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2024年4月16日发(作者:html导航栏制作)

8 食品工程 

F00D ENGlNEERING 

2010年第2期 

6月出版 

响应面法在生物过程优化中的应用水 

Application of response surface method on biological process optimization 

田泱源 

TIAN Yang-yuan 

李瑞芳 

450001) 

LI Rui-fang 

(河南:32 ̄Ik大学生物工程学院,郑州

(College 0fhioeng;neer;ng,Henan university oftechnology,Zhenzhou 450001,China) 

摘要生物过程优化的目的在于提高终产物的产 

率,是生物技术产,_lk4E不可缺少的一项工作。近年 

来国内外较为常用的生物过程优化技术包括非统计 

优化技术和统计优化技术两大类。在生物过程优化 

中的所有因素最佳化,使终产物产率最高。因此, 

生物过程优化在生物技术产业化中具有非常重要的 

意义。 

中,响应面法是一个更为有效的优化技术。 

关键词

计 

Abstract The biological process optimization,its pur- 

pose is to improve the yield of the final product,is an in— 

1 几种常见生物过程优化技术的比较 

1.1单次单因子法 . 

生物过程;优化技术;响应面法;试验设 

dispensable work for biotechnology industry.Biological 

process optimization techniques include two major cate—— 

gories,i.e.non—statistical optimization techniques and 

单次单因子法是传统的优化方法,即每次实验 

只改变一个因子而保持其他因子不变的优化方法。 

当考察的因子较多时,这种优化方法需要的实验次 

数较多、实验周期较长,还可能因实验批次的不同 

和实验条件的不一致导致不可靠甚至错误的结论。 

而且这种方法还不能够分析因素之间的交互作用。 

但由于不需要数学统计方面的知识,而且操作简 

单、结果也能直观地用图表显示,单次单因子法仍 

然是常见的生物过程优化方法之一。 

1.2正交试验设计 

statistical optimization techniques at home and abroad in 

recent years.Among the biological process optimization, 

the response surface method is a more eficifent optimiza- 

tion techniques.Several common optimization techniques 

were compared with each other,the principle and design 

method of the response surface method and its applica- 

tions were introduced. 

Keywords biological process; optimization tech- 

niques;response surface method;experimental design 

正交试验设计在生物过程优化研究中应用非常 

广泛。他比常用的单次单因子法有很多优越性。实 

验次数明显少于同因素同水平的单因素实验,可以 

通过方差分析得到影响实验结果的主次因素,以及 

生物过程中的各个因素均会影响生产成本,决 

定能否产业化。生物过程优化可以使发酵生产过程 

+项目基金:河南省高等学校青年骨干教师资助计划;郑州 

市科技攻关项目(091OsGYS34370—2) 

考虑因素之间的交互作用等等。但是在正交试验 

中,当考虑因素之间的交互作用时,正交试验次数 

会大大增加,如选用五因素五水平正交试验,不考 

虑因素间的交互作用时,需进行25次试验,但要 

考虑交互作用时,就需进行125次试验,大大增加 

田泱源,男,1987年出生,河南 r、I 大学在读硕士研究生。 

收稿日期:2010—03—18 

了实验工作量。对于长周期的实验而言,就需花去 

大量的时间、人力和物力。另外正交试验在最后选 

2010 ̄2期 田泱源

等:响应面法在生物过程优化中的应用 

9 

6月出版 ’ 

取最佳实验方案时,对于不显著因素的选取一般是 

凭经验。因此,正交试验对于创新实验是不宜选择 

的。 

为了弥补传统的单次单因子法和正交试验设计 

法的缺陷,近年来许多生物过程优化技术已采用了 

统计学方法。常见的优化技术包括响应面法(re— 

sponse 8ul ̄ace methodology)、调优运算(evolutionary 

operation)、典型分析法(canonicalanalysis)、单纯 

形法等,其中响应面法是近年来应用最多的一种优 

化技术。 

图1 典型分析法原理示意图 

1.3调优运算 

1.5单纯形法 

调优运算是美国博克斯1957年提出来的一种 

单纯形法是美国科学家豪丹西格1947年首先 

用于探索最优生产条件的数理统计方法。按照一个 提出的。他是在一定图形顶点上按一定的规则进行 

仔细规划好的、对生产条件作细微调节的程序来操 

试探性搜索,其试验点根据试验情况逐步调整到最 

作装置、设备,再用简单的数理统计方法来处理获 

佳条件,是一种动态调优的方法。其基本原理是: 

