我國茶葉殺青機研究進展分析*

王文明，宋志禹，陳巧敏，肖宏儒，蔣清海，張健飛

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國是茶葉生產和消費大國，茶園種植面積及茶葉總產量均具世界前列[1-5]，同時茶葉一直受國人喜愛至極，飲茶、品茶幾乎遍及每個家庭。茶葉可粗淺的分為綠茶、紅茶、白茶、黑茶、黃茶、烏龍茶，其中綠茶的品種及受眾較多，是中國較受歡迎的茶葉品種。綠茶的加工簡單的分為殺青、揉捻和干燥三個步驟，一杯好的綠茶應具有香氣高鮮，滋味濃爽，湯色，葉底綠微黃亮，其關鍵是在殺青這個步驟，殺青的主要目的是短時間內利用高溫破壞鮮葉中的多酚氧化酶的活性，制止多酚類酶促氧化，同時使鮮葉散發部分青氣，改變其內含成分的部分性質，以形成綠茶應有的色、香、味，而且還通過蒸發部水分增加葉質的韌性，便于揉捻造型[6]。由此可見，茶葉殺青效果對綠茶最終品質的形成起著至關重要的作用，及時開展茶葉殺青技術與裝備方面的研究，對全面提高我國綠茶品質與質量具有重要意義。本文綜述了國內外茶葉殺青機的研究發展現狀，對比分析了不同殺青技術及設備的優缺點，在此基礎上指出了我國茶葉殺青機研究存在的不足，最后提出了我國茶葉殺青機未來的發展建議。

1 茶葉殺青機研究現狀

受茶葉種植面積及飲茶習慣的影響，目前國際上殺青機械化作業程度差異較大，總體來看亞洲國家機械化作業程度高于歐美國家，其原因在于歐美國家如美國、英國，其國人大多以飲紅茶為主，且其消費產品主要也是袋裝速泡茶。亞洲的日本以消費綠茶為主，其殺青技術起步較早，早在17世紀，日本就成功研究出蒸青綠茶加工機械，至20世紀初期，日本的加工機械基本已成熟配套，茶葉加工各環節均有配套機型可用。

我國茶葉殺青技術起源于較早，元代開始民間以廣泛應用蒸汽殺青技術，至清代，茶區開始使用斜鍋進行綠茶的殺青與炒制。新中國成立后，隨著茶葉生產的恢復，我國茶葉殺青機發展進入快車道，一系列機型被設計制造投入到生產中，其中比較有代表性的如60年代研制的滾筒式殺青機，該機至今仍在我國茶區大量應用，進入21世紀后，隨著國家科技和信息技術不斷發展，以及為滿足國內名優茶生產要求，自動化程度高、綠色環保的殺青機成為研究者和生產廠家關注的焦點，像微波、遠紅外、電磁等綠色加熱方式被引入到殺青機設計中。目前，國內茶葉殺青機主要有滾筒殺青機、蒸汽殺青機、微波殺青機、遠紅外殺青機、熱風殺青機和電磁殺青機等[7]，如表1所示。滾筒殺青機應用最為廣泛，其具有操作簡單、成本低、適用性廣等優點，但其溫度不易控制、熱能利用率較低。其可適用于品質要求不高的中高檔茶。蒸汽殺青是利用高溫蒸汽傳導熱量使茶鮮葉迅速升溫，從而達到殺青的目的，其優點是穿透性強、加熱均勻、不易產生燒焦葉。微波殺青是指利用鮮葉本身的水分通過高頻微波的震蕩作用，使得茶葉快速升溫。但其殺青作業后茶葉香氣較弱，適用于茶多酚含量較高或注重保持綠色色澤的茶葉。遠紅外殺青則利用遠紅外線頻率與物體分子固有頻率接近時，會被物體強烈吸收并加速分子的熱運動，使物體溫度迅速提高進行殺青作業，由于其不需要加熱空氣，而直接與茶葉作用，因此加熱作業效率較高且節能環保。熱風殺青是通過熱風與茶鮮葉之間的熱交換，使鮮葉表面溫度迅速提高，鈍化酶活，完成殺青，其優點是殺青葉含水量低，利于后續揉捻，適用于耐高溫或含水量較高的茶葉。電磁殺青則是利用高頻電場產生交變磁場，加速鐵質容器內的鐵原子做無規則運動，從而產生高溫環境實現殺青。其具有升溫快、易控制，無污染等優點，但其造價較昂貴，適合大型茶廠。這些殺青技術設備結構如圖1所示。

