我国茶叶杀青机研究进展分析*

王文明，宋志禹，陈巧敏，肖宏儒，蒋清海，张健飞

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我国是茶叶生产和消费大国，茶园种植面积及茶叶总产量均具世界前列[1-5]，同时茶叶一直受国人喜爱至极，饮茶、品茶几乎遍及每个家庭。茶叶可粗浅的分为绿茶、红茶、白茶、黑茶、黄茶、乌龙茶，其中绿茶的品种及受众较多，是中国较受欢迎的茶叶品种。绿茶的加工简单的分为杀青、揉捻和干燥三个步骤，一杯好的绿茶应具有香气高鲜，滋味浓爽，汤色，叶底绿微黄亮，其关键是在杀青这个步骤，杀青的主要目的是短时间内利用高温破坏鲜叶中的多酚氧化酶的活性，制止多酚类酶促氧化，同时使鲜叶散发部分青气，改变其内含成分的部分性质，以形成绿茶应有的色、香、味，而且还通过蒸发部水分增加叶质的韧性，便于揉捻造型[6]。由此可见，茶叶杀青效果对绿茶最终品质的形成起着至关重要的作用，及时开展茶叶杀青技术与装备方面的研究，对全面提高我国绿茶品质与质量具有重要意义。本文综述了国内外茶叶杀青机的研究发展现状，对比分析了不同杀青技术及设备的优缺点，在此基础上指出了我国茶叶杀青机研究存在的不足，最后提出了我国茶叶杀青机未来的发展建议。

1 茶叶杀青机研究现状

受茶叶种植面积及饮茶习惯的影响，目前国际上杀青机械化作业程度差异较大，总体来看亚洲国家机械化作业程度高于欧美国家，其原因在于欧美国家如美国、英国，其国人大多以饮红茶为主，且其消费产品主要也是袋装速泡茶。亚洲的日本以消费绿茶为主，其杀青技术起步较早，早在17世纪，日本就成功研究出蒸青绿茶加工机械，至20世纪初期，日本的加工机械基本已成熟配套，茶叶加工各环节均有配套机型可用。

我国茶叶杀青技术起源于较早，元代开始民间以广泛应用蒸汽杀青技术，至清代，茶区开始使用斜锅进行绿茶的杀青与炒制。新中国成立后，随着茶叶生产的恢复，我国茶叶杀青机发展进入快车道，一系列机型被设计制造投入到生产中，其中比较有代表性的如60年代研制的滚筒式杀青机，该机至今仍在我国茶区大量应用，进入21世纪后，随着国家科技和信息技术不断发展，以及为满足国内名优茶生产要求，自动化程度高、绿色环保的杀青机成为研究者和生产厂家关注的焦点，像微波、远红外、电磁等绿色加热方式被引入到杀青机设计中。目前，国内茶叶杀青机主要有滚筒杀青机、蒸汽杀青机、微波杀青机、远红外杀青机、热风杀青机和电磁杀青机等[7]，如表1所示。滚筒杀青机应用最为广泛，其具有操作简单、成本低、适用性广等优点，但其温度不易控制、热能利用率较低。其可适用于品质要求不高的中高档茶。蒸汽杀青是利用高温蒸汽传导热量使茶鲜叶迅速升温，从而达到杀青的目的，其优点是穿透性强、加热均匀、不易产生烧焦叶。微波杀青是指利用鲜叶本身的水分通过高频微波的震荡作用，使得茶叶快速升温。但其杀青作业后茶叶香气较弱，适用于茶多酚含量较高或注重保持绿色色泽的茶叶。远红外杀青则利用远红外线频率与物体分子固有频率接近时，会被物体强烈吸收并加速分子的热运动，使物体温度迅速提高进行杀青作业，由于其不需要加热空气，而直接与茶叶作用，因此加热作业效率较高且节能环保。热风杀青是通过热风与茶鲜叶之间的热交换，使鲜叶表面温度迅速提高，钝化酶活，完成杀青，其优点是杀青叶含水量低，利于后续揉捻，适用于耐高温或含水量较高的茶叶。电磁杀青则是利用高频电场产生交变磁场，加速铁质容器内的铁原子做无规则运动，从而产生高温环境实现杀青。其具有升温快、易控制，无污染等优点，但其造价较昂贵，适合大型茶厂。这些杀青技术设备结构如图1所示。

