正交试验设计在食品科学研究中的应用.doc

正交试验设计在食品科学研究中的应用 杜双奎 （西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西杨凌，712100） 摘要：正交试验设计是科学研究中常用的一种试验设计方法。在食品科学研究过程中，正确的运用正交试验设计，不仅可以迅速、准确、科学地确定出食品加工工艺条件或工艺参数；而且，可以节省人力、物力、财力，避免试验盲目性，大大提高科学试验的研究水平，获得有效的试验结果。在食品加工的配方优化及工艺参数的确定研究中，对于多因素多水平（≤5）的选优试验，正交试验设计的应用是较为常见的。本文以山楂酶法提汁研究为分析实例，较为系统地说明了正交试验设计的基本步骤和数据处理方法，有望推动正交试验设计在食品科研中的广泛运用。 关键词：正交试验设计；食品研究；极差分析 中图分类号：O212 文献标识码：A 一 正交试验设计概述 世界上的一切事物都是互相联系、互相制约的，一种事物的发展和运动变化，总是由多种原因造成的，探求它们之间的因果关系及其变化规律，必需进行多因素试验。最简单的多因素试验设计方法是全面试验，即把每个因素各个水平的一切所有可能组合均拿来做试验。譬如有三个因素A、B、C，各因素均有三个水平，分别记作A1、A2、A3；B1、B2、B3；C1、C2、C3，共有的水平组合为33=27个，需做27次试验。这种试验设计的优点是能够掌握各因素及其不同水平对试验结果的影响，信息量大而全面；但缺点是随着因素和水平数目的增大，试验次数急剧增长。如8个7水平因素的全面试验，需要做78=7564801次试验，这在实际研究中是难以实现的，行不通的。正交试验设计又称正交设计或多因素优选设计，是一种合理安排、科学分析各试验因素的一种有效的数理统计方法。它是在实践经验和理论认识的基础上，借助一种规格化的“正交表”，从众多的试验条件中确定出若干个代表性较强的试验条件，科学地安排试验，然后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，从而得到最优或较优试验方案的一种试验设计方法。正交试验设计的特点是用不太多的试验次数，找出试验因素的最佳水平组合，了解试验因素的重要性程度及交互作用情况，减少试验盲目性，避免资金浪费等。它能以较少的试验次数找到较好的试验（生产）方案，由正交试验寻找出的优化参数（条件）与全面试验所找出的最优条件有一致的趋势。 正交试验设计具有正交性，使试验具备均衡分散和综合可比性。此法应用方便，准确性高，在多因素条件下应用有很大的优越性。 二 正交试验设计基本程序 对于多因素试验，正交设计是简单常用的一种设计方法，其设计程序如图1所示。 三 正交试验设计应用实例[1] 正交试验设计由方案设计和结果分析两部分组成。下面以实例来说明正交试验设计的基本过程。 实例：为提高山楂原料的利用率，研究酶法液化工艺制造山楂原汁，拟通过正交试验来寻找酶法液化的最佳工艺条件。 （一） 正交试验方案设计 1 明确试验目的，确定试验指标 试验设计前必须明确试验目的，即本次试验要解决什么问题。试验目的确定后，对试验结果如何衡量，即需要确定出试验指标。试验指标可为定量指标，如强度、硬度、产量、出品率、成本等；也可为定性指标如颜色、口感、光泽等。一般为了便于试验结果的分析，定性指标可按相关的标准打分或模糊数学处理进行数量化，将定性指标定量化。 对本试验而言，试验目的是为了提高山楂原料的利用率。所以可以以液化率{液化率=[(果肉重量-液化后残渣重量)/果肉重量]*100%}为试验指标，来评价液化工艺条件的好坏。液化率越高，山楂原料利用率就越高。 2 选择试验因素，确定试验水平，列出因素水平表 根据专业知识、以往的研究结论和经验，从影响试验指标的诸多因素中，通过因果分析筛选出需要考察的试验因素。一般确定试验因素时，应以对试验指标影响大的因素、尚未考察过的因素、尚未完全掌握其规律的因素为先。试验因素选定后，根据所掌握的信息资料和相关知识，确定每个因素的水平，一般以2-4个水平为宜。对主要考察的试验因素，可以多取水平，但不宜过多（≤6），否则试验次数骤增。因素的水平间距，应根据专业知识和已有的资料，尽可能把水平值取在理想区域。 对本试验分析，影响山楂液化率的因素很多，如山楂品种、山楂果肉的破碎度、果肉加水量、原料pH值、果胶酶种类、加酶量、酶解温度、酶解时间等等。经全面考虑，最后确定果肉加水量、加酶量、酶解温度和酶解时间为本试验的试验因素，分别记作A、B、C和D，进行四因素正交试验，各因素均取三个水平，因素水平表见表1。 表1 因素水平表（四因素三水平） 因素 水平 加水量 （mL/100g） A mL/100g） B ） C h） D 10 1 20 1.5 2 50 4 35 2.5 3 90 7 50 3.5