האם מכונה יכולה לטעום כמו בני אדם? / איור: איל אונגר, גלובס
חישבו על תפוח. ירוק, אדום או צהוב. הוא יכול להיות קמחי או קראנצ'י, מתוק או מתוק-חמוץ, אבל תמיד יש לו טעם שהוא ייחודי לתפוח. מה גורם לכך שתפוח אחד הוא קראנצ'י ואחר הוא קמחי, או אפילו לשני תפוחים קראנצ'יים מזנים שונים להתפצח קצת אחרת בפה? ואיך הייתם מסבירים למישהו שמעולם לא טעם תפוח מה הופך את הטעם שלו לתפוחי?
רובנו לא מוטרדים יותר מדי מהשאלות האלה. עד השנים האחרונות, אפילו מגדלי התפוחים הסתפקו רק באמירה שהתפוח שלהם טעים יותר. אבל אז קרה דבר בתעשיות החקלאות והמזון: הן הפכו לתעשיות אג-טק ופוד-טק. פתאום חושבים על שילוב של בינה מלאכותית ליצירת חקלאות מדויקת יותר ועל אוטומציה של הנדסת מזון, אבל כדי לעשות זאת נצטרך ללמד את הרובוטים מה טעים לנו.
האם זה אפשרי? אחת הדרכים ללמד רובוט או מכונה מה טעים לנו היא פשוט לתת להם פידבק "זה טעים", אולם כלים של בינה מלאכותית עובדים טוב יותר אם אפשר ללמד אותם לפחות כמה מהכללים מראש. כך אנחנו חוזרים לשאלות בסיסיות כמו מה זה אומר בעצם שתפוח אחד קראנצ'י ואחר קמחי, ולשאלה כיצד נוכל להעביר את המידע הזה למכונה.
אתגר הבשר המשובט והמכונה שמדמה שיניים
ד"ר אופיר בנימין, מהחוג למדעי המזון במכללה האקדמית תל חי, אומר שכדי ללמד את המכונות להבין מזון, נצטרך ללמד אותם נושאים רבים, ובמיוחד כיצד נוצרים מרקמים, טעמים וריחות.
ראו למשל את תעשיית תחליפי הבשר או הבשר המשובט, מהתחומים החמים היום. המרקם הלעיס של הבשר נחשב אחד האתגרים הגדולים של התעשייה הזאת. מכונה המכונה "מד מרקם", המדמה מה שמרגישות השיניים שלנו, עשויה לסייע לפתור את הבעיה. אבל קודם כול, צריך להבין כיצד נוצר מרקם.
"המרקם לרוב מבטא את יכולת ההחזקה של מים בתוך מטריצה המורכבת מאבני היסוד של המזון - חלבונים, סוכרים ושומנים מסוגים שונים, ביחסים שונים", אומר בנימין. "כל התכונות של קושי ושבריריות, כלומר קריספיות, או של אלסטיות, המכונה גם 'לעיסות', קשורות לאופן שבו החומרים מסתדרים זה ביחס לזה ובקשרים שלהם עם המים, כי ברוב המזון שאנחנו אוכלים יש מים.
"לדוגמה, אם יש לי שכבה קריספית סביב הצ'יפס, ובפנים הוא רך, זה אומר שבשכבה העליונה איבדנו קצת מים ונוצרו קשרים רבים יותר בין העמילנים (הרב סוכרים) של הצ'יפס, לעומת החלק הפנימי שהוא יותר עסיסי. במרכז הצ'יפס יש פחות איבוד נוזלים ולכן יש פחות קשרים בין העמילנים ויותר מים".
איך צורות בישול וטיפול שונות במזון משפיעות על המרקמים?
"כל פעולה שאנחנו עושים במזון, כמו לישה, שבירה, מתיחה וטחינה, משפיעה על נדידת המים ממקום אחד לאחר או על כמות המים במנה, ובעקבות זאת על הקשרים הנוצרים בין החומרים שנותרו או בינם לבין המים. זה יכול לקרות למשל כשמחממים מזון. הטעם של מזון משתנה בבישול כי המולקולות של החומר הן אחרות. זה לא אותו טעם, רק חם. זה ממש מזון אחר".
או, למשל, ידוע שצריך להתסיס חלב כדי להכין יוגורט או מיץ ענבים כדי להכין יין, אבל מה בדיוק התסיסה עושה? "החיידק מפרק סוכרים ומייצר חומצות שגורמות לירידה ברמות ה-PH (כלומר להפיכת החומר לחומצי יותר). התהליך הזה גורם לחלבונים להימשך זה לזה ונוצרת כליאה של מים ביניהם, ומבנה של ג'ל שהוא היוגורט".
