Tổng quan nghiên cứu

Sản xuất bánh tráng gạo là một ngành nghề truyền thống có vai trò quan trọng trong nền ẩm thực Việt Nam và đang ngày càng được công nghiệp hóa để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước và xuất khẩu. Theo ước tính, bánh tráng gạo chiếm phần lớn trong các loại bánh tráng phổ biến, với khả năng bảo quản lên đến 24 giờ và đa dạng về kích thước, phù hợp với nhiều món ăn truyền thống. Tuy nhiên, phương pháp sản xuất truyền thống còn nhiều hạn chế như năng suất thấp, chất lượng không đồng đều và tiêu hao năng lượng cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp chuyển đổi công nghệ và thiết bị từ phương pháp truyền thống sang phương pháp mới trong sản xuất bánh tráng gạo, nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi sản xuất bánh tráng gạo loại dày, với thời gian thực hiện từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu cụ thể là mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt mâm ép, thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm, đồng thời áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu hóa các yếu tố đầu vào ảnh hưởng đến chất lượng bánh tráng.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc thúc đẩy cơ giới hóa ngành sản xuất bánh tráng, góp phần nâng cao năng suất, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm và tăng tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường trong nước và quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết về tính chất hóa – nhiệt của bột gạo: Bao gồm quá trình hydrat hóa, dehydrat hóa và biến đổi trạng thái của tinh bột dưới tác động nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến độ dai, độ dẻo và độ bền của bánh tráng. Nhiệt độ hóa hồ trung bình của gạo ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, với hàm lượng amylose trong bột gạo dao động từ 15-35%, quyết định tính chất cơ lý của bánh.

  • Mô hình mô phỏng nhiệt độ bằng phần mềm Comsol Multiphysics: Sử dụng để mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt mâm ép, từ đó thiết kế cách bố trí điện trở nhiệt phù hợp nhằm đảm bảo nhiệt độ gia nhiệt đồng đều, tối ưu hóa quá trình hồ hóa tinh bột.

  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Wilson (Central Composite Design): Áp dụng để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào như tỉ lệ phụ gia, nhiệt độ và thời gian gia nhiệt đến chất lượng bánh tráng, đặc biệt là độ dai và độ dày sản phẩm. Phương pháp này giúp xác định mối quan hệ giữa các nhân tố và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt độ hóa hồ, tỷ lệ amylose, khả năng tạo màng và tạo sợi của tinh bột, phân bố nhiệt độ trên mâm ép, và các chỉ số chất lượng bánh tráng như độ dai và độ dày.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên thiết bị thí nghiệm do tác giả thiết kế và chế tạo, kết hợp với mô phỏng nhiệt độ bằng phần mềm Comsol Multiphysics. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 20 lần thử với 3 nhân tố đầu vào (tỉ lệ phụ gia, nhiệt độ, thời gian) được thiết kế theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc 2 quay đều (Central Composite Design), trong đó có 6 lần lặp lại ở điểm trung tâm để kiểm soát sai số.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các mức giá trị đầu vào đại diện cho phạm vi hoạt động thực tế của thiết bị và nguyên liệu. Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm Minitab để xây dựng phương trình hồi quy và đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng nhân tố đến chất lượng sản phẩm.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2023, bao gồm các giai đoạn khảo sát tổng quan, thiết kế và chế tạo thiết bị, mô phỏng nhiệt độ, thực hiện thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố nhiệt độ trên mâm ép: Mô phỏng cho thấy nhiệt độ trên bề mặt mâm không đồng đều, chia thành ba vùng nhiệt độ khác nhau. Vùng trung tâm có nhiệt độ cao nhất (146-156°C), vùng giữa giảm dần và vùng ngoài cùng thấp nhất. Thiết kế bố trí điện trở nhiệt theo ba vùng này giúp gia nhiệt đồng đều hơn, cải thiện chất lượng bánh.

  2. Ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến độ dai và độ dày bánh tráng: Kết quả thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm cho thấy tỉ lệ phụ gia và thời gian gia nhiệt có ảnh hưởng lớn nhất đến độ dai và độ dày sản phẩm, với mức độ tương quan đạt gần 90%. Nhiệt độ gia nhiệt có ảnh hưởng thấp hơn trong phạm vi nghiên cứu (146-156°C).

  3. Phương án tối ưu: Để đạt độ dày bánh tráng khoảng 2,42 mm và độ dai tốt, các thông số tối ưu là tỉ lệ phụ gia 7,5%, nhiệt độ 151°C và thời gian gia nhiệt 31 giây.

  4. Chất lượng sản phẩm: Sản phẩm bánh tráng gạo đạt yêu cầu về cảm quan, độ dai và độ dày, phù hợp với tiêu chuẩn sản xuất công nghiệp, đồng thời giảm thiểu lượng bavia thừa và tiết kiệm năng lượng so với phương pháp truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trên mâm ép là do cấu tạo vật liệu nhôm và cách bố trí điện trở nhiệt. Việc mô phỏng nhiệt độ giúp giảm thiểu thử nghiệm thực tế, tiết kiệm chi phí và thời gian thiết kế. Kết quả thí nghiệm phù hợp với các nghiên cứu trong ngành cơ khí thực phẩm, khẳng định vai trò quan trọng của tỉ lệ phụ gia và thời gian gia nhiệt trong việc điều chỉnh tính chất cơ lý của bánh tráng.

