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

लाखों बुजुर्गों के लिए, खाने की सरल क्रिया भी एक खतरनाक बाधा बन जाती है। डिसफेजिया (dysphagia) नामक स्थिति निगलने को कठिन या असंभव बना देती है, जिसके लिए अक्सर भोजन को एक नरम, एकसमान पेस्ट में पीसने की आवश्यकता होती है ताकि दम घुटने से बचा जा सके। हालाँकि, इस आवश्यक बनावट परिवर्तन के साथ अक्सर एक छिपा हुआ मूल्य भी आता है: ये नरम खाद्य पदार्थ अक्सर परिष्कृत स्टार्च से बने होते हैं जिन्हें शरीर बहुत जल्दी तोड़ देता है, जिससे रक्त शर्करा का स्तर खतरनाक रूप से बढ़ जाता है। यह उन लोगों के लिए एक कठिन दुविधा पैदा करता है जो निगलने की कठिनाई और मधुमेह दोनों का प्रबंधन कर रहे हैं। उन्हें ऐसा भोजन चाहिए जो सुरक्षित रूप से निगलने के लिए पर्याप्त नरम हो लेकिन पाचन में धीमा होने के लिए पर्याप्त जटिल हो। एक ऐसे पदार्थ को खोजना जो आकर्षक भोजन के रूप में आकार ले सके, प्रिंटिंग के दौरान अपना रूप बनाए रख सके और चीनी के रिलीज को धीमा कर सके, खाद्य वैज्ञानिकों के लिए लंबे समय से एक चुनौती रहा है।

वुहान पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने दो प्राकृतिक सामग्रियों को मिलाकर एक समाधान खोजने का प्रयास किया है: साबुत कमल की जड़ (लोटस रूट) का पाउडर और शिजोफाइलम कोम (Schizophyllum commune) नामक सामान्य खाद्य मशरूम। उन्होंने एक नए प्रकार का 'फूड जेल' बनाने का लक्ष्य रखा जो 3D प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करके आकार ले सके। लक्ष्य यह देखना था कि क्या मशरूम पाउडर को लोटस रूट बेस में मिलाने से खाद्य पदार्थ की आंतरिक संरचना में इस तरह बदलाव आता है जिससे इसे प्रिंट करना आसान, निगलना सुरक्षित और पचाना धीमा हो जाए। विभिन्न मात्रा में मशरूम पाउडर के मिश्रणों का परीक्षण करके, टीम ने इन प्रतिस्पर्धी जरूरतों को संतुलित करने का एक तरीका खोज निकाला, जिससे एक साधारण स्टार्च पेस्ट को एक जटिल, बहु-स्तरीय सामग्री में बदल दिया गया जो मशरूम की मात्रा के आधार पर अलग-अलग व्यवहार करती है।

शोधकर्ताओं ने ताजे कमल की जड़ों को बारीक पाउडर में पीसकर और उसे पानी के साथ मिलाकर एक पेस्ट तैयार किया। इस आधार में, उन्होंने शिजोफाइलम कोम मशरूम पाउडर की विभिन्न मात्राएँ मिलाईं, जो बिल्कुल शून्य से लेकर उस स्तर तक थी जहाँ मशरूम कुल वजन का लगभग एक-तिहाई हिस्सा था। उन्होंने स्टार्च को पकाने के लिए इन मिश्रणों को गर्म किया, जिससे एक जेल बना, और फिर एक 3D फूड प्रिंटर का उपयोग करके इस सामग्री को एक छोटी नोजल के माध्यम से परत-दर-परत आकार में निकाला। प्रिंटर के लिए यह आवश्यक था कि मिश्रण दबाव में आसानी से बहे लेकिन रुकते ही तुरंत सख्त हो जाए, जिसे 'शीयर-थिनिंग' (shear-thinning) और तीव्र रिकवरी का गुण कहा जाता है। सही संतुलन के बिना, प्रिंट किए गए आकार या तो अपने वजन के नीचे ढह जाते या प्रिंटर से बाहर निकलने के लिए बहुत सख्त होते।

जब टीम ने इन मिश्रणों के प्रवाह का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि मशरूम पाउडर मिलाने से जेल का व्यवहार आश्चर्यजनक रूप से बदल गया। जैसे-जैसे मशरूम की मात्रा बढ़ी, मिश्रण कम सख्त और कम लचीला हो गया, जैसा कि अपेक्षित था यदि कोई ठोस सामग्री निरंतर स्टार्च नेटवर्क को तोड़ रही होती। हालाँकि, मिश्रण प्रिंटर की नोजल से गुजरने के बाद वापस अपने आकार में आने में बहुत बेहतर हो गया। इसका मतलब था कि भले ही आंतरिक स्टार्च नेटवर्क थोड़ा बाधित हुआ था, लेकिन मशरूम के कणों ने जेल को तुरंत अपनी संरचना फिर से बनाने में मदद की। यह तीव्र रिकवरी प्रिंटर के लिए ऊंचे और स्थिर आकार बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण थी ताकि वे ढल न जाएं।

