從茶葉生產到飲茶的科學
烏龍茶為臺灣人之國飲，至今已有近300年歷史，烏龍茶為臺灣之重要特產，屬於部分發酵茶類。依外型可以區分成文山型（條型包種茶）（圖1）與凍頂型（半球型包種茶）（圖2），是內外銷主要的茶類。目前臺灣茶園種植面積 11,906公頃，年度產量15,200公噸，雖佔全世界茶葉年產量不及1﹪，但卻是臺灣重要高經濟作物之一，年產值約新臺幣150億元；所衍生之茶飲料、茶具、茶藝文化等可高達新臺幣數百億元。
臺灣烏龍茶的製作工序相當繁複，從採摘到製成品，需至少36小時不眠不休的勞力付出，製茶步驟固定，但是力道的拿捏與時間的掌控完全依照經驗。在現代科學的研究下，漸漸的揭開經驗背後所隱藏的科學道理。
茶葉生產一共需要九個步驟才能完成，包括
採摘
室外萎凋
室內萎凋
炒菁
揉捻
初步乾燥
團揉
再次乾燥
烘焙
採摘（圖3）：
臺灣烏龍茶講究一心二葉（圖4）採摘方式，有別於大陸或是日本等只採心芽。會有此採摘方式是因為心芽酯型兒茶素含量較高，口感較為苦澀，但是胺基酸含量較高，回甘來源。成熟葉糖分含量高，酯型兒茶素含量低。所以一次採一心二葉，口感，香氣，滋味達到平衡，且可以耐的住高溫沖泡。如果只採心芽，不可以高溫沖泡，因為心芽的酯型兒茶素過度溶出會讓茶湯苦澀不已。
室外萎凋（圖5）：
常見於小葉種烏龍茶的製造，因為小葉種具有雙層柵狀組織，耐的住高強度的陽光曝曬，反觀大葉種為單層柵狀組織結構，所以將常拿來做紅茶的大葉種不具有室外萎凋的步驟。室外萎凋藉由陽光的能量減少細胞水分含量，減低其活性致細胞膜半透性消失，使位於液胞內的多元酚類能夠滲出，引起發酵作用進行。多元酚類是強抗氧化劑，有助於茶對抗環境逆境。
室內萎凋（圖6）：
此步驟為茶葉發酵，更正確講法是茶葉多元酚類的氧化作用。因為氧化的程度不同，可分成綠茶、烏龍茶、紅茶等三種製茶工藝（圖7）。為什麼說氧化會是更正確的名詞，必須先從發酵談起。
所謂發酵這一名詞的由來，最早用於麥芽汁加入酵母菌產生氣泡的現象，也就是製酒的過程，是最早對於發酵的定義。簡單來說，就是運用生物體分解有機體產生能量的過程。在生物學上的定義是：在電子傳遞鏈當中，以有機物作為電子受體的氧化還原產生能量的反應。但是，在茶葉製造當中，所謂茶葉的發酵應該稱為茶葉的氧化（oxidation）會更為適切。因為茶從綠茶轉變成為烏龍茶再變成紅茶是一連串茶多酚類的聚合反應。
綠茶當中的兒茶素類，在多元酚氧化酵素（PPO）的幫忙下，將兒茶素們氧化，也就是將氧氣加到兒茶素上，或者將兒茶素們像拼積木一樣拼在一起，產生巨大的化合物，這非常像在拼樂高。多元酚類的氧化，會影響茶湯顏色與滋味，兒茶素本身無色，當氧化聚合成為茶黃質的時候茶湯顏色會變深，在紅茶當中，茶黃質（主要）與茶紅質就是重要的顏色與滋味來源，如過聚合過頭就會產生茶褐質，這會使紅茶滋味不佳，湯色變暗。那在烏龍茶當中多元酚類被氧化成什麼呢？並不是茶黃質，不是字面意思為黃色，而是正在研究的”烏龍茶質”，它獨特存在於烏龍茶當中，但因為出現時間短，數量難以判定，種種因素使此物質相當難被偵測，屬於一種中間產物。
