正交试验法优选猕猴桃清汁护绿工艺.doc

博士 兽医硕士专业学位 硕士 农业推广硕士专业学位 同等学力在职申请学位 中职教师攻读硕士学位 工程硕士专业学位 高校教师攻读硕士学位 风景园林硕士专业学位西 北 农 林 科 技 大 学研 究 生 课 程 考 试 试 卷 封 面（课程名称： 食品研究方法与数据处理 ）学位课 选修课 补修课研 究 生 年 级、姓 名 2010级 徐长亮 2010050729所 在 学 院 及 专 业 食品学院 食品工程专业 任 课 教 师 姓 名 杜双奎 考 试 日 期 考 试 成 绩 评 卷 教 师 签 字 处 正交试验法优选猕猴桃清汁护绿工艺指导老师：杜双奎 作者：徐长亮（西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西杨凌712100）摘 要：本文以杨凌“秦美”猕猴桃为原料，对猕猴桃酒的护绿进行工艺优化，研究护绿剂对护绿效果的影响。分别测定叶绿素、类胡萝卜素的含量，结合感官评定选出较佳的护绿组合。得出清汁的最佳护绿剂复配浓度为：CaCl22220mg/L、(CH3COO) 2Zn101.5mg/L、CuSO45mg/L EDTA-2Na40mg/L。关键词: 正交试验；设计软件；猕猴桃清汁；护绿剂正交试验设计就是用于安排多因素实验并考察各因素影响大小的一种科学设计方法。它始于1942年，之后在各个领域里都得到很快的发展和广泛应用。特别是在食品领域得到了广泛的应用。我们可以利用正交试验简化实验过程。猕猴桃又名阳桃、茅梨、奇异果，属于猕猴桃科(Actinidiaceae) 猕猴桃属( Actinidia) 1，原产于中国南方。中华猕猴桃，果皮呈棕褐色或黄绿色，无毛或有短绒毛。猕猴桃果汁中丰富的糖、有机酸、维生素、矿物质等具有很好的调节运动能力2。猕猴桃果实中叶绿素含量也较高，大量研究发现，叶绿素具有广泛的药用价值，被誉为“天然长寿药”。 1正交试验1.1 正交试验的原理及特点正交试验设计就是用于安排多因素实验并考察各因素影响大小的一种科学设计方法。它始于1942年，之后在各个领域里都得到很快的发展和广泛应用。这种科学设计方法是应用一套已规格化的表格正交表来安排实验工作，其优点是适合于多种因素的实验设计，便于同时考查多种因素各种水平对指标的影响通过较少的实验次数，选出最佳的实验条件，即选出各因素的某一水平组成比较合适的条件，这样的条件就所考查的因素和水平而言，可视为最佳条件。另一方面，还可以帮助我们在错综复杂的因素中抓住主要因素，并判断那些因素只起单独的作用，那些因素除自身的单独作用外，它们之间还产生综合的效果。数理统计上的实验设计还能给出误差的估计。正交试验则是采取部分试验来代替全面试验的方法,挑选出有代表性的试验点来进行试验,通过对代表性的试验的结果分析,了解全面试验的情况,以实现工艺的优化。因此,挑选有代表性的试验点成为正交试验的关键。1951年日本统计学家田口玄一根据试验的优化规律提出了正交表。正交表成为正交试验设计的基本工具,使得正交试验具备了分散性和整齐可比性,不仅可以根据正交表确定出因素的主次效应顺序,而且可应用方差分析对试验数据进行分析,分析出各因素对指标的影响程度,从而找出优化条件或最优组合,实现试验的目的。正交表有两种:同水平正交表和混合水平正交表。同水平正交表是指各因素的水平数相等的正交表,目前有二、三、四、五、七、八、九水平正交表,这种正交表不仅可以使每个因素的不同水平在每一列中出现的次数相等,而且可以安排部分因素之间的交互作用考察。混合水平正交表是指各因素的水平数不完全相等的正交表,这种正交表可以安排水平数不同的多因素试验,使用方便,但有时不便考察因素之间的交互作用。正交表的代号表示成Ln(qm),其中,L表示正交表,n表示试验次数,q表示因素水平数,m表示因素个数,在正交表中表示其列数。在选择正交表时,首先根据因素水平数和因素的个数确定使用正交表的类型,其中因素水平数应该与正交表中的q值完全相等。因素的个数只要满足不大于m值即可选用该正交表。