Analyse und Spezifikation von Stärkegranulatgrößenverteilungen

Stärkegranulat ist die physikalische Struktur, in der zwei Hauptreserve-Homoglucan-Polymere in Pflanzenphotosynthese und Lagergeweben, die lineare oder spärlich verzweigte Amylose und das stark verzweigte Amylopectin, zusammen mit einigen nebensächlichen Komponenten, einschließlich Lipiden und Proteinen, geordnet verpackt sind. Stärkegranulate verschiedener Pflanzenarten weisen viele dreidimensionale (3D) Formen auf (rezensiert in Ref.^1,2), einschließlich Kugeln, Ellipsoiden, Polyeder, Thrombozyten, Würfel, Quader und unregelmäßige Tubuli. Auch solche aus dem gleichen Gewebe oder verschiedenen Geweben der gleichen Pflanzenart könnten eine Reihe von Formen mit unterschiedlichen Vorkommenshäufigkeiten haben. Mit anderen Worten, Stärkegranulate einer Pflanzenart können eine charakteristische statistische Formverteilung haben, anstatt eine bestimmte Form. Die ungleichmäßigen und nicht-sphärischen Granulatformen erschweren die ordnungsgemäße Messung und Definition von Stärkegranulatgrößen. Darüber hinaus sind Stärkegranulate aus den gleichen Geweben einer Pflanzenart von einer Reihe von Größen mit unterschiedlichen Proportionen, d.h. mit einer charakteristischen Größenverteilung. Diese Größenverteilung erschwert die Analyse und Beschreibung von Stärkegranulatgrößen zusätzlich.

Die Stärkegranulatgrößen wurden mit verschiedenen Kategorien von Partikelgrößentechniken (in Ref.³) analysiert, einschließlich Mikroskopie, Sedimentation/serische Feldflussfraktionierung (Sd/StFFF), Laserbeugung und elektrischer Erfassungszone (ESZ). Diese Techniken eignen sich jedoch nicht gleichermaßen für die Bestimmung von Stärkegranulatgrößen in Gegenwart einer Granulatform und einer Größenverteilung. Die Mikroskopie, einschließlich Licht-, Konfokal- und Rasterelektronenmikroskopie, eignet sich hervorragend für die Studien der Morphologie^4,5,6,7, Struktur^8,9 und Entwicklung^10,11 von Stärkegranulat, aber kaum geeignet, um ihre Größenverteilungen aufgrund einiger inhärenter Mängel zu definieren. Direkte Messungen von mikroskopischen Granulatbildern oder softwaregestützte Bildanalyse optischer Mikroskopiedaten (IAOM), die zur Bestimmung von Granulatgrößen von Stärke aus mehreren Arten verwendet wurden, einschließlich Mais¹², Weizen^13,14, Kartoffel¹⁵ und Gerste¹⁶, können nur 1D (in der Regel maximale Länge) oder 2D (Oberfläche) Größen von sehr begrenzten Mengen (Zehnbisen) von Granchulbildern messen. Die kleinen Granulat-Probenahmegrößen, die von Natur aus durch die Techniken eingeschränkt sind, könnten selten statistisch repräsentativ sein, wenn man die enormen Granulatzahlen pro Stärkeeinheit bedenkt (120 x 10⁶ pro Gramm, unter der Annahme aller 10’m-Kugeln bei 1,5 g/cm3 Dichte) und daher zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der Ergebnisse führen. Die Sd/StFFF-Technik kann eine hohe Geschwindigkeit und Auflösung und schmale Größenfraktionen von Stärkegranulat¹⁷aufweisen, wurde aber selten verwendet, wahrscheinlich weil ihre Genauigkeit durch Schäden, verschiedene Formen und Dichte von Stärkegranulat stark beeinträchtigt werden könnte. Die Laserbeugungstechnik ist die am weitesten verbreitete und wurde für Stärkegranulatgrößenanalysen für alle wichtigen Pflanzenarten^3,14,16angewendet. Obwohl die Technik viele Vorteile hat, ist sie eigentlich nicht für die Bestimmung von Stärkegranulatgrößen in Gegenwart einer Granulatformverteilung geeignet. Die meisten gleichzeitigen Laserbeugungsinstrumente stützen sich auf die Mie-Lichtstreuungstheorie¹⁸ für einheitliche kugelförmige Partikel und die modifizierte Mie-Theorie¹⁸ für einige andere Formen der Homogenität. Die Technik ist daher von Natur aus sehr empfindlich gegenüber Partikelformen und nicht ganz geeignet, selbst für bestimmte Formen der Homogenität¹⁹, geschweige denn für Stärkegranulate mit unterschiedlichen Proportionen. Die ESZ-Technik misst die elektrische Feldstörung proportional zum Volumen des Teilchens, das durch eine Öffnung geht. Es bietet Granulatvolumengrößen, sowie die Anzahl und Volumenverteilung Informationen, etc., bei hohen Auflösungen. Da die ESZ-Technik unabhängig von allen optischen Eigenschaften von Partikeln wie Farbe, Form, Zusammensetzung oder Brechungsindex ist und die Ergebnisse sehr reproduzierbar sind, eignet sie sich besonders zur Bestimmung von Größenverteilungen von Stärkegranulaten mit einer Reihe von Formen.

Stärkegranulatgrößen wurden auch mit vielen Parametern definiert. Sie wurden oft vereinfacht durch durchschnittliche Durchmesser beschrieben, die in einigen Fällen das arithmetische Mittel der mikroskopisch gemessenen maximalen Längen von 2D-Bildern^12,20oder Durchschnitte äquivalenter Kugeldurchmesser³waren. In anderen Fällen wurden die Granulatgrößenverteilungen unter Verwendung der Größenbereiche^21,22, des mittleren Verteilungsvolumens oder des mittleren Durchmessers (Kugeläquivalent, gewichtet nach Zahl, Volumen oder Fläche) unter der Annahme einer Normalverteilung^{14,23,24,25,26}angegeben. Diese Deskriptoren von Stärkegranulatgrößen aus verschiedenen Analysen sind sehr unterschiedlicher Natur und nicht streng vergleichbar. Es könnte sehr irreführend sein, wenn diese “Größen” von Stärkegranulaten verschiedener Arten oder sogar dieselben Gewebe derselben Art direkt verglichen würden. Darüber hinaus wurde der Streuparameter (oder Form-)Parameter der angenommenen Normalverteilungen, d. h. die Standardabweichung σ (oder grafische Standardabweichung σ_g), die die Breite der Verteilung (d. h. die Streuung der Größen) misst, in den meisten Studien ignoriert.

Um die oben genannten kritischen Probleme bei Derstärkegranulatgrößenanalysen zu lösen, haben wir ein Verfahren zur reproduzierbaren und statistisch gültigen Bestimmung von Granulatgrößenverteilungen von Stärkeproben mit der ESZ-Technik und zur korrekten Festlegung der ermittelten Granulatlognormalgrößenverteilungen unter Verwendung einer angenommenen Zweiparameter-Multiplikationsform²⁷ mit verbesserter Genauigkeit und Vergleichbarkeit beschrieben. Zur Validierung und Demonstration führten wir anhand des Verfahrens Replizieren von Granulatgrößenanalysen von Süßkartoffelstärkeproben durch und spezifizierten die lognormalen Differenzvolumen-Prozentsatz-Volumen-Äquivalent-Kugeldurchmesserverteilungen mit ihren grafischen geometrischen Mitteln und multiplikativen Standardabweichungen s* in einer ^x/(multiplizieren und teilen) * Form.