在制叶力学特性差异确定不同的加工工艺，能充分发挥鲜叶的利用价值以及促进茶叶造型。

2.1 初加工技术上的应用

茶叶初加工涉及的力学特性包括摩擦特性(休止角、内摩擦角、滑动摩擦角)和机械力学特性(应力—应变、弹性模量、柔软性、弹性、塑性)。陈嘉真等[29]比较了不同加工状态的在制叶(鲜叶、萎凋叶、揉捻叶、揉切叶)休止角，结果表明，鲜叶和萎凋叶的休止角随叶片大小和萎凋程度而变化，初制各工序中的休止角在45°～58°之间变化，其中杀青叶和精揉叶的休止角最大。张哲等[30]研究表明，绿茶做形过程中在制叶含水率下降显著，茶叶卷曲成形使体积减小，容重增加；揉捻经做形后，变成细圆直的长条，彼此间勾挂现象明显，孔隙率增大，同时休止角减小。整个加工过程中，休止角在50°～60°之间变化。李兵[31]测定了‘六安瓜片’在制叶的物理特性，发现杀青叶、揉捻叶、理条叶的含水率分别为59.4%、58.9%、28.3%，呈下降趋势；杀青叶、揉捻叶容重分别为86.3、209.8 kg·m-3，休止角分别为50.7°、59.6°，两者随着揉捻而增大。滑金杰等[32-33]研究表明，萎凋过程中茶叶的柔软性、塑性随着含水率下降先升高后降低，弹性则先下降后升高，28 ℃下柔软性、塑性最高，弹性最低；光照强度6 000 lx下，柔软性、弹性较好，塑性则相反。冯呈艳[34]研究表明，大叶种茶鲜叶相较于小叶种茶柔软性、塑性较好，易于造型；新梢不同部位随着成熟度增加，最大拉力和弹性模量增大。徐翔等[35]测定了青砖散茶压制过程的力学特性，表明青砖压制紧实后的弹性模量约48 MPa，回弹量与压制时间呈正相关，增量与压制时间呈负相关，初始回弹量与最大压力呈正相关，末期回弹量与最大压力呈负相关；弹性变形和压力呈正相关，保压初期回弹量增大，末期压力大的茶砖回弹量反而较小。

2.2 精、深加工技术上的应用

根据茶叶力学特性(物理性状、外形)合理配置茶叶精加工机械。比如筛分中，圆筛、抖筛和飘筛等不同的筛分方式要参考茶叶物料特点以及空气动力学特性等。茶叶深加工则主要对茶粉的流动性展开研究，根据不同粒径物料的流动性对相关机械设备进行研发。潘祖跃等[36]测定了眉茶的毛茶与白铁皮间壁面的摩擦角，结果表明，摩擦角与茶叶级别呈正相关，取值范围在30.36°～32.05°之间，相关系数为0.92。张永华等[37]测定了不同等级晒青毛茶的休止角、静摩擦角等指标，得到休止角在52.3°～55.2°之间，等级越低，静滑动摩擦角、抗剪强度越大，并且休止角均大于内摩擦角。王林[38]采用固定圆锥法测定红茶粉体休止角，结果表明，当休止角<30°时，粉体流动性好，<40°时可满足生产中的流动性要求，>40°时流动性表现则较差。舒阳等[39]测定了绿茶粉体流动性，发现随着研磨时间延长，粉径减小，粉体的休止角、堆积密度也减小。

