מדעי החלב: מאומנות מבוססת על נסיון לטכנולוגיה מבוססת על מדע

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 היו מיוצרים בעבר כתוצאה של 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 של המאה האחרונה. שני סוגים של מוצרי חלב מותססים נפוצים בשוק:

1. מוצרים מותססים ללא הרחקת מי גבינה, כמו שמנת חמוצה, יוגורט, חלב מוחמץ מסוג "רוויון" (חובצה).
   
2. מוצרים מותססים מועשרים בקזאין ומוצקי חלב אחרים על ידי הרחקת מי הגבינה, כמו לדוגמא, ביצור הגבינות.
   

בכל הארצות המתועשות, רוב מוצרי החלב עשויים מחלב מפוסטר, בעיקר של פרה, אך גם מחלב צאן, עזים, ואפילו תאו. הפיכת החלב למוצרים מושגת בפעולה משולבת של תרביות של מחמצת מסחרית ואנזים בעל פעילות פרוטאוליטית ספציפית למדי בשם רנט. תרביות המחמצת משווקות ברובן או לאחר ייבוש בהקפאה או במצע מימי בהקפאה עמוקה. השייכות הטקסונומית, הזהות, והתפקיד הטכנולוגי של המיקרואורגניזמים בתרביות אלו מוכרים היטב ומסוכמים באיור 3. מהתיאור הקצר הזה ברור שמבין תעשיות המזון, בתעשיית החלב בכללה יש מרכיב משמעותי של ביוטכנולוגיה. לכן אין זה מפתיע שתעשייה זאת עתירת הביוטכנולוגיה הקלאסית מהווה כר נרחב למחקרים בגנטיקה מולקולרית.


באופן גס, כחצי מייצור החלב מכוון לצריכה בתור חלב שתייה שהוא מזון בסיסי לכלל אוכלוסייה, ובעיקר לקצותיה הרגישים: ילדים רכים וקשישים. תעשייה זאת יכולה להפיק תועלת מרובה מכלים אנליטיים מהירים וספציפיים המחליפים את השיטות הבקטריולוגיות המסורתיות. המחצית השנייה של כמות החלב מכוונת לייצור מוצרים מותססים וגבינות. כאמור, תהליכים אלה מתרחשים בעזרת אנזימים ומחמצות לקטיות: סטרפטוקוקים, לקטוקוקיים, לקטובציליים, לאוקונוסטוקים, שמרים ועובשים.

דוגמאות כיצד ההנדסה הגנטית יכולה לשפר את תעשיית החלב מסוכמות באיור 2.


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 הגידול, עליה בייצור החלב וניצול טוב יותר של המזון.

השימוש ב-BST הפך כיום לבעיה חברתית-כלכלית, יותר מאשר טכנולוגית. רשויות החוק האמריקאיות, הקשובות לצרכי משק חלב המבוסס על חוות בקר גדולות, שבהן הפעלת BST כדאית ביותר, אשרו את השימוש בו. בקהיליה האירופית, משופעת הרפתות הקטנות בה מנסים להגביל את ייצור החלב ויבוא הבשר, השימוש ב-BST אסור.

תעשיית המזון צורכת כמויות גדולות של אנזימים אשר מופקים ממיקרואורגניזמים מוכרים בתור GRAS (Generally Recognized as Safe), מצמחים או מבעלי חיים.

האנזים רנט-עגלים או כימוזין (chymosin) משך את תשומת הלב המרבית למסחור טכנולוגיה של DNA רקומביננטי, תעשיית הגבינה היא צרכנית גדולה של אנזים זה, דבר שהטיל לחצים על מקור ההפקה המסורתי שהוא קיבות של עגלים. הירידה הדרסטית בהיצע של עגלים באמצע שנות ה-60, הכריחה את יצרני הגבינות להסתגל לתחליפים מחיות אחרות (חזיר) או לאנזימים פרוטאוליטיים ממקור מיקרוביאלי, כגון אנזים חוץ-תאי מ-Muchor miehei, Muchor pusillus, Endothia parasitica. כיום, למרות שכחצי מיצור הגבינות העולמי משתמש באנזימים אלה, עדיין קיים ביקוש לרנט-עגלים בגלל ההבדלים העדינים בטעם ומרקם שהוא מקנה לגבינות. לרנט פעילות פרוטאוליטית התחלתית מאד ספציפית בשבירת הקשר 106-105 בקאפא-קזאין, שהוא החלבון המגן על מיצלה של קזאין בפני הפרדה ושקיעה מתוך החלב. הפעילות הייחודית הזאת חשובה ביותר לאיכות המוצר הסופי היות ופרוטאוליזה לא מבוקרת של חלבוני חלב מובילה לפפטידים בעלי טעמים בלתי רצויים מאד.

