تحليل ومواصفات توزيعات حجم حبيبات النشا

حبيبات النشا هي الهيكل المادي الذي اثنين من البوليمرات الاحتياطي الرئيسي homoglucan في التمثيل الضوئي النباتي والأنسجة التخزينية، والأميلوز الخطي أو المتفرعة بشكل ضئيل واميللوبيكتين متفرعة للغاية، هي معبأة بشكل منظم جنبا إلى جنب مع بعض المكونات الثانوية، بما في ذلك الدهون والبروتينات. حبيبات النشا من مختلف أنواع النباتات عرض العديد من الأشكال ثلاثية الأبعاد (3D) (استعرضت في المرجع^1،2) ، بما في ذلك المجالات ، الإهليلجيات ، متعدد الوهيدونات ، الصفائح الدموية ، مكعبات ، التكعيب ، والبيبات غير النظامية. حتى تلك من الأنسجة نفسها أو أنسجة مختلفة من نفس الأنواع النباتية يمكن أن يكون لها مجموعة من الأشكال مع ترددات مختلفة الحدوث. وبعبارة أخرى، قد يكون حبيبات النشا من نوع نباتي توزيعاً إحصائياً مميزًا، بدلاً من شكل محدد. الأشكال غير الموحدة وغير الكروية حبيبات تجعل من الصعب قياس وتحديد أحجام حبيبات النشا بشكل صحيح. بالإضافة إلى ذلك، حبيبات النشا من نفس أنسجة الأنواع النباتية هي من مجموعة من الأحجام بنسب مختلفة، أي عرض توزيع حجم مميز. هذا التوزيع حجم يزيد من تعقيد تحليل ووصف أحجام حبيبات النشا.

وقد تم تحليل أحجام حبيبات النشا باستخدام عدة فئات من تقنيات تحجيم الجسيمات (استعرضت في المرجع^3)،بما في ذلك المجهر، الترسب/ تجزئة تدفق الحقل (Sd/StFFF)، حيود الليزر ومنطقة الاستشعار الكهربائي (ESZ). ومع ذلك، هذه التقنيات ليست مناسبة على قدم المساواة لتحديد أحجام حبيبات النشا في وجود شكل حبيبة وتوزيع الحجم. المجهر، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الخفيف والخلطي والمسح الضوئي، ممتاز لدراسات المورفولوجيا^4،5،6،7،هيكل^8،9 والتطوير^10،11 من حبيبات النشا، ولكن لا يكاد يصلح لتحديد توزيعات حجمها بسبب بعض أوجه القصور الكامنة. القياسات المباشرة لصور الحبيبات المجهرية أو تحليل الصور بمساعدة البرامجية لبيانات المجهر البصرية (IAOM) ، والتي استخدمت لتحديد أحجام الحبيبات من النشويات من عدة أنواع ، بما في ذلك الذرة¹²، القمح^13،14، البطاطا¹⁵ والشعير¹⁶، يمكن قياس فقط 1D (عادة أقصى طول) أو 2D (مساحة السطح) أحجام من أعداد محدودة جدا (عشرات إلى بضعة آلاف) من صور حبيبات النشا. نادراً ما تكون أحجام أخذ العينات الحبيبية الصغيرة المقيدة بطبيعتها بواسطة التقنيات تمثيلية إحصائياً، بالنظر إلى أعداد الحبيبات الهائلة لكل وحدة وزن من النشا (~ 120 × 10⁶ لكل غرام، على افتراض أن جميع 10 ميكرومتر في كثافة 1.5 غرام/سم مكعب)، وبالتالي، يمكن أن تؤدي إلى سوء تكرار النتائج. قد يكون لتقنية SD/StFFF سرعة عالية ودقة عالية، وأحجام ضيقة من حبيبات النشا¹⁷، ولكن نادراً ما استخدمت بسبب أن دقتها قد تتأثر بشدة بالضرر والأشكال المختلفة وكثافة حبيبات النشا. تقنية الانعراج بالليزر هي الأكثر استخداماً، وقد تم تطبيقها على تحليلات حجم حبيبات النشا لجميع أنواع المحاصيل الرئيسية^3،14،16. على الرغم من أن هذه التقنية لها العديد من المزايا، إلا أنها في الواقع غير مناسبة لتحديد أحجام حبيبات النشا في وجود توزيع شكل حبيبات. تعتمد معظم أدوات الانعراج بالليزر المتزامنة على نظرية Mie-scattering¹⁸ للجسيمات الكروية الموحدة ونظرية مي^{المعدلة 18} لبعض الأشكال الأخرى من التوحيد. هذه التقنية هي ، بالتالي ، بطبيعتها حساسة جدا لأشكال الجسيمات ، وليس مناسبة تماما حتى بالنسبة لبعض الأشكال من التوحيد¹⁹، ناهيك عن حبيبات النشا وجود مجموعة من الأشكال ذات أبعاد متفاوتة. تقيس تقنية ESZ اضطراب الحقل الكهربائي بما يتناسب مع حجم الجسيمات التي تمر عبر فتحة. ويوفر حجم الحبيبات، فضلا عن عدد وحجم المعلومات التوزيع، وما إلى ذلك، في دقة عالية. وبما أن تقنية ESZ مستقلة عن أي خصائص بصرية للجسيمات بما في ذلك اللون أو الشكل أو التركيب أو مؤشر الانكسار ، والنتائج قابلة للاستنساخ للغاية ، فهي مناسبة بشكل خاص لتحديد توزيعات الحجم من حبيبات النشا التي لها مجموعة من الأشكال.

