茶叶理条技术及机械研究进展*

2022-03-08闫建伟胡冬军刘启合喻丽华牛素贞

中国农机化学报 2022年2期

闫建伟，胡冬军，刘启合，喻丽华，牛素贞

(1. 贵州大学机械工程学院，贵阳市，550025； 2. 贵州大学茶叶工程技术研究中心，贵阳市，550025；3. 贵州大学茶学院，贵阳市，550025)

0 引言

随着我国经济社会的发展，国民的茶叶消费水平在不断提高，据中国茶叶流通协会统计，2020年中国六大茶类总产量为2 986 kt、产值2 626.58亿元，其中绿茶产量为1 842.7 kt、占总产量的61.70%[1-2]。面对如此巨大的茶叶需求量仅依靠手工制茶显然无法满足生产要求，如何在保证茶质的前提下提高茶叶产量是制约茶产业发展的关键因素，茶叶加工机械化的推广为茶叶提质增产提供一种解决对策。近年来，研究学者加大了对茶叶加工机械的研究，截至目前已有多种类型茶叶加工机械投入到实际生产中，茶叶加工机械的使用不仅降低了劳动强度、节约人工成本，还大幅度提高茶叶加工效率，创造了巨大经济效益[3-5]。

理条是茶叶初制加工过程中十分重要的一道工序，对茶叶的形状、颜色、香气、滋味等有很大影响[6]。茶叶理条机械是茶叶初制过程中主要设备，也是茶叶加工机械重要组成部分，其具有运行平稳、结构简单、易于操作、便于流水线作业等优点，与传统手工加工相比，能够大幅提高茶叶理条效率[7-9]。本文结合现有茶叶理条技术及机械，分析茶叶理条机械结构与原理，指出其存在的问题并展望茶叶理条机未来发展趋势，为茶叶理条机的创新设计提供参考。

1 茶叶理条技术研究现状

传统茶叶做形依赖人工，在茶叶做形初始阶段，茶叶中水分含量较多，将茶倒入炒锅，提高炒锅温度使茶叶水分快速蒸发，然后将茶置于整形平台，用手轻轻揉搓，使茶叶滚动成条[10-11]。茶叶手工揉搓成条不仅由于茶叶温度高、手掌频繁接触茶叶而影响茶叶卫生，并且手工揉搓生产效率低、成本高。因此，手工做形技术逐步被茶叶做形机械所取代。

1.1 国外茶叶理条技术研究现状

目前，日本只有少部分名贵茶叶仍采用手工做形，绝大部分茶叶加工已被机械化作业取代。日本加工的茶叶多数是煎茶，其流程比较固定，一般为：鲜叶输送、蒸青、揉捻、烘干。蒸青是利用蒸气高温来抑制茶叶氧化酶的活性，保持茶叶品质，该工序是利用蒸青机来完成，滚筒式蒸青机在日本应用较广泛，一般的滚筒式蒸青机由外筒和搅拌轴组成，蒸青时外筒转速为40 r/min，搅拌轴转速为280 r/min，蒸青温度为100 ℃，蒸青时间控制在1 min，茶叶含水率在75%左右。揉捻是利用揉捻机完成，主要分为粗揉、中揉、精揉3个阶段，以日本伊达氏自动连续300型煎茶设备为例：粗揉阶段，使用初干揉捻机来完成，其主要目的是使茶叶快速散发水分，茶叶的平均含水率为63.25%，平均成条率为17%；中揉阶段，使用中揉机来完成，中揉机由揉桶和揉手组成，茶叶在揉搓成条的同时进一步散失水分，时间控制在20～25 min，茶叶的平均含水率为37.9%，平均成条率为90%；精揉阶段，使用精揉机来完成，精揉机主要由揉手和槽状底部组成，起到固形的作用，一般精揉温度为80 ℃～90 ℃，时间为30～40 min，得到的茶叶含水率为11%，成条率为96%[12-14]。

