up למעלה

מדעי החלב: מאומנות מבוססת על ניסיון לטכנולוגיה מבוססת על מדע

מדעי החלב: מאומנות מבוססת על ניסיון לטכנולוגיה מבוססת על מדע

ד”ר יונל רוזנטל – המחלקה למדעי המזון, מנהל המחקר החקלאי, מרכז וולקני בית דגן.
מוצרי חלב מותססים מהווים חלק ממורשת התרבות האנושית, הם הומצאו או נתגלו, בזמן המהפכה החקלאית שהתרחשה לפני כ- 10,000 שנה. מהפכה אחרת, התעשייתית, מלפני כ- 150 שנה, הביאה להבנת המרכיבים הביוכימיים והמיקרוביולוגיים ולאופטימיזציה של התהליכים התעשייתיים לייצור השמנת, היוגורט והגבינות למיניהן. מוצרים אשר יוצרו בעבר עקב תסיסה ספונטנית, מיוצרים היום בתהליך תעשייתי הנשלט היטב מבחינה מיקרוביולוגית. יכולתנו לתאר את מוצרי החלב המותססים והמיקרואורגניזמים האחראים להם, ברמה מולקולרית, כלומר במונחים כימיים מובנים, היא אחד ההישגים הגדולים של מדעי המזון במאה האחרונה. שני סוגים של מוצרי חלב מותססים נפוצים בשוק:

1. מוצרים מותססים ללא הרחקת מי הגבינה, כמו שמנת חמוצה, יוגורט, חלב מוחמץ מסוג `רוויון` (חובצה).

2. מוצרים מותססים מועשרים בקזאין ומוצקי חלב אחרים על ידי הרחקת מי הגבינה, כמו לדוגמה ביצור הגבינות. בכל הארצות המתועשות, רוב מוצרי החלב עשויים מחלב מפוסטר בעיקר של פרה, אך גם מחלב כבשים, עזים, ואפילו תאו. הפיכת החלב למוצרים מושגת בפעולה משולבת של תרביות מחמצת הגורמת לפירוק חלבון בשם רנט ואנזים בעל פעילות בשם רנט. תרביות המחמצת משווקות ברובן או לאחר יבוש בהקפאה או במצע מימי בהקפאה עמוקה. השייכות הטקסונומית , הזהות והתפקיד הטכנולוגי של המיקרואורגניזמים בתרביות אלו מוכרים היטב. מהתיאור הקצר הזה ברור שבתעשיית החלב קיים מרכיב משמעותי של ביוטכנולוגיה. לכן אין זה מפתיעה שתעשייה זו – העתירה בביוטכנולוגיה הקלאסית מהווה כר נרחב למחקרים בגנטיקה מולקולרית.

באופן גס כחצי מיצור החלב מכוון לצריכה כחלב שתייה שהוא מזון בסיסי לכלל האוכלוסייה, ובעיקר לקצותיה הרגישים: ילדים רכים וקשישים. תעשייה זו יכולה להפיק תועלת מרובה מכלים אנליטיים מהירים וספציפיים המחליפים את השיטות החיידקיות המסורתיות. המחצית השנייה של החלב מכוונת ליצור מוצרים מותססים וגבינות. כאמור תהליכים אלה מתרחשים באמצעות אנזימים ומחמצות לקטיות: סטרפטוקוקים, לקטוקוקים, לקטובציליים, לאוקונוסטוקים, שמרים ועובשים. דוגמאות כיצד ההנדסה הגנטית יכולה לשפר את תעשיית החלב.

הורמון הגדילה
הגן להורמון גידול בקר (BST- bovine somatotropin) בודד וזוהה. ההורמון מופק היום באופן מסחרי בטכנולוגיה של הנדסה גנטית. כאשר ההורמון מוזרק לפרות חולבות, יש האצה בקצב הצמיחה, עליה ביצור החלב וניצול טוב יותר של המזון.

השימוש ב- BST הפך כיום לבעיה חברתית כלכלית, יותר מאשר טכנולוגית. רשויות החוק האמריקאיות הקשובות לצורכי משק חלב המבוסס על חוות בקר גדולות, שבהן הפעלת ה- BST כדאית ביותר, אשרו את השימוש בו. בקהילה האירופאית, משופעת הרפתות הקטנות בה מנסים להגביל את יצור החלב ויבוא הבשר, השימוש ב- BST אסור. גם בארץ השימוש בהורמון אסור.