得的信息,从而可以确定好条件变化的方向。调优 设.s ,y),其中|s为产物收率, 为底物 

运算是在实际生产过程中对实验室得到的最优条件 浓度,y为反应时间。 

进行调整,以求在生产的每个阶段均能达到最优条 

第一步,首先安排3次实验,假设实验a底物 

件的一种优化试验设计方法。他的特点是在生产中 浓度、反应时间固定,实验b反应时间、底物浓度 

进行试验,条件变动幅度小,不会影响正常的生 均比实验a大,实验c反应时间比a短、底物浓度 

产,当达到既定目的可立即停止试验,因此,试验 

比实验b大,实验a、b、C分别得3个产物收率。 

费用较低。但该优化技术不适用于生物过程优化的 第二步,建立平面坐标系,以底物浓度为 

最初设计。 

轴,反应时间为y轴。假如优化的目的是提高收 

1.4典型分析法 

率,实验a、b、C的3个结果中,设a的收率为最 

典型分析法是利用综合变量对之间的相关关系 

低,则a为最差点,取bc直线的中点o、并与a相 

来反映两组指标之间的整体相关性的多元统计分析 连,延长ao至d。在基本单纯形中,使od=ao;在 

方法。他的基本原理是:为了从总体上把握两组指 改良单纯形中,使od= 0・go, 为系数,即进行 

标之间的相关关系,分别在两组变量中提取有代表 扩张或收缩处理,目的是加快优化过程。 

性的两个综合变量 和 。(分别为两个变量组中 第三步,安排d点的实验,b、C、d组成新的 

各变量的线性组合),利用这两个综合变量之间的 

单纯形。比较b、C、d 3个实验的实验结果,设C 

相关关系来反映两组指标之间的整体相关性。其基 的实验结果为最差,取bd的中点、与C相连,延 

本思想是: 

