תַקצִיר
תסיסה היא תהליך שבמסגרתו מיקרואורגניזמים ממירים סוכרים לתוצרים חדשים באמצעות תגובות כימיות. מאז ימי קֶדֶם, בני אדם הפיקו תועלת מתהליך התסיסה הטבעי כדי לפתח תוצרים רבים, בכללם מאכלים, תרופות ודלקים. במאמר זה אנו בוחנים את ההיסטוריה של תהליך התסיסה, ומדגימים מדוע תהליך טבעי זה הוא הכלי הביוטכנולוגי הקדום ביותר של האנוֹשוּת. המאמר יסייע לכם להבין מהם סוגי התסיסה השונים, ומהם השימושים העדכניים של תהליך התסיסה.
חשיבוּת הַתְּסיסה עבור הַצִּיבִילִיזַצְיָה האנושית
תסיסה היא תהליך טבעי שבמהלכו סוכרים מוּמָרִים לתוצרים שיכולים לְשַׁמֵּשׁ בני אדם. ההיסטוריה של התסיסה מתחילה בשנת 10,000 לפני הספירה, כאשר הציביליזציה האנושית הראשונה התפתחה באזור אשר מכונה 'הַסַּהַר הַפּוֹרֶה' (המזרח התיכון של ימינו). אומנם לאנשים בתקופה ההיא לא היה הַיֶּדַע המדעי המצוי בידינו כיום, אך הם בכל זאת הצליחו לבחון את העולם וּלְפַתֵּחַ טכנולוגיה. המדען האמריקאי המפורסם קַרְל סֶיְיגֶן אמר פעם שכל ילד מתחיל את חייו כמדען מִטִּבְעוֹ. כלומר, כולם יכולים לְפַתֵּחַ כלים שעשויים לשפר את חייהם של בני האנוש! האין זה מדהים? בני האדם הקדומים הוכיחו כי טענה זו נכונה בכך שפיתחו את אחד הכלים הביולוגיים החשובים ביותר: תסיסה.
מאז הזמנים הקדומים הללו, תסיסה שימשה בעיקר כשיטה לשימור מזון. משנת 5,000 לפני הספירה בערך, בני העם הַשּׁוּמֵרִי והַמִּצְרִים השתמשו בתסיסה כדי לייצר מוצרי מזון רבים, כמו לחם, יין ובירה. הם לא ידעו להסביר איך המזונות הללו נוצרים בדיוק, או לָמה התסיסה מתרחשת. לכן, הם לרוב סברו כי תסיסה היא נֵס שניתן להם על ידי הָאֵלִּים שלהם. האם תוכלו לדמיין עולם שבו ההסברים כה מעטים? במאה ה-19, המדען הצרפתי לוּאִי פַּסְטֶר הציע תיאוריה שלפיה תסיסה מתרחשת הודות לנוֹכחוּת של מִיקְרוֹאוֹרְגָּנִיזְמִים. אלה הם תאים חיים זעירים שלא ניתן לראותם ללא מיקרוסקופ, הכוללים חיידקים וּשְׁמָרִים. פסטר גילה גם כי חיידקים שונים מְבצעים סוגי תסיסה שונים שבאמצעותם ניתן להגיע למגוון תוצרים סופיים, כפי שנראה בחלקו השלישי של המאמר.
השימוש בתסיסה הוא אחד הגורמים העיקריים שתרמו להתפתחות האנוֹשוּת. למעשה, ניתן לומר כי זהו השימוש הראשון בבִּיּוֹטֶכְנוֹלוֹגְיָה. ביוטכנולוגיה עושה שימוש במערכות חיות, או באורגניזמים חיים, במטרה לְפַתֵּחַ טכנולוגיה. תהליך התסיסה מלמד אותנו כי מיקרואורגניזמים יכולים להוות משאב ביוטכנולוגי נפלא. כיום, תסיסה היא עדיין כלי חיוני עבור תעשיות רבות שתומכות בחברה האנושית, בדיוק כפי שהייתה בשנת 10,000 לפני הספירה! בעקבות הגידול באוכלוסיית העולם ישנהּ כיום דרישה גבוהה יותר למזון, וכדי לספּק דרישה חדשה זו, משתמשים בתסיסה בקנה מידה רחב הרבה יותר. מאז ראשית פיתוחה ועד היום, טכנולוגיית התסיסה התקדמה מאוד, והייתה לחלק חשוב ביותר בשרשרת המזון העולמית [1].