הפקת אנזימים
תעשיית המזון צורכת כמויות אדירות של אנזימים אשר מופקים ממיקרואורגניזמים מאושרים בתוך GRAS (Generally Recognized as safe) , צמחים או מבעלי חיים. האנזים רנט- עגלים או כימוזין (chymosin) משך תשומת לב מרבית למסחור טכנולוגיה של דנ`א רקומביננטי תעשיית הגבינה היא צרכנית גדולה של אנזים זה, דבר שהטיל לחצים על מקור ההפקה המסורתי שהוא קיבות של עגלים. הירידה הקיצונית בהיצע של עגלים באמצע שנות ה- 60 , הכריחה את יצרני הגבינות להסתגל לתחליפים מחיות אחרות (חזיר מיקרוביאלי) או לאנזימים מפרקי חלבון ממקור כגון אנזים חוץ- תאי מ- Muchor ,Endothia parasitica Muchor miehei , pusillus . כיום, למרות שכחצי מיצור הגבינות העולמי משתמש באנזימים אלה, עדיין קיים ביקוש לרנט- עגלים בגלל הבדלים עדינים בטעם ומרקם שהוא מקנה לגבינות. לרנט פעילות מפרקת חלבון התחלתית מאוד ייחודית בשבירת הקשר 105- 106 בקאפה- קאזין, שהוא החלבון המגן על מיצלה של קזאין בפני הפרדה ושקיעה בתוך החלב. הפעילות הייחודית הזו חשובה ביותר לאיכות המוצר הסופי היות ופירוק חלבון לא מבוקר של חלבוני חלב מוביל לפפטידים בעלי טעמים בלתי רצויים מאוד.

מעניין לציין שעבור היהודים בעיית המחסור ברנט הייתה מאז ומתמיד חריפה יותר מאשר בעבור עמים אחרים בגלל דרישות הכשרות. אנזים כשר מפיקים רק מעגלות שנשחטו בשחיטה כשרה, שמטבעה מצומצמת ביותר. לאורך הדורות היהודיים חיפשו פתרונות מקוריים כמו אנזימים מפרקי חלבון מן הצומח, של תאנים למשל, או בשנות ה- 70, בפפסין מקיבות של תרנגולות משחיטה כשרה.

הגן של רנט- עגלים בודד, שורבט ונתן ביטוי במספר מיקרואורגניזמים. הניסיונות הראשונים לבטאו ב- E.coli נכשלו מבחינה מסחרית בגלל הצטברות האנזים בתוך התא דבר שחייב המסתו והתקפלותו מחדש תוך היווצרות גשרים דו- גופריתיים מתאימים. בסופו של התהליך הניצולת הייתה ירודה מאוד מוצלח יותר היה התהליך של הפרשת פרו כימוזין , חומר מוצא לרנט, המופק מהעובשים- Aspergillus nidulans, Kluyveromyces, S.cerevisiae. , Aspergillus awamori, Trichoderma reesei , עבור תעשיית המזון אלה מיקרואורגניזמים מועדפים בגלל מעמדם המוכר כ- GRAS וההיסטוריה הבטוחה של שימוש בטוח בתהליכי תסיסה. מסיבה זו גם לקטובוצילים ו- לקטוקוקיים, שקל לגדלם בצפיפות על מצע לא יקר כמו מי גבינה, הם מועמדים מועדפים ליצור תעשייתי של חלבונים. מאידך, יש לזכור את מגבלת החיידקים הלקטיים לשתק על ידי מוטציות גנים לא חיוניים.

יעד נוסף ליישומים של הנדסה הגנטית הם אנזימים בעלי פעילות מפרקת שומן, אנזימים כאלה מופרשים על ידי המחמצות בתהליך הבשלת הגבינה ותורמים רבות לטעם הסופי. ישנן אפילו גבינות (מהסוג הריחני ביותר) שבתהליך ייצורן מוסיפים להן ליפאז להגברת הטעם. קיימות כוונות ליצור זול של ליפאזות עם תכונות משופרות, כמו אנזימים המשחררים פרופיל `נכון` של חומצות שומניות מתלת- גליצרידים שבשומן החלב, לחיזוק ניחוח מסוים בגבינה.

