TÓM TẮT
Mục đích của nghiên cứu này là xây dựng quy trình ủ tỏi đen dựa trên việc lựa chọn các thông số kỹ thuật phù hợp trong máy ủ bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm và thời gian ủ. Đồng thời, nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy ủ tỏi đen tự động với năng suất 10kg/mẻ. Chất lượng tỏi đen được đánh giá trên các tiêu chí cảm quan: màu sắc, mùi, vị và độ mềm, cũng như hình dạng tép tỏi. Máy được thiết kế dựa trên nguyên lý gia nhiệt kết hợp tạo độ ẩm bằng hơi nước. Hệ thống lò ủ được thiết kế bằng phần mềm Inventor 2018, được theo dõi bằng phần mềm Blynk phiên bản 2.0 cài đặt trên điện thoại để điều chỉnh thông số kỹ thuật phù hợp. Kết quả đánh giá cảm quan cho thấy, tỏi đen sau khi ủ 30 ngày đáp ứng thị hiếu của người tiêu dùng. Đồng thời, qua quá trình khảo nghiệm máy ủ tỏi đen chỉ ra máy ủ có thể hoạt động với năng suất 10kg/mẻ, đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn lao động, hiệu suất đạt 80%, sản lượng theo thông số đã cài đặt, hoạt động ổn định, chính xác và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật đề ra.
Từ khóa: Tỏi đen, máy ủ tỏi đen, phần mềm Blynk, phần mềm Inventor, điều khiển nhiệt độ
RESEARCH, DESIGN, AND FABRICATION OF AN AUTOMATIC BLACK GARLIC FERMENTER WITH A CAPACITY OF 10 KG PER BATCH;
ABSTRACT
The purpose of this study is to develop a black garlic fermentation process by selecting appropriate technical parameters in the fermentation machine, including temperature, humidity, and fermentation time. Additionally, the study aims to research, design, and fabricate an automatic black garlic fermenter with a capacity of 10 kg per batch. The quality of the black garlic is evaluated based on sensory criteria: color, aroma, taste, softness, and clove shape. The machine is designed based on the principle of heat generation combined with steam-based humidity control. The fermentation chamber is designed using Inventor 2018 software and monitored via the Blynk application (version 2.0) installed on a smartphone to adjust the technical parameters accordingly. Sensory evaluation results show that the black garlic fermented for 30 days meets consumer preferences. Moreover, machine testing indicates that the fermenter can operate with a capacity of 10 kg per batch, meets occupational safety standards, achieves 80% efficiency, produces output consistent with preset parameters, and operates stably, accurately, and in accordance with the specified technical requirements.
Keywords: Black garlic, black garlic fermentation machine, Blynk software, Inventor software, temperature control
ĐẶT VẤN ĐỀ
Tỏi được trồng phổ biến ở nước ta, nhưng nổi bật nhất là giống tỏi ở huyện đảo Lý Sơn tỉnh Quãng Ngãi, giống tỏi Phan Rang, và giống tỏi Bắc Giang. Tỏi đen là sản phẩm lên men từ tỏi tươi ở điều kiện nhiệt độ dao động từ 50-70°C và độ ẩm 5% trong thời gian 1-2 tháng phụ thuộc vào thiết bị lên men. Sản phẩm tỏi đen thu được có cấu trúc dẻo, màu đen, giảm mùi hăng, có hương vị trái cây sấy và có vị ngọt [1]. Các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh và enzyme có hoạt tính sinh học là những thành phần chính trong tỏi, góp phần quyết định đến giá trị sinh học của loại thực phẩm này [2]. Quá trình tạo tỏi đen từ tỏi tươi thực chất là quá trình lên men, dựa vào tác động của nhiệt, ẩm và men. Trong quá trình này sự biến đổi và tạo thành các chất mới trong tỏi phụ thuộc vào thời gian và chịu ảnh hưởng của cả 3 yếu tố trên. Do đó nghiên cứu về máy ủ tỏi đen đang được quan tâm ở trong nước và quốc tế.
