DE102013016050A1 - Method for electronic microscopic examination and characterization of the morphology of starch granules and their composite - Google Patents

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Abstract

Die bislang verwendeten Verfahren zur Stärkemikroskopie sind heterogen konzipiert und meist unzureichend beschrieben. Für die Beurteilung der potentiellen Abbaubarkeit der Stärke ist aber neben Kenntnissen zu Größe und Morphologie der Granula deren Einbindung in die native Matrix ein essentielles Beurteilungskriterium. Es stellte sich somit die Aufgabe, ein einheitliches Auswertungsverfahren von Stärkegranula in Abhängigkeit von der Provenienz des Stärketrägers zu entwickeln. Mit dem erfindungsgemäßen und zur Standardisierung vorgesehenen Verfahren wird es möglich, Stärkegranula wiederholbar einzeln und im Verband darzustellen und anhand klar definierter Kriterien zu beurteilen. Herstellung von Futtermitteln, insbesondere von Mischfuttermittel, in der Tierproduktion und für die Untersuchung und Charakterisierung der Morphologie der Stärkegranula in der LebensmittelindustrieThe methods used to date for starch microscopy are designed to be heterogeneous and usually insufficiently described. In addition to knowledge of the size and morphology of the granules, their integration into the native matrix is an essential criterion for assessing the potential degradability of the starch. It was therefore the task to develop a uniform evaluation method of starch granules depending on the provenance of the starch carrier. The method according to the invention, which is intended for standardization, makes it possible to reproducibly and individually formulate starch granules and to evaluate them on the basis of clearly defined criteria. Manufacture of feed, in particular compound feed, in livestock production and for the investigation and characterization of the morphology of starch granules in the food industry

Description

Die elektronenmikroskopische Untersuchung von Stärkegranula ermöglicht eine Aussage hinsichtlich der Angreifbarkeit der Stärke durch Amylasen körpereigenen rsp. mikrobiellen Ursprungs.The electron microscopic examination of starch granules makes it possible to make a statement as to the starch's ability to attack due to amylases of the body's own rsp. of microbial origin.

Bekannt ist, dass Stärke durch körpereigene Enzyme mit tierartspezifischen Unterschieden nur unvollständig verdaut werden kann. Der Abbau der Stärke steht in Abhängigkeit von deren Morphologie und Einbettung in eine Verbundstruktur. Mittels des Einsatzes der Stärkemikroskopie über ein Elektronenmikroskop sind morphologische Charakteristika der Stärkegranula und deren Positionierung im Verbund darstellbar. Weiterhin sind die Auswirkungen von Stärkeaufschlussverfahren erkennbar. Damit ist es möglich, eine bessere Vorhersage für die Praxis zu erstellen, was im einzelnen Tier passiert. Dies ist von besonderer Bedeutung für die Herstellung von Futtermitteln, insbesondere von Mischfuttermitteln, für die Tierproduktion. Eine routinemäßige Anwendung der Stärkemikroskopie zur zusammenfassenden Beurteilung der genannten Teilaspekte (Morphologie, Verbundstruktur) erfolgt in der Tierernährung bisher nicht. Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Untersuchung und Charakterisierung der Morphologie der Stärkegranula eröffnet sich in der Lebensmittelindustrie.It is known that starch can only be partially digested by endogenous enzymes with animal species-specific differences. The degradation of starch is dependent on their morphology and embedding in a composite structure. Using starch microscopy via an electron microscope, morphological characteristics of the starch granules and their positioning in the composite can be represented. Furthermore, the effects of starch digestion processes can be seen. This makes it possible to make a better prediction for the practice of what happens in the individual animal. This is of particular importance for the production of feed, in particular compound feed, for animal production. A routine application of starch microscopy for the summary assessment of the mentioned aspects (morphology, composite structure) is not yet done in animal nutrition. Another field of application for the investigation and characterization of the morphology of starch granules opens up in the food industry.

Die bislang verwendeten Verfahren zur Stärkemikroskopie sind heterogen konzipiert, meist unzureichend beschrieben und eine methodische Ausrichtung auf die oben dargelegten Ziele fehlt. So werden Stärkegranula meist in der Vorbereitungsphase aus dem nativen Verband gelöst und vereinzelt dargestellt. Für die Beurteilung der potentiellen Abbaubarkeit ist aber neben Kenntnissen zu Größe und Morphologie der Granula deren Einbindung in die native Matrix ein essentielles Beurteilungskriterium.The methods used to date for starch microscopy are heterogeneous, mostly inadequately described, and lack a methodological focus on the objectives set out above. Thus, starch granules are usually dissolved in the preparation phase from the native bandage and occasionally presented. In addition to knowledge of the size and morphology of the granules, their integration into the native matrix is an essential assessment criterion for the assessment of the potential degradability.

