烏龍茶智能化做青技術(shù)研究進(jìn)展

魏子淳, 林冬純, 于學(xué)領(lǐng), 項(xiàng)應(yīng)萍, 林宏政,3, 郝志龍,3

(1.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省種植業(yè)技術(shù)推廣總站，福建 福州 350003； 3.茶學(xué)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002)

我國是世界最大的產(chǎn)茶國，茶葉產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一[1]。烏龍茶是我國特有茶類，素以滋味醇厚、花果香濃郁、品類繁多而聞名，主產(chǎn)于福建、廣東和臺(tái)灣等地，其中福建烏龍茶產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的75%左右[2]。烏龍茶初制工藝為：鮮葉、萎凋、做青、殺青、揉捻(包揉)、干燥[3-4]，其中做青包括搖青和晾青兩個(gè)重復(fù)交替的過程，是形成烏龍茶獨(dú)特品質(zhì)的關(guān)鍵工序[5]。目前，烏龍茶初制已實(shí)現(xiàn)各加工工序機(jī)械化，并逐漸向連續(xù)化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，但優(yōu)質(zhì)烏龍茶生產(chǎn)仍沿襲傳統(tǒng)加工工藝，智能化水平落后，現(xiàn)代化設(shè)施更新較慢，現(xiàn)代科技對烏龍茶產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)率不高[6]。烏龍茶做青工藝受制于環(huán)境條件，且過于依賴加工者的經(jīng)驗(yàn)，如何提升做青品質(zhì)，減少人工成本，提高做青智能化程度是當(dāng)前亟需解決的問題。因此，本文闡述了做青工藝對烏龍茶品質(zhì)的影響以及烏龍茶智能化做青技術(shù)研究進(jìn)展，提出烏龍茶做青智能化的發(fā)展方向，以期為新型智能化做青設(shè)備的研發(fā)提供參考。

1 做青對烏龍茶品質(zhì)的影響

做青包括搖青和晾青兩個(gè)過程，是烏龍茶品質(zhì)形成的關(guān)鍵工序。搖青破壞了烏龍茶葉緣細(xì)胞組織，晾青則促進(jìn)茶葉內(nèi)含物發(fā)生化學(xué)變化，以形成烏龍茶獨(dú)有的色、香、味品質(zhì)。做青技術(shù)與環(huán)境因子是影響烏龍茶品質(zhì)的主要因素[7-8]。

1.1 做青技術(shù)

做青技術(shù)包含不同時(shí)間與程度的曬青、搖青、攤青、涼青、發(fā)酵等操作，綜合影響茶葉的水分含量、滋味和香氣品質(zhì)等[9]。

1.1.1 對青葉水分變化的影響 青葉水分變化與成茶品質(zhì)關(guān)系密切[10]。搖青的機(jī)械力刺激使青葉梗脈中的水分向葉片轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為“還陽”狀態(tài)；晾青使葉片中的水分再通過氣孔逐步散發(fā)，為“退青”狀態(tài)[11-12]。潘玉華[13]研究表明，做青過程中鮮葉水分含量呈波動(dòng)性下降趨勢，認(rèn)為“還陽”現(xiàn)象由葉梗水分向葉片轉(zhuǎn)移及葉片破損后呼吸作用產(chǎn)生大分子水解、末端氧化形成水分共同造成。黃皓等[14]研究表明，做青過程中鮮葉水分含量平均下降16.79%。郭雅玲等[15]提出水勢可作為判斷做青水分的新參數(shù)，認(rèn)為做青時(shí)水分由梗流向葉片，做青工藝引起的茶梢水分傳輸、擴(kuò)散效應(yīng)明顯。

