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

Per milioni di anziani, il semplice atto di mangiare diventa un ostacolo pericoloso. Una condizione nota come disfagia rende difficile o impossibile deglutire, richiedendo spesso che il cibo venga ridotto in una pasta morbida e uniforme per prevenire il soffocamento. Tuttavia, questa necessaria modifica della consistenza comporta spesso un costo nascosto: questi alimenti morbidi sono frequentemente composti da amidi raffinati che il corpo scompone troppo velocemente, causando picchi pericolosamente alti della glicemia. Ciò crea un difficile dilemma per coloro che devono gestire sia le difficoltà di deglutizione che il diabete. Hanno bisogno di cibo che sia abbastanza morbido da essere deglutito in sicurezza, ma abbastanza complesso da essere digerito lentamente. Trovare un materiale che possa essere modellato in pasti invitanti, che mantenga la sua forma durante la stampa e che rallenti il rilascio di zucchero è stata a lungo una sfida per gli scienziati alimentari.

I ricercatori della Politecnico di Wuhan hanno esplorato una soluzione combinando due ingredienti naturali: polvere di radice di loto intera e il comune fungo edibile noto come Schizophyllum commune. Si sono posti l'obiettivo di creare un nuovo tipo di gel alimentare che potesse essere modellato utilizzando la tecnologia di stampa 3D. L'obiettivo era vedere se l'aggiunta della polvere di fungo alla base di radice di loto avrebbe cambiato la struttura interna del cibo in modo da renderlo più facile da stampare, più sicuro da deglutire e più lento da digerire. Testando miscele con diverse quantità di polvere di fungo, il team ha scoperto un modo per bilanciare queste esigenze contrastanti, trasformando una semplice pasta di amido in un materiale complesso e multistrato che si comporta diversamente a seconda di quanto fungo viene aggiunto.

I ricercatori hanno iniziato macinando radici di loto fresche in una polvere fine e mescolandola con acqua per creare una pasta. A questa base, hanno aggiunto diverse quantità di polvere di fungo Schizophyllum commune macinata, partendo da zero fino a un livello in cui il fungo costituiva quasi un terzo del peso totale. Hanno riscaldato queste miscele per cuocere l'amido, creando un gel, e poi hanno utilizzato una stampante alimentare 3D per estrudere il materiale attraverso un piccolo ugello, costruendo forme strato dopo strato. La stampante richiedeva che la miscela fluisse facilmente sotto pressione, ma poi si indurisse immediatamente una volta smesso di muoversi, una proprietà nota come pseudoplasticità (shear-thinian) e recupero rapido. Senza il giusto equilibrio, le forme stampate sarebbero collassate sotto il proprio peso o sarebbero state troppo rigide per essere spinte attraverso l'ugello della stampante.

Quando il team ha testato il flusso di queste miscele, ha scoperto che l'aggiunta della polvere di fungo cambiava il comportamento del gel in un modo sorprendente. Man mano che la quantità di fungo aumentava, la miscela diventava meno rigida ed elastica, il che ci si potrebbe aspettare se un ingrediente solido stesse semplicemente interrompendo la rete continua dell'amido. Tuttavia, la miscela diventava molto più capace di riprendere la forma originale dopo essere stata spremuta attraverso l'ugello della stampante. Questo significava che, anche se la rete interna dell'amido era leggermente interrotta, le particelle di fungo aiutavano il gel a ricostruire la propria struttura quasi istantaneamente. Questo recupero rapido era fondamentale affinché la stampante potesse costruire forme alte e stabili senza che queste si deformassero.