كما تم تحديد أحجام حبيبات النشا باستخدام العديد من المعلمات. وكثيرا ما وصفت مبسطة من قبل متوسط أقطار، والتي كانت في بعض الحالات وسيلة الحسابية لقياس مجهري أطوال القصوى من الصور 2D^12،20، أو متوسطات من أقطار الكرة ما يعادل^3. في حالات أخرى، تم تحديد توزيعات حجم الحبيبات باستخدام نطاقات الحجم^21،22، متوسط حجم التوزيع أو متوسط القطر (مكافئ الكرة ، مرجحًا بالرقم أو الحجم أو المساحة السطحية) على افتراض التوزيع العادي^14،23،24^،25،26. هذه الأوصاف من أحجام حبيبات النشا من مختلف التحليلات هي ذات طبيعة مختلفة إلى حد كبير، وليس قابلة للمقارنة بدقة. قد يكون مضللا جدا إذا كانت هذه “الأحجام” من حبيبات النشا من أنواع مختلفة أو حتى نفس الأنسجة من نفس النوع مقارنة مباشرة. وعلاوة على ذلك، تم تجاهل معلمة انتشار (أو شكل) التوزيعات العادية المفترضة، أي الانحراف المعياري σ (أو الانحراف المعياري البياني σ_g)لقياس عرض التوزيع (أي انتشار الأحجام)، في معظم الدراسات.

لحل القضايا الحرجة المذكورة أعلاه التي تواجه تحليلات التحجيم حبيبات النشا، حددنا إجراء لتحديد قابلة للاستنساخ وصالحة إحصائيا من توزيعات حجم الحبيبات من عينات النشا باستخدام تقنية ESZ، وتحديد بشكل صحيح توزيعات حجم اللوغاريتم الحبيبي المحدد باستخدام نموذج مضاعف²⁷ معلمة معتمدة مع تحسين الدقة وقابلية المقارنة. للتحقق من صحة وبيان، قمنا بإجراء تحليل تحجيم حبيبات تكرار عينات النشا sweetpotato باستخدام الإجراء، وحددت اللوغاريتمي التفاضلي حجم النسبة المئوية حجم ما يعادل المجال توزيعات قطر باستخدام وسائلها الهندسية الرسم والانحرافات المعيارية تضاعف s* في ^س/ (ضرب وتقسيم) s* النموذج.