混合水平正交表表示为Ln(pqm),表示试验总次数为n的正交表中可以安排一个p水平和最多m个q水平的因素。另外,正交表中的行和列发生变化时,试验的方案和正交表的几何结构并无本质变化,因此值得注意的是代号相同的正交表并不唯一,但是代号相同的正交表是等价的。试验设计过程中,可以根据因素的数量和水平数灵活多变、合理地选择正交表并安排试验。有关正交表参见有关资料9。1.2 正交试验的一般步骤与作用正交试验的一般步骤如下：（1）明确目标，确定考察指标。（2）确定因素及各因素下的水平数。（3）根据因素、水乎选撮合适的正交表；如4因素3水平、即可选L9（34）正交表，带有不同水平的可以选混合正交表。（4）表头设计、进行试验。（5）计算分析试验结果，找出主要影响因素及最佳条件。（6）重复试验进行验证。国内外实践表明，正交试验优化设计可以有效地解决如下问题：（1）科学地、合理地安排试验，减少试验次数，缩短试验周期，提商经济效益。（2）可以在众多的影内因素中分清各因素影响的主次关系，找出影响指标的主要因素。（3）可以揭示因子水平变化时，指标的变化规律，使之尽快找到设计参数或工艺条件，即迅速找到最优方案。（4）可了解各因子之间的交互作用及对指标的影响规律。（5）能预估试验指标值及其波动范围。（6）也能为达到最优方案的进一步试验提供方向。1.3 计算机软件设计正交试验现在可以用DPS软件、SPSS软件、Statistica软件、Excel、“正交试验助手”等应用软件设计和处理试验结果，设计和计算迅速，分析结果准确多样且可靠，节省了大量的时间和精力。1.3.1 DPS数据处理系统DPS数据处理系统，英文名称为Data Processing System，取首字母缩写为DPS。该系统采用多级下拉式菜单，用户使用时整个屏幕犹如一张工作平台，随意调整，操作自如，故形象地称其为DPS数据处理工作平台，简称DPS平台。 DPS平台是作者设计研制的通用多功能数理统计和数学模型处理软件系统。它将数值计算、统计分析、模型模拟以及画线制表等功能融为一体。因此，DPS 系统主要是作为数据处理和分析工具而面向广大用户。DPS系统兼有如Excel等流行电子表格软件系统和若干专业统计分析软件系统的功能。与流行的电子表格系统比较，DPS 平台具有强大得多的统计分析和数学模型模拟分析功能。与国外同类专业统计分析软件系统相比，DPS系统具有操作简便，在统计分析和模型模拟方面功能齐全，易于掌握，尤其是对广大中国用户，其工作界面友好，只需熟悉它的一般操作规则就可灵活应用。1.3.2 SPSSSPSS（Statistical Product and Service Solutions），“统计产品与服务解决方案”软件。最初软件全称为“社会科学统计软件包”（SolutionsStatistical Package for the Social Sciences），但是随着SPSS产品服务领域的扩大和服务深度的增加，SPSS公司已于2000年正式将英文全称更改为“统计产品与服务解决方案”，标志着SPSS的战略方向正在做出重大调整。 SPSS是世界上最早采用图形菜单驱动界面的统计软件，它最突出的特点就是操作界面极为友好，输出结果美观漂亮。它将几乎所有的功能都以统一、规范的界面展现出来，使用Windows的窗口方式展示各种管理和分析数据方法的功能，对话框展示出各种功能选择项。用户只要掌握一定的Windows操作技能，粗通统计分析原理，就可以使用该软件为特定的科研工作服务。SPSS采用类似EXCEL表格的方式输入与管理数据，数据接口较为通用，能方便的从其他数据库中读入数据。其统计过程包括了常用的、较为成熟的统计过程，完全可以满足非统计专业人士的工作需要。输出结果十分美观，存储时则是专用的SPO格式，可以转存为HTML格式和文本格式。对于熟悉老版本编程运行方式的用户，SPSS还特别设计了语法生成窗口，用户只需在菜单中选好各个选项，然后按“粘贴”按钮就可以自动生成标准的SPSS程序。极大的方便了中、高级用户。 SPSS输出结果虽然漂亮，但不能为WORD等常用文字处理软件直接打开，只能采用拷贝、粘贴的方式加以交互。这可以说是SPSS软件的缺陷。 