מותק של תפוח אדמה - מסע לעולם הפחמימות

לכבוד החנוכה הכנתי במטבח לביבות תפוחי אדמה עם סירופ תפוחי אדמה.

תפוחי אדמה, כמו כל פחמימה אחרת שאנחנו אוכלים, מתפרקים בגוף שלנו לסוכר. איך התהליך מתרחש מרגע שהפחמימות נכנסות לגוף שלב אחרי שלב? איך נראית התוצאה הסופית? והאם פחמימות בכלל בריאות? צפו בסרטון:

שם משפחה

הפחמימות הן משפחה עצומה של חומרים הנמצאים בכל עולם החי והצומח. את שמם הם קיבלו בגלל הנוסחה הכימית שלהם: שילוב של פחמן + מימה (מים), כך גם באנגלית carbohydrate (carbon-פחמן, hydrate-מימה). ואכן אם מסתכלים על הנוסחאות הכימיות של הפחמימות השונות רואים כי אפשר לכתוב אותן בצורה הבאה: C_m(H₂O)_n כלומר כמכילות מספר אטומי פחמן – שסמלו הכימי C ומספר מולקולות מים, שנוסחתם הכימית היא H₂O. למשל, נוסחת הסוכר גלוקוז, שגם מוזכר בסרטון, היא C₆H₁₂O₆, שאפשר לכתוב אותה גם כשילוב של ששה אטומי פחמן עם שש מולקולות מים C₆(H₂O)₆. באופן דומה – את נוסחת הסוכרוז – הסוכר הביתי שבו אנו ממתיקים משקאות ומאכלים אפשר לרשום גם כשילוב של 12 אטומי פחמן ו-11 מולקולות מים C₁₂(H₂O)₁₁. הנוסחה הכללית של הפחמימות אכן מתאימה לרוב 'בני המשפחה'. עם השנים התגלו יוצאים מהכלל, אבל השם כבר נשאר. סוכר הוא למעשה 'פחמימה בעלת טעם מתוק', כך שכל הסוכרים הם פחמימות ובפועל שני השמות סוכרים ופחמימות משמשים בערבוביה.

חד דו רב

באופן כללי, אפשר לחלק את חברי המשפחה לשלוש קבוצות, לפי סדר מורכבות עולה: חד סוכרים, דו סוכרים ורב סוכרים. בסרטון אני מתחיל מרב-הסוכר עמילן שנמצא בתפוח אדמה, מפרק אותו, עובד דרך הדו סוכר מלטוז ומסיים בחד סוכר הפשוט והנפוץ – גלוקוז. זה בעצם מסלול הפוך למסלול היווצרות החומרים. לצורך ההסבר נתחיל מההתחלה, כלומר מהחד סוכרים:

החד סוכרים הם אבני הבניין של כל הפחמימות, כאשר הסוכר גלוקוז ("סוכר ענבים") הוא ממש נקודת המוצא של כל עולם החי. גלוקוז הוא החומר הסופי שנוצר בתהליך הפוטוסינתיזה על ידי הצמחים. בתהליך זה הצמחים משתמשים באור השמש כדי להפוך מים ופחמן דו חמצני לגלוקוז וחמצן – זה בעצם התהליך שהופך חומרים אנאורגניים לחומר אורגני. כיוון שגלוקוז הוא החומר האורגני היחיד שמיוצר בתהליך, הוא המקור לכל שאר החומרים, כלומר הוא למעשה חומר המוצא לכל שאר החומרים האורגניים בעולם – החומרים הנמצאים בעולם החי – ומכאן חשיבותו האדירה לכל עולם החי. כל אטום פחמן בכל בעל חיים מקורו במולקולת גלוקוז. הגלוקוז כאמור בנוי מששה אטומי פחמן, כשכל אטום פחמן קשור (לפחות) לעוד אטום חמצן אחד ולעוד אטום מימן אחד. מולקולת הגלוקוז נוטה להתנהג כמו 'נחש שאוכל את זנבו' – כאשר קצה אחד שלה מתחבר לקצה השני שלה, מה שיוצר מעיין טבעת משושה. אפשר לצייר את מבנה המולקולה של הגלוקוז כך:

מבנה מולקולת הגלוקוז בהיטל הוורת': הקווים מיצגים קשרים כימיים בין אטומים. חלק מאטומי הפחמן (והמימן) נמצאים במפגשים בין שני קשרים

ה-OH בתמונה נקראים קבוצות הידרוקסיל (מימן H קשור לחמצן O), וכל שינוי של המקום שלהם יוצר סוכר שונה, למשל, אם משנים את מיקומם של 2 הידרוקסילים מלמטה למעלה –מתקבל סוכר שונה, במקרה זה גלקטוז, בעל תכונות שונות ורמת מתיקות אחרת, למרות שהנוסחה הכימית הכללית C₆H₁₂O₆ זהה בשני המקרים.

סכמה כללית של מבנה מולקולת גלקטוז בשיטת היטל הוורת', הבדל זעיר ממבנה הגלוקוז יוצר חומר אחר

לתופעה הזאת – שלשני חומרים יש אותה נוסחה כימית אבל מבנה פיזי שונה של המולקולה (שגורר תכונות שונות) קוראים איזומריזציה. כיוון שכל קבוצת הידרוקסיל יכולה להיות במצב עליון או תחתון, ובנוסף לכך יכולות להיווצר טבעות מחומשות, לא רק משושות, מספר האיזומרים של גלוקוז ושל הסוכרים בכלל גדול מאוד, ומשפחת הסוכרים אכן עצומה בהיקפה.

אם שתי מולקולות של חד סוכר מתחברות זו לזו הן יוצרות דו סוכר: המלטוז, למשל, סוכר שנמצא בלתת שעורה (שמוזכר בסרטון) – הוא תוצר של חיבור שתי מולקולות גלוקוז.
הסוכרוז, שאיתו אנו ממתיקים ומבשלים, הוא תוצר של חיבור של גלוקוז ופרוקטוז.
הלקטוז, שהוא הסוכר בחלב, הוא תוצר חיבור של גלוקוז עם גלקטוז.

סכמה כללית של מבנה מולקולת לקטוז בשיטת היטל הוורת'. מורכב למעשה מגלוקוז המחובר לגלקטוז

אם מספר החד סוכרים האפשרי הוא גדול, ברור מתמטית שמספר הצירופים של דו סוכרים אפשריים גדול הרבה יותר.

ואם יותר משתי מולקולות סוכר מתחברות יחד אז יש לנו רב סוכר. בפועל זה הרבה הרבה יותר משתי מולקולות. מולקולות של רב סוכרים מכילות מאות ועד מאות אלפי מולקולות של חד סוכר מחוברות זו לזו (יש המגדירים חיבור של 3-10 סוכרים כתת קבוצה בשם אוליגוסוכרים, כלומר סוכרים קצרים). שלושת הרב סוכרים הנפוצים ביותר הם עמילן – הנמצא בצמחים כחומר אגירה ומשמש לנו כמזון. הוא נמצא בכמויות גדולות בקמח חיטה, באורז, בתפוח אדמה ובתירס. התאית – שבונה את דפנות התאים של הצמחים (ממנה בנוי 'עץ') והיא למעשה החומר האורגני הנפוץ ביותר בעולם, והגליקוגן – רב סוכר שנמצא בגוף בעלי החיים לצורך אגירת מזון לאורך זמן.

מקטע משרשראות שרשרת עמילן – מאות מולקולות גלוקוז המחוברות יחדיו | מקור: ויקיפדיה יוצר: Laghi.l

מתוק לו מתוק לו

מבחינת מתיקות, כל החד והדו סוכרים שהזכרתי מתוקים בטעמם, אבל במידה שונה. בטבלה מצויינת המתיקות של חומרים שונים ביחס לסוכרוז, שמוגדר כמתיקות 1

טבלת מתיקות יחסית של חומרים שונים

העמילן אינו מתוק כלל. לעומת זאת, ממתיקים מלאכותיים כמו סכרין (שנמצא ב'סוכרזית' למשל, והוא איננו פחמימה בכלל) יכולים להיות מתוקים בהרבה מסוכר.