表1 不同殺青技術及設備的比較分析Tab. 1 Comparative analysis of different fixation technologies and equipment

(a) 滾筒殺青(b) 蒸汽殺青

(c) 微波殺青(d) 遠紅外殺青

(e) 熱風殺青(f) 電磁殺青

1.1 殺青機爐體

爐體為殺青機裝載物料的部件，其參數設計與材料選用對殺青機的設計至關重要，針對殺青機爐體設計與改造方面，蔣建祥等[8]設計了大宗茶鮮葉殺青新型高效熱風爐，其重新設計了燃燒系統，并改變爐體出風口錐度，成功研制出了熱風達到300 ℃以上且鮮葉殺青量達到1 000 kg/h的新型熱風爐,且比以前的熱風爐殺青更勻更透,達到了既增加鮮葉殺青量,又可以不加重茶企負擔的目的。黎明天[9]發明了整體式茶葉殺青機，其把爐體設計成爐體上蓋及爐體下座兩個獨立部分,通過法蘭連接為整體式結構,其中爐體下座下設燃燒室并連接爐體支架，具有效率高、結構簡單緊湊、工作可靠等優點。牛曉飛等[10]對殺青機爐體內部結構進行改造，在爐體內設置了不銹鋼隔離層,茶葉進入殺青機旋轉筒進行殺青時,不會受到旋轉筒內表面的氧化鐵的污染,有效提高了茶葉的色、香、味等各方面指標質量,增加了經濟效益。

1.2 導葉板

導葉板是殺青機的關鍵部件，其作用是改變茶葉物料在爐體內的運動方向，使其以合理的速度緩慢在殺青機爐體內運動，導葉板的形狀、布置方式對茶葉殺青作業品質影響較大。徐海衛等[11]對滾筒式殺青機導葉板開展研究，分析了對數螺線的螺旋角對滾筒式殺青機生產均勻性的影響規律。其提出了一種分段設計導葉板的方法(圖2)，并基于fluent軟件對滾筒殺青機內部流場進行仿真分析，仿真結果也進一步驗證了分段設計導葉板可有效提高殺青作業效率和品質。蔣云[12]發明了殺青機新型滾筒，其為殺青機設計了螺旋式導葉板，且導葉板入口段與滾筒本體軸斷面的夾角大于等于66°，從入口至出口各段與滾筒本體軸斷面形成的角度依次增大，這樣設計的殺青機作業效果較好，制作工藝簡單，易于控制各段導葉板溫度。

圖2 螺旋線及展開圖Fig. 2 Schematic diagram of spiral line and its expansion

1.3 加熱裝置

在茶葉殺青過程中，溫度對茶葉最終品質有較大影響。茶葉殺青溫度需根據鮮葉的實際情況來定，一般情況下爐體筒壁需達到180 ℃左右，如果其溫度變化較大，易導致茶葉色澤變暗或燒焦，從而影響加工品質。我國目前茶葉殺青機中應用最廣的是電阻絲式加熱裝置，其具有安裝拆卸簡易、加熱塊、成本低等優點，同時國內學者也提出了一些新的技術方案，如紅外加熱裝置、電磁加熱裝置等，吳瑞梅等[13]發明了一種新型茶葉殺青機加熱裝置，其主要由工作臺、水槽、底板、加熱絲、導塊等組成，作業時先對水槽內的水進行加熱，再通過水槽將熱量傳遞至茶葉槽，完成茶葉的加熱，該種加熱方式較為溫和，避免了茶葉內部的水分被過度蒸發。李杰等[14]發明了電熱茶葉殺青機，其通過固定在機架上的碳刷與旋轉內筒上的導電隔熱絕緣材料組實現電能的換向，實現內筒體與電熱裝置熱能的直接傳遞，具有提高能源利用率和生產效率的積極效果。艾施榮等[15]發明了一種用于滾筒式殺青機的遠紅外加熱裝置，其主要由支撐座、紅外加熱管、溫度傳感器、電機、皮帶等組成，其將紅外輻射管置于滾筒中心，通過控制風扇電機的正反轉,實現吹葉以及排濕的雙重效果，降低了水汽對加熱的不利影響，具有熱能利用率高、適用性好、綠色環保等優點。郝朝會[16]針對傳統滾筒式殺青機作業易出現蕉葉、糊葉等現象，將紅外加熱技術應用在殺青機設計中，設計了一種滾筒式紅外茶葉殺青機。其對滾筒內物料運動進行理論分析及仿真驗證，優化設計了殺青機結構參數。詹星星等[17]設計了電磁式茶葉殺青機(圖3)，其根據電磁感應原理，利用有限元分析軟件ANSYS對滾筒電磁加熱過程進行了模擬仿真試驗，分析電流頻率、電流密度、線圈與滾筒之間的距離等參數對滾筒加熱效果的影響，結果表明: 所設計的電磁殺青機滿足預期設計要求，相比電熱式滾筒殺青機，預熱時間明顯縮短，殺青能耗大幅下降，溫度控制精度顯著提高。