1.3.3 MiniTab Minitab是美国宾州大学研制的国际上流行的一个统计软件包，其特点是简单易懂，在国外大学统计学系开设的统计软件课程中，Minitab与SAS、BMDP相互并列，有的学术研究机构甚至专门教授Minitab之概念及其使用。Minitab for Windows统计软件比SAS、SPSS等小得多，但功能并不弱，特别是它的试验设计与质量控制等功能。 MiniTab目前的最高版本为V14.1，它提供了对二维工作表中的数据进行分析的多种功能，包括：基本统计分析、回归分析、方差分析、多元分析、非参数分析、时间序列分析、试验设计、质量控制、模拟、绘制高质量三维图形等，从功能来看，Minitab除各种统计模型外，还具有许多统计软件不具备的功能矩阵运算。1.3.4 StatisticaStatistica为一套完整的统计资料分析、图表、资料管理、应用程式发展系统；以及对其他技术、工程、工商企业资料挖掘应用等进阶分析之应用程式。此系统不仅包含统计上一般功能及制图程序；还包含特殊的统计应用（例如：社会统计人员、生物研究员或工程师）；全新的Statistica在功能上，更提供了四种线形模型的分析工具，包括VGLM、VGSR、VGLZ与VPLS。对使用者而言，提供完整且俱可选择性的使用者介面；亦可广泛使用程式语言辅助精灵来建立一般的范围；或整合Statistica与其他应用程式进行计算，这些都是非常方便好用的模组。Statistica能提供使用者所有需要的统计及制图程序。另外，能够在图表视窗中显示各种分析，及有别于传统统计范畴外的最新统计作图技术，皆获得许多使用者的好评。Statistica为基本系列产品；可独立使用此模组，或搭配Statistica其他组合产品系列。1.3.5 Excel它严格说来并不是统计软件，但作为数据表格软件，必然有一定统计计算功能。而且凡是有Microsoft Office的计算机，基本上都装有Excel。但要注意，有时在装 Office时没有装数据分析的功能，那就必须装了才行。当然，画图功能是都具备的。对于简单分析，Excel还算方便，但随着问题的深入，Excel就不那么“傻瓜”，需要使用函数，甚至根本没有相应的方法了。多数专门一些的统计推断问题还需要其他专门的统计软件来处理。1.4 正交试验结果分析方法1.4.1 直观分析法人工计算的方式就是根据正交试验的数据,直接按照计算的原理进行因素的直观性分析和方差计算分析。在直观性分析中,根据各因素水平分别求解因素各水平下的总响应值K和平均响应值k,并根据各水平下的k值求出因素水平对目标的效应极差,根据极差的大小判断主次因素的顺序。1.4.2 方差分析法正交试验的直观分析法简便、直观、计算量小,但不能估计试验误差,即不能区分试验结果的差异是由各因素的水平变化而导致,还是由试验的随机波动而导致。很多正交试验都没能考虑这一问题。要解决此问题,可以对试验结果做方差分析。在对正交试验做方差分析时,必须估计随机误差,而随机误差是通过正交表上空白列得到的。由于空白列中没有因素作用,因此正好反映随机因素所引起的误差,该空白列在方差分析中常被称为误差列。因此,在做正交试验方差分析时,正交表的表头中必须留下空白列,以确定随机误差引起的离差平方和；若没有空白列,则需做重复试验,或者选择离差平方和中最小者做近似估计。当空白列多于一列时,随机误差平方和等于所有空白列的离差平方和之和,而其自由度也等于各空白列自由度的总和10。在方差分析计算中,总离差平方和QT:QT =i2-(i)2其中,xi为正交试验结果,n为正交试验的次数。因素离差平方和Q: Q =i2-(i)2其中,g为正交试验的次数n与因素水平数q的比值。自由度=因素水平数-1；均方差=；F值=。显著性是根据选择的置信度(或称显著性水平)的大小以及因素自由度和误差自由度3个变量，查表所得到的F值与计算所得F值的大小判断。当计算所得F值大于查表所得到的F值时,说明在选择的显著性水平上,因素对目标量的影响是显著的。2.材料与方法2.1 材料与试剂试材：“秦美”猕猴桃，采自陕西省杨凌夏家沟果园，树龄9年。