Ở trong nước, nhóm tác giả Vũ Bình Dương và cs. đã có triển khai đề tài "Nghiên cứu lên men tỏi đen từ tỏi Lý Sơn Quảng Ngãi” [1]. Theo nghiên cứu này, nhóm cũng đã thiết kế và lắp đặt được hệ thống lên men sản xuất tỏi đen quy mô 1500/kg, vận hành quy trình sản xuất ổn định. Kết quả cho thấy quy trình đi vào hoạt động ổn định và nhóm đã tiến thành sản xuất được khoảng 50 tấn tỏi đen. Nhóm tác giả Nguyễn Đức Vượng và cs. với đề tài “Nghiên cứu hoàn thiện quy trình lên men tỏi đen từ tỏi trắng”. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giải tập trung hoàn thiện quy trình lên men tự nhiên tỏi đen, đồng thời phân tích hàm lượng các hợp chất trong tỏi đen và tỏi trắng nhằm đánh giá mức độ phù hợp của quy trình [2]. Ngoài ra, nhóm tác giả Nguyễn Huy Thuần và cs. cũng đã nghiên cứu đề tài “Quá trình lên men, thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của tỏi đen“. Bài báo này tổng hợp một số đặc điểm quá trình lên men, thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của tỏi đen [3]. Nhóm tác giả Nguyễn Thị Tình và cs. cũng đã có đề tài ”Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tỏi đen từ giống tỏi bản địa Đồng Mu Cao Bằng”. Thông qua kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả đã xác định được nhiệt độ thích hợp để lên men tỏi đen, thời gian và phụ gia lên men tỏi đen [4].
Trên thế giới, từ năm 2005, tỏi đen được nghiên cứu thành công bởi các chuyên gia Nhật Bản. Theo nghiên cứu của Jiniti Sasaki và cs. tại Đại học Hirosaki, tỏi đen đã chứng minh hiệu quả mạnh mẽ trong việc chống khối u trên mô hình chuột. Các tác dụng nổi bật bao gồm: tăng cường hệ miễn dịch, chống dị ứng, diệt khuẩn, chống oxy hóa, phòng ngừa ung thư, giảm cholesterol, hỗ trợ kiểm soát huyết áp và tiểu đường [12]. Một nghiên cứu khác của nhóm tác giả Wen-Chang Chang và cs. Đại học Đài Loan với đề tài “Tối ưu hóa phương pháp chế biến tỏi đen và phát triển sản phẩm mứt tỏi đen sử dụng công nghệ xử lý áp suất cao HPP”. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả phân tích các tác dụng có lợi của tỏi đen dưới các điều kiện chế biến phù hợp cho tỏi đen và làm rõ tác dụng có lợi sau 30 ngày lên men [13]. Một nghiên cứu khác của nhóm tác giả Fangwei Li và cs. với đề tài “Nghiên cứu phản ứng Maillard để nâng cao chất lượng sản phẩm thông qua tiền xử lý áp suất cao trong quá trình chế biến tỏi đen”. Trong nghiên cứu này, nhóm đã áp dụng tiền xử lý tỏi đen bằng áp suất cao từ đó giúp rút ngắn thời gian sản xuất tỏi đen từ 24 ngày xuống còn 15 ngày, chất lượng tỏi đen đạt tiêu chuẩn thương mại [14].
Dựa trên tổng quan nghiên cứu thiết kế máy ủ tỏi đen ở Việt Nam và trên thế giới, việc sử dụng phương pháp lên men tỏi đen bằng nồi cơm điện là phổ biến. Cách sử dụng, vận hành cũng như quá trình điều khiển nhiệt độ, độ ẩm còn thủ công nên cho ra sản phẩm không đạt chất lượng cao, năng suất thấp. Những hộ sản xuất kinh doanh thì cần phải sử dụng đến những chiếc máy có công suất cao nhưng đa phần được nhập khẩu với chi phí khá cao. Từ những hạn chế chưa hoàn thiện, nhóm nghiên cứu đề xuất đề tài khoa học “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy ủ tỏi đen tự động năng suất 10kg/mẻ” để thiết kế điều khiển giám sát nhiệt độ, độ ẩm cho lò ủ tỏi áp dụng cho hộ gia đình, cơ sở chế biến và kinh doanh. Đồng thời việc ứng dụng máy móc vào sản xuất sẽ góp phần giảm thiểu chi phí sản xuất, và nâng cao năng lực cạnh tranh.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu của đề tài bao gồm phương pháp nghiên cứu lý thuyết bao gồm thu thập thông tin, kế thừa từ các tài liệu của các tác giả trong và ngoài nước, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên máy, đồng thời đánh giá cảm quan trên sản phẩm tỏi đen. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng đánh giá mức độ yêu thích sản phẩm áp dụng theo thang đo Likert 5 mức độ.
