Structure-function design of 3D-printable whole lotus root-Schizophyllum commune composite gels for dysphagia foods with reduced starch digestibility
本研究表明，通过将拟分生孢菌粉末引入 3D 可打印的全莲藕凝胶中，通过改变复合材料的微观结构和分子相互作用以降低升糖指数，从而有效地平衡了可打印性、IDDSI 5 级吞咽困难纹理以及降低淀粉消化率。
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对于数百万老年人来说，进食这一简单的动作变成了一个危险的障碍。一种被称为吞咽困难（dysphagia）的疾病使得吞咽变得困难甚至不可能，通常需要将食物捣碎成柔软、均匀的糊状物以防止噎食。然而，这种必要的质地改良往往伴随着隐藏的代价：这些软食通常由精制淀粉组成，人体分解它们的速度过快，导致血糖水平危险地飙升。这为同时需要管理吞咽困难和糖尿病的人群制造了一个艰难的困境。他们需要既能安全吞咽，又能缓慢消化的复杂食物。寻找一种能够被塑造成具有吸引力的餐食、在打印过程中保持形状，并能减缓糖分释放的材料，长期以来一直是食品科学家的一个挑战。
武汉理工大学的研究人员通过结合两种天然原料探索了一种解决方案：全莲藕粉和一种被称为“云芝”（Schizophyllum commune）的常见食用真菌。他们致力于创造一种新型食品凝胶，这种凝胶可以使用3D打印技术进行塑形。目标是观察添加云芝粉是否会改变莲藕基底的内部结构，使其更易于打印、更易于安全吞咽且消化更慢。通过测试不同比例的蘑菇粉混合物，研究团队发现了一种平衡这些竞争性需求的方法，将简单的淀粉糊转变为一种复杂的、多层结构的材料，其表现随蘑菇添加量的变化而不同。
研究人员首先将新鲜莲藕磨成细粉，并与水混合制成糊状物。在此基础上，他们加入了不同量的研磨后的云芝粉，比例从完全不添加直到云芝占总重量近三分之一。他们加热这些混合物以烹饪淀粉，从而形成凝胶，然后使用3D食品打印机通过一个小喷嘴挤出材料，逐层构建形状。打印机要求混合物在压力下易于流动，但在停止移动后立即变硬，这种特性被称为剪切变稀和快速恢复。如果没有正确的平衡，打印出的形状要么会在自身重量下塌陷，要么会因为太硬而无法通过打印机。
当团队测试这些混合物的流动性时，他们发现添加蘑菇粉以一种令人惊讶的方式改变了凝胶的行为。随着蘑菇含量的增加，混合物变得不再那么僵硬和富有弹性，这符合人们的预期，即固体成分破坏了连续的网络。然而，混合物在被挤过打印机喷嘴后，恢复形状的能力却大大增强了。这意味着即使内部的淀中网络受到轻微破坏，蘑菇颗粒也能帮助凝胶几乎瞬间重建其结构。这种快速恢复对于打印机构建高大且稳定的形状至关重要。
打印形状的物理强度也呈现出特定的模式。在添加少量蘑菇的情况下，质地与纯莲藕糊相似。但一旦蘑菇含量达到一定程度，打印出的凝胶会变得明显更硬且更具抗性。研究人员通过从一定高度跌落打印形状来测试其耐用性。纯莲藕形状在撞击时破碎并失去了形状，而含有较高蘑菇含量的形状则保持完整，仅表现出轻微的裂纹或倾斜。这种强度的提升并非源于淀粉本身变强，而是由于蘑生的蘑菇颗粒填充了淀粉分子之间的间隙，创造了一个可以吸收冲击力的致密结构。
为了理解这一现象，团队利用各种显微镜和化学测试观察了凝胶内部。他们发现，蘑菇粉并没有以新的方式与淀粉发生化学结合；相反，它在物理上占据了空间。蘑菇颗粒及其自身的蛋白质和纤维填充了凝胶内的空隙，创造了一个紧密、相互锁定的框架。这个框架能更有效地保持水分，并防止淀粉链组织成通常在淀粉冷却时形成的紧密结晶结构。通过破坏这种紧密的组织，蘑菇粉使凝胶变得更具柔韧性，且不易形成僵硬、脆弱的网络。
这种内部结构的改变对人体消化产生了直接且可衡量的影响。当研究人员在实验室模拟消化过程时，他们发现高蘑菇含量的凝胶释放糖的速度比纯莲藕糊要慢得多。纯糊状物会迅速释放大量葡萄糖，这是淀粉类食物的典型特征。相比之下，含有最多蘑菇粉的凝胶在相同时间内释放的葡萄糖显著减少。致密的蘑菇颗粒形成了物理屏障，减缓了分解淀粉的酶的作用，并阻止了酶同时接触到所有的食物分子。这导致了较低的预计血糖影响，使食物从中等升糖指数转变为低升糖指数。
最后，团队检查了这些新凝胶是否符合吞咽困难者所需的严格安全标准。他们进行了一系列简单的测试：用叉子按压食物、提起食物观察是否滴落，以及倾斜勺子检查是否容易滑落。所有混合物，包括蘑菇粉含量最高的混合物，都通过了这些测试。它们足够软，可以用叉子轻松压碎，不会滴落在齿间，并且能作为一个凝聚的整体保持在一起。这证实了该食物对于无法良好咀嚼的人群是安全的，符合改良质地饮食的具体标准。
研究结论认为，通过精心调整莲藕与蘑菇粉的比例，可以设计出一种能同时解决多个问题的食品材料。研究人员创造了一种既能保持形状、又易于安全吞咽、且能通过缓慢消化来保护血糖水平的3D打印凝胶。核心见解在于，添加像蘑菇粉这样的颗粒状成分，可以在削弱淀粉长程弹性的同时，通过颗粒填充增强局部结构。这种方法为设计面向面临吞咽困难和代谢健康双重挑战的老年人的个性化膳食提供了一种极具前景的新策略，将简单的根茎与真菌组合转化为改善营养的功能性工具。
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