正交试验设计在燕麦葡聚糖提取中的应用游水平

博士□兽医硕士专业学位□硕士eq\o\ac(□,√)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eq\o\ac(□,√)选修课□补修课□研究生年级、姓名2011级曹铭2011050729所在学院及专业食品科学与工程学院食品科学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设计在燕麦β-葡聚糖提取中的应用摘要：正交试验设计是使用正交表来安排多因素、多水平试验，并采用统计学方法分析实验结果的一种实验设计方法。对于多因素、多水平的问题，人们一般希望通过若干次的实验找出各因素的主次关系和最优搭配条件，用正交表合理地安排实验，可以省时、省力、省钱，同时又能得到基本满意的实验效果。为确定提取燕麦中β-葡聚糖的最佳工艺条件，以分光光度法测定得到的燕麦β-葡聚糖含量为指标，采用正交试验设计，分别考察pH值、液料比、温度和提取时间对提取率的影响．由此知提取燕麦中的β-葡聚糖的较佳工艺是，液料比为25，pH值为11时80℃水浴提取4h关键字：燕麦；β-葡聚糖；正交试验设计；提取工艺1前言当析因设计要求的实验次数太多时，一个非常自然的想法就是从析因设计的水平组合中，选择一部分有代表性水平组合进行试验。因此就出现了分式析因设计(fractionalfactorialdesigns)，但是对于试验设计知识较少的实际工作者来说，选择适当的分式析因设计还是比较困难的。正交试验设计是分式析因设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。正交试验设计是使用正交表来安排多因素、多水平试验，并采用统计学方法分析实验结果的一种实验设计方法。对于多因素、多水平的问题，人们一般希望通过若干次的实验找出各因素的主次关系和最优搭配条件，用正交表合理地安排实验，可以省时、省力、省钱，同时又能得到基本满意的实验效果。因此，这种方法在改进产品质量、优化工艺条件及研发新产品等诸多方面广泛应用。燕麦麸皮是加工燕麦粉过程中的副产品，由于其中较高含量的高品质的膳食纤维而越来越受到人们的重视[1-2]。通过对燕麦麸皮化学组成的分析发现，其主要成分为β-葡聚糖．β-葡聚糖是一种水溶性膳食纤维，构成单体为β-D一吡喃葡萄糖，是通过β-(1-3)和β-(1-4)糖苷键连接起来，形成的一种高分子的聚合物[3]。β-葡聚糖具有清肠、降低胆固醇、降血糖、预防大肠癌等主要生理功能[4-8]。本试验选用pH值、液料比、温度和提取时间4因素为研究对象，并取各因素3个水平,采用正交试验设计，对燕麦β-葡聚糖提取工艺进行优化。2正交试验设计正交试验设计的选择对于单因素或两因素试验，因其因素少，试验的设计、实施与分析都比较简单。但在实际工作中，常常需要同时考察3个或3个以上的试验因素，若进行全面试验，则试验的规模将很大，往往因试验条件的限制而难于实施。正交试验设计就是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法。它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格，称为正交表。正交表是一整套规则的设计表格，用L为正交表的代号，n为试验的次数，t为水平数，c为列数，也就是可能安排最多的因素个数。例如作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行33=27种组合的实验，且尚未考虑每一组合的重复数。若按L9(3)3正交表安排实验，只需作9次，按L18(3)7正交表进行18次实验，显然大大减少了工作量。因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。2.2正交表的性质(1)每一列中，不同的数字出现的次数相等。例如在两水平正交表中，任何一列都有数码“1”与“2”，且任何一列中它们出现的次数是相等的；如在三水平正交表中，任何一列都有“1”、“2”(2)任意两列中数字的排列方式齐全而且均衡。例如在两水平正交表中，任何两列(同一横行内)有序对子共有4种：(1，1)、(1，2)、(2，1)、(2，2)。每种对数出现次数相等。在三水平情况下，任何两列(同一横行内)有序对共有9种，1.1、1.2、1.3、2.1、2.2、2.3、3.1、3.2、3.3，且每对出现数也均相等。以上两点充分的体现了正交表的两大优越性，即“均匀分散性，整齐可比”。通俗的说，每个因素的每个水平与另一个因素各水平各碰一次，这就是正交性。正交试验设计的基本程序对于多因素试验，正交试验设计是简单常用的一种试验设计方法，其设计基本程序如图1和图2所示。正交试验设计的基本程序包括试验方案设计及试验结果分析两部分。试验目的与要求试验目的与要求试验指标试验指标选因素、定水平选因素、定水平因素、水平确定因素、水平确定选择合适正交表选择合适正交表试验结果分析列试验方案表头设计 试验结果分析列试验方案表头设计图1试验方案设计进行试验，记录试验结果进行试验，记录试验结果试验结果方差分析试验结果极差分析试验结果方差分析试验结果极差分析绘制因素指标趋势图绘制因素指标趋势图计算各列偏差平方和、自由度计算极差R计算计算各列偏差平方和、自由度计算极差R计算K值计算k值列方差分析表，进行列方差分析表，进行F检验分析检验结果，写出结论优水平分析检验结果，写出结论优水平因素主次顺序因素主次顺序结论结论优组合图2试验结果分析2.4正交试验结果的分析方法直接对比法直接对比法就是对试验结果进行简单的直接对比。直接对比法虽然对试验结果给出了一定的说明，但是这个说明是定性的，而且不能肯定地告诉我们最佳的成分组合。显然这种分析方法虽然简单，但是不能令人满意。此方法一般不采用。