2.1. Qui trình lên men tỏi tươi
Các bước quy trình lên men tỏi tươi bao gồm: Chuẩn bị tỏi tươi, sau đó là công đoạn lựa chọn, phân loại chọn những củ tỏi đạt tiêu chuẩn về kích thước, chất lượng. Bước tiếp theo là làm sạch tỏi, rửa sạch bụi bẩn, tạp chất rồi để khô tự nhiên hoặc bằng quạt. Quá trình quan trọng là lên men, sử dụng điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thích hợp để tỏi chuyển hóa thành tỏi đen. Bước cuối cùng là làm mát, sấy khô. Trong quá trình điều khiển thì nhiệt độ của lò dao động trong khoảng: 65-75 0C, độ ẩm khoảng 65-85 %, và thời gian lên men khoảng 25-30 ngày [1], [2].
2.2. Cơ sở tính toán nhiệt cho quá trình ủ
Các biểu thức và công thức cơ sở tính toán nhiệt cho quá trình ủ được tham khảo theo giáo trình Tính toán thiết kế hệ thống sấy của Trần Văn Phú và Kỹ thuật sấy của Trần Văn Nhân [5], [6].
2.2.1. Tính lượng nhiệt cấp cho lò ủ
Hàm lượng ẩm của không khí được tính theo biểu thức (1)
Trong đó: pbh: áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp của không khí ẩm ở điều kiện bảo hòa [mmHg]; p: áp suất khí quyển, p = 760 mmHg; φ: độ ẩm không khí [%]. Với φ= 65 % và nhiệt độ của không khí được gia nhiệt cho lò t = 70ᵒC, tra bảng nước và hơi nước bảo hòa theo nhiệt độ được Pbh1 = 0,3117 bar, thay vào biểu thức (1) ta được D = 0,1617 [Kg hơi nước/Kg không khí khô].
-Khối lượng riêng của không khí khô được tính theo biểu thức (2)
Trong đó: p:áp suất không khí ẩm;p=745 [mmHg]; Rkh: hằng số khí của không khí khô với Rkh= 287 [J/kgK]; Rh: hằng số khí của hơi nước với Rh= 462 [J/kgK]; t: nhiệt độ thích hợp để cung cấp cho lò để lên men tỏi là 70[°C] tức là t = 343 K. Thay số, tính được khối lượng riêng ρ_k=1.009 [kg/m3].
2.2.2. Tính lượng ẩm bốc hơi và nhiệt lượng cung cấp cho lò ủ
Với các kích thước ban đầu ta đặt ra điều kiện buồng ủ có thể tích V = 0,09 m3; không khí trong buồng có độ ẩm tỉ đối f1= 65 %, nhiệt độ môi trường 30 °C. Khi đó, cần tính lượng nước cần bay hơi để độ ẩm đạt f2 = 75 %. Từ độ ẩm cực đại của không khí với t = 30°C tra bảng độ ẩm không khí được khối lượng hơi nước bão hòa Dbh = 30,29 g/m3.
Độ ẩm tuyệt đối của không khí trong buồng ủ tỏi lúc đầu và lúc sau được tính theo biểu thức số (3) và số (4).
a1 = f1 × Dbh (3)
a2 = f2 Dbh (4)
Thay số tính được a1 = 19,68 g/m3 và a2= 22,71 g/m3;
- Lượng hơi nước cần thiết được tính theo biểu thức số (5)
m = (a2 - a1) x V (5)
Trong đó: Các giá trị a1 và a2 đã tính được ở biểu thức (3) và (4); V được cho giá trị ban đầu dựa vào kích thước của buồng ủ. Từ đó, tính được lượng nước bay hơi m = 0,27 g.
- Khối lượng của các vách bên trong buồng ủ được tính theo biểu thức số (6)
m = (t x w x L x Z) x 2 (6)
Với tấm kim loại có kích thước như sau: t: độ dày của tấm, t= 0,8 [mm]; w: chiều rộng của tấm, w = 0,31 [m]; L: chiều dài của tấm, L= 0,645 [m]; Z: tỷ trọng của thép không gỉ với vật liệu Inox 304, Z = 7,93 g/m3. Thay số tính được mvachben = 2,52 kg.
