Analyse og specifikation af distributioner af stivelsesgranulatstørrelser
Summary
Præsenteret her er en procedure for reproducerbare og statistisk gyldige bestemmelser af stivelse granulat størrelse distributioner, og for angivelse af den bestemte granulat lognormal størrelse distributioner ved hjælp af en to-parameter multiplicativ form. Den finder anvendelse på alle granulatstørrelsesanalyser af gramskala stivelsesprøver til plante- og fødevarevidenskabelig forskning.
Abstract
Stivelse fra alle plantekilder består af granulater i en række størrelser og former med forskellige forekomstfrekvenser,dvs. Stivelsesgranulatstørrelsesdata bestemt ved hjælp af flere typer partikelstørrelsesteknikker er ofte problematiske på grund af dårlig reproducerbarhed eller manglende statistisk signifikans som følge af nogle uoverstigelige systematiske fejl, herunder følsomhed over for granulatformer og grænser for granulatprøvestørrelser. Vi skitserede en procedure for reproducerbare og statistisk gyldige bestemmelser for distribution af stivelsesgranulatstørrelser ved hjælp af teknikken til elektrisk sensorzone og for angivelse af de bestemte fordelinger af granulatlognormal størrelse ved hjælp af en vedtaget multiplikativ form med to parametre med forbedret nøjagtighed og sammenlignelighed. Det gælder for alle granulatstørrelsesanalyser af gramskala stivelsesprøver og kan derfor lette undersøgelser af, hvordan stivelsesgranulatstørrelser formes af stivelsesbiosynteseapparatet og -mekanismerne; og hvordan de påvirker stivelsens egenskaber og funktionalitet til fødevare- og industriel brug. Repræsentative resultater præsenteres ved hjælp af replikerede analyser af fordelinger af granulatstørrelser af sweetpotatostivelsesprøver efter den skitserede procedure. Vi drøftede endvidere flere centrale tekniske aspekter af proceduren, især den multiplikative specifikation af granulat lognormal størrelse distributioner og nogle tekniske midler til at overvinde hyppige blænde blokering af granulat aggregater.
Introduction
Stivelsesgranulat er den fysiske struktur, hvor to hovedreserve homoglucan polymerer i plantefotosyntese og opbevaringsvæv, den lineære eller sparsomt forgrenede amylose og den stærkt forgrenede amylopectin, er velordnet pakket sammen med nogle mindre komponenter, herunder lipider og proteiner. Stivelsesgranulat fra forskellige plantearter udviser mange tredimensionelle (3D) former (gennemgået i ref.1,2), herunder kugler, ellipsoider, polyedroner, blodplader, terninger, kuber og uregelmæssige tubules. Selv dem fra samme væv eller forskellige væv af samme planteart kunne have et sæt af former med varierende forekomst frekvenser. Med andre ord kan stivelsesgranulat fra en planteart have en karakteristisk statistisk formfordeling snarere end en bestemt form. De ikke-ensartede og ikke-sfæriske granulatformer gør det vanskeligt at måle og definere stivelsesgranulatstørrelser korrekt. Desuden er stivelsesgranulat fra samme væv af en planteart af en række størrelser med forskellige proportioner, dvs. Denne størrelsesfordeling komplicerer analysen og beskrivelsen af stivelsesgranulatstørrelserne yderligere.
