חיידקים ונגיפים וגם שאר היצורונים המקיפים אותנו מכל עבר, משפיעים על חיינו מכל מיני כיוונים. בבלוג אספר על אלה המוזכרים מדי פעם בחדשות וגם לחדשות מדעיות הקשורות בהם. כמו כן אשתף אתכם גם בתמונות ודיווחים על יצורים גדולים יותר, שבהם אצפה בטבע. בלוג זה גם יהווה ארכיון לחומרים שכתבתי בעבר ורלוונטיים לנושא.

7.2.10

מיקרואורגניזמים בתעשיית המזון

על חיידקים ופטריות - לא רק לאניני טעם

כולנו הרחנו ואולי אף טעמנו מוצרי מזון שהתקלקלו. הגורמים לקלקול המזון הם מיקרואורגניזמים, הנהנים גם הם מהחומרים המזינים במזון. רבים חלו בגלל הרעלת מזון, שזוהם בחיידקים או בפטריות גורמי מחלה או מפרישי רעלנים. ואולם לא בכך אעסוק הפעם, אלא אתמקד דווקא במיקרואורגניזמים שבלעדיהם לא היו מוצרי המזון המוכרים לנו בתפריט. מרבית ממיקרואורגניזמים אלה מתסיסים את מרכיבי המזון - סוכרים, חומצות אמיניות ואף שומנים. התייחסתי לתהליכי תסיסה שונים בעבר ("על תסיסות וחיידקים", "גליליאו" 96).

את המיקרואורגניזמים עצמם, חשוב לזכור, מכירים הביולוגים רק כ-250 שנה, אך מוצרי מזון המבוססים על פעילותם מוכרים זמן ממושך הרבה יותר. סביר להניח שיד המקרה, ולאחריה הניסיון המצטבר מדור לדור, הם שהובילו את התפתחות מוצרי המאפה, תעשיות מוצרי החלב, הירקות הכבושים, המשקאות האלכוהוליים, הנקניקים ואף לייצור התחמיץ המיועד לבעלי חיים.

לרוב, מיקרואורגניזמים שמתרבים במוצר מזון משנים את מרקמו, ריחו וטעמו. ברוב המקרים די בכך כדי שאפילו לא נטעם את המוצר אלא נשליכו לאשפה. אך אי שם בהיסטוריה האנושית כנראה שהיו מקרים נדירים שבהם התרבות המיקרואורגניזמים שינתה את המזון כך שהוא נעשה טעים יותר, או שהנסיבות אילצו אנשים להשתמש במזון "המקולקל", ואז נוכחו שטעמו טוב. אם אפשר היה לשחזר את התנאים להיווצרות המוצר המשופר, אזי הוא נכנס לתפריט האנושי והידע לייצורו עבר מדור לדור ואף הושבח עם השנים.

מיקרואורגניזמים בתעשיית החלב
אף אחד לא יודע בוודאות איך החל ייצור מוצרי החלב. האגדה מספרת שזה קרה במזרח התיכון, כאשר בדואי שהתכונן למסע במדבר מילא את נאדו בחלב כבשים, ויצא לדרכו. לאחר כמה שעות בשמש הקופחת הוא רצה לשתות את החלב, אך הוא מצא בנאד נוזל מימי עכור ומשקע לבן. מכיוון שלא היה לו משהו אחר לשתייה, ומחוסר ברירה, הוא שתה את הנוזל (המכונה היום מי-גבינה - whey) ומצא שטעמו טוב, ושגם המשקע (המכונה היום גֶבֶּן - curd), טעים. כשהגיע ליעדו שיתף את אנשי שבטו בממצאיו, ואלה נהנו מהמוצר החדש - וכך נכנסה הגבינה לתפריט.

