早在唐代，陸羽就在《茶經(jīng)》中系統(tǒng)地介紹過19種餅茶采制工具，建立了茶葉機(jī)械的雛形。自中華人民共和國成立以來，我國茶葉機(jī)械發(fā)展已有70余年的歷史。隨著國家對茶葉機(jī)械行業(yè)重視度的提升，我國茶葉加工現(xiàn)已基本實現(xiàn)機(jī)械化和自動化，茶園作業(yè)機(jī)械也在快速發(fā)展。
為總結(jié)我國在茶葉機(jī)械領(lǐng)域取得的成就，促進(jìn)茶機(jī)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，文章從茶葉機(jī)械發(fā)展、茶機(jī)能源使用及茶機(jī)技術(shù)應(yīng)用等方面介紹我國茶葉機(jī)械的發(fā)展?fàn)顩r，就發(fā)展過程中暴露的問題進(jìn)行剖析并提出相應(yīng)對策，最后對茶葉機(jī)械未來的發(fā)展進(jìn)行展望。
01我國茶葉機(jī)械概況
中國是世界最大的產(chǎn)茶國，擁有20多個產(chǎn)茶省、1000多個產(chǎn)茶縣。在茶葉加工連續(xù)化的產(chǎn)業(yè)背景和提質(zhì)增效的產(chǎn)業(yè)需求下，茶葉機(jī)械化生產(chǎn)成為我國茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。目前，我國茶葉加工機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)有400多家，主要集中在浙江、安徽、四川和福建等省份。
按照生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可將茶葉機(jī)械分為茶園作業(yè)機(jī)械和茶葉加工機(jī)械兩類。
茶葉加工機(jī)械的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，主要以綠茶、紅茶加工機(jī)械為主。到21世紀(jì)，大宗綠茶、紅茶和大部分名優(yōu)茶類的加工已基本實現(xiàn)機(jī)械化。就六大茶類而言，綠茶、紅茶的關(guān)鍵加工機(jī)械已較為成熟，烏龍茶、黑茶的關(guān)鍵加工機(jī)械相對成熟，白茶、黃茶的關(guān)鍵加工機(jī)械也在發(fā)展完善中。
相比之下，茶園作業(yè)機(jī)械發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)70年代開始研制出茶園耕作機(jī)等基本作業(yè)機(jī)械，后續(xù)逐步研制了修剪機(jī)、采茶機(jī)等其他作業(yè)機(jī)械，由于大部分茶園機(jī)械化生產(chǎn)管理粗放，茶園管理機(jī)械研發(fā)和創(chuàng)新力度不足，目前還處于初步發(fā)展階段。
02茶葉機(jī)械發(fā)展?fàn)顩r
1、茶園作業(yè)機(jī)械
茶園作業(yè)機(jī)械分為墾殖機(jī)械、耕作機(jī)械、植保機(jī)械、修剪和采茶機(jī)械等類型。
從20世紀(jì)50年代至今，茶園作業(yè)機(jī)械經(jīng)歷了萌芽階段、探索階段和現(xiàn)今的初步發(fā)展階段。期間，茶機(jī)研發(fā)人員逐步研制了符合實際需求的茶園耕作機(jī)、茶樹修剪機(jī)等作業(yè)機(jī)械，尤其以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所為代表開發(fā)了“一機(jī)多用”的多功能茶園管理裝備，使茶園作業(yè)機(jī)械有了新的發(fā)展。
目前，已有部分地區(qū)達(dá)到了茶園作業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)水平，如山東日照市、浙江武義縣等。
但總體而言，在機(jī)械研發(fā)方面，作業(yè)機(jī)械的機(jī)型質(zhì)量和性能方面尚需進(jìn)一步改進(jìn)，總體水平與日本相比存在較大差距;在推廣使用方面，使用率及普及度都不高，90%以上的采茶機(jī)和修剪機(jī)仍為日本機(jī)型，一些山區(qū)的茶園管理依舊以人力為主。
2、茶葉加工機(jī)械
