正交实验设计与数据处理在食品科学技术研究中的应用.docx

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正交实验设计与数据处理在食品科学技术研究中的应用

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试验设计与数据处理论文

正交实验设计与数据处理

在食品科学技术研究中的应用

班级：

XXXXXXXXXX

专业：

XXXXXXXXXX

姓名：

XXXXXXXXXX

学号：

XXXXXXXXXX

正交实验设计与数据处理在食品科学技术研究中的应用

【摘要】数据处理是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输。

数据的形式可以是数字、文字、图形或声音等。

数据经过解释并赋予一定的意义之后，便成为信息。

数据处理的基本目的是从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中抽取并推导出对于某些特定的人们来说是有价值、有意义的数据。

本文介绍了正交试验设计的方法并举例说明了该方法在食品科学技术研究中的应用。

【关键词】实验设计方法；正交试验；在食品科学中的应用；正交分析法

引言正交设计方法是处理多因素试验的一种科学的试验方法,它利用一种规范化的表-正交表,合理安排试验,用这种方法只进行较少次数的试验便可判断出较优的条件;若再对试验结果进行简单的统计分析,还可以更全面、更系统地掌握试验结果,作出正确的判断。

影响小麦秸秆粉碎性能的因素有很多,很有必要利用正交设计方法对其各种因素影响的关键程度和每个因素的最优水平进行科学的分析和确定。

实验设计指科学研究的一般程序的知识，它包括从问题的提出、假说的形成、变量的选择等等一直到结果的分析、论文的写作一系列内容。

它给研究者展示如何进行科学研究的概貌，试图解决研究的全过程。

实验设计的活动包括如下：

1．建立与研究假说有关的统计假说；2．确定实验中使用的实验处理（自变量）和必须控制的多余条件（额外变量）；3．确定实验中需要的实验单元（被试）的数量及被试抽样的总体；4．确定将实验条件分配给被试的方法；5．确定实验中每个被试要记载的测量（因变量）和使用的统计分析。

研究者在实验前根据研究目的拟定的实验计划及方法策略。

其主要内容是合理安排实验程序，并提出将如何对实验数据作统计分析、心理实验设计的主要步骤可归纳为：

①根据研究目的提出假设；②拟定验证假设的方法、程序；③选择适当的处理、分析实验数据的统计方法。

常用的实验设计方法有：

正交试验设计法、均匀实验设计法、单纯形优化法、双水平单纯形优化法、回归正交设计法等。

可供选择的实验设计方法很多，各种试验方法都有它们的特点。

所面对的任务与要解决的问题不同，选择的方法也应有所不同。

　正交试验设计（Orthogonalexperimentaldesign）是研究多因素多水平的又一种设计方法，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，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。

　　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。

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）正交表安排实验，只需作9次，按L18（3）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。

　　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L9（34），它表示需作9次实验，最多可观察4个因素，每个因素均为3水平。

