Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy thái lá sen tươi (nelumbo nucifera) làm trà tại thành phố Huế

TÓM TẮT

Lá sen là nguyên liệu có giá trị trong sản xuất trà thảo dược nhờ các đặc tính chống oxy hóa và hỗ trợ sức khỏe tim mạch. Tuy nhiên, quá trình sơ chế thủ công hiện nay tốn nhiều thời gian, công sức, và năng suất thấp. Nghiên cứu này nhằm thiết kế và chế tạo máy thái lá sen tươi, góp phần cơ giới hóa công đoạn sơ chế, nâng cao hiệu quả sản xuất trà lá sen. Máy được thiết kế theo nguyên lý lưỡi dao thẳng gắn trên đĩa quay, với lưỡi dao được chế tạo từ vật liệu thép C45. Kết quả khảo nghiệm thực tế cho thấy máy hoạt động ổn định, đạt năng suất thái khoảng 55 kg/giờ, các lát thái đồng đều và hiệu suất thái khoảng 90%.

Từ khóa: Lá sen, sen Huế, máy thái, trà lá sen.

DESIGNING AND MANUFACTURING A FRESH LOTUS LEAF (NELUMBO NUCIFERA) SLICING MACHINE FOR TEA PRODUCTION IN HUE CITY

ABSTRACT

Lotus leaves are a valuable ingredient in herbal tea production due to their antioxidant properties and cardiovascular health benefits. However, the current manual pre-processing method is time-consuming, labor-intensive, and yields low productivity. This research aims to design and manufacture a fresh lotus leaf slicing machine, contributing to the mechanization of the pre-processing stage and improving the efficiency of lotus leaf tea production. The machine is designed based on the principle of a rotary disc cutter with blades made from C45 steel. Practical trials show that the machine operates stably, achieving a slicing capacity of approximately 55 kg/hour, with uniform slices and a cutting efficiency of around 90%.

Keywords: Lotus leaves, Hue lotus, slicing machine, lotus leaves tea.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trà lá sen là một loại đồ uống truyền thống được ưa chuộng ở nhiều quốc gia châu Á, đặc biệt là Việt Nam, không chỉ vì hương vị độc đáo mà còn nhờ những lợi ích sức khỏe đã được khoa học chứng minh. Lá sen (Nelumbo nucifera Gaertn.) chứa nhiều hợp chất sinh học có giá trị như flavonoid, alkaloid, tannin, và quercetin, mang lại các tác dụng dược lý như chống oxy hóa, chống viêm, giảm cholesterol, hỗ trợ giảm cân và cải thiện giấc ngủ [1, 2].

Hiện nay, trà từ lá sen có thể được chế biến theo nhiều loại khác nhau như trà lá sen khô, trà lá sen tươi và trà lá sen túi lọc [3]. Quy trình sản xuất trà lá sen truyền thống thường bao gồm các công đoạn như thu hoạch, làm sạch, thái nhỏ, phơi khô, sao lá sen, và đóng gói sản phẩm hoặc sấy khô [4]. Trong đó, công đoạn thái lá sen tươi là một khâu quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu suất chế biến. Đặc thù của lá sen là kích thước lớn, kết cấu mỏng và dễ nhàu nát khi thái, đòi hỏi thiết bị phải đảm bảo lực thái thích hợp và giữ được hình dạng lát thái đồng đều. Hiện nay, việc thái lá sen tươi chủ yếu vẫn được thực hiện thủ công, gây ra nhiều hạn chế đáng kể. Việc thái thủ công không đảm bảo độ đồng đều về kích thước lá, dẫn đến quá trình phơi/sấy không đồng nhất, ảnh hưởng đến hương vị và màu sắc của trà thành phẩm. Hơn nữa, phương pháp này tốn nhiều thời gian và công sức, đặc biệt khi sản xuất với quy mô lớn, làm tăng chi phí nhân công và giảm năng suất [5].