שיפור גנטי של מחמצות חלב
לאורך הדורות, מיקרואורגניזמים, ובעיקר חיידקים לקטיים, שימשו לייצור מזונות מותססים. מטריית `החיידקים הלקטיים` מכסה משפחה מגוונת של מיקרואורגניזמים בעלת תכונה משותפת של הפיכת סוכרים לחומצה לקטית. החיידקים הומופרמנטיביים הופכים מולקולה של גלוקוז לשתי מולקולות של חומצה לקטית. החיידקים ההטרופרמנטטיביים הופכים מולקולה של קלוקוז למולקולה אחת של חומצה לקטית בתוספת תוצרים אחרים כגון חומצת חומץ, כוהל אתילי ודו תחמוצת פחמן. בין החיידקים הלקטים נכללים זנים שונים מאוד אשר באופן טבעי תופסים עמדות אקולוגיות שונות. הם נמצאים על צמחים, על פני גוף בני האדם והחיות, מאכלסים מערכות עיכול של בעלי- חוליות, ונמצאים גם בצואה ובביוב.
כיום, החיידקים הלקטים מנוצלים באופן מוגבר לייצור מגוון רחב של מוצרי מזון מותססים עבור בני האדם ובעלי החיים. בנוסף למוניטין הרב שרכשו בייצור מוצרי חלב, הם משמשים גם לכבישת ירקות, אפייה, ייצור היין, בשר, דגים, נקניקיות, הכנת תחמיץ לבהמות וכו`. מוצרי החלב מהווים כ- 20% מהערך הכללי הכולל של מוצרי מזון מותססים.
המסלולים הביוכימיים והמטבוליים, העומדים ביסוד תהליכי תסיסת החלב מובנים למדי. למחמצות לקטיות מספר תכונות מטבוליות חיוניות להצלחת התסיסה:

· התססת הלקטוז לחומצה לקטית. חומצה זו היא התוצר החשוב ביותר של התסיסה היות והיא אחראית לדיכויי חיידקי הקלקול כגון חיידקי המעיים, פסאודומונס, כלוסטידריה, על יד הורדת ערך ה- PH של המוצר.
· הפרשת אנזימים פרוטואליטיים המפרקים חלבוני החלב לפפטידים וחומצות אמינו שחלקם חיוניים ליחסי הגומלין בין מחמצות, ובחלקם קובעים את הטעם והמרקם האופייני למוצר.
· יצירת חומרי ניחוח אופייניים למוצר, לדוגמא על ידי הפיכת החומצה הציטרית הנמצאת באופן טבעי בחלב לדו אצטיל אשר מאפיין ניחוח החמאה.

עובדה בולטת היא שרק מספר קטן ומוגדר של חיידקים משמשת לתסיסת החלב. לאחרונה הוכח בטכניקות חדישות של טקסונומיה מולקולרית שכל הזנים בשימוש תעשיית החלב רחוקים מאוד מבחינה אבולוציונית מהחיידקים הפתוגניים. פרוש הדבר שהאנושות בררה באופן אנסטינקטיבי את החיידקים שאינם מזיקים אלא דווקא מועילים, או שהתרחש תהליך אבולוציוני אשר מיין במהלכו את המיקרואורגניזמים ההופכים לכאלה הגורמים לתסיסה ספונטנית של החלב.
ההנדסה הגנטית עשויה להגדיל את המבחר מעבר לגנוטיפים הקיימים ממקור טבעי. ההתקדמות הרבה אשר הושגה בשיבוט רב תפקודי, וקטורים לפיתוח אמצעיים יעילים להעברת גנים, מאפשרים בפוטנציה, בנית זנים בעלי תכונות מטבוליות משופרות.
בנוסף לתפקידים המטבוליים , תכונה חיונית ביותר של המחמצות היא עמידות לנגיפים- פג`ים. היות ותהליכי תסיסה תעשייתיים מתבצעים בתנאים לא סטריליים, ההדבקה בפג`ים מהווה לעיתים סיבה להכשלת המחמצת.
הגנטיקאים גילו מספר אנזימי רסטריקציה מקודדים בגנים הנמצאים בפלסמידים אשר מקנים הגנה מפני נגיף על ידי שבירת הדנ`א הנגיפי ומניעת התרבותו.
חיידקי לקטוקוקוס (Lactococcus lactis subsp diacetylactis and cremoris) . אשר כונו בעבר Group N streptococci, היו תרביות מחמצות המזון הראשונות אשר שמשו להעברת מערכות גנטיות. כרגיל בטבע, זנים מסוימים יעילים יותר בייצור אנזימי רסטריקציה מאשר אחרים. ניתן להכניס את הגנים האחראים לכרומוזומים של המחמצות הנפוצות, ולהקנות להם עמידות לטווח רחב של פג`ים.
מזה שנים רבות קיימת הדעה שלמוצרי חלב מותססים על ידי לקטובצילים יש תכונות תזונתיות ייחודיות. השערה זו פורסמה במקור על ידי Metchnikoff בשנת 1908, ולפיה לקטובצילים במערכת העיכול מתגברים על חיידקים פתוגניים מזדמנים ומדכאים אותם.

