《功能性食品开发与应用》课件-实验二 功能性食品开发试验设计

2026/4/15项目六功能性食品新品开发

——试验设计教学目标【知识目标】

掌握新产品、新技术的研究方法和过程。掌握食品企业科研管理的基本知识。【技能目标】

具有科研项目可行性报告编制、试验方案设计、试验方案实施及科研成果申报及管理的能力。【素质目标】

具有获取信息、分析问题及解决问题的思维和能力。新产品开发新产品开发是指从研究选择适应市场需要的产品开始到产品设计、工艺制造设计，直到投入正常生产的一系列决策过程。从广义而言，新产品开发既包括新产品的研制也包括原有的老产品改进与换代。新产品开发是企业研究与开发的重点内容，也是企业生存和发展的战略核心之一。研发思路以前从未有过的产品新上生产线，生产新产品原有产品的重新定位扩大系列的产品改进现有产品原有产品的优惠包装以功能为中心制定产品开发计划最大限度的降低产品总成本形成新产品开发的良性循环开展创造性思维研发思路新产品开发的一般程序

新产品的初步设计→新产品开发可行性实施方案的制定→新产品的研制→新产品的鉴定、试销和大批生产新产品开发研制样品试制阶段。它的目的是考核产品设计质量，考验产品结构、性能及主要工艺，验证和修正设计图纸，使产品设计基本定型，同时也要验证产品结构工艺性，审查主要工艺上存在的问题。小批试制阶段。这一阶段的工作重点在于工艺准备，主要目的是考验产品的工艺，验证它在正常生产条件下（即在生产车间条件下）能否保证所规定的技术条件、质量和良好的经济效果。试制后，必须进行鉴定，对新产品从技术上、经济上作出全面评价。然后才能得出全面定型结论，投入正式生产。例：植物性功能饮料植物原料浸提澄清过滤浓缩原料处理装箱砂糖调配灌装(加热)其他添加辅料过滤溶糖容器处理密封检验杀菌冷却工艺流程：新产品开发的一般过程计划书制定开发研究开始第1次评价委员会评价品质预测评价调查第2次评价委员会评价第3次评价委员会原料调查制品开发研究暂定配方、工艺

配方改进各种规程、标准制定制定具体计划书开发试制基本配方中止、保留中止、保留工艺的再研讨批量试产最终配方、工艺、标准第4次评价委员会中止、保留开发完成反馈(1)(2)(3)(9)(5)(4)(8)(7)(6)(13)(14)(11)(12)(10)(17)(16)(15)(18)反馈中止、保留反馈反馈项目实施—试验研究试验研究步骤

收集整理和分析资料

试验设计试验的实施

结果的统计分析试验设计是影响研究成功与否最关键的一环。试验设计

在少做试验的情况下得到最佳工艺参数，从而提高产品质量。主要包括研究的因素、水平的确定和试验设计方法的确定。试验设计试验设计的作用分清试验因素对试验指标影响的大小顺序，找出主要因素。了解试验因素对试验指标影响的规律性。了解试验因素之间的相互影响情况。找出最优生产条件或工艺条件，确定最佳方案。1.试验因素和因素水平

试验因素:对试验指标有影响的原因或要素，也称为因子。提取时间、提取温度、提取方法

因素水平:试验设计中选定的试验因素所处的状态和条件,称为因素水平，n.提取时间n=3；提取温度n=3；提取方法n=2提取时间提取温度提取方法2h，3h，4h30℃，40℃，50℃超声法、浸提法灵芝提取液的制备试验设计常用术语2.试验指标