Để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng trà lá sen, việc chế tạo máy thái lá sen tươi chuyên dụng là một yêu cầu cấp thiết. Tuy nhiên, các nghiên cứu máy thái chuyên dụng cho lá sen tươi vẫn còn hạn chế. Đa số các nghiên cứu tập trung vào các loại máy thái củ quả, rau cỏ. Việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động và cấu tạo của các loại máy này có tác dụng rất lớn cho việc định hình và tiến hành nghiên cứu chế tạo máy thái lá sen tươi. Năm 2023, Lê Anh Đức và cs. đã thực hiện nghiên cứu chế tạo máy thái cây thuốc nam dạng thân thảo bao gồm cây Hoàn Ngọc, cây Cỏ hôi, và cây Rau dừa nước bằng lưỡi dao thẳng gắn trên đĩa quay. Trong đó góc thái và góc mài dao mà nghiên cứu đã tính toán lựa chọn là 20⁰ và 15⁰. Năng suất của máy ổn định và đạt được theo năng suất lý thuyết khi số vòng quay của máy đạt 300 vòng/phút, 280 vòng/phút, và 250 vòng/phút cho cây thuộc nhóm 1, nhóm 2, và nhóm 3 [6]. Ngoài ra máy thái dây khoai lang làm cho thức ăn chăn nuôi đại gia súc theo phương pháp lắp dao kiểu đĩa cũng đã được nghiên cứu và chế tạo [7]. Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra máy có thể đạt được năng suất 500 kg/giờ với chiều dài đoạn thái có độ sai lệch nhỏ hơn 2%. Đồng thời máy thái này cũng có thể ứng dụng cho các đối tượng khác như cây bắp hay cỏ voi với năng suất 1000 kg/giờ. Trên thế giới, nhóm tác giả ở Tanzania cũng đã tiến hành chế tạo và thử nghiệm máy thái rau dạng lắp dao kiểu đĩa [8]. Các tác giả cũng chỉ ra rằng máy thái kiểu lưỡi dao lắp trên đĩa quay cho năng suất thái ổn định với hiệu suất thái đạt 86%. Một nhóm tác giả đến từ Ấn Độ cũng đã thiết kế và chế tạo máy thái rau củ quả theo phương pháp lưỡi dao lắp trên đĩa quay [9]. So với phương pháp thái bằng tay, năng suất và chất lượng lát thái “chuối và khoai tây” bằng máy thái cao hơn nhiều.

Dựa trên tổng quan nghiên cứu về các loại máy thái khác nhau trong nước và thế giới, máy thái với cơ cấu thái theo phương pháp lưỡi dao thẳng lắp trên đĩa quay được lựa chọn cho quá trình thái lá sen tươi cho quy trình sản xuất trà ở thành phố Huế. Cụ thể, máy thái sẽ giúp chuẩn hóa quy trình sản xuất, tối ưu hóa quá trình sấy khô, từ đó bảo toàn tối đa các hợp chất hoạt tính sinh học trong lá sen và nâng cao giá trị cảm quan của trà. Đồng thời, việc ứng dụng máy móc vào sản xuất sẽ góp phần giảm thiểu chi phí sản xuất, tăng năng suất và nâng cao năng lực cạnh tranh cho các doanh nghiệp sản xuất trà lá sen.

2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu là lá của cây sen tươi đã được làm sạch, cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy thái. Máy thái lá sen được chế tạo và lắp ráp tại xưởng cơ khí khoa Cơ khí và Công nghệ, Đại học Nông Lâm, Đại học Huế, sau đó được đưa vào thử nghiệm thái lá sen tươi. Theo đó, các chỉ tiêu cần đánh giá bao gồm: năng suất thái, độ đồng đều của lát thái, tỷ lệ hao hụt và hiệu suất thái. Dung trọng của lá sen tươi vào khoảng    [10].

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.1. Phương pháp điều tra khảo sát, nghiên cứu tài liệu: các dữ liệu về tình hình trồng sen trên địa bàn thành phố Huế; tình hình chế biến trà lá sen; nguyên lý cấu tạo và làm việc của các mẫu máy thái rau củ quả trong nước và trên thế giới được nhóm đề tài tổng hợp và phân tích làm cơ sở cho việc lựa chọn nguyên lý làm việc hợp lý của máy thái lá sen tươi.

2.2.2. Phương pháp tính toán thiết kế máy:

a) Xây dựng mô hình toán để tính các thông số cơ bản của bộ phận thái kiểu lưỡi dao thẳng lắp trên đĩa quay [7, 11]:

Hình 1 mô tả sơ đồ tính toán dao thái lưỡi thẳng với c là khoảng cách từ trục quay đến mép họng thái theo đường thẳng đứng; ν là khoảng cách từ đường thẳng góc với lưỡi dao kể từ tâm quay O tới điểm của lưỡi dao mà ta xét; τ là góc trượt; χ là góc kẹp; a là chiều cao họng thái; b là chiều rộng họng thái; h là khoảng cách từ trục quay đến tấm kê thái theo phương thẳng đứng; p là khoảng cách từ tâm quay đến lưỡi dao.