圖3 電磁殺青機結構示意圖Fig. 3 Schematic diagram of electromagnetic smashing machine1.拖輪 2.進料口 3.控制臺 4.滾筒 5.線圈6.排濕裝置 7.出料口 8.支撐支架 9.傳動電機

農業農村部南京農業機械化研究所對熱輻射殺青技術及裝備開展相關研究，設計了熱輻射殺青機(圖4)，該機通過搭建在線監測與自動化控制系統，實現自動調整投料量、輸入功率和輸送速度。生產效率最高可達400 kg/h，熱能利用率超過60%，可根據鮮葉量選用1～3組殺青，節能效果顯著。

圖4 熱輻射殺青機Fig. 4 Heat radiation type tea smashing machine

1.4 控制系統

在殺青機作業過程中，需要控制爐體轉速、殺青溫度、茶葉喂入量、殺青時間等，這些參數對茶葉殺青的質量有重要影響，合理的控制作業參數會大大提高殺青作業效率和質量。目前國內殺青機自動化水平并不高，很多作業參數調節仍需人工經驗去調節，針對上述問題，郝朝會[16]設計了一種殺青機自適應模糊PID控制系統，該系統以AT89S51為核心控制器，配備了高精度紅外溫度傳感器，采用模糊PID算法，實時更新PWM控制輸出參數，控制可控硅的通斷時間，實現對溫度的高精度控制，此控制系統控溫準確、及時，能較好的保持恒溫，保證殺青機作業效果良好。潘玉成等[18]針對滾筒式殺青機溫控系統具有時變不確定非線性的特點，利用模糊控制的良好收斂性和對模糊量的運算優勢，以及神經網絡自學習、自適應的特性，將常規PID控制與模糊控制、神經網絡結合起來，提出一種基于模糊RBF神經網絡的PID控制策略，實現了對PID參數的實時在線整定。基于MATLAB軟件對系統進行仿真，結果表明模糊RBF神經網絡PID控制，系統具有更好的動靜態特性和抗干擾性能，溫度控制誤差在±2 ℃范圍內，能很好地滿足茶葉殺青工藝對溫度的控制要求，保證了茶葉的殺青質量。虞文俊等[19]以Arduino為下位機，LABVIEW為上位機開發了茶葉紅外殺青機控制系統，樣機殺青實驗驗證結果表明，系統運行穩定，殺青均勻，具有良好的殺青效果。

1.5 殺青作業過程仿真分析研究

隨著國內計算機技術的不斷發展，很多學者采用計算機模擬法分析殺青機作業過程以及其內部顆粒場、溫度場分布情況，其中有限元法及離散元法應用較多。虞文俊等[20]基于Fluent-EDEM耦合技術對茶葉紅外殺青機內部流場進行模擬，通過求解計算得到殺青機滾筒內流場溫度分布和殺青葉升溫曲線(圖5)，并與同型號的電加熱滾筒內流場模擬結果進行比較。模擬結果表明，電加熱結構的溫度流場在滾筒內均勻分布，熱能利用率低；而紅外殺青機滾筒內流場溫度分布主要集中在滾筒右部及底部，能將大部分熱能直接輻射到殺青葉上，熱能利用率高，該殺青裝置能使殺青葉在短時間內快速升溫，從而快速鈍化酶的活性，提高茶葉品質。何磊等[21]以滾筒殺青機為研究對象，基于離散元分析技術的PFC3D法，對殺青過程的各相關參數進行數值模擬，如滾筒轉速、導葉板數量、布局、傾角及結構，滾筒傾角與壁溫等對殺青效果的影響。結果表明：滾筒殺青時，存在最佳轉速，滾筒前段布置較多的導葉板，有利于殺青葉溫度的迅速提高，適當增加導葉板傾角和采用“L”型導葉板，將提高茶葉在筒壁上的散度，有利于殺青葉溫度的均勻。