1.1.2 對滋味的影響 做青過程中，青葉的水浸出物、茶多酚、咖啡堿、可溶性糖等含量的變化綜合影響烏龍茶滋味[16-17]。黃福平[18]研究表明，隨著做青的進(jìn)行，烏龍茶多酚類、水浸出物、可溶性糖含量呈下降趨勢，并隨著搖青強(qiáng)度的提高而加速下降；咖啡堿含量則呈上升趨勢；搖青能促進(jìn)氨基酸轉(zhuǎn)化，且搖青強(qiáng)度越大，青葉內(nèi)氨基酸總量越少。黃毅彪等[19]研究認(rèn)為，振動(dòng)做青有利于提高烏龍茶氨基酸總量和咖啡堿含量。劉彬彬[20]研究發(fā)現(xiàn)，隨著做青的進(jìn)行，新品系‘606’和‘黃旦’的氨基酸總量與咖啡堿含量變化趨勢相反。因此，做青方法及鮮葉原料會(huì)影響烏龍茶生化成分含量的變化趨勢。

1.1.3 對香氣的影響 香氣是烏龍茶感官評價(jià)的重要因子。Takeo et al[21]、梁曉嵐等[22]研究表明，做青可加速形成半發(fā)酵茶的典型香氣，搖青使萎凋葉中的高分子不揮發(fā)性成分通過水解、氧化分解，形成烏龍茶特有的揮發(fā)性物質(zhì)。搖青可明顯提升烏龍茶中乙酸-順3-乙烯酯、苯甲酸-3-乙烯酯、順茉莉酮、苯已腈、α-法呢烯、橙花叔醇、茉莉內(nèi)酯、異丁子香酚、苯乙酸和吲哚等香氣成分[12]。研究發(fā)現(xiàn)，做青可提高與萜類物質(zhì)合成有關(guān)的基因GGDPS、CsID、CsMVK、CsTPS的表達(dá)量，甚至可達(dá)最大值[23-26]。王爾茂等[27]研究表明，機(jī)械做青鮮葉的酶促氧化速度與程度高于手工做青，內(nèi)含物質(zhì)過分水解、氧化，特征香氣組成比例失調(diào)，香氣表現(xiàn)低于手工做青。

1.2 做青環(huán)境

烏龍茶做青環(huán)境影響因子主要有空氣溫濕度與氣流因子，環(huán)境因子參數(shù)過高或過低會(huì)導(dǎo)致青葉生化反應(yīng)過快或過慢，從而影響成茶品質(zhì)[28]。烏龍茶做青最適宜的氣候條件是“北風(fēng)天”，其溫度為18～23 ℃，濕度為60%～70%，且伴有微風(fēng)。施兆鵬[29]、金心怡[30]研究表明，烏龍茶最適做青溫度為22～25 ℃，相對濕度為60%～80%。孫云等[31]提出，烏龍茶低溫做青溫度以22～23 ℃為宜，溫度過低不利于內(nèi)含物轉(zhuǎn)化，且耗時(shí)長，內(nèi)含物消耗過多，使成品茶滋味鮮醇但淡薄且不耐沖泡，香氣清細(xì)且?guī)鄽猓焚|(zhì)下降。游小妹等[32]比較了人工控制溫濕度的空調(diào)做青與自然環(huán)境做青方式發(fā)現(xiàn)，兩者咖啡堿與氨基酸總量差別不明顯，但自然環(huán)境做青的茶多酚總量和酚氨含量較高。

2 烏龍茶智能化做青技術(shù)

2.1 智能化做青原理

烏龍茶做青設(shè)備屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械。仲繼林[33]提出農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化技術(shù)可分為3個(gè)部分，一是數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息采集；二是決策系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析；三是執(zhí)行系統(tǒng)，負(fù)責(zé)執(zhí)行機(jī)械操作。智能化做青是將做青傳統(tǒng)工藝與智能化技術(shù)相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)“機(jī)器代替人”。而做青工藝的核心是“看青做青，看天做青”，要達(dá)到此要求，需依靠信息采集系統(tǒng)來“看青、看天”，由決策系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)結(jié)合工藝要求進(jìn)行分析，為執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“做青”提供決策支持，最終擺脫傳統(tǒng)做青工藝對制茶師傅的依賴。

2.2 智能化做青技術(shù)

