近紅外技術助力茶葉加工邁向智能制造工業4.0

茶葉是我國重要的特色農產品,是茶區鄉村振興、精準脫貧的支柱產業。我國茶葉初制加工主要靠人的經驗 “看茶做茶”,如“一看二聞”、“手抓成團、松手不散”;或為基于設備溫度、時間、轉速的簡單過程控制,導致制茶省力而不省心,品質風味穩定性差。傳承經驗的數字化問題,已成為制約茶葉標準化、工業化、智能化發展的產業技術瓶頸。


近日,由中國農科院茶葉研究所董春旺博士牽頭,無錫迅杰光遠科技有限公司提供光學技術支撐,在茶葉加工品質檢測技術上取得重大突破,合作研發了在線的近紅外茶葉品質檢測系統、機器視覺智能感知系統,并在茶葉自動生產線集成應用。經實驗測試,對茶鮮葉、萎凋葉水分檢測絕對誤差為±0.5%,對紅茶發酵品質適度判別正確率為100%,近紅外光譜檢測時間小于1min,而機器視覺檢測時間僅為1.4s。


本成果是世界范圍內,首次實現了對紅茶加工過程中在制品水分、發酵品質的在建快速無損傷檢測,將人工制茶經驗進行量化、數字化及可視化呈現,為后續茶葉品質風味的精準加工和定向調控,以及專家決策和智能管控技術的實現,掃清了關鍵技術障礙。目前成套系統已正式投入使用,進入示范推廣階段。

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中國農科院茶葉研究所,是唯一的國家級綜合性茶葉科研機構,多年來為推進產業向轉型升級投入了大量的研究與精力。本次近紅外茶葉在線檢測項目就是茶研所在茶葉加工與質量控制領域的一次可行性探索,得到國家自然科學基金項目(31972466)、中央級院所基本科研業務費重點項目(1610212018005)、中國農業科學院科技創新工程項目的資助,相關數據發表在SCI REP(10.1038/s41598-018-26165-2)SAPA(0.1016/j.saa.2018.07.029)、JFPE(10.1111/jfpe.13428)等國際SCI學術期刊。

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無錫迅杰光遠科技有限公司,作為一家從事近紅外光譜分析儀器研發及提供行業定制化解決方案的高新技術企業。憑借其近年來在近紅外光譜檢測領域的突出表現,以及其在食品檢測、農牧業、環境保護、加工制造等行業的應用與實踐成果。中茶所、無錫迅杰光遠科技有限公司通過“產學研用”合作,將中茶所董春旺博士前期探索性研究形成理論積累和數據模型,在無錫光遠自主研發的近紅外系統上作了較好的集成及產業化應用,形成了科技支撐產業的長效機制和成功案例。


據了解,此次項目旨在解決在茶葉加工過程中水分含量的實時在線檢測問題,通過在萎凋、烘干等環節,加裝在線檢測設備,以確保生產者能通過數據具象化的方式,直觀的實時觀測到加工過程中水分的變化;同時,本項目還在發酵環節加裝了檢測設備,嘗試建立茶葉中一些內容物的檢測模型,并分析茶葉內容物的變化與茶葉品質之間的關系。


而本次項目的成功,對于茶葉制造行業工業化轉型不但具有積極的探索意義,同時也為類似的傳統制造行業轉型提供了具有正向參考意義的范本。


近紅外技術,助力茶行業完成工業4.0轉型


此次所采用的近紅外光譜分析技術,其是一種光譜測量技術與化學計量學學科的有機結合的新興技術,憑借其便攜、準確、成本低、無損環保等優勢,成為近年來發展最快,最有前景的檢測技術之一。


該項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安裝及網絡傳輸部分,模型部分包含茶葉在萎凋、發酵、烘干等各環節的水分含量模型,萎凋、發酵環節中茶葉內容物(茶多酚、茶色素、兒茶素等)的模型,并由中茶所構建了茶葉定性判別模型。


在同一批次,茶葉發酵的不同時間點,分別采集樣品,并獲得樣品的近紅外檢測光譜、理化數據,并將不同時間點的各樣品都制成成品茶,由大師感官評定,并將感官評定分數與前期獲得的光譜及理化數據相關聯,建立模型,尋找最佳發酵時間的拐點,以達到降低能耗,優化工藝,穩定品質的目的。并通過以上一系列工作,最終將原有大師經驗評定的方式,升級為可視化、數字化、可控制的參數指標。


利用近紅外光譜技術監測制茶過程,不僅可以通過可視化的方式值觀的了解只差過程中茶葉內部的水分以及化學成分的變化,還可以通過直接通過數據結論對制茶過程進行有效的調整和干預,從而提高茶葉生產的品控水平,并實現制茶的標準化。尤其在發酵環節,該項技術的運用可以更好更快地彌補人工判別發酵程度的不足,讓發酵環節更加科學合理。

如今,隨著大數據、人工智能等新興技術的崛起,近紅外光譜分析技術也在逐漸融合大數據和人工智能技術,朝著智能化方向發展。通過本項目在近紅外制茶行業的應用,一方面證明了近紅外技術在傳統工業廣泛的應用空間,另一方面也為制茶行業的工業化、標準化提供了可行性路徑。隨著試點產線的順利運行,后續中國茶葉研究所將協同無錫迅杰光遠科技有限公司,進一步深入該技術在制茶行業的相關合作和投入,逐步擴大近紅外檢測技術在制茶行業應用的推廣,穩步提升我國的制茶工藝的工業化水平。


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