长至e点。确定e点的位置时,同样存在是否进行 

假设分析两组变量 ( 。、 :、 ,、… n)、y 

扩张或收缩的选择。 

(y 、y:、y,、…ym)之间的相关性,若用原始方法 

第四步,安排e点的实验,b、d、e组成新的 

分别计算两组变量之间的全部相关系数,这样即繁 单纯形。比较b、d、e 3个实验点的实验结果, 

琐又不能抓住问题本质。典型分析法则需提取 设b点最差,根据上述步骤确定f点,再安排f点 

( 1、 、 、… p)、 ( I、 2、 3、… q),使 1 

的实验,…..,直至实验结果不再更优。单纯形法 

与x。有线性关系, 。与y 有线性关系,…一分析 

的原理可用图2表示。 

和 i的相关关系,然后找出 、】,之间的相关关 因此,利用单纯形法首先要找出一组基础的组 

系。典型分析法的原理可用图1表示。 

合,并以此为起点,根据最优条件,找出符合目标 

这种方法的优点是可以同时分析一组可变量与 

更优的另一组合,重复此过程,直到实验结果不再 

组依变量之间的关系,而不适合用于分析只有一 

更优。单纯形法是一种直接搜索法,优点是速度 

个依变量的情况。 快,适应面广;但是单纯形法是一种局域的搜索 

2010年第2期 

6月出版 

田泱源

等:响应面法在生物过程优化中的应用 

重要因素对植物乳杆菌的增殖比较明显。孙力军等 

采用Plackett—Burman法设计对影响B.amyloliquefa— 

ciens ES一2—4产脂肽类抗菌物质产量的12个因子进 

型和响应面等高图求出目标最大时的最优化条件。 

Chauhan AK等利用中心设计法对Streptomyces 

lavendulae发酵生产胆固醇氧化酶进行详细研究, 

对麦芽膏、大豆粕、K HPO 和MgSO 进行试验设 

行筛选,确定影响抗菌物质产量的关键因子为KC1、 

FeSO 和温度。 

3_2部分因子设计法 

计,根据其回归分析结果,模型的复相关系数 

R2=0.999 2,这说明该模型与实验数据的拟合程度 

部分因子设计法(FFD)也是一个两水平的实 

达到99%,而且还计算出当麦芽膏、大豆粕、 

验优化方法,能够用比全因子实验次数少得多的实 

验,从大量因子中筛选出重要的因子。根据实验数 

据拟合出一个多项式,并以此利用最陡爬坡法确定 

最大响应区域,以便利用响应面法进一步优化。但 

部分因子设计实验的次数要比Plackett—Burman法 

多,如6因子的2 部分因子设计需要进行20次实 

验,而Plackett—Burman设计法只需要7次实验。 

Albuquerque利用2 部分因子设计法研究Can— 

dida lipolytica发酵生产生物乳化剂的培养基,从玉 

米油、(NH4) SO 、 (NH2)2CO、KH PO 四个因 

子中筛选出(NH4) sO4、(NHz) CO、KH2PO 都 

为显著影响因子。刘金国等利用26-2部分因子试验 

筛选出链霉菌702发酵产抑真菌物质的关键因素为 

玉米淀粉和蛋白胨,然后由所拟合的数学模型确定 

产抑真菌物质随两者的变化趋势,利用最陡爬坡法 

确定其最佳值,并以此作为响应面法的中心值进一 

步优化。 

上述两种设计方法通常作为响应面优化法的初 

步实验,从影响生物过程的众多因子中筛选出重要 

的因子,然后利用响应面优化技术确定生物过程的 

最优化组合。 

3.3中心组合设计法 

中心组合设计(CCD)是一种国际上较为常用 

的响应面法,是一种5水平的试验设计法。采用该 

法能够在有限的实验次数下,对影响生物过程的因 

子及其交互作用进行评价,而且还能对各因子进行 

优化,以获得影响培养基的最佳条件。对k个因子 

的妣中心组合设计需要的实验总数N=2 +2 + , 

其中2 为轴点的实验次数,/7,。为中心点重复的实 

验次数。对由实验方案所得实验结果按下面的多元 

二次方程进行拟合,以用于描述各因子对生物过程 

的影响。 

y=fl0+∑G_XI+Z ̄//X2i-{-∑8 盖 

根据拟合的数学模型及方差分析结果,评价每 

个因子及其交互作用对生物过程的影响程度,并利 

用响应面等高图直观地描绘其结果,最后从数学模 

K2HPO4、MgS04分另U为20 g/L、20 g/L、0.6 g/L、 

2.0 g,L时胆固醇酶的活力最高,达到2.21 U/mL, 

而当所有因素都处于中心水平时,胆固醇酶的活力 

为1.67 U/mL,可见优化后活力提高了32%。Gao 

等用中心设计法对Lactobacillus fermentum发酵培养 

基进行优化,选取了蛋白胨、尿素及酵母膏3个重 

要因子进行设计分析,得出在蛋白胨14.4 g/L、尿 

素0.5 g/L、酵母粉7.3 g/L的情况下,Lactobacil— 

lus fermentum的生物量最高,达到1.8×10 CFU/ 

mL,比优化前提高了64%。顾骏等采用中心设计 

法对他克莫司发酵培养基进行优化设计,选择了葡 

萄糖、花生粉和酵母粉为重要因素进行分析,得到 

的模型复相关系数R2=0.900 7,最优点为葡萄糖 

6.14 g/L、花生粉12.28 g/L、酵母粉1.52 g/L,他 

克莫司的产率由60%提升到了90%。 

3.4 Box—Behnken设计法 

Box—Behnken设计法是另一种国际上常用的响 

应面法,是一种三水平的实验设计法,同样具有响 

应面的优点。 

杨梅等研究苏云金芽孢杆菌发酵培养基的优 

化,先采用Plackett—Burman设计分析培养基的配 

方,确定了玉米淀粉、黄豆饼粉和酵母粉为显著因 

素,运用最陡爬坡实验确定了3种重要因子的最适 

浓度范围,然后通过Box—Behnken设计得出3种重 

要因子的交互作用及最佳条件,确定苏云金芽孢杆 

菌LLB 19菌株产芽孢最佳发酵培养基为:玉米淀粉 

20.0 g/L,黄豆饼粉26.7 g/L,酵母粉5.5 g/L, 

K2HP040.3 g/L,MgS0,・7H2O0.2 g/L,CaCO30.4 g/L, 

ZnSOD.2 g/L。在最佳发酵培养基条件下,LLB19 

芽孢数为4.25×10 个/mL,与初始培养基条件下 

芽孢数3.41×10 个/mL相比提高了24.6%。王雪 

莲等对枯草芽孢杆菌B579的培养基进行优化,得 

到黄豆饼粉、牛肉膏、玉米粉3种重要因子的最适 

浓度分别为13.97 g/L、8.89 g/L、12.57 g/L,枯 

草杆菌的最大生物量达到1.22×10m CFU/mL,是 

优化前的30倍。 (下转第53页) 

2010年第2期 张桂

等:酶法检测食品中铅离子的研究 

53 

6月出版 

采用酶法测定食品样品的具体条件为:脲酶用 

番茄酱和松花蛋的预处理液中,6 g/mL的铅溶液 

量2.0 mL、反应温度30 qC、反应时间20 min、显 

加标回收率分别为98%和85%,因而认为脲酶法的 

色时间30 min。测定结果见表1。 检测结果是确实可行的。 

表1 食品样品中铅含量测定结果 

参考文献 

样品 石墨炉法检测结果 脲酶法检测结果 

[1]李聪.食品安全监测与预警系统[M].北京:化学工业出版 

t值 

mg/kg mg/kg 

社,2006:1—2. 