前人在做青技術(shù)與設(shè)備創(chuàng)新、智能化控制等方面做了大量工作。烏龍茶生產(chǎn)由最初的純手工操作，不斷改革創(chuàng)新，使做青技術(shù)和設(shè)備不斷優(yōu)化升級，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，并向智能化邁進(jìn)。

2.2.1 做青設(shè)備 優(yōu)良的做青設(shè)備是獲得高品質(zhì)烏龍茶的關(guān)鍵。目前常用的滾筒做青機(jī)研制于二十世紀(jì)七十年代，是以手工做青的水篩搖青、層架晾青原理為基礎(chǔ)研發(fā)的60型單列三桶做青機(jī)，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了搖晾一體做青[34-35]。八十年代初，前人研制了具有正反轉(zhuǎn)及變速功能的雙筒式烏龍茶做青機(jī)，內(nèi)設(shè)風(fēng)管可完成冷熱風(fēng)輸送，減少氣候環(huán)境對做青的影響[34]。由于烏龍茶傳統(tǒng)做青機(jī)存在晾青攤?cè)~厚度大、透氣性差等問題，金心怡等[36]研發(fā)了新型滾筒做青機(jī)，具有局部加熱功能和良好的通風(fēng)性，采用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)做青過程自動(dòng)控制，有效改善烏龍茶萎凋，提升做青效果。蘇益平等[37]提出做青智能控制技術(shù)并進(jìn)入實(shí)用階段，為烏龍茶智能化做青提供了理論與實(shí)踐依據(jù)。郝志龍等[38]、金心怡等[39]研制了集振動(dòng)、晾青、做青環(huán)境控制為一體的新型烏龍茶振動(dòng)做青設(shè)備。該設(shè)備氣流穩(wěn)定且溫濕度分布均勻，縮短了做青時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，能耗節(jié)約50%，毛茶品質(zhì)相較傳統(tǒng)做青顯著提升。徐金偉[40]研制的烏龍茶水篩搖青機(jī)，模擬手工水篩搖青運(yùn)動(dòng)方式，使葉緣組織均勻摩擦損傷，解決了手工水篩搖青勞動(dòng)強(qiáng)度大、工效低、不能大規(guī)?；a(chǎn)等問題。

2.2.2 做青智能化控制現(xiàn)狀 烏龍茶做青設(shè)備自動(dòng)化、智能化一直是茶葉加工機(jī)械的研究熱點(diǎn)。為解決傳統(tǒng)烏龍茶做青設(shè)備主要依賴人工決策，做青質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，前人在烏龍茶做青設(shè)備智能控制方面開展大量研究。劉文英[41]研制的微機(jī)程控做青設(shè)備，采用微機(jī)控制鏈板式連續(xù)化做青機(jī)，實(shí)現(xiàn)做青全程自動(dòng)化，并結(jié)合紅外線熱源實(shí)現(xiàn)帶雨水鮮葉的萎凋做青。為提高程控設(shè)備的做青質(zhì)量，前人研制了烏龍茶不落地、連續(xù)化振動(dòng)式做青設(shè)備，代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工精細(xì)做青[42]。應(yīng)用電腦軟件進(jìn)行智能化做青，實(shí)現(xiàn)了做青設(shè)備吹、搖、停自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄做青數(shù)據(jù)，顯著提升做青設(shè)備單機(jī)作業(yè)自動(dòng)化水平[43]。由于傳統(tǒng)做青設(shè)備存在單機(jī)生產(chǎn)用工量大、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，陳孝照[44]提出基于PLC(可編程控制器)的烏龍茶連續(xù)做青自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括PLC程序編寫、人機(jī)界面構(gòu)建及變頻器設(shè)置等，該系統(tǒng)滿足烏龍茶加工連續(xù)自動(dòng)化要求，且操作簡單、勞動(dòng)強(qiáng)度低。馬成英等[45]設(shè)計(jì)完成全自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門搖青機(jī)和烏龍茶全自動(dòng)連續(xù)化做青裝備，可完成無人值守的全自動(dòng)、連續(xù)化做青，與烏龍茶初制單機(jī)設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)烏龍茶初制全過程的自動(dòng)化、連續(xù)化。劉江平等[46]采用模糊控制方法，以專家數(shù)據(jù)庫的溫濕度為判斷標(biāo)準(zhǔn)，采集做青現(xiàn)場的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判斷和模糊決策的智能做青控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)控?fù)u青、晾青時(shí)間，加工的產(chǎn)品品質(zhì)與人工做青品質(zhì)相當(dāng)。為提高做青設(shè)備智能控制精準(zhǔn)度，林宏政等[47]公布了一種新型智能化做青裝置，通過溫濕度、RGB參數(shù)采集、電子秤重量參數(shù)采集等模塊，以專家?guī)鞛橐罁?jù)，結(jié)合模糊決策實(shí)現(xiàn)智能化做青。