Nachteilig für die Beurteilung des Aufschlusses von Stärke sind die dabei verwendeten unterschiedlichen Aufbereitungsverfahren der Präparate. Es existieren zudem keine einheitlichen Beschreibungsmerkmale in der Auswertungs- und Dokumentationsphase. Bei der Stärkemikroskopie werden zudem unterschiedliche Vergrößerungen eingesetzt und nur ein individuell ausgewählter Ausschnitt im Präparat begutachtet. Damit ist die Vergleichbarkeit der Bilder stark eingeschränkt bis unmöglich. Dies trifft auch auf die Repräsentativität und Wiederholbarkeit der Ergebnisse zu.Disadvantageous for the evaluation of the digestion of starch are the different preparation methods of the preparations used therein. Moreover, there are no uniform description features in the evaluation and documentation phase. In the case of starch microscopy, different magnifications are also used and only an individually selected section of the specimen is examined. Thus, the comparability of images is severely limited or impossible. This also applies to the representativeness and repeatability of the results.

Es stellte sich somit die Aufgabe, ein einheitliches Auswertungsverfahren von Stärkegranula mittels elektronenmikroskopischer Untersuchungen in Abhängigkeit von der Provenienz des Stärketrägers zu entwickeln.It was therefore the task of developing a uniform evaluation method of starch granules by means of electron microscopic examinations depending on the provenance of the starch carrier.

Mit dem erfindungsgemäßen und zur Standardisierung vorgesehenen Verfahren wird es möglich, Stärkegranula wiederholbar einzeln und im Verband darzustellen und gemäß der oben genannten Zielstellung anhand definierter Kriterien zu beurteilen. Als Kriterien haben sich hierbei als vorteilhaft erwiesen:

  • 1. Größe und Größenverteilung (Beschreibung Quer- und Längsachse und Verteilungshäufigkeit vorhandener Größen)
  • 2. Form (rund, eckig, oval, spitz, polymorph)
  • 3. Zusammenlagerungen bzw. Verbackungen
  • 4. Deformationen
  • 5. intakte Granula (Anzahl intakt: modifiziert)
  • 6. Auflagerungen/Bruchstücke
  • 7. Matrixstruktur
  • 8. Besonderheiten (in Abhängigkeit vom Behandlungsverfahren immer wiederkehrende auffällige Strukturen (Donuts, Bienenwaben, Nadellöcher, Glasuren usw.))
With the method according to the invention and intended for standardization, it is possible to repeat starch granules individually and in association and to evaluate them according to the above-mentioned objective on the basis of defined criteria. As criteria have proven to be advantageous:
  • 1. Size and size distribution (description of transverse and longitudinal axis and frequency of distribution of existing sizes)
  • 2nd form (round, angular, oval, pointed, polymorphic)
  • 3. Assemblies or caking
  • 4. Deformations
  • 5. intact granules (number intact: modified)
  • 6. Auflagerungen / Bruchstücke
  • 7. Matrix structure
  • 8. Special features (recurrent conspicuous structures (donuts, honeycombs, pinholes, glazes, etc.) depending on the treatment method)

Damit können Aussagen, wie gelatiniert oder nicht gelatiniert, zur potentiellen Abbaubarkeit im Verdauungsraum getroffen werden. Auf der botanischen Herkunft beruhende Unterschiede und die Wirkung von Stärkeaufschlussverfahren (extrudieren, expandieren, mikronisieren u. a.) können so dargestellt werden.Thus, statements such as gelatinized or not gelatinized, the potential degradability in the digestive tract can be made. Differences based on botanical origin and the effect of starch digestion processes (extrude, expand, micronize and others) can be represented.

Das Verfahren der elektronenmikroskopischen Untersuchung unter Einsatz eines Elektronenmikroskops wird nachfolgend beschrieben:The method of electron microscopic examination using an electron microscope will be described below.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Zur Erstellung sog. Sekundärelektronenbilder werden individuelle Einstellungen am Elektronenmikroskop (hier: JSM 6300 (JEOL LTD, Tokyo, Japan, 1992)) verwendet (Bsp.: 15 keV vrs. 20 keV, Bedingungen unter Hochvakkum 1,5·10–6 – 2·10–6)For the production of so-called secondary electron images, individual settings on the electron microscope (here: JSM 6300 (JEOL LTD, Tokyo, Japan, 1992)) are used (for example: 15 keV vrs. 20 keV, conditions under high vacuum 1.5 x 10 -6 -2 · 10 -6 )