表1 不同杀青技术及设备的比较分析Tab. 1 Comparative analysis of different fixation technologies and equipment

(a) 滚筒杀青(b) 蒸汽杀青

(c) 微波杀青(d) 远红外杀青

(e) 热风杀青(f) 电磁杀青

1.1 杀青机炉体

炉体为杀青机装载物料的部件，其参数设计与材料选用对杀青机的设计至关重要，针对杀青机炉体设计与改造方面，蒋建祥等[8]设计了大宗茶鲜叶杀青新型高效热风炉，其重新设计了燃烧系统，并改变炉体出风口锥度，成功研制出了热风达到300 ℃以上且鲜叶杀青量达到1 000 kg/h的新型热风炉,且比以前的热风炉杀青更匀更透,达到了既增加鲜叶杀青量,又可以不加重茶企负担的目的。黎明天[9]发明了整体式茶叶杀青机，其把炉体设计成炉体上盖及炉体下座两个独立部分,通过法兰连接为整体式结构,其中炉体下座下设燃烧室并连接炉体支架，具有效率高、结构简单紧凑、工作可靠等优点。牛晓飞等[10]对杀青机炉体内部结构进行改造，在炉体内设置了不锈钢隔离层,茶叶进入杀青机旋转筒进行杀青时,不会受到旋转筒内表面的氧化铁的污染,有效提高了茶叶的色、香、味等各方面指标质量,增加了经济效益。

1.2 导叶板

导叶板是杀青机的关键部件，其作用是改变茶叶物料在炉体内的运动方向，使其以合理的速度缓慢在杀青机炉体内运动，导叶板的形状、布置方式对茶叶杀青作业品质影响较大。徐海卫等[11]对滚筒式杀青机导叶板开展研究，分析了对数螺线的螺旋角对滚筒式杀青机生产均匀性的影响规律。其提出了一种分段设计导叶板的方法(图2)，并基于fluent软件对滚筒杀青机内部流场进行仿真分析，仿真结果也进一步验证了分段设计导叶板可有效提高杀青作业效率和品质。蒋云[12]发明了杀青机新型滚筒，其为杀青机设计了螺旋式导叶板，且导叶板入口段与滚筒本体轴断面的夹角大于等于66°，从入口至出口各段与滚筒本体轴断面形成的角度依次增大，这样设计的杀青机作业效果较好，制作工艺简单，易于控制各段导叶板温度。

图2 螺旋线及展开图Fig. 2 Schematic diagram of spiral line and its expansion

1.3 加热装置

在茶叶杀青过程中，温度对茶叶最终品质有较大影响。茶叶杀青温度需根据鲜叶的实际情况来定，一般情况下炉体筒壁需达到180 ℃左右，如果其温度变化较大，易导致茶叶色泽变暗或烧焦，从而影响加工品质。我国目前茶叶杀青机中应用最广的是电阻丝式加热装置，其具有安装拆卸简易、加热块、成本低等优点，同时国内学者也提出了一些新的技术方案，如红外加热装置、电磁加热装置等，吴瑞梅等[13]发明了一种新型茶叶杀青机加热装置，其主要由工作台、水槽、底板、加热丝、导块等组成，作业时先对水槽内的水进行加热，再通过水槽将热量传递至茶叶槽，完成茶叶的加热，该种加热方式较为温和，避免了茶叶内部的水分被过度蒸发。李杰等[14]发明了电热茶叶杀青机，其通过固定在机架上的碳刷与旋转内筒上的导电隔热绝缘材料组实现电能的换向，实现内筒体与电热装置热能的直接传递，具有提高能源利用率和生产效率的积极效果。艾施荣等[15]发明了一种用于滚筒式杀青机的远红外加热装置，其主要由支撑座、红外加热管、温度传感器、电机、皮带等组成，其将红外辐射管置于滚筒中心，通过控制风扇电机的正反转,实现吹叶以及排湿的双重效果，降低了水汽对加热的不利影响，具有热能利用率高、适用性好、绿色环保等优点。郝朝会[16]针对传统滚筒式杀青机作业易出现蕉叶、糊叶等现象，将红外加热技术应用在杀青机设计中，设计了一种滚筒式红外茶叶杀青机。其对滚筒内物料运动进行理论分析及仿真验证，优化设计了杀青机结构参数。詹星星等[17]设计了电磁式茶叶杀青机(图3)，其根据电磁感应原理，利用有限元分析软件ANSYS对滚筒电磁加热过程进行了模拟仿真试验，分析电流频率、电流密度、线圈与滚筒之间的距离等参数对滚筒加热效果的影响，结果表明: 所设计的电磁杀青机满足预期设计要求，相比电热式滚筒杀青机，预热时间明显缩短，杀青能耗大幅下降，温度控制精度显著提高。

