Il KIST sviluppa pasti stampati in 3D più facili da deglutire
La stampa 3D alimentare potrebbe offrire una nuova soluzione a uno dei problemi meno visibili, ma più gravosi, affrontati da molti pazienti oncologici: la difficoltà a deglutire. Un gruppo di ricercatori del Korea Institute of Science and Technology (KIST) ha sviluppato un impasto stampabile composto da Golden Chlorella e amidi naturali, progettato per produrre alimenti con consistenza, forma e caratteristiche nutrizionali adattabili alle capacità di deglutizione della singola persona.
Il progetto è stato condotto presso il Natural Product Institute del KIST Gangneung Institute, attraverso il Center for Natural Product Systems Biology, sotto il coordinamento della ricercatrice Koo Song Yi. Lo studio, firmato come prima autrice da Aram Kim, è stato pubblicato sulla rivista scientifica Food Hydrocolloids, edita da Elsevier.
L’obiettivo non consiste soltanto nel rendere gli alimenti più morbidi. I ricercatori stanno cercando di controllare in modo misurabile il comportamento del cibo durante la stampa, la permanenza nel piatto, la masticazione e il passaggio attraverso la bocca e la gola.
La disfagia può compromettere alimentazione e terapie
La disfagia è una difficoltà nel trasferire in sicurezza alimenti e bevande dalla bocca allo stomaco. Può manifestarsi nelle persone anziane, nei pazienti colpiti da malattie neurologiche e in chi affronta tumori o trattamenti capaci di alterare la masticazione, la produzione di saliva e la funzionalità dei muscoli coinvolti nella deglutizione.
Il problema interessa in particolare i pazienti con tumori della testa e del collo, ma può comparire anche nelle persone affette da forme oncologiche complesse, come il tumore del pancreas, soprattutto quando la malattia, la debolezza generale o le terapie riducono la capacità di alimentarsi autonomamente.
Quando mangiare diventa difficile, il paziente può ridurre la quantità di cibo assunto, evitare determinati alimenti o impiegare molto tempo per completare un pasto. Le conseguenze possono comprendere perdita di peso, disidratazione, carenze proteiche e riduzione della massa muscolare. Nei casi più delicati aumenta anche il rischio che una parte del cibo o dei liquidi entri nelle vie respiratorie.
Una condizione nutrizionale insufficiente può rendere più difficile tollerare la chemioterapia, la radioterapia o un intervento chirurgico. Per questo motivo la gestione della disfagia coinvolge normalmente medici, logopedisti, dietisti e personale addetto alla preparazione dei pasti.
I limiti degli alimenti frullati e delle diete liquide
Per ridurre i rischi associati alla deglutizione vengono impiegati liquidi addensati, puree, cibi tritati e preparazioni con consistenza modificata. Questi prodotti possono facilitare il controllo del bolo alimentare, ma presentano alcuni limiti.
Frullare ingredienti differenti può rendere difficile riconoscere il piatto originario. Colori, forme e consistenze tendono a uniformarsi, mentre la presentazione può risultare poco invitante. Anche quando il valore nutrizionale è adeguato, il paziente può percepire il pasto come una preparazione sanitaria distante dalle proprie abitudini.
La perdita dell’aspetto originale non costituisce soltanto una questione estetica. Il riconoscimento del cibo, il profumo, la disposizione nel piatto e l’aspettativa legata alla consistenza partecipano all’esperienza alimentare. Un pasto poco riconoscibile può ridurre l’appetito e contribuire all’abbandono della dieta prescritta.
La stampa 3D alimentare permette invece di depositare il materiale secondo una geometria programmata, ricreando per esempio la forma di un ingrediente o suddividendo una porzione in elementi facilmente gestibili.
Un inchiostro alimentare a base di Golden Chlorella
Il materiale sviluppato dal KIST combina la Golden Chlorella, una microalga ricca di proteine e altri nutrienti, con amidi naturali derivati da mais, patata e tapioca. L’amido non svolge soltanto la funzione di addensante: determina buona parte del comportamento meccanico dell’impasto.
