Structure-function design of 3D-printable whole lotus root-Schizophyllum commune composite gels for dysphagia foods with reduced starch digestibility

بالنسبة لملايين كبار السن، يصبح الفعل البسيط المتمثل في الأكل عائقاً خطيراً. فالحالة المعروفة باسم "عسر البلع" (dysphagia) تجعل البلع صعباً أو مستحيلاً، مما يتطلب غالباً هرس الطعام ليصبح عجينة ناعمة ومتجانسة لمنع الاختناق. ومع ذلك، فإن تعديل القوام الضروري هذا غالباً ما يأتي بتكلفة خفية: فهذه الأطعمة اللينة غالباً ما تُصنع من نشويات مكررة يفككها الجسم بسرعة كبيرة، مما يؤدي إلى ارتفاع مستويات السكر في الدم بشكل خطير. وهذا يخلق معضلة صعبة لأولئ eyes الذين يديرون كل من صعوبات البلع ومرض السكري. فهم بحاجة إلى طعام يكون ناعماً بما يكفي للبلع بأمان، ولكنه معقد بما يكفي للهضم ببطء. وقد كان العثور على مادة يمكن تشكيلها في وجبات جذابة، وتحافظ على شكلها أثناء الطباعة، وتؤخر إطلاق السكر، تحدياً طويلاً لعلماء الأغذية.

استكشف الباحثون في جامعة ووهان البوليتكنيك حلاً من خلال الجمع بين مكونين طبيعيين: مسحوق جذر اللوتس الكامل وفطر شائع معروف باسم (Schizophyllum commune). لقد سعوا لإنشاء نوع جديد من الهلام الغذائي يمكن تشكيله باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان إضافة مسحوق الفطر إلى قاعدة جذر اللوتس سيغير البنية الداخلية للغذاء بطريقة تجعل من السهل طباعته، وأكثر أماناً للبلع، وأبطأ في الهضم. ومن خلال اختبار خلطات بنسب متفاوتة من مسحوق الفطر، اكتشف الفريق طريقة لموازنة هذه الاحتياجات المتضاربة، محولين عجينة نشوية بسيطة إلى مادة معقدة متعددة الطبقات تتصرف بشكل مختلف اعتماداً على كمية الفطر المضافة.

بدأ الباحثون بطحن جذور اللوتس الطازجة إلى مسحوق ناعم وخلطها بالماء لإنشاء عجينة. وإلى هذه القاعدة، أضافوا كميات مختلفة من مسحوق فطر (Schizophyllum commune) المطحون، تتراوح من عدم وجوده تماماً حتى مستوى يشكل فيه الفطر ما يقرب من ثلث الوزن الإجمالي. قاموا بتسخين هذه الخلطات لطهي النشا، مما خلق هلاماً، ثم استخدموا طابعة طعام ثلاثية الأبعاد لضغط المادة عبر فوهة صغيرة، وبناء أشكال طبقة تلو الأخرى. تطلبت الطابعة أن تتدفق المادة بسهء تحت الضغط ولكنها تتصلب فور توقفها عن الحركة، وهي خاصة تُعرف باسم "ترقق القص" (shear-thinning) والاستعادة السريعة. وبدون التوازن الصحيح، كانت الأشكال المطبوعة ستنهار تحت وزنها أو ستكون صلبة جداً بحيث لا يمكن دفعها عبر الطابعة.

عندما اختبر الفريق تدفق هذه الخلطات، وجدوا أن إضافة مسحوق الفطر غيرت سلوك الهلام بطريقة مفاجئة. فمع زيادة كمية الفطر، أصبحت الخليط أقل صلابة ومرونة، وهو ما قد يتوقعه المرء إذا كان مكون صلب يكسر ببساطة الشبكة المستمرة للنشا. ومع ذلك، أصبح الخليط أفضل بكثير في استعادة شكله بعد ضغطه عبر فوهة الطابعة. وهذا يعني أنه على الرغم من تعطل شبكة النشا الداخلية قليلاً، إلا أن جزيئات الفطر ساعدت الهلام على إعادة بناء هيكله بشكل فوري تقرياً. كانت هذه الاستعادة السريعة حاسمة لكي تبني الطابعة أشكالاً عالية ومستقرة دون أن تنهار.