我國茶葉加工機(jī)械發(fā)展大致分為如下三個階段。
· 萌芽期：20世紀(jì)50年代之前
此時的茶葉加工停留于手工作業(yè)階段，但唐宋時期創(chuàng)造的眾多制茶工具為茶葉機(jī)械后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
· 快速發(fā)展期：20世紀(jì)50年代~20世紀(jì)末
由手工作業(yè)轉(zhuǎn)為半手工半機(jī)械作業(yè)，期間研發(fā)了眾多茶葉加工的基本單機(jī)設(shè)備，使得綠茶、紅茶，特別是名優(yōu)茶加工實現(xiàn)機(jī)械化。
· 加速發(fā)展期：21世紀(jì)~至今
由小型單機(jī)設(shè)備加工模式過渡到高產(chǎn)能、低能耗、清潔化、連續(xù)化的生產(chǎn)線模式，逐步實現(xiàn)“機(jī)械換人”。
茶葉加工單機(jī)設(shè)備分為初制機(jī)械和精制機(jī)械兩類。我國茶葉初制機(jī)械(殺青機(jī)、揉捻機(jī)、干燥機(jī)等)發(fā)展速度較快，大多數(shù)茶葉機(jī)械已能實現(xiàn)參數(shù)化作業(yè)，甚至具備控溫控濕功能，但在茶葉加工品質(zhì)、自動化程度、節(jié)能等方面還有待提高。相比而言，我國精制機(jī)械(篩分機(jī)、風(fēng)選機(jī)等)發(fā)展較慢，但隨著加工精細(xì)化程度的提高，該類機(jī)械也在不斷改進(jìn)和優(yōu)化。
茶葉單機(jī)設(shè)備的發(fā)展為茶葉加工連續(xù)化的實現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，也為生產(chǎn)線的研建奠定了堅實基礎(chǔ)。目前，研發(fā)的綠茶、紅茶、烏龍茶等初加工生產(chǎn)線已達(dá)3000多條。2016年，精制篩分生產(chǎn)線也被應(yīng)用于綠茶、紅茶、黑茶的精制加工。此外，生產(chǎn)線的使用范圍及加工對象方面的研究也更加精細(xì)化，如2020年針對中高檔扁形綠茶研建了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線，有效地解決了以往扁形茶生產(chǎn)線存在的茶條不緊直、質(zhì)量不穩(wěn)定等品質(zhì)問題。
有些茶葉單機(jī)本身還不具備連續(xù)化作業(yè)功能(如包揉機(jī))或作業(yè)性能不夠成熟(如黃茶悶黃機(jī))，一定程度阻礙了生產(chǎn)線的自動化發(fā)展。此外，雖然目前已有低含水量的在線檢測設(shè)備，但由于成本過高還未能廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，茶葉在制品的品質(zhì)仍需要依賴人工經(jīng)驗的判定。因此，目前茶葉加工生產(chǎn)線的應(yīng)用基本能實現(xiàn)自動化，但尚未實現(xiàn)真正的智能化。
03茶機(jī)能源使用
茶葉機(jī)械的正常使用離不開能源的供給。茶葉機(jī)械能源分為傳統(tǒng)化石能源和清潔能源兩類，其中清潔能源包括電、液化石油氣、天然氣、生物質(zhì)燃料等。
在熱能燃料清潔化、節(jié)能化的發(fā)展趨勢下，用鋸末、森林枝條、稻草、麥稈等加工而成的生物質(zhì)顆粒燃料被業(yè)界重視，又因其生產(chǎn)成本較低、來源廣開始被越來越多地應(yīng)用于茶葉加工中。
總體而言，電力燃?xì)獾葻嵩词褂酶影踩?、簡便，無需其他輔助設(shè)備，是實現(xiàn)茶葉機(jī)械化加工、流水線作業(yè)的主流能源。
雖然薪柴加熱和炭火烘焙的能源使用比較低效，也不夠環(huán)保，但卻能滿足人們對茶葉獨特色香味的追求，因此目前仍有應(yīng)用。
近年來，基于節(jié)能減排、降低能耗的發(fā)展理念，茶葉機(jī)械的能源回收利用方面取得巨大進(jìn)展。
如6CH型系列鏈板式烘干機(jī)，利用管殼式熱交換器進(jìn)行廢氣余熱回收，可將空氣初始溫度提高20~25℃，創(chuàng)造性地解決了能源消耗大的問題;過熱蒸汽混合殺青機(jī)，利用殺青機(jī)出葉口處的回收裝置將常壓飽和水蒸汽回收，并再次輔助加熱形成過熱飽和水蒸汽和高溫?zé)犸L(fēng)，導(dǎo)回到殺青機(jī)進(jìn)葉口處循環(huán)利用熱能，能節(jié)約能源20%左右，還可保證茶葉品質(zhì)效果。