2.3 烏龍茶智能化做青技術(shù)發(fā)展方向

烏龍茶做青工序因工藝參數(shù)難以量化，數(shù)據(jù)復(fù)雜、多樣，且缺乏長期的數(shù)據(jù)積累，導(dǎo)致智能化做青設(shè)備研發(fā)進(jìn)度緩慢。近年來，人工智能技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中迅速發(fā)展，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，也是烏龍茶做青技術(shù)的發(fā)展方向。

2.3.1 人工智能技術(shù)應(yīng)用 人工智能是研發(fā)用于模擬、延伸和拓展人的智能理論、方法、技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)的一門新技術(shù)科學(xué)[48]。人工智能技術(shù)研究主要包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等，已應(yīng)用于諸多農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[49]。Jiao et al[50]開發(fā)了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的CAD系統(tǒng)，用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取高級別與中級別特征，將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從原始圖像中自動(dòng)提取的強(qiáng)度信息和深層特征結(jié)合，對乳腺癌腫塊進(jìn)行智能判斷分類，效果良好。Li et al[51]基于ASP.NET平臺(tái)開發(fā)甜橙施肥專家系統(tǒng)，以目標(biāo)甜橙種植地理位置以及對應(yīng)氣候條件為依據(jù)擬定施肥計(jì)劃，該系統(tǒng)可節(jié)省肥料使用量，并獲得較高產(chǎn)量。吳薇等[3]用RGB和HIS顏色模型觀察圖像顏色變化，結(jié)合自組織競爭人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建武夷巖茶做青程度預(yù)測模型，預(yù)測效果良好。烏龍茶做青工藝調(diào)控主要依據(jù)葉形、葉溫及有機(jī)揮發(fā)物等參數(shù)變化，此類參數(shù)符合圖像識(shí)別、自然語言識(shí)別與處理等人工智能技術(shù)應(yīng)用要求。將人工智能應(yīng)用于烏龍茶做青技術(shù)，可以根據(jù)做青葉外形特征、葉溫、葉層氣味等工藝參數(shù)變化綜合判斷決策，實(shí)時(shí)調(diào)整做青工藝，解決烏龍茶程控做青決策方式落后和智能化程度低等問題。

2.3.2 云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用 云計(jì)算是一種分布式計(jì)算，利用網(wǎng)絡(luò)“云”將龐大的數(shù)據(jù)分析程序分解成無數(shù)個(gè)小程序，借助多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)和各小程序分析獲得結(jié)果并反饋給使用者[52]。云計(jì)算技術(shù)通過輸入簡單指令獲得相應(yīng)信息，擺脫了移動(dòng)儲(chǔ)存設(shè)備的局限，目前已應(yīng)用于諸多農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[53]。崔立晗等[54]基于阿里云數(shù)據(jù)庫云計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)一款農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)儲(chǔ)存農(nóng)業(yè)空間、屬性等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)客戶之間數(shù)據(jù)共享，使用效果良好。劉文慧等[55]開發(fā)基于云計(jì)算技術(shù)的溫室視頻監(jiān)控系統(tǒng)，利用移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控大型數(shù)據(jù)無法傳輸、海量視頻文件無法儲(chǔ)存與計(jì)算等問題。烏龍茶做青工藝存在生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量大、復(fù)雜多樣等特點(diǎn)，符合云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用要求。云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于烏龍茶做青技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程做青云平臺(tái)管理，解決做青設(shè)備各單機(jī)模塊數(shù)據(jù)無法反饋、沉淀、共享，做青工序信息化、數(shù)據(jù)化程度低等問題，為做青大數(shù)據(jù)挖掘奠定基礎(chǔ)。