היום מניחים שמוצרי החלב הראשונים פותחו בזמן תחילת המהפכה החקלאית, לפני כ-10,000 שנה. מאז התפתחה תעשיית הגבינות ומוצרי החלב והיא כוללת היום מאות מוצרים שונים. באמצע המאה ה-19 החלו להבין את הכימיה ואת ה"כימאים" שמאחורי מוצרי החלב, הלוא הם המיקרואורגניזמים. מאז התקדמה התעשייה כשהניסיון והמדע (המיקרוביולוגי) משולבים יחדיו; כיום תעשיית מוצרי החלב מהווה כ-20% מהמוצרים המותססים המיוצרים ברחבי העולם. לרבגוניות אחראים חיידקים שונים ופטריות (שמרים ועובשים).

מקור החלב העיקרי הוא חלב פרה אך עוד מקורות הם חלב עזים, כבשים, תאו, גמלים וחיות משק אחרות. החלב עובר פיסטור לסילוק מרבית המיקרואורגניזמים העשויים לקלקלו או לגרום למחלות.

מבחינים בשני סוגים של מוצרי חלב: הראשון הוא מוצרי חלב "רכים" - חלב מותסס שלא מורחקים ממנו מֵי גבינה: לבן, אשל, שמנת חמוצה, יוגורט, רוויון, קפיר ודומיהם. הסוג השני הוא מוצרי חלב "קשים" - מוצרי חלב מותססים, שמורחקים מהם מי הגבינה והם מועשרים בחלבון קזאין ובמוצקי חלב אחרים: הגבינות לסוגיהן (ויש כ-700 סוגים).

אם בתחילת הדרך שימש חלק מהמוצר המקורי כתחל ליצירת המוצר מחדש (מעט יוגורט שהוכנס לחלב ובתנאים מתאימים נוצר עוד יוגורט), הרי היום הפיכת החלב למוצריו מתבצעת על-ידי שילוב של החיידקים והפטריות המתאימים לכל מוצר (מחמֶצת, שאפשר להשיגה בצורה מסחרית) ותצמיד של אנזימים הכולל, כֶמוֹזין (Chemosin - המכונה גם רֶנין, Rhenin), פֶּפּסין (Pepsin) וליפָּז (Lipase). תצמיד אנזימי זה מופק במקור מקיבות של יונקים צעירים שונים, שבהם הוא משמש לעיכול חלב האם, ומכונה רנט (Rennet). קיימים תחליפים לרנט שמקורם צמחי המיועדים לצמחונים וליהודים שומרי כשרות.

חיידקי חומצת החלב - השולטים בתעשייה
חיידקי חומצת החלב (lactic acid) נקראים כך מכיוון שהם מתסיסים סוכרים שונים לחומצת חלב. מחלקים את חיידקי חומצת החלב לשתי קבוצות, בהתאם לתוצרי התסיסה שלהם: חיידקים הומולקטיים, המייצרים רק חומצת חלב; וחיידקים הֶטֶרולקטיים, המייצרים מלבד חומצת חלב גם חומרים נוספים - חומצה אצטית (חומצת חומץ - acetic acid), אתנול, פחמן-דו חמצני ועוד. החיידקים גם נבדלים באנזימים הפרוטאוליטיים (מפרקי חלבונים) שהם מייצרים ובכך גם בסוג התוצרים של פירוק חלבוני החלב. השילוב של תהליכי התסיסה והפירוק הפרוטאוליטי הם האחראים לשונות הרבה במוצרי החלב השונים. חיידקים אחרים מתסיסים את תוצרי חיידקי חומצת החלב לתוצרים אחרים: חומצה פרופיונית, חומצת נמלים (פורמית), חומצת חמאה (בוטירית), אצטואין ודי-אצטיל, שהשילוב ביניהם אחראי לטעמים ולניחוחות השונים של הגבינות.

חיידקי חומצת החלב כוללים את הסוגים הבאים: Streptococcus, Pediococcus, Enterococcus, Lactococcus, Lactobacillus, Leuconostoc.

