基于中药材肉桂试制生物除螨喷雾剂的条件优化

[键入文字][键入文字]基于中药材肉桂试制生物除螨喷雾剂的条件优化生物工程0801学号：0306080107李钧翔李钧翔生物工程080103060801071基于中药材肉桂试制生物除螨喷雾剂的条件优化生物工程0801李钧翔学号：0306080107引言人作为项目负责人以题为“室内除螨喷雾剂的研制与开发”申请今年中南大学大学生创新性实验项目，并已经立项。该实验以传统中草药肉桂作为原材料，研制室内生物除螨喷雾剂。过程中如下重要步骤将涉及数学模型：1.使用层次分析方法，确定各项实验指标权重，筛选出除螨效果最好的肉桂品种；2.使用多变量回归分析，评价和优化肉桂中提取的多种有效成分配比，使试制的除螨喷雾剂实际效果合理范围内最大化。(具体实验设计流程图和建模关键部分详见后文图1)问题背景近年来，日常生活中的尘螨已经证实是引起过敏性疾病(如支气管哮喘、鼻炎等)的最主要过敏原之一。尘螨分布广泛，普遍存在于人类居所，如：卧室内的枕头、被褥、软垫、家具以及汽车坐垫中。其主要诱发过敏性哮喘、过敏性鼻炎这两种典型的过敏性疾病。而目前过敏性疾病的发病率在全球范围内呈逐年增高的趋势，WHO统计数据显示全球22%的人患有不同程度的过敏性疾病，其严重威胁人们身体健康和生命安全，是21世纪必须重点防治的疾病之一。而过敏性疾病在我国的发病率亦高于国际平均水平，据统计约有71．3％～78．8％的患者对尘螨变应原过敏。目前除螨主要有化学、物理、生物三种方法。国内外在工业、农业生产上除螨主要使用化学除螨剂，但其成分、用量上对环境及人体有较严重的污染和危害；生物除螨剂的研究国内外均很少，现仅已知有通过喷洒阿雷菌素（abamectin）来治理螨害的方法，但其也主要应用于农作物，不仅毒性高，而且螨虫对其已经产生了广泛的抗药性；在室内家居的除螨方面，目前人们主要还停留在物理方法，此方法效率低，且尘螨繁殖快，很快死灰复燃。因此，本李钧翔生物工程080103060801072研制出一种高效、无污染、对人体无毒副作用的室内除螨喷雾剂在当前有着十分重要的意义和广阔的应用前景。经目前最新的研究证实，作为我国传统中草药材及食材的肉桂对尘螨有较好的抑制作用。深入研究传统中草药食材肉桂的杀螨功效，从中提取出对人体和环境安全无毒，高效廉价的生物除螨活性成分，以此为基础研制出室内除螨喷雾剂，对今后产业化生产室内除螨喷雾剂提供理论及应用基础。主要研究内容：（图1.）不同种类肉桂的采集和预处理室内尘螨的采集和预处理控制变量，混合培养综合比较，筛选出对尘螨致死效果最好的肉桂品种对最佳肉桂品种的有效除螨成分进行萃取、分析、分离对肉桂中的纯提取物进行作用剂量、作用时间、温度梯度等多个变量的实验研究，评估不同提取成分的杀螨能力混合肉桂中的多种高效除螨成分，制成喷雾剂，进行居室实际除螨效果测试，并对数据进行建模分析，科学优化除螨喷雾剂的配方、浓度，为居室除螨剂的产业化提供前期研究基础分别研究不同品种的肉桂对尘螨达到最大杀灭效果所需的最小用量、最短作用时间、最适温度范围，适宜湿度范围、适宜pH范围等。根据各项指标的实验数据，使用层次分析方法，确定各项实验指标权重，筛选最佳肉桂品种使用多变量回归优化模型，使除螨喷雾剂效果最大化图1（1）筛选对尘螨致死效果最好的肉桂品种：分别研究不同品种的肉桂对尘螨达到最大杀灭效果所需的最小用量、最短作用时间、最适温度范围，综合比较不同肉桂的杀螨效果，筛选出对尘螨致死效果最好的肉桂第一部分第二部分李钧翔生物工程080103060801073品种；（2）提取肉桂中有效除螨成分，分析不同分离物的除螨效果：对筛选出的除螨效果最佳的肉桂品种进行深入研究，通过色谱法分析、分离其有效成分，并进行纯化、提取，按使用剂量、作用时间、温度范围梯度三个变量研究检测肉桂中纯分离物的除螨效果，筛选出肉桂中的具有高效除螨功效的纯分离物；（3）优化条件，制成室内除螨喷雾剂：选择多种具有高效除螨功效的肉桂纯分离物制成喷雾剂，通过改变相关分离物的比例、浓度、作用时间等变量条件，建立数学模型，在合理安全范围内，优化喷雾剂的成分、浓度配方，以达到最佳的室内除螨效果。