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

Voor miljoenen ouderen wordt de eenvoudige handeling van eten een gevaarlijk obstakel. Een aandoening die bekend staat als dysfagie maakt slikken moeilijk of onmogelijk, waardoor voedsel vaak tot een zachte, uniforme pasta moet worden geplet om verstikking te voorkomen. Deze noodzakelijke textuurwijziging gaat echter vaak gepaard met een verborgen kostenpost: deze zachte voedingsmiddelen zijn frequent gemaakt van geraffineerde zetmeel die het lichaam te snel afbreekt, wat ervoor zorgt dat de bloedsuikerspiegel gevaarlijk hoog stijgt. Dit creëert een moeilijk dilemma voor mensen die zowel slikproblemen als diabetes beheren. Ze hebben voedsel nodig dat zacht genoeg is om veilig door te slikken, maar complex genoeg om langzaam te verteren. Het vinden van een materiaal dat in aantrekkelijke maaltijden kan worden gevormd, zijn vorm behoudt tijdens het printen en de afgifte van suiker vertraagt, is lang een uitdaging geweest voor voedselwetenschappers.

Onderzoekers aan de Wuhan Polytechnic University hebben een oplossing verkend door twee natuurlijke ingrediënten te combineren: volwaardig lotuswortelpoeder en de veelvoorkomende eetbare paddenstoel bekend als Schizophyllum commune. Ze zetten zich in om een nieuw type voedselgel te creëren dat gevormd kan worden met behulp van 3D-printtechnologie. Het doel was om te zien of het toevoegen van het paddenstoelenpoeder aan de lotuswortelbasis de interne structuur van het voedsel zou veranderen op een manier die het makkelijker maakt om te printen, veiliger om door te slikken en langzamer te verteren. Door mengsels te testen met variërende hoeveelheden paddenstoelenpoeder, ontdekte het team een manier om deze concurrerende behoeften in evenwicht te brengen, waarbij een eenvoudige zetmeelpasta werd veranderd in een complex, meerlagig materiaal dat zich anders gedraagt afhankelijk van de hoeveelheid toegevoegde paddenstoel.

De onderzoekers begonnen met het malen van verse lotuswortels tot een fijn poeder en mengden dit met water om een pasta te maken. Aan deze basis voegden ze verschillende hoeveelheden gemalen Schizophyllum commune-paddenstoelenpoeder toe, variërend van helemaal niets tot een niveau waarbij de paddenstoel bijna een derde van het totale gewicht uitmaakte. Ze verhitten deze mengsels om het zetmeel te koken, waardoor een gel ontstond, en gebruikten vervolgens een 3D-voedselprinter om het materiaal door een kleine spuitmond te extruderen, waarbij vormen laag voor laag werden opgebouwd. De printer vereiste dat het mengsel gemakkelijk stroomde onder druk, maar vervolgens direct verstevigde zodra het stopte met bewegen, een eigenschap die bekend staat als afschuifverdunning (shear-thinning) en snelle herstelkracht. Zonder de juiste balans zouden de geprinte vormen ofwel onder hun eigen gewicht bezwijken, of te stijf zijn om door de printer te worden geduwd.

Wanneer het team de stroming van deze mengsels testte, merkten ze dat het toevoegen van het paddenstoelenpoeder het gedrag van de gel op een verrassende manier veranderde. Naarmate de hoeveelheid paddenstoelenpoeder toenam, werd het mengsel minder stijf en elastisch, wat men zou verwachten als een vast ingrediënt simpelweg het continue netwerk van zetmeel zou onderbreken. Echter, het mengsel werd ook veel beter in het direct terugkeren naar de oorspronkelijke vorm nadat het door de spuitmond van de printer was geperst. Dit betekende dat zelfs als het interne zetmeelnetwerk licht werd verstoord, de paddenstoordeeltjes de gel hielpen om zijn structuur bijna onmiddellijk weer op te bouwen. Dit snelle herstel was cruciaal zodat de printer hoge, stabiele vormen kon bouwen zonder dat deze inzakten.

