Tổng quan nghiên cứu

Chuối là loại cây nhiệt đới được trồng phổ biến trên thế giới, đóng vai trò quan trọng trong thương mại rau quả toàn cầu. Việt Nam đứng thứ 12 thế giới về sản lượng chuối với khoảng 1,4 triệu tấn mỗi năm, chiếm 19% tổng diện tích cây ăn trái. Chuối sứ là giống chuối phổ biến trong chế biến thực phẩm công nghiệp do đặc tính quả to, ngọt đậm. Tuy nhiên, công đoạn bóc vỏ chuối sứ hiện nay chủ yếu thực hiện thủ công với năng suất thấp, không đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, gây khó khăn cho các cơ sở chế biến và hạn chế khả năng cạnh tranh trên thị trường xuất khẩu.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất công nghệ và phát triển thiết bị bóc vỏ chuối sứ nhằm cơ khí hóa, tự động hóa công đoạn này, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào chuối sứ chín thu hái từ các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long và miền Đông Nam Bộ, với kích thước quả có đường kính từ 34 đến 48 mm, chiều dài từ 87 đến 114 mm. Thiết bị được thiết kế dưới dạng mô hình công nghiệp công suất nhỏ, năng suất khoảng 600 kg/ca.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc đề xuất nguyên lý và công nghệ bóc vỏ chuối sứ bán tự động, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn lớn khi góp phần nâng cao năng suất, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, giảm lao động thủ công và gia tăng giá trị chuỗi sản xuất chuối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết cơ học vật liệu và động lực học: Áp dụng để tính toán lực ép tối đa lên quả chuối mà không gây dập nát, từ đó thiết kế các cơ cấu bóc vỏ phù hợp.
  • Nguyên lý cơ khí chế tạo máy: Thiết kế các cụm chi tiết như cụm khía vỏ, cụm bóc vỏ, cụm cấp liệu đảm bảo vận hành ổn định, hiệu quả.
  • Khái niệm về công nghệ chế biến thực phẩm: Đảm bảo thiết bị đáp ứng yêu cầu an toàn vệ sinh thực phẩm, giữ nguyên chất lượng thịt chuối sau bóc vỏ.
  • Khái niệm về tự động hóa và cơ khí hóa: Tự động hóa công đoạn bóc vỏ nhằm tăng năng suất, giảm sức lao động thủ công.

Các khái niệm chính bao gồm: lực ép tối đa, chiều dày vỏ chuối, nguyên lý khía vỏ, nguyên lý bóc vỏ bằng kẹp và bánh gai, năng suất thiết bị, tỉ lệ thịt chuối đạt yêu cầu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Chuối sứ chín thu mua tại chợ đầu mối nông sản Thủ Đức, các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước về thiết bị bóc vỏ chuối, khảo sát thực tế tại các cơ sở chế biến.
  • Phương pháp phân tích:
    • Khảo sát kích thước, trọng lượng, độ chín và đặc tính cơ lý của quả chuối sứ.
    • Thí nghiệm xác định lực ép tối đa không làm dập quả chuối.
    • Thiết kế, tính toán và chế tạo mô hình thiết bị bóc vỏ chuối dựa trên nguyên lý khía vỏ và bóc vỏ bằng kẹp hoặc bánh gai.
    • Thử nghiệm đánh giá hoạt động các cụm thiết bị và khảo nghiệm sơ bộ mô hình thiết bị.
  • Timeline nghiên cứu: Từ khảo sát đặc điểm quả chuối, đề xuất nguyên lý công nghệ, thiết kế chế tạo mô hình, đến thử nghiệm và đánh giá trong phòng thí nghiệm REMELab, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cỡ mẫu khảo sát kích thước và trọng lượng là 100 quả chuối sứ; thí nghiệm lực ép với 45 quả chuối; khảo sát khả năng bóc vỏ với 105 quả chuối và 7 học viên thực hiện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm cơ lý quả chuối sứ:

    • Đường kính quả chuối tại vị trí lớn nhất (bụng chuối) trung bình 41,5 mm, nhỏ nhất 34 mm; chiều dài trung bình 99,7 mm.
    • Chiều dày vỏ chuối trung bình 1,7 mm, dao động từ 1,3 đến 2,0 mm.
    • Lực ép tối đa không làm dập quả chuối là 18 N.
    • Khối lượng trung bình quả chuối là 100,9 g, dao động từ 74 đến 138 g.