************************************************模型设计第一部分———层次分析模型引入层次分析模型（AHPAnalyticHierarchyProcess)，即一种定性与定量相结合的、系统化、层次化的分析方法，Saaty于1970年代提出层次分析法。在本探索性实验的第一个重要环节就是涉及到通过不同指标的科学比较，从而筛选出使室内的粉尘满致死率最高的肉桂品种。而事实上，不同肉桂品种具有在不同的指标上可能会占有不同的优势，所以我们必须先确定权重来量化的筛选出最佳肉桂品种。模型变量假设：模型中涉及有如下变量：a)肉桂品种：目前市场上的肉桂品种繁多，我们创新性实验小组在申请本创新性实验项目之前已经联系的我院老师，提供了相关的实验设备，并自费购买了一下品种的肉桂：P1：企边桂李钧翔生物工程080103060801074P2：板桂P3：油桂P4：桂通P5：桂心P6：桂碎P7：高山肉桂P8：低山肉桂（以上肉桂品种分类按不同种类植物，或不同植物部位结构材料分类）b)实验单变量测试指标：实际实验中，我们分别研究不同品种的肉桂对尘螨达到最大杀灭效果所需的最小用量、最短作用时间、最适温度范围、适宜pH范围、适宜湿度范围。这些指标均不同程度上对以后室内除螨喷雾剂的研制有决定性作用。为了标准化，假设如下：C1：达到最大杀灭效果所需的最小用量；C2：达到最大杀灭效果所需的最短作用时间；C3：该品种肉桂保持除螨高致死率的适宜温度范围；C4：该品种肉桂保持除螨高致死率的适宜pH范围；C5：该品种肉桂保持除螨高致死率的适宜湿度范围；层次模型：由层次分析模型的求解方法，分为三个层面：1.目标层；2.准则层；3.方案层。而结合本实验层面分别赋值为：1.目标层：筛选出一种除螨综合效果最佳的肉桂品种。2.准则层：C1：达到最大杀灭效果所需的最小用量；C2：达到最大杀灭效果所需的最短作用时间；C3：该品种肉桂保持除螨高致死率的适宜温度范围；C4：该品种肉桂保持除螨高致死率的适宜pH范围；C5：该品种肉桂保持除螨高致死率的适宜湿度范围；3.方案层：P1：企边桂P2：板桂P3：油桂李钧翔生物工程080103060801075P4：桂通P5：桂心P6：桂碎P7：高山肉桂P8：低山肉桂模型中权重决定原则：下面对准则层的各指标进行权重的假设，假设在科学合理的基础上认为的设定以下原则：a)考虑到实际的除螨喷雾剂无论在有效成分用量安全性上，还是在生产实际成本上，都必须尽可能的做到微量（少量）高效，所以C1（具体对应指标见上文的准则层）列为一类重要的指标；b)考虑到家庭室内使用的喷雾剂，优先需要在最短时间内见效，并达到最大杀灭量，所以C2列为二类重要指标；c)考虑到尘螨主要高密度滋生于南方较为湿热的地带，所以作用物的最适温度、湿度亦需要涵盖，但根据实际经验，该类指标并非绝对主要因素，所以C3、C5列为三类次重要指标；d)考虑到粉尘螨滋生与室内阴暗、灰尘积聚的角落，以及床单等位置，该类位置的pH与中性标准pH有小范围差异，所以C4列为较不重要指标。结合权重决定原则a、b、c、d,根据如下比值，模糊设定两两元素对比尺度ijjiaCC:ijjiijnnijaaaaA1,0,)(其中对于ija相对的尺度，Saaty等人提出1~9尺度——ija取值1,2,…,9及其互反数1,1/2,…,1/9。列表如下：表1：相对尺度aij1234567重要性相同稍强强明显强李钧翔生物工程080103060801076现假设如下表的相对尺度：表2：jiC1C2C3C4C5C110.80.50.10.35C21.2510.650.180.45C321.5410.250.7C4105.56413.5C52.862.221.420.2861模型中权重的求解：承上，列出5*5矩阵{A}：10.2861.422.222.863.5145.56100.70.2511.5420.450.180.6511.250.350.10.50.81{A}是成对比较阵，即是正互反阵。