חיידקים המעורבים בתעשייה חייבים תכונה חשובה, עמידות לנגיפים (בקטריופאגים) המדביקים חיידקים אלה. תכונה זו לרוב מתאפיינת בנוכחות ובביטוי גבוה של אנזימי קיטוע, restriction enzymes, שמשמידים את ה-DNA הנגיפי שחדר לתא. חשוב לזכור שהתהליך התעשייתי מתקיים בתנאים שאינם סטריליים ורגישות לנגיפים עשויה לגרום להתמוטטות כל התרבית. לעתים אף מהנדסים בהתאם זנים שאין בהם במקור אנזימים כאלה.


שמר האפייה מתפיח את הבצק
שמר האפייה, Saccharomyces cerevisiae, לזניו השונים, הוא המיקרואורגניזם האיקריוטי (פטרייה) השימושי ביותר. השמרים משמשים לצרכים שונים. בלעדיהם לא יתפח (יחמיץ) הבצק, מוצרי הבצק המוכרים לנו, לחמים, עוגות וכדומה, לא יתקיימו. במהלך תהליך התפיחה, שהוא תהליך אל-אווירני, מתסיסים השמרים את הסוכר שבבצק ופולטים אתנול וגז, CO2.

Glucose → Pyruvate → Acetaldehyde + CO2
Acetaldehyde + NADH → Ethanol + NAD+

הגז מאַוורר ומתפיח את הבצק והאתנול, שחלקו הגדול מתנדף בחימום וחלקו הנותר תורם לטעם המיוחד של מוצר המאפה.

כדי שיגיע לבצק, מייצרים את השמרים בכמויות גדולות במכלים מיוחדים (פרמנטורים), בתנאים אווירניים. את השמרים מוכרים לחים או יבשים.

השימוש בשמרים לאפייה ולייצור משקאות אלכוהוליים הקדים, כנראה, את השימוש בכתב. לוח חרס מבבל, לפני 8000 שנה והירוגליפים ממצרים העתיקה, לפני כ-5000 שנה, מעידים על קיום תהליכים אלה - כמובן ששלא הבנה של מהות התהליך. גם כאן מניחים שהתפתחות התהליך החלה מזיהום מקרי של קמח. חלק מאותו בצק מוצלח, המכונה היום שׂאור או מחמצת (שניהם מוזכרים במקרא, שמות יב ודברים טז), נשמר ושימש כתחל - ובעצם סיפק את השמרים - להכנת הבצק החדש.

לואי פסטר, 1895-1822 
צילום: Felix Nadar

רק בשנות ה-60 של המאה ה-19 גילה לואי פסטר (Pasteur) את תפקיד השמרים ואת הרקע הביולוגי שמאחורי תהליכי תסיסת הבצק והיין. ב-1856 פנו בעלי היקבים בצרפת לפסטר, אז דיקן הפקולטה למדעים באוניברסיטת ליל (Lille), והוא החל לחקור את התהליך. הוא גילה את השמרים, הנמצאים ביין תקין, את הקשר לייצור היין וגם את החיידקים המחמיצים את היין. הפתרון שמצא, ב-1857, היה לחמם מעט את היין כבר בתחילת תהליך ייצורו כדי להפחית את כמות החיידקים המחמיצים. פתרון זה נקרא עד היום על שמו - פסטור. בהקשר זה כדאי להזכיר גם את אפקט פסטר: פסטר גילה שכדי להגיע לאותה כמות של שמרים בתנאים אל-אווירניים (בתהליך התסיסה), יש לספק לתרבית הגידול כמות הרבה יותר גדולה של סוכר (פי 15 לערך) מזו הנדרשת בתנאים אווירניים (בתהליך הנשימה האווירנית, שהיא יעילה יותר מבחינת הספקת אנרגיה לשמר).