  2. Khả năng bóc vỏ theo độ chín:

    • Chuối xanh có vỏ cứng, giòn, khó bóc nhất.
    • Chuối chín tới và chín vừa có vỏ mềm, dễ bóc với tỉ lệ thịt chuối đạt yêu cầu cao nhất.
    • Chuối chín quá có vỏ mềm nhưng thịt chuối dễ bị dập, không phù hợp cho bóc vỏ cơ khí.

  3. Nguyên lý và công nghệ bóc vỏ chuối sứ:

    • Đề xuất nguyên lý khía vỏ dọc theo thân quả chuối thành 3-4 phần với chiều sâu khía bằng chiều dày vỏ (khoảng 2 mm).
    • Hai phương án bóc vỏ: kẹp bóc giữ và kéo vỏ ra khỏi thịt chuối; hoặc sử dụng bánh gai quay cuốn và móc vỏ chuối.
    • Thiết kế mô hình thiết bị gồm cụm cấp liệu, cụm khía vỏ và cụm bóc vỏ, vận hành ổn định với năng suất khoảng 600 kg/ca.

  4. Kết quả khảo nghiệm sơ bộ:

    • Thiết bị hoạt động ổn định, kết cấu vững chắc.
    • Bóc được vỏ chuối sứ có đường kính từ 34 đến 48 mm.
    • Tỉ lệ thịt chuối đạt yêu cầu lên đến 96%, năng suất hơn 600 kg/ca.

Thảo luận kết quả

Kết quả khảo sát kích thước và lực ép cho thấy thiết bị cần thiết kế cơ cấu khía và bóc vỏ phù hợp với biến thiên kích thước quả chuối sứ để tránh làm dập nát thịt chuối. Việc phân loại chuối theo độ chín giúp tối ưu hóa hiệu quả bóc vỏ, giảm tổn thất sản phẩm. So với các thiết bị bóc vỏ chuối hiện có trên thị trường chủ yếu dành cho chuối già, thiết bị đề xuất phù hợp với đặc tính vỏ bám chắc của chuối sứ, đáp ứng nhu cầu sản xuất quy mô nhỏ và vừa.

Phương án kẹp bóc và bánh gai đều có ưu nhược điểm riêng, trong đó bánh gai giúp tự động cuốn và bóc vỏ hiệu quả nhưng cần kiểm soát lực ép để tránh làm tổn thương thịt chuối. Các kết quả thử nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố kích thước quả chuối, bảng tổng hợp lực ép và tỉ lệ thịt chuối đạt yêu cầu, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả thiết bị.

So với nghiên cứu trước đây, thiết bị này có tính ứng dụng cao hơn trong điều kiện sản xuất thực tế tại Việt Nam, góp phần giảm sức lao động thủ công, nâng cao năng suất và đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phân loại chuối theo kích thước và độ chín trước khi bóc vỏ

    • Thực hiện tại các cơ sở chế biến để đảm bảo hiệu quả bóc vỏ và giảm tổn thất sản phẩm.
    • Thời gian: ngay trong mùa vụ thu hoạch.
    • Chủ thể: các doanh nghiệp chế biến và hợp tác xã nông nghiệp.

  2. Đầu tư và ứng dụng thiết bị bóc vỏ chuối sứ công nghiệp công suất nhỏ

    • Nâng cao năng suất bóc vỏ lên khoảng 600 kg/ca, giảm sức lao động thủ công.
    • Thời gian: trong vòng 1-2 năm tới.
    • Chủ thể: các cơ sở sản xuất chế biến chuối, doanh nghiệp công nghiệp thực phẩm.

  3. Đào tạo vận hành và bảo trì thiết bị cho công nhân

    • Đảm bảo thiết bị vận hành ổn định, kéo dài tuổi thọ máy.
    • Thời gian: liên tục trong quá trình sử dụng.
    • Chủ thể: nhà sản xuất thiết bị phối hợp với cơ sở sử dụng.

