近紅外技術(shù)助力茶行業(yè)完成“工業(yè)4.0”轉(zhuǎn)型

茶葉是我國(guó)重要的特色農(nóng)產(chǎn)品，是茶區(qū)鄉(xiāng)村振興、精準(zhǔn)脫貧的支柱產(chǎn)業(yè)。我國(guó)茶葉初制加工主要靠人的經(jīng)驗(yàn) “看茶做茶”，如“一看二聞”、“手抓成團(tuán)、松手不散”;或?yàn)榛谠O(shè)備溫度、時(shí)間、轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)單過(guò)程控制，導(dǎo)致制茶省力而不省心，品質(zhì)風(fēng)味穩(wěn)定性差。傳承經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字化問(wèn)題，已成為制約茶葉標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化、智能化發(fā)展的產(chǎn)業(yè)技術(shù)瓶頸。

在線(xiàn)近紅外茶葉品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)智能感知系統(tǒng)進(jìn)入示范推廣階段

近日，由中國(guó)農(nóng)科院茶葉研究所董春旺博士牽頭，無(wú)錫迅杰光遠(yuǎn)科技有限公司提供光學(xué)技術(shù)支撐、北京小罐茶業(yè)公司提供平臺(tái)支持下，我國(guó)在茶葉加工品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)上取得突破，三方合作研發(fā)了在線(xiàn)近紅外茶葉品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)智能感知系統(tǒng)，并在鳳慶小罐滇紅茶自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)集成應(yīng)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)茶鮮葉、萎凋葉水分檢測(cè)絕對(duì)誤差為±0.5%，對(duì)紅茶發(fā)酵品質(zhì)適度判別正確率為100%，近紅外光譜檢測(cè)時(shí)間小于1min，而機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)時(shí)間僅為1.4s。

本成果在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅茶加工過(guò)程中在制品水分、發(fā)酵品質(zhì)的快速無(wú)損傷檢測(cè)，將人工制茶經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行量化、數(shù)字化及可視化呈現(xiàn)，為后續(xù)茶葉品質(zhì)風(fēng)味的精準(zhǔn)加工和定向調(diào)控，以及專(zhuān)家決策和智能管控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，掃清了關(guān)鍵技術(shù)障礙。目前成套系統(tǒng)已正式投入使用，進(jìn)入示范推廣階段。

中國(guó)農(nóng)科院茶葉研究所，是唯一的國(guó)家級(jí)綜合性茶葉科研機(jī)構(gòu)，多年來(lái)為推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)投入了大量的研究與精力。本次近紅外茶葉在線(xiàn)檢測(cè)項(xiàng)目就是中茶所在茶葉加工與質(zhì)量控制領(lǐng)域的一次可行性探索，得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31972466）、中央級(jí)院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)重點(diǎn)項(xiàng)目（1610212018005）、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目的資助，相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)表在SCI學(xué)術(shù)期刊。

“產(chǎn)學(xué)研用”合作共筑科技成果轉(zhuǎn)化

作為一家從事近紅外光譜分析儀器研發(fā)及提供行業(yè)定制化解決方案的高新技術(shù)企業(yè)，無(wú)錫迅杰光遠(yuǎn)科技有限公司憑借其近年來(lái)在近紅外光譜檢測(cè)領(lǐng)域的突出表現(xiàn)，以及其在食品檢測(cè)、農(nóng)牧業(yè)、環(huán)境保護(hù)、加工制造等行業(yè)的應(yīng)用與實(shí)踐成果，與中茶所、小罐茶通過(guò)“產(chǎn)學(xué)研用”合作，將中茶所董春旺博士的前期探索性研究形成理論積累和數(shù)據(jù)模型，并在無(wú)錫迅杰光遠(yuǎn)科技有限公司自主研發(fā)的近紅外系統(tǒng)上及小罐茶生產(chǎn)線(xiàn)上做了較好的集成及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