根据Saaty提出的层次分析模型理论，要由{A}确定C1，C2，C3，C4，C5对O的权向量，就要先引出成对比较的不一致情况（C1~C5中的两两权重比会出现部分矛盾情况，这体现了模糊权重的思想），也就是说实际模型允许权重比出现不一致，但要确定不一致的允许范围。由此，先考虑完全一致的情况：n,,)1(21，jiijwwa/令，则{A}为：nnnnnn212221212111李钧翔生物工程080103060801077成对比较完全一致的情况，显然理想状况下，严格满足如下的关系：nkjiaaaikjkij,,2,1,,,这种正互反阵称为一致阵，易证一致阵的特点有：[1].A的秩为1，A的唯一非零特征根为n；[2].A的任一列向量是对应于n的特征向量；[3].A的归一化特征向量可作为权向量。对于不一致（但在允许范围内）的成对比较阵{A}，可用对应于最大特征根的特征向量max作为权向量W，即wAw。由此对于5*5的矩阵{A}，用MATLAB求得特征值。其中最大值为5.036,接近于n=5.max=5.036时，所对应的特征向量是{0.380，0.319，0.151，0.031，0.119}T即可以认为，根据模糊设定的权重比，推得的实际预期权重是：C1占38.0%；C2占31.9%；C3占15.1%;C4占3.1%；C5占11.9%。模型中权重估计的合理性检验定义一致性指标=1nnCI，CI越大，不一致越严重。为衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI，并定义一致性比率CR=CI/RI。当CR0.1时，通过一致性检验。对于本次问题：n=5,RI=1.12；（5.036-5）/1.120.1所以通过检验，即层次分析该五个指标的权重的方法和结果是合理、可接受的。C1：达到最大杀灭效果所需的最小用量占38.0%；C2：达到最大杀灭效果所需的最短作用时间占31.9%；C3：该品种肉桂保持除螨高致死率的适宜温度范围占15.1%；C4：该品种肉桂保持除螨高致死率的适宜pH范围占3.1%；C5：该品种肉桂保持除螨高致死率的适宜湿度范围占11.9%。李钧翔生物工程080103060801078模型实验数据的分析优化、标准化：针对决策层C1~C5的都分别对应实验数据，例如C1是达到最大杀灭效果所需的最小用量，分别运用单变量实验对P1，P2…..P8这八种不同的肉桂（Pi所对应的肉桂品种见第4页）进行测试。由于该实验还没有进行该步骤，所以暂时没有相关实验数据。现在假设如下数据：表3：（单位：1g肉桂粉末/100只尘螨致死）P1P2P3P4P5P6P7P8最小用量1.932.021.234.012.804.052.753.90考虑到决策层C1~C5的指标，各指标的数据范围和判断标准各不相同，所以必须对C1~C5所对应的P1~P2的数据进行标准化统一。针对以上数据，用量越小则说明效果越好。其中P3=1.23时为该C1决策层的最佳品种，归一化设定P3*为1；P6=4.05为C1决策层的最差品种，设定P6*为0。；其他个品种的Pn*=1-𝑃𝑛∗−𝑃3∗𝑃6∗−𝑃3∗。由此得到变换后的下表：表4：P11*P21*P31*P41*P51*P61*P71*P81*最小用量0.7520.72010.0140.44200.4610.053（Pn1*×w1为该品种在C1决策层的单项加权。）同理分别讨论C2~C8所对应的Pnj（j是从决策层的序号）的归一统一标准数值。统一规定的原则是：1．某一决策层所对应的Pn中的最佳者设定为1；2．某一决策层所对应的Pn中的最差者设定为0；其中，最适温度、pH、湿度均为范围，