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

수백만 명의 노인들에게 있어, 먹는다는 단순한 행위는 위험한 장애물이 되곤 합니다. 연하곤란(dysphagia)이라고 알려진 이 질환은 삼키는 것을 어렵거나 불가능하게 만들며, 흔히 질식 예방을 위해 음식을 부드럽고 균일한 페이스트 형태로 으깨어 섭취해야 합니다. 그러나 이러한 필수적인 질감 조절에는 숨겨진 대가가 따르는 경우가 많습니다. 이러한 부드러운 음식들은 종종 신체에서 너무 빠르게 분해되는 정제 전분으로 만들어지기 때문에, 혈당을 위험할 정도로 급격히 높일 수 있습니다. 이는 삼킴 장애와 당뇨병을 동시에 관리해야 하는 사람들에게 어려운 딜레마를 안겨줍니다. 그들은 안전하게 삼킬 수 있을 만큼 부드러우면서도, 소화가 천천히 될 수 있을 만큼 복합적인 구조를 가진 음식을 필요로 합니다. 매력적인 형태의 식사를 만들 수 있고, 3D 프린팅 시 형태를 유지하며, 당의 방출 속도를 늦출 수 있는 재료를 찾는 것은 오랫동안 식품 과학자들에게 도전 과제였습니다.

무한 폴리테크닉 대학교(Wuhan Polytechnic University)의 연구진은 두 가지 천연 재료인 연근 가루와 '시조필룸 코뭄(Schizophyllum commune)'이라 불리는 흔한 식용 버섯을 결합하여 해결책을 모색했습니다. 연구진은 3D 프린팅 기술을 사용하여 모양을 만들 수 있는 새로운 유형의 식품 겔(gel)을 만들고자 했습니다. 목표는 버섯 가루를 연근 베이스에 추가하는 것이 식품의 내부 구조를 변화시켜, 인쇄하기 더 쉽고, 삼키기에 더 안전하며, 소화가 더 느려지게 만드는지 확인하는 것이었습니다. 다양한 양의 버섯 가루를 혼합하여 테스트한 결과, 연구팀은 이러한 상충하는 요구 사항들의 균형을 맞추는 방법을 발견했으며, 단순한 전분 페이스트를 함량에 따라 다르게 반응하는 복잡한 다층 구조의 재료로 탈바꿈시켰습니다.

연구진은 먼저 신선한 연근을 고운 가루로 갈아 물과 섞어 페이스트를 만들었습니다. 이 베이스에 '시조필룸 코뭄' 버섯 가루를 전혀 넣지 않은 상태부터 전체 무게의 거의 1/3에 달하는 수준까지 다양하게 첨가했습니다. 이 혼합물을 가열하여 전분을 익혀 겔을 만든 후, 3D 식품 프린터를 사용하여 작은 노즐을 통해 재료를 압출하며 층층이 모양을 쌓아 올렸습니다. 프린터는 압력을 가하면 쉽게 흐르되, 움직임이 멈추면 즉시 단단해지는 성질, 즉 '전단 박화(shear-thinning)'와 '빠른 회복력'을 필요로 했습니다. 적절한 균형이 없으면 인쇄된 모양이 자체 무게를 견디지 못하고 무너지거나, 프린터를 통과하기에 너무 뻣뻣해질 수 있었습니다.

연구팀이 이 혼합물의 흐름을 테스트했을 때, 버섯 가루를 추가하는 것이 겔의 거동을 놀라운 방식으로 변화시킨다는 것을 발견했습니다. 버섯의 양이 증가함에 따라 혼합물은 덜 뻣뻣하고 탄성이 낮아졌는데, 이는 고체 성분이 연속적인 전분 네트워크를 단순히 끊어놓을 때 예상되는 현상입니다. 그러나 혼합물은 프린터 노즐을 통해 짜내진 직후 원래의 모양으로 돌아오는 능력이 훨씬 더 좋아졌습니다. 이는 내부의 전분 네트워크가 약간 방해를 받았음에도 불구하고, 버섯 입자들이 겔의 구조를 거의 즉각적으로 재건하도록 도왔음을 의미합니다. 이러한 빠른 회복력은 프린터가 높고 안정적인 모양을 쌓아 올리는 데 매우 중요했습니다.