המרקם מושפע לא רק ממים, אלא גם מאוויר. "בגלידות ובקרמים, גודל בועות האוויר והיחס בין האוויר לבין רשת החלבונים והשומן שמחזיקה אותו יוצרת את ההבדל בין גלידה קשיחה יותר לבין גלידה קצפתית יותר. ככל שהחומר יכול לפזר ולהחזיק את האוויר באופן יציב יותר, הוא יהיה יותר קצפתי".
בתעשיית תחליפי הבשר, אומר בנימין, חלבונים צמחיים קושרים את המים אחרת ויוצרים בינם לבין עצמם קשרים אחרים מאשר חלבוני הבשר. "כדי לדמות קשירה של חלבוני בשר צריך לשלב לרוב תערובות שונות של צמחים. גם אפשר להכניס את החלבונים הצמחיים למכונה שעושה אקסטרוזיה (שיחול), כלומר, דחיסה בלחץ גבוה ובחום. התוצאה היא תחושה של חלבונים סיביים יותר - חומר ארוך וסיבי כמו חלבון של שריר, ולא קציצה כדורית כמו קציצת עדשים או אפונה. הסיביות הזאת מקנה תחושה אלסטית של הקציצה, שמורגשת בפעילות השיניים הטוחנות".
כדי לדעת אם השגנו את מידת הלעיסות הרצויה, נכנס לפעולה "מד המרקם", שבעתיד יהיה אולי חלק מתהליך הנדסת מזון אוטונומית. "מד המרקם לוחץ כמו בוכנה ומודד את התנגדות המוצר ללחיצה. זה גם מה שנרגיש בשיניים. אפשר להחליף את ה'ראשים' של המכשיר כדי לדמות שיניים מסוגים שונים - מחודדות או שטוחות. באמצעות מכשיר כזה אפשר למדוד לא רק בשר ותחליפים שלו אלא כל מרקם. למשל, לבדוק אם פרי בשל".
הלשון האלקטרונית שממפה טעמים
כשמדברים על מזון, אי-אפשר להתעלם מהטעם, ואותו כבר הרבה יותר קשה למדוד או לחקות. "לכל אדם יש קולטנים קצת אחרים לטעם", מסביר בנימין. "למשל, מרירות נובעת מהיקשרות של חומרים שונים ל-27 סוגים שונים של קולטנים בלשון, ויש אנשים שאין להם את כל ה-27, והם לא ירגישו מרירות במזונות מסוימים שעלולים להיות מרים למישהו אחר, או שירגישו זאת בעוצמות פחותות".
לצד הקולטנים המשתנים מאדם לאדם, גם האופן שבו אנחנו לועסים משפיע על הטעם. "רובנו אוכלים מהר מדי ולא מפרקים את האוכל, וזה משפיע על האופן שבו הלשון חשה את הטעמים והאף מריח את הריחות", אומר בנימין. "בני אדם לרוב מפתחים דפוס לעיסה שנמצא איתם מינקות עד בגרות ומגדיר איך הלשון זזה, איך היא מתגלגלת ודוחסת את המזון אחורה, אם הלעיסה נעשית בפה פתוח או סגור, מה רמת מעורבות השיניים.
"הלעיסה יכולה להשפיע על האופן שבו הרוק פועל על המזון ואפילו על רמות הסוכר בדם. אנחנו מנחשים שגם הרכב החיידקים בפה משפיע על הטעם ועל ספיגת חומרים מהמזון, וההרכב של החיידקים גם מושפע מהמזון שאנחנו אוכלים ומאופן לעיסתו. מעבר לכך, לכל אחד יש הרוק שלו, עם רמות האנזימים והמינרלים הייחודיות לו. צמיגות הרוק מושפעת מחלבון מסוים שנמצא בו, המשפיע בתורו על פירוק האוכל. כשרעבים או כשאוכלים מזון שנראה טעים, הרק הופך צמיג יותר. לעומת זאת, בשינה הוא דליל יותר". אם נרצה בעתיד שמכונה תתאים לאדם מזון שיהיה טעים לו באופן אישי, היא תצטרך להביא בחשבון את כל הפרמטרים הללו.
למרות האתגרים האלה, במעבדה שלו בתל-חי מוצבת "לשון אלקטרונית", שהובאה מיפן בעלות של חצי מיליון שקל כדי למפות את כל הטעמים.
"זה לא הכי מדויק, כי טעמים אצל בני אדם מושפעים מכל כך הרבה פרמטרים, כמו ריחות, מראה האוכל, הציפיות ממנו", מבהיר ד"ר בנימין, "אבל כדי להשוות בין שתי אפשרויות לפיתוח מזון דומה, הלשון הזאת עושה את העבודה. לדוגמה, אם אנחנו מנסים ליצור קפה זול שדומה בטעמיו לחומר גלם מקפה יקר, הלשון הזאת יכולה לומר לנו איזה הרכב יהיה הכי דומה לזה שהצבנו כבנצ'מרק".
