מה התהליך העובר על עמילן כאשר מחממים תמיסה שלו? מדוע הוא הופך לג'לי? יהודה

אכן – כאשר ממסים עמילן במים קרים (או בנוזל אחר, כמו חלב או מרק) ואז מחממים את התמיסה – ברגע שמגיעים לטמפרטורה מסויימת כאילו מתרחש פתאום איזה קסם, והתמיסה 'מתעבה' במהירות – כלומר הופכת למאוד סמיכה (ככה מיצרים דייסת קורנפלור, או את המשקה 'סחלב'). זאת התנהגות לא נפוצה, כי בדרך-כלל כאשר מחממים תמיסות ונוזלים הם הופכים דלילים יותר, לא סמיכים יותר. כאשר מקררים את התמיסה חזרה, המצב לא חוזר לקדמותו אלא מתקשה עוד יותר והופך למעיין ג'לי (ככה מיצרים 'מלבי', פודינגים וכדומה).

מלבי. תמונה מויקיפדיה, מקור: Wikimania 2011 Pre-Conference

כדי להבין מה מתרחש – ולמה זה מתרחש, יש לרדת לרמה המולקולרית של החומר: מבחינה כימית, עמילן הוא פולימר – כלומר מולקולה ענקית הבנוייה הרבה (פולי) יחידות (מר) שמחוברות אחת לשנייה בשרשרת ענקית. ספציפית העמילן הוא בעצם תערובת של שני פולימרים מאוד דומים, האחד – הפולימר 'עמילוז' – שבנוי (בממוצע) מ-300 עד 3,000 מולקולות של הסוכר 'גלוקוז' המחוברות אחת לשנייה בשרשרת ארוכה. העמילוז מהווה 25% מהעמילן.

מבנה מולקולרי של הסוכר 'גלוקוז' – הקווים מציינים קשרים כימיים מ- ואל אטומי פחמן

 והפולימר 'עמילופקטין' – שבנוי (בממוצע) מ-2,000 עד 200,000 מולקולות של הסוכר 'גלוקוז' – כאשר הפעם כל מולקולת גלוקוז יכולה להיות קשורה גם ל-3 מולקולות אחרות, מה שיוצר מבנה מסועף מאוד כמו ענפים של עץ. כיוון שהיחידה הבסיסית בשני הפולימרים היא סוכר, הם שייכים למשפחת ה'רב-סוכרים' או 'רב-פחמימות'. עמילופקטין מהווה כ- 75% מהעמילן.

מבנה עמילופקטין – משמאל רואים איך מולקולות הגלוקוז מחוברות ביניהן, מימין – תיאור סכמטי של המבנה המסועף של החומר.

כאשר מנסים להמיס עמילן במים קרים – מה שמתקבל זה תוצר נוזלי בצבע לבנבן עכור, שמהווה 'תרחיף' או סוספנסיה – כלומר חלקיקים של מוצק (עמילן) שמפוזרים בתוך הנוזל (מים) (בדומה לתחליב / אמולסיה, של נוזל בנוזל) – אבל לא נוצרת תמיסה, כלומר אין פיזור ברמה המולקולרית בין העמילן למים, העמילן נשאר בצורה גבישית – כגרגירים קטנטנים בתוך המים. אם נמתין מספיק זמן נראה שגרגירי העמילן הכבדים שוקעים חזרה בתחתית הכלי, וכדי ליצור תרחיף יש לחזור ולערבב אותם עם המים.וזה בגלל שהקשרים בין המולקולות שמרכיבות את העמילן הם קשרים מאוד מאוד חזקים (בין אטומי המימן H  לחמצן O– קשרי מימן) – שמצמידים את המולקולות בחוזקה אחת לשנייה.

כאשר מחממים את המערכת – מולקולות המים והעמילן מתחילות לנוע יותר מהר (אנרגיה רבה יותר) – עד שהן מאפשרות לגרגיר העמילן 'להפתח', למולקולות השרשראתיות הרבות שלו להתפזר בתוך המים (להתמוסס). והתוצאה היא מין דייסה סמיכה שנוצרת עקב התנגדות המולקולות הארוכות, תמיסה סמיכה אופיינית לכל המסה של פולימר – מהסיבה הנ"ל.

אנימציה הממחישה את תהליך ההסמכה שמתרחש כאשר מחממים תערובת עמילן ומים. האנימציה יוצרה על ידי אתר דוידסון און-ליין.

כאשר מקררים חזרה את התמיסה – כיוון שגרגירי העמילן כבר 'נשברו' והמולקולות התערבבו במים, כל מה שקורה זה קיפאון של המערכת – מולקולות העמילן עוצרות במקומם, ומולקולות המים שהתפזרו ביניהן פשוט נלכדות במקום, עקב קשרי מימן ביניהן לבין מולקולות העמילוז והעמילופקטין – והתוצאה היא מבנה דמוי ג'ל, ששומר על צורתו גם ללא כלי - כמו במאלבי. התהליך מהווה דוגמה ל'תהליך בלתי רוורסבילי' (בלתי הפיך) ביחס לחימום: מתחילים עם משהו אחד, מחממים, וכאשר מקררים חזרה את המערכת היא לא חוזרת למצב הראשוני בו התחילה.
דרך-אגב, גם בג'לי שמכינים מג'לטין הסיפור דומה, רק ששם לא מתמוסס רב-סוכר, אלא חלבון – שגם הוא בעצם פולימר.
בנוסף – לעמילן יש תכונות יוצאות דופן נוספות, כאשר נמצא בריכוז גבוה הוא מתנהג כמוצק וכנוזל בו זמנית (הקליקו לניסוי בנושא)
וכמובן שאי אפשר לסיים את ההסבר, בלי לקשר למתכון של מאלבי  (של השף חיים כהן)
 

ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.