试验设计中根据试验目的而选定的用来考察或衡量试验效果的特征量称为试验指标，也称实验结果。

如：考察加热时间和温度对果胶酶的活性的影响时，果胶酶活性就是试验指标。

试验设计常用术语定性指标：不能用数量表示的指标。如：色泽、风味、口感、手感等。食品的感官指标多为定性指标。定量指标（或数量指标）：能用数量表示的指标。如：食品的糖度、酸度、pH、提汁率、糖化率、吸光度、合格率等。食品的理化指标及由理化指标计算得到的特征值多为定量指标。试验指标分为定性指标和定量指标两类。试验设计常用术语试验设计试验设计的方法单因素试验正交试验设计均匀设计回归正交设计旋转回归设计混料设计当存在多个因素时，将其它因素固定在某个水平上，只改变某一个因素的水平进行优化。当这个因素优化后，再优化下一个因素，从而完成对所有因素的优化工作。优点：数据处理简单、直观；缺点：不能全面反映化学过程的本质，在因素间存在交互作用时，得到的结果是不准确的。单因素试验因素分类及水平数量的选取质性：如不同生产工艺、不同包装方式、不同触媒种类等。一般实际有多少种就取多少个水平。量性：如温度、时间、压力、某组分的添加量等。需考虑其水平控制范围及间隔、水平数量。水平数量一般3-5个比较合适。水平范围应尽可能在最佳区域或接近最佳区域。试验指标对其反应灵敏的因素，水平间隔应小些，反之应大些。单因素试验量性因素的水平间隔设置方法等差法：因素水平间隔是等差的，如40%、50%、60%等比法：因素水平间隔是等比的，如5min、10min、20min、40min随机法：随机，水平大小无一定关系，如15mg、10mg、30mg、40mg，一般用于预备试验。单因素试验范例： 进行单因素试验，寻找好的工艺使得提取率最高。

A为提取温度，B提取时间，C为液固比A（℃）808590B（min）90120150C（v:m）567单因素试验设计第一步 将时间（B＝90min）和液固比（C＝5）固定，变化温度。A（℃）80℃85℃90℃得率（％）33%70%64%第二步 固定温度（A=85℃）和液固比（C=5），变化时间B（min）90min120min150min得率（％）70%73%59%第三步 固定时间（B＝120min）和温度（A＝85℃），变化液固比C567得率（％）73%75%68%确定最佳工艺

A＝85℃，B＝120min，C＝6。单因素试验缺点：试验次数比较多，花费的时间较多；没有充分利用试验结果的信息；对于存在交互作用的试验，误差较大。正交试验法正交试验法是一种合理安排、科学分析多因素试验的有效的数学方法。整体设计:借助一种规格化的“正交表”，从众多的试验条件中确定若干代表性较强的试验条件，科学地安排实验，然后再对试验结果进行综合比较、统计分析，探求各因素水平的最佳组合。图中圆点表示的为正交设计的试验，这些点在三维空间的分布是均匀分散的。正交表一种特制的表格如：L9（34）

试验号

列号ABCD111112122231333421235223162312731328321393321正交表正交表的记号正交表的性质特点每列中不同数字出现的次数是相等的。在任意两列中，将同一行的两个数字看成一个有序数对时，每种数对出现的次数是相等的。L9(34)正交表需做的试验次数最多允许安排的因素个数因素的水平数范例：

L9(34)

表示该表最多能考察4个因素，每个因素可取3个水平，共需做9次试验。

L8(4X24)

表示一个因素是4个水平，4个因素各为2个水平的混合水平正交表，共需做8次试验。（1）安排合理，经济高效。全面考察4个因素、3个水平需做34＝81次试验，而采用正交表L9(34)仅需做9次试验。（2）分清主次，找出关键。同时对多个因素进行优化，并从中找出影响试验结果的关键因素。（3）掌握规律，有效控制。能搞清因素与指标间的因果关系，并能够发现因素之间的交互。（4）指明方向，效果明显。能从试验设计结果分析中，进行预测、估计，找出最优方案。正交设计的作用正交试验例：某保健品生产企业，为了得到最佳的DHA软糖口感，通过试验选择最好的生产方案，进行了正交试验。各影响因素和水平如下：