מעניין לציין שבעמנו בעית המחסור ברנט היתה מאז ומתמיד חריפה יותר מאשר בעמים אחרים בגלל דרישות הכשרות. אנזים כשר מפיקים רק מעגלות אשר נשחטו בשחיטה כשרה, שמטבעה מצומצמת ביותר. לאורך הדורות היהודים חפשו פתרונות מקוריים כמו פרוטאזות מן הצומח, של תאנים למשל, או בשנות ה-70, בפפסין מקיבות של תרנגולות משחיטה מקומית כשרה.

הגן של רנט-עגלים בודד, שובט 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 היתה ירודה מאד. יותר מוצלח היה התהליך של הפרשת פרו-כימוזין, חומר מוצא לרנט, המופק מהעובשים Aspergillus awamori, Aspergillua nidulans, Kluyveromyces, S. cerevisiae, Trichoderma reesei. עבור תעשיית המזון אלה מיקרואורגניזמים מועדפים בגלל מעמדם המוכר כ-GRAS וההיסטוריה הארוכה של שימוש בטוח בתהליכי תסיסה.

מאותה סיבה, גם לקטובצילים ולקטוקוקים, שקל לגדלם בצפיפות על מצע לא יקר כמו מי גבינה, הם מועמדים מועדפים לייצור תעשייתי של חלבונים. מאידך, יש לזכור את מגבלת החיידקים הלקטים לשתק על ידי מוטציות בגנים לא חיוניים.

יעד נוסף ליישומים של ההנדסה הגנטית הם אנזימים בעלי פעילות ליפוליטית. 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 תקוות לייצור זול של ליפאזות עם תכונות משופרות, כמו אנזימים המשחררים פרופיל "נכון" של חומצות שומניות מתלת-גליצרידים שבשומן החלב, לחיזוק ניחוח מסוים בגבינה.


לאורך הדורות, מיקרואורגניזמים, ובעיקר חיידקים לקטיים, שימשו ליצור מזונות מותססים. מטרית ה"חיידקים הלקטיים" מכסה משפחה הטרוגנית של מיקרואורגניזמים בעלת תכונה משותפת של הפיכת סוכרים לחומצה לקטית. החיידקים ההומופרמנטטיביים הופכים מולקולה של גלוקוז לשתי מולקולות של חומצה לקטית; החיידקים ההטרופרמנטטיביים הופכים מולקולה של גלוקוז למולקולה אחת של חומצה לקטית בתוספת תוצרים אחרים כגון חומצת חומץ, כוהל אתילי ודו-תחמוצת פחמן. בין החיידקים הלקטים נכללים זנים שונים מאד 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 אינטנסיבי ליצור מגוון רחב של מוצרי מזון מותססים עבור בני האדם ובעלי החיים. בנוסף למוניטין הרב שרכשו בהכנת מוצרי חלב, הם משמשים גם לכיבוש ירקות, אפייה, יצור היין, בשר, דגים, נקניקיות, הכנת תחמיץ לבהמות וכו'. מוצרי החלב מהווים כ-20% מהערך הכלכלי 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 זאת היא התוצר החשוב ביותר של התסיסה היות והיא אחראית לדיכוי חיידקי הקלקול כגון חיידקי המעיים, פסאודומונס, כלוסטידריה, על ידי הורדת ערך ה-pH של המוצר.
  
• הפרשת אנזימים פרוטאוליטיים 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 משמש לתסיסת החלב. לאחרונה הוכח בטכניקות חדישות של טקסונומיה מולקולרית שכל הזנים בשימוש תעשיית החלב רחוקים מאד מבחינה אבולוציונית מהחיידקים הפתוגניים. פרוש הדבר שהאנושות בררה באופן אינסטינקטיבי חיידקים שאינם מזיקים אלא דווקא מועילים, או שהתרחש תהליך אבולוציוני אשר מיין במהלכו את העמידים למיקרואורגניזמים הגורמים לתסיסה ספונטנית של חלב.