Per essere estruso da una stampante alimentare, il composto deve scorrere attraverso un ugello senza richiedere una pressione eccessiva. Dopo la deposizione, però, deve recuperare una consistenza sufficiente a sostenere gli strati successivi. Un materiale troppo fluido perde la geometria programmata; uno eccessivamente rigido può essere difficile da estrudere e inadatto a una persona con problemi di deglutizione.
I ricercatori hanno quindi studiato viscosità, elasticità, deformabilità e capacità di mantenere la forma. Queste proprietà rientrano nella reologia, la disciplina che analizza il modo in cui i materiali scorrono e si deformano quando vengono sottoposti a una forza.
Il ruolo dell’amilosio e dell’amilopectina
Gli amidi non si comportano tutti nello stesso modo. Le differenze dipendono anche dal rapporto tra amilosio e amilopectina, i due principali componenti dell’amido.
Una maggiore presenza di amilosio può favorire la formazione di strutture più stabili, mentre gli amidi ricchi di amilopectina tendono a produrre impasti più viscosi o fluidi, a seconda della concentrazione e del trattamento termico. Il gruppo del KIST ha confrontato diverse formulazioni per individuare quelle capaci di combinare stampabilità e consistenza compatibile con una dieta per disfagia.
I risultati presentati durante lo sviluppo della ricerca hanno indicato buone prestazioni per alcune formulazioni contenenti amido di mais e amido di patata. L’amido di mais ceroso, caratterizzato da un’elevata percentuale di amilopectina, ha invece mostrato un comportamento più simile a quello di un liquido e una minore capacità di sostenere strutture tridimensionali.
Le formulazioni devono essere valutate anche in base alla concentrazione. Aumentando la quantità di amido cresce la forza necessaria per far passare l’impasto attraverso l’ugello, ma può migliorare la stabilità dell’oggetto stampato. La progettazione richiede quindi un equilibrio tra estrudibilità, precisione geometrica e facilità di deglutizione.
Come viene prodotto il pasto stampato
Nel processo messo a punto dal KIST, gli ingredienti naturali vengono trasformati in un composto omogeneo e caricati nella cartuccia della stampante alimentare. Un sistema di estrusione controlla il flusso attraverso l’ugello, mentre il movimento della testina deposita il materiale secondo il modello digitale selezionato.
La stampante costruisce il cibo strato dopo strato. Modificando il percorso di deposizione, il diametro dell’ugello, la velocità, la pressione e la distanza tra le linee è possibile intervenire sulla struttura finale.
Lo stesso ingrediente potrebbe essere trasformato in una porzione più compatta oppure in una geometria interna meno densa e più facilmente deformabile. La forma esterna può inoltre richiamare quella di alimenti conosciuti, migliorando la riconoscibilità del piatto rispetto a una purea servita in modo uniforme.
La produzione digitale permette anche di controllare il peso di ogni porzione. In prospettiva, la quantità di proteine, carboidrati, fibre e altri componenti potrebbe essere definita in funzione della prescrizione nutrizionale del paziente.
Dalla consistenza standard alla nutrizione personalizzata
Uno degli aspetti più interessanti della ricerca riguarda la possibilità di collegare le proprietà del materiale al grado di disfagia. Non tutti i pazienti presentano infatti le stesse difficoltà: alcuni possono assumere alimenti morbidi in piccoli pezzi, mentre altri necessitano di preparazioni tritate, umide o completamente omogenee.
La International Dysphagia Diet Standardisation Initiative (IDDSI) utilizza una classificazione composta da otto livelli, numerati da 0 a 7. Le bevande vengono classificate in base alla fluidità, mentre gli alimenti vengono distinti in categorie che comprendono consistenze liquide, frullate, tritate, morbide e ordinarie.
Per essere introdotte nei sistemi sanitari, le formulazioni stampate dovranno essere sottoposte ai test previsti per verificare parametri come scorrimento, coesione, durezza, adesività e comportamento sotto la pressione di una forchetta o di un cucchiaio. Non è sufficiente che un alimento appaia morbido: deve comportarsi in modo ripetibile durante la preparazione e il consumo.
