Guía del ingeniero para ensayos de dureza: Principios y métodos 2025

Guía técnica de pruebas de dureza en la producción de caramelos: Principios y aplicaciones

Las pruebas de dureza desempeñan un papel fundamental incluso en la ingeniería de procesos alimentarios, especialmente en la producción de dulces. En la industria del dulce, la dureza no es sólo una medida de laboratorio: es un parámetro crítico de control de calidad que se correlaciona con la textura, la vida útil, la resistencia a la mordedura y la percepción del consumidor. Mediante la aplicación sistemática de pruebas de dureza, los ingenieros pueden garantizar la coherencia, detectar la desviación del proceso y controlar los cambios en la formulación o el tratamiento térmico.

En esta guía:

• Explique el significado científico de la dureza en el contexto de los caramelos (a menudo viscoelástica, quebradiza o plástica, según la receta),

• Repasar los principales métodos (indentación, punción, compresión) adaptados a la confitería,

• Mostrar cómo elegir el método de ensayo adecuado para los diferentes tipos de caramelos (caramelos duros, masticables, confites recubiertos),

• Proporcionamos las mejores prácticas de preparación de muestras, ejecución de pruebas e interpretación de resultados para que pueda obtener datos significativos y repetibles.

Vamos a sumergirnos.

¿Qué significa “dureza” en el contexto de los caramelos?

En la ciencia de los materiales, la dureza es una medida de la resistencia a la deformación plástica (permanente) bajo una carga localizada. Pero los caramelos y dulces difieren de los metales y la cerámica: a menudo se comportan como materiales viscoelásticos o quebradizos en función de la cristalinidad del azúcar, el contenido de humedad, la transición vítrea o la composición (por ejemplo, la inclusión de grasas o gomas).
Así pues, la dureza de un caramelo es más parecida a su resistencia a la indentación, fractura o penetración bajo una carga mecánica definida.

Cuando se presiona una sonda en un caramelo, se puede ver:

• Una recuperación elástica (si el material es elástico),

• Una hendidura plástica o permanente (si la estructura cede),

• Agrietamiento o fractura (si es frágil),

• Fluencia o deformación en función del tiempo (si es viscoelástica).

En la práctica, diseñamos ensayos para aislar la “resistencia inicial”, es decir, el comportamiento de la carga frente a la penetración antes de que domine una fluencia o fractura significativa.

En resumen: la dureza de los productos de confitería es un parámetro “funcional” que refleja la microestructura interna (red cristalina, matrices de unión, contenido de humedad) y se correlaciona con la fuerza de mordida, la textura crujiente, la masticabilidad o el comportamiento de rotura.

Métodos comunes de prueba de dureza en confitería

Dado que los caramelos son blandos, quebradizos o viscoelásticos, los ensayos de indentación metalúrgicos clásicos (Rockwell, Brinell, Vickers, Knoop) necesitan una adaptación o a menudo son suplantados por métodos más habituales en la ciencia alimentaria: pruebas de perforación, compresión, flexión en tres puntos e indentación con pequeñas sondas. Pero el principio subyacente (medir la resistencia a una carga conocida en función del desplazamiento) sigue siendo el mismo.

Estos son los métodos típicos utilizados (o adaptados) en los entornos de dulces y confitería:

Adaptación de métodos metálicos

• Cargas más bajas y penetraciones más pequeñas: Como los caramelos son mucho más blandos, debes utilizar fuerzas pequeñas (por ejemplo, de gramos a unos pocos newtons) y sondas finas.

• Tiempos de permanencia cortos (o modo continuo) para minimizar los efectos de fluencia.

• Compensación de la fluencia o relajación viscoelástica, posiblemente midiendo el tiempo o las características de la curva de descarga.

• Preparación de superficies planas y uniformesCorte, pulido o aplanado de superficies de caramelos para reducir las irregularidades geométricas o superficiales.

• Calibración con materiales de referencia: Utilice bloques de calibración o estándares (por ejemplo, materiales poliméricos) con dureza conocida para validar el comportamiento del instrumento en la región de baja carga.
  

Selección de un método de ensayo para distintos tipos de caramelos

Para elegir la mejor prueba de dureza/textura, tenga en cuenta:

1. Tipo y estructura del caramelo

   • Duro caramelos / azúcar vidrio / piruletas: frágil, baja humedad, alta rigidez → utilizar pruebas de compresión, flexión o rebote.

   • Masticable / gomoso / gelatinoso: viscoelástica, alta humedad → punción o pequeñas hendiduras, tiempos de permanencia más cortos.

   • Dulces recubiertos / envolturas: necesitan indentación local en capas finas o mapeo a través de la superficie → microindentación o indentación instrumentada.

2. Geometría y espesor de la muestra
   La penetración de ensayo (profundidad de indentación o deflexión) debe ser mucho menor que el espesor total para evitar efectos de apoyo (regla empírica: profundidad de indentación < 10% del espesor).