Hình 1. Mô hình tính toán các thông số cơ bản của bộ phận thái kiểu đĩa lắp dao lưỡi thẳng

Điều kiện thái có trượt:

Theo lý thuyết tính toán sơ đồ dao thái lưỡi thẳng [7] ta có:

Trong đó: t, m là hệ số và 0,5≤t≤1;1≤m≤1,2.  Trong đề tài này chọn t = 0,5 và m = 1,2;

Đối với máy thái rau củ quả, khoảng cách từ trục quay đến mép họng thái theo đường thẳng đứng có giá trị từ 75 mm đến 100 mm.

Điều kiện để dao lưỡi thẳng thái hết tiết diện lá sen tươi (cuộn tròn):

- Ứng với điểm xa tâm quay nhất của dao thái:

- Ứng với điểm gần tâm quay nhất của dao thái:

Trong đó: Dấu (+) khi h > a, dấu (-) khi h < a.

b) Phương pháp xác định năng suất lý thuyết của máy thái lá sen tươi [11]:

Trong đó: a – chiều cao họng thái [m]; b – chiều rộng họng thái [m]; l – chiều dày thái [m]; k_dao – số dao thái lắp trên đĩa; γ_s – khối lượng thể tích của lá sen tươi [kg/m³]; n – số vòng quay của máy trong một phút [vòng/phút]. Trong đề tài này, năng suất lý thuyết lựa chọn 60 kg/giờ.

c) Áp suất thái riêng: đại lượng đặc trưng cho quá trình thái và được tính theo công thức [11]:

Trong đó: N – lực ép pháp tuyến của dao lên vật liệu thái [N]; ΔS – chiều dài đoạn lưỡi dao chìm vào vật thái [cm]. Đối với mỗi đối tượng thái khác nhau thì giá trị của q khác nhau, tuỳ thuộc vào độ sắc của dao, góc mài dao, các tính chất cơ lý của vật thái, chế độ động học của dao. Thông thường đối với thân ngô: q = 40 – 80 N/cm; Rơm: q = 50 – 120 N/cm; Rau cỏ: 40 – 80 N/cm; Củ quả: 20 – 40 N/cm [7, 11]. Đối với lá sen tươi là loại vật liệu thái chứa xenlulo nên có thể xem như rau cỏ nên chọn q = 40 – 80 N/cm. Giá trị q dùng để tính toán mômen, từ đó xác định được công suất của động cơ mà động cơ cung cấp cho máy thái.

d) Các yếu tố ảnh hưởng chính của dao thái

- Độ sắc của dao: Độ sắc của lưỡi dao được đo bằng bề dày s của cạnh sắc lưỡi dao. Thường cạnh sắc cực tiểu của lưỡi dao đạt tới s_min= 20 ÷ 40 μm. Nếu bề dày cạnh sắc s đạt từ 100 μm trở lên, dao được coi là rất cùn và việc thái sẽ gặp khó khăn. Độ dày của cạnh sắc lưỡi dao s càng lớn thì áp suất riêng q càng tăng. Trong trường hợp thái lá sen tươi, chọn s = 40 µm để thiết kế.

- Góc thái α: góc này được hợp bởi hai góc: góc đặt dao β và góc mài dao σ. Góc thái ảnh hưởng đến áp suất thái. Góc thái càng nhỏ thì áp suất thái càng bé. Tuy nhiên góc thái phải đủ lớn để đảm bảo độ bền của dao. Mặc khác giá trị của góc mài dao và góc đặt dao đối với máy thái rau cỏ thông thường σ= (12⁰ ÷ 15⁰) và β= (2⁰ ÷ 5⁰) [11]. Trong trường hợp thái lá sen tươi, chọn σ= 15⁰ và β= 5⁰ để thiết kế. Do vậy góc thái α = 20⁰.

- Khe hở δ giữa cạnh của lưỡi dao và cạnh của tấm kê: δ có một giới hạn thích hợp đối với mọi vật thái. Vật thái càng mảnh thì khe hở δ càng nhỏ, tuy nhiên cần tính toán khe hở hợp lý để giảm lực ma sát cản trở quá trình thái. Đối với máy thái rau cỏ δ≤ 0,5 (mm) [11]. Trong trường hợp thái lá sen tươi với đặc tính đường kính lớn nhưng chiều dày mỏng nên chọn δ = 0,5 mm.

