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

Für Millionen von älteren Menschen wird der einfache Akt des Essens zu einem gefährlichen Hindernis. Ein Zustand namens Dysphagie macht das Schlucken schwierig oder unmöglich und erfordert oft, dass Lebensmittel zu einer weichen, gleichmäßigen Paste zerdrückt werden, um Ersticken zu verhindern. Diese notwendige Texturmodifikation geht jedoch oft mit einem versteckten Preis einher: Diese weichen Lebensmittel bestehen häufig aus raffinierten Stärken, die der Körper zu schnell abbaut, was den Blutzuckerspiegel gefährlich hoch ansteigen lässt. Dies schafft ein schwieriges Dilemma für Menschen, die sowohl mit Schluckbeschwerden als auch mit Diabetes zu kämpfen haben. Sie benötigen Nahrung, die weich genug ist, um sicher geschluckt zu werden, aber komplex genug, um langsam verdaut zu werden. Einen Stoff zu finden, der zu ansprechenden Mahlzeiten geformt werden kann, seine Form beim Drucken behält und die Freisetzung von Zucker verlangsamt, war eine lange Zeit bestehende Herausforderung für Lebensmittelwissenschaftler.

Forscher an der Wuhan Polytechnic University haben eine Lösung erforscht, indem sie zwei natürliche Zutaten kombinierten: ganzes Lotuswurzelpulver und den verbreiteten essbaren Pilz namens Schizophyllum commune. Sie wollten ein neues Typ von Lebensmittelgel entwickeln, das mittels 3D-Drucktechnologie geformt werden konnte. Das Ziel war zu sehen, ob das Hinzufügen von Pilzpulver zur Lotuswurzelbasis die interne Struktur des Lebensmittels so verändern würde, dass es einfacher zu drucken, sicherer zu schlucken und langsamer zu verdauen wäre. Durch das Testen von Mischungen mit unterschiedlichen Mengen an Pilzpulver entdeckte das Team einen Weg, diese konkurrierenden Bedürfnisse auszubalancieren, indem sie eine einfache Stärkepaste in ein komplexes, mehrschichtiges Material verwandelten, das sich je nach Menge des hinzugefügten Pilzes unterschiedlich verhält.

Die Forscher begannen damit, frische Lotuswurzeln in ein feines Pulver zu mahlen und das Pulver mit Wasser zu einer Paste zu mischen. Zu dieser Basis fügten sie verschiedene Mengen an gemahlenem Schizophyllum commune-Pilzpulver hinzu, das von gar keinem Anteil bis hin zu einem Niveau reichte, bei dem der Pilz fast ein Drittel des Gesamtgewichts ausmachte. Sie erhitzten diese Mischungen, um die Stärke zu kochen, wodurch ein Gel entstand, und verwendeten dann einen 3D-Lebensmitteldrucker, um das Material durch eine kleine Düse zu extrudieren und Schichten für Schicht Formen aufzubauen. Der Drucker erforderte, dass die Mischung unter Druck leicht fließt, sich aber sofort versteift, sobald sie aufhört, sich zu bewegen – eine Eigenschaft, die als strukturviskoses Verhalten (Shear-Thinning) und schnelle Erholung bekannt ist. Oh ohne das richtige Gleichgewicht würden die gedruckten Formen entweder unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrechen oder zu steif sein, um durch den Drucker gepresst zu werden.

Als das Team den Fluss dieser Mischungen testete, stellten sie fest, dass das Hinzufügen des Pilzpulvers das Verhalten des Gels auf überraschende Weise veränderte. Mit zunehmender Menge an Pilz wurde die Mischung weniger steif und elastisch, was man erwarten würde, wenn eine feste Zutat einfach das kontinuierliche Netzwerk der Stärke unterbrechen würde. Die Mischung wurde jedoch auch viel besser darin, nach dem Quetschen durch die Druckerdüse wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzuschnappen. Dies bedeutete, dass selbst wenn das interne Stärkenetzwerk leicht gestört wurde, die Pilzpartikel dem Gel halfen, seine Struktur fast augenblicklich wieder aufzubauen. Diese schnelle Erholung war entscheidend, damit der Drucker hohe, stabile Formen aufbauen konnte, ohne dass diese in sich zusammensanken.

