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

Pour des millions de personnes âgées, l'acte simple de manger devient un obstacle dangereux. Une affection connue sous le nom de dysphagie rend la déglutition difficile ou impossible, nécessitant souvent que les aliments soient réduits en une purée douce et uniforme pour éviter l'étouffement. Cependant, cette modification nécessaire de la texture s'accompagne souvent d'un coût caché : ces aliments mous sont fréquemment composés d'amidons raffinés que le corps décompose trop rapidement, provoquant des pics de glycémie dangereux. Cela crée un dilemme difficile pour ceux qui gèrent à la fois des troubles de la déglutition et le diabète. Ils ont besoin d'aliments assez mous pour être avalés en toute sécurité, mais assez complexes pour être digérés lentement. Trouver un matériau capable d'être façonné en repas attrayants, de maintenir sa forme lors de l'impression et de ralentir la libération de sucre a longtemps été un défi pour les scientifiques de l'alimentation.

Des chercheurs de l'Université polytechnique de Wuhan ont exploré une solution en combinant deux ingrédients naturels : la poudre de racine de lotus entière et le champignon comestible commun connu sous le nom de Schizophyllum commune. Ils ont entrepris de créer un nouveau type de gel alimentaire qui pourrait être façonné à l'aide de la technologie d'impression 3D. L'objectif était de voir si l'ajout de poudre de champignon à la base de racine de lotus modifierait la structure interne de l'aliment de manière à le rendre plus facile à imprimer, plus sûr à avaler et plus lent à digérer. En testant des mélanges avec des quantités variables de poudre de champignon, l'équipe a découvert un moyen de équilibrer ces besoins concurrents, transformant une simple pâte d'amidon en un matériau complexe et multicouche qui se comporte différemment selon la quantité de champignon ajoutée.

Les chercheurs ont commencé par broyer des racines de lotus fraîches en une poudre fine et les ont mélangées à de l'eau pour créer une pâte. À cette base, ils ont ajouté différentes quantités de poudre de champignon Schizophyllum commune broyée, allant de l'absence totale jusqu'à un niveau où le champignon représentait près d'un tiers du poids total. Ils ont chauffé ces mélanges pour cuire l'amidon, créant ainsi un gel, puis ont utilisé une imprimante alimentaire 3D pour extruder le matériau à travers une petite buse, en construisant des formes couche par couche. L'imprimante exigeait que le mélange s'écoule facilement sous pression, mais qu'il se rigidifie immédiatement une fois le mouvement arrêté, une propriété connue sous le nom de fluidification par cisaillement et récupération rapide. Sans le bon équilibre, les formes imprimées s'effondreraient sous leur propre poids ou seraient trop rigides pour être poussées à travers l'imprimante.

Lorsque l'équipe a testé l'écoulement de ces mélanges, elle a constaté que l'ajout de poudre de champignon modifiait le comportement du gel de manière surprenante. À mesure que la quantité de champignon augmentait, le mélange devenait moins rigide et élastique, ce que l'on pourrait attendre si un ingrédient solide venait simplement briser le réseau continu d'amidon. Cependant, le mélange devenait beaucoup plus apte à reprendre sa forme après avoir été pressé à travers la buse de l'imprimante. Cela signifiait que même si le réseau d'amidon interne était légèrement perturbé, les particules de champignon aidaient le gel à reconstruire sa structure presque instantanément. Cette récupération rapide était cruciale pour que l'imprimante puisse construire des formes hautes et stables sans qu'elles ne s'affaissent.

La résistance physique des formes imprimées changeait également selon un schéma spécifique. À de faibles niveaux d'ajout de champignon, la texture restait similaire à celle de la pâte de racine de lotus pure. Mais une fois que la teneur en champignon atteignait un certain seuil, les gels imprimés devenaient nettement plus durs et plus résistants à la rupture. Les chercheurs ont laissé tomber les formes imprimées d'une certaine hauteur pour tester leur durabilité ; les formes de racine de lotus pure se sont brisées et ont perdu leur forme lors de l'impact, tandis que les formes avec une teneur plus élevée en champignon sont restées intactes, ne présentant que des fissures mineures ou une légère inclinaison. Cette amélioration de la force ne provenait pas d'un renforcement de l'amidon, mais plutôt du fait que les particules de champignon comblaient les lacunes entre les molécules d'amidon, créant une structure densément compactée capable d'absorber l'impact.

Pour comprendre pourquoi cela se produisait, l'équipe a examiné l'intérieur des gels à l'aide de divers microscopes et tests chimiques. Ils ont découvert que la poudre de champignon ne se liait pas chimiquement à l'amidon d'une nouvelle manière ; elle occupait simplement l'espace physiquement. Les particules de champignon, accompagnées de leurs propres protéines et fibres, remplissaient les espaces vides au sein du gel, créant un cadre serré et imbriqué. Ce cadre retenait l'eau plus efficacement et empêchait les chaînes d'amidon de s'organiser en structures cristallines serrées qui se forment habituellement lors du refroidissement de l'amidon. En perturbant cette organisation serrée, la poudre de champignon rendait le gel plus flexible et moins sujet à la formation d'un réseau rigide et cassant.

Ce changement dans la structure interne avait un effet direct et mesurable sur la digestion des aliments. Lorsque les chercheurs ont simulé la digestion en laboratoire, ils ont constaté que les gels à haute teneur en champignon libéraient le sucre beaucoup plus lentement que la pâte de racine de lotus pure. La pâte pure libérait une grande quantité de glucose rapidement, ce qui est typique des aliments amylacés. En revanche, les gels contenant le plus de poudre de champignon libéraient nettement moins de glucose sur la même période. Le compactage dense des particules de champignon agissait comme une barrière physique, ralentissant les enzymes qui décomposent l'amidon et empêchant ces dernières d'atteindre toutes les molécules d'amidon à la fois. Cela entraînait un impact estimé plus faible sur les niveaux de glycémie, faisant passer l'aliment d'un indice glycémique moyen à un indice bas.

Enfin, l'équipe a vérifié si ces nouveaux gels répondaient aux normes de sécurité strictes requises pour les personnes souffrant de difficultés de déglutition. Ils ont effectué une série de tests simples, pressant l'aliment avec une fourchette, le soulevant pour voir s'il coulait et penchant une cuillère pour vérifier s'il glissait facilement. Tous les mélanges, y compris ceux ayant la plus forte teneur en champignon, ont réussi ces tests. Ils étaient assez mous pour être facilement compressés par une fourchette, ne coulaient pas à travers les dents de la fourchette et restaient ensemble sous forme de masse cohérente. Cela a confirmé que l'aliment était sûr pour les personnes ne pouvant pas bien mâcher, répondant aux critères spécifiques d'un régime à texture modifiée.

L'étude conclut qu'il est possible de concevoir un matériau alimentaire qui résout plusieurs problèmes à la fois. En ajustant soigneusement le ratio entre la racine de lotus et la poudre de champignon, les chercheurs ont créé un gel imprimable en 3D, suffisamment robuste pour maintenir sa forme, assez mou pour être avalé en toute sécurité et assez lent à digérer pour protéger les niveaux de glycémie. La clé résidait dans le fait qu'ajouter un ingrédient particulaire comme la poudre de champignon pouvait affaiblir l'élasticité à longue portée de l'amidon tout en renforçant la structure locale grâce au compactage des particules. Cette approche offre une nouvelle stratégie prometteuse pour concevoir des repas personnalisés pour les personnes âgées confrontées au double défi de la dysphagie et de la santé métabolique, transformant une simple combinaison de racine et de champignon en un outil fonctionnel pour une meilleure nutrition.