2.2.3. Phương pháp khảo nghiệm, đánh giá khả năng làm việc của máy thái lá sen tươi:

Quá trình khảo nghiệm nhằm đánh giá khả năng làm việc hiệu quả và ổn định của máy thái lá sen tươi bao gồm: năng suất, độ đồng đều của lát thái, tổn thất của quá trình thái, và hiệu suất của máy thái.

a) Năng suất máy thái lá sen tươi [12]:

Năng suất máy thái lá sen tươi được xác định bởi công thức:

Trong đó: m – khối lượng lá sen tươi cần thái [kg]; t – thời gian thái lá sen tươi [giây];

b) Độ đồng đều của lát thái [12]:

Độ đồng đều của lát thái được xác định bởi công thức sau:

c) Tổn thất của quá trình thái lá sen tươi:

Sự tổn thất của quá trình thái lá sen tươi được đánh giá bởi công thức:

Trong đó: m₁ – khối lượng lá sen tươi trước khi thái [kg]; m₂ – khối lượng lá sen tươi sau khi thái [kg];

d) Hiệu suất của máy thái lá sen tươi:

Hiệu suất của máy thái lá sen tươi được xác định bởi công thức:

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Mô hình máy thái lá sen tươi đã được thiết kế:

Dựa trên tổng hợp, phân tích các loại máy thái rau củ quả khác, đồng thời dựa vào lý thuyết thái, các thông số tính toán và các yêu cầu về kỹ thuật, mô hình máy thái lá sen tươi được thiết kế như Hình 2:

Hình 2. Mô hình thiết kế máy thái lá sen tươi

1-Khung máy; 2-Bộ truyền đai; 3-Ổ đỡ; 4-Trục làm việc; 5-Họng thái; 6-Buồng thái; 7-Dao và đĩa dao; 8-Nắp bảo vệ; 9-Động cơ

Nguyên lý hoạt động của máy thái lá sen tươi: khi động cơ (9) làm việc, thông qua bộ truyền đai dẫn động (2), máy thái làm việc. Lúc này, lá sen tươi được cuốn lại thành bó tròn và cấp vào họng thái (5), đồng thời đĩa dao lắp dao thái lưỡi thẳng (7) chuyển động và thái đứt vật liệu. Vật liệu sau khi thái thoát ra buồng thái (6).

3.2. Kết quả chế tạo và khảo nghiệm máy:

a) Chế tạo máy: Máy thái lá sen tươi được chế tạo dựa trên thiết kế như Hình 2 và được trình bày ở Hình 3. Máy có kích thước tổng thể 530 x 450 x 900 mm (dài x rộng x cao). Dao thái là loại dao lưỡi thẳng có độ dày 2mm để đảm bảo không bị biến dạng trong quá trình thái, và độ dài đoạn lưỡi dao là 180 mm. Tiết diện họng thái tính toán là hình chữ nhật với kích thước “rộng x cao = 81mm x 19mm). Tuy nhiên, do lá sen có đặc tính đường kính lớn và chiều dày mỏng, nên các lá sen được cuộn tròn và cấp vào họng thái bằng thủ công. Do vậy họng thái đã được điều chỉnh và chế tạo theo tiết diện hình tròn có đường kính 68mm để tạo điều kiện cho quá trình thái thuận lợi. Số vòng quay của trục lắp đĩa dao lưỡi thẳng là 330 vòng/phút, với vận tốc thái là 5 m/s.

Hình 3. Máy thái lá sen tươi sau khi chế tạo

b) Khảo nghiệm máy thái lá sen tươi:

- Khảo nghiệm hoạt động và năng suất máy thái lá sen tươi:

Máy thái được khảo nghiệm trong trường hợp không tải để đánh giá sự hoạt động ổn định, êm dịu, và phát hiện các sai sót để sửa chữa trước khi khảo nghiệm năng suất của máy thái. Năng suất của máy thái được khảo nghiệm theo hai trường hợp khối lượng lá sen tươi đầu vào 1kg và 5 kg, với độ dày lát thái lý thuyết là 3mm. Các lần thí nghiệm lặp lại, thời gian thái và năng suất của máy thái được tổng hợp ở Bảng 1. Năng suất thái trung bình của máy thái lá sen tươi đạt khoảng 55 kg/giờ. Kết quả cho thấy năng suất thái trung bình thực tế chưa đạt năng suất lý thuyết đã lựa chọn. Lý do dẫn đến kết quả này là do ảnh hưởng của quá trình cấp liệu không đều bằng thủ công, đồng thời có sự bẻ gập của lá sen tươi trong quá trình thái ảnh hưởng đến năng suất thái và độ đồng đều của các lát thái sẽ được thảo luận ở phần sau.