3. Datos deseados / Rendimiento
   Para un control de calidad de alto rendimiento, simple compresión o punción pruebas con analizadores automáticos de textura son preferibles. Para I+D o análisis de fallos, la cartografía con indentación instrumentada ofrece un mayor detalle espacial.

4. Destructivo frente a no destructivo
   Algunas pruebas (compresión, punción) pueden fracturar o estropear el caramelo; las pruebas suaves de indentación o rebote pueden dejar el bulto intacto.

5. Sensibilidad a la humedad, la temperatura y la historia
   Dado que los caramelos son sensibles a los cambios ambientales, debe controlar la temperatura y la humedad de la prueba, y realizar la prueba poco después de la preparación de la muestra para reducir la deriva.

Buenas prácticas en la preparación y ejecución de muestras

Incluso pequeños errores en la preparación o ejecución de la muestra pueden introducir grandes desviaciones en los datos de dureza/textura. A continuación se ofrecen directrices para garantizar resultados fiables y repetibles:

Preparación de la muestra

• Corte / Seccionamiento: Utilice métodos que minimicen la generación de calor o los daños estructurales (cuchillas afiladas, sierras refrigeradas).

• Planitud de la superficie: Para la indentación o los microensayos, aplane o pula la superficie. Utilice el microcepillado o el lapeado con abrasivos finos si es necesario (para vidrio azucarado, etc.).

• Montaje: Para piezas pequeñas o finas, montar sobre un soporte rígido o en una fijación que sujete la muestra sin deformarla.

• Equilibrio térmico: Deje que la muestra se estabilice a la temperatura de ensayo (por ejemplo, realice el ensayo en una cámara de temperatura controlada) para evitar efectos de reblandecimiento térmico.
  

Ejecución de pruebas

• Distancia entre bordes: Las hendiduras o penetraciones deben estar alejadas de los bordes o de los anteriores. Una regla: por lo menos 3× la dimensión más grande (indentación, punta de la punta de prueba) del borde o de la prueba vecina.

• Perfil de carga: Utilice una carga coherente (velocidad, tiempo de permanencia). Para materiales viscoelásticos, incluya una precarga (fuerza menor) y luego la carga principal para asentar los efectos superficiales.

• Calibración de instrumentos / comprobaciones de referencia: Utilice materiales de referencia estándar (por ejemplo, bloques de polímero con módulo/dureza conocidos) para verificar la respuesta del instrumento en el rango de fuerza baja.

• Curva de descarga / medición residual: En los ensayos instrumentados, captar las curvas completas de carga-descarga para tener en cuenta la recuperación elástica y calcular una “pseudodureza” o módulo de indentación.

• Repetición de mediciones y muestreo estadístico: En el caso de caramelos no uniformes (burbujas de aire, inclusiones), realice varias mediciones y comunique la media ± desviación típica.

Resolución de problemas comunes en las pruebas de dureza de caramelos

Interpretación de los datos de dureza para el rendimiento de los caramelos

Una vez que disponga de mediciones fiables, ¿cómo las relaciona con su calidad del producto y control del proceso? He aquí algunas pautas:

• Correlacionar con datos sensoriales / de consumo: La dureza (fuerza a un determinado desplazamiento) suele correlacionarse con la percepción de “dureza”, “crujido” o “fuerza de mordida”. Recopile datos del panel para relacionar las cifras mecánicas con la percepción del usuario.

• Seguimiento de la coherencia/desviación del proceso: Utilice la dureza como métrica de control de la consistencia entre lotes. Las desviaciones pueden indicar cambios en la temperatura de cocción, el contenido de humedad, la cristalización o la variación de ingredientes.

• Variación espacial del mapa / uniformidad del caparazón: En caramelos recubiertos, utilice múltiples indentaciones a través de regiones (por ejemplo, borde frente a centro) para detectar gradientes de grosor o dureza.

• Fallo o rotura del modelo: En los caramelos frágiles, combinar la dureza (resistencia a la iniciación de grietas) con la tenacidad a la fractura (a partir de ensayos de flexión) para predecir la propagación de grietas o el comportamiento de rotura por impacto.

• Humedad / efectos del envejecimiento: Controle la dureza a lo largo de la vida útil para ver los efectos de ablandamiento / recristalización / entrada de humedad. Las curvas de dureza a lo largo del tiempo pueden indicar problemas de estabilidad.

1. ASTM International - Normas de ensayo de dureza https://www.astm.org/
2. ISO - Organización Internacional de Normalización https://www.iso.org/
3. ASM International - Ensayo y caracterización de materiales https://www.asminternational.org/
4. NIST - Instituto Nacional de Normas y Tecnología https://www.nist.gov/
5. SAE International - Materiales y normas de ensayo https://www.sae.org/
6. ASME - Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos https://www.asme.org/
7. Sociedad de Minerales, Metales y Materiales (TMS) https://www.tms.org/
8. Sociedad de Mecánica Experimental (SEM) https://www.sem.org/
9. Sociedad de Investigación de Materiales (MRS) https://www.mrs.org/
10. ANSI - Instituto Nacional Estadounidense de Normalización https://www.ansi.org/