חולשתם של חיישני המולקולות
הרכיב המורכב ביותר כנראה בטעם הוא הריח, כי בניגוד ללשון שחווה חמישה טעמים בסיסיים, האף יכול להבדיל בין המוני ריחות. "ביין לבדו יש אלף ומשהו חומרים מעוררי ריח", אומר בנימין. "תהליכי תסיסה מייצרים לרוב מגוון ריחות כי כל בקטריה פירקה את חומר הגלם קצת אחרת ויצרה ממנו חומרים נדיפים חדשים".
גם חום יכול להוביל לחיבורים שונים של חלבונים וסוכרים וליצור מגוון ריחות וטעמים מחומר שבתצורתו הקרה הוא אחיד יותר. "קשה מאוד לשלוט בזה", אומר בנימין. "אם נטגן ביסלי, לדוגמה, ייתכן שיהיו הבדלים בין היחידות. אם לחברת מזון חשובה האחידות, היא תוסיף תמציות טעם וריח שנוצרו בסינתזה כימית, כלומר כולן זהות. זה משחק של אחידות הטעם מול עושר הטעמים".
עושר הריחות נוצר משום שאותה מולקולה מתיישבת על כמה קולטנים יחד. השילוב בין הקולטנים שהופעלו הוא שיוצר את הריח הייחודי, וכך נוצר מגוון כמעט אינסופי של ריחות אפשריים, למשל ריח הדרי שאינו תפוזי, לעומת ריח הדרי תפוזי אך אינו חמצמץ, וכן הלאה".
קיימים היום "אפים אלקטרוניים" כמו במעבדת החישה בתל-חי, עם מערך של חיישני מולקולות ריח שבאמצעות תהליכי למידת מכונה יכולים לנבא איך יגדיר האדם הסביר ריחות מסוימים. "אבל האף האלקטרוני לא יודע להגיד אם זה יהיה טעים, כי זה עניין מאוד אישי", אומר בנימין.
בעתיד, הוא מנבא, אולי ישתילו לנו אף אלקטרוני לצד האף האמיתי שלנו, שיעקוב אחרי צריכת המזון שלנו לצורך ניהול מחלות המושפעות מתזונה, וכך חברות המזון יוכלו לקבל בזמן אמת מידע רב על העדפות של טעמים שונים, "אבל זה עדיין מדע בדיוני".
הפיתוח הישראלי שמרחיב את הגדרת הטעם המתוק
טעם נוצר כתוצאה ממפגש של חומרים במזון עם קולטנים על הלשון. יש קולטנים נפרדים לטעם המתוק, שמקורו בסוכר או בתחליפיו; למלוח, שמקורו במלח ובחומרים המכילים אותו; לחמוץ, שלרוב מקורו, כפי שמרמז שמו, בחומצות שונות; ולטעם המריר, שרבים מהרעלנים נקשרים בו. הטעם החריף עובד קצת אחרת: התחושה נוצרת מעצבוב חשמלי עם תא עצב כמו במקרה של קליטת חום, ולכן נאמר שהפה שלנו "בוער" מחריפות.
מרירות נחשבת הטעם המורכב ביותר, אבל לדברי בנימין, בהדרגה מתגלה שגם הטעם המתוק מורכב מכפי שחשבנו. "מלבד סוכר מסוגים שונים, אנחנו רואים היום חלבונים מתוקים. חברה ישראלית בשם AMAI פיתחה תחליף סוכר על הבסיס הזה, תוך תכנון מבנה של חלבון סינתטי, כך שיפעל באופן אופטימלי על הקולטן של המתיקות. מבחינת קלוריות והעלאת רמות הסוכר בדם, החלבון ידידותי יותר מהסוכר.
"חברה ישראלית נוספת בשם דומתוק פיתחה נשא שמצמיד את הסוכר הקיים ביעילות רבה יותר לקולטנים ומאפשר לקבל אותה מתיקות בפחות סוכר. אנחנו מכירים היום גם פרי טרופי בשם מונק (monk fruit) שיש בו תחליף סוכר טבעי דל קלוריות, כי הגוף לא מעכל אותו. כלומר, לא רק סוכר מעורר את קולטני המתוק".
מבחן החדשנות של מוצרי מזון
חברות מזון משחקות במרקמים, בטעמים ובריחות כדי להרחיב את קו מוצריהן, אבל מה מזה ראוי להירשם כפטנט? תמר מורג-סלע, עורכת פטנטים בתחום המזון ומרכזת תחום פודטק ואגריטק בקבוצת ריינהולד כהן, מצביעה על שני המבחנים המרכזיים הנדרשים לקבלת פטנט: שימוש בחדשנות טכנולוגית והוכחה שאותה חדשנות הובילה לשיפור בלתי צפוי או לא ברור מאליו של המזון. האם מילקי בטעם תות כתחליף למילקי שוקולד הוא חדשנות טכנולוגית ושיפור? תלוי איך נוצר הטעם ואת מי שואלים.