『今天的手感，成就明天的口感』，所指在製造過程當中（圖8），藉由翻動使茶菁進行氧化，也就是藉由外力提高多元酚類與PPO接觸的機會，翻動茶葉時必須溫柔，如果翻動的太大力，會造成氧化聚合速度過快（樂高亂亂拼），產生滋味不佳的香氣與口感。一般來說，當翻動完後會產生強烈菁味與淡淡花香，這表示氧化反應正在進行。當茶菁味道變淡時，代表著氧化反應趨緩，需再藉由外力，使多元分類與PPO再次相遇。重複此步驟約4～5次且力道輕盈，當茶菁味變淡，花香變強，代表著氧化已達到烏龍茶標準，在化學上為兒茶素含量已經降低至烏龍茶製做標準。兒茶素含量最高為綠茶，帶有強烈海苔香。
茶葉水份含量的控制與蒸散（俗稱走水）是室內萎凋的另一個重點，如果水份蒸散得宜，茶自然會香，就像是衣服洗好充分曬乾一樣。造成水份蒸散出障礙的原因常見於採摘時捏傷，折傷。室內萎凋時摔傷，浪菁時力量過猛造成內傷，使水份無法藉由如水管般的葉脈流至氣孔蒸散而繼續留在細胞內，也俗稱『積水』。當水份蒸散得宜，細胞內空間會越來越小，使得多元酚類與PPO越來越靠近，氧化反應將繼續順利進行。
順帶一提，喝茶的人常常聽到綠葉鑲紅邊（圖9），這指的是烏龍茶的氧化所造成的結果，綠葉鑲紅邊的茶葉代表發酵足夠的烏龍茶，在現在的製茶技術來說，綠葉紅點鑲邊更是發酵技術控制精良的茶品。為什麼會這樣呢？因為在早期的時候，並沒有任何環境控制機械輔助生產，如空調或是濕度控制系統，只能任由環境來決定茶葉的發酵程度。在凍頂山製茶時，因為海拔介於600~800公尺，溫度並不寒冷，反而溫暖，所以發酵程度容易過快請不易控制，這才會產生綠葉鑲紅邊的結果。在許多教科書都有寫道，這是因為葉緣細胞被破壞後所造成的結果。不過更精確的解釋是葉緣細胞相較於葉中細胞比較小，所以發酵（氧化）程度會比較快。通常從肉眼幾乎看不出葉緣有被破壞過的跡象，如同樹葉落到地上，都是從葉緣開始變色與乾枯，如果能用顯微鏡確認便會知道結果。如果紅邊越粗，代表發酵越重，完全變紅那就是紅茶了。現代在空調環境的控制之下，可以讓茶葉發酵控制的剛剛好，只見綠葉紅點鑲邊的適當發酵。有人稱為此發酵程度為『行腹內』（圖10），行：指發酵。腹內：指葉內。解釋為用肉眼並不可以從葉片見到茶葉發酵的情況，只可以靠喝才能夠體驗。
總結來說，發酵有如一段旅程，起點是綠茶，終點是紅茶，旅途當中處處皆是風景，停靠在哪邊，這憑經驗也憑想像。就因為烏龍茶屬於部分發酵茶，那有多部分？在哪部分？因為這個原因，烏龍茶製造工藝相當具有藝術性，也相當不容易研究。
炒菁（圖11）：
當氧化完成後，必須抑制PPO作用，會使用大約300攝氏度的高溫鍋爐翻炒茶菁（圖12），使大部分PPO失去活性，少量存活下來的PPO將有助於茶葉製做完成之後存放的後氧化作用，也就是我們常聽的老茶風味來源的其中一個原因。如果是紅茶不會進行殺菁此步驟，必須留下PPO盡量將兒茶素氧化透徹。
揉捻（圖13）：
