董春旺

中国农业科学院茶叶研究所，310008

茶产业是我国传统特色产业，是“一带一路”倡议中的传统优势特色外向型产业，其以突出的比较效益，成为涉茶地区2020年全面实现小康社会的脱贫攻坚产业[1]。茶叶加工是茶叶品质形成的重要阶段，对茶叶品质等级起决定作用。目前，我国茶叶生产企业数量多、规模小，加工以单机作业为主，通过手工操作和经验制茶，造成产品质量、风格的稳定性和统一性差，并引入诸多质量安全不稳定因素[2]。以红茶加工为例，其近年在国内发展迅速，几乎国内所有茶叶加工企业开始涉入红茶加工领域，但普遍存在制茶经验不足、加工技术和装备落后、设备与工艺配套性差、标准化水平低的情况[3]。目前我国茶机的最高自动化水平为生产线中央控制系统，初步实现了监控设备运行状态，线路故障与否、设备运行的实时显示和统计，仍缺乏在制品品质性状的在线数字化感知，以及品质的智能化定向调控技术，支撑产业发展面临众多挑战[4-5]。

随着茶产业结构调整的深入，围绕“降产能、去库存，降成本、去杠杆，调结构、补短板”的供给侧结构性改革和市场需求，茶叶加工技术和装备正处于更新、升级转型中，工业化、标准化、数字化和智能化的生产是未来发展的趋势[6-9]，而实现新型工业信息化时代背景下的传承工艺数字化和智能化的产业技术需求，还面临诸多共性技术问题。

一、智能化加工面临的产业共性技术问题

1.传承工艺的数字化问题

品质的在线感知是茶叶数字化、智能化加工的基础。在鲜叶原料、摊青、萎凋、杀青和干燥等关键工序中，水分、颜色、香气和外观纹理等物理特征、物料特性均发生变化，这些指标与最终的成茶品质密切相关[10]。由于缺少对品质相关的关键物料理化特性的快速检测、感知和监控技术，导致对生产线上茶叶加工品质的控制，基本靠人的经验如“一看二闻三摸”，或基于时间、温湿度等简单工艺参数的过程控制，标准化程度低，自动化和可控性差，远未实现真正意义上的“机器换人”和自动化加工生产[11-12]。

2.关键加工装备制造无规范、装配无标准

装备的可靠性是工艺标准化的基础。日本茶叶机械化、连续化、清洁化和自动化普及程度较高，无论单机或流水线均配有较完善的检测和控制功能的制御盘，因得益于规范的制造、加工和装配标准，高质量的传感器，合理的布控检测点及布线，保证了茶机较高的稳定性、可靠性、互换性和控制精度[9]。此外，工业制造业（如汽车、航空）有严格的行业规范、认证和标准，如汽车的可靠性，取决于其传感器检测和控制系统的完善、布局及精度，显然较拖拉机其行驶的可靠性、稳定性更高[12]。

纵观绿茶、红茶等茶机装备，设备结构、传感器型号、精度、用工用料、布控安装位置、采集点、布设方法等均不统一，直接导致同一茶机性能相去甚远，工艺参数无法推广。设定参数与实际参数误差较大，机器制茶仍需工人经验把握，做茶“省力，不省心”，与工业领域的自动化标准相去甚远。

3.关键加工装备与工艺需求不匹配

制茶工艺与装备的匹配性是茶叶高质化加工的基础。由于茶叶加工工序及品质形成的复杂性，通用加工设备在使用中并不理想[12]。以工夫红茶萎凋为例，在热风和抽湿萎凋中，由于热空气密度较小，无论热空气或抽湿气流从萎凋室的任何部位接入，热空气都会迅速向上部运动，造成萎凋室上部空间温度较高，下部空间温度较低[13-14]。同时，萎凋叶挥发水分逐层传递积累升高，使不同层的茶鲜叶温度、湿度出现差异，失水速率不同，从而导致鲜叶萎凋不均匀，易产生红叶、焦叶或萎凋不足等现象，影响了鲜叶萎凋质量。

此外，现有发酵设备的设计理念也参照了萎凋、干燥设备，多为箱式结构、框架式多层结构设计，上下层间温湿度有一定差异，同时各层摊放厚度不均，且不具备适时翻叶功能，致使发酵叶酶促氧化程度不统一[3]。茶叶加工装备与工艺需求的匹配性，决定了制茶品质、工业化和标准化程度。

二、对策与展望

1. 突破更宽范围的在制品性状信号的数字化，实现茶叶装备向更高阶段发展

现代食品生产线的高度自动化，除包括加工工艺自动化外，还含质量检测调整自动化（品质、探伤、去杂、理化成分等质量要素），是以高生产率及减少生产人员为基本特征，也是现代食品加工企业食品品质在线检测、过程控制和分级定价系统的要求，正是我国食品工业所缺失的[15]。

同时，控制的根本在于控制信号的数字化和反馈控制[16]，但现有茶叶生产中，除设备基础参数（温度、湿度、时间、转速、流量和重量等）外，和茶叶品质息息相关的原料特性（嫩度、含水率、生化成分）、物料物理及质构特性（光、电、力、摩擦、弹性、塑形、质感、手感）、化学特性（pH、介电、电导）和感官特性（色、香、味、形）等信息尚未实现数字化。无人机、无人车等无人驾驶技术，其取决于对道路光、声、电、图像等多源信息的智能识别、融合、决策和驾驶执行机构的处理能力。因此，通过现代食品在线检测技术[16]，建立相关品质信息的智能感知技术，形成工艺控制的专家决策数据库，是突破茶叶智能化加工技术瓶颈的必要理论基础和有效途径。

2.制订茶机材料、检测和控制系统的行业标准，构建茶叶标准化工艺技术体系

针对现有绿茶、红茶的茶机及生产线的控制单元，开展传感器的性能评估、筛选、布控优化研究，建立规范统一的传感器、茶机材料（热力学性能、厚度、规格）使用标准，以获取茶叶加工中全面可靠的控制信号信息，是当前茶产业智能化进程中首要解决的问题。

3.强化工艺与装备技术融合，创新研发和优化专用制茶设备

通过仿生学、虚拟样机、有限元、计算流体力学等现代机械设计方法[18]，结合工艺性能实验，研究关键装备的温度场、湿度场、流场时空分布规律和多体动力学特性，对茶机进行原始创新和集成优化设计。提升摊青、萎凋、杀青、发酵和干燥等关键装备的结构、供热方式、通风方式和控制算法，优化相关机械结构、传动方式及运动学参数，形成茶叶专用，以适应自动化、智能化生产的硬件要求。

综上，茶产业的发展将更加依赖于科技进步和科技创新，现代食品工程、机械电子、信息工程和人工智能等更多交叉学科的新技术、新理念，将传播、渗透到传统茶叶加工业，促进现有茶机及茶技向精准化、数字化和智能化的升级。