ההנדסה הגנטית עשויה להגדיל את המבחר מעבר לגנוטיפים הקיימים ממקור טבעי. ההתקדמות הרבה אשר הושגה בשיבוט רב תפקודי, וקטורים לביטוי ופיתוח אמצעיים יעילים להעברת גנים, מאפשרים בפוטנציה, בנית זנים בעלי תכונות מטבוליות משופרות.

בנוסף לתפקידים המטבוליים, תכונה חיונית ביותר של המחמצות היא עמידות לנגיפים - פאז'ים. היות ותהליכי התסיסה תעשייתיים מתבצעים בתנאים לא סטריליים, ההדבקה בפאז'ים מהווה לעתים סיבה להכשלת המחמצת. הגנטיקאים גילו מספר אנזימי רסטריקציה מקודדים בגנים הנמצאים בפלסמידים אשר מקנים הגנה בפני נגיף על ידי שבירת ה-DNA הנגיפי ומניעת התרבותו. חיידקי לקטוקוקוס (Lactococcus lactis subsp diacetylactis and cremoris) אשר כונו בעבר Group N streptococci, היו תרביות מחמצות המזון הראשונות אשר שימשו להעברת מערכות גנטיות. כרגיל בטבע, זנים מסוימים יעילים יותר בייצור אנזימי רסטריקציה מאשר אחרים. ניתן להכניס את הגנים האחראים לכרומוזומים של המחמצות הנפוצות, ולהקנות להן עמידות לטווח רחב של פאז'ים.

מזה שנים רבות קיימת הדעה שלמוצרי חלב מותססים על ידי לקטובצילים יש תכונות דיאטטיות ייחודיות. השערה זאת פורסמה במקור על ידי Metchnikoff בשנת 1908, ולפיה לקטובצילים במערכת העיכול מתגברים ומדכאים חיידקים פתוגניים מזדמנים. מחקרים של השנים האחרונות הוסיפו נתונים להנחה זאת: הקנית עמידות נגד זיהומי מעיים, שליטה על רמת הכולסטרול בדם, שיפור במטבוליזם של לקטוז, הפעלת תגובות חיסוניות, פעילות אנטי-סרטנית. בגלל החשיבות הכלכלית לתעשיית המזון וההשערות על רווחים דיאטטיים-בריאותיים, גם המחקר במיון וזיהוי, מטבוליזם, פיזיולוגיה, גנטיקה והשבחת התכונות של הלקטובצילים התפתח משמעותית בעשור אחרון.

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 ולפרוח לאורך מסלול הגסטרו-אינטסטינלי ולספק נוגדנים לגירוי המערכת החיסונית או להגן על מערכת העיכול בפני חיידקים פתוגניים.
  

חייבים 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 אופיה השמרני-מסורתי, והערך הכלכלי היחסי הנמוך של מוצריה (נמוך בהרבה משל תעשיית התרופות).

המודעות הגוברת של ציבור הצרכנים לבטיחות המזון, יוצרת לחץ על התעשייה ועל הרשויות להפעיל שיטות מהירות ורגישות לזיהוי חיידקים פתוגניים, רעלנים, ומזהמים כימיים, בחומרי גלם ובמוצרי מזון סופיים. שיטות כאלה המבוססות על פיתוח גלאי DNA ונוגדנים רב-וחד-שבטיים, מחליפים את השיטות האנליטיות המסורתיות. קיימות כיום ערכות לזיהוי סלמונלה, ליסטריה, קוליפורמים, ירסיניה, וכו'. טכניקת PCR משפרת באופן מדהים את רגישות ההבחנה המתבססת על יסוד גלאי DNA.

כמו כן, קיימת גם שיטה חדישה לגילוי שאריות של תרופות אנטיביוטיות בחלב, מבוססת על סמן ביולוגי. הרפתנים משתמשים בתרופות כאלה לריפוי זיהומי עטין, וחייבים להשמיד את החלב שעקבות התרופה מופיעות בו. מחד גיסא, צריכת חלב כזה מהווה מפגע בריאותי, ומאידך גיסא, קבלתו למחלבה תשבש תהליכי יצור בגלל עיכוב המחמצת. גילוי שאריות אנטיביוטיקה חייב להיעשות מהר ככל האפשר כדי לא לעכב קבלת החלב, והביוטכנולוגיה המודרנית סיפקה תשובה למשאלה זאת.

באדיבות ד"ר יונל רוזנטל, המחבר