מחקרים של השנים האחרונות הוסיפו נתונים להנחה זו: הקניית עמידות נגד זיהומי מעיים, בקרה על רמת הכולסטרול בדם, שיפור במטובליזם של לקטוז, הפעלת תגובות חסיניות, פעילות אנטי סרטניות. בגלל החשיבות הכלכלית לתעשיית המזון וההשערות של רווחים תזונתיים בריאותיים, גם המחקר במיון וזיהוי, מטבוליזם, פיזיולוגיה, גנטיקה והשבחת התכונות של הלקטובצילים התפתח משמעותית בעשור האחרון.

כיוונים נוספים לפיתוח מיקרואורגניזמים לחלב הם:

· תרביות המתוכנתות לבטא או להשתיק גנים מסוימים במשך התסיסה בתגובה לאילוצים סביבתיים.

· זנים מהונדסים שיספקו אנזימי עיכול לאנשים בעלי מגבלות.

· תרביות המסוגלות להתיישב ולשגשג לאורך מסלול מערכת העיכול ולספק נוגדנים לגירוי המערכת החיסונית או להגן על מערכת העיכול מפני חיידקים פתוגניים.
חשוב לציין שקיימת מידה של הסתייגות לגבי יישום טכנולוגיה של הנדסה גנטית למחמצות. בדרך כלל המוטנטים של חיידקים לקטיים אינם יציבים ביותר, ומיקרואורגניזמים אשר שובט בהם גן זר עלולים במוקדם או במאוחר לשנותו ולהביא לתוצאה סופית מזערית.

לבסוף אין לשכוח שביישום טכניקות של הנדסה גנטית יש להתחשב גם בפסיכולוגיה של הצרכן, רתיעתו והשפעתו על התחיקה. כפי שלמדנו מטכנולוגיה של הקרנת מזון, תפיסת הציבור, מוטעית ככל שתהיה, משפיעה באופן משמעותי ביותר על יישום ושימוש בטכנולוגיה חדשה. בהקשר הייחודי של תעשיית החלב, יש לזכור את אופייה השמרני מסורתי , והערך הכלכלי היחסי הנמוך של מוצריה (נמוך בהרבה מתעשיית התרופות).

שיטות זיהוי מהירות וערכות אבחון.

המודעות הגוברת של ציבור הצרכנים לבטיחות המזון, יוצרת לחץ על התעשייה ועל הרשויות להפעיל שיטות מהירות ורגישות לזיהויי חיידקים פתוגניים, רעלנים, ומזהמים כימיים, בחומרי גלם ובמוצרי מזון סופיים. שיטות כאלה המבוססות על פיתוח גלאי דנ`א ונוגדנים רב- וחד- שבטיים, מחליפים את השיטות האנליטיות המסורתיות.

קיימות היום ערכות לזיהוי סלמונלה, ליסטריה, קוליפורמים, ירסיניה וכו`. טכניקת PCR משפרת באופן מדהים את רגישות ההבחנה המתבססת על יסוד גלאי דנ`א.

כמו כן קיימת גם שיטה חדשה לגילויי שאריות של תרופות אנטיביוטיות בחלב, מבוססת על סמן ביולוגי. הרפתנים משתמשים בתרופות כאלה לריפוי זיהומי עטין, וחייבים להשמיד מיד את החלב שעקבות התרופה מופיעות בו. צריכת חלב כזה מהווה מפגע בריאותי, ובנוסף לכך קבלתו למחלבה תשבש תהליכי יצור בגלל עיכוב המחמצת. גילויי שאריות אנטיביוטיקה חייב להיעשות מהר ככל האפשר כדי לא לעכב קבלת החלב, והביוטכנולוגיה המודרנית סיפקה תשובה לצורך זה.

Accessibility
סגור