04茶機(jī)技術(shù)創(chuàng)新
茶葉機(jī)械的使用不僅能直接提高生產(chǎn)效率，還能間接穩(wěn)定甚至提升茶葉品質(zhì)。技術(shù)創(chuàng)新往往能帶來茶葉機(jī)械功能和效率的雙向提升，其研發(fā)思路主要有兩方面。
① 基于機(jī)械原理，創(chuàng)新性地改進(jìn)茶機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，使其性能大大提升。如在紅茶加工方面，對發(fā)酵結(jié)構(gòu)、翻動裝置和加熱部件等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計，研發(fā)了一體化全自動發(fā)酵機(jī)、可視化富氧發(fā)酵機(jī)，解決了發(fā)酵溫濕度不穩(wěn)定、翻拌難、缺氧、發(fā)酵不均勻等問題。
② 將計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代儀器分析檢測技術(shù)、芯片技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用于茶機(jī)制造，使其操作可控、可視，逐步實現(xiàn)茶葉機(jī)械的自動化、智能化。實踐證明，技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用能完善茶機(jī)功能，提升茶葉品質(zhì)，推動茶產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。
1、計算機(jī)技術(shù)
計算機(jī)技術(shù)使茶葉機(jī)械的連續(xù)化、自動化、智能化發(fā)展成為可能。
目前，計算機(jī)的圖像技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等已被成功應(yīng)用于茶機(jī)制造，并取得較佳效果。
利用圖像采集、數(shù)據(jù)處理技術(shù)可對茶葉的實際形態(tài)、顏色以及重量等要素進(jìn)行量化分析和等級劃分;利用自動控制系統(tǒng)，可使新型熱輻射茶葉殺青機(jī)實現(xiàn)殺青葉表面溫度、箱體內(nèi)部環(huán)境濕度等各項參數(shù)的多路實時在線檢測，降低對人工經(jīng)驗的依賴;利用可編程邏輯控制技術(shù)(PLC)，再通過電源照射，光纖探聚集發(fā)酵信息，發(fā)酵儀轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，微處理器處理、計算和分析，能使渥堆裝置完成對待測黑茶樣品渥堆程度的預(yù)測;利用自動化控制和人機(jī)交互技術(shù)可使TC-6CR-50數(shù)控揉捻機(jī)智能調(diào)控壓力、轉(zhuǎn)速和時間，實現(xiàn)制茶工藝參數(shù)化;利用溫度傳感器實時監(jiān)控技術(shù)，可使茶葉連續(xù)理條機(jī)組按需調(diào)控鍋槽溫度，保證鍋槽內(nèi)的茶葉受熱均勻、品質(zhì)一致。
2、現(xiàn)代儀器分析檢測技術(shù)
茶葉機(jī)械自動化的實現(xiàn)有賴于計算機(jī)技術(shù)，而茶葉加工過程的狀態(tài)、參數(shù)監(jiān)測則需要借助現(xiàn)代儀器的分析檢測技術(shù)。通過檢測儀器的多源傳感信息融合，可實現(xiàn)對茶葉色、香、味、形等品質(zhì)因子的綜合數(shù)字化評判，實現(xiàn)茶葉產(chǎn)業(yè)真正意義的自動化和智能化發(fā)展。