प्रिंट किए गए आकारों की भौतिक मजबूती भी एक विशिष्ट पैटर्न में बदली। मशरूम के कम स्तर पर, बनावट सादे लोटस रूट पेस्ट के समान रही। लेकिन जैसे ही मशरूम की मात्रा एक निश्चित बिंदु तक पहुँची, प्रिंट किए गए जेल काफी कठोर और टूटने के प्रति प्रतिरोधी हो गए। शोधकर्ताओं ने स्थायता का परीक्षण करने के लिए प्रिंट किए गए आकारों को एक ऊंचाई से गिराया। सादे लोटस रूट के आकार प्रभाव पड़ने पर टूट गए और अपना रूप खो दिया, जबकि अधिक मशरूम सामग्री वाले आकार बरकरार रहे, जिनमें केवल मामूली दरारें या झुकाव देखा गया। यह मजबूती स्टार्च के मजबूत होने से नहीं आई, बल्कि मशरूम के कणों द्वारा स्टार्च के अणुओं के बीच के अंतराल को भरने से आई, जिससे एक सघन संरचना बनी जो प्रभाव को सोख सकती थी।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, टीम ने विभिन्न सूक्ष्मदर्शी और रासायनिक परीक्षणों का उपयोग करके जेल के भीतर देखा। उन्होंने पाया कि मशरूम पाउडर ने स्टार्च के साथ किसी नए तरीके से रासायनिक बंधन नहीं बनाया; इसके बजाय, इसने भौतिक रूप से स्थान को भर दिया। मशरूम के कणों ने, उनके प्रोटीन और रेशों के साथ, जेल के खाली स्थानों को भर दिया, जिससे एक तंग, आपस में जुड़े हुए ढांचे का निर्माण हुआ। इस ढांचे ने पानी को अधिक प्रभावी ढंग से पकड़ा और स्टार्च की श्रृंखलाओं को उन कड़े, क्रिस्टलीय संरचनाओं में व्यवस्थित होने से रोका जो आमतौर पर स्टार्च ठंडा होने पर बनती हैं। इस सख्त संगठन को बाधित करके, मशरूम पाउडर ने जेल को अधिक लचीला बनाया और एक कठोर, भंगुर नेटवर्क बनने से रोका।

इस आंतरिक संरचना में बदलाव का शरीर द्वारा भोजन पचाने पर सीधा और मापने योग्य प्रभाव पड़ा। जब शोधकर्ताओं ने लैब में पाचन का अनुकरण किया, तो उन्होंने पाया कि उच्च मशरूम सामग्री वाले जेल ने सादे लोटस रूट पेस्ट की तुलना में बहुत धीरे-धीरे चीनी छोड़ी। सादा पेस्ट तेजी से बड़ी मात्रा में ग्लूकोज छोड़ता है, जो स्टार्च युक्त खाद्य पदार्थों के लिए सामान्य है। इसके विपरीत, सबसे अधिक मशरूम पाउडर वाले जेल ने समान अवधि में काफी कम ग्लूकोज छोड़ा। मशरूम कणों की सघन पैकिंग ने एक भौतिक अवरोध के रूप में कार्य किया, जिससे स्टार्च को तोड़ने वाले एंजाइमों की गति धीमी हो गई और उन्हें सभी खाद्य अणुओं तक एक साथ पहुँचने से रोका गया। इसके परिणामस्वरूप रक्त शर्करा के स्तर पर कम अनुमानित प्रभाव पड़ा, जिससे भोजन मध्यम ग्लाइसेमिक इंडेक्स से निम्न (low) ग्लाइसेमिक इंडेक्स की ओर स्थानांतरित हो गया।

अंत में, टीम ने यह जांचा कि क्या ये नए जेल निगलने की कठिनाइयों वाले लोगों के लिए आवश्यक सख्त सुरक्षा मानकों को पूरा करते हैं। उन्होंने कुछ सरल परीक्षण किए, जैसे कांटे से भोजन को दबाना, इसे उठाकर देखना कि क्या यह टपकता है, और चम्मच को झुलाकर देखना कि क्या यह आसानी से फिसल जाता है। सभी मिश्रणों ने, जिनमें उच्चतम मशरूम पाउडर भी शामिल था, इन परीक्षणों को पास किया। वे कांटे से आसानी से दबने के लिए पर्याप्त नरम थे, तंतुओं से नहीं टपके, और एक एकजुट द्रव्यमान के रूप में बने रहे। इसने पुष्टि की कि भोजन उन व्यक्तियों के लिए सुरक्षित था जो ठीक से चबा नहीं सकते, जो बनावट-संशोधित आहार के विशिष्ट मानदंडों को पूरा करता है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि एक ही समय में कई समस्याओं को हल करने वाला खाद्य पदार्थ बनाना संभव है। लोटस रूट और मशरूम पाउडर के अनुपात को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा 3D-प्रिंट करने योग्य जेल बनाया जो आकार बनाए रखने के लिए पर्याप्त मजबूत, सुरक्षित रूप से निगलने के लिए पर्याप्त नरम और रक्त शर्करा के स्तर की रक्षा के लिए पर्याप्त धीमा है। मुख्य अंतर्दृष्टि यह थी कि मशरूम पाउडर जैसे कणमय घटक को जोड़ने से स्टार्च की लंबी दूरी की लोच (elasticity) कमजोर हो सकती है, जबकि साथ ही कणों की पैकिंग के माध्यम से स्थानीय संरचना को मजबूत किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण उन बुजुर्गों के लिए व्यक्तिगत भोजन तैयार करने के लिए एक नई रणनीति प्रदान करता है जो डिसफेजिया और चयापचय स्वास्थ्य (metabolic health) की दोहरी चुनौतियों का सामना कर रहे हैं, जिससे जड़ और कवक का एक सरल संयोजन बेहतर पोषण के लिए एक कार्यात्मक उपकरण में बदल जाता है।