La banca dati sviluppata dal KIST sulle differenti combinazioni di amidi rappresenta una base per definire ricette associate a specifiche esigenze di deglutizione. La stampante potrebbe utilizzare parametri già validati, riducendo la variabilità tra una preparazione e l’altra.
La forma del cibo come parte della cura
La possibilità di ricostruire un alimento riconoscibile può avere effetti sulla disponibilità del paziente a mangiare. Una carota trasformata in purea può essere stampata con una geometria che richiama l’ingrediente originario, mentre carne, pesce o contorni possono essere presentati come componenti separati del pasto.
Questo approccio consente di mantenere una distinzione visiva tra le diverse preparazioni e di evitare che tutto venga mescolato in un’unica massa. Il paziente può riconoscere le portate, scegliere l’ordine con cui consumarle e conservare una maggiore autonomia durante il pasto.
La qualità percepita resta comunque un elemento da valutare attraverso prove sensoriali. Colore, aroma, temperatura, sensazione in bocca e residui dopo la deglutizione possono incidere sull’accettazione del prodotto quanto la sua forma esterna.
Possibili applicazioni per pazienti oncologici e anziani
Il KIST intende sviluppare il composto a base di Golden Chlorella come piattaforma per alimenti funzionali destinati alla nutrizione di precisione. Il gruppo di Koo Song Yi sta valutando la possibilità di integrare componenti con funzioni nutrizionali specifiche, comprese sostanze studiate per il supporto immunitario dei pazienti con tumore del pancreas.
L’eventuale presenza di ingredienti funzionali non trasformerebbe il pasto in un trattamento farmacologico. Il ruolo principale resterebbe quello di fornire nutrienti in una forma compatibile con le condizioni della persona e con il piano definito dagli specialisti.
Oltre all’oncologia, la tecnologia potrebbe trovare applicazione nelle strutture per anziani, nei centri di riabilitazione e nell’assistenza domiciliare. Potrebbe essere utile anche per pazienti con ictus, malattie neurodegenerative o altre condizioni che alterano la coordinazione della deglutizione.
Le verifiche necessarie prima dell’impiego clinico
Lo studio del KIST fornisce dati sulla formulazione, sulla reologia e sulla stampabilità, ma il passaggio alla pratica clinica richiede ulteriori controlli.
Occorrerà verificare la sicurezza della deglutizione attraverso valutazioni condotte su pazienti, stabilire la corrispondenza con i livelli IDDSI e misurare l’effettiva disponibilità dei nutrienti dopo la preparazione. Sarà necessario valutare anche la stabilità microbiologica, la conservazione delle cartucce alimentari e la pulizia delle parti della stampante a contatto con il prodotto.
Un altro punto riguarda la ripetibilità. La medesima ricetta deve mantenere caratteristiche comparabili anche quando cambiano il lotto delle materie prime, la temperatura ambientale, il tempo trascorso dalla preparazione o il modello di stampante utilizzato.
Nelle cucine ospedaliere sarà inoltre necessario integrare la produzione digitale con le procedure di tracciabilità, gestione degli allergeni e controllo igienico. Una soluzione destinata a un numero elevato di pazienti dovrà essere sufficientemente rapida e compatibile con i costi della ristorazione sanitaria.
Il progetto è stato sostenuto dal Ministero sudcoreano della Scienza e delle Tecnologie dell’Informazione, dal Ministero dell’Agricoltura, dell’Alimentazione e degli Affari rurali, dal programma KIST Grand Challenge e dal Korea Institute of Planning and Evaluation for Technology in Food, Agriculture and Forestry.
La ricerca dimostra che la stampa 3D alimentare può essere utilizzata non soltanto per realizzare forme complesse, ma per progettare in modo controllato la struttura di un pasto. Il valore della tecnologia dipenderà ora dalla capacità di trasformare i risultati di laboratorio in ricette clinicamente validate, semplici da produrre e realmente gradite alle persone che devono consumarle. ”
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI) “