יין, בירה, ושאר משקאות
לרוב המשקאות האלכוהוליים מכנה משותף. האתנול שבתוכם מקורו בפעילות של שמרי אפייה, או שמרים אחרים קרובים להם, כ-S. bayanus או תוצרי הכלאה של מינים שונים (למשל S. pastorianus, שהוא כנראה תוצר הכלאה של שני המינים המוזכרים ומשמש בתעשיית הבירה). במיעוטם, יוצרי האתנול הם חיידקים, מהסוג Zymomonas. משקאות אלכוהוליים רבים התפתחו כנראה במקרה ממיצי פירות שונים, ש"זוהמו" בשמרים או בחיידקים (שלרוב נמצאים על הקליפה של הפרי), ואוחסנו במיכלים אטוּמים עם מעט או ללא חמצן. השמרים עצמם צרכו את מעט החמצן וכשזה אזל החלו השמרים בתהליך התסיסה. גם כאן, יין או משקה אלכוהולי טוב במיוחד שימש כתחל ליצירת היין הבא מאותו הסוג. כך בעצם נעשתה ברירה לא מודעת לזני השמרים "המוצלחים" יותר.

חשוב לציין שהאתנול הנוצר בתהליך התסיסה הוא בעצם פסולת רעילה של המיקרואורגניזמים והצטברותו לריכוז של 14-18% במוצר קוטלת את השמרים ומפסיקה את תהליך התסיסה. זו הסיבה שמשקאות אלכוהולים טבעיים (יין, המיוצר ממיץ ענבים, ובירה, המיוצרת מלֶתֶת) אינם יכולים להכיל יותר מכ-16% אתנול. מוצרים המכילים יותר אלכוהול - ליקרים, וודקה, ויסקי וערק, עוברים תהליכי זיקוק להגדלת ריכוז האתנול (בעברית כונו יין שרף, יי"ש, על שום תהליך הזיקוק).

תושבי מסופוטמיה והשוּמרים יצרו כנראה בירה כבר לפני 12,000 שנה. לוחית חרס מבבל שעליה מרשם להכנת בירה היא העדות הכתובה הראשונה, ועל פיה התֶחל שהוסף ללתת והמים הוא לחם שאפוי מעט מדי. הסינים הקדומים הכינו בירה מאורז, והדרום אמריקנים (לפני בוא האירופים) - מתירס לעוס. הלעיסה המקדימה היתה חשובה כדי שעמילן התירס יפורק לסוכר על-ידי האנזים עמילז שברוק של הלועס.

הבבלים הקדישו את הבירה לאל סיריס והרומאים לאלה קרס (Ceres), שבהקשר לבירה נקראה Cerevisia - ומכאן שם המין המדעי של השמר.

הבירה היתה המשקה המועדף במשך דורות, בעיקר במסעות, מכיוון שמים לא היו תמיד בנמצא וגם כשנמצאו לעתים הם לא היו ראויים לשתייה. מסיבה זו היה הצבא הרומאי מצויד בכמויות בירה גדולות.

יין נחשב משקה האלים, ןיוחדו לו האלים דיוניסוס ביוון ובכחוס ברומא. היין טופח ביוון העתיקה כבר לפני כ-6000 שנה - אז החלו לגדל ענבים מיוחדים ליין. מניחים שלפני כן הכינו יין מענבי בר.

בתעשיית היין אפשר להסתמך על השמרים הטבעיים, המצויים על קליפת הענבים, אך יש ייננים המוסיפים שמרים מיוחדים. אם כל הסוכר מותסס, מתקבל יין יבש. אם חלקו נשאר, מתקבל יין מתוק. אחוז האתנול ביין מוגבל ל-14%. אך ביינות מפירות אחרים, שם כמות הסוכר נמוכה יותר, מגיע ריכוז האתנול רק ל-5-7%. כדי לקבל יינות מוגזים מוסיפים סוכר לתרבית ואוטמים היטב את הבקבוקים, אז מצטבר בבקבוק הפחמן הדו-חמצני.