כיצד תסיסה מתרחשת?
האם אי פעם תהיתם מהי נשימה? זו הדרך שבּה תאי הגוף משיגים אנרגיה כדי להישאר בחיים, על ידי שימוש בחמצן (O2). קשה לחשוב על חיים ללא נשימה, אולם זה המצב עבור סוגים שונים של יצורים קטנים! מיקרואורגניזמים רבים מסוגלים לגדול ולחיות בלי לצרוך חמצן, הודות לתהליך התסיסה, שבמסגרתו נעשה שימוש בסוכרים כדי לייצר אנרגיה עבור תאים חיים. פרט לכך, אנרגיה זו מיוצרת ללא צורך בחמצן, מאחר שהתהליך מתרחש בנתיבים אַנְאֵירוֹבִּיִּים. לכן, הוא מייצג דרך חלופית להשׂגת אנרגיה! מיקרואורגניזמים מתסיסים ותוצרי הלוואי שלהם מגדירים את סוג התסיסה. ישנם שני סוגי תסיסה עיקריים, המכונים תסיסה הוֹמוֹלַקְטִית ותסיסה כָּהֳלִית (איור 1) [2]. שניהם חיוניים למטרות רבות המשרתות את האנושות. לכן, חשוב מאוד שנבין את תהליכי התסיסה הללו, במטרה לשפר את תהליך הייצור של תוצרים יקרי-ערך רבים [3].
- איור 1 - שני סוגי התסיסה הקיימים.
- (A) בתסיסה הומולקטית, שבמהלכה מתפרק סוכר בשם 'לַקְטוֹז' (Lactose), מְשמשים מגוון מיקרואורגניזמים. (B) בתסיסה כהלית, המתחילה בסוכר שנקרא 'גְּלוּקוֹז' (Glucose), נהוג להשתמש בשמרים.
- מקרא מלמעלה בכיוון השעון:
- A. Bifidobacterium = בִּיפִידוֹבַּקְטֶרְיוּם – סוג של חיידקים 'ידידותיים' (פְּרוֹבִּיּוֹטִיים)
- Lactobacillus = לַקְטוֹבָּצִילוּס – משפחה של חיידקים 'ידידותיים' (פְּרוֹבִּיּוֹטִיים)
- Streptococcus thermophilus = סְטְרֶפְּטוֹקוֹקוּס תֶּרְמוֹפִילוּס – סוג של חיידקים המשתייכים לממלכת החיידקים האמיתיים
- Lactococcus = לַקְטוֹקוֹקוּס – חיידקים המשתייכים לקבוצת חיידקי החומצה הלקטית
- Propionibacterium = פְּרוֹפִּיוֹנִיבַּקְטֶרִיוּם – חיידקים גראם-חיוביים, אנאירוביים.
- B. Saccharomyces cerevisiae = שֵׁמֶר האפייה – פטרייה המסייעת בתהליך הַתְפָּחַת מזון.
תסיסה הומולקטית מתחילה בסוכר שנקרא לַקְטוֹז (איור 1A). ישנם מיקרואורגניזמים, הידועים כחיידקי חומצה לקטית, אשר משתמשים בלקטוז כדי להשיג אנרגיה. תסיסה של מולקולת לקטוז אחת מייצרת שתי מולקולות חומצה לקטית; שתי מולקולות אָדֶנוֹזִין תלת-זרחתי (ATP – מקור האנרגיה השימושי ביותר לכל היצורים החיים), ושתי מולקולות מים. תעשיות שונות משתמשות בדרך כלל בזַן של חיידקים שנקרא לָקְטוֹבָּצִילוּס (Lactobacillus) עבור תהליך התסיסה ההומולקטית. האם אתם זוכרים שאמרנו כי בני האדם הקדמונים השתמשו בתסיסה כדי לְשַׁמֵּר מזון? כיום אנו יודעים שהדבר מתאפשר הודות לייצור של חומצה לקטית, אשר עוצרת גדילת מיקרואורגניזמים אחרים ומוֹנעת מחיידקים בלתי רצויים להרקיב את המזון.