Die physikalische Festigkeit der gedruckten Formen änderte sich ebenfalls in einem spezifischen Muster. Bei geringen Mengen an Pilzzugabe blieb die Textur ähnlich wie die der reinen Lotuswurzelpaste. Sobald der Pilzgehalt jedoch einen bestimmten Punkt erreichte, wurden die gedruckten Gele signifikant härter und widerstandsfähiger gegen Brüche. Die Forscher ließen die gedruckten Formen aus einer gewissen Höhe fallen, um die Haltbarkeit zu testen. Die reinen Lotuswurzelformen zersplitterten und verloren bei dem Aufprall ihre Form, während die Formen mit höherem Pilzgehalt intakt blieben und nur minimale Risse oder Neigungen zeigten. Diese Verbesserung der Festigkeit resultierte nicht daraus, dass die Stärke stärker wurde, sondern vielmehr daraus, dass die Pilzpartikel die Lücken zwischen den Stärkemolekülen füllten und so eine dicht gepackte Struktur schufen, die Stöße absorbieren konnte.

Um zu verstehen, warum dies geschah, untersuchten die Teams die Gele unter Verwendung verschiedener Mikroskope und chemischer Tests. Sie fanden heraus, dass das Pilzpulver nicht auf eine neue Weise chemisch mit der Stärke verband, sondern den Raum stattdessen physisch verdrängte. Die Pilzpartikel füllten zusammen mit ihren eigenen Proteinen und Fasern die leeren Räume innerhalb des Gels aus und schufen so ein enges, ineinandergreifendes Gerüst. Dieses Gerüst hielt Wasser effektiver zurück und verhinderte, dass sich die Stärkeketten in die engen, kristallinen Strukturen organisierten, die sich normalerweise beim Abkühlen der Stärke bilden. Durch diese Störung der engen Organisation machte das Pilzpulver das Gel flexibler und weniger anfällig für die Bildung eines starren, spröden Netzwerks.

Diese Änderung in der internen Struktur hatte eine direkte und messbare Auswirkung darauf, wie der Körper das Lebensmittel verdaut. Als die Forscher die Verdauung im Labor simulierten, fanden sie heraus, dass die Gele mit hohem Pilzgehalt den Zucker viel langsamer freisetzen als die reine Lotuswurzelpaste. Die reine Paste gab eine große Menge Glukose schnell ab, was typisch für stärkehaltige Lebensmittel ist. Im Gegensatz dazu setzten die Gele mit dem meisten Pilzpulver über denselben Zeitraum signifikant weniger Glukose frei. Die dichte Packung der Pilzpartikel wirkte als physische Barriere, die die Enzyme, welche die Stärke abbauen, verlangsamte und verhinderte, dass diese alle Stärkemoleküle gleichzeitig erreichen konnten. Dies resultierte in einem niedrigeren geschätzten Einfluss auf den Blutzuckerspiegel und verschob das Lebensmittel von einem mittleren auf einen niedrigen glykämischen Index.

Schließlich prüfte das Team, ob diese neuen Gele die strengen Sicherheitsstandards erfüllten, die für Menschen mit Schluckbeschwerden erforderlich sind. Sie führten dazu eine Reihe einfacher Tests durch: Sie drückten das Lebensmittel mit einer Gabel, hoben es an, um zu sehen, ob es tropfte, und neigten einen Löffel, um zu prüfen, ob es leicht abrutschte. Alle Mischungen, einschließlich derer mit dem höchsten Pilzanteil, bestanden diese Tests. Sie waren weich genug, um mit einer Gabel leicht komprimiert zu werden, tropften nicht durch die Zinken und hielten als eine zusammenhängende Masse zusammen. Dies bestätigte, dass das Lebensmittel für Personen, die nicht gut kauen können, sicher war, und die spezifischen Kriterien für eine texturmodifizierte Diät erfüllte.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass es möglich ist, ein Lebensmittelmaterial zu entwickeln, das mehrere Probleme gleichzeitig löst. Durch die sorgfältige Abstimmung des Verhältnisses von Lotuswurzel zu Pilzpulver schufen die Forscher ein 3D-druckbares Gel, das stark genug ist, um seine Form zu halten, weich genug, um sicher geschluckt zu werden, und langsam genug in der Verdauung, um den Blutzuckerspiegel zu schützen. Die entscheidende Erkenntnis war, dass das Hinzufügen eines partikulären Inhaltsstoffs wie Pilzpulver die langfristige Elastizität der Stärke schwächen kann, während es gleichzeitig die lokale Struktur durch Partikelpackung stärkt. Dieser Ansatz bietet eine vielversprechende neue Strategie für die Gestaltung personalisierter Mahlzeiten für ältere Erwachsene, die vor den doppelten Herausforderungen von Dysphagie und metabolischer Gesundheit stehen, indem er eine einfache Kombination aus Wurzel und Pilz in ein funktionales Werkzeug für bessere Ernährung verwandelt.