據(jù)了解，此次項(xiàng)目旨在解決茶葉加工過(guò)程中水分含量實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)問(wèn)題，通過(guò)在萎凋、烘干等環(huán)節(jié)加裝在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備，以確保生產(chǎn)者能通過(guò)數(shù)據(jù)具象化的方式，直觀實(shí)時(shí)觀測(cè)到加工過(guò)程中水分的變化；同時(shí)，本項(xiàng)目還在發(fā)酵環(huán)節(jié)加裝了檢測(cè)設(shè)備，嘗試建立茶葉中一些內(nèi)容物的檢測(cè)模型，并分析茶葉內(nèi)容物的變化與茶葉品質(zhì)之間的關(guān)系。

本次項(xiàng)目的成功，不但對(duì)于茶葉制造行業(yè)工業(yè)化轉(zhuǎn)型具有積極的探索意義，同時(shí)也為類(lèi)似的傳統(tǒng)制造行業(yè)轉(zhuǎn)型提供了具有正向參考意義的范本。

近紅外技術(shù)助力茶行業(yè)完成“工業(yè)4.0”轉(zhuǎn)型

此次所采用的近紅外光譜分析技術(shù)，是一種光譜測(cè)量技術(shù)與化學(xué)計(jì)量學(xué)學(xué)科有機(jī)結(jié)合的新興技術(shù)，憑借其便攜、準(zhǔn)確、成本低、無(wú)損環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，成為近年來(lái)發(fā)展最快，最有前景的檢測(cè)技術(shù)之一。

該項(xiàng)目總體由硬件及模型兩部分組成，硬件部分包含近紅外光譜儀的架設(shè)安裝及網(wǎng)絡(luò)傳輸部分，模型部分包含茶葉在萎凋、發(fā)酵、烘干等各環(huán)節(jié)的水分含量模型，萎凋、發(fā)酵環(huán)節(jié)中茶葉內(nèi)容物（茶多酚、茶色素、兒茶素等）的模型，以及迅無(wú)錫迅杰光遠(yuǎn)與中茶所和小罐茶公司合作構(gòu)建的茶葉定性判別模型。

在同一批次，茶葉發(fā)酵的不同時(shí)間點(diǎn)，分別采集樣品，獲得樣品的近紅外檢測(cè)光譜、理化數(shù)據(jù)，并將不同時(shí)間點(diǎn)的各樣品都制成成品茶，由大師感官評(píng)定，并將感官評(píng)定分?jǐn)?shù)與前期獲得的光譜及理化數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，建立模型，尋找最佳發(fā)酵時(shí)間的拐點(diǎn)，以達(dá)到降低能耗、優(yōu)化工藝、穩(wěn)定品質(zhì)的目的。并通過(guò)以上一系列工作，最終將原有大師經(jīng)驗(yàn)評(píng)定的方式，升級(jí)為可視化、數(shù)字化、可控制的參數(shù)指標(biāo)。

利用近紅外光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)制茶過(guò)程，不僅可以通過(guò)可視化的方式直觀了解制茶過(guò)程中茶葉內(nèi)部水分以及化學(xué)成分的變化，還可以直接通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)論對(duì)制茶過(guò)程進(jìn)行有效調(diào)整和干預(yù)，從而提高茶葉生產(chǎn)的品控水平，并實(shí)現(xiàn)制茶的標(biāo)準(zhǔn)化。尤其在發(fā)酵環(huán)節(jié)，該項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用可以更好更快地彌補(bǔ)人工判別發(fā)酵程度的不足，讓發(fā)酵環(huán)節(jié)更加科學(xué)合理。

如今，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的崛起，近紅外光譜分析技術(shù)也在逐漸融合大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，朝著智能化方向發(fā)展。通過(guò)本項(xiàng)目在近紅外制茶行業(yè)的應(yīng)用，一方面證明了近紅外技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)廣泛的應(yīng)用空間，另一方面也為制茶行業(yè)的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化提供了可行性路徑。隨著試點(diǎn)產(chǎn)線(xiàn)的順利運(yùn)行，后續(xù)，中國(guó)茶葉研究所將協(xié)同無(wú)錫迅杰光遠(yuǎn)科技有限公司，進(jìn)一步加大該技術(shù)在制茶行業(yè)的相關(guān)合作和投入，逐步擴(kuò)大近紅外檢測(cè)技術(shù)在制茶行業(yè)應(yīng)用的推廣，穩(wěn)步提升我國(guó)制茶工藝的工業(yè)化水平。