Microestructural modelling of ice cream rheology

Zusammenfassung

Cuando comemos un helado, ponemos de manifiesto sus propiedades sensoriales. Es decir, nuestros labios, dientes y lengua perciben las características de ese helado. No solo aquéllas que se refieren a la temperatura, sino tabmién a su textura. La calidad de dicha textura es el resultado de la combinación de tres elementos: los ingredientes del helado (agua, azúcares y grasas, principalmente), su método de producción y las condiciones de su almacenamiento (tiempo y temperatura). En esta tesis, nos proponemos estudiar precisamente los elementos que determinan la calidad de un helado: el estado de la microestructura, su comportamiento mecánico y su reología. Este estudio se ha llevado a cabo tanto con una aproximación experimental, como con un enfoque numérico, para el cual se han desarrollado y/o empleado sendos modelos de evolución microestructural, de fractura y de comportamiento reológico. Primero, hemos estudiado la evolución de la microestructura de agua y azúcar, en función de la temperatura y el tiempo. El análisis se ha realizado en términos de los procesos de maduración de Ostwald y de sinterización. Para lo primero, calculamos el tamaño medio de partícula de hielo, presente en la microestructura, a distintos tiempos. En el segundo, se caracterizan los cuellos aparecidos entre algunas partículas mediante su tamaño en relación al tamaño de las partículas que lo forman. Se han desarrollado dos modelos de evolución microestructural, basados en técnicas de Monte Carlo. La diferencia entre uno y otro reside en que uno no tiene en cuenta la presencia del azúcar y el otro, sí. Las simulaciones llevadas a cabo con dichos modelos permiten reproducir las observaciones realizadas experimentalmente. Después, hemos analizado el comportamiento mecánico del hielo y de algunas soluciones acuosas que incluyen azúcar. Para ello se han realizado ensayos de tracción de meniscos de las formulaciones correspondientes. La elección de dicha geometría ha sido debida a la semejanza con la geometría que adoptan los cuellos que aparecen entre las partículas. Estos ensayos han permitido calcular propiedades mecánicas del hielo, como la tensión de fractura, que hemos introducido en simulaciones de elementos finitos. Dichas simulaciones incluyen unos elementos especiales, llamados elementos cohesivos, que permiten reproducir el proceso de fractura observado experimentalmente. Finalmente, hemos estudiado el comportamiento reológico del helado. Mediante ensayos escalonados y oscilatorios de reología, se ha podido relacionar el estado de la estructura de hielo con el tiempo de mantenimiento a cierta temperatura. En particular, se ha prestado atención a la tensión de cortadura aparente para la fluencia de la estructura de hielo. Precisamente, este parámetro es el que se consigue obtener mediante el modelo de reología que hemos desarrollado. Este modelo está basado en la teoría de vigas e incorpora unos elementos especiales, los conectores, con los que es posible establecer el criterio de fractura asociado al cuello aparecido entre dos partículas.