一个正交表中也可以各列的水平数不相等，我们称它为混合型正交表。

正交试验设计的安排　　

正交试验设计的关键在与试验因素的安排。

通常，在不考虑交互作用的情况下，可以自由的将各个因素安排在正交表的各列，只要不在同一列安排两个因素即可（否则会出现混杂）。

但是当要考虑交互作用时，就会受到一定的限制，如果任意安排，将会导致交互效应与其它效应混杂的情况。

　　因素所在列是随意的，但是一旦安排完成，试验方案即确定，之后的试验以及后续分析将根据这以安排进行，不能再改变。

对于部分表，如L18（2*3^7）则没有交互作用列，如果需要考虑交互作用需要选择其它的正交表。

正交试验设计的极差分析　　

在完成试验收集完数据后，将要进行的是极差分析（也称方差分析）。

　　极差分析就是在考虑A因素时，认为其它因素对结果的影响是均衡的，从而认为，A因素各水平的差异是由于A因素本身引起的。

用极差法分析正交试验结果应引出以下几个结论：

①在试验范围内，各列对试验指标的影响从大到小的排队。

　　某列的极差最大，表示该列的数值在试验范围内变化时，使试验指标数值的变化最大。

所以各列对试验指标的影响从大到小的排队，就是各列极差D的数值从大到小的排队。

②试验指标随各因素的变化趋势。

③使试验指标最好的适宜的操作条件（适宜的因素水平搭配）。

④对所得结论和进一步研究方向的讨论。

较优条件选择　各因素的好水平加在一起，是否就是较优试验条件呢？

理论上，如果各因素都不受其它因素的水平变动影响的，那么，把各因素的优水平简单地组合起来就是较好试验条件。

但是，实际上选取较好生产条件时，还要考虑因素的主次，以便在同样满足指标要求的情况下，对于一些比较次要的因素按照优质、高产、低消耗的原则选取水平，得到更为结合试验实际要求的较好生产条件。

　　以上介绍如何分析各因素水平的变动对指标的影响。

讨论A因素时，不管其它因素处在什么水平，只从A的极差就可判断它所起作用的大小。

对其它因素也作同样的分析，在此基础上选取谙因素的较优水平。

　　实践中发现，有时不仅因素的水平变化对指标有影响，而且，有些因素间各水平的联合指配对指标也产生影响，这种联合搭配作用称为交互作用。

而交互作用应该在试验设计时考虑到。

正交试验分析方法

一、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。

二、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。

正交试验设计的过程:

　　1）确定试验因素及水平数；　　2）选用合适的正交表；　　3）列出试验方案及试验结果；　　4）对正交试验设计结果进行分析，包括极差分析和方差分析；5）确定最优或较优因素水平组合。

例1应用正交设计法筛选天麻钩藤饮优化处方研究1　天麻钩藤饮优化处方筛选　1.1　优化处方筛选方案　天麻钩藤饮由11味中药组成,将每一味中药作为一个因素,每个因素设“有”和“无”两个水平（即有此药和无此药）,选择L12（211）正交表设计配方,共得12个配方。

根据中医理论结合笔者临床经验,选取天麻钩藤饮正交1方、正交2方与天麻钩藤饮原方进行降压作用比较研究。

1.2　实验动物　清洁级SD大鼠90只,雌雄各半,体质重180～220g,湖南长沙市开福区东创实验动物技术服务部提供。

动物许可证号:

scxk（湘）200620001。

1.3　药物制备　附子汤（造模用）,制附子20g,煎煮90min,浓缩至200ml（含生药0.10g/ml）;天麻钩藤饮原方:

天麻10g,钩藤15g（后下）,石决明20g（先煎）,山栀、黄芩各6g,川牛膝10g,杜仲、益母草、夜交藤、茯苓各12g,桑寄生9g,水煎取200ml（含生药0.67g/ml）;天麻钩藤饮正交1方:

天麻10g,钩藤15g（后下）,石决明20g（先煎）,川牛膝10g,桑寄生9g,水煎取200ml（含生药0.36g/ml）;天麻钩藤饮正交2方:

天麻10g,钩藤15g（后下）,杜仲12g,山栀、黄芩各6g,水煎取200ml（含生药0.25g/ml）。

以上药材均由南宁市一心药业有限公司提供。

卡多普利（江苏常州制药厂生产）,磨粉后双蒸水溶解配制成200ml（0.16mg/ml）。

1.4　仪　器　ALC2NIBP无创尾动脉血压测定仪（上海奥尔科特生物科技有限公司）1.5　肝阳上亢证高血压模型　按文献方法[1,2],采用钳夹左肾动脉加灌服附子汤制作大鼠肝阳上亢证高血压模型。

钳夹左肾动脉以血管结扎后有血液回流,并结合顾德官等[3]报道的标准及国外较多采用的血压标准[4]:

手术后凡血压比术前增高20mmHg（大于正常血压3个标准差值）且高于150mmHg者确定为高血压大鼠模型成功。

术后2周加灌服附子汤4周,制备肝阳上亢证高血压大鼠模型。

根据形为学改变,包括外观毛色光泽度降低、双眼结膜颜色加深变红、性情易激惹、饮水量增加及旋转时间缩短等,确定为模型成功。

造模时间共6周。

1.6　分组与给药　将90只大鼠,随机分为六组,每组15只。

正常组给予蒸馏水灌胃8周;其余五组造模后,模型组给予蒸馏水灌胃;卡多普利组按3.31mg/（kg·d）,给予卡多普利溶液灌胃;天麻钩藤饮组按13.4g/（kg·d）,给予天麻钩藤饮溶液灌胃;天麻钩藤饮正交1方组按7.2g/（kg·d）,给予天麻钩藤饮正交1方溶液灌胃;天麻钩藤饮正交2方按5g/（kg·d）,给予天麻钩藤饮正交2方溶液灌胃。

以上剂量均按动物体表面积系数折算,相当60kg成人临床剂量的5.36倍。

灌胃容量均为每次20ml/（kg·d）,从第7周开始每天上午8时给药,1天1次,连续给药2周。

分笼饲养,正常饮食,自由饮水。

1.7　实验结果　与模型组比较,第8周末各用药组血压均有降低（P<0.05）;与卡托普利组比较,天麻钩藤饮组及天麻钩藤饮正交2方降压疗效不及卡托普利（P<0.05）;天麻钩藤饮正交1方降压疗效与西药卡托普利相当（P>0.05）,见表1。

2　天麻钩藤饮优化处方最佳剂量筛选　2.1　优化处方不同剂量配比方案　根据以上试验结果,选择降压效果最优的天麻钩藤饮正交1方中4味药物构成4个因素。

天麻以6g为1水平、9g为2水平、12g为3水平、15g为4水平;钩藤以12g为1水平、15g为2水平;石决明以18g为1水平、24g为2水平;桑寄生以9g为1水平、12g为2水平;川牛膝以9g为1水平、12g为2水平。

采用L8（41×24）混合水平正交表设计,共得8个处方,见表2。

2.2　药物制备　附子汤同实验一。

天麻钩藤饮正交1方8个处方均煎煮40min,浓缩至200ml液体,各方含生药量:

1方0.27g/ml,2方0.35g/ml,3方0.315g/ml,4方0.35g/ml,5方0.34g/ml,6方0.33g/ml,7方0.36g/ml,8方0.35g/ml。

2.3　造模及检测方法同优化处方筛选实验　2.4　分组与给药　取40只清洁级SD健康大鼠,雌雄各半,体质重200±20g,随机分为八组,每组5只。

每只大鼠灌胃容量均为每次20ml/（kg·d）,从第7周开始每天上午8时给药,1天1次,连续给药2周。

分笼饲养,正常饮食,自由饮水。

2.5　实验结果　第8周末各组血压均有降低（P<0.05）,但差异无统计学意义（P>0.05）。

为观察各因素即处方中各药味的作用是否存在显著性差异,采用每组血压降压差值直观分析法进行分析,见表3,4。

表3　天麻钩藤饮优化处方的最佳剂量筛选

表4　天麻钩藤饮优化处方降压作用的方差分析

结果显示,在对大鼠血压的影响中,各因素即处方中各药味的作用存在显著性差异,天麻降压效果最为明显,为主药,钩藤次之,为辅药。

天麻随着药量的增大对大鼠的血压影响不理想,故应该取最小剂量;钩藤随着剂量的增加,对大鼠的血压影响明显,故应当取最大剂量;石决明、桑寄生和川牛膝随着药量的增大对大鼠的血压影响不明显,考虑经济因素,在临床及科研应用中取低剂量。

因此,天麻钩藤饮优化处方最佳剂量配比为:

天麻6g、钩藤15g、石决明18g、桑寄生9g、川牛膝9g。

3　讨　论　

正交设计应用于中药复方研究,有利于分析中药复方配伍的主次关系,发现中药复方最佳配伍,筛选中药复方,指导临床合理用药。

本实验在相关的中医理论和临床经验指导下,对中药复方天麻钩藤饮进行两次正交试验设计,从而找出其最佳的组方（药物配伍和剂量）,为指导临床应用和中药复方的二次开发奠定基础。

实验结果表明,方中天麻平肝熄风,为君药;石决明、钩藤平肝潜阳,为臣药;桑寄生补益肝肾,为佐药;川牛膝引血下行,为使药。

诸药配伍,平肝熄风、滋阴潜阳作用更为突出。

药理研究证实,天麻及天麻密环菌菌

丝具有降血压、减慢心率、舒张外周血管、增加心脑血管血流的作用;钩藤及其生物碱能抑制细胞外Ca2+经电位依赖性Ca2+通道的内流,抑制细胞内Ca2+释放,此作用与经典钙拮抗剂相似;桑寄生能舒张冠状血管,增加冠脉血流,起到降压作用,另外还有利尿镇静作用,可协同降压;川牛膝苯提取物有显著降压及利尿作用。

本实验结果显示,天麻钩藤饮的优化处方以天麻6g、钩藤15g、石决明18g、桑寄生9g、川牛膝9g为最佳剂量配比。

例2正交设计方法在小麦秸秆粉碎性能影响因素分析中的应用1　试验原理利用自制的秸秆粉碎试验台进行试验。

试验时,首先将秸秆托板放在输送带上,然后按照预定的喂入量称好物料,并将其均匀地铺放在输送装置上,最后驱动粉碎刀辊,待刀辊运转平稳后,驱动输送装置开始喂料。

工作时,秸秆粉碎装置的刀辊高速旋转,高速旋转的动刀对秸秆有很强的抓取作用,秸秆在动刀的抓取作用下被卷入粉碎室,在动刀和定刀的共同作用下,秸秆被切断、打击、撕裂、揉搓成碎段或纤维状,然后经出口抛出粉碎室。

秸秆粉碎过程中,转矩转速传感仪将动刀轴所受的转矩和转速等物理信号转变为连续的电信号,CRAS数据采集系统（包括ADCRAS数据采集系统和SSCRAS信号与分析系统）将电信号转化为数字信号记录并传送给计算机,由计算机保存和处理试验数据,以便进行数据处理和功率曲线分析。

粉碎后的秸秆人工分类,用电子天平秤取质量,计算粉碎合格率。

试验流程图如图1所示。

图1　试验流程图

2　试验内容2.1　试验物料河南省洛阳地区当年自然成熟的小麦秸秆,经测试其含水率为30%。

2.2　试验喂入量模拟2.2m割幅联合收获机田间工况,按谷草比1∶1.5,产量7500kg/hm2计算,喂入量为1.98kg/s。

2.3　试验因素和试验水平考虑小麦秸秆粉碎的实际情况,本研究选取的试验因素为:

粉碎室包角A、刀辊转速B和动定刀间隙C。

查阅有关资料,考虑各个试验因素的使用范围并进行了适当扩展,取每个试验因素3个水平,具体为:

A:

A1=150°,A2=110°,A3=70°;B:

B1=2600r/min（55m/s）,B2=2100r/min（45m/s）,B3=1600r/min（35m/s）;C:

C1=10mm,C2=20mm,C3=30mm。

2.4　正交表选择正交表是正交设计方法中合理组织试验,并对试验结果直接进行分析的主要工具,它可以以尽量少的试验次数,解决比较复杂的多因素试验中以下各问题:

对指标的影响,哪个因素最重要,哪个因素次之;每个因素以哪个水平为最好?

