我国茶叶机械研究进展与展望

张铭铭，唐小林*，范起业，李文萃，王家鹏

（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）

早在唐代，陆羽就在《茶经》中系统地介绍过19种饼茶采制工具，建立了茶叶机械的雏形。自中华人民共和国成立以来，我国茶叶机械发展已有70余年的历史。随着国家对茶叶机械行业重视度的提升，我国茶叶加工现已基本实现机械化和自动化，茶园作业机械也在快速发展。为总结我国在茶叶机械领域取得的成就，促进茶机行业持续健康发展，文章从茶叶机械发展、茶机能源使用及茶机技术应用等方面介绍我国茶叶机械的发展状况，就发展过程中暴露的问题进行剖析并提出相应对策，最后对茶叶机械未来的发展进行展望。

1 我国茶叶机械概况

中国是世界最大的产茶国，拥有20多个产茶省、1000多个产茶县。在茶叶加工连续化的产业背景和提质增效的产业需求下，茶叶机械化生产成为我国茶产业发展的必经之路。目前，我国茶叶加工机械企业有400多家，主要集中在浙江、安徽、四川和福建等省份[1]。

按照生产环节，可将茶叶机械分为茶园作业机械和茶叶加工机械两类。茶叶加工机械的发展始于20世纪50年代，主要以绿茶加工机械为主，尤以名优茶机械为主。到21世纪，大宗茶类和大部分名优茶类的加工已基本实现机械化。就六大茶类而言，绿茶[2-6]、红茶[7]的关键加工机械已较为成熟，乌龙茶[8]、黑茶[9-10]的关键加工机械相对成熟，白茶、黄茶的关键加工机械也在发展完善中[11]。相比之下，茶园作业机械发展起步较晚，20世纪70年代开始研制出茶园耕作机等基本作业机械，后续逐步研制了修剪机、采茶机等其他作业机械，由于大部分茶园机械化生产管理粗放，茶园管理机械研发和创新力度不足，目前还处于初步发展阶段。

2 茶叶机械发展状况

2.1 茶园作业机械

茶园作业机械分为垦殖机械、耕作机械、植保机械、修剪和采茶机械等类型[12]。从20世纪50年代至今，茶园作业机械经历了萌芽阶段、探索阶段和现今的初步发展阶段。期间，茶机研发人员逐步研制了符合实际需求的茶园耕作机、茶树修剪机等作业机械，尤其以农业农村部南京农业机械化研究所为代表开发了“一机多用”的多功能茶园管理装备，使茶园作业机械有了新的发展。目前，已有部分地区达到了茶园作业机械化生产水平，如山东日照市、浙江武义县等[13]。但总体而言，在机械研发方面，作业机械的机型质量和性能方面尚需进一步改进，总体水平与日本相比存在较大差距；在推广使用方面，使用率及普及度都不高，90%以上的采茶机和修剪机仍为日本机型，一些山区的茶园管理依旧以人力为主[14]。

2.2 茶叶加工机械

我国茶叶加工机械发展大致分为如下三个阶段。萌芽期（20世纪50年代之前）：此时的茶叶加工停留于手工作业阶段，但唐宋时期创造的众多制茶工具为茶叶机械后续发展奠定了基础；快速发展期（20世纪50年代～20世纪末）：由手工作业转为半手工半机械作业，期间研发了众多茶叶加工的基本单机设备，使得绿茶、红茶特别是名优茶加工实现机械化；加速发展期（21世纪～至今）：由小型单机设备加工模式过渡到高产能、低能耗、清洁化、连续化的生产线模式，逐步实现“机械换人”。

茶叶加工单机设备分为初制机械和精制机械两类。我国茶叶初制机械（杀青机、揉捻机、干燥机等）发展速度较快，大多数茶叶机械已能实现参数化作业，甚至具备控温控湿功能，但在茶叶加工品质、自动化程度、节能等方面还有待提高。相比而言，我国精制机械（筛分机、风选机等）发展较慢，但随着加工精细化程度的提高，该类机械也在不断改进和优化[13]。

茶叶单机设备的发展为茶叶加工连续化的实现创造了有利条件，也为生产线的研建奠定了坚实基础。目前，研发的绿茶、红茶、乌龙茶等初加工生产线已达3000多条[15]。2016年，精制筛分生产线也被应用于绿茶、红茶、黑茶的精制加工[16]。此外，生产线的使用范围及加工对象方面的研究也更加精细化，如2020年针对中高档扁形绿茶研建了标准化生产线，有效地解决了以往扁形茶生产线存在的茶条不紧直、质量不稳定等品质问题[17]。