水平

因素ADHA添加比例B成型温度（℃）C加水量%11:161701221:182301531:1420013正交试验

试验号

因素ABC感官得分11(1:16)1(170)1(12)15212(230)2(15)45313(200)3(13)3542(1:18)124052234562313073(1:14)1340832140933260K131.731.728.3K238.343.348.3K346.741.740.0极差15.011.620.0最优条件A3B2C2通过简单的极差分析可知，影响因素从主到次依次为CAB，最佳条件为A3B2C2需做验证试验⑴明确试验目的，确定试验指标如为功效成分提取试验，试验目的是寻求提取的最佳条件，以提取综合指标为试验指标，指标值越高，说明提取效果越好。⑵挑因素、选水平，制定因素水平表主要根据试验目的查找的有关资料、试验人员的实践经验和试验的具体条件，确定相关因素。一般试验中，因素以不超过4个为好。因素挑好后，就要根据资料和实际情况选水平。一般水平数选2-4个为宜。正交设计的步骤⑶选取合适的正交表总原则：能容纳所有考察因素，又使试验号最小。

(1)先看水平数。根据水平数选用相应的水平的正交表。

(2)其次看试验要求。一般情况下，试验因素的水平数应恰好等于正交表记号中括号内的底数；因素的个数（包括交互作用）应不大于正交表记号中括号内的指数；各因素及交互作用的自由度之和要小于所选正交表的总自由度，以便估计试验误差。

正交设计的步骤⑷作表头设计

所谓表头设计，就是把挑选出的因素和要考察的交互作用分别排入正交表的表头适当的列上，从而形成试验方案。

同一试验，即使采用同一张正交表，可以有不同的表头设计方案，但这并不影响最终的结果分析。为了便于对试验结果进行方差分析，在表头设计时 应尽量留出空列正交设计的步骤⑸进行试验，收集试验数据对于试验方案表的实施，既可以按表中试验号顺序来做，也可将试验号按随机排列的顺序来做。

不能将各个试验号中处理组合的内容随意更改。

在试验过程中，要加强管理，试验结束，及时收集有关试验指标数据，并进行分析。正交设计的步骤⑹对试验结果进行分析

对正交试验的结果分析，可采用直观分析法和方差分析法。正交设计的步骤直观分析法

是对各试验结果进行直接比较，并由试验结果求出各因素每个水平的试验结果综合值与平均值，再求出每个因素的极差，由极差确定因素主次，由平均值大小确定最佳工艺水平组合。优点：该分析方法简单明了；缺点：不能估计试验中必然存在的误差的大小；1）直接比较，找出试验的好结果

对试验结果进行直接比较，找出在正交试验中指标最好的因素水平的组合。如果在实际生产中时间比较紧，可将找出的好结果暂时用于生产中。正交试验的直观分析方法2）分别计算各因素各水平的指标之和和指标平均值

某因素某水平的指标之和，等于该因素该水平相对应的指标值相加。某因素某水平的指标平均值，等于该因素该水平的指标之和除以该水平出现的次数。

各因素各水平的指标之和应相等。各因素各水平的指标的平均值的和应相等。正交试验的直观分析方法3）计算各因素的极差

某因素的极差R，等于该因素各水平指标的平均值中，最大的数减去最小的数。正交试验的直观分析方法4）作出试验结论

通过上述的分析，可以作出因素对试验指标影响的主次顺序，并选出最优的处理组合。1.找出主要因素

极差R值越大，因素对试验指标影响也越大，因素也就越重要。（需要挑选其最佳水平）

范例：本例中，根据极差R值的大小，找出影响DHA软糖口感指标的因素主次顺序依次为：C（加水量）>A（DHA添加比例）>B（成型温度）。正交试验的直观分析方法4）作出试验结论2.选出最优处理组合各因素、各水平的指标之和最大者，即是要选的最好水平。范例：

经直观分析，DHA添加比例1:14、成型温度为230℃、加水量15%为最好，即最优处理组合是A3B2C2

。

而实际试验以第9号试验的综合指标为最好，即DHA添加比例1:14、成型温度为200℃、加水量15%，其处理组合为A3B3C2。正交试验的直观分析方法5）验证试验或进一步优选

正交试验是部分实施的试验设计，所以分析选出的最优处理组合常常不一定与实际试验结果最好的处理组合相符合。 这也是正交试验的先进之处，即有可能通过试验结果的分析找出更好的处理组合。正交试验的直观分析方法5）验证试验或进一步优选

因分析出的可能最佳的处理组合一般未经