Stivelsesgranulatstørrelser er blevet analyseret ved hjælp af flere kategorier af partikelstørrelsesteknikker (gennemgået i ref.3), herunder mikroskopi, sedimentering/sterisk feltflowfraktionering (Sd/StFFF), laserdiffraktion og elektrisk sensorzone (ESZ). Disse teknikker er imidlertid ikke lige velegnede til bestemmelse af stivelsesgranulatstørrelser i nærværelse af en granulatform og en størrelsesfordeling. Mikroskopi, herunder lys, konfokal og scanning elektronmikroskopi, er fremragende til undersøgelser af morfologi 4,5,6,7, struktur8,9 og udvikling10,11 af stivelse granulat, men næppe egnet til at definere deres størrelsesfordelinger på grund af nogle iboende mangler. Direkte målinger af mikroskopiske granulatbilleder eller softwareassisterede billedanalyser af optiske mikroskopidata (IAOM), som er blevet anvendt til bestemmelse af granulatstørrelser for stivelse fra flere arter herunder majs12, hvede13,14, kartoffel15 og byg16, kan måle kun 1D (normalt maksimal længde) eller 2D (overfladeareal) størrelser af meget begrænsede antal (titusinder til et par tusinde) af stivelse granulat billeder. De små granulatprøvetagningsstørrelser, der i sagens natur er begrænset af teknikkerne, kan sjældent være statistisk repræsentative i betragtning af de enorme granulattal pr. stivelsesenhedsvægt (~120 x10 6 pr. gram, idet alle 10 μm kugler ved 1,5 g/cm³ massefylde) antages, og kan derfor føre til dårlig reproducerbarhed af resultaterne. Sd / StFFF-teknikken kan have høj hastighed og opløsning og smalle størrelsesfraktioner af stivelsesgranulat17, men er sjældent blevet brugt sandsynligvis fordi dens nøjagtighed kan blive alvorligt påvirket af skader, forskellige former og massefylde af stivelsesgranulat. Laser diffraktionsteknikken er den mest anvendte og er blevet anvendt til analyser af stivelsesgranulatstørrelse for alle større afgrødearter3,14,16. Selvom teknikken har mange fordele, er den faktisk ikke egnet til bestemmelse af stivelsesgranulatstørrelser i nærværelse af en granulatformfordeling. De fleste af de samtidige laser diffraktion instrumenter stole på Mie lys-spredning teori18 for ensartede sfæriske partikler og den modificerede Mie teori18 for nogle andre former for ensartethed. Teknikken er derfor i sagens natur meget følsom over for partikelformer og ikke helt egnet selv til visse former forensartethed 19, endsige til stivelsesgranulat med et sæt former af forskellige proportioner. ESZ-teknikken måler den elektriske feltforstyrrelse proportional med mængden af den partikel, der passerer gennem en blænde. Det giver granulatvolumenstørrelser samt oplysninger om antal og volumenfordeling osv. Da ESZ-teknikken er uafhængig af optiske egenskaber af partikler, herunder farve, form, sammensætning eller brydningsindeks, og resultaterne er meget reproducerbare, er den særlig velegnet til bestemmelse af størrelsesfordelinger af stivelsesgranulat med et sæt former.
Stivelsesgranulatstørrelser er også blevet defineret ved hjælp af mange parametre. De blev ofte forenklet beskrevet af gennemsnitlige diametre, som i nogle tilfælde var de aritmetiske midler til de mikroskopisk målte maksimale længder af 2D-billeder12,20eller gennemsnit af tilsvarende kuglediametre3. I andre tilfælde blev granulatstørrelsesfordelingen specificeret ved hjælp af størrelsesintervallerne21,22, fordelings gennemsnitsvolumen eller gennemsnitlig diameter (kugleækvivalent, vægtet efter antal, volumen eller overfladeareal) under forudsætning af en normal fordeling14,23,24,25,26. Disse deskriptorer af stivelsesgranulatstørrelser fra forskellige analyser er af meget forskellig art og ikke strengt sammenlignelige. Det kunne være meget vildledende, hvis disse “størrelser” af stivelsesgranulat fra forskellige arter eller endda det samme væv af samme art blev sammenlignet direkte. Desuden er spredning σ σ sparameteren (eller formparameteren) for de formodede normale fordelinger,dvs.
For at løse de ovennævnte kritiske problemer, som stivelsesgranulatstørrelsesanalyser står over for, skitserede vi en procedure for reproducerbare og statistisk gyldige bestemmelser for fordeling af granulatstørrelser af stivelsesprøver ved hjælp af ESZ-teknikken og for korrekt angivelse af de bestemte fordelingen af granulatlognormal størrelse ved hjælp af en vedtaget multiplikativ form med to parametre27 med forbedret nøjagtighed og sammenlignelighed. Til validering og demonstration udførte vi replikerede granulatstørrelsesanalyser af sweetpotato-stivelsesprøver ved hjælp af proceduren og specificerede fordelingen af lognormal differentialvolumenprocent volumenækvivalent kuglediameter ved hjælp af deres grafiske geometriske midler 
og multiplikative standardafvigelser s* i en x/ (multiplicere og dividere) s* form.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den skitserede procedure har løst nogle kritiske problemer i flere eksisterende metoder til analyse af stivelsesgranulatstørrelser, herunder uhensigtsmæssig 1D- eller 2D-størrelse af 3D-granulat, forvrængning af størrelsesmålinger på grund af ikke-ensartede granulatformer, dårlig reproducerbarhed og tvivlsom statistisk gyldighed på grund af begrænsede granulatprøvestørrelser, unøjagtige eller ukorrekte specifikationer (især brugen af den gennemsnitlige størrelse) af granulatstørrelser i nærværelse af b…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde er delvist støttet af Cooperative Agriculture Research Center, og Integreret Food Security Research Center for College of Agriculture and Human Sciences, Prairie View A & M University. Vi takker Hua Tian for hans tekniske støtte.
