第2章试验设计基本原理及食品试验常用的设计

第二章试验设计基本原理及食品试验常用的设计＆2.1试验设计常用术语＆2.2试验设计的基本原则＆2.3试验设计的概述＆2.4食品研究常用试验设计＆2.1试验设计常用术语1.试验指标(experimentalindex):试验指标可分为定量指标和定性指标两类。在试验设计中，据试验的目的而选定的用来衡量或考核试验效果的量称为试验指标。例如：考察加热时间和加热温度对果胶酶活性影响时，?是试验指标；例如：在考察贮存方式对红星苹果果肉硬度的影响时，?是试验指标。定量指标：能用数量表示的指标，或称数量指标。如食品的糖度、酸度、pH值、吸光度、合格率等指标。定性指标：不能用数量表示的指标称为定性指标。如色泽、风味、口感、手感等食品的感官指标多为定性指标。定性指标定量化：定性指标不能用数值直接表示，通过评分、分级等办法进行量化的过程。使其转化为定量指标。例1：在研究增稠剂种类、pH值和杀菌条件对豆奶稳定性的影响时，可只选用豆奶的稳定性作为试验指标。例2：在研究不同吸附剂去除甜橙汁中苦味物质的效果时，可同时选用苦味物质的去除率、维生素C的损失率、可溶性固性物质损失率作为试验指标，综合考虑确定哪种吸附剂合适。试验中，凡对试验指标可能产生影响的原因或要素，都称为因素，也称因子。2.试验因素(experimentalfactor)如酱油质量受原料、曲种、发酵时间、发酵温度、制曲方式、发酵工艺等诸方面的影响，这些都是影响酱油质量的因素。它们有的是连续变化的定量因素，有的是离散状态的定性因素。3.因素水平(1evelOffactor)试验因素所处的各种状态（质量或数量上不同）称为因素水平，简称水平。如某试验中温度A选了，30℃，50℃2个水平，因素B选了20min，40min，60min3个水平，就称A因素为2水平因素，B因素为3水平因素。如食品添加剂的不同种类、设备的不同型号、原料的不同品种、工艺的不同操作方法等质量上的不同。4．单、复因子试验作用区别:考察1个试验因素的试验叫单因素试验考察2个或2个以上试验因素的试验叫多因素试验单因子试验，解决该因子水平间的比较问题。复因子试验不仅要了解各个因子自身水平间的比较问题，还要了解因子之间的相互作用问题，从而找出最有效的措施，精度较高的优点。5.试验处理(experimentaltreatment)试验处理：指事先设计好的实施在试验单位上的一种具体措施，简称处理。例如，研究3种不同温度（A）和2种不同制曲（B）方式，对酱油质量的影响。处理数？在单因素试验中，试验的1个水平就是1个处理。在多因素试验中，每个处理组合即处理。A1B1，A1B2，A2B1，A2B2，A3B1，A3B26个水平组合。处理数＝参试各因素水平的乘积。6．试验单位(experimentalunit)一个试验单元，只能接受一个处理，也只能有一个输出结果。试验单元（小区）：接受某种处理的最小的试验材料的一个独立单位。或试验中用以观察、记录的最小的独立范围。7．重复(replicate)在1个试验中，将1-个处理实施在2个或2个以上的试验单位上称为重复。1个处理实施的试验单位数称为处理的重复数（n）。＆2.2试验设计的基本原则试验设计的目的是避免系统误差，缩小随机误差，以保证试验的准确度和精确度，试验设计必须贯彻三原则——重复、随机化、局部控制。是试验设计创始人R.A.Fisher提出来的。一.重复原则重复：是指在试验中每种处理至少进行2次以上。重复作用：估计和减小随机误差。重复次数过多效果并不好。例如：？二、随机化原则随机化原则，就是在试验中，每一个处理、重复随机地安排在某一特定的空间和时间环境中，保证试验条件在空间和时间上的均匀性。采用方法：抽签、摸牌、查随机数表等方法来实现。作用：正确、无偏估计试验误差。三、局部控制（区组化）：局部控制：将整个试验空间分成若干个各自相对均匀的局部，每一个局部叫做一个区组，所有局部构成区组因素。局部控制原则：重复区内具有同质性，重复区间允许有最大异质性。