שמרים, פטריות וסוגי חיידקים מסוימים משתמשים בסוכר שנקרא גְּלוּקוֹז בתהליך התסיסה הכהלית (איור 1B). תסיסת מולקולת גלוקוז אחת מייצרת שתי מולקולות אָדֶנוֹזִין תלת-זרחתי (ATP); שתי מולקולות אלכוהול המכונה אֶתָנוֹל; שתי מולקולות פחמן דו-חמצני ושתי מולקולות מים. המיקרואורגניזם הנפוץ ביותר שמצוי בשימוש על ידי תעשיות שונות עבור תסיסה כהלית הוא שֵׁמֶר האפייה (Saccharomyces cerevisiae). הנה עובדה מעניינת לגבי תסיסה כהלית – ייצור גז הפחמן הדו-חמצני בתהליך תסיסה זה הוא שהקנה לתהליך את שמו. מקור המילה תסיסה (באנגלית: 'fermentation'), הוא במילה הלטינית 'fervere', שמשמעותה 'הַרְתָּחָה'. בועיות הפחמן הדו-חמצני המיוצרות בתהליך התסיסה גורמות לנוזל להיראות כאילו הוא רותח. תוכלו לִצְפּוֹת בבית בהתרחשות התסיסה, באמצעות הניסוי הפשוט המתואר באיור 2.
- איור 2 - ניסוי פשוט המאפשר צפייה בבית בתהליך התסיסה.
- (A) עַרְבְּבוּ מים חמימים, שמרים וסוכר בצנצנת או בבקבוקון שצווארו צר. (B) הָנִיחוּ בלון על פִּיַּת הבקבוקון. (C) לאחר כמה דקות, אתם אמורים לראות שהבלון מתנפח בשל היווצרות גז פחמן דו-חמצני, עֵקֶב התססת הסוכר על ידי השמרים.
שימושים ביוטכנולוגיים של תסיסה
האם אתם ערים לכך שתסיסה נמצאת בכל מקום (איור 3)? הודות לתהליך הביוטכנולוגי העתיק הזה, אנו יכולים לאכול לחם אוורירי או יוֹגוּרט טעים. לתסיסה שימושים רבים הקשורים במזון. אולי שמעתם על קֶפִיר, שהוא משקה חלב חמוץ אשר נוצר על ידי תסיסה של חלב. לצורך הכנתו משתמשים בסוגים מסוימים של מיקרואורגניזמים, המפיקים תוצר במרקם קְרֶמִי שדומה ליוגורט. נפוץ מאוד גם להתסיס ירקות, כמו כרוב, שממנו מכינים כרוב כבוש וקִימְצִ'י (מאכל קוריאני המורכב מירקות שונים אשר עוברים כבישה ותסיסה עם מגוון תבלינים). כך ניתן לייצר טעמים מדהימים חדשים. לבסוף, תסיסה היא אחד השלבים הבסיסיים בתהליך הייצור של גבינה – מוצר מזון שאנשים רבים אוהבים [4].
- איור 3 - תרשים כללי של סוגי תסיסה.
- (A) בתסיסה הומולקטית, חיידקים כמו לַקְטוֹבָּצִילוּס ממירים את הסוכר לקטוז לתוצרים סופיים שימושיים (Valuable end products), כמו חומצה אָצֶטִית (חומץ); מוצרי חלב מותססים (קפיר, יוגורט וגבינה), וּפְּרוֹבִּיּוֹטִיקָה. (B) בתסיסה כהלית, שֵׁמֶר האפייה ממיר את הסוכר גלוקוז באופן המאפשר ייצור תוצרים כמו לחם, תרופות ודלקים ביולוגיים. Energy for growth = אנרגיה הנדרשת לגדילה.