- Khối lượng vách sau và trên của buồng ủ được tính theo biểu thức số (7)
m = T x W x L x Z (7)
Với các kích thước vách sau tấm kim loại như sau: t: độ dày của tấm, t = 0,8 [mm]; w: chiều rộng của tấm, w = 0,45 [m]; L: chiều dài, L= 0,645 [m]. Từ đó tính được khối lượng vách sau mvachsau = 1,84 kg và khối lượng vách trên mvachtren = 1,76 kg. Do đó, tính được tổng khối lượng các vách chịu nhiệt của buồng ủ là:
- Để tính nhiệt lượng cần đủ để đun nóng bốc hơi 0,5 l nước tạo ẩm trong buồng ở nhiệt độ là 25[°C] đến 70[°C], nhiệt dung riêng của vật liệu Inox 304 là 460 [J/kg. 0C], của nước là 4200 [J/kg. 0C] . Nhiệt lượng tỏa ra của kim loại, của nước được tính theo biểu thức số (8) và số (9).
Q1= m1.C1.∆t (8)
Q2= m2.C2.∆t (9)
Trong đó: Q: là nhiệt lượng toả ra [J]; m: là khối lượng của vật [kg]; C: là nhiệt dung riêng của vật liệu cấu tạo nên vật [J/kg.0C]; t1: là nhiệt độ ban đầu [0C]; t2: là nhiệt độ sau [0C]. Thay số tính được Q1= 126684 J và Q2= 94500 J.
-Nhiệt lượng tối thiểu dùng để đun nóng nước theo biểu thức số (10)
Q = Q1 - Q2 (10)
Thay số tính được Q = 10 W. Nhiệt lượng để đun nóng 0,5 (l) nước, với điện áp và công suất của tấm gia nhiệt là: U =12 V, P = 280 W được tính theo định luật Jun-Lenxơ theo biểu thức số (11)
Qtỏa = I².R.t = U.I.t với U = 12 V; I = P/U = 280/12 = 70/3 A. (11)
Thay số, tính được Qtỏa = 94500 J. Từ đó ta có t = 337,5 s. Do đó thời gian để đun nóng 0,5 l nước là 5 ph 63 s.
2.2.3. Xác định lượng ẩm bốc hơi và khối lượng tỏi đen sau khi ủ
Hệ thống ủ được tính toán thiết kế với năng suất 10 kg/mẻ. Lượng ẩm bốc hơi khi sấy ở cuối quá trình lên men với độ ẩm trung bình ban đầu là ω1 = 60 % và độ ẩm sau khi ủ lên men tỏi đen là ω2 = 43,9 %. Với yêu cầu đặt ra năng suất lò ủ G1 = 10 kg/mẻ và dự kiến thời gian ủ lên men là 30 ngày/mẻ. Lượng ẩm bốc hơi được tính theo công thức số (12)
Thay số tính được GH2O= 4,025 kg/mẻ. Từ đó tính được khối lượng tỏi đen sau khi ủ được theo biểu thức số (13)
Gk = G1 - GH2O (13)
Thay số tính được Gk= 5,975 kg/mẻ.
2.3. Tính toán thiết kế lò ủ tỏi đen
Các lại máy ủ tỏi đen được ứng dụng trong công nghiệp bao gồm các phần cơ bản sau: Thiết bị cung cấp nhiệt, buồng ủ, thiết bị quạt gió, hệ thống điều khiển. Để tính toán các thông số của quá trình ủ ta cần xác định độ ẩm ban đầu của vật liệu, nhiệt độ cho phép cho vật liệu, kích thước và khối lượng sản phẩm, các thông số của không khí xung quanh và thời gian ủ của sản phẩm.
2.3.1. Tính toán khung và vỏ của lò
a. Tính toán kích thước khung, vỏ và lựa chọn dạng vật liệu
Khung lò ủ được xây dựng theo Hình 4 và có kích thước bao gồm chiều dài 500 mm, chiều rộng 335 mm, chiều cao 695 mm. Lựa chọn vật liệu Inox 304 hộp vuông 25 25 2 mm. Tổng diện tích xung quanh tường của lò ủ được tính theo biểu thức số (14)
Ft = 2(H.B + H.L + B.L) (14)
Thay số tính được Ft= 1,495 m2;
b. Xác định kết cấu và bố trí lớp cách nhiệt
Lớp cách nhiệt có vai trò rất quan trọng trong lò ủ, để đảm bảo khả năng giữ nhiệt tránh nhiệt thất thoát ra môi trường bên ngoài. Để sử dụng cho lò ủ ta chọn tấm cách nhiệt Glassswool với độ dày 25 mm, kết hợp với 2 tấm tôn Inox 304 với bề dày là 0,8 mm.