局部控制实质：消除试验单元间的系统误差。区组可以是培养箱中的一层、试验地的某一段。如果日期(时间)变动会影响试验结果，就可以把试验日期(时间)划分为区组；如果试验空间会影响试验结果，可把空间划为区组；如果全部试验用几台同型号的仪器或设备，考虑仪器或设备间差异的影响，可把仪器或设备划为区组；可把操作人员划分为区组。实施局部控制时，区组如何划分，应根据具体情况确定。这样做有两个好处：一是增加了一个区组因素，可把区组间的差异（系统误差）从观察值的误差中分离出来，增加试验的准确度；二是各区组内可保证试验单元的一致，增加试验的精确度。局部控制作用：进一步减少试验误差。**三者关系：重复是是基本、随机排列最重要，要做好田间试验必须贯彻三原则。重复随机局部控制无偏的试验误差估计降低试验误差图2.2田间试验设计三个基本原则的关系和作用＆2.3试验设计的概述一、试验设计的意义及作用在食品生产和科学研究中，为了革新生产工艺，开发新产品，寻求优质、高产、低消耗的方法等，经常要进行各种试验研究。试验研究可分为试验设计、试验的实施、收集资料、整理资料和分析资料等步骤。广义是指整个研究课题的设计，主要包括课题的确定、试验方案的拟定、试验材料的选择和分组、资料收集和统计分析方法等。狭义的理解是指重复数的确定、对试验材料的选择与分组。1.试验设计：据研究项目的需要，数理统计原理为理论基础，结合专业知识和实践经验，经济、科学、合理地安排试验；有效地控制试验误差干扰；力求用较少的人力、物力、财力和时间，最大限度地获得丰富而可靠的资料；充分地利用和科学地分析所获取的试验信息；从而达到能明确回答研究项目所提出的问题和尽快获得最优方案的目的。2.试验设计的任务：3.试验设计的作用主要体现在以下几方面：①分清试验因素对试验指标影响的大小顺序，找出主要因素，抓住主要矛盾。③可以了解试验因素之间相互影响的情况，即因素间的交互作用情况。②可以了解试验因素对试验指标影响的规律性，即每个因素的水平改变时，指标是怎样变化的。⑤可以正确估计和有效控制、降低试验误差，从而提高试验的精度。④可较快地找出最优生产条件和工艺条件，确定最优方案并能预估或控制一定条件下的试验指标值及其波动范围。⑥通过对试验结果的分析，可以明确为寻找最优生产或工艺条件、深入揭示事物内在规律而进一步研究的方向。二、试验设计方法的主要内容重点讲完全随机设计，随机区组设计、正交试验设计；介绍均匀设计、回归正交设计、回归正交旋转设计、回归通用设计、混料没计等方法。三、全面试验与部分试验指试验因素的所有水平组合全部实施1次以上的试验称全面试验。全面试验是有局限性的，它只适用于因素和水平数目均不太多的试验。1．全面试验优点：能够获得全面的试验信息，无一遗漏，各因素及各级交互作用对试验指标的影响剖析的比较清楚，因此又称为全面析因试验(factorialexperiments)。缺点：当试验因素和水平较多时，处理数↑，试验次数↑。当试验还要设置重复时，试验规模就非常庞大，以至在实际中难以实施。全面试验的优缺点：2．部分试验部分试验：从全部试验处理中选取部分有代表性的处理进行试验。如正交试验设计和均匀设计。部分实施可使试验规模大为缩小。如3因素3水平共有27个处理，全面试验需进行27次，而用L9(34)正交表安排正交试验只需9次，仅为全面试验的l／3。如一个4因素5水平试验，全面试验至少需进行54＝625次试验，而用L5(54)均匀设计表安排试验，仅需5次试验。四、食品的线性、非线性质量研究（了解）线性质量研究是指食品制造过程中的质量研究方法，是通过对生产工序的合理诊断、调节、改善与检查，使生产工序的质量达到效果好、费用低的目的。非线性质量研究法：重点在保证达到食品质量特性的前提下，充分利用各种设计参数与食品特性的非线性关系，通过系统设计、参数设计和允许误差设计的三段优化设计方法，从设计上控制食品的输出特性和质量波动或出于经济考虑，在不压缩原材料质量波动的情况下，仍然保证食品特性的一种稳定性优化设计方法。