于2009年l0月5日采收，当天运回实验室，选择成熟度一致、果形端正、果个均匀、无病虫害及机械损伤的果实，进行统一处理。试剂：4000U/g活性的果胶酶、琼脂、五水硫酸铜、CaCl2、醋酸锌、EDTA-2Na、丙酮、亚硫酸氢钠、碳酸钙等，以上试剂均为西安试剂厂生产的分析纯或食品级。2.2 仪器与设备UV-2250型紫外线分光光度计、T203电子天平、电热恒温水浴锅、DDS-307型电导率仪、THZ-82A恒温振荡器、海尔冷藏柜、西农食品学院温度梯度室、榨汁机、宁波海曙塞福实验仪器厂智能恒温培养柜糖度计、酒精计等。3.试验方法3.1猕猴桃酒加工工艺流程工艺流程：猕猴桃鲜果分选清洗去皮破碎榨汁酶解下胶澄清果汁成分调整接种避光发酵猕猴桃发酵酒澄清贮藏检验3.2 猕猴桃果汁护绿剂的选择猕猴桃清汁分别加入不同浓度的CuSO4、(CH3COO)2Zn、EDTA-2Na、CaCl2，在散光照射，室温条件下，密封绝氧贮藏3d，测定叶绿素和类胡萝卜素的含量。具体操作如下：（1）向5支试管中分别加入CuSO4，比例为：0.625mg/L、1.25mg/L、1.875mg/L、2.5mg/L、3.125 mg/L、5mg/L，3组平行；空白组：20ml的猕猴桃清汁。（2）向5支试管中分别加入(CH3COO)2Zn，比例为：16.9 mg/L、33.8 mg/L、50.7 mg/L、67.7 mg/L、101.5 mg/L、135.4mg/L，3组平行；空白组：20ml的猕猴桃清汁。（3）向5支试管中分别加入EDTA-2Na，比例为：10 mg/L、20 mg/L、40 mg/L、60 mg/L、80mg/L，3组平行；空白组：20ml的猕猴桃清汁。（4）向5支试管中分别加入CaCl2138.75 mg/L、277.5 mg/L、555 mg/L、1110 mg/L、1665 mg/L、2220mg/L，3组平行；空白组：20ml的猕猴桃清汁。3.3 护绿剂的正交优化每组选出三个猕猴桃清汁护绿效果较好的浓度，进行4因素3水平的L9（34）正交优化，在散光照射、密封绝氧、室温条件下静置7d，测定叶绿素和类胡萝卜素的含量。3.3.1 正交试验表头设计为确定不同因素对猕猴桃酒护绿的影响，本试验以CuSO4、(CH3COO)2Zn、EDTA-2Na、CaCl2浓度为试验的4个因素，不考察交互作用，可将CuSO4（A）、(CH3COO)2Zn（B）、EDTA-2Na（C）及CaCl2（D）安排到正交表L9（34）的第1,2,3,4列上，其表头设计如表1：表1 表头设计Tab 1 Meter Assign列号1234因素ABCD3.3.2 试验因素和水平对上述四个因素每个因素取3个水平，因素水平表见表2所示：表2 因素水平表Tab 2 Factors and levels序号因素A（CuSO4浓度/ mg/L）B（(CH3COO)2Zn/ mg/L）C（EDTA-2Na/ mg/L）D（CaCl2 /mg/L）11.25033.840111023.125101.560166535.000135.48022203.3.3 试验方案本试验为找到灵香草中提取总皂苷的最佳提取工艺，按正交表L9（34）安排试验，具体的试验方案见表3表3 试验方案Tab 3 Testing Program实验号A（CuSO4浓度/ mg/L）B（(CH3COO)2Zn/ mg/L）C（EDTA-2Na/ mg/L）D（CaCl2 /mg/L）11(1.250)1(33.8)1(40)1(1110)212(101.5)2(60)2(1665)313(135.4)3(80)3(2220)42(3.125)123522316231273(5.00)13283213933214 测定指标与方法叶绿素与类胡萝卜素的测定：Chl a、Chl b、Chl和Car含量：紫外分光光度法测定。参照朱广廉等的方法，略有改进。