2.3.2. Tính toán lò ủ
Dựa vào kích thước cơ bản của lò bao gồm chiều cao của buồng ủ H = 645 mm, chiều rộng của lò ủ B = 310 mm, chiều dài của lò ủ L = 450 mm. Tổng diện tích bao quanh Ft và diện tích nền Fn và diện tích trần, Ftr của lò ủ đươc tính theo biểu thức số (15) và (16) và (17)
Ft = 2(H.B + H.L) (15)
Fnen = B.L (16)
Ftran = L.B (17)
Thay số ta tính Ft = 0,98 m2, Fnen = 0,14 m2, Ftran= 0,14 m2;
2.3.3. Tính toán khay chứa nguyên liệu ủ
a. Tính toán kích thước khay
Để xác định kích thước của khay chứa vật liệu cần biết kích thước củ tỏi và khoảng cách giữa các củ tỏi. Việc lựa chọn kích thước và vật liệu chế tạo khay phải phù hợp với các yêu cầu về khả năng giữ nhiệt, truyền, thoát nhiệt, không bị ăn mòn, không làm ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm ủ. Đối với lò ủ tỏi với năng suất là 10 kg/mẻ lựa chọn bố trí 4 khay chứa vật liệu với khối lượng mỗi khay sẽ là 2,5 kg/khay. Các thông số tỏi trắng Lý Sơn được mô tả theo Bảng 1:
Bảng 1. Các thông số của tỏi trắng [7]
Năng suất ủ một mẻ là 10 kg tương ứng với 860 củ, nên 1 khay ủ 2,5 kg sẽ chứa khoảng 310 củ. Chọn kích thước khay gồm chiều dài 450 mm, chiều rộng 300 mm. Khối lượng mỗi khay khoảng 0.3 kg/khay, như vậy đưa vật liệu lên khay thành 1 lớp có khối lượng kể cả vật liệu ủ là gk = 2.8 kg/khay. Do đó khi ủ 10 kg tỏi thì cần đến 4 khay.
Thể tích của vật liệu được tính theo biểu thức số (18)
b. Tính toán kích thước lỗ khay, khoảng cách giữa các khay chứa
Kích thước của lỗ khay phù thuộc vào kích thước của tỏi trắng, để đảm bảo cho khả năng chịu nhiệt độ cao và củ không bị rơi trong quá trình ủ. Đồng thời đảm bảo được khả năng thông thoáng, trao đổi nhiệt, thoát ẩm nên chọn vật liệu Inox 304 với kích thước lỗ khay là 20 mm.
Khoảng cách giữa các khay có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình trao đổi nhiệt và thoát ẩm cũng như quá trình cấp tháo vật liệu trong lò ủ. Theo kích thước như Hình 5 của lò ủ với chiều cao phần chất vật liệu 450 mm chọn khoảng cách giữa các khay là 112.5 mm và khoảng cách so với đáy đến khay là 195 mm.
2.3.4. Lựa chọn hệ thống thông khí
Hệ thống thông khí được chia thành 2 phần quạt gió và lỗ thoát khí. Lỗ hút và thoát khí ở đây được đặt ở mặt bên, để quá trình lưu thông không khí tự nhiên, khí nóng bốc ra ngoài dễ dàng, tránh ứ đọng gây nhiệt độ cao cục bộ. Quạt bố trí ở trên trần buồng ủ và theo yêu cầu bản vẽ thiết kế. Với năng suất 10 kg/mẻ, sử dụng quạt gió có thông số 220÷240 V, tần số 50÷60 Hz, dòng điện 0.11 A, kích thước 93 93 39 mm.
2.3.5. Hệ thống tạo ẩm
Hệ thống tạo ấm đảm bảo cung cấp hơi ẩm cho môi trường bên trong lò, điều hòa độ ẩm trong phạm vi nhất định. Vì lò ủ tỏi với công suất 10 kg/mẻ nên ta cho nước vào nền đáy của lò hoặc dùng khay nước đặt trong lò để cung cấp đủ độ ẩm trong quá trình lên men khoảng 75 %.