图3 电磁杀青机结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of electromagnetic smashing machine1.拖轮 2.进料口 3.控制台 4.滚筒 5.线圈6.排湿装置 7.出料口 8.支撑支架 9.传动电机

农业农村部南京农业机械化研究所对热辐射杀青技术及装备开展相关研究，设计了热辐射杀青机(图4)，该机通过搭建在线监测与自动化控制系统，实现自动调整投料量、输入功率和输送速度。生产效率最高可达400 kg/h，热能利用率超过60%，可根据鲜叶量选用1～3组杀青，节能效果显著。

图4 热辐射杀青机Fig. 4 Heat radiation type tea smashing machine

1.4 控制系统

在杀青机作业过程中，需要控制炉体转速、杀青温度、茶叶喂入量、杀青时间等，这些参数对茶叶杀青的质量有重要影响，合理的控制作业参数会大大提高杀青作业效率和质量。目前国内杀青机自动化水平并不高，很多作业参数调节仍需人工经验去调节，针对上述问题，郝朝会[16]设计了一种杀青机自适应模糊PID控制系统，该系统以AT89S51为核心控制器，配备了高精度红外温度传感器，采用模糊PID算法，实时更新PWM控制输出参数，控制可控硅的通断时间，实现对温度的高精度控制，此控制系统控温准确、及时，能较好的保持恒温，保证杀青机作业效果良好。潘玉成等[18]针对滚筒式杀青机温控系统具有时变不确定非线性的特点，利用模糊控制的良好收敛性和对模糊量的运算优势，以及神经网络自学习、自适应的特性，将常规PID控制与模糊控制、神经网络结合起来，提出一种基于模糊RBF神经网络的PID控制策略，实现了对PID参数的实时在线整定。基于MATLAB软件对系统进行仿真，结果表明模糊RBF神经网络PID控制，系统具有更好的动静态特性和抗干扰性能，温度控制误差在±2 ℃范围内，能很好地满足茶叶杀青工艺对温度的控制要求，保证了茶叶的杀青质量。虞文俊等[19]以Arduino为下位机，LABVIEW为上位机开发了茶叶红外杀青机控制系统，样机杀青实验验证结果表明，系统运行稳定，杀青均匀，具有良好的杀青效果。

1.5 杀青作业过程仿真分析研究

随着国内计算机技术的不断发展，很多学者采用计算机模拟法分析杀青机作业过程以及其内部颗粒场、温度场分布情况，其中有限元法及离散元法应用较多。虞文俊等[20]基于Fluent-EDEM耦合技术对茶叶红外杀青机内部流场进行模拟，通过求解计算得到杀青机滚筒内流场温度分布和杀青叶升温曲线(图5)，并与同型号的电加热滚筒内流场模拟结果进行比较。模拟结果表明，电加热结构的温度流场在滚筒内均匀分布，热能利用率低；而红外杀青机滚筒内流场温度分布主要集中在滚筒右部及底部，能将大部分热能直接辐射到杀青叶上，热能利用率高，该杀青装置能使杀青叶在短时间内快速升温，从而快速钝化酶的活性，提高茶叶品质。何磊等[21]以滚筒杀青机为研究对象，基于离散元分析技术的PFC3D法，对杀青过程的各相关参数进行数值模拟，如滚筒转速、导叶板数量、布局、倾角及结构，滚筒倾角与壁温等对杀青效果的影响。结果表明：滚筒杀青时，存在最佳转速，滚筒前段布置较多的导叶板，有利于杀青叶温度的迅速提高，适当增加导叶板倾角和采用“L”型导叶板，将提高茶叶在筒壁上的散度，有利于杀青叶温度的均匀。

