乌龙茶智能化做青技术研究进展

魏子淳, 林冬纯, 于学领, 项应萍, 林宏政,3, 郝志龙,3

(1.福建农林大学园艺学院，福建 福州 350002；2.福建省种植业技术推广总站，福建 福州 350003； 3.茶学福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)

我国是世界最大的产茶国，茶叶产量稳居世界第一[1]。乌龙茶是我国特有茶类，素以滋味醇厚、花果香浓郁、品类繁多而闻名，主产于福建、广东和台湾等地，其中福建乌龙茶产量占全国总产量的75%左右[2]。乌龙茶初制工艺为：鲜叶、萎凋、做青、杀青、揉捻(包揉)、干燥[3-4]，其中做青包括摇青和晾青两个重复交替的过程，是形成乌龙茶独特品质的关键工序[5]。目前，乌龙茶初制已实现各加工工序机械化，并逐渐向连续化、自动化、智能化方向发展，但优质乌龙茶生产仍沿袭传统加工工艺，智能化水平落后，现代化设施更新较慢，现代科技对乌龙茶产业的贡献率不高[6]。乌龙茶做青工艺受制于环境条件，且过于依赖加工者的经验，如何提升做青品质，减少人工成本，提高做青智能化程度是当前亟需解决的问题。因此，本文阐述了做青工艺对乌龙茶品质的影响以及乌龙茶智能化做青技术研究进展，提出乌龙茶做青智能化的发展方向，以期为新型智能化做青设备的研发提供参考。

1 做青对乌龙茶品质的影响

做青包括摇青和晾青两个过程，是乌龙茶品质形成的关键工序。摇青破坏了乌龙茶叶缘细胞组织，晾青则促进茶叶内含物发生化学变化，以形成乌龙茶独有的色、香、味品质。做青技术与环境因子是影响乌龙茶品质的主要因素[7-8]。

1.1 做青技术

做青技术包含不同时间与程度的晒青、摇青、摊青、凉青、发酵等操作，综合影响茶叶的水分含量、滋味和香气品质等[9]。

1.1.1 对青叶水分变化的影响 青叶水分变化与成茶品质关系密切[10]。摇青的机械力刺激使青叶梗脉中的水分向叶片转移，表现为“还阳”状态；晾青使叶片中的水分再通过气孔逐步散发，为“退青”状态[11-12]。潘玉华[13]研究表明，做青过程中鲜叶水分含量呈波动性下降趋势，认为“还阳”现象由叶梗水分向叶片转移及叶片破损后呼吸作用产生大分子水解、末端氧化形成水分共同造成。黄皓等[14]研究表明，做青过程中鲜叶水分含量平均下降16.79%。郭雅玲等[15]提出水势可作为判断做青水分的新参数，认为做青时水分由梗流向叶片，做青工艺引起的茶梢水分传输、扩散效应明显。

1.1.2 对滋味的影响 做青过程中，青叶的水浸出物、茶多酚、咖啡碱、可溶性糖等含量的变化综合影响乌龙茶滋味[16-17]。黄福平[18]研究表明，随着做青的进行，乌龙茶多酚类、水浸出物、可溶性糖含量呈下降趋势，并随着摇青强度的提高而加速下降；咖啡碱含量则呈上升趋势；摇青能促进氨基酸转化，且摇青强度越大，青叶内氨基酸总量越少。黄毅彪等[19]研究认为，振动做青有利于提高乌龙茶氨基酸总量和咖啡碱含量。刘彬彬[20]研究发现，随着做青的进行，新品系‘606’和‘黄旦’的氨基酸总量与咖啡碱含量变化趋势相反。因此，做青方法及鲜叶原料会影响乌龙茶生化成分含量的变化趋势。

1.1.3 对香气的影响 香气是乌龙茶感官评价的重要因子。Takeo et al[21]、梁晓岚等[22]研究表明，做青可加速形成半发酵茶的典型香气，摇青使萎凋叶中的高分子不挥发性成分通过水解、氧化分解，形成乌龙茶特有的挥发性物质。摇青可明显提升乌龙茶中乙酸-顺3-乙烯酯、苯甲酸-3-乙烯酯、顺茉莉酮、苯已腈、α-法呢烯、橙花叔醇、茉莉内酯、异丁子香酚、苯乙酸和吲哚等香气成分[12]。研究发现，做青可提高与萜类物质合成有关的基因GGDPS、CsID、CsMVK、CsTPS的表达量，甚至可达最大值[23-26]。王尔茂等[27]研究表明，机械做青鲜叶的酶促氧化速度与程度高于手工做青，内含物质过分水解、氧化，特征香气组成比例失调，香气表现低于手工做青。