2.3.6. Lựa chọn, thiết kế cho hệ thống nhiệt độ
Hệ thống cấp và ổn định nhiệt bao gồm các thiết bị: “Cảm biến nhiệt, bộ điều khiển, đèn hồng ngoại halogen”. Lò ủ tỏi đen được thiết kế sử dụng đèn hồng ngoại halogen làm nguồn cung cấp nhiệt và được quạt tản nhiệt chi phối nhiệt cho buồng lên men tỏi. Cảm biến nhiệt hoạt động sẽ nhận tín hiệu là nhiệt độ trong buồng ủ và truyền tín hiệu về bộ điều khiển nhiệt độ làm đóng, ngắt đèn hồng ngoại đang đốt nóng ở nhiệt độ nhất định.
2.4. Tính công suất điện năng tiêu thụ
Công suất tiêu thụ điện năng của lò ủ tỏi đen được tính dựa vào công suất tiêu thụ của 3 thiết bị phụ trợ chính là đèn hồng ngoại halogen, quạt và cảm biến nhiệt độ. Dựa vào công suất của đèn hồng ngoại halogen gia nhiệt, công suất quạt, và công suất cảm biến nhiệt độ, tính được tổng công suất tiêu thụ điện năng của lò ủ tỏi Ptt = 522 Wh.
2.5. Phương pháp đánh giá mức độ yêu thích sản phẩm
Để đánh giá mức độ yêu thích sản phẩm áp dụng theo thang đo Likert, tiến hành đánh giá mức độ yêu thích sản phẩm tiến hành trên 30 tình nguyện viên. Trong đó, người tham gia sẽ đánh giá các tiêu chí màu sắc, mùi hương, trạng thái, hình thức sản phẩm và tính tiện lợi thông qua phiếu khảo sát được thể hiện theo Bảng 2.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Thiết kế phần cơ khí
Mô hình 3D của máy ủ tỏi đen được thiết kế bằng phần mềm Inventor 2018 như Hình 6-a, và Hình 6-b. Thiết bị buồng ủ hoạt động dựa trên nguyên lý đối lưu cưỡng bức và tuần hoàn nhiệt ẩm nhằm đảm bảo môi trường ổn định cho quá trình ủ diễn ra đồng đều. Bộ phận gia nhiệt (8) nằm ở đáy buồng ủ, sẽ làm nóng không khí bên trong buồng ủ. Quạt gió giúp hút khí nóng và phân phối đều lên các tầng trong buồng ủ thông qua hệ thống đối lưu cưỡng bức. Luồng khí nóng di chuyển theo chiều lên trên và lan tỏa ngang qua các tầng chứa nguyên liệu (4) nhờ hệ thống ống dẫn và các khe hở. Thiết bị cảm biến nhiệt và ẩm (5) và (6) liên tục đo lường thông số trong buồng ủ. Khi nhiệt độ hoặc độ ẩm vượt ngưỡng, hệ thống điều khiển (2) sẽ tự động điều chỉnh công suất gia nhiệt hoặc tắt/mở quạt gió để duy trì mức cài đặt mong muốn.
3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển cho máy ủ tỏi đen gồm các khối chính sau: khối nguồn cung cấp cho mạch 5V; khối mô đun cảm biến nhiệt sensor DS18B20 và các nút nhấn; khối điều khiển trung tâm Arduino Nano; khối mô đun Wifi ESP8266 và DS1307. Sơ đồ khối điều khiển qui trình hoạt động của máy được mô tả như ở Hình 7. Các linh kiện được đấu nối và đặt trong tủ điện như Hình 9-c và Hình 9-d.
Hệ thống lò ủ được khởi tạo, tiến hành đặt nhiệt độ, thời gian cho 3 giai đoạn theo quy trình công nghệ. Lưu đồ thuật toán chương trình được mô tả như Hình 8.
3.3. Thiết kế phần mềm điều khiển
Phần mềm điều khiển bao gồm phần mềm Proteus, phần mềm Arduino IDE và phần mềm Blynk phiên bản 2.0. Vi điểu khiển được chọn sử dụng trong hệ thống là Arduino Nano, là 1 board mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVR Atmega328. Phần mềm Blynk được sử dụng để theo dõi dữ liệu cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để từ đó có thể điều chỉnh công suất gia nhiệt hoặc tắt/mở quạt gió.