(a) 电加热

(b) 红外加热

2 存在问题

茶叶杀青机作为茶叶初制加工工序中重要的加工机械，近几年虽然发展迅速，取得了较大进步，一系列机型已被投入到生产实践中，但仍存在较多不足，其具体如下。

1) 缺乏相关政策支持、标准化建设滞后。我国目前的农机补贴政策主要针对主要农作物的田间生产作业环节，茶园作业环节尚有少许资金支持，而茶叶加工目前没有支持政策和资金，这大大制约了我国茶叶加工机械的发展和应用，同时茶叶杀青机行业标准制定起步比较晚，还不成熟有待完善。我国茶机制造企业规模普遍较小，研发力量薄弱，能投入的技术研发与创新资金有限，产品质量与可靠性方面都有待提高，同时由于生产缺乏标准化和系列化，机械模块与零件之间不能通用和互换，这都增加了生产和使用成本，给后期维修和改进也带来了许多麻烦。

2) 机器振动、噪音较大，热能利用率低。由于设计、加工工艺粗糙等原因，现有的茶叶杀青机作业时机器噪音及振动均较大。传统的加热方式其传热较慢、人能利用率低，同时温度难以控制，炉体内温度波动较大，使茶叶受热不均匀，大大降低了茶叶品质。

3) 自动化程度较低，上下料仍需人工完成。目前我国茶叶杀青机自动化、智能化程度普遍较低，很多作业仍然依靠人工完成，如茶叶上下料、滚筒转速调节、炉内温度调节等。还无法实现根据茶叶喂入量自主实时调节与匹配滚筒转速与炉内温度。

3 发展趋势

茶叶杀青机在茶叶初制工序中发挥了重要作用，特别是对我国茶量较大的绿茶来说，是不可或缺的加工设备。针对我国茶叶杀青机发展现状与特点，提出茶叶杀青机未来的发展趋势如下。

1) 以政府为主导，完善相关补贴政策，加强行业标准建设，促进行业协调化发展。目前我国茶叶杀青作业难以完全标准化生产，产品品质质量不一致。其原因主要为各地作业工艺标准不一致，同时各茶机制造企业缺乏统一标准，因此未来应注重杀青机标准方面建设，可借鉴现代互联网相关技术与茶机有效结合，详细的记录茶叶杀青过程中关键工艺参数与茶叶品质变化相关数据，为茶机制造提供参考，促进茶叶杀青作业信息化及标准化形成。

2) 完善茶叶杀青机相关技术研发，加强模块化、绿色化、智能化设计。以节能、绿色为目标，引进借鉴工业上新型高导热节能材料设计和改造杀青机炉体，同时推进远红外杀青、电磁杀青等新型加热技术的研发，以进一步降低能耗，实现绿色化茶叶加工生产，全面提升制茶品质。加强理论研究，掌握茶叶基本参数与热力学特性，通过试验得到喂入量、滚筒转速及温度之间的响应关系，以优化杀青机作业参数。加强自动化、智能化设计，设计全自动上下料设备，采用自适应控制等工业上成熟技术，实现茶叶杀青作业实时调温、调速，形成智能、连续的茶叶杀青作业机组，以全面提升杀青作业质量和效益。

4 结语

近年来，随着我国工业技术不断发展，茶叶加工综合机械化水平不断提高，茶叶杀青技术与设备发展迅速，一系列机型被研发制造投入生产实践中，提高了我国茶叶杀青作业的效率和质量，但仍存在机器振动、噪音较大，热能利用率不高，自动化程度较低等不足，为进一步促进我国茶叶杀青技术与设备高速、可持续发展，未来应以政府为主导，加强行业标准建设，同时还应完善杀青机相关技术研究，朝模块化、绿色化、智能化方向发展。