Panduan Insinyur untuk Pengujian Kekerasan: Prinsip & Metode 2025

Panduan Teknis untuk Pengujian Kekerasan dalam Produksi Permen: Prinsip dan Aplikasi

Pengujian kekerasan memainkan peran penting bahkan dalam rekayasa proses makanan, khususnya untuk produksi kembang gula. Dalam industri permen, kekerasan bukan sekadar pengukuran laboratorium - kekerasan merupakan parameter kontrol kualitas penting yang berkorelasi dengan tekstur, masa simpan, ketahanan gigitan, dan persepsi konsumen. Dengan menerapkan uji kekerasan yang sistematis, teknisi dapat memastikan konsistensi, mendeteksi penyimpangan proses, dan mengontrol formulasi atau perubahan perlakuan termal.

Dalam panduan ini, kami akan menjelaskannya:

• Jelaskan arti ilmiah dari kekerasan dalam konteks permen (sering kali viskoelastis, rapuh atau plastik tergantung pada resep),

• Tinjau metode utama (lekukan, tusuk, kompresi) yang disesuaikan dengan kembang gula,

• Tunjukkan cara memilih metode pengujian yang tepat untuk berbagai jenis permen (permen keras, permen kenyal, dan permen berlapis),

• Menyediakan praktik terbaik dalam persiapan sampel, pelaksanaan pengujian, dan penafsiran hasil sehingga Anda mendapatkan data yang bermakna dan dapat diulang.

Mari menyelam lebih dalam.

Apa Arti "Kekerasan" dalam Konteks Permen?

Dalam ilmu material, kekerasan adalah ukuran ketahanan terhadap deformasi plastis (permanen) di bawah beban lokal. Tetapi permen dan permen berbeda dari logam dan keramik: permen dan permen sering kali berperilaku sebagai bahan viskoelastik atau rapuh tergantung pada kristalinitas gula, kadar air, transisi gelas, atau komposisi (misalnya penyertaan lemak dan permen karet).
Jadi, kekerasan dalam permen lebih mirip dengan ketahanannya terhadap lekukan, patahan, atau penetrasi di bawah beban mekanis tertentu.

Apabila Anda menekan probe ke dalam permen, Anda bisa melihatnya:

• Pemulihan elastis (jika bahannya kenyal),

• Lekukan plastik atau permanen (jika struktur menghasilkan),

• Retak atau patah (jika rapuh),

• Rangkak atau deformasi yang bergantung pada waktu (jika viskoelastik).

Dalam praktiknya, kami merancang pengujian untuk mengisolasi "resistensi awal"-yaitu perilaku beban vs. penetrasi sebelum rangkak atau fraktur yang signifikan mendominasi.

Singkatnya: kekerasan dalam kembang gula adalah parameter "fungsional" - ini mencerminkan struktur mikro internal (jaringan kristal, matriks pengikat, kadar air) dan berkorelasi dengan kekuatan gigitan, kerenyahan, kekenyalan, atau perilaku kerusakan.

Metode Umum Pengujian Kekerasan dalam Kembang Gula

Karena permen bersifat lunak, rapuh, atau viskoelastis, uji lekukan metalurgi klasik (Rockwell, Brinell, Vickers, Knoop) perlu diadaptasi atau sering kali digantikan oleh metode yang lebih umum dalam ilmu pangan: uji tusuk, uji kompresi, tikungan tiga titik, dan lekukan dengan probe kecil. Tetapi prinsip yang mendasarinya-mengukur resistensi terhadap beban yang diketahui vs perpindahan-tetap sama.

Berikut ini adalah metode umum yang digunakan (atau diadaptasi) dalam lingkungan permen/kembang gula:

Adaptasi dari Metode Logam

• Beban yang lebih rendah dan indentor yang lebih kecil: Karena permen jauh lebih lembut, Anda harus menggunakan kekuatan yang kecil (misalnya gram hingga beberapa newton) dan probe yang halus.

• Waktu tunggu yang singkat (atau mode kontinu) untuk meminimalkan efek creep.

• Kompensasi untuk creep atau relaksasi viskoelastikmungkin dengan mengukur waktu atau fitur kurva bongkar muat.

• Persiapan permukaan yang rata dan konsistenmemotong, memoles, atau meratakan permukaan permen untuk mengurangi ketidakteraturan geometris atau permukaan.

• Kalibrasi dengan bahan referensi: Gunakan blok kalibrasi atau standar (misalnya bahan polimer) dengan kekerasan yang diketahui untuk memvalidasi perilaku instrumen di wilayah beban rendah.
  

Memilih Metode Pengujian untuk Jenis Permen yang Berbeda

Untuk memilih uji kekerasan/tekstur yang terbaik, pertimbangkan:

1. Jenis & Struktur Permen

   • Keras permen / gula gelas / lolipoprapuh, kelembapan rendah, kekakuan tinggi → gunakan uji kompresi, kelenturan, atau pantulan.

   • Kenyal / bergetah / agar-agarviskoelastis, kelembaban tinggi → tusukan atau indentor kecil, waktu tunggu yang lebih pendek.

   • Konfeksi berlapis / cangkang enrobingmembutuhkan lekukan lokal pada lapisan tipis atau pemetaan di seluruh permukaan → lekukan mikro atau lekukan terinstrumentasi.

2. Sampel Geometri & Ketebalan
   Penetrasi uji (kedalaman lekukan atau defleksi) harus jauh lebih kecil daripada ketebalan keseluruhan untuk menghindari efek penyangga (aturan praktis: kedalaman lekukan < 10% ketebalan).