3.4. Kết quả đánh giá khảo nghiệm
3.4.1. Bố trí khảo nghiệm
Thí nghiệm được bố trí theo quy trình công nghệ đã được trình bày ở mục lựa chọn nguyên lý lò ủ tỏi đen với năng suất 10 kg/mẻ. Tỏi trắng Lý Sơn được lựa chọn kĩ, đồng đều, nguyên vẹn, không bị dập nát, sâu mọt được rữa sạch bằng nước sau đó phải để cho tỏi thật khô đến khi không còn giọt nước nào đọng lại trên bề mặt củ. Khi tỏi khô, tiến hành sắp xếp tỏi đồng đều trên bề mặt khay ủ, với mỗi khay 2,5 kg. Thêm nước vào đáy tủ lò để tạo độ ẩm cho quá trình ủ tỏi. Các thông số công nghệ dùng để thực hiện quá trình ủ tỏi là nhiệt độ là 70 oC, độ ẩm 75 %, thời gian ủ 30 ngày. Sau đó, sản phẩm được lấy ra đem đi đánh giá cảm quan về màu sắc, mùi, vị, trạng thái. Quá trình khảo nghiệm máy được mô tả như các hình 13-a, 13-b, 13-c, 13-d, 13-e bên dưới.
3.4.2. Đánh giá về cảm quan của tỏi đen
Sau một thời gian áp dụng quy trình lên men, sản phẩm cho được kết quả: Trong 4 ngày lên men đầu tiên, tỏi chuyển dần sang màu nâu nhạt, mùi tỏi tỏa ra nồng; ngày thứ 14 tỏi có màu đậm hơn, còn mùi tỏi nhưng mùi dịu hơn; ngày thứ 24 tỏi đã chuyển sang hẵn màu nâu đen, tép tỏi dẻo, có vị chua ngọt. Cho đến ngày 45, tỏi đã hoàn toàn có màu đen. Sau khoảng 30 ngày lên men chậm trong điều kiện quản lý chặt chẽ về nhiệt độ, độ ẩm, tỏi có trạng thái và mùi vị khác hẵn so với tỏi tươi: tép tỏi màu đen, dạng dẻo mềm, vị chua ngọt.
Quá trình đánh giá mức độ yêu thích sản phẩm tiến hành trên 30 tình nguyện viên áp dụng theo thang đo Likert 5 mức độ theo qui trình. Bảng 3 trình bày kết quả đánh giá mức độ yêu thích sản phẩm tỏi đen trên 5 tiêu chí còn Bảng 4 trình bày so sánh một số thông số kỹ thuật của máy ủ tỏi đen trên thị trường và máy ủ tỏi đen của nhóm nghiên cứu.
Dựa vào Bảng 3, cho thấy mức độ yêu thích màu sắc đạt 4,0; mùi thơm đạt 3,5; trạng thái đạt 3,5; hình thức đạt 3,0 và tính tiện lợi khi sử dụng sản phẩm đạt 3,0. Điều này chứng tỏ sản phẩm tỏi đen của máy ủ đáp ứng cơ bản thị hiếu của người dùng thử.
Từ Bảng 4 cho thấy, điện năng tiêu thụ của các thiết bị có mối quan hệ tỉ lệ thuận với công suất hoạt động và thời gian lên men. Cụ thể, máy VN100 tiêu thụ tới 450 kWh cho mỗi chu kỳ, phản ánh chi phí vận hành cao, trong khi máy do nhóm nghiên cứu chỉ tiêu tốn 522 Wh cho một mẻ 10 kg tỏi, cho thấy mức tiêu thụ năng lượng tiết kiệm. Về thời gian lên men, máy Luva có ưu thế về tốc độ với thời gian ủ ngắn nhất là 12 ngày, tuy nhiên dung tích nhỏ, phù hợp với quy mô hộ gia đình. Máy của nhóm nghiên cứu có thời gian lên men trung bình 30 ngày, ổn định và phù hợp với mục đích nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm. Xét về dung tích, máy VN100 có khả năng chứa lên đến 100 kg tỏi tươi, đáp ứng nhu cầu sản xuất quy mô công nghiệp. Ngược lại, các dòng máy dân dụng như Luva và Sunca chỉ có thể xử lý khoảng 4,5÷5 kg tỏi mỗi mẻ, phù hợp với hộ gia đình. Máy nhóm nghiên cứu có sức chứa tỏi 10 kg, là sản phẩm nội địa hóa nhằm phục vụ nghiên cứu khoa học và ứng dụng quy mô nhỏ. Để đánh giá thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của tỏi đen thì trong tương lai, cần có một số nghiên cứu đánh giá tiếp theo để hoàn thiện.