1.2 做青环境

乌龙茶做青环境影响因子主要有空气温湿度与气流因子，环境因子参数过高或过低会导致青叶生化反应过快或过慢，从而影响成茶品质[28]。乌龙茶做青最适宜的气候条件是“北风天”，其温度为18～23 ℃，湿度为60%～70%，且伴有微风。施兆鹏[29]、金心怡[30]研究表明，乌龙茶最适做青温度为22～25 ℃，相对湿度为60%～80%。孙云等[31]提出，乌龙茶低温做青温度以22～23 ℃为宜，温度过低不利于内含物转化，且耗时长，内含物消耗过多，使成品茶滋味鲜醇但淡薄且不耐冲泡，香气清细且带青气，品质下降。游小妹等[32]比较了人工控制温湿度的空调做青与自然环境做青方式发现，两者咖啡碱与氨基酸总量差别不明显，但自然环境做青的茶多酚总量和酚氨含量较高。

2 乌龙茶智能化做青技术

2.1 智能化做青原理

乌龙茶做青设备属于农业机械。仲继林[33]提出农业机械智能化技术可分为3个部分，一是数据信息采集系统，负责数据信息采集；二是决策系统，负责对采集的数据信息进行处理分析；三是执行系统，负责执行机械操作。智能化做青是将做青传统工艺与智能化技术相结合，最终实现“机器代替人”。而做青工艺的核心是“看青做青，看天做青”，要达到此要求，需依靠信息采集系统来“看青、看天”，由决策系统对采集的数据结合工艺要求进行分析，为执行系统实现“做青”提供决策支持，最终摆脱传统做青工艺对制茶师傅的依赖。

2.2 智能化做青技术

前人在做青技术与设备创新、智能化控制等方面做了大量工作。乌龙茶生产由最初的纯手工操作，不断改革创新，使做青技术和设备不断优化升级，基本实现自动化生产，并向智能化迈进。

2.2.1 做青设备 优良的做青设备是获得高品质乌龙茶的关键。目前常用的滚筒做青机研制于二十世纪七十年代，是以手工做青的水筛摇青、层架晾青原理为基础研发的60型单列三桶做青机，该设备实现了摇晾一体做青[34-35]。八十年代初，前人研制了具有正反转及变速功能的双筒式乌龙茶做青机，内设风管可完成冷热风输送，减少气候环境对做青的影响[34]。由于乌龙茶传统做青机存在晾青摊叶厚度大、透气性差等问题，金心怡等[36]研发了新型滚筒做青机，具有局部加热功能和良好的通风性，采用电子开关实现做青过程自动控制，有效改善乌龙茶萎凋，提升做青效果。苏益平等[37]提出做青智能控制技术并进入实用阶段，为乌龙茶智能化做青提供了理论与实践依据。郝志龙等[38]、金心怡等[39]研制了集振动、晾青、做青环境控制为一体的新型乌龙茶振动做青设备。该设备气流稳定且温湿度分布均匀，缩短了做青时间，提高了生产效率，能耗节约50%，毛茶品质相较传统做青显著提升。徐金伟[40]研制的乌龙茶水筛摇青机，模拟手工水筛摇青运动方式，使叶缘组织均匀摩擦损伤，解决了手工水筛摇青劳动强度大、工效低、不能大规模化生产等问题。

2.2.2 做青智能化控制现状 乌龙茶做青设备自动化、智能化一直是茶叶加工机械的研究热点。为解决传统乌龙茶做青设备主要依赖人工决策，做青质量不稳定等问题，前人在乌龙茶做青设备智能控制方面开展大量研究。刘文英[41]研制的微机程控做青设备，采用微机控制链板式连续化做青机，实现做青全程自动化，并结合红外线热源实现带雨水鲜叶的萎凋做青。为提高程控设备的做青质量，前人研制了乌龙茶不落地、连续化振动式做青设备，代替传统手工精细做青[42]。应用电脑软件进行智能化做青，实现了做青设备吹、摇、停自动控制，实时监控并记录做青数据，显著提升做青设备单机作业自动化水平[43]。由于传统做青设备存在单机生产用工量大、质量不稳定等问题，陈孝照[44]提出基于PLC(可编程控制器)的乌龙茶连续做青自动控制系统，包括PLC程序编写、人机界面构建及变频器设置等，该系统满足乌龙茶加工连续自动化要求，且操作简单、劳动强度低。马成英等[45]设计完成全自动旋转门摇青机和乌龙茶全自动连续化做青装备，可完成无人值守的全自动、连续化做青，与乌龙茶初制单机设备互联，实现乌龙茶初制全过程的自动化、连续化。刘江平等[46]采用模糊控制方法，以专家数据库的温湿度为判断标准，采集做青现场的温湿度进行数据分析、判断和模糊决策的智能做青控制系统，自动调控摇青、晾青时间，加工的产品品质与人工做青品质相当。为提高做青设备智能控制精准度，林宏政等[47]公布了一种新型智能化做青装置，通过温湿度、RGB参数采集、电子秤重量参数采集等模块，以专家库为依据，结合模糊决策实现智能化做青。

2.3 乌龙茶智能化做青技术发展方向

乌龙茶做青工序因工艺参数难以量化，数据复杂、多样，且缺乏长期的数据积累，导致智能化做青设备研发进度缓慢。近年来，人工智能技术、云计算技术、物联网技术等信息技术在农业中迅速发展，改变了传统农业生产模式，也是乌龙茶做青技术的发展方向。

