实验=利用正交试验优化最适培养基

实验利用正交试验设计选择和优化最适培养基

一、实验目的

1.掌握单正交试验选择微生物最适发酵条件和培养基的基本方法；

2.掌握微生物摇瓶发酵实验的基本操作技术；

3.初步掌握用正交表试安排试验及对实验结果进行分析的方法。

二、实验原理

对于一个生物作用过程，其结果或产物的得到受到多种因素的影响。

如发酵中，菌种接入量、酶的浓度、底物浓度、培养温度、pH 值、菌种

生长环境中的氧气、二氧化碳浓度、各种营养成分种类及其比例等。对

于这种多因素的实验，如何合理地设计实验，提高效率，以达到所预期

的目的是需要进行认真考虑和周密准备的。

正交实验法是安排多因素、多水平的一种实验方法，即借助正交表的表格来计划安排实验，并正确地分析结果，找到实验的最佳条件，分

清因素和水平的主次，这就能通过比较少的实验次数达到好的实验效果。

现以灰黄霉素产生菌D-756为例，研究不同氯化物浓度及大米粉配比对灰黄霉素产生菌D-756变种发酵特性的影响。试验共三个因素，每

个因素取三个水平。

1.确定试验的培养基组成成分（因素）和每种组成成分的含量（水平）

影响试验指标的因素很多，由于试验条件的限制，不可能逐一或全面地加以研究，因此要根据已有的专业知识及有关文献资料和实际情况，固定一些因素于最佳水平，排除一些次要的因素，而挑选一些主要因素。

正交试验设计法正是安排多因素试验的有利工具。当因素较多时，除非

事先根据专业知识或经验等，能肯定某因素作用很小而不选取外，对于

凡是可能起作用或情况不明或看法不一的因素，都应当选入进行考察。

因素的水平分为定性与定量两种，水平的确定包含两个含义，即水平个数的确定和各个水平数量的确定。对定性因素，要根据试验具体内

容，赋予该因素每个水平以具体含义。定量因素的量大多是连续变化的，

这就要求试验者根据相关知识或经验、或者文献资料首先确定该因素的

数量变化范围，而后根据试验的目的及性质，并结合正交表的选用来确

定因素的水平数和各水平的取值。每个因素的水平数可以相等，也可以

不等，重要因素或特别希望详细了解的因素，其水平可多一些，其他因素的水平可以少一些。如果没有特别重要的因素需要详细考察的话，要尽可能使因素的水平数相等，以便减小试验数据处理工作量。

2.制定因素水平表

根据上面选取的因素及因素的水平的取值，制定一张反映试验所要考察研究的因素及各因素的水平的“因素水平综合表’’。该表在制定过程中，对于每个因素用哪个水平号码，对应于哪个量可以随机地任意确定。一般讲最好是打乱次序安排，但一经选定之后，试验过程中就不能再变了。

3.选用合适的正交表

根据参与试验的因素水平数和客观条件选用适当的正交表，若每个因素都2水平，应选用二水平正交表，及 L

(23) ；都取3水平，应应选

4

(34) ；若因素间水平不等可选用混合水平型正交用三水平正交表，如L

9

表，即L

(2×37)等。对于同类正交表，考虑交互作用时，应选大的正交18

表；已知因素间交互作用小的或不考虑交互作用的，可选用小的正交表。

L(34)正交表

4.列出试验方案（表头设计）

把各列按照表头设计排上培养基组成成分，各列对应的水平数字换上各组成成分所对应的实际水平，每一行就构成一个处理（一个培养基配方的主要成分），各个培养基配方便组成整个试验方案。

5.实施实验方案

根据所定试验方案，按照规定试验内容，以常规操作制备培养基。一般一个培养基要重复2-4瓶。各个培养基应采用同一细胞浓度的菌悬液接种，以相同转速摇瓶培养3天，测定产物活性，最后按照正交表进行实验结果的统计分析。在整个方案实施过程中要精心操作，试验条件尽量力求一致，以便取得正确的合乎实际的试验结果。

6.正交试验结果分析

正交试验结果的直观分析与正交试验结果的方差分析相比，具有计算量小、计算简单、分析速度快、一目了然等特点，但分析结果的精确性与严密性相对于方差分析来说稍差。直观分析步骤如下：

（1）计算K值

其中，以A因子为例：

K1= y1+ y2+ y3=42168 A因子1水平的3个试验结果之和；K2= y4+ y5+ y6=43540 A因子2水平的3个试验结果之和；K3= y7+ y8+ y9=43447 A因子3水平的3个试验结果之和；k1= K1/3 =14056

k2= K2/3 =14513

k3= K3/3 =14482

R= k[max]- k[min]= k2- k1=14513-14056=457 称为极差

对于B、C因子，依次类推。

（2）作用因素与试验结果的关系图

以因素的不同水平作横坐标，以k值作纵坐标，把每个因素不同水平与所对应的k值作曲线图。

（3）判断各因素主次关系及其显著性

根据极差R的大小，可判断各因素对试验结果影响的大小。判断的原则是：凡是R越大，所对应的因子越重要。根据图表可知，第二列的

极差最大，为1191，所以B因素（NaCl）对试验结果的影响是最主要的。

影响度依次为B（NaCl）→C（大米粉）→A（KCl）。

对于空列来说三个因素的极差本应为零。但是在实际实验中，总是有误差的，极差不能正好为零。它的大小正好反映了误差的大小。本例

中三个因素的极差都比空列的极差大的多，说明这三个因素的影响都是

显著的。

（4）确定优水平组合：

根据k1、k2、k3值的大小来确定A、B、C各因子取决于哪个水平好。

确定的原则根据对指标值的要求而定：如果要求指标值越大越好，则取

最大的k所对应的那个水平；如果要求指标值越小越好，则取最小的k

所对应的那个水平。本例中根据图表可知，我们要求NaCl和大米粉浓度

越大越好，KCl浓度取0.7%时最好；因而，选择A

2B

3

C

3

，即得到一个好条

件，即：KCl 0.7%，NaCl 0.8%，大米粉13%。这个组合是在原试验方案中没有做过的。由此可见，利用正交设计，其最优处理组合即使没有做过，也能计算出来，作为参考。

三、材料和方法