各个因素以什么样的水平搭配起来,指标较好。

本试验有3个因素,每个因素有3个水平,所以选取如表1所示正交表。

表1　正交表

2.5　试验结果粉碎合格率、粉碎功耗正交试验数据结果如表2所示（为了数据的准确性,每个试验方案做两次,取其平均值）。

2.6　试验数据分析粉碎合格率数据分析如表3所示。

粉碎功耗数据分析如表4所示。

从粉碎合格率分析中可以看出:

对于粉碎合格率,壳体包角的显著水平为一水平150°,动刀轴转速的显著水平为一水平2600r/min,动定刀间隙为一水平10mm。

各因素的显著次序依次为:

因素B动刀转速、因素A壳体包角、因素C动定刀间隙。

保证试验指标粉碎合格率较高的最佳搭配为:

因素A壳体包角为一水平、因素B动刀轴转速为一水平、因素C动定刀间隙也为一水平。

表2　正交试验结果

表3　粉碎合格率正交试验数据分析

表4　功率消耗正交试验数据分析

从粉碎功耗数据分析中可以看出:

对于粉碎功耗,壳体包角的显著水平为三水平70°,动刀轴转速的显著水平为三水平1600r/min,动定刀间隙的显著水平为三水平30mm。

各因素的显著次序为:

因素A壳体包角、因素B动刀转速、因素C动定刀间隙。

保证试验指标粉碎功耗较低的最佳搭配为:

因素A壳体包角为三水平、因素B动刀轴转速为三水平、因素C动定刀间隙也为三水平。

3　结论1）粉碎合格率较高的最佳搭配为:

壳体包角150°、动刀轴转速2600r/min（55m/s）,动定刀间隙10mm。

粉碎功耗较低的最佳搭配为:

因素壳体包角为70°、动刀轴转速为1600r/min（35m/s）、动定刀间隙为30mm。

2）各因素对粉碎合格率显著次序依次为:

因素B动刀转速、因素A壳体包角、因素C动定刀间隙。

对粉碎功耗显著次序为:

因素A壳体包角、因素B动刀转速、因素C动定刀间隙。

例3正交试验设计在优化甘蔗再生体系中的应用1材料与方法1.1材料供试甘蔗品种为福农95-1702和福农94-0403,由农业部甘蔗生理生态与遗传改良重点开放实验室提供。

1.2方法1.2.1愈伤组织的诱导：

选取生长健壮的无病甘蔗梢部30cm,除去叶片,切取其顶端部分约5cm。

用75%的酒精擦拭其表面,消毒2~3min后,在超净工作台上剥去最外层,再75%酒精表面消毒1~2min后剥去次外层,然后小心切取直径为0.4~0.8cm,厚度为0.1~0.2cm的心叶,接种在MS+3mg/L2,4-D+30g/L蔗糖+6g/L琼脂粉,pH5.8的诱导培养基上,于26~28的暗室里培养诱导愈伤组织。

1.2.2愈伤组织的继代：

用镊子挑取诱导出来的呈淡黄色的胚性愈伤组织,转入MS+2mg/L2,4-D+30g/L蔗糖+6g/L琼脂粉,pH5.8的继代培养基上,每20d更换一次新的继代培养基。

1.2.3试验设计：

在分化培养基的优化试验中,采用L9（34）正交试验设计[2],配比四因素三水平,即6-BA（因素A）:

设A1、A2、A3分别为1.5、2.0、2.5mg/L;KT（因素B）:

设B1、B2、B3分别为1.0、1.5、2.0mg/L;NAA（因素C）:

设C1、C2、C3分别为0、0.1、0.2mg/L;活性炭（因素D）:

设D1、D2、D3分别为0、0.5、1.0g/L（表1）。

将正交试验中选出的2个优化组合为处理,以原有再生体系MS+2mg/L6-BA+0.1mg/LNAA+30g/L蔗糖+6g/L琼脂粉,pH5.8为对照CK,按双因素随机区组设计。

以上每种组合的分化培养基接种10块经过继代两次的胚性愈伤组织,每个组织块大小应该均匀一致,直径为2mm,每个组合重复3次,在26~28,每天12~14h2000Lx的光照条件下培养,每5d观察记录化情况,45d后做统计分析。