番茄酱(Pb) 0.765 0.689 2.287 

[2] 曲径.食品卫生与安全控制学[M .化学工业出版社, 

松花蛋(Pb) O.258 0.231 2.245 

2007:112—1l5. 

注:表内数据均为3次测定结果的平均值。 

[3]王天元,宋雅君,滕鹏起.土壤脲酶及脲酶抑制剂[J1.化学 

tn晒(3)=2.353 4,表中t值均小于此值,说明 

工程师,2004(8):22—24. 

p=0.95,差异不显著,可认为脲酶法的检测结果与 

[4]杨宜娥,吕莎.尿蛋白和脲酶对肾脏疾病的早期诊断价 

原子吸收分光光度法的检测结果没有明显差异,在 

值[J].11占床内科杂志,1999,2(16):75—77. 

十一十一十一十一十一十*十-十一十-十一十一十一十一—●一。—十一‘—’t。十・・十一十一十 十。—十一。—1一 十一十一十-。。t一。十。—。 。十一十一十一。。 。—t一。—t~ 十*十-十一十-—。十一。—t一。—十一‘十-十一十一—+- 

(上接第11页) 

随着统计软件的不断开发, 述统计优化技术 [5]郝学财,余晓斌,刘志钰,等.响应面方法在优化微生物 

(包括试验设计、模型拟合、方差分析、响应面图 培养基中的应用IJ].食品研究与开发,2006,27(1): 

解和最优条件的分析)都可以用商业化的统计软件 38—41. 

来完成,如著名的统计软件SAS和Design Expert。 [6]刘海燕,徐幸莲,卢士玲.Placke B・Im1an(PB)优化植物 

乳杆茵增殖培养基的研究 J .现代食品科技,2008,24 

4小结 

(1):1 277~1 280. 

[7]孙力军,陆兆新,孙德坤.Bacillus amy10liquefaciens Fs一2 

生物过程优化是一个极其复杂的试验过程,而 

液体发酵抗茵脂肽培养基及其主要影响因子筛选[J .食 

且在生物技术产业化过程中又是一项十分重要的工 

品工业科技.2008(5):6O一63. 

作。科研实践表明,合理使用优化方法,在生物过 

1 8 j AI BUQUERQUE CDC,FILE rrl AMF,CAMPOS-TAKAKI 

程优化工作中可获得事半功倍的效果。响应面法的 

GM.Optimizing the medium components in bioemulsiifers 

应用研究结果表明,响应面法可以从更广泛的范围 

production by Candida lipolytica with response su ̄ace 

内考察因素之间的组合,以及对响应值的影响。随 

method[J J.Canadian Journal of Microbiology,2006,52 

着统计软件的发展,统计优化技术,尤其是响应面 

(6):575—583. 

法将在优化过程中得到越来越广泛的应用。选择合 

[9] 刘金国,刘学铭,程新,等.响应面法优化链霉菌702产 

适的统计软件,能够迅速、可靠、简易地进行优化 

抑真菌物质生料发酵培养基[J]_江西农业大学学报, 

实验的安排和数据分析,寻找生物过程的最佳组 

2008,30(1):l31-135. 

合。 

[10]CHAUHAN AK,SURVASE SA,KISHENKUMAR J,et a1. 

参考文献 

Medium optimization by orthogonal array and response 

[1]IAN AS,CARI MW.Mesh morphing and response surface 

surface methodology for cholesterol oxidase production by 

analysis:quantifying sensitivity of vertebral mechanical 

Streptomyces lavendulae NCIM 2499 l J J.J Gen Appl 

behavior[J].Annals of Biomedical Engineering,2010,38 

Microbio1.2009,55(3):l7l—l80. 

(11:41—56. 

[11 顾骏,叶蕊芳,郑黎.他克莫司发酵培齐基的响应面优化 

[2] 

刘建忠,熊亚红,翁丽萍,等.生物过程的优化[Jj.中山大 设计 J].工业微生物,2008,38(2):60—63. 

学学报,2002,41(6):132一】36. 

[12]杨梅,张峰,苏新华.苏云金芽孢杆菌T LB】9发酵培养 

[3] 

BOX GEP,WIlSON KB.On the experimental attainment of 

基的4 ̄4e[j .福建师范大学学报,2009,25(3):75—81. 

optimum conditions[J].J Roy Stat Soc B,l95l,1 3:l一20. 

[13]王雪莲,王敏,骆健美,等.枯草芽孢杆菌生防菌B579最 

[4] 

刘志祥,曾超珍.响应面法在发酵培养基优化中的应用 

佳培养基响应面法优化[J].江苏农业学报,2009,25(1): 

[J].北方园艺,2009(2):127—129. 

212-2】5 


本文标签: 优化 实验 过程 生物