印度主要加工传统红茶和CTC红茶，茶叶从采摘、加工再到市场流通，整个过程比较规范严格，加工流程主要是：鲜叶采收、萎凋、揉捻、发酵、烘干。萎凋工序使用的是萎凋槽，该槽体长为2 286 cm，宽为65.76 cm，茶叶在槽内的摊放厚度为18～20 cm，时间控制在22～24 h，鲜茶叶经过萎凋工序后含水率控制在50%～52%；揉捻工序使用的是印度自产的大型揉捻机，每桶的茶叶投放量可达220 kg，揉捻过程分两个阶段：第一阶段揉捻加压适中，时长45 min，揉捻后利用圆筛机筛选出细嫩茶叶，以便后续发酵；第二阶段揉捻加压较大，主要揉捻第一阶段剩下的老芽茶叶，时长30 min；揉捻工序完后将揉捻叶按20 cm左右的厚度铺在地面上，使其自然发酵，得到的茶叶颜色浅红、滋味浓烈[15-16]。

印度尼西亚是世界上重要的茶叶生产国，主要生产红茶，茶叶加工流程通常为：鲜叶采摘、揉捻/揉切、发酵和干燥。揉捻/揉切工序主要完成茶叶的初步揉捻和碎化作用，初步揉捻使用的是螺旋揉捻机，转速为150 r/min，时间控制在1 min左右，揉切采用的是高速转子机，转速为700 rad/min，时间控制在3 min，需切三次；发酵阶段没有特定的发酵室，利用配有高速喷雾器的发酵盘进行发酵，当发酵盘投叶量为10～11 kg，发酵时间为140～200 min时，得到的茶叶香气、滋味饱满[17-18]。

1.2 国内茶叶理条技术研究现状

国内名优针形茶叶做形普遍采用理条机[19]。刘海洋[20]为了使茅山长青绿茶在加工过程中品质更优，选用6CLZ-80D电热振动理条机进行茶叶做形。在投叶量控制方面，不同类型理条机U形锅槽数目不同投叶量也不同，一般每槽投放250 g杀青叶为宜；在温度控制方面，该理条机的理条温度控制在120 ℃～130 ℃，同时为了避免加工过程中湿气的挥发影响茶叶外观和内质的形成，在理条机旁放置有风扇加速湿气散发；当锅槽的温度达到90 ℃时便可投叶，此时理条机的往复频率控制在150次/min，待茶叶充分吸收热量后调整往复频率至350次/min，做形过程持续15 min 左右，得到的茶叶成条率在85%以上，茶叶扁直匀整、色泽翠绿。

俞燎远等[21]以鸠坑茶树品种的机采鲜叶为实验材料，选用6CSLDB型杀青-理条机组，探究不同的处理工艺对扁形茶品质的影响。经过鲜叶摊青、理条杀青/切断处理、一次辉锅、二次辉锅和滚炒等工艺，得到不同的茶叶品质，结果表明：经过切断处理后制成的茶叶品质显著提高，其中在先切断后杀青工序处理得到的茶叶成条率为64.31%，碎茶率为15.38%，相比只杀青工序处理得到的茶叶成茶率提高2.41%，碎茶率降低4.62%。在先杀青后切断工序处理得到的茶叶成条率为68%，碎茶率为14.29%，相比只杀青工序处理得到的茶叶成茶率提高6.1%，碎茶率降低5.71%。

赵瑶等[22]对针形茶叶按传统杀青、揉捻、初干、做形、干燥等流程进行加工易出现外观暗黄、有焦苦味等问题，使用6CZG-60针型茶固形机，在做形阶段后面添加固形工序，使茶叶的含水率进一步降低方便后续的干燥处理。通过对固形叶含水率、固形叶温、固形投叶量三因素正交试验分析，得到最佳的工艺参数，结果表明：在固形锅加热温度为50 ℃时，以每锅1.5 kg的量投放含水率为20%的固形叶，同时固形时间控制在15～20 min，得到影响茶叶色、香、味形成的内质物茶多酚含量为28.82%，氨基酸含量为3.22%，可溶性糖的含量为3.59%，叶绿素含量为0.142%，茶叶满足色泽、滋味等品质要求，有效解决其外观暗黄、有焦苦味等问题。