Bảng 1. Kết quả khảo nghiệm năng suất của máy thái lá sen tươi

- Khảo nghiệm về độ đồng đều của các lát thái:

Để đánh giá độ đồng đều của các lát thái, tiến hành chọn ngẫu nhiên 100 lát thái lá sen tươi. Độ dày (hay bề rộng) của các lát thái được đo bằng thước lá (Hình 4). Kết quả đạt được hơn 90% các lát thái có độ dày 3±0,6mm. Sự phân bố độ dày các lát thái lá sen tươi được mô tả ở Hình 5.

Hình 4. Đo độ dày các lát thái lá sen tươi

Hình 5. Sự phân bố độ dày các lát thái lá sen tươi

- Khảo sát tổn thất và hiệu suất của quá trình thái

Khối lượng của lá sen tươi trước và sau khi thái được cân để tính hệ số tổn thất và hiệu suất của quá trình thái. Từ các kết quả tính toán ở Bảng 2, hiệu suất trung bình của máy thái lá sen tươi đạt gần 90%.

Bảng 2. Tổn thất sau thái và hiệu suất của quá trình thái lá sen tươi

4. KẾT LUẬN

Dựa trên kết quả đánh giá thực trạng tình hình sử dụng lá sen và khảo sát các công nghệ hiện có trong và ngoài nước, nghiên cứu đã lựa chọn nguyên lý cắt thái bằng đĩa quay lắp dao lưỡi thẳng là phù hợp cho đối tượng lá sen tươi – nguyên liệu có đặc tính mỏng, dễ nhàu nát. Trên cơ sở đó, máy thái lá sen tươi đã được thiết kế và chế tạo thành công. Máy được thiết kế với cấu tạo gọn nhẹ với dao lưỡi thẳng được chế tạo bằng thép C45 với góc mài và khe hở tối ưu nhằm đảm bảo hiệu quả cắt và độ bền dao. Qua khảo nghiệm, máy đạt năng suất thái trung bình khoảng 55 kg/giờ, hiệu suất thái xấp xỉ 90% và tỷ lệ đồng đều lát thái >90%, với các lát thái có độ dày 3±0,6mm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Ahn, J.H., et al., Chemical constituents from Nelumbo nucifera leaves and their anti-obesity effects. Bioorg Med Chem Lett, 2013. 23(12): p. 3604-8.

2. Nhung, N.T., Nghiên cứu đặc điểm thực vật, thành phần hoá học và tác dụng sinh học của cây sen (nelumbo nucifera Gaertn.) họ sen (Nelumbonaceae). 2001: Đại học Mỏ - Địa chất.

3. Minh, V.T.N., V.H.P. Linh, and Đ.T.H. Diễm, Nghiên cứu quy trình bào chế trà hòa tan từ lá sen chứa hợp chất flavonoid có tác dụng hỗ trợ giảm mỡ máu tại tỉnh Đồng Tháp giai đoạn 2021 – 2022. Tạp Chí Khoa học Trường Đại học Quốc tế Hồng Bàng, 2022(ĐẶC BIỆT): p. 184-194.

4. Trang, N.T.Q. and N.T. Mai, Tình hình sản xuất và chế biến các loại trà Sen (Nelumbo nucifera Gaertn.) ở Thừa Thiên Huế. Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, 2021. 130(3D): p. 99-116.

5. Babu, A.K., et al., Review of leaf drying: Mechanism and influencing parameters, drying methods, nutrient preservation, and mathematical models. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018. 90: p. 536-556.

6. Lê, A., et al., Thiết Kế Chế Tạo và Thử Nghiệm Máy Thái Cây Thuốc Nam Dạng Thân Thảo. Journal of Technical Education Science, 2023: p. 86-95.

7. Bích, N.H., et al., Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy thái dây khoai lang làm thức ăn cho chăn nuôi đại gia súc. Tạp chí Công Nghiệp Nông Thôn, 2024. 53.

8. Msuya, J., Designing and Manufacturing of Vegetable Slicing Machine. Tanzania Journal of Engineering and Technology, 2023. 42(1): p. 182-199.

9. Pawar, K.R., et al., Development of Fruit and Vegetable Slicing Machine. International Research Journal of Engineering and Technology, 2020. 7(3).

10. Divakaran, D., et al., Exfoliation and physico-chemical characterization of novel bioplasticizers from Nelumbo nucifera leaf for biofilm application. Heliyon, 2023. 9(12): p. e22550.

11. Khuyên, T.N., Các quá trình và thiết bị cơ bản trong công nghệ thực phẩm. 2006, Hà Nội: Trường Đại học Nông nghiệp 1

12. Osama M. Abd El-Haq, et al., Design and development of a potato slicing machine. Misr Journal of Agricultural Engineering, 2016. 33(1): p. 123-150

Ngày nhận bài: 28/6/2025