因為茶葉表面具有蠟質，必須經過機械力道進行蠟質與組織破壞（圖14），使茶葉汁液流出黏附在茶葉表面，經乾燥凝固，當在沖泡時熱水才能夠將滋味溶出。揉捻過程中忌諱接觸到鐵的物質，因為鐵會與茶中的沒食子酸結合產生黑色沈澱，所以在製茶場內的揉捻機多為黃銅製底盤（圖15）。
初步乾燥（圖16）：
揉捻後的茶葉必須經過乾燥，以免接下來因為水份含量太高造成茶葉大量沾粘。
團揉（圖17）：
藉由重複將茶葉聚集成團（圖18），使其外觀緊結美麗（圖19）。屬於閩南式烏龍茶製造工藝，閩北式烏龍茶製造工藝不具此步驟。經過團揉步驟的茶葉，因為壓力使的茶葉能夠再進一步進行後氧化作用與茶內物質再度擠出，茶滋味與口感都會比較重，在臺灣明顯的例子就是條型的文山包種茶與球型的烏龍茶，兩茶的製茶工藝僅差在於團揉步驟的有無。
再次乾燥（圖20）：
將茶葉含水量降至5％以下以防質變與發霉。此時完成的茶可稱為毛茶或是清香型烏龍茶。
烘焙（圖21）：
茶葉烘焙屬於烏龍茶精緻工藝，在臺灣的烘焙技術可以溯源自大陸福建安溪鐵觀音焙法。使用竹製簍子加上龍眼木炭（圖22）烘焙是最傳統的工藝，現代工藝包含箱式烘被機與電焙籠烘焙方法。但不變的是烘焙空間都相當炎熱，為了使烘焙品質能夠穩定，烘焙室不會有窗戶，以維持穩定氣流，最高溫度可以達50度。在炭火不斷燃燒的情況下，烘焙師傅不能休息，正常來說，一個炭坑的木炭量足夠燒上半個月，過程沒有任何喊停的機會。
只要稍不留神，就會出現《陰陽茶》的瑕疵。陰陽茶指的是部分茶燒焦，部分茶依然未熟的瑕疵。在傳統的烘焙工藝當中，為什麼選擇龍眼木炭而不選擇其他炭呢？是因為烘焙完後會具有龍眼香氣嗎？龍眼木炭完全炭化之後，並不會留下任何芳香物質，只留下炭元素，炭元素不具有任何味道。會挑選龍眼木炭的主要原因是《質地》。因為龍眼木炭質地相當均勻，點燃後所產生的熱源大小穩定，如此才能烘焙出品質穩定的茶葉。並沒有說哪種工藝特別好，而是依照茶的特性選擇適合的烘焙工具，如同因材施教（圖23）。
球型烏龍茶烘焙相當不易，除了極具技巧性之外，也須具有耐心。因為當茶葉相當緊結，一開始進行烘焙的時候，只有外層熟，內部還是生的狀態並帶有青味（青味指新鮮葉片味道，此青味有些人不喜愛），過一段時間之後青味會擴散出來，俗稱吐青（圖24），必須再次進行烘焙，使青味不見，如此反覆多次，才可以將茶葉烘焙熟透。不可著急一次大火烘焙，只會造成烤焦與熱水沖葉片泡打不開的情況（圖25），此茶已經失去活性，也可以說《死掉了》。
茶葉為什麼要進行烘焙呢？
因為烘焙後能夠再次降低茶葉含水量，除去不好的滋味，並穩定茶葉中的化學物質。經過烘焙後的茶葉能夠且容易長時間存放。烘焙茶葉必須有明確的原因，不可一昧的因為烘焙而烘焙，就像是新鮮生魚片本來就應該生吃，不可用火而毀了魚本身的鮮味。當茶葉經過烘焙之後，除了咖啡因會降低之外，有時候還會聞到一股酸溜的果香。這個味道是來自於茶葉中的脂肪，包括雅麻仁油與棕梠油，當脂肪經過高溫烘焙之後，會裂解成小片段的脂肪酸，這也就是酸味的來源。
當在喝茶的時候，常常聽到幾個問題：