4.KẾT LUẬN
Máy ủ tỏi đen đã được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công, hiện đang được đưa vào sử dụng trong các hoạt động giảng dạy thực hành dành cho sinh viên. Trong quá trình vận hành, thiết bị đáp ứng tốt các tiêu chuẩn về an toàn lao động, hiệu suất và độ bền, theo đúng các thông số kỹ thuật đã thiết lập. Máy vận hành ổn định, chính xác và phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Kết quả khảo nghiệm cho thấy, sau thời gian lên men khoảng 25–30 ngày, các tép tỏi chuyển hoàn toàn sang màu đen, đạt được trạng thái dẻo mềm và có hương vị chua ngọt đặc trưng. Tuy nhiên, để đánh giá đầy đủ các đặc tính hóa học của tỏi đen thành phẩm, cần thực hiện thêm các nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm. Do đó, việc tiếp tục nghiên cứu, cải tiến và hoàn thiện thiết bị ủ tỏi đen là cần thiết cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Vũ Bình Dương, Phạm Xuân Phong (2013), “Nghiên cứu thành phần hóa học của tỏi đen Lý Sơn”, Tạp chí Y- Dược lâm sàng, tập 8 (số 4), tr.103-107.
[2]. Nguyễn Đức Vượng, Nguyễn Mậu Thành, Nguyễn Đức Minh (2017), “Nghiên cứu hoàn thiện quy trình lên men tỏi đen từ tỏi trắng”, Tạp chí Khoa học Công Nghệ, Đại học Quảng Bình
[3]. Nguyễn Huy Thuần, Nguyễn Duy Khương, Phạm Thị Yến Nhi (2023), ”Quá trình lên men, thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của tỏi đen”, Tạp chí Đại học Duy Tân
[4]. Nguyễn Thị Tình*, Đinh Thị Kim Hoa, Phạm Bằng Phương, Tạ Thị Lượng, Nguyễn Tiến Dũng, Ngô Xuân Bình (2019), “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tỏi đen từ giống tỏi bản địa đồng mu Cao Bằng”, Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên
[5]. Trần Văn Phú (2008), “Tính toán thiết kế hệ thống sấy”, NXB Giáo dục.
[6]. Trần Văn Nhân, Nguyễn Đức Lợi (2004). “Kỹ thuật sấy”. NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.
[7]. Phạm Văn Tấn (2006), “Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm”. NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội
[8]. Công ty OSATA Việt Nam. Máy làm tỏi đen OSATA – thông số kỹ thuật. Truy cập ngày 14 tháng 5 năm 2025, từ https://osata.vn
[9]. Công ty Luva Việt Nam. Máy làm tỏi đen Luva. Truy cập thông số kỹ thuật. Truy cập ngày 14 tháng 5 năm 2025, từ từ https://luva.vn
[10]. Công ty Sunca Việt Nam, Thông số kỹ thuật. Truy cập ngày 14 tháng 5 năm 2025, từ https://sunca.vn
[11]. Công ty Tỏi Đen Việt Nhật, Thông số kỹ thuật. Truy cập ngày 14 tháng 5 năm 2025, từ http://toidenvietnhat.com
[12]. Jin-Ichi Sasaki (2015), Overview of the Black Garlic Movement in the Fields of Research and Marketing, Journal of Life Sciences 9, 65-74. Doi: 10.17265/1934-7391/2015.02.003
[13]. Wen-Chang Chang, Wen-Chun Lin and She-Ching Wu (2023), Optimization of the Black Garlic Processing Method and Development of Black Garlic Jam Using High-Pressure Processing, Foods 12, 1584. https:// doi.org/10.3390/foods12081584
[14]. Fangwei Li a b, Jiarui Cao a b, Qi Liu a b, Xiaosong Hu a b, Xiaojun Liao a b, Yan Zhang a b , (2020), Acceleration of the Maillard reaction and achievement of product quality by high pressure pretreatment during black garlic processing, https://doi.org/10.1016/j.foodchem.126517
[15]. Likert, R. (1932). A technique for the measurement of attitudes. Archives of Psychology, 140, 1–55.
Ngày nhận bài: 25/6/2025