La resistenza fisica delle forme stampate cambiava secondo un modello specifico. A bassi livelli di aggiunta di fungo, la consistenza rimaneva simile alla semplice pasta di radice di loto. Ma una volta che il contenuto di fungo raggiungeva un certo punto, i gel stampati diventavano significativamente più duri e resistenti alla rottura. I ricercatori hanno lasciato cadere le forme stampate da un'altezza per testarne la durabilità: le forme di sola radice di loto si frantumavano e perdevano la loro forma all'impatto, mentre le forme con un alto contenuto di fungo rimanevano intatte, mostrando solo piccole crepe o inclinazioni. Questo miglioramento della forza non derivava dal fatto che l'amido diventasse più forte, bensì dal fatto che le particelle di fungo riempivano gli spazi tra le molecole di amido, creando una struttura densamente impacchettata in grado di assorbire l'impatto.

Per capire perché ciò accadesse, il team ha esaminato l'interno dei gel utilizzando vari microscopi e test chimici. Hanno scoperto che la polvere di fungo non si legava chimicamente con l'amido in un modo nuovo; invece, occupava fisicamente lo spazio. Le particelle di fungo, insieme alle proprie proteine e fibre, riempivano gli spazi vuoti all'interno del gel, creando una struttura stretta e interbloccata. Questa struttura tratteneva l'acqua in modo più efficace e impediva alle catene di amido di organizzarsi nelle strutture cristalline strette che solitamente si formano quando l'amido si raffredda. Interrompendo questa stretta organizzazione, la polvere di fungo rendeva il gel più flessibile e meno propenso a formare una rete rigida e fragile.

Questo cambiamento nella struttura interna aveva un effetto diretto e misurabile su come il corpo digerisce il cibo. Quando i ricercatori hanno simulato la digestione in laboratorio, hanno scoperto che i gel con alto contenuto di fungo rilasciavano lo zucchero molto più lentamente rispetto alla semplice pasta di radice di loto. La pasta semplice rilasciava una grande quantità di glucosio rapidamente, tipico degli alimenti amidacei. Al contrario, i gel con la maggiore quantità di polvere di fungo rilasciavano significativamente meno glucosio nello stesso arco di tempo. Il denso impacchettamento delle particelle di fungo agiva come una barriera fisica, rallentando gli enzimi che scindono l'amido e impedendo loro di raggiungere tutte le molecole di cibo contemporaneamente. Ciò si traduceva in un impatto stimato inferiore sui livelli di zucchero nel sangue, spostando l'alimento da un indice glicemico medio a uno basso.

Infine, il team ha verificato se questi nuovi gel rispettassero i rigorosi standard di sicurezza richiesti per le persone con difficoltà di deglutizione. Hanno eseguito una serie di test semplici, premendo il cibo con una forchetta, sollevandolo per vedere se colava e inclinando un cucchiaio per controllare se scivolasse via facilmente. Tutte le miscele, incluse quelle con la maggiore quantità di polvere di fungo, hanno superato questi test. Erano abbastanza morbide da essere facilmente compresse da una forchetta, non colavano tra i rebbi e rimanevano unite come una massa coesa. Ciò ha confermato che il cibo era sicuro per gli individui che non possono masticare bene, soddisfacendo i criteri specifici per una dieta a consistenza modificata.

Lo studio conclude che è possibile progettare un materiale alimentare che risolva più problemi contemporaneamente. Regolando attentamente il rapporto tra radice di loto e polvere di fungo, i ricercatori hanno creato un gel stampabile in 3D che è abbastanza forte da mantenere la sua forma, abbastanza morbido da essere deglutito in sicurezza e abbastanza lento da essere digerito per proteggere i livelli di zucchero nel sangue. La chiave di volta è stata l'intuizione che l'aggiunta di un ingrediente particolato come la polvere di fungo poteva indebolire l'elasticità a lungo raggio dell'amido e, contemporaneamente, rafforzare la struttura locale attraverso l'impacchettamento delle particelle. Questo approccio offre una nuova strategia promettente per progettare pasti personalizzati per gli anziani che affrontano la doppia sfida della disfagia e della salute metabolica, trasformando una semplice combinazione di radice e fungo in uno strumento funzionale per una migliore nutrizione.