1.用什麼水泡比較好？
影響茶湯口感主要在於水中的礦物質含量，鈣與鎂會協助多元酚類溶出在水中，使茶湯滋味較為苦澀，科學上定義了軟水與硬水的礦物質含量，依照經驗來說，更容易的方法是看市售礦泉水瓶子上的礦物質含量表，當鈣與鎂的含量在20mg/liter以下最適合泡茶（圖26），如果超過90mg/liter，茶滋味苦澀，且煮水壺經過幾次煮水後會見到相當驚人的礦物質沈澱（圖27）。礦物質含量高的水適合純飲（圖28），口感相當好，但是不適合泡茶。如果使用逆滲透水呢？理論上茶滋味會最好，但是在茶湯含有少量的多元酚類，能使豐富茶湯滋味的層次，使茶喝起來更加精采。
2.有冷泡專用的茶嗎？
茶為什麼要冷泡？因為茶湯中的苦澀物質，有如茶多元分類與咖酚因，分子量較大，在低溫下沖泡不易溶出。冷泡的茶通常甘甜且不苦澀，但是香氣成分較少。香氣成分必須在高溫下才容易揮發讓我們聞到。所有茶類都適合冷泡，差別在於冷泡時間的長短，在冷泡時茶一定要放冰箱，不然會因為天氣太熱造成細菌在茶湯內滋生，使茶湯混濁，此茶已經不適合飲用。
3.什麼茶的咖啡因比較低？
茶與咖啡因有如酒與酒精，如果茶無咖啡因，喝起來欠缺滋味。
什麼樣的茶咖啡因比較低，這背後的答案相當複雜。影響茶葉中咖啡因的因素整理後有以下幾點：
a. 茶葉的老嫩度：越嫩咖啡因越高。
b. 製造過程：咖啡因不參與發酵反應，所以製茶過程中不大影響咖啡因含量，只有烘焙過程中因為溫度造成咖啡因從茶葉昇華出來而降低含量。（圖29）
c. 茶樹品種：這是大家最常忽略的問題，在茶的家族當中，分成 C. Sinensis 與 C. Assamica. 俗稱小葉種與大葉種，小葉種通常咖啡因含量較低，大葉種則較高。（圖30）
所以下次喝茶時可以依照這樣的條件找尋自己喜好的茶葉，依照經驗來說，咖啡因會造成睡不著可以說是體質的關係，有些人真的咖啡因敏感，但是少數，我還曾遇過有人喝茶睡不著，喝咖啡沒事呢。
焙茶時我們常說會焙到起‘狗毛’，這是指茶葉在長時間或是高溫烘焙下會讓茶葉內的咖啡因昇華，而附著在茶葉表面會是茶葉外的物體上。那白白的結晶就是純度相當高的咖啡因。
4.清香烏龍茶是否可以存放成為老茶？
清香型烏龍茶可以存放為老茶，但是烏龍茶本身發酵度一定要足夠，
有如傳統凍頂烏龍茶製法，生茶狀態下茶湯呈現深金黃色，香氣為濃濃熟透黃金桂花香，更可以說是一股相當熟成的果香，
如此成熟的清香的烏龍茶及具有存放成老茶的條件，因為兒茶素氧化已經趨於穩定，茶葉香氣也穩定，經過長時間的存放（後發酵）會使烏龍茶口感更加飽和與滑順，
如果是高山清香型烏龍茶，大多數發酵度較輕，而茶素含量較高且因是抗氧化劑，非常容易與氧氣結合造成品質劣變，所以建議盡快喝掉，不建議存放成老茶。
清香高山茶有如吃生魚片，趁新鮮。
如是發酵度足夠的烏龍茶，兒茶素大多已氧化成烏龍茶質，品質不會再劣變，可慢慢享受時間所帶著來熟成滋味。
什麼是好茶？好茶的定義是，農藥殘留符合國家標準，不傷身，經濟可負擔，喝了會懷念。當符合以上條件時，就是『好茶』。