הבעייה המרכזית בתהליכי ייצור היין והבירה היא קילקולם, דהיינו החמצתם המהירה על-ידי חיידקים. בתעשיית הבירה פתרו חלקית את הבעייה באמצעות הוספת פרחי כשות (Humulus lupulus) לתהליך הייצור - מלבד הוספת המרירות האופיינית מעכבים פרחי הכשות את גידול החיידקים. בתעשיית היין, לעומת זאת, מצא פסטר את הפתרון רק ב-1857.

החיידקים המחמיצים את היין, מהסוגים Geobacter ו-Acetobacter, מתסיסים בתנאים אווירניים את האתנול לחומצה אצטית. החומץ שנוצר בתנאים אלה מכונה חומץ בן יין. אותם חיידקים ואחרים מעורבים ביצירת מיני חומץ אחרים.

בתיאבון! כבושים, נקניקים וקפה
כיצד החלה תעשיית הכבושים הביתית? אין ולו אגדה שתסביר זאת. אך שיטה לייצור ירקות כבושים פותחה כבר לפני מאות רבות של שנים, כנראה במזרח הרחוק. השיטה היעילה המקובלת גם היום היא להכניס את הירקות לתמיסת מי מלח, עם שום ותבלינים במשך שבועות עד חודשים. חיידקי חומצת החלב, הנמצאים באופן טבעי על הירקות, הם היחידים שמסוגלים להתרבות בתנאים אלה ומתסיסים את הסוכרים שבירקות לחומצת חלב שמורידה את ה-pH של התמיסה וקוטלת את כל החיידקים והפטריות האחרים, ובסופו של התהליך גם את חיידקי חומצת החלב עצמם. לעתים אפשר לראות מושבות של חיידקי חומצת החלב על הירקות הכבושים.

נקניקים ונקניקיות, בייחוד כאלו שמיוצרים בתנאים תעשייתיים, הם מצע מזון מצוין לכל מיני מיקרואורגניזמים. חיידקי חומצת החלב וחיידקים אחרים, המוכנסים לתערובת הבשר בתחילת התהליך, מתסיסים חלבונים וחומרים אחרים בבשר וגורמים להחמצתו (לירידת pH), ובכך להשמדת רוב החיידקים הלא רצויים. החיידקים המוספים מעכבים ומבקרים חמצון של חומצות שומן, ומייצרים חומרי טעם וריח (קֶטוֹנים). נוסף על כך, חלק מחיידקי חומצת החלב מייצרים בקטריוצינים (bacteriocins), חומרים אנטיבקטריאליים שמעכבים טווח מוגבל של חיידקים. אחד החיידקים הפתוגנים המעוכב על-ידי בקטריוצינים אלה הוא Listeria monocytogenes (שעל המחלות שהוא גורם ועל הנזק לתעשיית המזון המוכן כתבתי בעבר).

ומכאן למשקה של הבוקר. רבים מאיתנו שותים בבוקר שני סוגי משקאות, קפה וקקאו. בתהליך ייצור הקפה האיכותי, לאחר הסרה מכנית של הקליפה החיצונית, מושרים פולי הקפה במים למשך כמה ימים. אז מפרקים חיידקים פקטינוליטיים את החומר הציפתי שבפולים, ובהמשך מותססים הפולים על-ידי חיידקי חומצת חלב. רק אחר כך ממשיך תהליך הייצור (קלייה וטחינה). פולי הקפה היקר בעולם, קפה לואק (Luwak), המיוצרים בכמה איים באינדונזיה ובפיליפינים, עוברים תהליך תסיסה מיוחד במינו: הם עוברים דרך מערכת העיכול של גֶחן הדקלים (Paradoxurus hermaphroditus), אוכל-כל ממשפחת הגחניים החי במטעי הקפה ואוהב לאכול את הפולים שנשרו מהעצים. חיידקי מערכת העיכול של הגחן מתסיסים את הקליפה החיצונית. הפולים המותססים מאותרים בתוך הגללים של החיה ומנוקים לקראת המשך תהליך הכנת הקפה. קפה זה מיובא גם לארץ לחובבי קפה המשלמים בעבורו 600$ לק"ג. גם בקקאו מותססים הפולים באמצעות שמרים וחיידקים ונוצר אתנול, הקוטל את העובּר של זרע הקקאו. בהמשך מותסס האתנול לחומצה אצטית.



