正交试验设计与数据处理在食品药品提取工艺研究中的应用.docx

正交试验设计与数据处理在食品药品提取工艺研究中的应用【摘要】数据处理是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输。数据的形式可以是数 字、文字、图形或声音等。数据经过解释并赋予一定的意义之后，便成为信息。数据处理的基本目的是从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中抽取并推导 出对于某些特定的人们来说是有价值、有意义的数据。本文介绍了正交试验设计的方法并举例说明了该方法在食品科学技术研究中的应用。【关键词】实验设计方法；正交试验；在食品医药中应用。引言实验设计指研究者在实验前根据研究目的拟定的实验计划及方法策略。其主要内容是合理安排实验程序，并提出将如何对实验数据作统计分析、心理实验设计的主要步骤可归纳为：根据研究目的提出假设；拟定验证假设的方法、程序；选择适当的处理、分析实验数据的统计方法。常用的实验设计方法有：正交试验设计法、均匀实验设计法、单纯形优化法、双水平单纯形优化法、回归正交设计法等。可供选择的实验设计方法很多，各种试验方法都有它们的特点。所面对的任务与要解决的问题不同，选择的方法也应有所不同。一、正交实验设计正交试验设计(Orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐 整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。 日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格，称为正交表。例如作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行33 = 27种组合的实验，且尚未考虑每一组合的重复数。若按L9(3)正交表安排实验，只需作9次，按L18(3)正交表进行18次实验，显然大大减少了工作量。因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。 正交表是一整套规则的设计表格，用 L为正交表的代号，n为试验的次数，t为水平数，c为列数，也就是可能安排最多的因素个数。例如L9(34)，它表示需作9次实验，最多可观察4个因素，每个因素均为3水平。一个正交表中也可以各列的水平数不相等，我们称它为混合型正交表。1.1 正交试验设计的安排正交试验设计的关键在与试验因素的安排。通常，在不考虑交互作用的情况下，可以自由的将各个因素安排在正交表的各列，只要不在同一列安排两个因素即可（否则会出现混杂）。但是当要考虑交互作用时，就会受到一定的限制，如果任意安排，将会导致交互效应与其它效应混杂的情况。 因素所在列是随意的，但是一旦安排完成，试验方案即确定，之后的试验以及后续分析将根据这以安排进行，不能再改变。对于部分表，如L18（2*37）则没有交互作用列，如果需要考虑交互作用需要选择其它的正交表。1.2 正交试验分析方法1.2.1 直接对比法 直接对比法就是对试验结果进行简单的直接对比。直接对比法虽然对试验结果给出了一定的说明，但是这个说明是定性的，而且不能肯定地告诉我们最佳的成分组合。显然这种分析方法虽然简单，但是不能令人满意。 1.2.2直观分析法 直观分析法是通过对每一因素的平均极差来分析问题。所谓极差就是平均效果中最大值和最小值的差。有了极差，就可以找到影响指标的主要因素，并可以帮助我们找到最佳因素水平组合。正交表: 是由行列组成的具有正交性的图表, 其具有两个特点:（1）每列中不同的数字重复次数相同（2）将任意两列的同行数字看成一个数对, 一切可能的数对重复次数相同;1.3 正交试验设计的极差分析在完成试验收集完数据后，将要进行的是极差分析(也称方差分析）。 极差分析就是在考虑A因素时，认为其它因素对结果的影响是均衡的，从而认为，A因素各水平的差异是由于A因素本身引起的。 用极差法分析正交试验结果应引出以下几个结论： 试验范围内，各列对试验指标的影响从大到小的排队。 某列的极差最大，表示该列的数值在试验范围内变化时，使试验指标数值的变化最大。所以各列对试验指标的影响从大到小的排队，就是各列极差D的数值从大到小的排队。 