  4. Nghiên cứu cải tiến và mở rộng công suất thiết bị

    • Phát triển thiết bị tự động hoàn toàn, tăng công suất đáp ứng quy mô lớn hơn.
    • Thời gian: 3-5 năm tiếp theo.
    • Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các doanh nghiệp chế biến thực phẩm từ chuối

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ bóc vỏ chuối sứ hiệu quả, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
    • Use case: Áp dụng thiết bị bóc vỏ trong dây chuyền sản xuất chuối sấy, rượu chuối.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp thiết kế, tính toán và chế tạo thiết bị cơ khí ứng dụng trong chế biến thực phẩm.
    • Use case: Phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến tự động hóa trong nông nghiệp.

  3. Các cơ sở đào tạo kỹ thuật và công nghệ thực phẩm

    • Lợi ích: Cung cấp tài liệu giảng dạy về công nghệ chế biến và thiết bị cơ khí trong ngành thực phẩm.
    • Use case: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho môn học thiết kế máy và công nghệ chế biến.

  4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến

    • Lợi ích: Hiểu rõ nhu cầu và giải pháp công nghệ để hỗ trợ phát triển ngành chế biến chuối.
    • Use case: Xây dựng chính sách hỗ trợ đầu tư công nghệ, nâng cao năng lực sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần phát triển thiết bị bóc vỏ chuối sứ thay vì tiếp tục bóc thủ công?
    Thiết bị giúp tăng năng suất lên khoảng 600 kg/ca, giảm sức lao động thủ công, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm và nâng cao chất lượng sản phẩm, phù hợp với nhu cầu sản xuất công nghiệp hiện nay.

  2. Thiết bị bóc vỏ chuối sứ có thể xử lý được những kích thước quả chuối nào?
    Thiết bị được thiết kế để bóc vỏ chuối sứ có đường kính từ 34 đến 48 mm và chiều dài từ 87 đến 114 mm, phù hợp với kích thước phổ biến của chuối sứ chín thu hoạch tại các vùng nghiên cứu.

  3. Nguyên lý bóc vỏ chuối sứ được áp dụng trong thiết bị là gì?
    Thiết bị sử dụng nguyên lý khía vỏ dọc theo thân quả chuối thành 3-4 phần, sau đó bóc vỏ bằng cơ cấu kẹp giữ và kéo hoặc bánh gai quay cuốn để tách vỏ ra khỏi thịt chuối một cách hiệu quả.

  4. Làm thế nào để đảm bảo thịt chuối không bị dập trong quá trình bóc vỏ?
    Thiết kế thiết bị dựa trên lực ép tối đa 18 N không làm dập quả chuối, đồng thời lựa chọn chuối chín tới để vỏ mềm dễ bóc, giảm thiểu tổn thương thịt chuối.

  5. Thiết bị có phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa không?
    Có, thiết bị được thiết kế công suất nhỏ khoảng 600 kg/ca, phù hợp với các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, giúp nâng cao năng suất mà không cần đầu tư lớn như các máy bóc vỏ chuối công nghiệp quy mô lớn.

Kết luận

  • Đã khảo sát và xác định các đặc điểm cơ lý quan trọng của quả chuối sứ như kích thước, trọng lượng, lực ép tối đa và độ chín ảnh hưởng đến khả năng bóc vỏ.
  • Đề xuất nguyên lý khía vỏ và công nghệ bóc vỏ chuối sứ phù hợp với đặc tính quả chuối sứ, khác biệt so với các thiết bị bóc vỏ chuối già hiện có.
  • Thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm mô hình thiết bị bóc vỏ chuối sứ công nghiệp công suất nhỏ với năng suất khoảng 600 kg/ca, tỉ lệ thịt chuối đạt yêu cầu lên đến 96%.
  • Thiết bị hoạt động ổn định, kết cấu vững chắc, đáp ứng nhu cầu cơ khí hóa công đoạn bóc vỏ chuối trong sản xuất thực phẩm.
  • Khuyến nghị triển khai ứng dụng thiết bị tại các cơ sở chế biến, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến để nâng cao tự động hóa và công suất thiết bị.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và cơ sở chế biến nên phối hợp với đơn vị nghiên cứu để thử nghiệm và ứng dụng thiết bị, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành. Các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển công nghệ để mở rộng quy mô và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Hãy bắt đầu ứng dụng công nghệ bóc vỏ chuối sứ để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngay hôm nay!