אם תלעסו חתיכת לחם במשך דקה או שתיים בלי לבלוע, תבחינו שעם הזמן הלחם מקבל מתיקות. זה בגלל שהרוק שלנו מכיל חומר בשם עמילאז, שתפקידו לפרק את העמילן חסר הטעם ליחידות קטנות יותר. העמילאז שייך למשפחת חומרים הנקראת אנזימים –אלו 'פועלי הבניין' הכימיים של הגוף ובאמצעותם הגוף שלנו מבצע ומזרז כמעט את כל התגובות הכימיות הדרושות לו. העמילאז שברוק מסיים את מלאכת הפירוק שלו, כאשר נותרות שתי מולקולות גלוקוז מחוברות, כלומר סוכר מלטוז. למלטוז מתיקות מעודנת ביחס לסוכר. כדי לקבל מתיקות שוות ערך לכפית אחת של סוכר צריך שלוש כפיות של מלטוז.

כניסה לגוף

מה שחשוב להבין שמבחינת הגוף – מה שנכנס לגוף דרך מערכת העיכול זה חד סוכרים בלבד, אפילו דו-סוכרים נחסמים בדופן המעיים ולא עוברים לגוף ללא פירוק. כל פירוק הסוכרים בגוף נעשה על ידי אנזימים. אם יש לנו חוסר באנזים מסוים פשוט לא נהייה מסוגלים לעכל את הסוכר שהוא מפרק. למשל: לבני האדם אין אנזים המפרק תאית ולכן אנו לא יכולים לאכול קש (הבנוי בעיקר מתאית). לעומת זאת, יש לנו את האנזים לפירוק לקטוז – ולכן אנו מסוגלים לעכל את הסוכר שבחלב. אולם אצל אנשים רבים ייצור האנזים הזה פוחת עם הגיל, כך שעם הגיל צריכה של חלב המכיל לקטוז גורמת להפרעות במערכת העיכול, כי החלב הזה מכיל חומר שלא מתעכל.

עיכול עמילנים

העמילנים הם חומרים קשים לעיכול (לפירוק) – אולם במרוצת הפרה-היסטוריה האדם גילה את האש ואת הבישול, שעוזרים לנו לעכל היטב את העמילן. באופן כללי שרשראות העמילן הארוכות נמצאות בצמחים במצב 'מגובש' –מבנים צפופים שקשה לאנזימים של הגוף לחדור אליהם ולפרק אותם. בזמן בישול עמילנים אנו בדרך כלל מרטיבים אותם במים ומחממים (תחשבו על בצק או על הכנת אורז). בתהליך הזה כל השרשראות הארוכות והמגובשות של העמילן נפרסות – והן קלות יותר לפירוק על ידי הגוף. אם יש לנו רק עמילן נקי במים – כמו שעשיתי בניסוי או כמו שמתרחש כשמכינים דייסת קורנפלור / מאלבי / סחלב, פתיחת השרשראות נראית היטב ויוצרת נוזל סמיך:

אנימציה הממחישה את תהליך ההסמכה שמתרחש כאשר מחממים תערובת עמילן ומים. אנימציה: אבי סאייג

וזה אכן השלב הראשון שעשיתי לקראת פירוק העמילן בסרטון. לאחר שגררתי וטחנתי תפוח אדמה ושטפתי את העמילן שבו לתחתית קערה – הוספתי לו מים רותחים והפכתי אותו לדייסה. לאחר מכן המתנתי עד שתתקרר התמיסה בטרם הוספתי את האנזים עמילאז לקערה, משום שהאנזימים הם חלבונים הרגישים לטמפרטורות גבוהות – בדיוק כמו חלבוני ביצה, שהמבנה שלהם משתנה כאשר מחממים אותם.

כאמור, פירוק מלא של העמילן באמצעות העמילאז מסתיים בסוכר מלטוז שאיננו מתוק במיוחד. בתהליך הקצר יחסית שלנו היה פירוק חלקי שהניב תערובת של מלטוז ושרשראות עמילן קצרות. כדי להגביר את המתיקות ביצעתי פירוק נוסף, באמצעות אנזים נוסף – עמילוגלוקוזידאז (ידוע גם בשמות גאמא-עמילאז וגלוקועמילוזידאז). לכל אנזים יש דרגת חומציות-בסיסיות (pH) שהוא פעיל בה. העמילוגלוקוזידאז שבו השתמשתי פעיל ביותר בתנאים חומציים מעט – דרגת pH של 4.5. מסיבה זאת הוספתי כמה טיפות מיץ לימון לתמיסה. בפועל גם מדדתי את דרגת הpH אבל לא הראנו זאת בסרטון.