有些茶叶单机本身还不具备连续化作业功能（如包揉机）或作业性能不够成熟（如黄茶闷黄机），一定程度阻碍了生产线的自动化发展。此外，虽然目前已有低含水量的在线检测设备，但由于成本过高还未能应用于生产，茶叶在制品的品质仍需要依赖人工经验的判定。因此，目前茶叶加工生产线的应用基本能实现自动化，但尚未实现真正的智能化。

3 茶机能源使用

茶叶机械的正常使用离不开能源的供给。茶叶机械能源分为传统化石能源和清洁能源两类，其中清洁能源包括电、液化石油气、天然气、微波、远红外、生物质燃料等。在热能燃料清洁化、节能化的发展趋势下，用锯末、森林枝条、稻草、麦秆等加工而成的生物质颗粒燃料被业界重视，又因其生产成本较低开始被越来越多地应用于茶叶加工中。总体而言，电力燃气等热源使用更加安全、简便，无需其他辅助设备，是实现茶叶机械化加工、流水线作业的主流能源[18]。虽然薪柴加热和炭火烘焙的能源使用比较低效，也不够环保，但却能满足人们对茶叶独特色香味的追求，因此目前仍有应用。

近年来，基于节能减排、降低能耗的发展理念，茶叶机械的能源回收利用方面取得巨大进展。如6 CH型系列链板式烘干机，利用管壳式热交换器进行废气余热回收，可将空气初始温度提高20～25℃，创造性地解决了能源消耗大的问题[13]；过热蒸汽混合杀青机，利用杀青机出叶口处的回收装置将常压饱和水蒸汽回收，并再次辅助加热形成过热饱和水蒸汽和高温热风，导回到杀青机进叶口处循环利用热能，能节约能源20%左右，还可保证茶叶品质效果[19]。

4 茶机技术创新

茶叶机械的使用不仅能直接提高生产效率，还能间接稳定甚至提升茶叶品质。技术创新往往能带来茶叶机械功能和效率的双向提升，其研发思路主要有两方面：一方面是基于机械原理，创新性地改进茶机的基本结构，使其性能大大提升。如在红茶加工方面，对发酵结构、翻动装置和加热部件等关键部件进行设计，研发了一体化全自动发酵机、可视化富氧发酵机，解决了发酵温湿度不稳定、翻拌难、缺氧、发酵不均匀等问题[20-21]。另一方面则是将计算机技术、现代仪器分析检测技术、芯片技术等高新技术应用于茶机制造，使其操作可控、可视，逐步实现茶叶机械的自动化、智能化。实践证明，技术的创新与应用能完善茶机功能，提升茶叶品质，推动茶产业迅速发展[22-23]。

4.1 计算机技术

计算机技术使茶叶机械的连续化、自动化、智能化发展成为可能。目前，计算机的图像技术、控制技术、数字化技术等已被成功应用于茶机制造，并取得较佳效果[24]。利用图像采集、数据处理技术可对茶叶的实际形态、颜色以及重量等要素进行量化分析和等级划分[25]；利用自动控制系统，可使新型热辐射茶叶杀青机实现杀青叶表面温度、箱体内部环境湿度等各项参数的多路实时在线检测，降低对人工经验的依赖[26]；利用可编程逻辑控制技术（PLC）技术，再通过电源照射，光纤探聚集发酵信息，发酵仪转换成数字信号，微处理器处理、计算和分析，能使渥堆装置完成对待测黑茶样品渥堆程度的预测[27]；利用自动化控制和人机交互技术可使TC-6CR-50数控揉捻机智能调控压力、转速和时间，实现制茶工艺参数化[28]；利用温度传感器实时监控技术，可使茶叶连续理条机组按需调控锅槽温度，保证锅槽内的茶叶受热均匀、品质一致[29]。

4.2 现代仪器分析检测技术

茶叶机械自动化的实现有赖于计算机技术，而茶叶加工过程的状态、参数监测则需要借助现代仪器的分析检测技术。通过检测仪器的多源传感信息融合，可实现对茶叶色、香、味、形等品质因子的综合数字化评判，实现茶叶产业真正意义的自动化和智能化发展[30]。