2 茶叶理条机研究现状

2.1 国外茶叶理条机研究现状

日本茶叶加工机械非常先进，一方面是日本使用机械化加工时间早，设备已经很成熟，另一方面是日本具有良好的茶叶加工基础和专业技术人员，注重对新设备的研制，各类型茶叶加工设备已广泛运用于茶叶连续生产，不仅自动化程度高、适用性强，而且已实现成套化及标准化[23]。日本生产的茶大部分是蒸青煎茶，需使用功能不同揉茶机进行加工，主要包括粗揉机、中揉机、精揉机三种类型。其中代表机型为日本川崎60K-S揉茶机，整机结构尺寸3 140 mm×1 300 mm×1 215 mm，机构采用揉手、柔板往复循环形式，加热方式为煤气加热，揉手频率为46～60 r/min，设备台时生产率为22.1 kg/(kW·h)，细胞破坏率为59%，得到的茶叶的成条率为96.4%，碎茶率为1.12%，茶叶细直明亮。此外，日本茶叶加工设备普遍安装有近红外水分快速测定仪，快速测定茶叶含水率，减少碎末茶，且仪器不受茶叶颜色和茶叶加工密度的影响[24]。

印度是仅次于中国的世界第二大茶叶生产国，也是全球最大的红茶生产国，其茶叶加工机械主要使用揉捻机，有滚筒式和圆盘式两类，揉茶过程依赖人工经验，自动化程度不高。其代表机型为洛托凡转子揉捻(切)机，该机型工作转速以40 r/min为宜，细胞破损率为70%～80%，成条率80%以上，得到的茶叶条索紧卷[25]。

斯里兰卡是世界上重要的茶叶生产国，主要生产红碎茶，因其具有良好的制茶工艺和加工设备，生产的红碎茶98%用于出口，位居世界前列。茶叶加工阶段主要使用单动式茶叶揉捻机，其中最大的揉捻机揉桶尺寸桶高72 cm，直径117 cm，揉盘直径190 cm，转速为36 r/min，一次性可以揉捻325 kg的红茶叶，细胞破碎率在80%以上，得到的茶叶呈碎形，香气鲜浓[26]。对上述国外各代表机型作比较分析，如表1所示。

表1 国外代表机型比较分析

2.2 国内茶叶理条机研究现状

国内常用的茶叶理条设备是茶叶理条机，它是一种用于将茶叶加工成直条形或针形的机械，20世纪90年代由安徽宣城茶区发明，后经茶叶机械生产企业不断改进和完善而成。茶叶理条机是茶叶初加工的重要机械设备，它是在研究我国传统手工制茶的手法基础上优化茶叶在U型槽内运动轨迹而研制的。茶叶理条机按其结构与原理可以大致分为3种类型，分别为往复式振动理条机(图1)、杀青理条机(图2)、连续式理条机(图3)[6-9]。

图2 杀青理条机

图3 连续式理条机

往复式振动理条机，作业方式为间歇式，主要结构包含传动机构、U型锅槽、加热装置和机架，其工作流程大致为：工作时电机输出动力，传动机构通过连杆实现U型锅槽往复运动，U型槽底部安装有加热装置提供热量，茶叶在U型槽内与槽体产生相对运动，茶叶逐渐发生塑性变形，最终成条。代表机型为6CLZ系列往复式振动理条机，主要作业性能指标：锅槽往复频率为170～240次/min，理条叶含水率≤20%，干毛茶成条率≥90%，碎茶率≤3%，产量≥6 kg/h。

杀青理条机，作业方式为间歇式，主要由传动机构、U型锅槽、锅槽倾角调节装置、加热装置和机架等组成，其工作流程为：采用无级变速及限料器控制待杀青叶投送量，杀青叶从投入端进入U型锅槽，杀青叶随着U型锅槽边左右振动边向U型锅槽出口端滑动，直到从U型锅槽出口端落下完成杀青理条。代表机型为6CMS-445型杀青理条机，主要作业性能指标：锅槽往复频率130～150次/min，理条叶含水率≤50%，茶叶成条率≥85%，碎茶率≤2.5%，生产率为2～3.5 kg/h。

连续式理条机，作业方式为连续式，主要由上叶机构、锅槽升降机构、传动机构和加热装置等组成，其工作流程为：茶叶鲜叶由上叶输送带送入U型锅槽内，在U型锅槽内吸收热量，叶温迅速升高，锅槽升降机构使得茶叶边振动理条边前进，最后从出口端排出，实现连续理条作业。连续式理条机和上述两类机型不同的地方在于其采用分段式锅槽，每段的锅槽宽度不同，使茶叶在不同理条阶段所受挤压力不同，提高理条效果。代表机型为6CLX-12A型连续式理条机，主要作业性能指标：锅槽往复频率为80～170次/min，理条叶含水率38%～43%，茶叶成条率≥92%，碎茶率≤3%。对上述常用的理条机特点进行对比分析，如表2所示。