表1􀀁正交试验因素水平表L9（34）

2结果与分析2.1各因素对不定芽分化的影响2.1.1各因素对试验效果影响的主次：

由试验结果的极差分析可以粗略地看出（表2）,各试验因素对两个甘蔗基因型福农95-1702和福农94-0403不定芽分化的影响主次顺序分别为6-BA>KT>NAA>活性炭和KT=NAA>6-BA>活性炭。

更进一步精密的方差分析（表3）,则可以把影响福农94-0403不定芽分化的主次因素定为KT>NAA>6-BA>活性炭。

2.1.2各因素对试验效果的影响：

（1）6-BA浓度对分化的影响。

由表3看出,6-BA浓度对两个基因型愈伤组织分化的影响均极显著（P<0.01）。

新复极差法测验（表4）表明,对于福农95-1702和福农94-0403,分别以A1和A3水平效果最佳,45d后,每块愈伤组织所能分化的不定芽数分别达14.8个和8.3个。

（2）KT浓度对分化的影响。

由表3可知,KT浓度对两个基因型愈伤组织分化的影响均极显著（P<0.01）。

表4表明,对于福农95-1702和福农94-0403,分别以B3和B2水平效果最佳,45d后,每块愈伤组织所能分化的不定芽数分别达12.6个和9.0个。

（3）NAA浓度对分化的影响。

由表3可得,NAA浓度对两个基因型愈伤组织分化的影响均极显著（P<0.01）。

表4表明,对于福农95-1702和福农94-0403,分别以C3和C1水平效果最佳,45d后,每块愈伤组织所能分化的不定芽数分别为11.8个和8.6个。

（4）活性炭浓度对分化的影响。

由表3可得,活性炭浓度对福农95-1702的愈伤组织分化的影响显著（P<0.05）,而对于福农94-0403的愈伤组织分化的影响为极显著（P<0.01）。

表4表明,对于福农95-1702和福农94-0403,都以D3水平效果最佳,45d后,每块愈伤组织所能分化的不定芽数分别为10.7个和7.1个。

2.1.3获得优化组合:

根据上面的分析和表4的结果,可以得出分别适合两个基因型愈伤组织分化的培养基成分组合,即对于福农95-1702,组合为A1B3C3D3（组合3）;对于福农94-0403,组合为A3B2C1D3（组合8）。

2.2优化组合与原有再生体系的比较由表5可看出,基因型间和基因型组合互作,其差异均达极显著水平,这证明了不同的基因型都需要有一个更适合它的再生条件,要找到一个适合所有甘蔗基因型高效再生的培养基是不大可能的。

再由新复极差法（表6）,可以进一步证明,对于福农95-1702和福农94-0403,组合3和组合8就是其优化处理水平组合,与CK相比均达极显著水平,分化能力分别提高了1.56%和1.09%。

此外,由图1和图2可以直观地看到,组合3和组合8的分化芽都长得比相应的对照快,叶片颜色更浓绿,且愈伤组织的褐化现象得到了有效的控制。

图1􀀁优化的组合对福农95-1702的分化效果（左瓶为组合3,右瓶为CK）

图2􀀁优化的组合对福农94-0403的分化效果（左瓶为组合8,右瓶为CK）

表2􀀁L9（34）试验结果

注:

#、∃、%表示3次重复;（）内的数据为福农94-0403,其余数据为福农95-1702;不定芽数为每块接种的愈伤组织所分化的不定芽个数。

表3􀀁L9（34）方差分析结果

注:

（）内的数据为福农94-0403,其余数据为福农95-1702;**表示差异极显著,*表示差异显著。

表4新复极差法测验结果

表52个基因型与3个组合下的二因素试验方差分析

注:

**表示差异极显著,*表示差异显著。

表62个基因型在不同组合培养基下的差异显著性

3讨论植物的细胞分化是一个复杂的生理生化过程,特别是对于遗传背景复杂的甘蔗来说更是如此。

大量的实验表明,植物生长调节物质的