目前，該項技術(shù)已被成功應(yīng)用于茶機(jī)研發(fā)，使茶葉加工過程實現(xiàn)在線檢測、判別，茶葉品質(zhì)更加可控。比如，利用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合計算機(jī)視覺系統(tǒng)建立的紅茶“發(fā)酵”程度綜合評價方法，可在1分鐘內(nèi)完成判別，有利于紅茶加工關(guān)鍵技術(shù)點的控制;利用電子鼻技術(shù)對殺青過程中的香氣連續(xù)抽樣監(jiān)測，再基于費舍爾判別法可構(gòu)建茶葉殺青狀態(tài)判別模型，實現(xiàn)綠茶品質(zhì)的在線監(jiān)測與控制;利用遠(yuǎn)紅外、高光譜成像技術(shù)再結(jié)合非線性建模方法可為綠茶的智能化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
儀器檢測分析技術(shù)同其他技術(shù)的聯(lián)用，也被應(yīng)用于茶葉深加工機(jī)械領(lǐng)域。比如，安徽捷訊光電技術(shù)有限公司研發(fā)了一種云智能茶葉色選機(jī)，該色選機(jī)利用光譜分析技術(shù)聯(lián)用鷹眼技術(shù)、云技術(shù)相機(jī)、云圖像采集處理技術(shù)等多項技術(shù)，可深度識別普通色選機(jī)不能識別的微小雜質(zhì)，并且能對茶葉的條形大小、長短、粗細(xì)及嫩度等精細(xì)分級。這種智能色選機(jī)不僅應(yīng)用于茶葉領(lǐng)域，還可用于糧食、種子、礦物等的精選，提高批量物料的整體質(zhì)量和外觀。
3、其他技術(shù)
除計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代儀器檢測技術(shù)外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、AI技術(shù)、芯片技術(shù)等多項技術(shù)也被融合應(yīng)用于茶園管理、茶葉加工、物流倉儲等各個環(huán)節(jié)，使茶機(jī)研發(fā)及茶行業(yè)的發(fā)展邁上新臺階。
在茶園管理作業(yè)環(huán)節(jié)，傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可實現(xiàn)對茶園的實時監(jiān)測，使茶園作業(yè)過程更加智能、高效。如前端傳感器(葉面溫度傳感器、莖稈生長傳感器、土壤水分傳感器等)可自動將茶園土壤及氣候條件等數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，PC端通過手機(jī)APP可隨時隨地進(jìn)行監(jiān)管、精準(zhǔn)灌溉與施肥，實現(xiàn)茶園智慧管理。利用無人機(jī)大面積遙感圖像與地面不間斷視頻監(jiān)測技術(shù)，可對機(jī)采茶樹的生長信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)采集，再借助分析、建模便可預(yù)測每輪次的適采時期、產(chǎn)量及機(jī)采品質(zhì)，從而提高茶葉機(jī)械化采摘的質(zhì)量和效率。
在茶葉加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，應(yīng)用AI技術(shù)建立自動除雜生產(chǎn)線，通過最先進(jìn)的認(rèn)知視覺檢測可識別茶葉中的各類雜質(zhì)，同時自動化地完成上料、輸送、拍照、分析、挑揀、復(fù)檢、收集等各個程序，實現(xiàn)茶葉精制加工生產(chǎn)線的自動化與智能化。在物流倉儲環(huán)節(jié)，利用射頻識別(RFID)技術(shù)可實現(xiàn)閱讀器與產(chǎn)品標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)通信，追溯茶葉生產(chǎn)信息以優(yōu)化供應(yīng)鏈管理。
由此，在茶葉的種植栽培、生產(chǎn)加工、保管運輸?shù)确矫?，各項技術(shù)共同促進(jìn)了茶產(chǎn)業(yè)信息化、智能化發(fā)展。
05我國茶葉機(jī)械發(fā)展中的問題、對策與展望
我國茶葉機(jī)械化發(fā)展雖然取得了長足進(jìn)步，但與食品工業(yè)的機(jī)械化程度相比仍存在較大差距，應(yīng)及時采取相應(yīng)對策來加快茶產(chǎn)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型。
1、存在問題