ישנן שלוש סיבות עיקריות לכך שתסיסה היא מרכיב חשוב בתהליך ייצור מזון: היבטים של הֲמָרַת חומרים; ענייני בריאות וחוויית הנאה דרך בלוטות הטעם שלנו. כשמדברים על המרת חומרים, הכוונה היא לכך שאנו הופכים חומרים כמו קמח, למשל, למוצר שאנשים מעוניינים בו, כמו לחם. לוּ אופה היה מנסה להכין לחם ללא שמרים, התוצר הסופי היה קשה וכבד, ולא אוורירי כפי שאנו מצפים מלחם להיות. גז הפחמן הדו-חמצני אשר מיוצר בתהליך התסיסה מהותי ליצירת מרקמו של הלחם והטעם המאפיין אותו. האם אי פעם חשבתם על האפשרות שמיקרואורגניזמים מסוימים עשויים לשפר את בריאותנו? ובכן, פְּרוֹבִּיּוֹטִיקָה היא מוצר שיכול לעשות זאת. פרוביוטיקה מכילה מיקרואורגניזמים המסוגלים לשפר את בריאות מערכת העיכול האנושית ואת הרווחה הגופנית. על ידי התססת המזון במעיים שלנו, חיידקים ידידותיים אלה יכולים להתרבּוֹת ולבלום את גדילתם של פָּתוֹגֶנִים, וכך לשמור על בריאות מערכת העיכול בגוף האדם. תסיסה גם יכולה להסב לנו עונג דרך בלוטות הטעם, משום שבתהליך זה נוצרים טעמים חדשים ומורכבים, כמו אלה המאפיינים גבינה ויוגורט [5].
נוסף על שימושיו בתעשיית המזון, לתהליך התסיסה יישׂומים ביוטכנולוגיים רבים נוספים. מדענים משתמשים בתסיסה כדי לייצר תרופות מסוימות שאנו נוטלים כשאנו חולים, שיכולות להשמיד חיידקים ונגיפים מזיקים, או לעצור את גדילתם (סוגים שונים של אנטיביוטיקה ותכשירים אנטי-ויראליים). לדוגמה, במהלך תהליך התסיסה, פטרייה מסוג פֶּנִיצִילְיוּם (Penicillium) ייצרה את אחד מסוגי האנטיביוטיקה הראשונים שהתגלו, הַפֶּנִיצִילִין. אנטיביוטיקה זו הצילה חיי אלפים רבים של אנשים [6].
האם תוכלו לדמיין שימוש במיקרואורגניזמים לייצור דלקים? כשאנשים משתמשים באֶתָנוֹל במכוניותיהם, הם נהנים מיתרון נוסף שמציעה תסיסה מיקרוֹבּיאלית. דלק אתנול הוא דלק ביולוגי . זו חלופה לבנזין אשר נחשבת כמקור לאנרגיה מתחדשת. כלומר, ניתן לְחַדֵּשׁ את המלאי במהירוּת וללא גבול, בלי שנצטרך לקדוח באדמה כדי לשאוב נפט. אתנול ניתן לייצר ממגוון רחב של צמחים, כמו תירס, קְנֵה סוכר או סֶלֶק הסוכר. זאת משום שהצמחים הללו מכילים סוכרים המשמשים מינים מסוימים של שמרים וחיידקים להֲפָקַת אנרגיה. כשהמיקרואורגניזמים מפרקים את הסוכרים הללו בסביבה שיש בה רמות חמצן נמוכות, הסוכרים מומרים לאתנול בתהליך התסיסה [7].
תסיסה: הָפִיצוּ את הבשׂורה!