인쇄된 모양의 물리적 강도 또한 특정 패턴을 보이며 변화했습니다. 버섯을 적게 추가했을 때는 질감이 일반 연근 페이스트와 비슷했습니다. 하지만 버섯 함량이 특정 지점에 도달하자, 인쇄된 겔은 눈에 띄게 단단해지고 파손에 대한 저항력이 높아졌습니다. 연구진은 내구성을 테스트하기 위해 인쇄된 모양을 일정 높이에서 떨어뜨렸습니다. 일반 연근 모양은 충격 시 산산조각 나며 형태를 잃었지만, 버섯 함량이 높은 모양은 미세한 균열이나 기울어짐만 보일 뿐 온전한 상태를 유지했습니다. 이러한 강도의 개선은 전분이 더 강해져서 생긴 것이 아니라, 버섯 입자들이 전분 분자 사이의 빈 공간을 채워 충격을 흡수할 수 있는 조밀한 구조를 형성했기 때문입니다.

이러한 현상이 왜 일어났는지 이해하기 위해, 연구팀은 다양한 현미경과 화학적 테스트를 사용하여 겔의 내부를 관찰했습니다. 그들은 버섯 가루가 전분과 새로운 방식으로 화학적 결합을 하는 것이 아니라, 물리적으로 공간을 차지한다는 것을 발견했습니다. 버섯 입자들과 그 자체의 단백질 및 섬유질이 겔 내부의 빈 공간을 채워 촘데데하고 서로 맞물린 프레임워크를 형성했습니다. 이 프레임워크는 물을 더 효과적으로 보유하게 했으며, 전분 사슬이 냉각될 때 보통 형성되는 조밀하고 결정질적인 구조로 조직되는 것을 방지했습니다. 이러한 조밀한 조직화를 방해함으로써, 버섯 가루는 겔을 더 유연하게 만들고 딱딱하고 부서지기 쉬운 네트워크가 형성되는 것을 막아주었습니다.

이러한 내부 구조의 변화는 신체가 음식을 소화하는 방식에 직접적이고 측정 가능한 영향을 미쳤습니다. 연구진이 실험실에서 소화를 시뮬레이션했을 때, 버섯 함량이 높은 겔은 일반 연근 페이스트보다 당을 훨씬 더 느리게 방출한다는 것을 발견했습니다. 일반 페이스트는 전형적인 전분 식품처럼 다량의 포도당을 빠르게 방출했습니다. 반면, 버섯 가루가 가장 많이 들어간 겔은 동일한 시간 동안 현저히 적은 양의 포도당을 방출했습니다. 밀도 있게 채워진 버섯 입자들이 물리적 장벽 역할을 하여, 전분을 분해하는 효소가 전분 분자 전체에 한꺼번에 도달하는 것을 늦춘 것입니다. 그 결과, 추정 혈당 수치에 미치는 영향이 낮아져, 이 식품은 중간 당지수(GI) 식품에서 낮은 당지수 식품으로 전환되었습니다.

마지막으로, 연구팀은 이 새로운 겔이 삼킴 장애가 있는 사람들에게 요구되는 엄격한 안전 기준을 충족하는지 확인했습니다. 연구진은 포크로 음식을 누르고, 들어 올려서 액체가 떨어지는지 확인하며, 숟가락을 기울여 음식이 쉽게 미끄러지는지 확인하는 일련의 간단한 테스트를 수행했습니다. 버섯 가루를 가장 많이 넣은 혼합물을 포함한 모든 시료는 이 테스트를 통과했습니다. 이들은 포크로 눌렀을 때 쉽게 압착될 만큼 부드러웠고, 포크 살 사이로 흘러내리지 않았으며, 응집된 덩어리 형태를 유지했습니다. 이를 통해 이 식품이 씹는 능력이 저하된 사람들에게 안전하며, 질감 조절 식단의 특정 기준을 충족함을 확인했습니다.

본 연구는 여러 문제를 동시에 해결할 수 있는 식품 재료를 설계하는 것이 가능하다는 결론을 내립니다. 연근과 버섯 가루의 비율을 세심하게 조절함으로써, 연구진은 형태를 유지할 만큼 강하면서도, 삼키기에 충분히 부드럽고, 혈당을 보호하기 위해 소화가 느리게 진행되는 3D 프린팅 가능한 겔을 만들어냈습니다. 핵심적인 통찰은 버섯 가루와 같은 입자형 성분이 전분의 장거리 탄성을 약화시키는 동시에, 입자 충진(particle packing)을 통해 국부적인 구조를 강화할 수 있다는 점이었습니다. 이러한 접근 방식은 연하곤증과 대사 건강이라는 이중의 과제에 직면한 노인들을 위한 개인 맞춤형 식단을 설계하는 데 있어 유망한 새로운 전략을 제시하며, 단순한 뿌리 채소와 버섯의 조합을 더 나은 영양을 위한 기능적 도구로 변화시켰습니다.