表2 不同理条设备的比较分析

本文主要从目前应用最广泛的往复式理条机传动机构、U型槽结构设计、加热方式及控制方式4个方面进行分析，介绍其对茶叶理条的影响。

2.2.1 传动机构

理条机中连杆机构是传动关键部件，其通过连接U型槽实现U型槽的往复运动，在运动过程中连杆给U型槽向前的推力和向下的压力，使得机器在理条过程中振动大、噪音大，进而影响茶叶理条质量。因此，对连杆机构进行优化是减小振动和降噪的重要途径。

赵巨辉[6]针对传统理条机曲柄连杆往复运动过程速度无差别、理条品质差等问题，设计了一种以偏心齿轮作为传动机构的理条机(图4)，在偏心齿轮上设置相位角调节机构，并仿真确定偏心齿轮的最佳偏心率和相位角，得到当齿轮的偏心率为0.172 5，相位角为90°时，锅槽的往复极限绝对速度差达到0.7 m/s，满足了不同茶叶加工锅槽往复速度差的工艺要求。通过对传统机构的改进不仅提高了理条机的适用范围，又改善茶叶的理条品质。

图4 偏心式传动机构理条机

章荣剑[27]为了解决现有茶叶理条机理条不均匀的问题，将曲柄连杆传动机构设计成自动摆动式结构(图5)，当进行茶叶理条时，伺服电机带动驱动轴转动，驱动轴转动会依次带动转动盘、活动杆、连接杆左右移动，连接杆左右移动的同时带动固定推板和理条板左右摆动，实现茶叶的均匀理条。

图5 摆动式传动机构理条机

李剑勇等[28]针对传统传动柄反复拉扯造成底座来回摇晃，影响理条机的运转等问题，提供一种新型传动结构(图6)，传动柄为S型结构，这种结构能很好地增加弹性，同时传动柄与连接套是过盈配合连接，这种结构避免了硬力拉扯，提高了传动结构使用寿命。

图6 S型式传动结构理条机

王小勇等[29]为了降低茶叶理条过程中的振动和噪音，提高传动性能和理条效果，运用遗传算法和Matlab对理条机连杆式传动结构进行参数优化(图7)，经试验验证得出：当最小传动角为71.1°、极位夹角为3.6°、工作行程为122 mm时，理条过程中噪音降低2 dB，茶叶成条率提高2%。对上述不同类型传动结构特点进行总结，如表3所示。

表3 不同类型传动结构理条机比较分析

图7 连杆式传动机构理条机

2.2.2 U型槽结构设计

U型槽是理条机工作组件的重要组成部分。U型槽的槽深、宽幅、槽壁与水平轴的夹角等参数与茶叶理条品质直接关联。目前国内普遍使用的U型槽主要有标准U型槽和非标准U型槽两种，国内人员进行了相关研究工作。苏中强等[30]为了提高茶叶理条的均匀性，选用的槽体(图8)纵向截面为斜U型，其第一侧壁面的倾斜角为12°～16°，第二侧壁面的倾斜角为16°～20°，在U型槽体内部设置有凸条，凸条可以增加茶叶与槽壁的阻力，可以保证茶叶翻转充分理条均匀。吴结明[31]设计了一种理条机的锅槽结构(图9)，该槽体结构呈锥形，有进口和出口。从进口至出口槽体的宽度逐渐变窄，茶叶在理条过程中由于水分的蒸发体积逐渐缩小，同时U型槽的容积也逐渐缩小，从而保证了茶叶在锅槽的宽度方向所占的空间比例一致，茶叶成条速度快、效率高。黄剑虹等[32]为了解决连续锅槽在工作过程中具有良好的连接稳固性和抗热变形，提高理条效果，设计了一种完全消除在纵向上受到的膨胀，同时又削弱抗热变形性的多槽锅(图10)。左右两端的牵引管与锅框之间留有间隙，前槽板与后槽板上方均布置有缓冲板以消除纵向膨胀，保证了茶叶在锅槽内顺利流动。对上述U型槽特点进行总结，如表4所示。