五、食品质量研究的几个阶段（自学）根据食品形成的全过程，食品质量研究大体可分为以下几个阶段：1、食品规划阶段：根据市场的需要决定食品的功能和价格。2、食品设计阶段：一般可分为系统设计、参数设计和允许误差设计3个步骤。系统设计是由专业设计人员根据市场所需的性能、质量、价格情况进行功能设计，即决定食晶涸结构和材料。参数设计：是运用参数组合与食品特性的非线性关系通过设计适当的试验以及与其相配套闭统计分析方法，找出食品最佳性状的工艺条件和参数组合，即决定最佳参数组凋中心值。允许误差设计：是在参数设计完成后，通过计算质量的管理费用，把质量与成本加以综合平衡的一种公差设计方法，即决定食品质量的适当的公差范围月3、工艺设计阶段一般也可以分成系统设计、参数设计和允许误差设计3个步骤。此阶段的系统设计主要是由工艺人员决定采用何种原料、何种加工设备、怎样的加工工序等；参数设计主要是在生产工序、生产设备已决定的情况下进一步选择合理的加工机器的工作状态和工业标准；允许误差设计则主要是决定整个工艺各个阶段的可调公差范围。4、生产制造阶段5、食品的销售阶段主要是搞好市场销售服务及市场信息的收集、调查和分析。此外，在食品产后销售前这个阶段同样存在食品质量研究的问题，主要是食品质量保持途径的研究。产品设计、工艺设计阶段(统称为设计阶段)是整个质量研究的关键，是食品科学试验研究的重点。质量研究的目的：从设计上控制食品质量特性和质量波动以取得好的技术经济综合效果。六、试验计划与方案（略）&2.4食品研究常用试验设计试验设计包括处理、供试体和指标设计三部分。一、完全随机设计二、随机区组试验设计三、拉丁方设计五、其他四、正交设计一、完全随机设计1.试验单元的排列要求适用于：试验空间中的非试验因素相当均匀一致。方法：将全部试验小区统一编号，按随机的方法安排每个处理。单、复因素试验匀可采用完全随机设计完全随机设计有两方面的含义：一是试验处理试验顺序的随机安排；二是试验材料的随机分组。(1)单因素完全随机设计例9-1例9-1在无酒精啤酒的研究中，为了解麦芽汁的浓度对发酵液中双乙酸生成量的影响，在发酵温度7℃，非糖比0.3，二氧化碳压力0.6kg／cm2，发酵时间6d的试验条件下，选定麦芽汁浓度(％)为6(A1)，10(A2)，12(A3)3个水平，每个水平重复5次，进行完全随机化试验，寻找适宜的麦芽汁浓度。本试验中，m＝3，r＝5，共进行3×5＝15次试验。采用抽签的方法：（14，12，2，6，11）（8，1，5，13，10）（3，9，4，7，15）例9-2在食品安全性评价的预备试验中，希望了解试验动物(断乳大鼠)每天经口摄入不同量的某种有害物质后的体症反应情况。现将某有害物质A按大鼠每天经口摄人量不同分成A1-A44个水平，每个水平需用20只大鼠(雌雄各半)进行试验。本试验若用完全随机设计，需将符合试验条件的40只雌鼠和40只雄鼠分别随机分成4组，每组10只。随机分组的方法是，先将40只雌鼠按体重编号为1-40；单因素完成随机设计方法中，实行了重复、随机化原则。(2)两因素等重复完全随机设计因素A与B的a×b个水平组合各重复n次，进行试验时，这abn=N次试验的先后顺序完全按随机方式确定，这就是两因素等重复完全随机设计方法。例9-3为提高粒粒橙饮料中汁胞的悬浮稳定性，研究了果汁pH值(A)、魔芋精粉浓度(B)两个因素的不同水平组合对果汁黏度的影响。果汁pH值取3．5，4．0，4．5三个水平，魔芋精粉浓度(％)取0．1，0．15，0．2三个水平，每个水平组合重复2次，进行完全随机化试验。试验指标为果汁黏度(CP)，越高越好。本项研究共需进行9个处理组合，18次试验的先后顺序完全按随机方式确定：12,15,5,8,10,1,7,2,18,3,13,16,14,17,6,11,4,92.完全随机设计优缺点3.完全随机设计适合条件优点：易设计，对处理和重复数没严格限制，可充分利用全部材料；有无缺区