计算公式如下：Chl a（mg/mL）=（12.7OD6632.69OD645 ）25V （11）Chl b（mg/mL）=（22.9OD6454.67OD663）25V （12）Chl（mg/mL）=20.2 (OD6458.02 OD663）25V （13） Car（mg/mL）=4.7OD4400.27（20.2 OD645+8.02 OD663）25V （14）25为测吸光度时的溶液体积，单位mL,V为所取猕猴桃酒样的体积，单位mL。5 结果与分析5.1 硫酸铜对猕猴桃果汁中叶绿素含量的影响图2表明，护绿剂CuSO4处理的猕猴桃清汁叶绿素的含量均高于对照组，即均有一定的护绿效果，叶绿素的含量随着CuSO4的浓度增加而增加。叶绿素a变化与叶绿素b相比较为稳定，叶绿素b的变化趋势与叶绿素类似。类胡萝卜素的含量稳定在0.6mg/mL0.8mg/mL之间，叶绿素和类胡萝卜素的比值分别为0.70、1.43、1.53、1.80、1.67、2.09、1.98，叶绿素的保存率分别为0.30、0.56、0.64、0.68、0.69、0.72，并结合感官分析，选择果汁中CuSO4含量为1.875 mg/L、3.125 mg/L、5mg/L3种浓度梯度。原因是实验中Cu2+置换叶绿素中Mg2+的速度比较快，且随Cu2+含量增加，就形成越多的对光照稳定的叶绿素铜盐，叶绿素的保存率就越高，而对照组中没有添加CuSO4，叶绿素就容易光解。叶绿素a中的Mg2+被置换的速率远大于叶绿素b中的Mg2+，叶绿素b只有在置换离子较多的情况下才被大量置换，加入置换离子后叶绿素a含量较高其稳定，叶绿素b随浓度的增加而迅速增加。类胡萝卜素对光照比较稳定，不易降解，所以叶绿素和类胡萝卜素的比值增大，果汁绿色加重，黄色减弱。图图1 不同浓度CuSO4的护绿效果Figure 1 The effect of different concentration of CuSO4 on green-maintaining5.2 醋酸锌对猕猴桃果汁中叶绿素含量的影响图3表明，护绿剂(CH3COO)2Zn处理的猕猴桃清汁叶绿素的含量均高于对照组，即均有一定的护绿效果。叶绿素a和叶绿素b变化趋势、原因与3.2.1分析相似，不再分析。叶绿素的含量随着的(CH3COO)2Zn浓度增加而增加，类胡萝卜素的含量稳定在0.6mg/mL0.8mg/mL之间，叶绿素和类胡萝卜素的比值分别为0.70、1.24、1.41、1.32、1.69、1.77、1.64叶绿素的保存率分别为0.30、0.51、0.54、0.54、0.62、0.66、0.60，并结合感官分析，选择果汁中(CH3COO)2Zn含量为33.8 mg/L、101.5 mg/L、135.4mg/L 3种浓度梯度。随Zn2+增加，叶绿素锌盐含量平稳增加，叶绿素的保存率升高，而对照组中没有添加(CH3COO)2Zn，叶绿素就容易光解；类胡萝卜素对光照比较稳定，不易降解，所以叶绿素图2 不同浓度的(CH3COO)2Zn的护绿效果Figure 2 The effect of different concentration (CH3COO)2Zn on preserving green和类胡萝卜素的比值总体趋势增大，果汁绿色加重，黄色减弱。其原因是Zn2+浓度在大于5mg/L时才能置换Mg2+，而试验中，Zn2+浓度在5mg/L、10 mg/L、15 mg/L时，浓度较低，置换效果并不显著，且Zn2+的置换Mg2+速度是Cu2+的1/30，所以在此3种浓度下叶绿素保存率差异不大。而Zn2+ 在15 mg/L20 mg/L时，置换Mg2+速度增大，Zn2+在20 mg/L40mg/L时，置换速度在一个稳定的水平，因此叶绿素保存率较高且差异不大。5.3 EDTA-2Na对猕猴桃果汁中叶绿素含量的影响图4表明，护绿剂EDTA-2Na处理的猕猴桃清汁叶绿素的含量均高于对照组，即均有一定的护绿效果，叶绿素的含量随着CuSO4的浓度增加而增加。叶绿素a变化与叶绿素b相比较为稳定，叶绿素b的变化趋势与叶绿素类似。