雖然人們機(jī)械化管理茶園、機(jī)械化加工茶葉的意識不斷增強(qiáng)，部分茶區(qū)也處于相對較高的機(jī)械化水平，但就整體研究力度和發(fā)展?fàn)顩r而言，仍存在以下問題：
(1)我國茶機(jī)裝備總體水平偏低，自動化生產(chǎn)線尚未完全實現(xiàn)智能化。
(2)茶機(jī)的研究發(fā)展不平衡，大部分精制機(jī)械創(chuàng)新程度不高。
(3)茶機(jī)整體技術(shù)含量不高，能源使用效率低。
(4)大多茶機(jī)缺乏高新技術(shù)的應(yīng)用，且與農(nóng)藝融合度不高。
(5)設(shè)備新舊混用，存在安全隱患，缺乏相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
2、原因及對策
從文獻(xiàn)研究及茶機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析原因，主要是：
(1)茶機(jī)行業(yè)本身處于落后地位，國家對行業(yè)扶持力度仍有待加強(qiáng)。
(2)茶機(jī)市場競爭無序，茶機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)滯后。
(3)茶園分布零散，作業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)程度不高。
(4)茶機(jī)制造企業(yè)規(guī)模小，新產(chǎn)品開發(fā)能力薄弱。
(5)缺乏茶機(jī)專業(yè)從業(yè)人員，無法充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的功能。
針對上述原因應(yīng)盡快健全農(nóng)機(jī)補貼制度，加大政策扶持力度;加快茶機(jī)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，加大企業(yè)技術(shù)服務(wù)力度;建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)茶園基地，奠定機(jī)械化生產(chǎn)基礎(chǔ);加大科研投入力度，組建更多創(chuàng)新科研團(tuán)隊;加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)交流，提高茶機(jī)技術(shù)服務(wù)。
3、展望
目前，我國茶葉加工基本實現(xiàn)機(jī)械化，單機(jī)設(shè)備趨向于高效節(jié)能、連續(xù)化發(fā)展，生產(chǎn)線向著連續(xù)化、自動化、清潔化和智能化方向發(fā)展，茶園作業(yè)機(jī)械的發(fā)展也在不斷推進(jìn)?，F(xiàn)代科技與信息技術(shù)等高新技術(shù)逐步被應(yīng)用于茶葉加工的各個環(huán)節(jié)，并取得巨大進(jìn)步。隨著國家對茶葉產(chǎn)業(yè)的重視，茶機(jī)補貼等各項優(yōu)惠政策的出臺以及茶機(jī)科研人員隊伍的壯大，未來的茶葉機(jī)械將實現(xiàn)真正意義的智能化發(fā)展，“機(jī)器換人”的時代指日可待!
作者簡介：
張銘銘
碩士，中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院工藝技術(shù)與裝備研究所團(tuán)隊成員，茶葉加工與機(jī)械團(tuán)隊科技特派員，中茶裝備公眾號編輯，主要從事茶葉機(jī)械加工與品質(zhì)調(diào)控研究。參與國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等國家級項目4項，浙江省青年基金、浙江省重點研發(fā)計劃等省級項目4項，地方性技術(shù)服務(wù)項目2項。以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI/EI等科技論文10余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利2項。
來源：中國茶葉加工
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