2.3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用 物聯(lián)網(wǎng)是利用傳感器、射頻識(shí)別和二維碼等作為感知元件，通過基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物與物、人與物的互聯(lián)(物也可以指虛擬的物)[56]，作為提高農(nóng)業(yè)設(shè)備精準(zhǔn)化、智能化的關(guān)鍵技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[57]。高波等[58]利用Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，建立盆栽互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，可同時(shí)允許多個(gè)感知終端接入Internet，解決了多段終端通信壓力大的問題，移動(dòng)端使用效果良好。姜喆等[59]通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改進(jìn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測、大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程收集，使環(huán)境管理措施更合理。王坤[60]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)水果智能采摘質(zhì)量識(shí)別檢測儀，利用電子鼻、CCD攝像機(jī)采集水果氣味、外形特征等數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水果智能分類、識(shí)別、采摘。傳統(tǒng)烏龍茶做青依靠人體感官判斷調(diào)整工藝，符合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)個(gè)體識(shí)別、情景感知、決策支持等應(yīng)用特點(diǎn)[57]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于烏龍茶做青技術(shù)可以對鮮葉狀態(tài)及破損情況、葉層揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行實(shí)時(shí)無損檢測、反饋，可解決烏龍茶做青工藝參數(shù)代表性弱、數(shù)據(jù)反饋靈敏性差、部分參數(shù)難以量化等問題，幫助做青設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能“看青做青”。

3 小結(jié)與展望

為滿足烏龍茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，烏龍茶加工技術(shù)及設(shè)備不斷更新?lián)Q代[61]。做青技術(shù)是烏龍茶香氣、滋味等品質(zhì)形成的關(guān)鍵。目前，做青技術(shù)裝備尚存在設(shè)備結(jié)構(gòu)創(chuàng)新不足，現(xiàn)有設(shè)備難以滿足智能化做青技術(shù)要求，無法兼顧產(chǎn)量與質(zhì)量等問題。傳統(tǒng)綜合做青機(jī)產(chǎn)量高，但存在做青均勻性差、葉層透氣性差、做青質(zhì)量差等問題。振動(dòng)做青設(shè)備與水篩搖青機(jī)做青能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量，但產(chǎn)量較低。烏龍茶做青設(shè)備單機(jī)生產(chǎn)力與產(chǎn)品穩(wěn)定性不斷提高，但仍然依靠人工決策，尚不能以鮮葉原料的品種、產(chǎn)地、老嫩程度等參數(shù)智能選擇做青方案，做青各工藝參數(shù)尚無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測、反饋，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化智能技術(shù)應(yīng)用程度低。為解決上述問題，應(yīng)結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的烏龍茶做青連續(xù)化、智能化設(shè)備，結(jié)合基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型傳感器實(shí)現(xiàn)做青大數(shù)據(jù)采集、反饋，利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)做青數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與處理，最終由人工智能技術(shù)完成“看青做青”，利用其大數(shù)據(jù)挖掘、分析能力，指導(dǎo)做青設(shè)備進(jìn)行工藝決策。目前，烏龍茶做青設(shè)備智能化還處于起步階段，挖掘與做青各階段高度相關(guān)的參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)該參數(shù)實(shí)時(shí)無損檢測是智能化做青裝備研發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)，只有探明做青過程可靈敏無損檢測并與做青品質(zhì)密切相關(guān)的參數(shù)，才能更好地結(jié)合新興智能技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，開發(fā)清潔化、連續(xù)化、智能化做青裝備。