图8 斜U型理条锅槽

图9 锥形理条锅槽

图10 多排直形理条锅槽

表4 不同类型U型槽茶叶理条机比较分析

2.2.3 加热方式

槽锅加热按加热方式分为接触加热和非接触加热。接触加热主要以热对流和热传导为主，非接触加热主要是远红外加热；按加热热源分有电加热、煤加热、油加热等[33]。现目前国内对理条机加热相关的研究很多，主要体现在3个方面。

1) 加热方式。U型槽在加热时，温度通常会呈现中间高，两头低的现象，造成茶叶品质不一致。李正山[34]为解决槽体受热不均匀、散热大等问题，使用油加热方式对U型槽提供热量。槽底下方设置有油箱，利用油箱的快导热性，使茶叶受热均匀的同时又减少散热，提升整体理条效果；戴惠亮等[35]针对国内电热式理条机能耗高、温度响应慢和受热不均等问题提出一种采用电磁加热技术的茶叶理条机，通过改变电磁距离锅槽底面的距离和线圈的绕法得到理条机整体锅槽在同一截面温差不超过6 ℃，同时将锅槽的加热时间由20 min缩短在5 min左右，大量降低能耗，茶叶的受热更加均匀；徐雪龙[36]针对传统多排直加热管导致U型槽温度中间高、两端低，造成槽两侧的茶叶理条品质不如中间茶叶等问题，设计了一种新式理条机加热结构。其采用弧形可调的卤素U型加热管，使得U型槽中间与锅槽的距离大于边缘与锅槽的距离，保证U型槽中间和边缘的温度趋于一致，保证理条品质的一致性。同时，加热装置上端装有隔热橡圈，底部和侧壁设置反光板，有效减少散热。

2) 涂层材料的选择。以电作为加热热源有电热管加热、电阻丝加热、远红外加热三种方式。利用电热管和电阻丝加热管作为热源不仅能耗大、热利用率低，还不能满足食品加工清洁化标准要求，因此用远红外加热管作为加热元件成为首选，远红外加热以利用陶瓷远红外辐射元件居多，因此对陶瓷涂层材料的选择尤为重要。

3) 温度调控。王小勇等[37]为了加强对理条过程中的温度控制，提高茶叶的理条品质，采用主副加热部件，将模糊算法和温度控制相结合，运用Matlab仿真，得到最佳理条温度为90 ℃，同时茶叶碎茶率由传统的11.8%降到了6%，有效改善了理条质量；潘玉成等[38]针对理条机温控系统具有时变不确定非线性的特点，提出一种基于模糊RBF神经网络的PID控制策略，实现对PID参数的实时在线整定，该系统具有良好的抗干扰性能，能够将茶叶的理条温度误差控制在±2 ℃ 内，满足茶叶理条加工对温度的控制要求。

2.2.4 控制方式

茶叶在理条过程中，理条温度、时间、U型槽的振动频率等参数直接影响着茶叶的理条品质。刘青[39]等基于PLC控制茶叶自动化理条机组，实现对理条温度、振动频率及理条重量等参数的采集和设定，改善了理条设备的自动化水平，提高了理条效率，降低了人工劳动强度；王小勇等[40]为了得到茶叶理条的最佳工艺，以六安绿茶为例采用正交实验，研究投叶量、理条时间、理条温度与茶叶品质的关系，将实验结果运用人工神经网络进行优化，得出当投叶量为1 kg、理条时间为5 min、理条温度为93 ℃时，茶叶的成条率最高为96.10%，茶叶的感官评审为94.1；傅杰等[41]通过对茶叶理条工艺、温度控制等因素的研究，设计了一种基于模糊算法、模糊PID控制技术及单片机的茶叶理条机双模糊控制系统，由该系统控制的理条机组能够将茶叶理条的温度偏差控制在小于1 ℃范围内，避免了人为因素影响的同时，有效解决了茶叶在理条过程中出现焦味、颜色变黄等问题。付磊[42]针对茶叶加工过程中温度稳定性差、响应慢等问题，提出一种基于BP神经网络的PID温度控制系统，结果表明：与常规控制系统相比，基于BP-PID的温度控制系统超调量小14.3%，响应速度快60.3%，茶叶加工温度的控制精度达到±2%，满足茶叶加工工艺要求。

