DesignExpert响应面分析实验设计案例分析.doc

学校
学 年
2010-2011 第 一 学期
课程名称
食品实验优化设计
专业年级

考试方式
案例分析论文
学生姓名

学 号

成 绩

食品科学研究中实验设计的案例分析
—响应面法优化超声波辅助酶法制备燕麦ACE抑制肽的工艺研究

摘要：选择对ACE 抑制率有显著影响的四个因素：超声波处理时间(X1)、超声波功率(X2)、超声波水浴温度(X3)和酶解时间(X4)，进行四因素三水平的响应面分析试验，经过Design-Expert优化得到最优条件为超声波处理时间28.42min、超声波功率190.04W、超声波水浴温度55.05℃、酶解时间2.24h，在此条件下燕麦ACE 抑制肽的抑制率87.36%。与参考文献SAS软件处理的结果中比较差异很小。
关键字： Design-Expert 响应面分析

1. 比较分析
表一 响应面试验设计
因素
水平
-1
0
1
超声波处理时间X1(min)
20
30
40
超声波功率X2(W)
132
176
220
超声波水浴温度X3(℃)
50
55
60
酶解时间X4(h)
1
2
3
2. Design-Expert响应面分析
分析试验设计包括：方差分析、拟合二次回归方程、残差图等数据点分布图、二次项的等高线和响应面图。优化四个因素（超声波处理时间、超声波功率、超声波水浴温度、酶解时间）使响应值最大，最终得到最大响应值和相应四个因素的值。
利用Design-Expert软件可以与文献SAS软件比较，结果可以得到最优，通过上述步骤分析可以判断分析结果的可靠性。

2.1 数据的输入

图 1
2.2 Box-Behnken响应面试验设计与结果

图 2
2.3 选择模型

图 3
2.4 方差分析

图 4

在本例中，模型显著性检验p<0.05，表明该模型具有统计学意义。由图4知其自变量一次项A，B，D，二次项AC,A2,B2,C2,D2显著(p<0.05)。失拟项用来表示所用模型与实验拟合的程度，即二者差异的程度。本例P值为0.0861>0.05，对模型是有利的，无失拟因素存在，因此可用该回归方程代替试验真实点对实验结果进行分析。

图 5
由图5可知：校正决定系数R2(adj)(0.9788>0.80)和变异系数（CV）为0.51%，说明该模型只有2.12%的变异，能由该模型解释。进一步说明模型拟合优度较好,可用来对超声波辅助酶法制备燕麦ACE抑制肽的工艺研究进行初步分析和预测。

2.5 多元二次响应面回归分析

图 6
通过Design-Expert软件进行二次响应面回归分析，得到如下多元二次响应面回归模型：
Y(%)＝－146.18542＋2.23483X1 ＋0.095966X2 ＋6.40533X3 ＋14.56083X4－0.016775X12 +5.68182x10-6X1X2－0.023300X1X3 ＋0.00025X1X4 －2.49225x10-4X22 －4.59229x10-7X2X3 －
0.000625X2X4 －0.052150X32 －0.0005X3X4 －3.21125X42
2.6 数据点的分布图

图 7

图 8

图 9
从图7-9可知道，数据的分布的线性明显，没有出现异常的数据点。
方程预测值
实验实际值

图10 实验实际值与方程预测值
2.7等高线和三维响应曲面图分析
做出响应曲面，分析超声波处理时间(A)、超声波功率(B)、超声波水浴温度(C)和酶解时间(D)对ACE 抑制率的影响情况，结果见图11～22。

图11 A与B对ACE 抑制率影响的等高线

图12 A及B 对ACE 抑制率影响的响应面

图13 A与C对ACE 抑制率影响的等高线

图14 A及C 对ACE 抑制率影响的响应面

图15 A与D对ACE 抑制率影响的等高线

图16 A及D 对ACE 抑制率影响的响应面

图17 B与C对ACE 抑制率影响的等高线

图 18 B及C 对ACE 抑制率影响的响应面

图19 B与D对ACE 抑制率影响的等高线
图20 B及D 对ACE 抑制率影响的响应面

图21 C与D对ACE 抑制率影响的等高线
图22 C及D 对ACE 抑制率影响的响应面

2.8 优化最佳因素
图23

图 24

图 25

图 26

图 27
2.9 最佳因数和最大响应面值
最佳工艺

图28
利用响应面设计实验，运用根据Box-Benhnken的中心组合试验设计原理，选择对ACE抑制率有显著影响的四个因素：超声波处理时间(X1)、超声波功率(X2)、超声波水浴温度(X3)和酶解时间(X4)，做四因素三水平的响应面分析试验。最终得到最佳工艺：超声波处理时间28.42min、超声波功率190.04W、超声波水浴温度55.05℃、酶解时间2.24h、ACE 抑制率87.36%。
3. Design-Expert处理结果与文献比较
Design-Expert在响应曲面、等高线图以及回归方程处理的结果与文献中SAS软件处理的结果进行比较：
表二 Design-Expert与 文献SAS处理结果比较
优化条件软件
超声波处理时间
超声波功率
超声波水浴温度
酶解时间
ACE 抑制率
文献（SAS）
28.40min
190.08W
55.05℃
2.25h
87.50%
Design-Expert
28.42min
190.04W
55.05℃
2.24h
87.36%
根据两个软件处理结果的数据比较可知各因素最佳工艺条件差异小。
4.案例实验设计和统计分析过程评价
案例中通过Design-Expert软件操作和截下重要的步骤的数据处理的过程的图片，这样可以方便分析和描述，Design-Expert软件能够用清晰和直观的图表表示结果，利于分析，并能够很好的对照和检验文献的数据处理的结果存在的问题和差异。Design-Expert在响应面分析有很强大的功能，能够与文献中SAS软件计算的数据进行比较， SAS软件在计算最大响应面值优于Design-Expert软件，从“ACE 抑制率”的比较可知，但差异不大。所以文献中数据没有问题，从分析的结果可知。
参考文献
[1]韩扬,何聪芬,董银卯,等.响应面法优化超声波辅助酶法制备燕麦ACE抑制肽的工艺研究[J].食品科学.2009,30(22),44-49.