Die Präparation der Proben des verwendeten Materials in Bezug auf Sorte, Art und Bearbeitungsform erfolgt standardisiert, um eine möglichst optimale Darstellung eines bzw. mehrerer originärer Stärkegranula im Verbund (und deren Matrixstrukturen) und damit die Erörterung der möglichen Angriffsvariationen für Enzyme (Endo- und Exokorrosion, Gelatinisierung, Retrogradation) zu ermöglichen und eine bildliche (realitätsnahe, praxisnahe) Darstellung der vorhandenen bzw. ankommenden Stärkegranula im Kopfdarm zu erhalten.The preparation of the samples of the material used in terms of variety, type and processing form is standardized, in order to obtain the best possible representation of one or more original starch granules in the composite (and their matrix structures) and thus the discussion of the possible attack variations for enzymes (endo- and Exokorrosion Gelatinization, retrogradation) and to obtain a visual (realistic, practical) representation of the existing or incoming starch granules in the colon.

Die Beschreibungsmerkmale wurden vereinheitlicht in Bezug auf

  • 1. Vermahlungsgrad zur optimalen Darstellung eines Bruchstückes, welcher in Abhängigkeit von der Bearbeitung des Stärketrägers (unbearbeitet, mechanisch, thermisch) variiert.
  • 2. Anzahl der gewählten Bildausschnitte in einem Präparat zur Sicherstellung der Repräsentativität
  • 3. Anzahl der Bilder bzw. der gewählten Vergrößerungen
  • 4. Optimale Vergrößerung zur Darstellung der Verbundstrukturen
  • 5. Optimale Vergrößerung zur Darstellung der Morphologie des Einzelgranulums
The description characteristics have been standardized with regard to
  • 1. degree of grinding for optimal representation of a fragment, which varies depending on the processing of the starch carrier (unprocessed, mechanical, thermal).
  • 2. Number of selected image sections in a preparation to ensure representativeness
  • 3. Number of pictures or selected enlargements
  • 4. Optimal magnification to represent the composite structures
  • 5. Optimal magnification to represent the morphology of the single granule

Zur besseren Charakterisierung wurde das nachfolgende Auswerteschema entwickelt:

Figure DE102013016050A1_0001
For better characterization, the following evaluation scheme was developed:
Figure DE102013016050A1_0001

Claims (4)

Verfahren zur elektronenmikroskopischen Untersuchung und Charakterisierung der Morphologie von Stärkegranula und deren Verbund, gekennzeichnet dadurch, dass ein einheitliches Auswertungsverfahren für Stärketräger unterschiedlicher Provenienz mit definierten Kriterien zur Beurteilung des potentiellen enzymatischen Abbaus von Stärke eingesetzt wird.Method for electron microscopic examination and characterization of the morphology of starch granules and their composite, characterized in that a uniform evaluation method for starch carriers of different provenance with defined criteria for the evaluation of the potential enzymatic degradation of starch is used. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Kriterien die Größe und die Größenverteilung, die Form, Zusammenlagerungen bzw. Verbackungen, Deformationen, intakte und modifizierte Granula, Auflagerungen bzw. Bruchstücke, die Matrixstruktur sowie wiederkehrende auffällige Strukturen, insbesondere Donuts, Bienenwaben, Nadellöcher, Glasuren, angewendet werden.A method according to claim 1, characterized in that as criteria the size and the size distribution, the shape, mergers or caking, deformations, intact and modified granules, deposits or fragments, the matrix structure and recurring conspicuous structures, in particular donuts, honeycombs, pinholes , Glazes, to be applied. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche zur Vergleichbarkeit und Wiederholbarkeit der Ergebnisse, gekennzeichnet dadurch, dass die Beschreibungsmerkmale für die Charakterisierung der Morphologie von Stärkegranula und deren Verbund vereinheitlicht werden.Method according to one of the above claims for the comparability and repeatability of the results, characterized in that the description characteristics for the characterization of the morphology of starch granules and their composite are unified. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Grad der Vermahlung, die Anzahl der Bildausschnitte, die Anzahl der Bilder und Vergrößerungen, die optimale Vergrößerung zur Darstellung der Verbundstrukturen und der Morphologie des Einzelgranulums als Beschreibungsmerkmale eingesetzt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the degree of grinding, the number of image sections, the number of images and magnifications, the optimum magnification for Representation of the composite structures and the morphology of the individual granules are used as descriptive features.
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