Materials
| Analytical beaker | Beckman Coulter Life Sciences | A35595 | Smart-Technology (ST) beaker |
| Aperture tube, 100 µm | Beckman Coulter Life Sciences | A36394 | For the MS4E, , 1000 µm |
| Disposable transfer pipettor, | Fisher Scientific (Fishersci.com) | 13-711-9AM | Other disposable transfer pipettors with similar orifice can also be used. |
| Fisherbrand Conical Polypropylene Centrifuge Tubes, 50 ml | Fisher Scientific (Fishersci.com) | 05-539-13 | Any other similar types of tubes can be used. |
| Glass beakers, 150 to 250 ml | Fisher Scientific (Fishersci.com) | 02-540K | These beakers are used to contain methanol for washing the aperture tube and stirer between runs. |
| LiCl | Fisher Chemical | L121-100 | |
| Methanol | Fisher Chemical | A412-500 | Buy in bulk as the analysis uses a large quantity of methanol. |
| Mettler Toledo ML-T Precision Balances | Mettler Toledo | 30243412 | Any other precision balance with a readablity 0.01 g to 1 mg will work. |
| Multisizer 4e Coulter Counter | Beckman Coulter Life Sciences | B23005 | The old model, Multisizer 3 can also be used with slight adjustment of parameters. The 4e model comes with a 100 μm aperture tube. Other aperture tubes of different diameter can be purchased separately from the company. |
| Ultrasonic processor UP50H | Hielscher Ultrasound Technology | UP50H | Other laborator sonicator having a low-power (<50 Watt) output can be also used. Both MS1 and MS2 sonotrodes for the particular sonicator can be used to disperse starch granules in 5 ml methanol. Always use the lowest setting first, 20% amplitude and 0.1 or 0.2 cycle, and raise the setting if aggregates persist in suspension. |
Riferimenti
- Shannon, J. C., Garwood, D. L., Boyer, C. D., BeMiller, J., Whistler, R. . Starch:Chemistry and Technology Food Science and Technology. , 23-82 (2009).
- Singh, N., Singh, J., Kaur, L., Singh Sodhi, N., Singh Gill, B. Morphological, thermal and rheological properties of starches from different botanical sources. Food Chemistry. 81 (2), 219-231 (2003).
- Lindeboom, N., Chang, P. R., Tyler, R. T. Analytical, biochemical and physicochemical aspects of starch granule size, with emphasis on small granule starches: a review. Starch – Stärke. 56 (34), 89-99 (2004).
- Baldwin, P. M., Davies, M. C., Melia, C. D. Starch granule surface imaging using low-voltage scanning electron microscopy and atomic force microscopy. International Journal of Biological Macromolecules. 21 (1-2), 103-107 (1997).
- Jane, J. L., Kasemsuwan, T., Leas, S., Zobel, H., Robyt, J. F. Anthology of starch granule morphology by scanning electron microscopy. Starch-Stärke. 46 (4), 121-129 (1994).
- Matsushima, R., Nakamura, Y. . Starch: Metabolism and Structure. , 425-441 (2015).
- Wang, S. -. q., Wanf, L. -. l., Fan, W. -. h., Cao, H., Cao, B. -. s. Morphological analysis of common edible starch granules by scanning electron microscopy. Food Science. 32 (15), 74-79 (2011).
- Baldwin, P. M., Adler, J., Davies, M. C., Melia, C. D. Holes in starch granules: confocal, SEM and light microscopy studies of starch granule structure. Starch-Stärke. 46 (9), 341-346 (1994).
- Chakraborty, I., Pallen, S., Shetty, Y., Roy, N., Mazumder, N. Advanced microscopy techniques for revealing molecular structure of starch granules. Biophysical Reviews. 12 (1), 105-122 (2020).
- Bechtel, D. B., Wilson, J. D. Amyloplast formation and starch granule development in hard red winter wheat. Cereal Chemistry. 80 (2), 175-183 (2003).
- Evers, A. Scanning electron microscopy of wheat starch. III. Granule development in the endosperm. Starch-Stärke. 23 (5), 157-162 (1971).