تغيرت القوة الفيزيائية للأشكال المطبوعة بنمط محدد. ففي المستويات المنخفضة من إضافة الفطر، ظل القوام مشابهاً لعجينة جذر اللوتس السادة. ولكن بمجرد وصول محتوى الفطر إلى نقطة معينة، أصبحت الهلامات المطبوعة أكثر صلابة ومقاومة للكسر بشكل ملحويد. قام الباحثون بإسقاط الأشكال المطبوعة من ارتفاع لاختبار متانتها؛ حيث تحطمت أشكال جذر اللوتس السادة وفقدت شكلها عند الاصطدام، بينما ظلت الأشكال ذات محتوى الفطر العالي سليمة، ولم تظهر سوى شقوق بسيطة أو ميلان. لم يكن هذا التحسن في القوة ناتجاً عن زيادة قوة النشا، بل من قيام جزيئات الفطر بملء الفجوات بين جزيئات النشا، مما خلق بنية كثيفة التعبئة قادرة على امتصاص الصدمات.

لفهم سبب حدوث ذلك، نظر الفريق داخل الهلامات باستخدام مجاهر واختبارات كيميائية متنوعة. ووجدوا أن مسحوق الفطر لم يرتبط كيميائياً بالنشا بطريقة جديدة؛ بل إنه زاحم المساحة مادياً. فقد ملأت جزيئات الفطر، جنباً إلى جنب مع بروتيناتها وأليافها الخاصة، المساحات الفارغة داخل الهلام، مما خلق إطاراً متشابكاً ومحكماً. هذا الإطار احتفظ بالماء بفعالية أكبر ومنع سلاسل النشا من التنظيم في الهياكل البلورية الضيقة التي تتكون عادة عند تبريد النشا. ومن خلال تعطيل هذا التنظيم الضيق، جعل مسحوق الفطر الهلام أكثر مرونة وأقل عرضة لتكوين شبكة صلبة وهشة.

كان لهذا التغيير في البنية الداخلية تأثير مباشر وقابل للقياس على كيفية هضم الجسم للطعام. فعندما يحاكي الباحثون عملية الهضم في المختبر، وجدوا أن الهلامات ذات محتوى الفطر العالي تطلق السكر ببطء أكبر بكثير من عجينة جذر اللوتس السادة. فقد أطلقت العجينة السادة كمية كبيرة من الجلوكوز بسرعة، وهو أمر نموذجي للأطعوات النشوية. وفي المق المقابل، أطلقت الهلامات التي تحتوي على أكبر قدر من مسحوق الفطر كمية أقل بكثير من الجلوكوز خلال نفس الفترة. عملت التعبئة الكثيفة لجزيئات الفطر كحاجز فيزيائي، مما أبطأ الإنزيمات التي تكسر النشا ومنعها من الوصول إلى جميع جزيئات الطعام في وقت واحد. أدى هذا إلى انخفاض التأثير التقديري على مستويات السكر في الدم، مما نقل الطعام من مؤشر غلايسيمي متوسط إلى منخفض.

أخيراً، تحقق الفريق مما إذا كانت هذه الهلامات الجديدة تلبي معايير السلامة الصارمة المطلية للأشخاص الذين يعانون من صعوبات في البلع. أجروا سلسلة من الاختبارات البسيطة، مثل الضغط على الطعام بشوكة، ورفعه لمعرفة ما إذا كان يسيل، وإمالة ملعقة للتحقق مما إذا كان ينزلق بسهولة. اجتازت جميع الخلطات، بما في ذلك تلك التي تحتوي على أعلى نسبة من مسحوق الفطر، هذه الاختبارات. كانت ناعمة بما يكفي ليتم ضغطها بسهولة بالشوكة، ولم تسل عبر أسنان الشوكة، وظلت متماسكة ككتلة واحدة. أكد هذا أن الطعام آمن للأفراد الذين لا يستطيعون المضغ جيداً، محققاً المعايات المحددة لنظام غذائي معدل القوام.

تخلص الدراسة إلى أنه من الممكن هندسة مادة غذائية تحل عدة مشكلات في آن واحد. فمن خلال ضبط نسبة جذر اللوتس إلى مسحوق الفطر بعناية، أنشأ الباحثون هلاماً قابلاً للطباعة ثلاثية الأبعاد، قوياً بما يكفي للحفاظ على شكله، وناعماً بما يكفي للبلع بأمان، وبطيئاً بما يكفي في الهضم لحماية مستويات السكر في الدم. كانت الرؤية الأساسية هي أن إضافة مكون جسيمي مثل مسحوق الفطر يمكن أن يضعف المرونة طويلة المدى للنشا بينما يقوي الهيكل المحلي في الوقت نفسه من خلال تعبئة الجزيئات. يقدم هذا النهج استراتيجية واعدة لتصميم وجبات مخصصة لكبار السن الذين يواجهون التحديات المزدوجة لعسر البلع والصحة الأيضية، محولين مزيجاً بسيطاً من جذر وفطر إلى أداة وظيفية لتحسين التغذية.