试验指标随各因素的变化趋势。 使试验指标最好的适宜的操作条件（适宜的因素水平搭配）。 对所得结论和进一步研究方向的讨论。1.4 较优条件选择各因素的好水平加在一起，是否就是较优试验条件呢？理论上，如果各因素都不受其它因素的水平变动影响的，那么，把各因素的优水平简单地组合起来就是较好 试验条件。但是，实际上选取较好生产条件时，还要考虑因素的主次，以便在同样满足指标要求的情况下，对于一些比较次要的因素按照优质、高产、低消耗的原则 选取水平，得到更为结合试验实际要求的较好生产条件。 以上介绍如何分析各因素水平的变动对指标的影响。讨论A因素时，不管其它因素处在什么水平，只从A的极差就可判断它所起作用的大小。对其它因素也作同样的分析，在此基础上选取谙因素的较优水平。 实践中发现，有时不仅因素的水平变化对指标有影响，而且，有些因素间各水平的联合指配对指标也产生影响，这种联合搭配作用称为交互作用。而交互作用应该在试验设计时考虑到。二、例一：加减炙甘草片的提取工艺研究通过正交设计,以干浸膏量及甘草酸与五味子乙素含量为指标,对其提取工艺进行研究。2.1 因素水平的确定以乙醇浓度、溶剂用量、提取时间、提取次数为考察因素,每个因素取3个水平(见表1) 2.2 试验安排及结果取处方量药材100 g 按表2各因素以L8 (27) 正交试验表安排试验,浸提液浓缩至50 g ,分别取样,计算干浸膏量,并采用HPLC 法测定各样品中甘草酸与五味子乙素的含量,折算为每100 g 处方生药中甘草酸与五味子乙素的含量。综合评分标准:按主次指标,规定甘草酸得率满分35 分,试验所用药材甘草酸含量为0.45 mg/ g ,故以0.45 mg/ g 为满分,实验得分为(所测甘草酸含量/0.095) ×35。五味子乙素得率满分35 分,试验所用药材五味子乙素含量为0.095mg/ g ,故以01095 mg/ g为满分, 实验得分为( 所测五味子乙素含量/0.095) ×35 。出膏率满分30分,根据预测试验出膏率的变动范围为2030 g ,规定30 g 为0 分,20 g 为30 分,每增加1 g 减去3 分,即得分为( - 3 ×所测含量+ 90) 。三项指标合计得分为Yi ,总分100 分。以综合评分的平均值为基准,各评分与平均值的差值作为调整后的得分Yi。正交试验结果见表2。方差分析(表3)结果表.结论说明:A、B、C 三个因素对于三个指标的影响均无显著性,但通过直观分析,可看出对于总体提取效率而言,影响因素依次为C > A > B ,提取方法最佳组合为A3B1C2 ,即12 倍量的50 %乙醇,回流提取2 次,提取时间分别为2 h、1 h。按照优化条件进行工艺验证试验(结果见表4) ,说明正交设计筛选出的工艺是合理的。三、例二：复方宁喘雾化剂提取工艺的正交实验研究复方宁喘雾化剂源于上海市名中医朱瑞群教授的临床经验方, 由炙麻黄、黄芩、天竺子、胡颓叶等8味中药组成, 具有宣肺化痰、止咳平喘之功效。为优选提取工艺, 笔者以方中有效成分麻黄碱、黄芩苷的含量为考察指标, 用L9(34)正交表进行试验。正交设计按处方比例称取9份药材,每128 g, 按正交实验设9种提取工艺流程分别提取(见表1), 并浓缩成生药浓度1 g /m ,l 然后分别进行麻黄碱和黄芩苷的含量测定。3.1 黄芩苷的含量测定色谱条件Thermo Hypersil- key stone ODS2 ( 4.6 mm 250 mm,5m ), Series 1100 高效液相色谱仪=280 nm,流动相为甲醇 水 磷酸(43: 57: 0.2);流速1.0 m l/m in; AUFS=1.0;T=30;进样量为5L。标准曲线的制备取黄芩苷对照品适量,精密称定,置于5 m l的容量瓶中,以甲醇定容至刻度,得浓度为0.2 mg/mL的标准液。分别吸取上述溶液2, 4, 6, 8, 10 进样, 测定。以峰面积为纵坐标(Y),标准品含量(g)为横坐标(X )绘制标准曲线得回归方程: Y= 4 233.2X - 495.51, r= 0.999 9。3.2 麻黄碱的含量测定色谱条件-BondapakTM C18(3.9mm 300 mm,10m), Ser ies 1100 高效液相色谱仪= 214nm, 流动相为乙腈-0.1%磷酸(11:89);流1.0m l/min;AUFS=1. 