Анализ и спецификация распределения размера крахмала гранул
Summary
Здесь представлена процедура воспроизводимых и статистически обоснованных определений распределения размера гранул крахмала, а также для определения определенных логнормальных размеров гранул с использованием двух параметров мультипликативной формы. Это применимо ко всем гранул размеров анализ грамматических образцов крахмала для исследований растительной и пищевой науки.
Abstract
Крахмал из всех растительных источников состоит из гранул в различных размерах и формах, имеющих различные частоты возникновения, т.е. с размером и распределениемформы. Данные о размере гранул крахмала, определяемые с использованием нескольких типов методов размеров частиц, часто являются проблематичными из-за плохой воспроизводимости или отсутствия статистической значимости в результате некоторых непреодолимых систематических ошибок, включая чувствительность к формам гранул и пределы размеров гранул-образца. Мы наметили процедуру воспроизводимых и статистически обоснованных определений распределения размеров гранул крахмала с использованием метода зоны электрического зондирования, а также для определения определенных распределения логнормальных размеров гранул с использованием принятой двух параметрной мультипликативной формы с улучшенной точностью и сопоставимостью. Это применимо ко всем гранулам размеров анализ грамматических образцов крахмала, и, следовательно, может облегчить исследования о том, как размеры гранул крахмала формируются крахмал биосинтеза аппарата и механизмов; и как они влияют на свойства и функциональность крахмала для пищевых и промышленных целей. Репрезентативные результаты представлены на основе реплицированного анализа распределения размеров гранул образцов крахмала sweetpotato с использованием изложенной процедуры. Мы также обсудили несколько ключевых технических аспектов процедуры, в частности, мультипликативную спецификацию распределения размеров гранул и некоторые технические средства преодоления частой блокировки диафрагмы гранулами.
Introduction
Крахмал гранулы физической структуры, в которой два основных резерва homoglucan полимеров в растительном фотосинтезе и хранения тканей, линейные или редко разветвленной амилозы и высоко разветвленной амилопектина, упорядоченно упакованы вместе с некоторыми незначительными компонентами, в том числе липидов и белков. Крахмал гранулы из различных видов растений проявляют много трехмерных (3D) формы (рассмотрены в ref.1,2), в том числе сферы, эллипсоиды, полихедры, тромбоциты, кубики, кубоиды, и нерегулярные трубоушки. Даже те из той же ткани или различных тканей одного и того же вида растений может иметь набор форм с различными частотами возникновения. Другими словами, гранулы крахмала из видов растений могут иметь характерное статистическое распределение формы, а не конкретную форму. Необучные и несферические формы гранул затрудняет правильное измерение и определение размеров гранул крахмала. Кроме того, гранулы крахмала из тех же тканей видов растений имеют различные размеры, т.е. обладают характерным распределением размеров. Такое распределение размеров еще больше усложняет анализ и описание размеров гранул крахмала.
