响应面优化实验方案设计

食品科学研究中实验设计的案例分析——响应面法优化超声辅助提取车前草中的熊果酸班级：学号：姓名：摘要：本文简要介绍了响应面曲线优化法的根本原理和使用步骤，并通过软件Design-Expert7.0软件演示原文中响应面曲线优化法的操作步骤。验证原文响应面法优化超声辅助提取车前草中的熊果酸各个数据的处理过程，通过数据比照，检验原文数据处理的正确与否。关键词：响应面优化法数据处理Design-Expert7.0车前草前言：响应曲面设计方法(ResponseSufaceMethodology，RSM)是利用合理的试验设计方法并通过实验得到一定数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法〔又称回归设计〕。响应面曲线法的使用条件有：①确信或疑心因素对指标存在非线性影响；②因素个数2-7个，一般不超过4个；③所有因素均为计量值数据；试验区域已接近最优区域；④基于2水平的全因子正交试验。进展响应面分析的步骤为：①确定因素及水平，注意水平数为2，因素数一般不超过4个，因素均为计量值数据；②创立“中心复合〞或“Box-Behnken〞设计；③确定试验运行顺序(DisplayDesign)；④进展试验并收集数据；⑤分析试验数据；⑥优化因素的设置水平。响应面优化法的优点：①考虑了试验随机误差②响应面法将复杂的未知的函数关系在小区域内用简单的一次或二次多项式模型来拟合，计算比拟简便，是降低开发本钱、优化加工条件、提高产品质量，解决生产过程中的实际问题的一种有效方法③与正交试验相比，其优势是在试验条件寻优过程中，可以连续的对试验的各个水平进展分析，而正交试验只能对一个个孤立的试验点进展分析。响应面优化法的局限性:在使用响应面优化法之前，应当确立合理的实验的各因素和水平。因为响应面优化法的前提是设计的试验点应包括最正确的实验条件，如果试验点的选取不当，实验响应面优化法就不能得到很好的优化结果。原文响应面法优化超声辅助提取车前草中的熊果酸采用经典的三因素三水平Box-Behnken试验设计，以熊果酸的提取率为响应值，通过回归分析各工艺参数与响应值之间的关系，并由此预测最正确的工艺条件。本文利用软件验证原文中的数据处理过程，以检验原文数据是否处理正确。1确定实验因素原文利用超声波辅助提取车前草中的熊果酸，而影响熊果酸提取率的因素有很多，如超声波的功率、提取时间、溶剂温度、溶剂种类、液固比等。原文参考文献柿叶中总三萜的提取以及熊果酸别离,纯化研究中提取熊果酸的方法提取熊果酸，即将枯燥的车前草粉碎后过筛，取20～40目的车前粉，用石油醚在55℃μm滤膜，进展检测。每个实验进展3次平行实验。取其平均值。结果以提取率(E)的来表示。C×VE/%=———×100M式中：C为熊果酸的质量浓度/(g/mL)；V为参加乙醇的体积/mL；m为车前草的质量/g。在一系列单因素实验的根底上，采用经典的三因素三水平Box-Behnken试验设计，选取提取温度(A)、乙醇体积分数(B)、超声功率(C)三个因素作为优化条件的因素对象。2确定因素水平范围确定因素水平范围就是通过做单因素初步试验或由样品的特性和工艺来确定BBD设计所研究的因素水平范围。确定适宜的因素水平范围对获得理想的优化结果非常重要，如果水平范围太窄得不到优化结果，太宽也会使结果准确度降低。原文在单因素实验的根底上确定了因素水平范围是：提取温度的：60—80℃；乙醇体积分数：90—100%；提取功率：420—540W3试验设计安排与结果根据Box-Behnken中心组合设计原理,在单因素试验的根底上，以提取温度、乙醇体积分数和提取功率三个因素为自变量，熊果酸提取率%为响应值，作三因素三水平的响应面分析试验，共17个试验点。其中12个为析因子，5个为中心试验用以估计误差。试验因素和水平见表一。