目前，该项技术已被成功应用于茶机研发，使茶叶加工过程实现在线检测、判别，茶叶品质更加可控。比如，利用近红外光谱技术结合计算机视觉系统建立的红茶“发酵”程度综合评价方法，可在1分钟内完成判别，有利于红茶加工关键技术点的控制[31]；利用电子鼻技术对杀青过程中的香气连续抽样监测，再基于费舍尔判别法可构建茶叶杀青状态判别模型，实现绿茶品质的在线监测与控制[32]；利用远红外、高光谱成像技术再结合非线性建模方法可为绿茶的智能化生产提供理论依据和数据支撑[33]。仪器检测分析技术同其他技术的联用，也被应用于茶叶深加工机械领域。比如，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，该色选机利用光谱分析技术联用鹰眼技术、云技术相机、云图像采集处理技术等多项技术，可深度识别普通色选机不能识别的微小杂质，并且能对茶叶的条形大小、长短、粗细及嫩度等精细分级。这种智能色选机不仅应用于茶叶领域，还可用于粮食、种子、矿物等的精选，提高批量物料的整体质量和外观。

4.3 其他技术

除计算机技术、现代仪器检测技术外，物联网技术、AI技术、芯片技术等多项技术也被融合应用于茶园管理、茶叶加工、物流仓储等各个环节，使茶机研发及茶行业的发展迈上新台阶。

在茶园管理作业环节，传感器、无线网络等物联网技术[34]的应用，可实现对茶园的实时监测，使茶园作业过程更加智能、高效。如前端传感器（叶面温度传感器、茎秆生长传感器、土壤水分传感器等）可自动将茶园土壤及气候条件等数据传输至数据采集系统，PC端通过手机APP可随时随地进行监管、精准灌溉与施肥，实现茶园智慧管理[35-37]。利用无人机大面积遥感图像与地面不间断视频监测技术，可对机采茶树的生长信息进行大数据采集，再借助分析、建模便可预测每轮次的适采时期、产量及机采品质，从而提高茶叶机械化采摘的质量和效率[38]。在茶叶加工生产环节，应用AI技术建立自动除杂生产线，通过最先进的认知视觉检测可识别茶叶中的各类杂质，同时自动化地完成上料、输送、拍照、分析、挑拣、复检、收集等各个程序，实现茶叶精制加工生产线的自动化与智能化[30]。在物流仓储环节，利用射频识别（RFID）技术可实现阅读器与产品标签之间的数据通信，追溯茶叶生产信息以优化供应链管理。由此，在茶叶的种植栽培、生产加工、保管运输等方面，各项技术共同促进了茶产业信息化、智能化发展[39]。

5 我国茶叶机械发展中的问题、对策与展望

我国茶叶机械化发展虽然取得了长足进步，但与食品工业的机械化程度相比仍存在较大差距[4]，应及时采取相应对策来加快茶产业的升级转型。

5.1 存在问题

虽然人们机械化管理茶园、机械化加工茶叶的意识不断增强，部分茶区也处于相对较高的机械化水平，但就整体研究力度和发展状况而言，仍存在以下问题[40]：（1）我国茶机装备总体水平偏低，自动化生产线尚未完全实现智能化。（2）茶机的研究发展不平衡，大部分精制机械创新程度不高。（3）茶机整体技术含量不高，能源使用效率低。（4）大多茶机缺乏高新技术的应用，且与农艺融合度不高。（5）设备新旧混用，存在安全隐患，缺乏相应的规范和标准。

5.2 原因及对策

从文献研究[41]及茶机行业发展现状分析原因，主要是：（1）茶机行业本身处于落后地位，国家对行业扶持力度仍有待加强。（2）茶机市场竞争无序，茶机标准化建设滞后。（3）茶园分布零散，作业机械标准化生产程度不高。（4）茶机制造企业规模小，新产品开发能力薄弱。（5）缺乏茶机专业从业人员，无法充分发挥机械设备的功能。

针对上述原因应尽快健全农机补贴制度，加大政策扶持力度[42]；加快茶机标准建设，加大企业技术服务力度；建设标准茶园基地，奠定机械化生产基础；加大科研投入力度，组建更多创新科研团队；加强技术培训交流，提高茶机技术服务。

5.3 展望

目前，我国茶叶加工基本实现机械化，单机设备趋向于高效节能、连续化发展，生产线向着连续化、自动化、清洁化和智能化方向发展，茶园作业机械的发展也在不断推进。现代科技与信息技术等高新技术逐步被应用于茶叶加工的各个环节[43-44]，并取得巨大进步。随着国家对茶叶产业的重视，茶机补贴等各项优惠政策的出台以及茶机科研人员队伍的壮大，未来的茶叶机械将实现真正意义的智能化发展，“机器换人”[45-46]的时代指日可待！