3. Data / Keluaran yang Diinginkan
   Untuk QC throughput tinggi, kompresi atau tusukan sederhana pengujian dengan penganalisis tekstur otomatis lebih disukai. Untuk R&D atau analisis kegagalan, pemetaan dengan lekukan terinstrumentasi menghasilkan detail spasial yang lebih kaya.

4. Merusak vs. Tidak merusak
   Beberapa pengujian (kompresi, tusukan) dapat mematahkan atau merusak permen; pengujian lekukan atau pantulan yang lembut dapat membuat sebagian besar permen tetap utuh.

5. Sensitivitas terhadap Kelembaban, Suhu, dan Riwayat
   Karena permen sensitif terhadap perubahan lingkungan, Anda harus mengontrol suhu dan kelembapan pengujian, dan menguji segera setelah persiapan sampel untuk mengurangi penyimpangan.

Praktik Terbaik dalam Persiapan dan Pelaksanaan Sampel

Bahkan, kesalahan kecil dalam persiapan atau eksekusi sampel dapat menyebabkan penyimpangan besar dalam data kekerasan/tekstur. Di bawah ini adalah panduan untuk memastikan hasil yang dapat diandalkan dan dapat diulang:

Persiapan Sampel

• Pemotongan / Pemotongan: Gunakan metode yang meminimalkan panas yang dihasilkan atau kerusakan struktural (pisau tajam, gergaji yang didinginkan).

• Kerataan permukaan: Untuk lekukan atau uji mikro, ratakan atau poles permukaannya. Gunakan micro-planing atau lapping dengan abrasif halus jika diperlukan (untuk gelas gula, dll.).

• Pemasangan: Untuk potongan kecil atau tipis, pasang pada penyangga yang kaku atau pada perlengkapan yang dapat menahan sampel tanpa perubahan bentuk.

• Keseimbangan suhu: Biarkan sampel stabil pada suhu pengujian (misalnya, uji dalam ruang yang dikontrol suhu) untuk menghindari efek pelunakan termal.
  

Eksekusi Tes

• Jarak Spasi / Jarak Tepi: Lekukan atau penetrasi harus jauh dari tepi atau yang sebelumnya. Aturan: setidaknya 3× dimensi terbesar (lekukan, ujung probe) dari tepi atau uji tetangga.

• Memuat profil: Gunakan pembebanan yang konsisten (laju, waktu diam). Untuk bahan viskoelastik, sertakan beban awal (gaya kecil) dan kemudian beban utama untuk menyelesaikan efek permukaan.

• Kalibrasi instrumen / pemeriksaan dasar: Gunakan bahan referensi standar (misalnya blok polimer dengan modulus/kekerasan yang diketahui) untuk memverifikasi respons instrumen dalam rentang gaya rendah.

• Kurva bongkar muat / pengukuran sisa: Dalam pengujian instrumen, tangkap kurva bongkar-muat penuh untuk memperhitungkan pemulihan elastis dan menghitung "kekerasan semu" atau modulus lekukan.

• Pengukuran ulang & pengambilan sampel statistik: Untuk permen yang tidak seragam (gelembung udara, inklusi), lakukan beberapa pengukuran dan laporkan rata-rata ± standar deviasi.

Pemecahan Masalah Umum dalam Pengujian Kekerasan Permen

Menafsirkan Data Kekerasan untuk Kinerja Permen

Setelah Anda memiliki pengukuran yang dapat diandalkan, bagaimana Anda menghubungkannya kembali ke kualitas produk dan kontrol proses? Berikut ini beberapa panduannya:

• Berkorelasi dengan data sensorik/konsumen: Kekerasan (gaya pada perpindahan tertentu) sering kali berkorelasi dengan "kekerasan", "kegentingan", atau "gaya gigitan" yang dirasakan. Kumpulkan data panel untuk memetakan angka mekanis ke persepsi pengguna.

• Melacak konsistensi / penyimpangan proses: Gunakan kekerasan sebagai metrik kontrol untuk konsistensi dari batch ke batch. Penyimpangan dapat menandai perubahan suhu memasak, kadar air, kristalisasi, atau variasi bahan.

• Memetakan variasi spasial / keseragaman cangkang: Pada permen berlapis, gunakan beberapa lekukan di seluruh area (misalnya tepi vs tengah) untuk mendeteksi gradien ketebalan atau kekerasan.

• Kegagalan atau kerusakan model: Pada permen yang rapuh, kombinasikan kekerasan (ketahanan terhadap inisiasi retak) dengan ketangguhan patah (dari uji tekuk) untuk memprediksi perambatan retak atau perilaku patah saat terjadi benturan.

• Efek kelembaban / penuaan: Pantau kekerasan selama masa simpan untuk melihat efek pelunakan / rekristalisasi / masuknya kelembapan. Kurva kekerasan dari waktu ke waktu dapat menandai masalah stabilitas.

1. ASTM Internasional - Standar Pengujian Kekerasan https://www.astm.org/
2. ISO - Organisasi Internasional untuk Standardisasi https://www.iso.org/
3. ASM International - Pengujian & Karakterisasi Material https://www.asminternational.org/
4. NIST - Institut Standar dan Teknologi Nasional https://www.nist.gov/
5. SAE International - Standar Bahan & Pengujian https://www.sae.org/
6. ASME - Persatuan Insinyur Mekanik Amerika https://www.asme.org/
7. Masyarakat Mineral, Logam & Material (TMS) https://www.tms.org/
8. Masyarakat untuk Mekanika Eksperimental (SEM) https://www.sem.org/
9. Material Research Society (MRS) https://www.mrs.org/
10. ANSI - Institut Standar Nasional Amerika https://www.ansi.org/