类胡萝卜素的含量稳定在0.6mg/mL0.8mg/mL之间，叶绿素和类胡萝卜素的比值分别为0.70、0.77、0.76、1.04、1.25、1.46、1.21，叶绿素的保存率分别为0.30、0.31、0.32、0.42、0.50、0.58、0.47，并结合感官分析，选择果汁中EDTA-2Na含量为40 mg/mL、60 mg/mL、80mg/mL 3种浓度梯度，最佳浓度为60 mg/mL。原因原因是加入EDTA-2Na可以螯合Mg2+，形成较稳定的网络结构。但是浓度较低时几乎无护绿效果，只有达到一定的浓度才能起到较好的护绿效果。类胡萝卜素对光照比较稳定，不易降解，所以叶绿素和类胡萝卜素的比值增大，果汁绿色加重，黄色减弱。图3 不同浓度的EDTA-2Na护绿效果Figure 3 The effect of different concentration EDTA-2Na on green-maintaining5.4 CaCl2对猕猴桃果汁中叶绿素含量的影响图5表明，护绿剂CaCl2处理的猕猴桃清汁叶绿素的含量均高于对照组，即均有一定的护绿效果，叶绿素的含量随着CaCl2的浓度增加而增加。叶绿素a变化与叶绿素b相比较为稳定，叶绿素b的变化趋势与叶绿素类似。类胡萝卜素的含量稳定在0.6mg/mL0.8mg/mL之间，叶绿素和类胡萝卜素的比值分别为0.70、1.31、1.61、1.67、2.50、1.96、1.56，叶绿素的保存率分别为0.30、0.54、0.60、0.60、0.89、0.69、0.64，并结合感官分析，选择果汁中CaCl2含量为1110 mg/L、1665 mg/L、2220mg/L3种浓度梯度,最佳浓度是1110mg/L。原因是果汁中加入Ca2+具有驱氧的作用，降低了叶绿素的降解速度，但是浓度过高时可能影响了溶液的吸光度，导致测量数值偏小。同时Ca2+能和氨基酸结合生成不溶性化合物，此物质不能与单糖产生美拉德反应，因此加钙盐可以协同控制褐变。猕猴桃后熟软化后叶绿素b的降解速度大于叶绿素a的速度，添加一定量的CaCl2具有保护叶绿素b的作用。类胡萝卜素对光照比较稳定，不易降解，所以叶绿素和类胡萝卜素的比值增大，果汁绿色加重，黄色减弱。图4 不同浓度的CaCl2护绿效果Figure 4 The effect of different concentration CaCl2 on green-maintaining5.5 护绿剂的优化组合从以上护绿剂单因素试验可以看出，护绿效果受到CuSO4、(CH3COO)2Zn、EDTA-2Na和CaCl2这4种物质浓度的影响，为了全面考察这4 个因素的作用大小和优化组合，设计了4 因素3 水平的正交试验，结果以护绿率表示。由表4和图5可见，A、B、C、D 4 因素对猕猴桃清汁的护绿影响的主次顺序为DBCA，从实际测定值差异显著性分析可知，最优组合为D3B2C1A3。榨出猕猴桃果汁后，加入护绿剂最佳浓度为：CaCl22220mg/L、(CH3COO)2Zn101.5mg/L、EDTA-2Na40mg/L、CuSO45mg/L。表 4 L9（34）正交试验结果Table 4 L9（34） Orthogonal test试样号SampleNumber因素与水平Factorand level叶绿素Chl（mg/mL）护绿率（%）A (mg/L)B (mg/L)C (mg/L)D (mg/L)11(1.25)1(33.8)1(40)1(1110)0.737952.30212(101.5)2(60)2(1665)0.578641.01313(135.4)3(80)3(2220)0.703649.8742(3.125)1230.739752.42522310.805657.09623120.5740.4073(5)1320.656646.53832130.861461.05933210.520436.88K1143.18151.25153.75146.17K2149.91159.15130.31127.94K3144.46127.15153.49164.34k147.7350.4251.2548.72k249.9753.0543.4442.65k348.1542.3851.1654.78R1.8210.677.8112.13图5 因素与指标趋势图Fig