ד"ר בנימין הזכיר את חברת AMAI שפיתחה חלבון מתוק מהונדס, בהשראת חלבון מהטבע אבל לא זהה לו. במקרה הזה, המבחן פשוט להכרעה. הטכנולוגיה: הנדסת חלבונים ממוחשבת. התוצאה: מוצר בריא יותר. שני רכיבי הפטנט ברורים. אבל איך מגדירים את ההמצאה כך שתהיה כשירה לפטנט משמעותי לחברה? האם ההמצאה מכסה כל חלבון מתוק או רק את המולקולה הספציפית שפותחה?
"ככל שארחיב את ההגדרה של מה מוגן תחת הפטנט, יהיה לחברה מונופול גדול יותר, אבל אז יש גם יותר סיכון ‘לדרוך’ על ידע קודם, כלומר, שמבחני הפטנט לא יתקיימו, ולהפחית את הסיכוי לקבל פטנט רחב", אומרת מורג-סלע.
אם חיברתי לראשונה גלידת אבוקדו ותותים, זה פטנט?
"עצם חיבור הטעמים הוא לא פטנט, אלא אם כן היית צריכה להפעיל תהליך טכנולוגי כדי לגרום להם להתחבר. אם יש לי תמצית טעם ייחודית בתוך המוצר, שפותחה בהשקעה מחקרית, ואף פעם לא השתמשו בשילוב הטעמים הספציפי הזה במזון, אז אני אגדיר רק אותה באופן שניתן יהיה לקבל עליה פטנט".
לדברי מורג-סלע, מאחר שתחום הפוד-טק הוא חדש יחסית, עד כה לא הייתה בו ליטיגציה רבה ומשמעותית. אם מדברים על תעשיית תחליפי הבשר, האתגר הוא להגדיר את המרקם - "האם הסוד הוא בסיביות? בלעיסות? למיטב ידיעתי, חברת טבעול היא החלוצה בארץ שהשתמשה באקסטרוזיה לתעשיית תחליפי הבשר ועל כך גם קיבלה פטנטים בארץ ובעולם. ומי שהשתמש בטכנולוגיה שלה צריך היה לבקש רישיון שימוש בזכויות שלה, שרובו בינתיים פג. הייתה בו הגדרה גם של כיווניות הסיבים. פטנט חדש יכול, למשל, להגדיר סיב ארוך יותר, אבל זה יתפוס רק אם הסיב הארוך יותר יקנה למוצר תכונה כמו לעיסות טובה יותר באופן מפתיע או לא ברור מאליו".
אתגר נוסף בתחום תחליפי הבשר הוא הגדרת העסיסיות, שילוב של חלבון עם שומן. "אם גילית דרך לשלב במוצר חלבון עם שומן באופן שהיה בקשה לשלבו, אין צורך להוכיח באופן חד-משמעי שהדבר משפר את הטעם, אלא רק שהשילוב נותן יתרון שלא היה ברור להגיע אליו וכמובן חשוב שהתעשייה רוצה את זה. דוגמה נוספת, אם הוספנו חלבון חומוס שתמיד היה אפשר להוסיף אותו, אבל בדרך שמונעת מאיתנו להרגיש טעם לוואי של חומוס, עלינו להראות באופן מדעי שאי אפשר לזהות את גורם הטעם של החומוס".
ואם אף אחד עכשיו לא אוכל נמלים ואני הראשונה שאורזת נמלים ומוכרת אותן?
"רק אם עיבדת את הנמלים בצורה חדשנית, או גידלת אותן או הפקת את החלבון בצורה חדשנית".
מגמה נוספת שצוברת תאוצה היא הדפסת תלת-ממד. "במקרה הזה, הפטנט יכול להיות על המכשור, אבל גם יהיה כנראה על המוצר עם המרקם המתקבל כתוצאה מהטכנולוגיה", אומרת מורג-סלע. "אם הדפסת קציצה שנראית ונטעמת בדיוק כמו הקציצה שקיבלת באקסטרוזיה, לא תקבל פטנט על המוצר, או שאולי תקבל פטנט רק על התהליך. על המוצר יתקבל פטנט רק אם נצליח להראות טביעת אצבע של הטכנולוגיה בו, ושהמוצר עדיף משמעותית על מוצר אחר בפרמטרים מדידים.
"בסופו של דבר, כדי לקבל פטנט, הטכנולוגיה צריכה להיות חדשה והמצאתית. מבחן החידוש הוא מאוד אובייקטיבי ומבחן ההמצאתיות הוא מאוד מאוד סובייקטיבי".