2.3 乌龙茶造型技术上的应用

林燕萍[40]测定了乌龙茶包揉叶在不同含水率、叶位、叶温下的力学特性，认为随着含水率降低，应力与弹性模量增加，应变呈“低—高—低”变化，弹性模量在5 068.62～22 841.84 kPa之间，最大应力在1 003.47～2 715.60 kPa之间，断裂应力在824.66～1 724.60 kPa之间，最大应变在14.18%～28.06%之间，断裂应变在3.78%～29.46%之间；随着叶位顺序增加，应力、弹性模量增加，应变降低；随着叶温升高，应力、弹性模量降低，应变增加。说明造型前期应该控制造型力，嫩叶需要更小力；造型中期和后期结合烘焙工序而提高叶温有利于加快变形。刘伟[41]对比了包揉和压揉工艺下在制叶的力学特性，结果表明，茶叶拉伸过程经历了线性阶段、非线性阶段、塑性变形阶段到断裂阶段。初造型时，压揉工艺在制叶弹性模量和应力高于包揉，叶片此刻容易“屈服”，易于造型；复造型时，压揉工艺在制叶应力与应变均高于包揉，可塑性高于包揉；再造型时，两种工艺弹性模量、最大应力增加，但此时应变降低到最低，应该控制造型力度，避免产生过多碎末。张妍等[42]研究了不同力模型下乌龙茶在制叶力学特性，结果表明，搓揉力+压力模型造型是个循序渐进的过程，纯压力模型下高强度压缩力造型使在制叶初期容易屈服，易于造型。两种模型在制叶平均最大应变值分别为31.27%、34.12%,达到显著差异。造型末期，纯压力模型的最大应变大幅下降，塑性更差。

目前对乌龙茶包揉叶力学特性研究主要侧重于在制叶的拉伸性能。乌龙茶造型需要多类型外力综合作用，尤其是对压缩力条件下的包揉在制叶力学特性以及茶叶粘弹性材料性质仍需要进一步研究。

3 讨论与展望

3.1 乌龙茶造型技术发展及存在问题

闽南乌龙茶的造型早期是传统手工包揉，依赖布包束缚，手脚配合施力反复包揉，耗时费力。20世纪40年代，张开福先生创制了我国第一台手推式揉茶机(也称“9·18揉茶机”)，使茶叶造型技术开始朝机械化方向发展[6]；20世纪70年代末研发6CB-23型包揉机，但作业效率仍较低；20世纪80年代中期，福建茶机企业从台湾引进并仿制速包机、平板包揉机、松包机等，使颗粒型乌龙茶包揉从繁重的手工中解脱出来，大大提升乌龙茶造型机械化水平[43-44]，但由于该机组还是单机作业水平，速包过程仍需人工辅助，使包揉过程“速包—平板—解块”需要20多次循环反复，耗时费工。2010年，安溪县茶区出现压揉机，以纯压力模型进行高强度造型，其压揉作用力强度跨越了茶叶弹性变形阶段，直接进入茶叶塑性变化阶段，缩短了乌龙茶包揉时间，但其品质备受争议。近来该压揉机被取缔。

近年随着乌龙茶产业发展的需要，为提高闽南乌龙茶加工机械化、自动化、连续化、智能化水平，加工工艺及设备的研发一直在更新换代。2007年以来，福建农林大学联合福建省多家规模化茶机企业开展乌龙茶包揉技术及配套设备研究。2008—2010年，第一代无布包揉样机基本能够完成各工序动作，但成球效果尚不理想。2010—2017年先后试制出6CWBR-54型乌龙茶全自动无布包揉机，改进型乌龙茶无布包揉机，乌龙茶全自动包揉机，第一、二代多辊乌龙茶成型机和抓斗式无布包揉机。2017年研制的6CX15型乌龙茶自动包揉机正处于生产试验和完善阶段。

3.2 展望

茶叶力学特性是农业物料力学工程的重要分支，也是茶叶造型设备创新的重要依据。新一代乌龙茶造型设备应考虑茶叶造型、弹性变形、塑性变化与茶叶叶细胞损伤破裂及生化成分变化的相关性，这是乌龙茶包揉过程力学特性研究的关键。具体表现在对包揉机理的研究可从以下几点开展:(1)从多类型力切入，探究横向、纵向等多方面力作用于叶子的变形情况；(2)从不同力值出发，探究最适造型力范围；(3)茶叶在力作用下内部微观结构与品质成分之间的变化关系。乌龙茶造型设备也将建立在包揉机理的基础上，对其压力设置、揉盘、棱骨设计进一步改进，以及探求能代替布包包揉的无布包揉造型技术。目前闽南乌龙茶的包揉工艺仍处于半自动机械化水平，因此乌龙茶加工自动化连续化生产仍是今后乌龙茶机械研发的重点，只有使原来断续作业的包揉单机实现了连续化作业，乌龙茶造型工艺的机械化、自动化及连续化生产线开发才能真正适应大生产。