Размеры гранул крахмала были проанализированы с использованием нескольких категорий методов размеров частиц(рассмотрены врефери 3 ), включая микроскопию, осадочные/стерические фракционирования полевых потоков (Sd/StFFF), лазерную дифракцию и зону электрического зондирования (ЭСЗ). Тем не менее, эти методы не в равной степени подходят для определения размеров гранул крахмала в присутствии формы гранул и распределения размера. Микроскопия, включая световую, конфокаленную и сканирующую электронную микроскопию, отлично подходит дляисследований морфологии 4,5,6,7,структуры 8,9 и развития10,11 крахмальных гранул, но вряд ли подходит для определения их распределения размеров из-за некоторых присущих недостатков. Прямые измерения микроскопических изображений гранул или программный анализ изображений данных оптической микроскопии (IAOM), которые использовались для определения размеров гранул крахмала от нескольких видов, в томчисле кукуруза 12,пшеница 13,14, картофель15 и ячмень 16, может измерять только 1D (обычно максимальной длины) или 2D (площадь поверхности) размеры очень ограниченное число (десятки до нескольких тысяч) крахмала гранул изображения. Небольшие размеры выборки гранул, которые по своей сути ограничены методами, редко могут быть статистически репрезентативными, учитывая огромные цифры гранул на единицу крахмала (120 х 106 на грамм, предполагая, что все сферы 10 мкм при плотности 1,5 г/см3) и, следовательно, могут привести к плохой воспроизводимости результатов. Техника Sd/StFFF может иметь высокую скорость и разрешение, а также узкие фракции крахмалагранул 17, но редко используется, вероятно, потому, что его точность может серьезно зависеть от повреждений, различных форм и плотности крахмала гранул. Техника лазерной дифракции является наиболее широко используемой, и была применена для анализа размера гранул крахмала для всехосновных видов сельскохозяйственных культур 3,14,16. Хотя техника имеет много преимуществ, она на самом деле не подходит для определения размеров гранул крахмала в присутствии распределения формы гранул. Большинство параллельных лазерных дифракционных приборов полагаются на теорию рассеяниясвета Mie 18 для однородных сферических частиц и модифицированную теориюMie 18 для некоторых других форм единообразия. Техника, таким образом, по своей сути очень чувствительна к формам частиц, и не совсем подходит даже для определенныхформ однородности 19, не говоря уже о крахмала гранулы, имеющие набор форм различных пропорций. Техника ЭСЗ измеряет нарушение электрического поля пропорционально объему частицы, проходящей через диафрагму. Он обеспечивает размеры объема гранул, а также количество и объем распределения информации и т.д., при высоком разрешении. Так как техника ЭСЗ не зависит от каких-либо оптических свойств частиц, включая цвет, форму, состав или рефракционный индекс, и результаты очень воспроизводимы, он особенно подходит для определения распределения размеров крахмала гранул, имеющих набор форм.
Размеры гранул крахмала также были определены с помощью многих параметров. Они часто были упрощенно описаны средними диаметрами, которые в некоторых случаях были арифметическими средствами микроскопически измеренных максимальных длин 2Dизображений 12,20,или средних эквивалентных диаметровсферы 3. В других случаях распределение размера гранул было указано с помощьюдиапазонов размеров 21,22,среднего объема распределения или среднего диаметра (эквивалент сферы, взвешенный по количеству, объему или площади поверхности) приусловии нормального распределения 14,23,24,25,26. Эти дескрипторы размеров гранул крахмала из различных анализов имеют совершенно иной характер, и не строго сопоставимы. Это может быть очень вводит в заблуждение, если эти “размеры” крахмала гранулы из разных видов или даже те же ткани одного и того же вида были непосредственно сопоставлены. Кроме того, в большинстве исследований был проигнорирован параметр спреда (или формы) предполагаемых нормальных распределений, т.е. стандартное отклонение σ (или графическое стандартное отклонение σг),измеряя ширину распределения (т.е. распространение размеров).
Для решения вышеупомянутых критических вопросов, стоящих перед анализом размеров гранул крахмала, мы наметили процедуру воспроизводимых и статистически обоснованных определений распределения размеров гранул образцов крахмала с использованием метода ЭСЗ, а также для правильного указания определенных логнормальных размеров гранул с использованием принятой двух параметрноймультипликативной формы 27 с улучшенной точностью и сопоставимостью. Для проверки и демонстрации мы провели анализ размеров гранул образцов крахмала sweetpotato с помощью процедуры, и указали логнормальный дифференциальный объем-процентный объем-эквивалент-сфера диаметр распределения с использованием их графических геометрических средств и мультипликативных стандартных 
отклонений sв форме x/(умножить и разделить) s.
Protocol
Representative Results
Discussion
Изложенная процедура решила некоторые критические вопросы в нескольких существующих методах анализа размера гранул крахмала, включая неуместный 1D или 2D размер 3D гранул, искажение размеров измерений из-за однородных форм гранул, плохую воспроизводимость и сомнительную статистическу?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа частично поддерживается Кооперативным исследовательским центром сельского хозяйства и Комплексным научно-исследовательским центром продовольственной безопасности Колледжа сельского хозяйства и гуманитарных наук, Университетом Прейри-Вью. Мы благодарим Хуа Тянь за техническую поддержку.
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. |
References
- 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).