3 存在问题

当前，茶叶理条技术及茶叶理条机虽然发展迅速，取得了一些成果，一些新的技术和方法应用在茶叶理条机加工生产中，但仍然存在一定的不足。

1) 茶叶理条机在结构和加热方式上创新性不足。目前，虽然不少研究人员对茶叶理条机的传动机构进行优化，如采用偏心式、摆动式传动机构，尽量减少对茶叶品质的影响，但是大部分理条机的传动机构仍采用曲柄连杆，该机构参数不可调且会产生较大的振动和噪音，不仅会影响茶叶的理条品质，还对茶叶加工人员造成巨大的工作压力；其次，U型锅槽是茶叶理条机的关键部件，如何掌握其结构参数与茶叶理条品质的关系是设计出高效合理锅槽的关键。同时，对茶叶理条机U型锅槽的理论研究不足。大多数茶叶理条机采用的是以电加热管为加热热源，加热管普遍放置在锅槽底部，不随锅槽往复移动，锅槽散热大、受热不均，茶叶理条品质不稳定。

2) 茶叶理条机连续化作业不足、智能化水平低。不少研究人员在投叶量、理条温度和理条时间等参数及控制方法进行了优化，得到最佳理条参数，但茶叶理条时茶青从投料到出料仍然由人工来完成，无法实现连续化作业，同时，由于在理条机制造过程中缺少模块化结构，导致理条机针对不同类别的茶叶加工会出现适应性差的问题，也会影响茶叶加工的连续性。另外，茶叶理条时长、茶叶含水率等的判断，还是依赖工人目视茶叶即经验判断，茶叶理条机智能化水平有待提高。

3) 茶叶理条加工及标准化滞后。目前茶叶加工工艺及理条机械没有统一的规范标准，各生产厂家不注重生产线的各环节设备的整体配合，农机和农艺配合度差直接影响茶叶加工的品质；同时，国内茶叶理条机多为小型农业机械制造公司生产，缺少统一的标准化平台和规范化管理，茶叶理条机所用生产设备及零件在通用性和标准化亟待统一。

4 发展趋势

茶叶理条机在针形茶的加工工序中发挥着重要作用，新型智能化茶叶理条机的研究与推广是实现我国茶产业发展的重要途径，针对茶叶理条技术及机械，未来发展呈以下几个发展趋势。

1) 理条机结构优化和新型加热材料采用。针对茶叶理条机结构创新性不足，应积极借鉴和吸收国外先进的制造技术，同时加大投入，加强茶叶理条机的关键结构和核心技术的研发力度，将EDEM离散元分析技术应用在茶叶理条机上，利用EDEM软件分析茶叶在理条机锅槽中的运动轨迹及分布情况，掌握茶叶的物理特性参数和锅槽结构参数，为理条机锅槽结构优化与改进加热方式提供依据，进一步提高茶叶理条机的理条质量和能量利用率；针对茶叶理条机工作过程中散热大、热效率利用率低，在加热热源上选择新型材料作为加热管材，合理选择加热管材的布置方式，同时茶叶理条机U型锅槽选择热传导好、热吸收率高的材料，提高热量利用率和转化率。

2) 加强连续化、智能化理条机的研发。未来的理条机发展应以连续化作业为目标，研发茶叶从投料、理条、出料的连续化理条设备，实现根据不同投叶量，理条机就能匹配出合理的理条时间和理条温度，加强理条机模块化结构研发，实现连续化理条作业机组，进一步提升作业效率；同时，深度开发数学算法语言，融合互联网技术，将其运用到理条过程中，实现投叶量、理条时间、理条温度的多元控制；加强智能传感技术的运用，实现茶叶含水率﹑理条温度的在线监测与反馈，全面提升茶叶理条品质。

3) 加强茶叶加工工艺、理条机械标准化及茶叶加工大数据平台建设。理条机行业标准滞后已经影响到茶叶理条品质，因此，理条机械未来的发展中要解决加工标准及理条设备一致性问题，将茶叶理条加工、各环节设备数据与大数据、物联网结合，各茶叶理条机械生产厂家、茶叶生产厂家等运用大数据、物联网平台，实现茶叶理条机械等设备参数与茶叶加工企业数据信息共享，建立统一的茶叶加工技术、茶叶机械设备的大数据平台。