0;T=30;进样量2l。标准曲线的制备取盐酸麻黄碱对照品适量, 精密称定,置于5mL的容量瓶中,以流动相定容至刻度,得浓度为0.04 m g/ml的标准液。分别吸取上述溶液2, 4, 6, 8, 10进样,测定。以峰面积为纵坐标(Y), 标准品含量(g)为横坐标(X)绘制标准曲线,得回归方程: Y= 2 488.5X - 19.655, r= 0.999 9。3.3 样品的处理与测定各取水煎液0.5ml 用甲醇定容至10ml。充分摇匀,静置。取适量经微孔滤膜(无机相)过滤后转移至离心管中, 备用。根据L9 ( 34 ) 正交表, 实验的有关数据及其计算分析结果见表（5）。四、例三：正交实验法优化五味子醇溶性有效成分的提取分离工艺实验采用乙醇回流法提取五味子醇溶性有效成分。文献报道的五味子提取工艺采用4因素(溶剂浓度、溶剂用量、回流时间和溶剂pH值),水平优选最佳的提取工艺。本实验根据预实验结果选定对提取工艺影响较明显的乙醇浓度、提取时间、提取次数和溶剂用4个因素,每个因素选定4个水平,采用L16(45)正交表设计实验方案,优化范围更宽。选择以提取物中五味子乙素含量及浸出物得率为指标,用综合评分法进行数据处理。区别于以往采用单一评价因素。该方法优选五味子提取工艺的评价结果更为科学合理, 可为工业化生产提供依据。4.1 麻黄碱的含量测定五味子主要有效成分木脂素为醇溶性成分,根据其理化性质特点,选择乙醇为溶剂加热回流的提取分离方法。将五味子药材在低温50下烘干,磨成细粉,用正交设计法拟定影响提取效果的乙醇浓度(A)、提取时间(B)、提取次数(C)和溶剂用量(D)4个因素,每个因素选定4个水平,设计了L16 (45)正交设计表见表1。4.2 加样回收率实验 精密称取已知含量同批次五味子样品0.1g,共9份,3个为一组,分为3组,每组分别加入0.2 mg mL1五味子乙素对照品溶液7.5,9.4,11.2mL。按2.4!项下制备方法制备供试液,分光光度法在=570 nm处测定吸光度,计算回收率,结果平均回收96. 53%, RSD 1. 4% , 见表（2）。含量测定按以下操作制备供试品溶液,采用紫外分光光度法测定五味子乙素,并计算五味子乙素的含量。4.3 浸出物得率测定取各提取工艺下样品溶液,减压浓缩至稠膏状,置微波干燥器中,于功率0.2 kW,温度40 条件下干燥至恒重, 取出至于干燥器内冷却30 min,迅速精密称重,计算浸出物得率。结果见表3,方差分析见表4。3.5 结论本实验采用回流提取五味子乙素的收率较高, 五味子乙素在3. 98 24. 41 !g 范围内线性关系良好, 加样回收率较好。实验选择以浸膏得率和相应的五味子乙素含量测定为指标, 综合评价优化五味子醇溶性有效成分的提取工艺, 优化的提取工艺为: 6倍量85% 乙醇提取3次,每次2h。该实验方法准确,专属性强, 可用于五味子浸膏的质量控制。五、结论正交试验设计法作为研究与处理多因素实验的一种科学方法。利用规格化的表格正交表,科学地挑选试验条件,合理安排实验。不仅仅在医药行业，在化工、纺织、粮油、电子、机械行业的应用也取得相当的成就,References (参考文献)1 刘旭,林森,赵余庆.五味子不同部位总木脂素的含量测定 J.中国现代中药, 2009,11(5):39-40.：2 李奉勤,史冬霞,张瑞红等.五味子中五味子乙素提取工艺研究J.中国药业,2006,15(7):46.3 张芸兰,王文渊. 正交设计法优选杜鹃花中总黄酮的提取工艺 J. 广州化工, 2009,37(3):134-135.4 徐伟 周建衡,洪振丰等.正交实验法优选前列宁颗粒剂的提取工艺J.浙江中医药大学学报,2009,33(4):579- 580.5 Mckinney L L. Change in the Compostion of Soyb onSp routing J . J Am Oil Chem Soc, 1958 (35) : 3642366.6 国家药典委员会.中国药典S.北京:化学工业出版社,2000:262.7 王慕邹.常用中草药高效液相色谱分析M .北京:科学出版社,1999: 338.8 李外,杨立新,孙秀华.喘咳平颗粒中麻黄提取工艺研究J.北京中医药大学学报,2003,26(3):53