[工学]第9章食品试验设计基础与抽样方法-Tao

第九章食品试验设计基础与抽样方法本章主要内容第一节试验设计概述第二节基本概念第三节试验设计的基本原则第四节试验计划与方案第五节完全随机设计第六节常用抽样方法及其抽样误差第七节样本含量的确定第四节试验设计的基本原则本章重点第一节试验设计概述一、试验设计的意义和任务试验设计是影响研究成功与否最关键的一环，是提高试验质量的重要保证。如何安排试验，如何对试验结果进行科学分析，既是食品生产、科研工作者经常遇到的现实问题，又是其必备的基本功。试验设计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。(广义)1、试验设计的意义试验设计是指重复数的确定、对试验材料的选择与分组等。(狭义)1、在研究工作之前，根据研究项目的需要，以概率论与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；2、有效地控制试验误差干扰；3、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；4、充分地利用和科学地分析所获取的试验信息；5、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。试验设计的任务2、试验设计的任务二、试验设计的作用可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。可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。可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。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。可正确估计和有效控制、降低试验误差，从而提高试验的精度。通过对试验结果的分析，可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。随机区组设计三、试验设计方法正交试验设计均匀设计回归正交设计回归正交旋转设计………………….完全随机设计第二节试验设计的一些基本概念第二节试验设计的一些基本概念一、试验因素与水平二、试验指标与效应三、制订试验方案的要点本节主要内容一、试验因素与水平试验指标(Experimentalindex)在试验设计中,根据试验的目的而选定的用来衡量或考核试验效果的指示性状,称为试验指标。在考察加热时间和加热温度对果胶酶活性影响时,果胶酶活性是试验指标。在考察贮藏方式对苹果果肉硬度的影响时,果肉硬度就是试验指标。定量指标定性指标试验指标能用数量表示的指标称为定量指标或数量指标。如食品的糖度、酸度、pH值、提汁率、糖化度、吸光度、合格率等等。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。不能用数量表示的指标称为定性指标或质量指标。如色泽、风味、口感、手感等等。食品的感官指标多为定性指标。过简难以全面准确地评价试验结果，功亏一篑过繁琐增加许多不必要的浪费注意！合理选用试验指标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。在试验设计中，根据试验目的的不同，可以用一个试验指标(单指标试验)，也可以同时用两个或两个以上的试验指标(多指标试验)。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。试验中所研究的影响试验指标的因素试验因素(ExperimentalFactor)因素(Factor)试验中，凡对试验指标可能产生影响的原因或要素，都称为因素或因子。条件因素(ConditionalFactor)除试验因素外其他所有对试验指标有影响的因素，又称试验条件。因素增稠剂用量pH值杀菌温度发酵时间曲种试验因素量的不同级别或质的不同状态称为水平。因素水平(LevelofFactor)质量水平(定性,具有质的区别)。如供试的不同曲种水平数量水平(定量,具有量的差异)。如pH值的不同级别因素增稠剂用量pH值杀菌温度发酵时间曲种水平5种用量6个值8个温度3个时间长度4个曲种试验处理(treatment)和处理组合(treatmentcombination)试验因素的不同水平称为试验处理。而各因素不同水平的组合，称为处理组合。3个品种5种肥料10个品种8种杀虫剂品种、肥料品种杀虫剂因素水平3个水平5种水平4个水平8种水平3个处理5种处理4个处理8种处理处理或组合15种处理组合4个曲种pH值8种pH值品种、发酵时间3个曲种、5种发酵时间试验单位(ExperimentalUnit)在试验中能接受不同试验处理的试验载体叫做试验单位，也称为试验单元。重复(Replicate)在1个试验中，将1个处理实施在2个或2个以上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。1个苹果1听罐头1瓶酱油1袋奶粉几个苹果几听罐头几瓶酱油几袋奶粉“唯一差异”原则除了产品间的差异以外，其他分析、检测、测定等条件一致。产品比较除了防腐剂间的差异以外，其他分析、检测、测定等条件一致。防腐剂比较除了取样方式间的差异以外，其他分析、检测、测定等条件一致。取样方式比较除了加工工艺间的差异以外，其他条件一致。三种加工工艺比较单因素试验(single-factorexperiment)试验方案的分类多因素试验(multiple-factorexperiment)部分实施(fractionalenforcement)试验方案的种类供试因素(或因子)数全面试验(overallexperiment)全面试验(overallexperiment)在试验设计中，为了获得全面试验信息，正确地判断试验因素及其各级交互作用对试验指标的影响，对所选取的试验因素的所有水平组合全部实施1次以上的试验称为全面试验。