- Wang, Y. J., White, P., Pollak, L., Jane, J. L. Characterization of starch structures of 17 maize endosperm mutant genotypes with Oh43 inbred line background. Cereal Chemistry. 70, 171-179 (1993).
- Peng, M., Gao, M., Abdel-Aal, E. S. M., Hucl, P., Chibbar, R. N. Separation and characterization of A-and B-type starch granules in wheat endosperm. Cereal Chemistry. 76, 375-379 (1999).
- Wilson, J. D., Bechtel, D. B., Todd, T. C., Seib, P. A. Measurement of wheat starch granule size distribution using image analysis and laser diffraction technology. Cereal Chemistry. 83 (3), 259-268 (2006).
- Liu, Q., Weber, E., Currie, V., Yada, R. Physicochemical properties of starches during potato growth. Carbohydrate Polymers. 51 (2), 213-221 (2003).
- Chmelik, J., et al. Comparison of size characterization of barley starch granules determined by electron and optical microscopy, low angle laser light scattering and gravitational field-flow fractionation. Journal of the Institute of Brewing. 107 (1), 11-17 (2001).
- Moon, M. H., Giddings, J. C. Rapid separation and measurement of particle size distribution of starch granules by sedimentation/steric field-flow fractionation. Journal of Food Science. 58 (5), 1166-1171 (1993).
- Wriedt, T., Wolfram, H., Wriedt, T. . The Mie Theory: Basics and Applications. , 53-71 (2012).
- Schuerman, D. W., Wang, R. T., Gustafson, B. &. #. 1. 9. 7. ;. S., Schaefer, R. W. Systematic studies of light scattering. 1: Particle shape. Applied Optics. 20 (23), 4039-4050 (1981).
- Goering, K. J., Fritts, D. H., Eslick, R. F. A study of starch granule size and distribution in 29 barley varieties. Starch-Stärke. 25 (9), 297-302 (1973).
- Chen, Z., Schols, H. A., Voragen, A. G. J. Starch granule size strongly determines starch noodle processing and noodle quality. Journal of Food Sciences. 68 (5), 1584-1589 (2003).
- Dai, Z. M. Starch granule size distribution in grains at different positions on the spike of wheat (Triticum aestivum L.). Starch-Starke. 61 (10), 582-589 (2009).
- Edwards, M. A., Osborne, B. G., Henry, R. J. Effect of endosperm starch granule size distribution on milling yield in hard wheat. Journal of Cereal Science. 48 (1), 180-192 (2008).
- Karlsson, R., Olered, R., Eliasson, A. C. Changes in starch granule size distribution and starch gelatinization properties during development and maturation of wheat, barley and rye. Starch – Starke. 35 (10), 335-340 (1983).
- Li, W. -. Y., et al. Comparison of starch granule size distribution between hard and soft wheat cultivars in Eastern China. Agricultural Sciences China. 7 (8), 907-914 (2008).
- Park, S. H., Wilson, J. D., Seabourn, B. W. Starch granule size distribution of hard red winter and hard red spring wheat: Its effects on mixing and breadmaking quality. Journal of Cereal Science. 49 (1), 98-105 (2009).
- Limpert, E., Stahel, W. A., Abbt, M. Log-normal distributions across the sciences: keys and clues. Bioscience. 51 (5), 341-352 (2001).
- Gao, M., et al. Self-preserving lognormal volume-size distributions of starch granules in developing sweetpotatoes and modulation of their scale parameters by a starch synthase II (SSII). Acta Physiologiae Plantarum. 38 (11), 259 (2016).
- Wattebled, F., et al. STA11, a Chlamydomonas reinhardtii locus required for normal starch granule biogenesis, encodes disproportionating enzyme. Further evidence for a function of alpha-1,4 glucanotransferases during starch granule biosynthesis in green algae. Plant Physiology. 132 (1), 137-145 (2003).
- Ji, Y., Seetharaman, K., White, P. J. Optimizing a Small-Scale Corn-Starch Extraction Method for Use in the Laboratory. Cereal Chemistry. 81 (1), 55-58 (2004).
- Halloy, S., Whigham, P. The lognormal as universal descriptor of unconstrained complex systems: a unifying theory for complexity. Proceedings of the 7th Asia-Pacific Complex Systems Conference. , 309-320 (2004).
- Furusawa, C., Suzuki, T., Kashiwagi, A., Yomo, T., Kaneko, K. Ubiquity of log-normal distributions in intra-cellular reaction dynamics. Biophysics (Nagoya-shi). 1, 25-31 (2005).