表一响应面试验因素水平表Table1Factorsandlevelsinresponsesuefacedesign水平提取温度〔℃〕乙醇体积分数〔%〕提取功率〔W〕-1608042007090480180100540表二响应面试验方案及结果Tabel2Schemeandexperimentalresultsofresponsesurfacedesign试验号ABC提取率〔%〕1-1-100.05440321-100.1009363-1100.07044041100.0947825-10-10.062646610-10.0955397-1010.06337081010.10065390-1-10.0855731001-10.078006110-110.098521120110.086069130000.108560140000.101516150000.101054160000.102413170000.1054894用软件(Design-Expert)对实验数据统计分析实验结果输入4.6实验数据分析4.6.1把优化设计表中因素水平由编码值转换成实际值实际值输入的时候要注意从大到小输入，例如：提取温度，先输入高值80，再输入低值60。将实验方案切换到实际值界面点击DisplayOptions ProcessFactorsActual4.7方差分析由方差分析可知：模型的，P=<，说明实验所采用的二次模型是极显著的，在统计学上是有意义的。失拟项用来表示所用模型与实验拟合的程度，即二者差异的程度。本例P值为0.0855，对模型是有利的，无失拟因素存在，因此可用该回归方程代替试验真实点对实验结果进展分析。因素A提取温度的P值<0.0001，说明因素A提取温度对提取率%的影响是极显著的。而A的2次方，B的2次方，C的2次方的P值均小于0.05，说明A2、B2、C2对提取率均有显著影响。而因素B的P值=0.5035，因素C的P值=0.104，均大于0.05，所以因素B、因素C，即乙醇体积分数和提取功率对提取率没有显著影响。交互项AB、AC、BC的P值均大于分别为：0.0653、0.6788、0.6455，均大于0.05，所以交互项对提取率没有显著性影响。变异系数校正决定系数R2〔Adj〕=0.9105，变异系数C.V.%为5.72%，说明该模型有8.95的变异不能由该模型解释，因此，该模型的拟合性较好。4.8多元二次响应面分析编码数据拟合出的多元二次方程，R2=0.9608，与原文中的拟合方程一致。原文中的拟合方程：该多元二次方程为编码值的拟合方程，非实验值的多元二次方程，实验值的多元二次方程为：4.9残差的正太分布图根本都在同一条直线上根本都在同一条直线上4.10ResidualsvsPredicted图符合分布无规律符合分布无规律4.11PredictedvsActual图根本能在一条直线上根本能在一条直线上4.12实验实际值和方程预测值方程预测值实验实际值方程预测值实验实际值实验实际值和方程预测值根本都很接近，虽和原文相比，有一些差异，均在可承受的范围内。原文数据如下：原文数据输入错误原文数据输入错误4.13等高线图4.14三维响应曲面图4.14.1A提取温度、B乙醇体积分数、提取率三维曲面图.2A提取温度、C提取功率、提取率三维曲面图4.14.3B乙醇体积分数、C提取功率、提取率三维曲面图4.15用RSM预测最优值Goal选maximize选项Upper选项选择远离最高点的值选提取率Goal选maximize选项Upper选项选择远离最高点的值选提取率RSM得出的最正确方案RSM得出的最正确方案R℃B乙醇体积分数为86.96%提取率%为0.110187%软件验证的结果和原文中的结果一致，原文中的结果如下：5用SAS软件进展岭脊分析5.1翻开SAS软件，在Editor-untitled1中输入语句和数据5.2查看output,可得到一下结果：5.3经过SAS岭脊分析，最有条件为B乙醇体积分数为：86.968%提取率%为：0.110187%6RSM分析和SAS分析与原文结果比拟表二提取温度〔℃〕乙醇体积分数〔%〕提取功率〔W〕提取率%RSM分析76.5100086.96000496.300000.11019SAS分析76.5030086.96800496.291270.11019原文结果76.5100086.96000496.320000.110007、案例实验设计和原文数据分析比拟及评价本文利用现今流行的DesignExpert7.0软件和SAS软件中的岭脊分析验证文献响应面法优化超声辅助提取车前草中的熊果酸中的数据分析过程。从实验方案的建立到实验结果的方差分析，再到二次多项式逐步回归拟合，到最后的最优值的计算，本文演示的结果和原文根本一致，仅有一些略微的差异，各项数据均能符合统计指标要求。但通过RSM分析得出的最优值仍不可靠，所以还需用SAS软件进展岭脊分析，这样得出的最优提取条件才是可靠的。经过验证，原文中的提取温度因素对提取率有显著性影响，