ניתוח ומפרט של הפצות גודל גרנול עמילן

גרגירי עמילן הם המבנה הפיזי שבו שני פולימרים הומוגלוקניים מילואים עיקריים בפוטוסינתזה של צמחים ורקמות אחסון, אמילוז ליניארי או מסועף בדלילות והאמילופקטין בעל ההסתעפות, ארוזים בצורה מסודרת יחד עם כמה מרכיבים משניים, כולל שומנים וחלבונים. גרגירי עמילן ממיני צמחים שונים מציגים צורות תלת מימדיות (תלת מימדיות) רבות (הנסקרות ב-^{ref. 1,2}), כולל כדורים, אליפסואידים, פוליהדרונים, טסיות הדם, קוביות, cuboids, ו tubules לא סדיר. אפילו אלה מאותה רקמה או רקמות שונות של אותו מיני צמחים יכולים להיות קבוצה של צורות עם תדרי התרחשות משתנים. במילים אחרות, גרגירי עמילן ממין צמחים עשויים להיות בעלי התפלגות צורה סטטיסטית אופיינית, ולא צורה ספציפית. צורות הגרגר הלא אחידות והלא כדוריות מקשות על מדידה והגדרה של גדלי גרגירים עמילניים. בנוסף, גרגירי עמילן מאותן רקמות של מיני צמחים הם במגוון גדלים עם פרופורציות שונות, כלומר, מציגים התפלגות גודל אופיינית. התפלגות גודל זה מסבכת עוד יותר את הניתוח והתיאור של גדלי גרגירי עמילן.

גדלי גרגירי עמילן נותחו באמצעות מספר קטגוריות של טכניקות שינוי גודל חלקיקים (שנסקרו ב-^{ref. 3}), כולל מיקרוסקופיה, משקעים / שברי זרימת שדה סטריים (Sd / StFFF), עקיפת לייזר ואזור חישה חשמלית (ESZ). עם זאת, טכניקות אלה אינן מתאימות באותה מידה לקביעת גדלי גרגירי עמילן בנוכחות צורת גרגירים והתפלגות גודל. מיקרוסקופיה, כולל מיקרוסקופ אלקטרונים אור, confocal וסריקה, מצוין למחקרים של מורפולוגיה^4,5,6,7, מבנה^8,9 ופיתוח^10,11 של גרגירי עמילן, אבל בקושי מתאים להגדרת חלוקות הגודל שלהם בשל כמה חסרונות אינהרנטיים. מדידות ישירות של תמונות גרגירים מיקרוסקופיות או ניתוח תמונה בסיוע תוכנה של נתוני מיקרוסקופיה אופטיים (IAOM), אשר שימשו לקביעת גדלי גרגירים של עמילנים ממספר מינים, כולל תירס¹², חיטה^13,14, תפוח אדמה¹⁵ ושעורה¹⁶, יכול למדוד רק 1D (בדרך כלל אורך מקסימלי) או 2D (שטח פנים) גדלים של מספרים מוגבלים מאוד (עשרות עד כמה אלפים) של תמונות גרנול עמילן. גדלי דגימת הגרגרים הקטנים המוגבלים מטבעם על ידי הטכניקות יכולים לעתים רחוקות להיות מייצגים סטטיסטית, בהתחשב במספרי הגרגרים העצומים ליחידת משקל של עמילן (~ 120 x 10⁶ לגרם, בהנחה שכל 10 כדורי מיקרומטר בצפיפות של 1.5 גרם לסמ”ק), ולכן, עלולים להוביל לשחזור לקוי של התוצאות. טכניקת Sd/StFFF עשויה להיות במהירות גבוהה וברזולוציה גבוהה, ושברי גודל צרים של גרגירי עמילן¹⁷, אך לעתים רחוקות נעשה בה שימוש כנראה משום שדיוקה עלול להיפגע קשות מנזקים, צורות שונות וצפיפות של גרגירי עמילן. טכניקת עקיפת הלייזר היא הנפוצה ביותר, והוחלה על ניתוחי גודל גרגירים עמילניים עבור כל מיני היבולים העיקריים^3,14,16. למרות הטכניקה יש יתרונות רבים, זה למעשה לא מתאים קביעות של גדלי גרגירים עמילן בנוכחות התפלגות צורת גרגירים. רוב מכשירי עקיפת הלייזר בו-זמנית מסתמכים על תיאוריית פיזור האור של מי¹⁸ עבור חלקיקים כדוריים אחידים ותורת Mie¹⁸ ששונתה עבור צורות אחרות של אחידות. הטכניקה היא, אם כן, מטבעה רגישה מאוד לצורות חלקיקים, ולא לגמרי מתאימה אפילו לצורות מסוימות של אחידות¹⁹, שלא לדבר על גרגירי עמילן שיש להם קבוצה של צורות בפרופורציות שונות. טכניקת ESZ מודדת את הפרעת השדה החשמלי ביחס לנפח החלקיק העובר דרך פתח. הוא מספק גדלי נפח גרנול, כמו גם את פרטי הפצת מספר ונפח, וכו ‘, ברזולוציות גבוהות. מאז טכניקת ESZ אינה תלויה בכל תכונות אופטיות של חלקיקים כולל צבע, צורה, הרכב או אינדקס שבירה, והתוצאות הן מאוד לשחזור, הוא מתאים במיוחד לקביעת התפלגות גודל של גרגירי עמילן שיש קבוצה של צורות.