גחן הדקלים. חיידקי מערכת העיכול שלו מתסיסים את פולי הקפה שאכל, ואלה משמשים את חובבי הקפה האנושיים.
איור: Gustav Mutzel

תהליכי תסיסה מעורבים גם ביצירתם של רטבים שונים במזרח אסיה: ברוטב סויה יש שילוב של פעילות פטרייה (Aspergilus), חיידקי חומצת חלב ומיני Bacillus. ברוטב מיסו, האספרגילוס מצפה את מחית האורז ואחר-כך מוספים פולי סויה מעוכים. הרוטב מוכן לאחר שלושה חודשים של תהליכי תסיסה שבהם מעורבים שמרים, חיידקי חומצת חלב ומיני Bacillus. ברוטב נָטוֹ פולי סויה אפויים נעטפים באורז ומושארים לתסוס בנוכחות חיידקי Bacillus.

ולמנה העיקרית (או התוספת): ספירולינה
באגמים בסיסיים העשירים בפחמה (carbonate) אפשר למצוא מרבדים צפים של החיידקים הכחוליים Arthrospira platensis (באפריקה, אסיה ודרום-אמריקה) ו-Arthrospira maxima (במרכז אמריקה). עד לפני זמן לא רב שויכו חיידקים דמויי אצות אלו לסוג ספירולינה (Spirulina), ובשם זה הם מוכּרים לקהל הרחב. חיידקים אלו עשירים מאוד בחלבונים (77-55 אחוז מהמשקל היבש, הכוללים את כל החומצות האמיניות החיוניות), והם שימשו מקור מזון עיקרי לאצטקים, שבשפתם נקרא Tecuitlatl, ולעמים אחרים עד המאה ה-16. באזור אגם צ'אד שבאפריקה קיימות עדויות לשימוש בחיידקים אלה כמקור מזון ראשוני החל מהמאה ה-9. שימוש זה נמשך שם היום. החל משנות ה-70 של המאה הקודמת החלו לגדל את החיידקים בברכות מסחריות פתוחות בארצות רבות: ארצות-הברית, תאילנד, הודו, טייוואן, סין, פקיסטן ובורמה: קוצרים (=אוספים) את החיידקים, מייבשים ומוכרים בחנויות טבע כאבקה, בטבליות או כעוגיות. בדיאטות מסוימות הם המרכיב העיקרי, ובאחרות הן תוספים. משתמשים בהם כתוספי מזון גם לדגי נוי ולעופות.

יצרני הספירולינה מפליגים בשבחה ובתכולת המינרלים שבה (בעיקר אשלגן, אך גם נתרן ואחרים), הוויטמינים (ויטמינים מקבוצה B, וויטמינים C, D, ו-E - יש מחלוקת על מידת הספיגה של קובלמין - ויטמין B12), חומצות השומן והצבענים. לא ברור עדיין מה כמות המיקרוציסטינים (microcystins), רעלנים מצטברים שעלולים לפגוע בפעילות הכבד. בסופו של דבר, הערך התזונתי האמיתי של חיידקים כחוליים אלה עדיין צריך להיבדק מדעית.

סיכום
לחיידקים ולפטריות תפקיד חשוב בייצור המזונות שלנו. קשה לנו לתאר את חיינו בלי לחם, עוגות, גבינות ומעדני חלב, בירה, יין, ירקות כבושים, נקניקים ורטבים למיניהם. ושיהיה בתיאבון ולבריאות.

לקריאה נוספת
על תסיסות וחיידקים - "גליליאו" 97, 2006

ההיסטריה של הליסטריה - "גליליאו" 105, 2007

פורסם במקור ב"גליליאו" גיליון 138, עמ' 68-64, פברואר 2010.

אין תגובות:

הוסף רשומת תגובה