直观分析法直观分析法是通过对每一因素的平均极差来分析问题。所谓极差就是平均效果中最大值和最小值的差。有了极差，就可以找到影响指标的主要因素，并可以帮助我们找到最佳因素水平组合。3材料与方法3.1材料燕麦麸皮20～60目，河北省张家口农科院燕麦研究所。3.2仪器与试剂PHS一3D型PH计，上海三信仪表厂；SIGMA3—18K型离心机；HH一1型数显恒温水浴锅，国华电器；DSHZ一300型多用途水浴恒温振荡器，江苏太仓市实验设备厂；紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器。3.3工艺流程据已有研究报道[9-10]，本试验改进工艺流程如下：3.4试验设计3试验目的和指标为了优化燕麦β-葡聚糖提取工艺条件，以燕麦β-葡聚糖含量为指标来评价提取工艺的好坏。3试验因素和水平为研究不同的因素水平对燕麦β-葡聚糖提取率的影响，本试验确定温度、液料比、pH值和时间为试验因素，各因素取3个水平，因素水平表见表1所示。表1因素水平Table1Theleveloffactors水平因素温度(A)∕℃液料比(B)pH值(C)时间(D)∕h160209327025104380301153.4.不考察交互作用，可将温度(A)、液料比(B)和pH值(C)、时间（D）依次安排在L9(34)的第1、2、3、4列上，见表2所示。表2表头设计Table2Headerdesign列号1234因素ABCD3试验方案本研究按正交表L9(34)安排试验，试验方案见表3，从而找到最佳的燕麦β-葡聚糖提取工艺条件。表3试验方案Table3testingprogram实验号温度(A)∕℃液料比(B)pH值(C)时间(D)∕h11(60)1(20)1(9)1(3)212(25)2(10)2(4)313(30)3(11)3(5)42(70)123522316231273(80)13283213933213数据处理按照表3设计方案做试验，记录试验结果，采用DPS软件对试验数据进行处理。4结果与分析4.1极差分析结果表4正交试验结果Table4Theresultsoforthogonalexperiment实验号温度(A)液料比(B)pH值(C)时间(D)β-葡聚糖得率∕(mg﹒g-1)和111112122231333421235223162312731328321393321K1K2K3k1k2k3极差R表5因素与指标趋势图Table5Trendsoffactorsandindicators表4中的K1、K2、K3分别表示在各因素各水平下β-葡聚糖得率的总和。k1、k2、k3分别表示在各因素各水平下β-葡聚糖得率的平均值。β-葡聚糖得率的均值大小反映同一个因素的各个不同水平对试验结果影响的大小．由表4和表5可知，温度的3个水平的影响大小是A3>A2>A1，液料比的3个水平的影响大小事B2>B3>B1，pH值的3个水平的影响大小是C3>C2>C1，时间的3个水平的影响大小是D2>D3>D1。用同一因素各水平下β-葡聚糖得率的均值的极差R来反映各因素的水平变动对试验结果影响的大小。极差大就表示该因素的水平变动对试验结果的影响大，极差小就表示该因素的水平变动对试验结果的影响小。由表5得到因素的主次顺序依次为温度(A)、pH值(C)、液料比(B)和时间(D)。主要因素应取最好的水平。而次要因素则可根据成本、时间、收益等方面的统筹考虑选取适当的水平。由此得到各因素的最佳搭配为A3B2C3D2即温度为80℃，液料比为25，pH值为11，提取时间为方差分析结果表6方差分析表Table6Analysisofvariance变异来源平方和自由度均方F值p-值温度(A)2液料比(B)2pH值(C)2时间(D)2误差18由表6可知，因素A、B、C和D的p值都是0.0001，说明4个因素的3个水平有显著差异，且A，B，C，D4个因素对β-葡聚糖得率均有极显著影响。由FA>FB>FC>FD可知，因素的主次顺序为A>B>C>D，由此得到各因素的最佳搭配为A3B2C3D2即温度为80℃，液料比为25，pH值为11，提取时间为4结论当极差分析结果和方差分析结果不同时，通常极差分析与方差分析选用一种你认为可靠的方法即可，极差虽然计算简单，含义直观，运用方便，但只指明了测定值的最大离散范围，而未能利用全部测量值的信息，不能细致地反映测量值彼此相符合的程度，极差是总体标准偏差的有偏估计值，当乘以校正系数之后，可以作为总体标准偏差的无偏估计值。但是，它仅仅取决于两个极端值得水平，不能反映其间的变量分布情况，同时易受极端值的影响，不能对各因素的主要程度给予精确的数量估计而方差分析可以分析出试验误差的大小，从而知道试验精度；不仅可给出各因素及交互作用对试验指标影响的主次顺序，而且可分析出哪些因素影响显著，哪些影响不显著。对于显著因素，选取优水平并在试验中加以严格控制，因此结果更为可靠，故本试验因素的主次顺序是温度(A)>液料比(B)>pH值(C)>时间(D)，且4个因素均影响极显著，各因素的最佳搭配为A3B2C3D2即温度为80℃，液料比为25，pH值为11，提取时间为4h。用较佳组合进行提取，β-葡聚糖得率在17mg／参考文献[1]孙冀平，高瞩，白永，等．燕麦中β-葡聚糖研究进展[J]．粮食与油脂，2000(2)：15—16．[2]刘河．裸燕麦保健功能及其开发[J]．粮食与油脂，1999(2)：11—12．[3]ZhangD，Doehlert．RheologicalPropertiesof(1→3)，(1→4)一D—GlueansfromRaw，Roasted，andSteamedOatGroats[J]．CerealChemistry，1998，75：433—438．[4]王凤梅，樊明寿，郑克宽．燕麦β-葡聚糖的保健作用及影响其积累的因素[J]．麦类作物学报，2005，25(2)：116—118．[5]BeerMU，Arrigo