במאמר זה למדתם מהי תסיסה, ולגבי החשיבוּת של כלי ביוטכנולוגי זה לאורך התפתחות האנושות. למדתם גם על אודות כמה מוצרים חשובים המיוצרים בעזרת תסיסה או שיוצרוּ באמצעותה בעבר, בחברוֹת עתיקות ומודרניות כאחד. בפעם הבאה שתראו מוצר שיוצר בעזרת תסיסה, או תשתמשו בו, שתפו מידע זה עם בני המשפחה שלכם ועם חבריכם, כדי שגם הם יוכלו להעריך את מגוון השימושים הרחב של הכלי הביוטכנולוגי העתיק ביותר של האנושות!
מילון מונחים
מיקרואורגניזמים (Microorganisms): ↑ אורגניזמים שלא ניתן לראותם ללא מיקרוסקופ.
ביוטכנולוגיה (Biotechnology): ↑ המדע ליצירת תוצרים חדשים או מותאמים, בעזרת יצורים חיים.
נתיב אנאירובי (Anaerobic Pathway): ↑ תגובות בִּיוֹכימיוֹת שאינן מצריכות הימצאות חמצן.
תסיסה הוֹמוֹלָקְטִית (Lactic Acid Fermentation): ↑ התהליך הביולוגי של הֲמָרַת סוכר ללַקְטָאט ולאנרגיה תאית בדמוּת אדנוֹזין תלת-זרחתי (ATP).
תסיסה כֹּהָלִית (Alcoholic Fermentation): ↑ התהליך הביולוגי של הֲמָרַת סוכר לאתנוֹל ולאנרגיה תאית בדמוּת אדנוֹזין תלת-זרחתי (ATP).
אדנוזין תלת-זרחתי (Adenosine Triphosphate – ATP): ↑ סוג של תרכובת אורגנית המְּספקת את האנרגיה העיקרית שבה משתמשים יצורים חיים.
אתנול (Ethanol): ↑ סוג האלכוהול הנפוץ ביותר בחיינו.
פרוביוטיקה (Probiotic): ↑ בדרך כלל זהו מוצר חלבי או תוסף תזונה, המכיל מיקרואורגניזמים. אלה מחליפים חיידק חיוני שבדרך כלל נמצא במערכת העיכול שלנו, או מתווספים אליו.
פתוגן (Pathogen): ↑ גורם מחולל מחלה, כמו טַפִּיל או חיידק.
דלק ביולוגי (Biofuel): ↑ סוג של דלק שעשוי מחומר חי, או שהיה חי בעבר, כמו חומר צמחי, ושיכול לשמש כתחליף עבור דלקים מבוססי-נפט, כמו בנזין.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מקורות
[1] ↑ Paul Ross, R., Morgan, S., and Hill, C. 2002. Preservation and fermentation: past, present and future. Int. J. Food Microbiol. 79:3–16. doi: 10.1016/S0168-1605(02)00174-5
[2] ↑ Nelson, D. L., and Cox, M. M. 2013. Lehninger Principles of Biochemistry. 6th ed. New York, NY: W. H. Freeman and Company.
[3] ↑ Marco, M. L., Heeney, D., Binda, S., Cifelli, C. J., Cotter, P. D., Foligné, B, et al. 2017. Health benefits of fermented foods: microbiota and beyond. Curr. Opin. Biotechnol. 44:94–102. doi: 10.1016/j.copbio.2016.11.010
[4] ↑ Sanlier, N., Gökcen, B. B., and Sezgin, A. C. 2019. Health benefits of fermented foods. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 59:506–27. doi: 10.1080/10408398.2017.1383355
[5] ↑ Zhao, C. J., Schieber, A., and Gänzle, M. G. 2016. Formation of taste-active amino acids, amino acid derivatives and peptides in food fermentations – a review. Food Res. Int. 89:39–47. doi: 10.1016/j.foodres.2016.08.042
[6] ↑ Rahman, M. 2013. Medical applications of fermentation technology. Adv. Mater. Res. 810:127–57. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.810.127
[7] ↑ Sebayang, A. H., Masjuki, H. H., Ong, H. C., Dharma, S., Silitonga, A. S., Mahlia, T. M. I., et al. 2016. A perspective on bioethanol production from biomass as alternative fuel for spark ignition engine. RSC Adv. 6:14964–92. doi: 10.1039/C5RA24983J