גדלי גרגירים עמילן הוגדרו גם באמצעות פרמטרים רבים. לעתים קרובות הם תוארו באופן פשטני על ידי קטרים ממוצעים, אשר במקרים מסוימים היו האמצעי האריתמטי של האורכים המקסימליים הנמדדים מיקרוסקופית של תמונות דו-ממדיות^12,20, או ממוצעים של קטרים מקבילים של כדור³. במקרים אחרים, התפלגויות גודל הגרגר צוינו באמצעות טווחי גודל^21,22, נפח ממוצע ההתפלגות או קוטר ממוצע (שווה ערך לכדור, משוקלל לפי מספר, נפח או שטח פנים) בהנחה של התפלגות רגילה^{14,23,24,25,26}. מתארים אלה של גדלי גרגירי עמילן מניתוחים שונים הם בעלי אופי שונה בהרבה, ואינם דומים לחלוטין. זה יכול להיות מטעה מאוד אם אלה “גדלים” של גרגירי עמילן ממינים שונים או אפילו את אותן רקמות של אותו מין הושוו ישירות. יתר על כן, הפרמטר כפולה (או צורה) של התפלגויות נורמליות להניח, כלומר, סטיית התקן σ (או סטיית תקן גרפית σ_g)מדידת רוחב ההתפלגות (כלומר, התפשטות הגדלים), התעלמו ברוב המחקרים.

כדי לפתור את הבעיות הקריטיות הנ”ל הניצבות בפני ניתוחי גודל גרגירי עמילן, התווינו הליך עבור קביעות ניתנות לשחזור ותקף סטטיסטית של התפלגות גודל גרגירים של דגימות עמילן באמצעות טכניקת ESZ, ולציון נכון של התפלגות הגודל הלוגנורמי של גרגיר הגרגרים שנקבעו באמצעות טופס כפול שני פרמטרים^{מאומץ 27} עם דיוק ושיוויון משופרים. לצורך אימות והדגמה, ביצענו ניתוחי גודל גרנול משכפלים של דגימות עמילן sweetpotato באמצעות ההליך, וציינו את הפרש הלוגינורמלי נפח אחוז שווה ערך כדור קוטר התפלגות באמצעות האמצעים הגיאומטריים הגרפיים שלהם סטיות תקן כפולות s* בצורת ^x/ (להכפיל ולחלק) s* .