(a) 電加熱

(b) 紅外加熱

2 存在問題

茶葉殺青機作為茶葉初制加工工序中重要的加工機械，近幾年雖然發展迅速，取得了較大進步，一系列機型已被投入到生產實踐中，但仍存在較多不足，其具體如下。

1) 缺乏相關政策支持、標準化建設滯后。我國目前的農機補貼政策主要針對主要農作物的田間生產作業環節，茶園作業環節尚有少許資金支持，而茶葉加工目前沒有支持政策和資金，這大大制約了我國茶葉加工機械的發展和應用，同時茶葉殺青機行業標準制定起步比較晚，還不成熟有待完善。我國茶機制造企業規模普遍較小，研發力量薄弱，能投入的技術研發與創新資金有限，產品質量與可靠性方面都有待提高，同時由于生產缺乏標準化和系列化，機械模塊與零件之間不能通用和互換，這都增加了生產和使用成本，給后期維修和改進也帶來了許多麻煩。

2) 機器振動、噪音較大，熱能利用率低。由于設計、加工工藝粗糙等原因，現有的茶葉殺青機作業時機器噪音及振動均較大。傳統的加熱方式其傳熱較慢、人能利用率低，同時溫度難以控制，爐體內溫度波動較大，使茶葉受熱不均勻，大大降低了茶葉品質。

3) 自動化程度較低，上下料仍需人工完成。目前我國茶葉殺青機自動化、智能化程度普遍較低，很多作業仍然依靠人工完成，如茶葉上下料、滾筒轉速調節、爐內溫度調節等。還無法實現根據茶葉喂入量自主實時調節與匹配滾筒轉速與爐內溫度。

3 發展趨勢

茶葉殺青機在茶葉初制工序中發揮了重要作用，特別是對我國茶量較大的綠茶來說，是不可或缺的加工設備。針對我國茶葉殺青機發展現狀與特點，提出茶葉殺青機未來的發展趨勢如下。

1) 以政府為主導，完善相關補貼政策，加強行業標準建設，促進行業協調化發展。目前我國茶葉殺青作業難以完全標準化生產，產品品質質量不一致。其原因主要為各地作業工藝標準不一致，同時各茶機制造企業缺乏統一標準，因此未來應注重殺青機標準方面建設，可借鑒現代互聯網相關技術與茶機有效結合，詳細的記錄茶葉殺青過程中關鍵工藝參數與茶葉品質變化相關數據，為茶機制造提供參考，促進茶葉殺青作業信息化及標準化形成。

2) 完善茶葉殺青機相關技術研發，加強模塊化、綠色化、智能化設計。以節能、綠色為目標，引進借鑒工業上新型高導熱節能材料設計和改造殺青機爐體，同時推進遠紅外殺青、電磁殺青等新型加熱技術的研發，以進一步降低能耗，實現綠色化茶葉加工生產，全面提升制茶品質。加強理論研究，掌握茶葉基本參數與熱力學特性，通過試驗得到喂入量、滾筒轉速及溫度之間的響應關系，以優化殺青機作業參數。加強自動化、智能化設計，設計全自動上下料設備，采用自適應控制等工業上成熟技術，實現茶葉殺青作業實時調溫、調速，形成智能、連續的茶葉殺青作業機組，以全面提升殺青作業質量和效益。

4 結語

近年來，隨著我國工業技術不斷發展，茶葉加工綜合機械化水平不斷提高，茶葉殺青技術與設備發展迅速，一系列機型被研發制造投入生產實踐中，提高了我國茶葉殺青作業的效率和質量，但仍存在機器振動、噪音較大，熱能利用率不高，自動化程度較低等不足，為進一步促進我國茶葉殺青技術與設備高速、可持續發展，未來應以政府為主導，加強行業標準建設，同時還應完善殺青機相關技術研究，朝模塊化、綠色化、智能化方向發展。