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。只适用于因素和水平数目均不太多的试验。单因素试验(single-factorexperiment)这是一种最基本、最简单的试验方案整个试验中只变更、比较一个试验因素的不同水平其他作为试验条件的因素均严格控制一致曲种比较工艺比较多因素试验(multiple-factorexperiment)在同一试验方案中包含2个或2个以上的试验因素，各个因素都分为不同水平，其他试验条件均应严格控制一致。处理组合(treatmentcombination)是各供试因素水平数的乘积。目的明确各试验因素的相对重要性和相互作用，从中评选出1个或几个最优处理组合。多因素试验的效率常高于单因素试验曲种：甲、乙、丙3个发酵时间：长、中、短3种共有3×3=9个处理组合：甲长、甲中、甲短、乙长、乙中、乙短、丙长、丙中、丙短二因素试验明确二个试验因素分别的作用检测3个曲种对各种发酵时间是否有不同反应，从中选出最优处理组合部分实施(fractionalenforcement)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。可同时考虑多个试验因素和多个试验水平经济有效的方法第三节试验设计的基本原则本节主要内容第三节试验设计的基本原则一、重复原则二、随机原则三、局部控制原则食品试验设计的主要作用降低试验误差提高试验的精确度获得无偏的处理平均值获得最小的、无偏的试验误差估计量从而能进行正确而有效的比较食品试验设计的三个基本原则局部控制原则(localcontrol)重复原则(replication)随机原则(random)1、重复原则(replication)定义：是指试验中每种处理至少进行2次以上。作用：估计试验误差降低试验误差，提高试验的精确度更准确地估计处理效应每份奶粉蛋白质测定3次每种工艺重复加工4次试验误差是客观存在的只能由同一处理的几个重复间的差异估得如果试验的各处理只一个重复，则同一处理将只有一个数值，无从求得差异，亦无法估计误差1、重复原则(replication)作用一：估计试验误差单一重复所得的数值易受影响多次重复所估计的处理效应比单个数值更为可靠，使处理间的比较更为有效作用二：降低试验误差，提高试验的精确度数理统计学已证明误差的大小与重复次数的平方根成反比，重复多，则误差小。如：四次重复的试验误差将只有二次重复的同类试验的1／(2)1／2。作用三：更准确地估计处理效应定义：是指在试验中，每一个处理及每一个重复都有同等的机会被安排在某一特定空间和时间环境中，以消除某些处理或其重复可能占有的“优势”或“劣势”，保证试验条件在空间和时间上的均匀性，避免任何主观成见。2、随机原则(random)作用：与重复相结合，能提供无偏的试验误差估计值。方法：抽签法、计算器(机)、随机数字表等。重复1重复21－12－13－14－15－11－22－23－24－25－22人测定豆奶蛋白质含量重复1重复21－11－23－13－25－12－22－14－14－25－2方法一方法二3、局部控制(localcontrol)定义：将整个试验环境分成若干个相对最为一致的小环境，再在小环境内设置成套处理。即分时间分环境控制条件因素，使之对各试验处理的影响达到最大程度的一致区组内相对均匀一致，安排全套处理区组间可有差异区组数=重复次数作用：降低误差曲种:甲乙丙丁每个2次重复食品试验设计三个基本原则的关系及其作用示意图重复随机局部控制无偏的试验误差估计降低试验误差统计推断提高精确度第四节试验计划与方案第五节完全随机设计本节主要内容第五节完全随机设计一、单因素完全随机设计二、两因素等重复完全随机设计第九章食品试验设计基础与抽样方法完全随机设计将各处理随机分配到各个试验单元中(试验处理的试验顺序是随机安排的)每一处理的重复数可以相等或不相等试验材料的随机分组单因素或多因素试验皆可应用设计特点可用于实验室实验对试验单元的安排灵活机动，任一处理可安排在任一单元上设计分析简便优点缺点对试验环境条件要求较高，必须相当均匀用途单因素完全随机设计两因素完全随机设计完全随机设计一、单因素完全随机设计例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7OC，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，进行完全随机设计，寻找适宜的麦芽汁浓度。本试验中a=3，r=5，共进行35＝15次试验。抽签法随机数字表(附表16)表9－2完全随机化单因素试验顺序(括号内数字为试验顺序编号)水平试验结果与顺序A1A2A386(14)46(8)32(3)76(12)70(1)51(9)25(2)36(5)34(4)37(6)78(13)38(7)69(11)57(10)91(15)二、多因素完全随机设计因素A与B的ab个组合个重复n次，进行试验时，这abn＝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。表9－3两因素等重复完全随机试验顺序处理试验顺序处理试验顺序处理试验顺序处理试验顺序A1B1A1B1A1B2A1B2A1B312155810A1B3A2B1A2B1A2B2A2B2172183A2B3A2B3A3B1A3B1A3B2131614176A3B2A3B3A3B31149第六节常用抽样方法及其抽样误差随机抽样抽样误差（见前面章节）第七节样本含量的确定设定平均数标准差