2.3.1 人工智能技术应用 人工智能是研发用于模拟、延伸和拓展人的智能理论、方法、技术和应用系统的一门新技术科学[48]。人工智能技术研究主要包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等，已应用于诸多农业领域[49]。Jiao et al[50]开发了基于卷积神经网络的CAD系统，用卷积神经网络提取高级别与中级别特征，将卷积神经网络从原始图像中自动提取的强度信息和深层特征结合，对乳腺癌肿块进行智能判断分类，效果良好。Li et al[51]基于ASP.NET平台开发甜橙施肥专家系统，以目标甜橙种植地理位置以及对应气候条件为依据拟定施肥计划，该系统可节省肥料使用量，并获得较高产量。吴薇等[3]用RGB和HIS颜色模型观察图像颜色变化，结合自组织竞争人工神经网络技术构建武夷岩茶做青程度预测模型，预测效果良好。乌龙茶做青工艺调控主要依据叶形、叶温及有机挥发物等参数变化，此类参数符合图像识别、自然语言识别与处理等人工智能技术应用要求。将人工智能应用于乌龙茶做青技术，可以根据做青叶外形特征、叶温、叶层气味等工艺参数变化综合判断决策，实时调整做青工艺，解决乌龙茶程控做青决策方式落后和智能化程度低等问题。

2.3.2 云计算技术应用 云计算是一种分布式计算，利用网络“云”将庞大的数据分析程序分解成无数个小程序，借助多部服务器组成的系统和各小程序分析获得结果并反馈给使用者[52]。云计算技术通过输入简单指令获得相应信息，摆脱了移动储存设备的局限，目前已应用于诸多农业领域[53]。崔立晗等[54]基于阿里云数据库云计算技术，设计一款农业信息管理系统，利用该系统储存农业空间、属性等数据，实现客户之间数据共享，使用效果良好。刘文慧等[55]开发基于云计算技术的温室视频监控系统，利用移动终端进行数据传输，解决了传统网络视频监控大型数据无法传输、海量视频文件无法储存与计算等问题。乌龙茶做青工艺存在生产实时数据量大、复杂多样等特点，符合云计算技术应用要求。云计算技术应用于乌龙茶做青技术可实现远程做青云平台管理，解决做青设备各单机模块数据无法反馈、沉淀、共享，做青工序信息化、数据化程度低等问题，为做青大数据挖掘奠定基础。

2.3.3 物联网技术应用 物联网是利用传感器、射频识别和二维码等作为感知元件，通过基础网络实现物与物、人与物的互联(物也可以指虚拟的物)[56]，作为提高农业设备精准化、智能化的关键技术被广泛应用于各农业领域[57]。高波等[58]利用Zig Bee无线传感网络，建立盆栽互联网监控系统，可同时允许多个感知终端接入Internet，解决了多段终端通信压力大的问题，移动端使用效果良好。姜喆等[59]通过物联网技术改进环境监测系统，实现智能化环境远程监测、大数据远程收集，使环境管理措施更合理。王坤[60]基于物联网技术设计水果智能采摘质量识别检测仪，利用电子鼻、CCD摄像机采集水果气味、外形特征等数据，结合计算机构建物联网平台，实现水果智能分类、识别、采摘。传统乌龙茶做青依靠人体感官判断调整工艺，符合物联网技术个体识别、情景感知、决策支持等应用特点[57]。将物联网技术应用于乌龙茶做青技术可以对鲜叶状态及破损情况、叶层挥发性有机物进行实时无损检测、反馈，可解决乌龙茶做青工艺参数代表性弱、数据反馈灵敏性差、部分参数难以量化等问题，帮助做青设备实现智能“看青做青”。

3 小结与展望

为满足乌龙茶产业发展需求，乌龙茶加工技术及设备不断更新换代[61]。做青技术是乌龙茶香气、滋味等品质形成的关键。目前，做青技术装备尚存在设备结构创新不足，现有设备难以满足智能化做青技术要求，无法兼顾产量与质量等问题。传统综合做青机产量高，但存在做青均匀性差、叶层透气性差、做青质量差等问题。振动做青设备与水筛摇青机做青能够保证产品质量，但产量较低。乌龙茶做青设备单机生产力与产品稳定性不断提高，但仍然依靠人工决策，尚不能以鲜叶原料的品种、产地、老嫩程度等参数智能选择做青方案，做青各工艺参数尚无法做到实时监测、反馈，云计算、物联网等现代化智能技术应用程度低。为解决上述问题，应结合机械结构优化设计，开发创新结构的乌龙茶做青连续化、智能化设备，结合基于物联网技术的新型传感器实现做青大数据采集、反馈，利用云计算技术实现做青数据储存与处理，最终由人工智能技术完成“看青做青”，利用其大数据挖掘、分析能力，指导做青设备进行工艺决策。目前，乌龙茶做青设备智能化还处于起步阶段，挖掘与做青各阶段高度相关的参数，并实现该参数实时无损检测是智能化做青装备研发的关键点，只有探明做青过程可灵敏无损检测并与做青品质密切相关的参数，才能更好地结合新兴智能技术应用于生产实践，开发清洁化、连续化、智能化做青装备。