De fysieke sterkte van de geprinte vormen veranderde ook in een specifiek patroon. Bij lage niveaus van paddenstoeltoevoeging bleef de textuur vergelijkbaar met de gewone lotuswortelpasta. Maar zodra de paddenstoelinhoud een bepaald punt bereikte, werden de geprinte gels aanzienlijk harder en weerstandiger tegen breken. De onderzoekers lieten de geprinte vormen van een bepaalde hoogte vallen om de duurzaamheid te testen. De gewone lotuswortelvormen versplinterden en verloren hun vorm bij impact, terwijl de vormen met een hoger paddenstoelgehalte intact bleven, waarbij slechts kleine barsten of een lichte kanteling zichtbaar waren. Deze verbetering in sterkte kwam niet voort uit het feit dat het zetmeel sterker werd, maar eerder doordat de paddenstoeldeeltjes de gaten tussen de zetmeelmoleculen opvulden, waardoor een dicht opeengepakte structuur ontstond die de impact kon absorberen.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, bekeken het team de binnenkant van de gels met behulp van diverse microscopen en chemische tests. Ze ontdekten dat het paddenstoelenpoeder niet op een nieuwe manier chemisch bond met het zetmeel; in plaats daarvan vulde het fysiek de ruimte op. De paddenstoeldeeltjes, samen met hun eigen eiwitten en vezels, vulden de lege ruimtes binnen de gel op en creëerden zo een nauwe, in elkaar grijpende structuur. Dit raamwerk hield water effectiever vast en voorkwam dat de zetmeelketens zich organiseerden in de strakke, kristallijne structuren die meestal ontstaan wanneer zetmeel afkoelt. Door deze strakke organisatie te verstoren, maakte het paddenstoelenpoeder de gel flexibeler en minder geneigd om een rigide, breekbaar netwerk te vormen.

Deze verandering in de interne structuur had een direct en meetbaar effect op hoe het lichaam het voedsel zou verteren. Wanneer de onderzoekers de spijsvertering in een laboratorium simuleerden, ontdekten ze dat de gels met een hoog paddenstoelgehalte veel langzamer suiker vrijgaven dan de gewone lotuswortelpasta. De gewone pasta gaf een grote hoeveelheid glucose snel af, wat typerend is voor zetmeelrijke voedingsmiddelen. In tegenstelling hiertoe gaven de gels met de meeste paddenstoelenpoeder aanzienlijk minder glucose af over dezelfde periode. De dichte pakking van de paddenstoeldeeltjes fungeerde als een fysieke barrière, waardoor de enzymen die zetmeel afbreken werden vertraagd en niet allemaal tegelijk de voedselmoleculen konden bereiken. Dit resulteerde in een lagere geschatte impact op de bloedsuikerspiegels, waardoor het voedsel verschoof van een gemiddelde naar een lage glycemische index.

Ten slotte controleerde het team of deze nieuwe gels voldeden aan de strikte veiligheidsnormen die vereist zijn voor mensen met slikproblemen. Ze voerden een reeks eenvoudige tests uit: het indrukken van het voedsel met een vork, het optillen om te zien of het druppelde, en het kantelen van een lepel om te controleren of het er gemakkelijk vanaf gleed. Alle mengsels, inclusief die met de hoogste hoeveelheid paddenstoelenpoeder, slaagden voor deze tests. Ze waren zacht genoeg om gemakkelijk door een vork te worden samengedrukt, druppelden niet door de tanden van de vork en vormden een samenhangende massa. Dit bevestigde dat het voedsel veilig was voor mensen die niet goed kunnen kauwen, en dat het voldeed aan de specifieke criteria voor een dieet met aangepaste textuur.

De studie concludeert dat het mogelijk is om een voedselmateriaal te ontwerpen dat meerdere problemen tegelijk oplost. Door zorgvuldig de verhouding tussen lotuswortel en paddenstoelenpoeder aan te passen, creëerden de onderzoekers een 3D-printbare gel die sterk genoeg is om zijn vorm te behouden, zacht genoeg om veilig door te slikken en traag genoeg om te verteren om de bloedsuikerspiegels te beschermen. Het cruciale inzicht was dat het toevoegen van een deeltjesvormig ingrediënt zoals paddenstoelenpoeder de langetermijnelasticiteit van het zetmeel kon verzwakken, terwijl het tegelijkertijd de lokale structuur versterkte door deeltjespakking. Deze aanpak biedt een veelbelovende nieuwe strategie voor het ontwerpen van gepersonaliseerde maaltijden voor ouderen die te maken hebben met de dubbele uitdagingen van dysfagie en metabole gezondheid, waarbij een eenvoudige combinatie van wortel en schimmel wordt getransformeerd tot een functioneel hulpmiddel voor betere voeding.