So sánh với phương pháp truyền thống, phương pháp mới giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu sai số và tiêu hao năng lượng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ Pareto thể hiện mức độ ảnh hưởng của các nhân tố, bảng phân tích phương trình hồi quy và đồ thị mô phỏng nhiệt độ trên mâm ép.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng thiết kế bố trí điện trở nhiệt theo ba vùng nhiệt độ: Để đảm bảo nhiệt độ gia nhiệt đồng đều, giảm thiểu hiện tượng cháy hoặc chưa chín đều, các cơ sở sản xuất nên thiết kế lại hệ thống điện trở trên mâm ép theo mô hình này. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: doanh nghiệp sản xuất bánh tráng.

  2. Tối ưu hóa tỉ lệ phụ gia và thời gian gia nhiệt: Khuyến nghị sử dụng tỉ lệ phụ gia khoảng 7,5% và thời gian gia nhiệt khoảng 31 giây để đạt chất lượng bánh tráng tốt nhất. Thời gian áp dụng: ngay lập tức, chủ thể: kỹ thuật viên và nhà quản lý sản xuất.

  3. Đầu tư thiết bị tự động hóa và kiểm soát nhiệt độ: Trang bị hệ thống điều khiển nhiệt độ và thời gian gia nhiệt tự động để giảm sai số và tăng tính ổn định sản phẩm. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng, chủ thể: doanh nghiệp và nhà cung cấp thiết bị.

  4. Đào tạo nhân lực và nâng cao nhận thức về công nghệ mới: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho công nhân và quản lý nhằm nâng cao hiệu quả vận hành thiết bị mới. Thời gian: liên tục, chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất bánh tráng và thực phẩm từ bột gạo: Nghiên cứu cung cấp giải pháp công nghệ mới giúp nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí và công nghệ thực phẩm: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô phỏng nhiệt và quy hoạch thực nghiệm trong thiết kế thiết bị sản xuất thực phẩm.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách trong ngành công nghiệp chế biến nông sản: Giúp hiểu rõ xu hướng cơ giới hóa và tự động hóa trong sản xuất truyền thống, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phù hợp.

  4. Nhà cung cấp thiết bị và công nghệ sản xuất thực phẩm: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển và cải tiến thiết bị sản xuất bánh tráng, đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần chuyển đổi công nghệ sản xuất bánh tráng từ phương pháp truyền thống sang phương pháp mới?
    Phương pháp mới giúp nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm đồng đều, giảm tiêu hao năng lượng và chi phí sản xuất, đồng thời đáp ứng yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm ngày càng nghiêm ngặt.

  2. Phương pháp mô phỏng nhiệt độ trên mâm ép có vai trò gì trong nghiên cứu?
    Mô phỏng giúp xác định sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trên mâm ép, từ đó thiết kế bố trí điện trở nhiệt phù hợp, giảm thiểu thử nghiệm thực tế, tiết kiệm chi phí và thời gian.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng bánh tráng?
    Tỉ lệ phụ gia và thời gian gia nhiệt là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến độ dai và độ dày của bánh tráng, trong khi nhiệt độ gia nhiệt có ảnh hưởng thấp hơn trong phạm vi nghiên cứu.

  4. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Wilson được áp dụng như thế nào?
    Phương pháp này thiết kế thí nghiệm với 3 nhân tố đầu vào ở 5 mức giá trị, thực hiện 20 lần thí nghiệm để xây dựng mô hình hồi quy, từ đó tối ưu hóa các thông số sản xuất.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất thực tế?
    Doanh nghiệp cần thiết kế lại hệ thống gia nhiệt theo mô hình ba vùng nhiệt độ, điều chỉnh tỉ lệ phụ gia và thời gian gia nhiệt theo khuyến nghị, đồng thời đầu tư thiết bị tự động hóa và đào tạo nhân lực.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trên mâm ép và thiết kế bố trí điện trở nhiệt phù hợp, giúp gia nhiệt đồng đều hơn trong sản xuất bánh tráng gạo.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Wilson xác định được tỉ lệ phụ gia và thời gian gia nhiệt là hai yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng bánh tráng, với mức độ tương quan gần 90%.
  • Phương án tối ưu cho bánh tráng dày là tỉ lệ phụ gia 7,5%, nhiệt độ 151°C và thời gian 31 giây, đảm bảo độ dai và độ dày sản phẩm đạt yêu cầu.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao năng suất, chất lượng và tính cạnh tranh của sản phẩm bánh tráng trên thị trường trong nước và quốc tế.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng công nghệ mới tại các cơ sở sản xuất, đào tạo nhân lực và tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các loại bánh tráng khác.

Hành động khuyến nghị: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy cơ giới hóa và tự động hóa trong ngành sản xuất bánh tráng, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp thực phẩm Việt Nam.