הפירוק הזה, בקערה כמו בגוף, אורך מספר שעות. מפעלים המיצרים סירופ גלוקוזה מעמילן תירס משאירים את האנזים לפעול במשך יומיים כדי להגיע לניצולת מלאה. חשוב לציין כי האנזימים המפרקים נעזרים במים כדי לפרק את המולקולה הארוכה של העמילן. כלומר זה לא בדיוק גזירה אלא תגובת פירוק בעזרת מים (הנקראת הידרוליזה).

תרשים סכמתי המראה את אופן פעולת האנזים עמילוגלוקוזידאז המפרק עמילן באמצעות מים | איור: נעמה זיו חיון

אני המתנתי שלוש שעות לפירוק – ואז ריכזתי את הסוכר בתהליך הרתחה ואידוי כל המים שהוספתי, לא לפני ש"ניטרלתי" את חומציות מיץ הלימון שהוספתי באמצעות הוספת חומר בסיסי – סודה לשתייה, כדי לא לקבל סירופ סוכר חמוץ. לבסוף קיבלתי קערית קטנה עם סירופ סוכר מתוק.

התוצאה המחישה את העובדה שאולי רבים מבינים – אבל לא הרבה אנשים מפנימים: פחמימות וסוכר – חד הם. בסוף כל הפחמימות מתפרקות לסירופ של חד סוכרים פשוטים. אז אם אתם אוכלים קערת אורז או צלחת עם פירה או קורנפלקס עם חלב, מה שנכנס לגוף בפועל זה קערת סירופ סוכר, צלחת עם סוכר וחלב עם סוכר.

האם פחמימות בריאות?

זאת שאלה טובה – מצד אחד, אף אחד לא היה מעלה על דעתו לאכול כל היום כמויות של התוצר הסופי של תהליך העיכול של הפחמימות. אנו לא אוכלים קערות שלמות של סוכר כל יום, מה גם שעודף של צריכת סוכר מגבירה מחלות כמו השמנה וסוכרת.

מצד שני – בכל זאת רב סוכרים אינם חד סוכרים. הם לא מגיעים לזרם הדם מיד כי הם מצריכים תהליך עיכול ממושך – מה שמספק לגוף 'דלק' בצורה מתונה למשך מספר שעות. בנוסף העובדה היא שיש לנו ברוק ובמעיים את האנזימים הדרושים לעיכול פחמימות ועמילנים. כלומר – הגוף שלנו שלנו בנוי לתזונה הזו. ולא רק זה – הרוק שלנו מכיל עמילאז בריכוז הגבוה פי שמונה מזה שנמצא ברוק של השימפנזה, החיה הקרובה ביותר אלינו אבולוציונית. גם מבחינה גנטית מספר העותקים של הגן ליצור העמילאז גדול אצלנו פי שלושה מאשר אצל השימפנזה. מכאן אפשר להסיק שבכל זאת עיכול עמילנים נתן לנו, בני האדם, יתרון אבולוציוני במהלך ההיסטוריה. מי שהיו בעלי יכולת גבוהה יותר לעכל עמילן שרדו במהלך ההיסטוריה.

אם כבר מדברים על היסטוריה – היסטוריונים רבים מציינים דווקא את יכולת השימור של גרעינים, שהם בעלי תכולת עמילן גבוהה – כגורם שיצר את הציוויליזציה האנושית: ציוויליזציית האורז במזרח הרחוק, ציוויליזציית השעורה-חיטה באירופה וציוויליזציית התירס בדרום אמריקה ומרכזה. כאשר יש לך מזון שמלוקט במשך חודש אחד בשנה ומספיק לשנה שלמה – גם נוצר לך זמן פנוי וגם נוצר לך צורך בבעלי תפקידים רבים שונים ומגוונים שתפקידם שונה מתפקיד של ייצור מזון בלבד – מבניית אסמים ועד ייצור כלים חקלאיים. אז אולי דווקא צריך להודות לפחמימות שהביאו את האנושות לאן שהגיעה?